Каждый человек, кто работает с водой, знает, что сегодня главная проблема, с которой сталкивается каждый, это повышенная жесткость воды. Из-за нее приходится сталкиваться с огромным количеством проблем, которые решать приходится, здесь и сейчас, не откладывая в долгий ящик. призвана привести к состоянию, разрешенному законом для использования в пищу и питье, или же для использования на производстве со специальными требованиями.

Что не так с жесткой водой, что о ней постоянно приходится заботиться? О накипи, я думаю, знают все. Только вот вряд ли все до конца понимают, в чем ее вред. Но кроме накипи и ее плохой проводимости тепла, есть еще повышенная жесткость воды, которая дает свои последствия еще до того, как образуется накипь.

О том, что вы работаете с жесткой водой, вы узнаете по большому количеству признаков. Впрочем, если вам удобно и просто удалять накипь руками или с помощью средств от накипи, вы можете продолжать, просто вам нужно понимать, чем вы рискуете, выбирая данный путь борьбы с жесткостью воды.

Первое, что подвержено негативному влиянию жесткой воды, это наше здоровье. Соли жесткости откладываются везде. Будут это стенки бытового прибора или будет это желудок или почки, им все равно. Поэтому до того момента, пока вы проведете очистку от накипи, она уже образуется в вашем организме. Хронические заболевания уходят корнями не только в неправильный образ жизни, качество воды здесь также имеет свой вес. какие перспективные технологии водоподготовки мы знаем на сегодняшний день?

Кроме вреда для здоровья, повышенная жесткость воды оставляет свой след и на наших одеждах, и здесь тоже очистка от накипи никак не поможет. Когда мы стираем в жесткой воде, приходится и воды больше использовать, и порошка добавлять в половину больше. Что происходит дальше? Из-за плохой растворимости моющих средств в такой воде, порошок оседает вместе с солями жесткости внутри пор тканей. Чтобы как следует промыть такую ткань, придется полоскать ее намного дольше. Это добавочный расход воды. Мы всего этого не замечаем, т.к. постоянно работаем с такими расходами, и увидеть разницу поможет только применение .

Однако, на сегодня бытует мнение, что любой фильтр для воды достаточно дорог, и его использование в квартире не оправданно. И что проще удалять накипь. Две сферы, которым безразлично такое удаление указаны свыше. Вещи с белыми разводами выглядят мало привлекательно и быстро приходят в негодность. Гораздо раньше, чем, если бы вы использовали технологию водоподготовки и стирали в мягкой воде.

Кроме этого у накипи есть такой большой недостаток, как плохая теплопроводимость. Ведь почему нужно всегда следить за размером накипи на поверхностях? да чтобы не остаться без промышленного оборудования или же без бытовых приборов.

Когда накипь покрывает нагревательные элементы или водогрейные поверхности, передача тепла воде прекращается практически полностью. По началу, известковый налет хоть как то пропускает тепло, но при этом есть еще такой нюанс, как резкий рост расходов топлива или электричества. Нагреть то поверхность становится намного сложнее. Поэтому и уходит, столько топлива, и чем толще слой накипи, тем выше расходы.

Проблема накипи не только в повышенном расходе топлива. Прибор с накипью со временем начнет отключаться, стремясь защитить себя от перегревов. Это все сигналы, на которые нужно реагировать немедленно. Очистка от накипи в таком случае должна проходить мгновенно. Если ее не сделать, то накипь быстро перейдет в стадию известкового камня. Удалять такой покров намного сложнее. Это время. Это деньги. И наконец, это риск потерять прибор. Если упустить момент, то теплу больше некуда будет идти, и оно просто разорвет нагревательный элемент или поверхность. Именно по этой причине нужно знать все технологии водоподготовки на отлично!

В быту это выливается в перегорание бытовых приборов. Иногда с разрывом проводки. В промышленности это проявляется в виде свищей на трубах и взрыве котлов в теплоэнергетике.

Вот вам набор причин, которые призывают задумываться об . С помощью нехитрого набора фильтров для воды вы сможете обезопасить себя и свою семью от вредного влияния повышенной жесткости воды. Выбирая ту или иную технологию водоподготовки, следует помнить, что обойтись на предприятии или в собственном доме, квартире одним умягчителем воды точно не удастся.

Помните, что при очистке воды перед вами всегда будут стоять две задачи. Вам нужна вода питьевая и вода для бытовых нужд. Поэтому минимальная водоподготовка, которая только может быть в квартире будет состоять из очистки воды с помощью, например, электромагнитного умягчителя воды Акващит. Это будет для воды по техническим, бытовым нуждам. И очистка воды с помощью фильтра-кувшина, минимум или обратного осмоса максимум. Это уже для питьевых нужд. Тогда защита от накипи и жесткой воды будет более менее надежной.

Теперь перейдем непосредственно к технологиям водоподготовки. Выбирая ту или иную технологию, нужно знать, какие задачи она должна решать. Как понять, что выбрать? Откуда взять исходные данные для определения типа технологии водоподготовки и последовательности фильтров для воды?

Самое первое, что вы должны сделать, прежде чем будете выбирать перспективную технологию водоподготовки, это провести химический анализ воды. На его основе вы всегда сможете рассчитать и оббьем поступающей в квартиру воды и сможете наглядно увидеть ее состав, все примеси, которые придется удалять. Имея на руках эти результаты, вам будет проще понять какую технологию водоподготовки лучше использовать, какую последовательность фильтров выбрать и какой мощности должен быть тот или иной прибор.

Даже если вы берете воду из центральной системы очистки воды, она все равно будет жесткой. И здесь лучше не экономить, и провести таки химический анализ воды. Тогда вы не будете переплачивать за слишком мощный и дорогой умягчитель воды.

Все варианты технологий водоподготовки можно свети к следующему перечню:

• механическая очистка воды;
• химическая очистка воды;
• дезинфекция;
• микроочистка.

Под химической очисткой воды понимают устранение любых органических примесей, нитратов, железа, а также остаточного хлора. Микроочистка – это получение дистиллята или же чистой и полезной питьевой воды.

Рассмотрим более подробно варианты фильтров для воды, которые работают с применением той или иной технологии водоподготовки.

Итак, механическая технология водоподготовки . Ее задача устранить из воды все механические твердые примеси, а также каллоиды. Здесь очистка воды может проходить в несколько этапов. Начинается она с грубой очистки. Вода может даже отстаиваться, чтобы самые большие механические примеси могли осесть. Здесь могут использовать осадочные, гравийные сетчатые .

Сетчатые фильтры включают в себя несколько сеток с разной пропускной способностью. Они используются для фильтрации, как более крупных, так и мелких твердых примесей. Основной материал для производства сеток - нержавеющая сталь. Ставят такие фильтры при первичном заборе воды самыми первыми.

Осадочные фильтры призваны удалить очень мелкие частицы, невидимые невооруженному взгляду. Здесь фильтрующая основа – кварцевый песок, а также гравий. Иногда могут использовать гидроантрацит. Такие фильтры больше применяют для повторной очистки воды. Так очищают стоки, или готовят техническую воду на производстве.

Фильтры с картриджами, это что-то среднее между механической фильтрацией и умягчением воды. Суть только в том, что такие фильтры устраняют очень мелкие примеси размером 150-1 микрон. Такие фильтры устанавливают для предварительной очистки в том же обратном осмосе.

Химическая очистка воды, это скорее интересная и перспективная технология водоподготовки, предназначенная для корректировки химического состава воды, а не изменения его состояния. Это с помощью ионного обмена, а также обезжелезивание. На данном же этапе водоподготовки устраняют из воды остаточный хлор.

Для обезжелезивания могут использовать марганцевый цеолит. Это песок зеленого цвета, который отлично контактирует с железистыми соединениями, качественно отфильтровывая их из воды. Для того, чтобы реакция удержания железа в фильтра проходила еще лучше, неплохо было бы, если бы в воде были небольшие включения кремния.

Другой вариант технологии водоподготовки – это использование окисления железа для очистки воды от его примесей. Это безреагентный процесс и для этого применяют специальные фильтры, где воду обдувают кислородом и под этим влиянием железо оседает на внутреннем картридже.

В качестве умягчения воды используют ионообменные фильтры для воды. Это одна из самых распространенных технологий водоподготовки, что в быту, что на производстве. Основу такого фильтра составляет смоляной картридж. Он перенасыщен слабым натрием, который в структуре вещества легко заменить. Когда происходит контакт с жесткой водой, соли жесткости легко сменяют слабый натрий. Так и происходят непосредственно . Постепенно картридж полностью отдает свой натрий и забивается солями жесткости.

В промышленности такие установки одни из самых популярных, но и самых громоздких. Это огромные баки в высоту. Но зато скорость очистки воды у них самая высокая. При этом забитые картриджи в промышленности восстанавливают, в быту меняют. Ионообменный фильтр является реагентным умягчителем, поэтому для производства питьевой воды нельзя было его использовать, до тех пор, пока не придумали сделать картридж сменным.

Восстанавливают такой картридж с помощью сильно соляного раствора. В быту картридж меняют. Из-за этого стоимость использования подобной технологии водоподготовки увеличивается. Хотя сама установка стоит недорого, но постоянная смена картриджей, это постоянные расходы. Тем более, что еще и менять придется довольно часто. В промышленности расходы пойдут и на соли. Она хоть и дешевая, но большие обьемы стоят дорого. Плюс закупаться ею придется постоянно. Да и еще одна проблема подобного ионообменного аппарата в промышленности - после восстановления образуются очень вредные отходы. Сбрасывать в атмосферу такие, категорически нельзя. Только с получения разрешения и после доочистки. Это опять же расходы. Но в сравнении со стоимостью того же обратного осмоса, данные расходы в промышленности считаются незначительными.

Новые и современные технологии водоподготовки

Для быта же, кто жаждет сэкономить на новых и современных технологиях водоподготовки, могут покупать такой фильтр-кувшин. Правда, установка обратного осмоса окупиться быстрее, чем такой фильтр с постоянными расходами.

Для того, чтобы устранить из воды мутность и остаточный хлор в качестве фильтрующей среды используют активированный уголь, который является основой сорбционного фильтра.

Для дезинфекции могут использовать озонаторы или ультрафиолетовые фильтры для воды. Здесь главной задачей новых и современных технологий водоподготовки является устранение любых бактерий и вирусов. Озонаторы больше всего используют в бассейнах, т.к. они достаточно дороги, но при этом экологически чистые. Ультрафиолетовые фильтры являются безреагентными установками и облучают воду с помощью ультрафиолетовой лампы, которая убивает любые бактерии.

Еще одной популярной сегодня чрезвычайно технологией, является электромагнитное умягчение воды. Классический ее пример . Чаще всего подобную новую и современную технологию водоподготовки массово используют в теплоэнергетике. Также популярна установка и в быту. Основой здесь являются постоянные магниты и электрический процессор. Он, используя силу магнитов, генерирует электромагнитные волны, которые влияют на воду. Под таким влиянием соли жесткости видоизменяются.

Обретя новую форму, они не имеют возможности прилипнуть к поверхностям. Тонкая игольчатая поверхность дает возможность только тереться о старую накипь. Здесь происходит второй положительный эффект. Новые соли жесткости устраняют старые. Причем делают это качественно. Когда вы поставите себе электромагнитный умягчитель воды Акващит, вы через месяц, можете смело раскрутить свой бойлер и посмотреть как сработал такой . Уверяю вас, результаты вас порадуют. При этом прибор не нужно обслуживать. Легко поставить, легко снять, работает сам, никаких замен фильтров и промывок. Только ставить нужно на чистый отрезок трубы. Это единственное требование.

И наконец, новая и современная технология водоподготовки , предназначенная для получения дистиллята и питьевой воды высокого качества. Это нанофильтрация и обратный осмос. Это все технологии для тонкой очистки воды. Здесь вода очищается на молекулярном уровне через дисперсионную мембрану с огромным количеством отверстий размером не больше молекулы воды. В такую установку нельзя поставлять неподготовленную воду. Только после предварительной очистки, вода может очищаться обратным осмосом. Из-за этого любая установка нанофильтрации или осмоса будет стоить дорого. Да и материалы для тонкой мембраны, достаточно дорогие. Но качество очистки воды здесь самое высокое.

Таким образом, мы разобрали все самые популярные и используемые новые и современные технологии водоподготовки. Теперь вы будете понимать, что и как работает. С такими знаниями, составить правильную систему очистки воды не составит труда.

Характеризуются образованием малорастворимой твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные и (или) растворенные загрязнения. Эта фаза создается за счет введения специальных реагентов.

Осадительные методы широко распространены в подготовке питьевой воды, а также воды для технических целей. Эти методы дают хорошие результаты по выведению коллоидных и взвешенных частиц.

Достоинствами этих методов промышленной водоочистки являются: низкая стоимость, использование широко распространенного и отработанного оборудования и доступных реагентов.

Недостатками являются: низкая эффективность, малая производительность и большое количество отходов.

Для увеличения производительности и уменьшения объема отходов вводят специальные вещества - флокулянты, представляющие собой растворимые высокомолекулярные вещества, молекулы которых обладают в растворенном виде зарядом.

Различают три основных осадительных метода: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение.

Коагуляция - образование и осаждение в жидкой фазе гидроксидов железа или алюминия с адсорбированными на них коллоидами загрязнений и соосажденными гидроксидами тяжелых металлов.

Флокуляция - процесс агрегатации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярного вещества, называемого флокулянтом.

Химическое осаждение - образование и осаждение в жидкой фазе малорастворимых кристаллических осадков с соосажденными ионами загрязнений.

Коагуляция

При коагуляции в раствор вводятся специальные реагенты, при взаимодействии которых с водой образуется новая малорастворимая высокопористая фаза, как правило, гидроксидов железа или алюминия. Происходит также соосаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту.

В качестве коагулянтов обычно используют соли слабых оснований - железа и алюминия - и сильных кислот: Fe2(SO4)3, FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3, AlCl3.

Для любого процесса коагуляции первостепенное значение имеет выбор дозы коагулянта и рН воды. Как правило, они подбираются при пробной коагуляции.

Контактная коагуляция

Сократить объем используемого оборудования и расход реагентов позволяет так называемая контактная коагуляция. Она реализуется при введении раствора коагулянта перед механическим фильтром, на котором происходит процесс роста хлопьев и их осаждение.

Флокуляция

Флокуляция - процесс агрегатации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярного вещества, которое называют флокулянтом.

При введении флокулянта резко ускоряется процесс образования и осаждения хлопьев при коагуляции, увеличивается плотность агрегатов и осадков, расширяется диапазон рН эффективного действия коагулянтов.

Флокулянты бывают неорганическими и органическими, природными и синтетическими, ионогенными и амфотерными.

Неорганические флокулянты - активная кремниевая кислота АКФК;

природные - крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ).

Синтетические представляют собой органические водорастворимые высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до миллионов дальтон. Они получили наибольшее распространение из-за лучших флокуляционных свойств и широкого выбора различных модификаций.

Мембранные методы

Современные технологии позволяют изготавливать объемные или плоские фильтрующие материалы с однородными каналами практически любого размера.

Мембранный метод основан на пропускании загрязненного раствора через полупроницаемую перегородку с отверстиями меньшими, чем размер частиц загрязнений.

Мембранные процессы включают в себя:

· макрофильтрацию;

· микрофильтрацию;

· ультрафильтрацию;

· нанофильтрацию;

· обратный осмос.

Макрофильтрация - это механическая фильтрация с удалением крупных видимых твердых частиц с размером пор 1-100 мкм. Как правило осуществляется на металлических и полимерных сетках различного типа с регенерацией обратным током очищенной воды.

Микрофильтрация - удаляет мелкие взвеси и коллоидные частицы, микроорганизмы(бактерии) с размером 0,1-1,0 мкм, определяемые как мутность или опалесценция раствора. Рабочее давление от 1,0 до 2,0 атм.

Ультрафильтрация - извлекает из воды коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии и вирусы), крупные органические макромолекулы, определяющие цветность воды, имеющие размер 0,01-0,1 мкм и молекулярную массу более 1000 дальтон. Рабочее давление от 0,7 до 7,0 атм.

Обратный осмос или нанофильтрация - очень близки по механизму разделения, схеме организации процесса, рабочему давлению, мембранам и оборудованию.

Обратный осмос - характеризуется использованием мембран с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются все растворенные ионы и органические молекулы. Рабочее давление от 7 до 70 атм.

Эффективность удаления методом обратного осмоса различных ионов зависит от их заряда и размера, определяющих степень гидратации и увеличивается с ростом этих характеристик.

Коэффициенты очистки имеют следующие значения: по одновалентным ионам Na+, K+, Cl-, NO3- равные -, а по двухвалентным Ca2+, Mg2+, SO42- - более 100.

Однако использование обратного осмоса имеет ряд ограничений. Вода, подаваемая на мембраны не должна содержать железа, грубых механических примесей, должна быть умягченной и т.п. Это необходимо для предотвращения отложения малорастворимых солей на поверхности мембран и их разрушения.

Нанофильтрация - удаляет молекулы и многозарядные ионы, имеющие размер от 0,001 до 0,01 мкм, органические молекулы с молекулярной массой выше 300 дальтон и все вирусы. Рабочее давление от 7 до 16 атм.

Нанофильтрация способна удалять ионы с зарядом больше 1, а однозарядные пропускать - извлечение NaCl составляет менее 50%. Селективность по двухзарядным катионам и анионам высокая, например, при фильтрации раствора MgSO4 извлечение составляет 98-99%. Тяжелые металлы удаляются практически полностью. В результате степень обессоливания ниже, чем при обратном осмосе, но фильтрат почти не содержит солей жесткости, т.е. происходит умягчение воды. Селективность к органике с молекулярной массой более 150-300 обеспечивает снижение цветности и окисляемости.

Сравнение различных мембранных методов по степени удаления из воды ионов и биологических загрязнений приведено в таблице.

Вещество	Микро-фильтрация	Ультра-фильтрация	Нано-фильтрация	Низконапорный обратный осмос	Обратный осмос
NaCl			0-50	70-95
Na2SO4				80-95
CaCl2			0-60	80-95
MgSO4				95-98
H2SO4				80-90
				70-85
Вирусы			99,99	99,99	99,99
Бактерии			99,99	99,99	99,99

Адсорбция

Сорбционные методы очистки основаны на процессах адсорбции и ионного обмена.Методом ионного обмена осуществляется извлечение из раствора ионов, а методом адсорбции - молекул.

Адсорбция - поглощение молекул растворенного вещества твердым нерастворимым телом - адсорбентом.

Адсорбенты - это твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью за счет высокой пористости.

Поглощение происходит за счет физической сорбции или хемосорбции на развитой поверхности адсорбента.

Физическая сорбция основана на силах межмолекулярного взаимодействия, и хемосорбция - на поглощении с участием химических реакций. При этом образуются новые химические соединения.

Наиболее распространенные адсорбенты - активированные угли. Они представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности.

Активированные угли изготавливают на древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон. Процесс их производства заключается в пиролизе материала, т.е. высокотемпературной обработке без доступа воздуха.

Наиболее распространенное применение в настоящее время получили импортные активированные угли, изготовленные из скорлупы кокосового ореха. В них сочетаются высокая прочность, стабильный оптимальный гранулометрический состав и высокая емкость.

При адсорбции из растворов извлекаются в основном молекулы органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо сорбируются фенолы, полициклические ароматические углеводороды, нефтепродукты, хлор- и фосфоорганические соединения. Активированные угли также используются как катализаторы разложения находящегося в воде активного хлора и озона.

Соли, находящиеся в воде в ионном виде, практически не извлекаются.

Умягчение воды

Процесс удаления из воды солей жесткости называют умягчением.

Жесткая питьевая вода горьковата на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения (по нормам ВОЗ оптимальная жесткость воды составляет 1,0-2,0 мг-экв/л). В бытовых условиях избыток солей жесткости приводит к зарастанию нагревающих поверхностей, отложению солей на сантехнике и выводу ее из строя, снижению срока службы и поломке бытовых приборов.

В пищевой промышленности жесткая вода ухудшает качество продуктов, вызывая выпадения солей при хранении, образование подтеков на поверхностях и т.п. Поэтому жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1-0,2 мг-экв/л.

В энергетике случайное кратковременное попадание жесткой воды в систему выводит из строя теплообменное оборудование, трубопроводы.

Процессы извлечения из воды солей Сa 2+ и Mg 2+ в водоподготовке называют умягчением. Относительно селективное удаление солей жесткости может производится тремя методами:

· реагентным умягчением;

· ионным обменом;

· нанофильтрацией.

Реагентное умягчение

Многие соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в раствор некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Сa 2+ и Mg 2+ . Такой процесс называют реагентным умягчением.

Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях.

Реагентные методы в подготовке питьевой воды не используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Они широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень очистки до механических фильтров. При совместной работе они позволяют умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично очистить ее от органических веществ.

Поскольку осаждение образовавшихся хлопьев происходит очень медленно, производительность оборудования низка и оно имеет большие габариты. В результате образуются отходы в виде трудно утилизируемых шламов. Процесс требует тщательного контроля, причем в основном ручного, поскольку зависит от многих факторов: температуры воды, точности дозировки реагентов, исходной мутности и т.п.

Новые технологические решения (тонкослойное отстаивание, контактная коагуляция, ввод флокулянтов) позволяют достигнуть тех же показателей при меньшем расходе реагента, габаритах установок и их полной автоматизации.

Ионный обмен

Наиболее просто снижение жесткости до практически любых значений обеспечивается ионным обменом. Производительность метода практически не ограничена.

Умягчение воды может производиться методами Na-катионирования, H-Na-катионирования (параллельное или последовательное) или Н-катионирование с голодной регенерацией на сильно- или слабокислотном катионите.

Умягчение воды производится путем ее контактирования с сильнокислотным катионитом в Na-форме, в результате чего из воды извлекаются катионы Ca 2+ и Mg 2+ и замещаются ионом Na + . Солесодержание воды при этом практически не меняется, поскольку катионы кальция, имеющие вес 1 мг-экв/л, равный 20, замещаются катионом натрия с весом 1 мг-экв/л, равным 23. Поскольку анионный состав не меняется, раствор остается практически нейтральным. Щелочность воды и рН может увеличиться на 0,1-0,2 единицы, в зависимости от содержания солей жесткости в исходной воде.

Принципиальная схема установки умягчения воды практически аналогична механической. Принципиальное отличие установок умягчения состоит в наличии системы приготовления соли и его подачи в фильтр.

Рядом с корпусом фильтра устанавливается бак-солерастворитель. Солерастворитель представляет собой емкость, обычно с ложным дном, в которую загружается запас гранулированной (таблетированной) соли. Во время рабочего цикла в бак подается необходимое количество умягченной воды. Это количество регулируется временем заполнения и клапаном уровня. За время очистки воды происходит растворение соли с образованием насыщенного раствора концентрацией 20-26%. Блок управления снабжен эжектором для подсоса солевого раствора при регенерации, обеспечивающим достаточно стабильное соотношение вода: раствор соли = 2:1 при разном давлении питающей воды. При включении регенерации засасывается насыщенный раствор и разбавляется до 8-10%.

Блок управления, в отличие от аналогичных для механических фильтров, содержит дополнительные клапаны для заполнения солерастворителя и эжектор для засоса солевогораствора. Регенерация может производиться по истечении заданного промежутка времени или после пропуска определенного количества очищенной воды. Второй вариант предпочтителен. Для его реализации в блоке управления устанавливается счетчик количества пропущенной воды. При наладке установки определяют объем воды, который может умягчить фильтр. Его вводят в блок управления, и регенерация каждый раз проводится, когда фильтр обработает заданное количество воды. Это позволяет обеспечивать постоянное высокое качество умягчения при минимальном расходе соли.

Для крупных установок солерастворитель или узел мокрого хранения соли устанавливается единый на все фильтры. Такой узел позволяет использовать обычную соль, что дает существенную экономию.

Крупногабаритные фильтры оснащают либо индивидуальной запорной арматурой на всех линиях реагентов, либо многоходовыми клапанами с электро-, гидро- или пневмоприводом.

Для организации непрерывного умягчения воды параллельно устанавливаются несколько фильтров, минимально - два в параллели, один из которых работает, а второй в это время регенерируется.

После одной ступени умягчения не удается снизить жесткость ниже 0,05 мг-экв/л, а т.к. для многих процессов в теплоэнергетике требуется меньшая жесткость, то в этих случаях очистку ведут последовательно в двух фильтрах, называемых первой и второй ступенью умягчения.

Для умягчения воды со снижением щелочности используется Na-Cl-ионирование. Оно основано на применении для очистки воды катионита в Na-форме и анионита в Cl-форме.

Другими путями являются умягчение воды методами H-Na-катионирования (параллельным или последовательным), Н-катионирования с нейтрализацией, Н-катионирования с голодной регенерацией на сильно- или слабокислотном катионите.

Эти способы позволяют помимо умягчения воды добиться снижения щелочности и уменьшения солесодержания.

Промывка фильтров Н-катионирования осуществляется раствором кислоты, поэтому их корпуса должны быть выполнены либо из полимеров, либо иметь кислотостойкое покрытие. Все клапана системы или блока управления также должны быть кислотостойкими.

В современных автоматизированных конструкциях используются пластиковые корпуса, аналогичные корпусам установок умягчения и механической фильтрации. В отличие от установок умягчения, в расходную емкость заливается готовый раствор кислоты необходимой концентрации. Как правило, применяется соляная кислота. В установках со стандартными блоками управления используется кислота с концентрацией 10-15%. В специально создаваемых промышленных установках, имеющих собственное реагентное хозяйство и систему приготовления и подачи кислоты, применяется товарный продукт.

Сравнение основных методов умягчения приведено в таблице.

Компонент,мг-экв/л	Исходный раствор	Na-катиони-рование	Н-катиони-рование	Параллель-ноH-Na	Последова-тельноH-Na
Жесткость общая		0,05
Натрий
Сумма катионов
Сумма анионов
	0,35	0,35			0,25
рН			2,5-4,0
Щелочность общая

Нанофильтрация

Выше отмечалось, что при использовании мембран с определенным размером пор обеспечивается их селективность к многозарядным и крупным ионам. При пропускании воды удаляются все взвеси, коллоиды, бактерии и вирусы, катионы тяжелых металлов и пр. Также происходит достаточно глубокая очистка от солей жесткости - в 10-50 раз.

Для умягчения используются установки с тангенциальной фильтрацией и с рулонными элементами. Параметры таких установок близки к установкам низконапорного осмоса.

Степень умягчения определяется характеристиками применяемых мембран и поскольку селективность нанофильтрационных мембран различна, зависит от состава воды. В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе и тем более при ионообменном умягчении.

Электрохимическая обработка

Электрохимический метод умягчения воды является относительно новым. Ранее он предлагался для переработки солевых отходов, включая регенераты установок умягчения, для их последующего повторного использования.

При прохождении воды через межэлектродное пространство происходит ряд физико-химических процессов с образованием устойчивых комплексов солей, т.е. соли жесткости не извлекаются из воды как в рассмотренных выше методах, а переводятся в менее растворимую форму.

Кондиционирование воды

Вода, используемая для питьевых целей, производства различных продуктов, должна обладать определенными свойствами и химическим составом. Наряду с необходимостью обеспечить содержание токсичных веществ в концентрациях ниже допустимых, часто требуется, чтобы в ней присутствовали полезные для данного производства вещества в заданных количествах, соблюдались определенные значения рН и щелочности. В энергетике необходимо обеспечение такого состава и (или) физического состояния примесей, которые не образуют накипи и не вызывают коррозии металлов.

Процесс доведения состава воды до заданных, необходимых для данного процесса параметров называют кондиционированием .

Как правило, он включает ряд операций, при которых удаляются загрязнения, а затем вводятся соответствующие реагенты.

Стабилизационная обработка воды для тепловых процессов

При использовании воды в качестве теплоносителя к числу ее важных качеств относятся отсутствие выпадения осадков на поверхностях теплообмена и минимальная коррозийная активность.

Стабильной называют воду, которая не вызывает коррозии поверхности металла, с которой она соприкасается, и не выделяет на этих поверхностях осадки карбонатов кальция.

Для поддержания стабильности воды в заданных пределах необходимо регулировать несколько параметров: рН, щелочность и карбонатную жесткость. Стабильность увеличивается при введении карбонатов натрия или кальция, подщелачивании, а уменьшается при умягчении воды или введении кислоты.

Выпадение осадков солей жесткости, железа резко ухудшает эффективность теплообмена и приводит к росту тепловых потерь и экономичности установок. Существуют жесткие нормативы на содержание солей жесткости в воде для различных энергетических установок. Для их удаления используются различные методы.

К способам обеспечения стабильности воды относятся умягчение и введение реагентов, т.н. химическая обработка.

Химическая обработка воды заключается во введении в воду малых доз специальных реагентов, связывающих соли жесткости, которыеостаются в растворе и не прилипают к греющим поверхностям.

Различают два класса стабилизирующих реагентов: реагенты, связывающие соли жесткости во взвешенные в воде кристаллические образования (фосфаты и пр.), и реагенты, стабилизирующие насыщенные растворы (кислоты, комплексоны и пр.).

Кондиционирование питьевой воды

Вода природных источников может, с одной стороны, содержать различные загрязнения, а с другой стороны, в ней могут отсутствовать вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности. Одновременно с вредными загрязнениями могут извлекаться и полезные для организма вещества. Для создания необходимого солевого состава воды в нее вводят недостающие соли.

Как правило, в воде наблюдается дефицит фтора, йода.

Кроме того, питьевая вода должна быть стабильной. В противном случае в процессе доставки к потребителю она окажется загрязненной продуктами коррозии трубопроводов. Это особенно актуально для вод, прошедших очистку методами опреснения и обессоливания. Как правило, стабилизация такой воды производится путем ее пропускания через известковые минералы или методами дозирования необходимых компонентов.

Кондиционирование воды для пищевой промышленности

Для получения стабильной ликероводочной продукции, соков и питьевой воды необходимо поддержание в очищенной воде, которая является сырьем, не только заданного солевого состава, прежде всего жесткости, но и определенной щелочности. Последняя в большинстве природных вод оказывается выше заданной, поэтому в воду вводится кислота, допущенная для применения в пищевой промышленности. Параллельно ведется контроль рН.

Другими путями контролируемого уменьшения щелочности являются: умягчение воды на слабокислотном катионите, Na-H-катионирование, обессоливание обратным осмосом или нанофильтрация , которые описаны выше.

В производстве пива требования к составу воды противоречивы, например, необходимо иметь достаточное количество солей кальция при отсутствии магния. Обычными способами селективно извлечь магний невозможно, поэтому часто используют метод обессоливания воды с последующим вводом необходимых реагентов.

Удаление органических загрязнений

Органические вещества присутствуют в воде в виде природных и техногенных соединений.

К природным относятся гуминовые и фульвокислоты и их соединения, в том числе их комплексы с железом.

Техногенные образуются в результате действия человека. В их числе продукты, образующиеся при обработке воды активным хлором, включая наиболее токсичные и канцерогенные - диоксины.

Органические загрязнения имеют различные размеры и молекулярную массу.

Они могут быть удалены из воды двумя методами:

· разрушением (окислением) до СО 2 и Н 2 О;

· извлечением.

Разрушение производится сильными окислителями, такими как хлор, кислород, озон, а также жестким ультрафиолетом.

Извлечение органических веществ может быть осуществлено сорбцией, коагуляцией и мембранными методами.

Удаление нитратов

В воде поверхностных источников, реже в подземных, присутствуют соединения азота в виде нитратов и нитритов. В настоящее время происходит постоянный рост их концентраций, связанный прежде всего с широким использованием нитратных удобрений, избыток которых с грунтовыми водами поступает в реки и озера.

Существуют два пути удаления нитратов и нитритов - это обратный осмос и ионный обмен.

В первом случае должно производиться обессоливание воды до такой степени, при которой концентрация нитратов будет соответствовать норме. Однако при обратном осмосе удаляются многие другие соли, и в результате получается частично обессоленная вода. Вопрос об ее полезности для организма и вкусовых качествах является дискуссионным. Стоимость такой обработки достаточно высока.

Сильноосновный анионит в Cl - форме может сорбировать ионы NO 3 - и обменивать их на ионы Cl - .

Обезжелезивание воды

Удаление из воды железа это сложнейшая задача в водоочистке. Посмотрев на существующие способы обезжелезивания воды, можно сделать вывод: на данный момент не существует универсального экономически оправданного метода, применимого во всех случаях жизни. Каждый из методов обезжелезивания воды применим только в определенных случаях, у него есть и достоинства, и существенные недостатки. Выбор конкретного метода удаления железа (или их комбинации) в большей степени зависит от опыта водоочистной компании.

В природной воде, а особенно в воде из подземных источников, в большом количестве содержится железо и часто, марганец.
Нормы их содержания в питьевой воде составляют по СанПиН 2.1.4.1074 0,3 мг/л для железа и 0,1 мг/л для марганца.
Нормативами ЕС содержание железа лимитируется на уровне 0,2 мг/л, а марганец 0,05 мг/л.
Для некоторых типов производств нормативы еще более жесткие (например, согласно требованиям к воде для производства водки - содержание железа не должно превышать 0,13 мг/л при жесткости общей свыше 1 мг-экв/л, и 0,1 мг/л при жесткости общей до 1 мг-экв/л).

Удаление железа из воды называют обезжелезиванием. Часто одновременно удаляется и марганец, т.е. проводится деманганация.

Железо в воде находится в следующих формах:

· двухвалентное - растворенной в виде ионов Fe 2+ ;

· трехвалентное (хотя хлориды и сульфаты Fe3+ хорошо растворимы в воде, ионы Fe 3+ гидролизуются в нерастворимый гидроксид Fe(OH)3, который находится в виде взвеси или осадка);

· органическое железо (находится в виде различных растворимых комплексов с природными органическими кислотами (гуматов), имея, как правило, коллоидную структуру);

· бактериальное железо - продукт жизнедеятельности железобактерий (железо находится в их оболочке).

В подземных водах присутствует, в основном, растворенное двухвалентное железо в виде ионов Fe 2+ . Трехвалентное железо появляется после контакта такой воды с окислителем, например, воздухом или в изношенных системах водораспределения при контакте с поверхностью труб.

В поверхностных водах железо большей частью уже окислено до трехвалентного состояния и, кроме того, входит в состав органических комплексов и железобактерий.

Подход к очистке таких вод от железа различен.

Если в воде присутствует только трехвалентное железо в виде взвеси, что бывает в системах, питающихся подземной водой через водонапорные башни, достаточно простого отстаивания или механической фильтрации.

Для извлечения растворенных двухвалентного железа и марганца сначала необходимо их окислить и перевести в нерастворимую форму. Для окисления используют различные окислители.

Частица окисленных железа и марганца в виде гидроокисей отфильтровываются на гранулированной засыпке. Эта операция обычно сопряжена с механической фильтрацией.

Однако их эффективность сравнительно низка, поскольку при определенных условиях процесс окисления и формирования хлопьев достаточно длителен:

2Fe 2+ + O 2 = 2 Fe 3+ + 2OH - Fe 3+ + 3OH - = Fe(OH) 3 v

Принципиально новыми продуктами, появившимися в последнее десятилетие, являются специальные каталитические загрузки, позволяющие с высокой эффективностью проводить обезжелезивание и деманганацию. К ним относятся Birm, GreenSand и пр. Это природные материалы, содержащие диоксид марганца. либо цеолиты, в которые при соответствующей обработке вводится диоксид марганца. При пропускании воды, содержащей двухвалентное железо и поливалентный марганец, через слой таких наполнителей происходит окисление железа и марганца и их перевод в нерастворимую гидроокись, осаждающуюся на загрузке.

На основе этих каталитических материалов используются для обезжелезивания и деманганации следующие фильтрующие системы:

BR(T) Birm .

Данный материал представляет собой горную породу, содержащую природный диоксид марганца, эффективно работающий при наличии в воде кислорода воздуха. В случае, когда содержание железа незначительно, содержащегося в воде кислорода обычно оказывается достаточно для окисления железа. Образующаяся гидроокись отфильтровывается на слое загрузки.

При большом содержании железа или недостатке растворенного кислорода (например, в подземных водах) для окисления всего железа предварительно необходимо ввести кислород воздуха.

Он может быть подан прямо в питающий трубопровод с помощью эжектора (при небольших расходах) или компрессора.

MG(T) - система обезжелезивания воды на основе фильтрующего материала Manganese GreenSand .

GreenSand представляет собой пористый носитель (цеолит), в структуру которого введен марганец. Это натриевый глауконит (NaZ), предварительно обработанный раствором хлорида марганца, который необратимо поглощается цеолитом.

Na 2 Z + MnCl 2 ↔ MnZ + 2NaCl

При последующем контактировании с раствором перманганата калия на поверхности частиц образуется слой высших окислов марганца:

MnZ + 2KMnO 4 → K 2 Z*MnO*Mn 2 O 7

В такой форме марганцевый цеолит служит источником кислорода, который окисляет ионы двухвалентного железа и марганца до трехвалентной формы.

В окисленном состоянии железо и марганец осаждаются в виде нерастворимых гидроокисей.

Пленка высших окислов марганца расходуется на окисление железа и марганца, и поэтому необходимо ее постоянное или периодическое восстановление.

Использование перманганата калия совместно с данными загрузками позволяет также удалить сероводород, окислив его до элементарной серы, и частично органические вещества и биологические загрязнения, обеспечивая обеззараживание воды.

В первом варианте обработка воды перманганатом калия производится при каждой регенерации загрузки. Регенерация включает в себя взрыхление загрузки подачей воды снизу, при этом из слоя удаляются задержанные гидроокиси металлов и механические загрязнения. Затем в фильтр сверху подается раствор перманганата калия в расчетном количестве, и после его пропуска загрузка отмывается водой до отсутствия в ней следов марганцовки.

В этом варианте конструкция самого фильтра аналогична механическому, а устройство автоматического управление аналогично фильтру умягчения воды, но в солевом баке находится раствор перманганата калия.

Во втором случае регенерация фильтра производится традиционной обратной промывкой, аналогичной с механическими фильтрами.

Наиболее сложно удалить железо, входящее в состав органических соединений и биологических объектов. Необходимо либо разрушить органические комплексы, либо, наоборот, их агрегатировать для создания условий осаждения, либо извлечь их из раствора.

Органические комплексы гуминовых и фульвокислот очень стойкие и при обработке обычными окислителями трудно и не полностью разрушаются. Хлорирование дает незначительный эффект и приводит к появлению токсичных продуктов. Более эффективно и экологически безопасно озонирование.

Стандартным методом удаления органических загрязнений является сорбция на активированных углях. Этот способ широко используется в промышленности и муниципальной водоподготовке. Применяется фильтрация через слой гранулированного угля или введение пылевидного угля. Наилучшие результаты получаются совместном использовании с коагуляцией.

Бактериальное железо удаляется как методами коагуляции и ультрафильтрации, так и с использованием биологических методов (железобактерий).

Осветление воды

Осветление воды - это удаление из воды взвешенных и коллоидных веществ, которые окрашивают воду и делают ее мутной. Необходимость осветления и обесцвечивания, а так же обессоливания воды во многом зависит от целей последующего ее использования. Кроме того, перед очистными сооружениями могут быть поставлены и задачи по дегазации или устранению запахов и привкусов природной воды. Для осветления воды на станциях водоочистки применяется две технологии: это мембранное фильтрование и осаждение.

Фильтрование происходит за счет задержки частиц взвеси снаружи или внутри пористой фильтрующей среды, в то время как осаждение представляет собой процесс выпадения взвешенных веществ в осадок, для чего не осветленную воду задерживают в специальных отстойниках.

Взвешенные частицы осаждаются под действием силы тяжести. Преимущество осаждения - это отсутствие дополнительных энергозатрат при осветлении воды, причем скорость течения процесса напрямую зависит от параметров частиц. При уменьшенни размера увеличивается время осаждения, то же правило работает и при изменении плотности взвешенных частиц. Осаждение целесообразно применять для осаждения тяжелых, крупных взвесей.

Фильтрование может обеспечить практически любое качество осветления воды. Однако, при этом способе осветления воды необходимы дополнительные затраты энергии, которые служат для преодоления гидравлического сопротивления пористой среды, которая накапливает взвешенные частицы и со временем повышает сопротивление. Для предотвращения этого необходимо проводить профилактическую очистку пористого материала, которая восстанавливает первоначальные свойства фильтра.

С увеличением концентрации взвешенных веществ в воде повышается и необходимая степень осветления. Эффект осветления может быть повышен при использовании химической обработки воды, что обуславливает применения вспомогательных процессов, таких как: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение.

Обессоливание воды

Обессоливание воды означает уменьшение содержания в ней растворенных солей. Этот процесс называют также деионизацией, или деминерализацией. Для морских и засоленных (солоноватых) вод такой процесс называют опреснением.

Нормами на питьевую воду предусмотрено, что их солесодержание должно быть менее 1 г/л, и лишь по специальному решению разрешается использовать воду с солесодержанием до 1,5 г/л. Однако в ряде регионов поверхностные и подземные воды содержат больше солей. Морская вода, составляющая основной запас воды на Земле, содержит от 10 до 40 г/л солей. Для использования таких вод для питьевых целей ее подвергают опреснению.

Для многих процессов в теплоэнергетике, химии, электронике требуется вода, содержащая минимальные количества солей, вплоть до сверхчистой, которая практически их не содержит.

Существует несколько способов обессоливания:

· термический;

· ионообменный;

· мембранные;

· обратный осмос;

· электродиализ;

· комбинированные.

Для опреснения засоленных вод используется термический метод, обратный осмос и электродиализ. Потребление при ионном обмене реагентов и объем отходов пропорциональны солесодержанию очищаемой воды, и поэтому его применение считается экономически оправданным при содержании солей до 2 г/л.

Термический метод позволяет обессолить воду с любым солесодержанием.

Во всем мире для опреснения морской воды наибольшее распространение получили установки обратного осмоса. Они обеспечивают получение воды с заданным высоким качеством. Лидирующее положение этого метода укрепляется по мере продолжающегося прогресса в технике изготовления мембран и дополнительного оборудования.

Для получения глубокообессоленной (деионизированной) воды используется как чисто ионообменная технология, так и ее комбинация с различными методами очистки, включающая обратный осмос. Термический метод, который ранее был обязателен для получения апирогенной воды для медицинских целей, и здесь уступил место обратному осмосу с УФ-облучением.

Термические методы обработки воды

Старейшим методом получения обессоленной воды (дистиллята) является термический метод - перегонка, дистилляция, выпарка.

Основой процесса является перевод воды в паровую фазу с последующей ее конденсацией. Для испарения воды требуется подвести, а при конденсации пара - отвести тепло фазового перехода. При образовании пара в него наряду с молекулами воды переходят и молекулы растворенных веществ в соответствии их летучестью.

Важнейшим преимуществом данного метода являются минимальные количества используемых реагентов и объем отходов, которые могут быть получены в виде твердых солей.

Тепловая и экономическая эффективность метода определяется режимом испарения и степенью рекуперации тепла фазового перехода при конденсации пара.

По характеру использования дистилляционные установки подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые и термокомпрессионные.

Наибольший интерес представляет использование выпарных установок в сочетании с ионообменными и реагентными схемами. В этих условиях возможно оптимизировать расход реагентов, тепла и решить как экономические, так и экологические проблемы.

Обессоливание воды ионным обменом

Наиболее часто обессоливание воды производят ионным обменом. Это наиболее отработанный и надежный метод.

Частичное обессоливание воды происходит при ее умягчении методами Н-Na-катионирования, Н-катионирования с голодной регенерацией, Н-катионирования на слабокислотном катионите. В этих процессах происходит извлечение солей жесткости и частичная их замена на катионводорода, который разрушает бикарбонат-ионы с последующим удалением образовавшегося газа из воды. Степень обессоливания соответствует количеству удаленного СаСО3.

При глубоком обессоливании из раствора удаляются все макро- и микроэлементы, т.е. соли и примеси. Степень очистки раствора по каждому макроэлементу (катиону и аниону) зависит от их сродства к данному иониту, т.е. от расположения в рядах селективности. Подбирая иониты, степень их регенерации и количество ступеней очистки, можно добиться необходимой глубины очистки воды практически любого исходного состава.

Обессоливание может проводиться в одну, две, три ступени или смешанным слоем ионитов. В каждой ступени раствор последовательно очищается сначала на катионите в Н-форме (при этом извлекаются все находящиеся в растворе катионы), а затем на анионите в ОН-форме (при этом извлекаются находящиеся в воде анионы).

Более глубокое извлечение анионов может протекать только на сильноосновных анионитах.

Высокую степень очистки можно обеспечить в одном аппарате со смесью катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме, т.н. фильтре смешанного действия . В этом случае отсутствует противоионный эффект, и из воды за один проход через слой смеси ионитов извлекаются все находящиеся в растворе ионы. Очищенный раствор имеет нейтральное рН и низкое солесодержание, примерно в 5-10 раз ниже, чем на одной ступени ионного обмена. Допускается работа с очень высокими скоростями очистки раствора, зависящими от его исходного солесодержания.

После насыщения ионитов для их регенерации смесь необходимо предварительно разделить на чистые катионит и анионит (они, как правило, имеют некоторое различие по плотности). Разделение может производиться гидродинамическим методом или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ным раствором щелочи.

Из-за сложности операций разделения смеси ионитов и их регенерации такие аппараты используются в основном для очистки малосоленых вод, например, контурных, для глубокой доочистки воды, обессоленной на раздельных слоях ионитов либо обратным осмосом. То есть в тех случаях, когда регенерация проводится редко, либо иониты применяют для получения сверхчистой воды с сопротивлением, близким к 18МОм/см, в энергетике и микроэлектронике - там, где никакие другие способы не могут обеспечить заданное качество.

Обратный осмос и нанофильтрация

Извлечение растворенных веществ из воды может производиться мембранными методами .

Уровень обессоливания определяется селективностью мембран.

Методом нанофильтрации можно достигнуть частичного обессоливания, удалив соли жесткости вместе с двухзарядными анионами и частично - однозарядные катионы натрия и калия и анионы хлора.

Более глубокое обессоливание обеспечивает низконапорный обратный осмос. Максимальная эффективность по всем компонентам обеспечивается обратноосмотическими мембранами, работающими при высоком давлении. Суммарная степень обессоливания зависит от катионного и анионного состава воды и ориентировочно составляет: для нанофильтрации 50-70%, для низконапорного обратного осмоса 80-95%, для высоконапорного 98-99%.

Для обеспечения нормальной эксплуатации обратноосмотических и нанофильтрационных установок необходимо, чтобы вода, подаваемая на мембраны, соответствовала определенным нормам, а именно:

Подаваемая на мембраны вода должна содержать:

· Менее 0,56 мг/л взвешенных веществ;

· Менее 2-3 мгО2/л коллоидных загрязнений;

· Свободного хлора менее 0,1 мг/л для композитных полиакриламидных мембран и менее 0,6-1,0 мг/л для ацетатцеллюлозных;

· Малорастворимые соли (железа, кальция, магния, стронция) в концентрациях, не вызывающих их отложение на мембранах;

· Микробиологические загрязнения должны отсутствовать;

· Температура подаваемой воды не должна превышать 35-45 o С;

· рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,5-11,0 для полиакриламидных.

Для обеспечения указанных требований необходимо обеспечить предочистку воды перед ее подачей на мембранную установку. Она включает в себя узлы: механической фильтрации-обезжелезивания, дехлорирования, умягчения и дозирования ингибитора, обеззараживание ультрафиолетом.

Важным аспектом при расчете мембранных установок является учет температуры питающей воды. Все показатели мембран даются для температуры 25 ?С. В реальных условиях температура, как правило, существенно ниже.

Так, если например мембрана при температуре 25 ?С дает 500 л/час, то при 10 ?С производительность составляет 330 л/час, а при 5 ?С 250 л/час.

Соответственно, при расчете установки необходимо устанавливать такое количество элементов, которое обеспечит заданную производительность при снижении температуры, причем это количество может потребоваться в 2 раза больше, чем при стандартной температуре. Это существенно повышает стоимость установки. В ряде случаев, при наличии дешевого тепла, выгоднее производить предварительный подогрев питающей воды.

В таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания по трем уровням: минимальный (Мин.), максимальный (Макс.) и средний (Ср.).

Параметр	Ионный обмен	Обратный осмос	Электро-диализ	Выпарка
Надежность	Макс.	Ср.	Мин.	Макс.
Степень обессоливания	Макс.	Ср.	Мин.	Ср.
Удаление органики	Мин.	Макс.	Мин.	Ср.
Удаление микрофлоры	Мин.	Макс.	Ср.	Макс.
Удаление взвесей	Мин.	Макс.	Мин.	Макс.
Удаление растворенных газов	Мин.	Мин.	Мин.	Макс.
Требования к предподготовке	Мин.	Макс.	Макс.	Ср.
Энергозатраты	Мин.	Макс.	Макс.	Макс.
Расход реагентов	Макс.	Мин.	Мин.	Мин.
Расход питающей воды	Мин.	Макс.	Макс.	Мин.
Объем отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.
Возможность переработки отходов	Макс.	Мин.	Мин.	Макс.
Возможность сброса отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.

Обеззараживание воды

Под обеззараживанием питьевой воды понимают мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на химические (реагентные), физические (безреагентные) и комбинированные.

В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений, а безреагентные методы подразумевают обработку воды физическими воздействиями. В комбинированных методах используются одновременно химическое и физическое воздействие.

К химическим способам обеззараживания питьевой воды относят ее обработку окислителями: хлором, озоном и т.п., а также ионами тяжелых металлов. К физическим - обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком и т.д. Перед обеззараживанием вода обычно подвергается очистке фильтрацией и (или) коагуляцией, при которой удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов.

При химических способах обеззараживания питьевой воды для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность его контакта с водой. Доза реагента определяется пробным обеззараживанием или расчетными методами. Для поддержания необходимого эффекта при химических способах обеззараживания питьевой воды доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор, остаточный озон), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, попадающих в воду после обеззараживания.

При физических способах необходимо подвести к единице объема воды заданное количество энергии, определяемое как произведение интенсивности воздействия (мощности излучения) на время контакта.

Наиболее широкое распространение из физических способов обеззараживания питьевой воды получило обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, бактерицидные свойства которых обусловлены действием на клеточный уровень и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий, и не изменяют органолептических свойств воды.

Дехлорирование воды

Использование хлорированной водопроводной воды вызывает неприятные ощущения у многих людей и совершенно недопустимо для многих технологических процессов. Так, в пищевой промышленности возможно изменение цвета и резкое ухудшение вкуса продуктов, а в производстве электронных компонентов возможно полное разрушение технологического процесса. В процессах водоподготовки при применении установок обратного осмоса, содержание активного хлора ограничено 0,1 мг/л.

Однако во многих таких производствах для дезинфекции воды ее обрабатывают большими дозами хлора, который затем необходимо извлечь.

Процесс удаления избыточного активного хлора называется дехлорированием и обязателен во всех рассмотренных выше случаях.

Дехлорирование обычно осуществляется при пропускании воды через активированный уголь. На загрузке происходит восстановление активного (растворенного) хлора до аниона Cl-. Ресурс работы угля значительно выше, чем при сорбции органики, и может составлять несколько лет. Продолжительность работы зависит от концентрации хлора в воде и скорости фильтрования.

При очистке природной воды на активном угле происходит, кроме того, окисление Fe2+ до Fe3+, а также задерживаются взвеси и коллоидные частицы окисленного железа. При загрязнении фильтров они регенерируются путем обратной промывки исходной водой.

Дехлорирование производится либо в отдельном аппарате, либо совмещается с другими операциями (механической фильтрацией, удалением органики).

Химические реагенты для окисления

Процессы окисления

Основными окислителями, используемыми в водоподготовке, являются:

· кислород воздуха;

· хлор-газ Cl2 и другие галогены (Br, I и т.п.);

· диоксид хлора ClO2;

· гипохлорит натрия NaClO;

· гипохлорит кальция Ca(ClO)2;

· хлорная известь (хлорид-хлорат кальция);

· хлорамины;

· озон O3;

· перманганат калия KMnO4 (марганцовка);

· пероксид водорода H2O2 (перекись водорода).

Кислород , содержащийся в воздухе, в количестве примерно 20%, является достаточно слабым окислителем. Он практически не действует на растворенные органические вещества, а для биологических объектов является необходимым элементом их существования и размножения. В то же время кислород окисляет растворенные катионы тяжелых металлов (железо и марганец) до их высших валентностей при которых они легче гидролизуются и затем удаляются фильтрованием.

Такие процессы чрезвычайно распространены в практике водоподготовки, например при обезжелезивании.

Другие, более сильные окислители не только окисляют неорганические ионы, но и дезинфицируют и дезодорируют воду.

В мировом масштабе первое место среди дезинфицирующих веществ (дезинфектантов) занимает хлор и его соединения.

Хлор действует на органические вещества, окисляя их, и на бактерии, которые погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток.

Хлор обладает высокой дезинфицирующей способностью, относительно стоек и длительное время сохраняет активность. Он легко дозируется и контролируется.

Диоксид хлора сильнее хлора и как дезинфектант, и как окислитель, прекрасно уничтожает привкусы и запахи, не взаимодействует с аммиаком и эффективен в широком диапазоне рН. Однако он взрывоопасен и не может сжижаться, храниться и перевозиться.

Гипохлорит натрия - стал применяться для дезинфекции с самого зарождения хлорной промышленности благодаря высокой антибактериальной активности и широкому спектру действия на различные микроорганизмы. Однако содержание активного хлора в нем относительно мало, его растворы имеют ограниченную стойкость и постепенно разлагаются с понижением содержания активного хлора.

Окислительное и бактерицидное действие гипохлорита натрия идентично растворенному хлору, кроме того, он обладает пролонгированным бактерицидным действием.

Гипохлорит кальция - содержит больше активного хлора и более стабилен, чем гипохлорит натрия. Однако при его растворении в воде образуется не только хлорноватистая кислота, но и гидроксид кальция, из-за чего раствор гипохлорита кальция имеет сильнощелочную реакцию. Так, даже 1%-ный раствор имеет рН 10-11, и при его введении обрабатываемая вода подщелачивается.

Перманганат кальция - удобен тем, что не образует веществ с неприятным запахом и не дает побочных эффектов. Его растворы допускают длительное хранение. Из-за сильного окисляющего воздействия он расходуется в первую очередь на взаимодействие с органическими и неорганическими веществами, что мешает дезинфицирующему действию. К тому же его дезинфицирующее действие ниже, чем у хлора и озона. Поэтому для дезинфекции перманганат кальция редко применяется самостоятельно. Используется для перевода солей двухвалентного железа и марганца в четырехвалентное состояние (см. процесс обезжелезивания).

К недостаткам перманганата калия следует отнести его сравнительно высокую стоимость, дефицитность и опасность передозировки.

Пероксид водорода - стало возможным применять в технологии водообработки только после освоения удобных и дешевых методов его получения.

Пероксид водорода токсичен, и его содержание в воде ограничивается по санитарно-токсикологическому признаку вредности уровнем 0,1 мг/л, в то время как дезинфицирующее действие он проявляет на уровне единиц и сотен мг/л.

Озон - является наиболее сильным из всех известных в настоящее время окислителей. Преимуществом озонирования является неспособность озона, в отличие от хлора, к реакциям замещения. Особенностью озона является и быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т.е. озон обладает полной экологической безопасностью .

К недостаткам озона относится сложность его производства на месте использования. По современной технологии производство озона осуществляется на месте применения с помощью специальных установок - озоногенераторов.

Введение

Долгие годы и столетия водоподготовка не выделялась как отрасль техники и еще менее - как отрасль химической технологии. Использовались эмпирически найденные приемы и способы очистки воды, главным образом, противоинфекционные. И потому история водоподготовки - это история приспособления для подготовки и очистки воды известных химических процессов и технологий, нашедших или находящих свое применение. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения принципиально отличается от других областей химической технологии: процессы водоподготовки протекают в больших объемах воды и при очень малых количествах растворенных веществ. Значит, большие расходы воды требуют устройства крупногабаритного оборудования, а малое количество извлекаемых из воды веществ неизбежно влечет за собой применение «тонких» методов обработки воды. В настоящее время усиленно разрабатываются научные основы технологий обработки воды, учитывающие указанную специфику этой отрасли техники. И такая работа далека от завершения, если можно вообще говорить об окончательном познании воды. Было бы громадным преувеличением утверждать, что передовые научные и конструкторские силы, лучшие машиностроительные мощности были направлены на реализацию потребностей водоподготовки. Напротив, внимание к этой отрасли и, стало быть, финансирование проявлялись в наименьшем объеме, по остаточному принципу.

Испытания, выпавшие на долю России за последние 12-15 лет, в полной мере познала и водоподготовка. И заказчики, и поставки водоподготовительного оборудования все больше, если можно так выразиться, индивидуализируются. В прошлые годы поставки были, как правило, оптовыми, а теперь, в основном, - мелкооптовые и одиночные. Не говоря о том, что совсем недавно отсутствовало российское производство бытовых фильтров и систем автономного водоснабжения, по определению поставляемых в одном или нескольких экземплярах. Да и импорт такого оборудования был весьма скуден. Значит, в водоподготовку вовлекается множество людей, ранее с ней незнакомых. Кроме того, при малочисленности специалистов по водоподготовке водой занимаются многие инженеры, получившие образование по другим специальностям. Вряд ли можно назвать легкой задачу обеспечения потребителей качественной питьевой водой.

Практически невозможно даже кратко рассмотреть все методы водоочистки и водоподготовки. Здесь мы хотели обратить внимание читателей на наиболее часто применяемые на практике в современных технологиях на очистных сооружениях различных систем водоснабжения.

1. Свойства и состав воды

Вода - самое аномальное вещество природы. Это расхожее выражение связано с тем, что свойства воды во многом не соответствуют физическим законам, которым подчиняются другие вещества. Прежде всего необходимо напомнить: когда мы говорим о природной воде, все суждения должны быть отнесены не к воде как таковой, а к водным растворам разных, фактически всех, элементов Земли. До сих пор получить химически чистую воду не удалось.

1.1 Физические свойства воды

Полярная асимметричная структура воды и разнообразие ее ассоциатов обусловливают удивительные аномальные физические свойства воды. Вода достигает наибольшей плотности при плюсовой температуре, у нее аномально высокие теплота испарения и теплота плавления, удельная теплоемкость, температура кипения и замерзания. Большая удельная теплоемкость -4,1855 Дж/(г°С) при 15°С - способствует регулированию температуры на Земле из-за медленного нагревания и остывания масс воды. У ртути, к примеру, удельная теплоемкость при 20°С - только 0,1394 Дж/(г°С). Вообще теплоемкость воды более чем вдвое превышает теплоемкость любого другого химического соединения. Этим можно объяснить выбор воды в качестве рабочего тела в энергетике. Аномальное свойство воды - расширение объема на 10% при замерзании обеспечивает плавание льда, то есть опять сохраняет жизнь подо льдом. Еще одно чрезвычайно важное свойство воды - исключительно большое поверхностное натяжение . Молекулы на поверхности воды испытывают действие межмолекулярного притяжения с одной стороны. Так как у воды силы межмолекулярного взаимодействия аномально велики, то каждая «плавающая» на поверхности воды молекула как бы втягивается внутрь слоя воды. У воды поверхностное натяжение равно 72 мН/м при 25°С. В частности, этим свойством объясняется шаровая форма воды в условиях невесомости, поднятие воды в почве и в капиллярных сосудах деревьев, растений и т.д.

Природная вода - сложная дисперсная система, содержащая множество разнообразных минеральных и органических примесей.

Под качеством природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования, при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

1.2. Взвешенные примеси

Взвешенные твердые примеси , присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды.

Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, дает представление о загрязненности воды частицами в основном условным диаметром более 1·10 - 4 мм . При содержании в воде взвешенных веществ менее 2-3 мг/л или больше указанных значений, но условный диаметр частиц меньше 1 · 10- 4 мм, определение загрязненности воды производят косвенно по мутности воды.

1.3. Мутность и прозрачность

Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органи ческими веществами различного происхождения. Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение затруднительно, пользуются пока зателем «прозрачность » .

1.4. Запах

Характер и интенсивность запаха природной воды определяют органолептически. По характеру запахи делят на две группы: естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.); искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод). Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т.д.

1.5. Вкус и привкус

Различают четыре вида вкусов воды : соленый, горький, сладкий, кислый. Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений - привкуса - выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький - сульфатом магния, кислый - избытком свободного диоксида углерода и т.д.

1.6. Цветность

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов.

1.7. Минерализация

Минерализация - суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды мине ральных веществ. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость варьирует от 30 до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40-50 мг/л до сотен г/л (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10-120 мкСм/см. Природные воды поминерализации разделены на группы. Предел пресных вод - 1 г/кг - установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен - соленый или горько-соленый.

1.8. Электропроводность

Электропроводимость - это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры.

По значениям электропроводимости можно приближенно судить о минерализации воды.

вод

Вид вод Минерализация Плотность,

1.9. Жесткость

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция, магния, стронция, бария, железа, марганца. Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов - и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния - общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. В России жесткость воды выражают в ммоль/л. В жесткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически - до 530. Но, конечно, основные неприятности - от накипеобразования.

Классификация воды по жесткости (ммоль/л):Группа воды Единица измерения, ммоль/л

Очень мягкая………………..до 1,5

Мягкая……………………….1,5 - 4,0

Средней жесткости………… 4 - 8

Жесткая……………………... 8 - 12

Очень жесткая……………….более 12

1.10. Щелочность

Щелочностью воды называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов слабых кислот и гидроксильных ионов (выражена в ммоль/л), вступающих в реакцию при лабораторных исследованиях с соляной или серной кислотами с образованием хлористых или сернокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Различают следующие формы щелочности воды: бикарбонатная (гидрокарбонатная), карбонатная, гидратная, фосфатная, силикатная, гуматная - в зависимости от анионов слабых кислот, которыми обусловливается щелочность.

Щелочность природных вод, рН которых обыч- но < 8,35, зависит от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов. Щелочность других форм появляется в процессах обработки воды.

Так как в природных водах почти всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости.

1.11. Органические вещества

Спектр органических примесей очень широк:

Гуминовые кислоты и их соли - гуматы натрия, калия, аммония;

Некоторые примеси промышленного происхождения;

Часть аминокислот и белков;

Фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли - гуматы кальция, магния, железа;

Жиры различного происхождения;

Частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы.

Содержание органических веществ в воде оценивается по методикам определения окисляемости воды, содержания органического углерода, биохимической потребности в кислороде, а также поглощения в ультрафиолетовой области. Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью . Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (методики определения двух последних применяются редко). Окисляемость выражается в миллиграммах кислорода, эквивалентного количеству реагента, пошедшего на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды. В подземных водах (артезианских) органических примесей практическинет, а в поверхностных - «органики» в решающей степени больше.

2. Выбор методов водоподготовки

Методы водоподготовки должны выбираться при сопоставлении состава исходной воды и ее качества, регламентированного нормативными документами или определенного потребителем воды. После предварительного подбора методов очистки воды анализируются возможности и условия их применения, исходящие из поставленной задачи. Чаще всего результат достигается поэтапным осуществлением нескольких методов. Таким образом, важными являются как выбор собственно методов обработки воды, так и их последовательность.

Методов водоподготовки - около 40. Здесь рассмотрены только наиболее часто применяемые.

2.1.Физико-химические процессы обработки воды

Эти процессы характеризуются использованием химических реагентов для дестабилизации и увеличения размеров частиц, образующих загрязнение после чего осуществляется физическое выделение твердых частиц из жидкой фазы.

2.1.1. Коагуляция и флокуляция

Коагуляция и флокуляция - это две совершенно разные составляющие физико-химической очисткиводы.

Коагуляция - это этап, во время которого происходит дестабилизация коллоидных частиц (похожих на шарики диаметром менее 1 мкм).

Слово коагуляция происходит от латинского “coagulare”, что означает “агломерировать, слипаться, скапливаться”. При обработке воды коагуляция достигается путем добавления химических реагентов в водяную суспензию, где рассеянные коллоидные частицы собираются в большие агрегаты, называемые хлопьями или микрохлопьями.

Коллоиды - это нерастворимые частицы, которые находятся в воде во взвешенном состоянии. Малые размеры (менее 1 мкм) делают эти частицы исключительно стабильными. Частицы могут быть разного происхождения:

Минерального: ил, глины, кремнезем, гидроксиды и соли металлов и т. д.

Органического: гуминовые и фульвиновые кислоты, красители, поверхностно-активные вещества и

т. д.

Примечание: микроорганизмы, такие, как бактерии, планктон, водоросли, вирусы, также считаются коллоидами.

Стабильность и, следовательно, нестабильность взвешенных частиц является фактором, определяемым разными силами притяжения и отталкивания:

Силами межмолекулярного взаимодействия

Электростатическими силами

Притяжением земли

Силами, участвующими в броуновском движении

Коагуляция - это как физический, так и химический процесс. Реакции между частицами и коагулянтом обеспечивают образование агрегатов и их последующее осаждение. Катионные коагулянты нейтрализуют отрицательный заряд коллоидов и образуют рыхлую массу, которая называется микрохлопьями.

Механизм коагуляции можно свести к двум ступеням:

1- Нейтрализация заряда: что соответствует уменьшению электрических зарядов, которые оказывают отталкивающее действие на коллоиды.

2- Образование агрегатов частиц.

В настоящее время применяются в основном минеральные коагулянты. В их основе лежат, главным образом, соли железаили алюминия. Это наиболее часто используемые коагулянты. Заряд катиона здесь создается ионами металлов, которые образуются из гидроокисей железа или алюминия при контакте с водой. Основными преимуществами таких коагулянтов являются универсальность их применения и низкая стоимость.

Коагуляция - это промежуточный, но очень важный этап процесса физико-химической очистки воды и стоков. Это первый этап удаления коллоидных частиц, основная функция которого заключается в дестабилизации частиц. Дестабилизация, главным образом, состоит в нейтрализации электрического заряда, присутствующего на поверхности частицы, что способствует слипанию коллоидов.

Флокуляция - это этап, во время которого дестабилизированные коллоидные частицы (или частицы, образованные на стадии коагуляции) собираются в агрегаты.

Этап флокуляции может проходить только в воде, где частицы уже дестабилизировались. Это этап, логически следующий за коагуляцией. Флокулянты с их зарядом и очень высоким молекулярным весом (длинные мономерные цепи) фиксируют дестабилизированные частицы и объединяют их вдоль полимерной цепи. В результате на этапе флокуляции происходит увеличение размера частиц, находящихся в водной фазе, которое выражается в образовании хлопьев.

Связи между дестабилизированными частицами и флокулянтом являются, как правило, ионными и водородными.

2.2. Осветление воды фильтрованием

Начальным этапом водоподготовки, как правило, является освобождение ее от взвешенных примесей - осветление воды, иногда классифицируемое как предварительная обработка.

Различают несколько типов фильтрования:

- процеживание - размеры пор фильтрующего материала меньше размеров задерживаемых частиц;

- пленочное фильтрование - при определенных условиях после некоторого начального периода фильтрующий материал обволакиваются пленкой взвешенных веществ, на которой могут задерживаться частицы даже более мелкие, чем размер пор фильтрующего материала: коллоиды, мелкие бактерии, крупные вирусы;

- объемное фильтрование - взвешенные частицы, проходя через слой фильтрующего материала, многократно изменяют направление и скорость движения в щелях между гранулами и волокнами фильтрующего материала; таким образом, грязеемкость фильтра может быть довольно большой - больше, чем при пленочном фильтровании. Фильтрование в тканевых, керамических, почти во всех фильтрах с неткаными волокнистыми фильтрующими элементами осуществляется по первым двум - из названных - типам; в мелкозернистых насыпных фильтрах - по второму типу, в крупнозернистых насыпных - по третьему.

2.2.1. Классификация фильтров с зернистой загрузкой

Зернистые фильтры применяют, в основном, при очистке жидкостей, у которых содержание твердой фазы ничтожно мало, и осадок не представляет ценности, основное назначение фильтров - для осветления природной воды. Именно они наиболее широко применяются в технике водоподготовки. Классификация фильтров по ряду основных признаков:

♦ скорость фильтрования:

Медленные (0,1-0,3 м/ч);

Скорые (5-12 м/ч);

Сверхскоростные (36-100 м/ч);

♦ давление, под которым они работают:

Открытые или безнапорные;

Напорные;

♦ количество фильтрующих слоев:

Однослойные;

Двухслойные;

Многослойные.

Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости и эффективности фильтрации загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя - крупные легкие частицы, внизу - мелкие тяжелые. При нисходящем направлении фильтрования крупные загрязнения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие - в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки. Осветлительные фильтры эффективны при задержании частиц размером >10 мкм.

2.2.2. Технология фильтрования

Вода, содержащая взвешенные частицы, двигаясь через зернистую загрузку, задерживающую взвешенные частицы, осветляется. Эффективность процесса зависит от физико-химических свойств примесей, фильтрующей загрузки и гидродинамических факторов. В толщине загрузки происходит накапливание загрязнений, уменьшается свободный объем пор и возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, что приводит к росту потерь напора в загрузке.

В общем виде, процесс фильтрации можно условно разбить на несколько стадий: перенос частиц из потока воды на поверхность фильтрующего материала; закрепление частиц на зернах и в щелях между ними; отрыв закрепленных частиц с переходом их обратно в поток воды. Извлечение примесей из воды и закрепление их на зернах загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, формирующийся на частицах загрузки, имеет непрочную структуру, которая под влиянием гидродинамических сил может разрушаться. Некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Таким образом, процесс осветления воды нужно рассматривать как суммарный результат процесса адгезии и суффозии. Осветление в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва. По мере насыщения верхних слоев загрузки процесс фильтрации переходит на нижерасположенные, зона фильтрации как бы сходит по направлению потока от области, где фильтрующей мате- риал уже насыщен загрязнением и преобладает процесс суффозии к области свежей загрузки.

Затем наступает момент, когда весь слой загрузки фильтра оказывается насыщенным загрязнениями воды, и требуемая степень осветления воды не обеспечивается. Концентрация взвеси на выходе загрузки начинает возрастать.

Время, в течение которого достигается осветление воды до заданной степени, называется временем защитного действия загрузки . При его достижении либо при достижении предельной потери напора осветлительный фильтр необходимо перевести в режим взрыхляющей промывки, когда загрузка промывается обратным током воды, а загрязнения сбрасываются в дренаж.

Возможность задержания фильтром грубой взвеси зависит, в основном, от ее массы; тонкой взвеси и коллоидных частиц - от поверхностных сил. Важное значение имеет заряд взвешенных частиц, так как коллоидные частицы одноименного заряда не могут объединяться в конгломераты, укрупняться и оседать: заряд препятствует их сближению. Преодолевается это «отчуждение»частиц искусственным коагулированием. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Как правило, коагулирование (иногда, дополнительно, флокулирование) производится в отстойниках-осветлителях.

Часто этот процесс совмещается с умягчением воды известкованием, или содоиз весткованием, или едконатровым умягчением. В обычных осветлительных фильтрах чаще все го наблюдается пленочное фильтрование. Объемное фильтрование организуют в двухслойных фильтрах и в так называемых контактных осветлителях. В фильтр засыпают нижний слой кварцевого песка с размером зерен 0,65-0,75 мм и верхний слой антрацита с размером зерен 1,0-1,25 мм. На верхней поверхности слоя крупных зерен антрацита пленка не образуется, взвешенные примеси проникают вглубь слоя - в поры и откладываются на поверхности зерен. Взвешенные вещества, прошедшие слой антрацита, задерживаются нижним слоем песка. При взрыхляющей промывке фильтра слои песка и антрацита не перемешиваются, так как плотность антрацита вдвое меньше плотности кварцевого песка.

3. Ионообменныеметодыочистки

Ионный обмен - это процесс извлечения из воды одних ионов и замены их другими. Процесс осуществляется с помощью ионообменных веществ - нерастворимых в воде искусственно гранулированных веществ, специальных нетканых материалов или природных цеолитов, имеющих в своей структуре кислотные или основные группы, способные заменяться положительными или отрицательными ионами.

Ионообменная технология - самая применяемая сегодня для умягчения и деминерализации воды. Эта технология позволяет добиться качества воды, соответствующего нормам разных промышленных и энергетических объектов.

Очистка промывных кислых вод методом ионного обмена основана на способности нерастворимых в воде ионитов вступать в ионный обмен с растворимыми в воде солями, извлекая из растворов их катионы или анионы и отдавая в раствор эквивалентное количество ионов, которыми катионит и анионит периодически насыщается при регенерации.

Ионообменный метод очистки воды применяют для обессоливания и очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

Очистку воды осуществляют ионитами — синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в воде.

Избирательное поглощение молекул поверхностью твердого адсорбента происходит вследствие воздействия на них неуравновешенных поверхностных сил адсорбента.

Ионообменные смолы имеют возможность регенерации. После истощения рабочей обменной емкости ионита он теряет способность обмениваться ионами и его необходимо регенерировать. Регенерация производится насыщенными растворами, выбор которых зависит от типа ионообменной смолы. Процессы восстановления, как правило, протекают в автоматическом режиме. На регенерацию обычно затрачивают около 2 часов, из них на взрыхление - 10 - 15 мин, на фильтрование регенерирующего раствора - 25 - 40 мин, на отмывку - 30 - 60 мин. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты.

В зависимости от вида и концентрации примесей в воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок.

3.1. Катионирование

Катионирование , как следует из названия, применяется для извлечения растворенных катионов из воды, т.е. катионирование - процесс обработки воды методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Na+), находящихся в объеме катионита, различают два основных вида катионирования: натрий-катионирование и водород-катионирование.

3.1.1. Натрий-катионирование

Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ в воде не более 8 мг/л и цветностью воды не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до значений 0,05 - 0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом - до 0,01 мг-экв/л. Процесс натрий-катионирования описывается следующими реакциями обмена:

Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него со скоростью 3-4 м/ч 5-8% раствора поваренной соли.

Достоинства поваренной соли как регенерационного раствора:

1. дешевизна;

2. доступность;

3. продукты регенерациилегко утилизируются.

3.1.2. Водород-катионирование

Водород-катионитовый метод применяют для глубокого умягчения воды. Этот метод основан на фильтровании обрабатываемой воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода.

При водород-катионировании воды значительно снижается рН фильтрата за счет кислот, образующихся в ходе процесса. Углекислый газ, выделяющийся при реакциях умягчения, можно удалить дегазацией. Регенерация Н-катионита в этом случае производится 4 - 6% раствором кислоты.

3.1.3. Иные методы катионирования

Метод натрий-хлор-ионирования применяется, когда нужно уменьшитьобщую жесткость, общую щелочность и минерализацию исходной воды, увеличить критерийпотенциальной щелочной агрессивности (уменьшить относительную щелочность) котловой воды,уменьшить диоксид углерода в паре и значениепродувки паровых котлов - путем фильтрованияпоследовательно через слой натрий-катионитав одном фильтре и через слои: сначала - хлор-анионита и затем - натрий-катионита в другомфильтре.

Водород-натрий-катионирование (совместное, параллельное или последовательное с нормальной или «голодной» регенерацией водород-катионитных фильтров) - для уменьшения общей жесткости, общей щелочности и минерализации воды, а также увеличения критерия потенциальной щелочной агрессивности котловой воды, уменьшения содержания углекислоты в паре и уменьшения продувки котлов.

Аммоний-натрий-катионирование используется для достижения тех же целей, что и при натрий- хлор-ионировании.

3.2. Анионирование

Анионирование , как следует из названия, при- меняется для извлечения растворенных анионов из воды. Анионированию подвергается вода, уже прошедшая предварительное катионирование. Регенерацию анионитного фильтра проводят обычно щелочью (NaOH). После исчерпания рабочей обменной емкости анионита он регенерируется Поглощать из воды анионы сильных кислот способны как сильно-, так и слабоосновные аниониты. Анионы слабых кислот - угольной и кремниевой - поглощаются только сильноосновными анионитами Для сильноосновных анионитов в качестве регенеранта применяют раствор NaOH (поэтому процесс называют также гидроксид-анионированием). Механизм ионного обмена и влияние разных факторов на технологию процесса анионирования во многом аналогичны их влиянию на процессы катионирования, но есть и существенные отличия. Слабоосновные аниониты в разной степени способны к сорбции разных анионов. Как правило, соблюдается определенный ряд, в котором каждый предыдущий ион поглощается более активно и в большем количестве, чем следующий.

В технологической цепочке деминерализации ионированием после водород-катионитных и слабоосновных анионитных фильтров предусматривают сильноосновные анионитные фильтры, если нужно удалить из воды анионы кремниевой кислоты и - иногда - анионы угольной кислоты. Лучшие результаты получаются при низких значениях рН и почти полном декатионировании воды. Применение анионитов в условиях содержания в исходной воде органических примесей имеет свои особенности.

3.3. Обессоливание воды ионным методом

Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-катионирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита.

Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите.

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита. Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах. При необходимости обеспечивать значение рН ~ 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита.

Метод обессоливания воды ионным обменом основан на последовательном фильтровании воды через Н-катионитовый, а затем ОН-, НСО 3 -или СО 3 - анионитовый фильтр.В Н-катионитовом фильтре содержащиеся в воде катионы обмениваются на водород-катионы. В ОН-анионитовых фильтрах, которые проходит вода после Н-катионитовых, анионы образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН-. Требования к воде, подаваемой на Н-ОН фильтры:

взвешенные вещества - не более 8 мг/л;

общее солесодержание - до 3 г/л;

сульфаты и хлориды - до 5 мг/л;

цветность - не более 30 градусов;

окисляемость перманганатная - до 7 мг О 2 /л;

железо общее - не более 0,5 мг/л;

нефтепродукты - отсутствие;

свободный активный хлор - не более 1 мг/л.

Если исходная вода не отвечает данным требованиям, то необходимо провести предварительную подготовку воды.

В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды проектируют одно-, двух- и трехступенчатые установки, но во всех случаях для удаления из воды ионов металлов применяют сильнокислотные Н-катиониты с большой обменной способностью.

Одноступенчатые ионообменные установки применяют для получения воды с солесодержанием до 1 мг/л (но не более 20 мг/л).

В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с Н-катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом; свободный оксид углерода(СО 2) удаляется в дегазаторе, устанавливаемом после катионитовых или анионитовых фильтров, если они регенерируются раствором соды или гидрокарбоната. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров.

3.4. Деминерализация воды ионированием

Деминерализация воды - метод, предназначенный для уменьшения минерализации воды, в том числе общей жесткости, общей щелочности, содержания кремниевых соединений. Ионообменный метод деминерализации воды основан на последовательном фильтровании воды через водород-катионитный, а затем HCO 3 -, OH- или СО 3 -анионитный фильтр. В фильтрате образуется эквивалентное количество кислоты из анионов, с которыми были связаны катионы. Образовавшийся в процессе разложения гидрокарбонатов СО 2 удаляется в декарбонизаторах.

В анионитных фильтрах (гидроксид-анионирование) анионы образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН - (задерживаются фильтром). В результате получается деминерализованная (обессоленная) вода.

Этот метод фактически «несамостоятельный», синтетический. Он представляет собою схемный ряд вариантов сочетания разной степени сложности - в зависимости от цели обработки воды - водород-катионирования и гидроксид-анионирования.

3.5. Условия применения ионообменных установок

В ионообменные установки должна подаваться вода, содержащая соли - до 3 г/л, сульфаты и хлориды - до 5 ммоль/л, взвешенные вещества - не более 8 мг/л, цветность - не выше 30 градусов, перманганатная окисляемость - до 7 мгО/л. В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды проектируются одно-, двух- и трехступенчатые установки, но во всех случаях для удаления из воды ионов металлов применяют сильнокислотные водород-катиониты. Для промышленных и энергетических потребителей вода может быть подготовлена по одноступенчатой схеме - один катионитный и один анионитный фильтры; по двухступенчатой схеме - соответственно по два катионитных и два анионитных фильтра; по трехступенчатой схеме, причем третья ступень может быть оформлена двумя вариантами: отдельно катионитный и анионитный фильтры или совмещение в одном фильтре катионита и анионита.

После одноступенчатой схемы: солесодержание воды - 2-10 мг/л; удельная электропроводимость - 1-2 мкСм/см; содержание кремниевых соединений не изменяется. Двухступенчатую схему применяют для получения воды с солесодержанием 0,1-0,3 мг/л; удельной электропроводимостью 0,2-0,8 мкСм/см; содержанием кремниевых соединений до 0,1 мг/л. Трехступенчатая схема позволяет снизить солесодержание до 0,05-0,1 мг/л; удельную электропроводимость - до 0,1-0,2 мкСм/см; концентрацию кремниевой кислоты- до 0,05 мг/л. Для бытовых фильтров применяется одноступенчатая деминерализация - совместная загрузка фильтра катионитом и анионитом.

3.6. Фильтры смешанного действия

Совмещение в одном аппарате катионита и анионита позволяет достигать высокой степени очистки: из воды за один проход извлекаются почти все находящиеся в растворе ионы. Очищенная вода имеет нейтральную реакцию и низкое солесодержание. После насыщения ионами смесь ионитов - для регенерации - необходимо предварительно разделить на катионит и анионит, имеющих различную плотность. Разделение проводится гидродинамическим методом (водный поток снизу вверх) или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ным раствором реагента. В настоящее время основными зарубежными производителями выпускаются специально по- добранные по плотности и размеру наборы гранул монодисперсных смол, обеспечивающих высокую степень разделения и стабильности показателей.

Из-за сложности операций разделения смеси катионита и анионита и их регенерации такие аппараты используются в основном для очистки малосоленых вод и доочистки воды, обессоленной ранее обратным осмосом, когда регенерация проводится редко или иониты применяются однократно.

3.7. Особенности ионообменной технологии

Исторически сложилось так, что почти все конструкции ионообменных фильтров - параллельно точные (прямоточные), то есть обрабатываемая вода и регенерирующий раствор движутся в фильтре в одном направлении - сверху вниз. По мере продвижения регенерационного раствора сверху вниз через слой ионита концентрационный напор - разность концентраций между ра- нее задержанными ионами (например, кальцием и магнием) и вытесняющими их ионами регенерирующего раствора (например, натрия) - становится всё меньше и меньше.

В конце своего пути «слабый» регенерационный раствор встречается со слоем ионита, содержащим некоторое, хотя и небольшое, количество ионов, которые нужно вытеснить из ионита. Вытеснения не происходит. В результате следующий поток обработанной воды не достигает необходимого качества.

Эта особенность технологии ионного обмена, а также свойства ионитов, регенерантов и лиотропных рядов определяют принципиальные недостатки ионообменной технологии очистки воды: большой расход реагентов, воды для отмывки ионита от остатков регенерационного раствора и большое количество сточных вод, качество которых не соответствует требованиям нормативных документов.

Выход из положения был найден технологами, предложившими двухступенчатое - для натрий катионирования и трехступенчатое - для деминерализации ионированием - фильтрование. Разновидностью двухступенчатого умягчения можно считать параллельноточное-противоточное фильтрование: несмотря на название, в каждом из пары фильтров осуществляется параллельноточное фильтрование.

Декарбонизация - удаление оксида углерода, выделяющегося в процессах водород-катионирования и анионирования.

Удаление его из воды перед сильноосновными анионитными фильтрами необходимо, так как в присутствии СО 2 в воде часть рабочей обменной емкости анионита будет затрачиваться на поглощение СО 2 .

Традиционно для удаления из воды углекислого газа используют декарбонизаторы - аппараты, заполненные различными распределителями воды (чаще - насыпными, например, кольцами Рашига, Палля и др.), называемыми насадкой, или без заполнителей, и продуваемые воздухом навстречу водному потоку. В зависимости от схемы декарбонизатор может быть установлен после первой, или второй ступени водород-катионирования, или после первой (слабоосновной) ступени анионирования. Последняя схема чаще используется в зарубежных разработках. Распространение получают эжекторные (вакуумные, струйные) аппараты. Их работа основана на создании высокоскоростного потока в эжекторном устройстве, в котором происходит вакуумирование потока с последующим подсосом воздуха в воду и его отдувкой. При небольших габаритах такая конструкция обеспечивает большую производительность и высокую эффективность удаления газов. В данном случае - свободного СО 2 . На небольших станциях водоподготовки и при небольшом содержании в исходной воде бикарбо натов используют схему подготовки воды без декарбонизаторов.

5. Баромембранные методы водоподготовки

Деминерализация воды ионным обменом и термическая деминерализация (дистилляция) позволяют опреснять воду, почти полностью обессоливать ее. Однако применение этих методов выявило наличие недостатков: необходимость регенерации, громоздкое и дорогое оборудование, дорогие иониты и др. В связи с этим быстрое распространение получили баромембранные методы обработки воды.

Группа баромембранных методов включает в себя обратный осмос, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию. Обратный осмос (размеры пор 1-15 Å , рабочее давление 0,5-8,0 МПа) применяется для деминерализации воды, задерживает практически все ионы на 92-99%, а при двухступенчатой системе и до 99,9%. Нанофильтрация (размеры пор 10-70 Å , рабочее давление 0,5-8,0 МПа) используется для отделения красителей, пестицидов, гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органических веществ, вирусов и др. Ультрафильтрация (размеры пор 30-1000 Å , рабочее давление 0,2-1,0 МПа) применяется для отделения некоторых коллоидов (кремния, например), вирусов (в том числе полиомиелита), уголь- ной сажи, разделения на фракции молока и др. Микрофильтрация (размеры пор 500-20000 Å , рабочее давление от 0,01 до 0,2 МПа) используется для отделения некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водо-масляных эмульсий и т.п. Чем более крупные поры образованы в мембране, тем более понятен процесс фильтрации через мембрану, тем более он по физическому смыслу приближается к так называемому механическому фильтрованию.

Промежуточную группу образуют так называемые трековые мембраны, получаемые посредством облучения на циклотроне лавсановых (полиэтилентерефталантных) пленок потоком тяжелых ионов. После воздействия на пленку ультрафиолетовыми лучами и травлением щелочью в пленке образуются поры диаметром 0,2-0,4 мкм (в основном 0,3 мкм).

5.1. Обратный осмос

Обратный осмос - один из наиболее перспективных методов обработки воды, преимущества которого заключены в малых энергозатратах, простоте конструкций аппаратов и установок, малых их габаритах и простоте эксплуатации; применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования постоянно расширяются.

Сущность метода. Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выравниваются. Процесс самопроизвольного перетекания веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной концентрации (частный случай - чистый растворитель и раствор), называется осмосом (от греч.: osmos - толчок, давление). Если над раствором создать противодавление, скорость перехода растворителя через мембрану уменьшится. При установлении равновесия отвечающее ему давление может служить количественной характеристикой явления обратного осмоса. Оно называется осмотическим давлением и равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой. Применительно к системам водоподготовки, где растворителем является вода, процесс обратного осмоса можно представить следующим образом: если со стороны протекающей через аппарат природной воды с некоторым содержанием примесей приложить давление, превышающее осмотическое, то вода будет просачиваться через мембрану и скапливаться по другую ее сторону, а примеси - оставаться с исходной водой, их концентрация будет увеличиваться.

На практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества.

Осмотические давления растворов могут достигать десятков МПа. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса - разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении 2,45 МПа для морской воды, содержащей 3,5% солей, рабочее давление в опреснительных установках рекомендуется поддерживать на уровне 6,85-7,85 МПа.

5.2. Ультрафильтрация

Ультрафильтрация - процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Он протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.

Ультрафильтрация заимствовала у обратного осмоса способы получения мембран, а также во многом подобна ему и по аппаратному исполнению. Отличие заключается в гораздо более высоких требованиях к отводу от мембранной поверхности концентрированного раствора вещества, способного формировать в случае ультрафильтрации гелеобразные слои и малорастворимые осадки. Ультрафильтрация по схеме ведения процесса и параметрам - промежуточное звено между фильтрованием и обратным осмосом.

Технологические возможности ультрафильтрации во многих случаях гораздо шире, чем у обратного осмоса. Так, при обратном осмосе, как правило, происходит общее задержание почти всех частиц. Однако на практике часто возникает задача селективного разделения компонентов раствора, то есть фракционирования. Решение этой задачи является очень важным, поскольку возможны отделение и концентрирование весьма ценных или редких веществ (белки, физиологически активные вещества, полисахариды, комплексы редких металлов и т.д.). Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Например, для водных растворов принимают, что ультрафильтрация применима тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и больше.

Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений по обе стороны мембраны. Обычно ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях: 0,3-1 МПа. В случае ультрафильтрации значительно повышается роль внешних факторов. Так, в зависимости от условий (давление, температура, интенсивность турбулизации, состав растворителя и т.д.), на одной и той же мембране можно добиться полного разделения веществ, невозможного при другом сочетании параметров. К ограничениям ультрафильтрации относятся: узкий технологический диапазон - необходимость точного поддержания условий процесса; сравнительно невысокий предел концентрирования, который для гидрофильных веществ обычно не превышает 20-35%, а для гидрофобных - 50-60%; небольшой (1-3 года) срок службы мембран вследствие осадкообразования в порах и на их поверхности. Это приводит к загрязнению, отравлению и нарушению структуры мембран или ухудшению их механических свойств.

5.3. Мембраны

Определяющими при реализации мембранных методов являются разработка и изготовление полупроницаемых мембран, отвечающих следующим основным требованиям:

Высокая разделяющая способность (селективность);

Высокая удельная производительность (проницаемость);

Химическая стойкость к действию компонентов разделяемой системы;

Неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

Достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортирования и

хранения мембран;

Низкая стоимость.

В настоящее время на рынке есть мембраны двух основных типов, изготовляемые из ацетилцеллюлозы (смесь моно-, ди- и триацетата) и ароматических полиамидов. По форме мембраны подразделяются на трубчатые, листовые (спирально свернутые) и выполненные в виде полых волокон. Современные обратноосмотические мембраны - композитные - состоят из нескольких слоев. Общая толщина - 10-150 мкм, причем толщина слоя, определяющего селективность мембраны, не более 1 мкм.

С практической точки зрения наибольший интерес представляют два показателя процесса: коэффициент задержания растворенного вещества (селективность), и производительность (объемный поток) через мембрану. Оба этих показателя неоднозначно характеризуют полупроницаемые свойства мембраны, так как в значительной степени зависят от условий процесса (давление, гидродинамическая обстановка, температура и т.д.).

6. Методы обезжелезивания воды

Вода с высоким содержанием железа обладает неприятным вкусом, а использование такой воды в производственных процессах (текстильная промышленность, производство бумаги и т.д.) недопустимо, так как приводит к появлению ржавых пятен и разводов на готовой продукции. Ионы железа и марганца загрязняют ионообменные смолы, поэтому при проведении большинства ионообменных процессов предшествующей стадией обработки воды является их удаление. В теплоэнергетическом оборудовании (котлы паровые и водогрейные, теплообменники) железо - источник образования железонакипных отложений на поверхностях нагрева. В воде, поступающей на обработку в баромембранные, электродиализные, магнитные аппараты - всегда лимитируется содержание железа. Очистка воды от соединений железа - в ряде случаев довольно сложная задача, которая может быть решена только комплексно. Это обстоятельство в первую очередь связано с многообразием форм существования железа в природных водах. Чтобы определить наиболее действенный и экономичный для конкретной воды метод обезжелезивания, нужно произвести пробное удаление железа. Метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.

Для обезжелезивания поверхностных вод используются только реагентные методы с последующей фильтрацией. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработкиводы:

Упрощенная аэрация;

Аэрация на специальных устройствах;

Коагуляция и осветление;

Введение таких реагентов-окислителей, как хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон,

перманганат калия.

При мотивированном обосновании применяют катионирование, диализ, флотацию, электрокоагуляцию и другие методы.

Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа или в виде коллоидальных органических соединений, например гуматов железа, используют коагулирование сульфатом алюминия или оксихлоридом алюминия, или железным купоросом с добавлении ем хлора или гипохлорита натрия.

В качестве наполнителей для фильтров в основном используют песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а также фильтрующие материалы, обработанные катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное. В последнее время всё большее распространение получают наполнители с каталитическими свойствами.

При наличии в воде коллоидного двухвалентного железа требуется проведение пробного обезжелезивания . Если отсутствует возможность осуществить его на первой стадии проектирования, выбирают один из вышеперечисленных методов на основании проведенного пробного обезжелезивания в лаборатории или опыта работы аналогичных установок.

7. Деманганация воды

Марганец присутствует в земной коре в большом количестве и обычно встречается вместе с железом. Содержание растворенного марганца в подземных и поверхностных водах, бедных кислородом, достигает нескольких мг/л. Российские санитарные нормы ограничивают уровень предельно допустимого содержания марганца в воде хозяйственно-питьевого назначения значением 0,1 мг/л.

В некоторых странах Европы требования жестче: не более 0,05 мг/л. Если содержание марганца больше этих значений, ухудшаются органолептические свойства воды. При значениях марганца больше 0,1 мг/л появляются пятна на санитарно-технических изделиях, а также нежелательный привкус воды. На внутренних стенках трубопроводов образуется осадок, который отслаивается в виде черной пленки.

В подземных водах марганец находится в виде хорошо растворимых солей в двухвалентном состоянии. Для удаления марганца из воды его необходимо перевести в нерастворимое со стояние окислением в трех- и четырехвалентную форму. Окисленные формы марганца гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов.

Для эффективного окисления марганца кислородом необходимо, чтобы значение рН очищаемой воды было на уровне 9,5-10,0. Перманганат калия, хлор или его производные (гипохлорит натрия), озон позволяют вести процесса демаганации при меньших значениях рН, равных 8,0-8,5. Для окисления 1 мг растворенного марганца нужно 0,291 мг кислорода.

7.1. Методы деманганации

Глубокая аэрация с последующим фильтрованием. На первом этапе очистки из воды под вакуумом извлекают свободную углекислоту, что способствует повышению значения рН до 8,0-8,5. Для этой цели используют вакуумно-эжекционный аппарат, при этом в его эжекционной части происходят диспергирование воды и ее насыщение кислородом воздуха. Далее вода направляется на фильтрацию через зернистую загрузку, например, кварцевый песок.Этот метод очистки применим при перманганатной окисляемости исходной воды не более 9,5 мгО/л. В воде обязательно присутствие двухвалентного железа, при окислении которого образуется гидроксид железа, адсорбирующий Mn 2+ и каталитически его окисляющий.

Соотношение концентраций / не должно быть менее 7/1. Если в исходной воде такое соотношение не выполняется, то в воду дополнительно дозируют сульфат железа (железный купорос).

Деманганация перманганатом калия. Метод применим как для поверхностных, так и для подземных вод. При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марганца. Осажденный оксид марганца в виде хлопьев имеет высокую развитую удельную, что определяет его высокие сорбционные свойства. Осадок - хороший катализатор, позволяющий вести демангацию при рН = 8,5.

Как уже отмечалось, перманганат калия обеспечивает удаление из воды не только марганца, но и железа в различных формах. Также удаляются запахи и за счет сорбционных свойств улучшаются вкусовые качества воды.

После перманганата калия вводят коагулянт для удаления продуктов окисления и взвешенных веществ и далее фильтруют на песчаной загрузке. При очистке от марганца подземных вод параллельно с перманганатом калия вводят активированную кремниевую кислоту или флокулянты. Это позволяет укрупнить хлопья оксида марганца.

8. Обеззараживание воды

Обеззараживание воды есть санитарно-технические мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. Различают химические, или реагентные, и физические, или безреагентные, способы обеззараживания воды. К наиболее распространенным химическим способам обеззараживания воды относят хлорирование и озонирование воды, к физическим — обеззараживание ультрафиолетовыми лучами. Перед обеззараживанием вода обычно подвергается водоочистке, при которой удаляются яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов.

При химических способах обеззараживания воды для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность контакта его с водой. Доза реагента определяется пробным обеззараживанием или расчётными методами. Для поддержания необходимого эффекта при химических способах обеззараживания воды доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор, остаточный озон), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, попадающих в воду некоторое время после обеззараживания.

В существующей практике обеззараживания питьевой воды хлорирование наиболее распространено. В США 98,6 % воды (подавляющее количество) подвергается хлорированию. Аналогичная картина имеет место и в России, и в других странах, т. е. в мире в 99 из 100 случаев для дезинфекции используют либо чистый хлор, либо хлорсодержащие продукты

Такая популярность хлорирования связана и с тем, что это единственный способ, обеспечивающий микробиологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия . Этот эффект заключается в том, что после совершения действия по внедрению молекул хлора в воду («последействие») последние сохраняют свою активность по отношению к микробам и угнетают их ферментные системы на всем пути следования воды по водопроводным сетям от объекта водоподготовки (водозабора) до каждого потребителя. Подчеркнем, что эффект последействия присущ только хлору .

Озонирование основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием атомарного кислорода, разрушающего ферментные системы микробных клеток и окисляющего некоторые соединения, придающие воде неприятный запах (например, гуминовые основания). Количество озона, необходимое для обеззараживания воды, зависит от степени загрязнения воды и составляет 1—6 мг/л при контакте в 8—15 мин; количество остаточного озона должно составлять не более 0,3—0,5 мг/л, т.к. более высокая доза придаёт воде специфический запах и вызывает коррозию водопроводных труб. В связи с большим расходом электроэнергии, использованием сложной аппаратуры и высококвалифицированного технадзора озонирование нашло применение для обеззараживания водытолько при централизованном водоснабжении объектов специального назначения.

Из физических способов обеззараживания воды наибольшее распространение получило обеззараживание ультрафиолетовыми лучами , бактерицидные свойства которых обусловлены действием на клеточный обмен и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий и не изменяют органолептического свойства воды. Необходимым условием эффективности этого способа обеззараживания являются бесцветность и прозрачность обеззараживаемой воды, недостатком — отсутствие последействия. Поэтому обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами применяют главным образом для подземных и подрусловых вод. Для обеззараживания воды открытых водоисточников находит применение сочетание ультрафиолетовых лучей с небольшими дозами хлора.

Из физических способов индивидуального обеззараживания воды наиболее распространённым и надёжным является кипячение , при котором, кроме уничтожения бактерий, вирусов, бактериофагов, антибиотиков и др. биологических факторов, часто содержащихся в открытых водоисточниках, удаляются растворённые в воде газы и уменьшается жёсткость воды. Вкусовые качества воды при кипячении меняются мало.

При контроле эффективности обеззараживания воды на водопроводах исходят из содержания в обеззараженной воде сапрофитной микрофлоры и, в частности, кишечных палочек, т.к. все известные возбудители инфекционных болезней человека, распространяющихся водным путём (холера, брюшной тиф, дизентерия), более чувствительны к бактерицидному действию химических и физических средств обеззараживания воды, чем кишечная палочка. Вода считается годной для водопользования при содержании в 1 л не более 3 кишечных палочек. На водопроводных станциях, использующих хлорирование или озонирование, каждый 1 ч (или 30 мин) проверяется содержание остаточного хлора или озона как косвенного показателя надёжности обеззараживания воды.

В России сложилось серьезное положение с техническим состоянием водоочистных комплексов централизованных водозаборов, которые во многих случаях были спроектированы и построены 70-80 лет назад. Их износ с каждым годом нарастает, а более 40 % оборудования требует полной замены. Анализ аварийных ситуаций показывает, что 57 % аварий на объектах ВКХ происходят из-за ветхости оборудования, поэтому дальнейшая его эксплуатация будет приводить к резкому возрастанию аварий, ущерб от которых значительно превысит затраты на их предотвращение. Положение усугубляется тем, что из-за изношенности сетей вода в них подвергается вторичному заражению, и требует дополнительной очистки и обеззараживания. Еще хуже положение с централизованным водоснабжением населения в сельской местности.

Это дает основания назвать проблему гигиены водоснабжения, т. е. обеспечение населения доброкачественной надежно обеззараженной водой, важнейшей проблемой, требующей комплексного и наиболее эффективного решения. Безопасная питьевая вода, по определению опубликованной Всемирной организацией здравоохранения «Руководства по обеспечению качества питьевой воды», не должна представлять никаких рисков для здоровья в результате ее потребления в течение всей жизни, включая различную уязвимость человека к болезням на разных этапах жизни. К группе наибольшего риска в отношении болезней, передаваемых через воду, относятся дети грудного и раннего возраста, люди с ослабленным здоровьем или живущие в антисанитарных условиях и люди пожилого возраста.

Все технологические схемы очистки и обеззараживания воды должны опираться на основные критерии, предъявляемые к качеству питьевой воды: питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими (вкусовыми) свойствами. Эти критерии и лежат в основе нормативных актов всех стран(в России СанПиН 2.14.1074-01). Остановимсяна основных наиболее часто применяемых дезинфектантах: хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое обеззараживание воды.

8.1. Хлорирование воды

В последнее десятилетие в России наблюдается повышенный интерес к объектам водоподготовки с точки зрения лоббирования корпоративных бизнес-интересов. Причем эти обсуждения обосновываются благими намерениями обеспечить население качественной водой. Под такие рассужденияо необходимости потребления чистой воды производится попытка внедрения бессмысленных и необоснованных новаций в нарушение апробированных технологий и СанПиН 2.14.1074-01, который отвечает самым высоким мировым стандартам и требует обязательного присутствия хлора в питьевой воде систем ценрализованного водоснабжения (вспомните про эффект последействия, присущий только хлору). Поэтому пора развеять заблуждения,от которых зависит здоровье нации.

Кроме хлора для обеззараживания вода применяют его соединения, из которых чаще используют гипохлорит натрия.

Гипохлорит натрия - NaCIO. В промышленности гипохлорит натрия выпускается в качестве различных растворов с разной концентрацией. Его дезинфицирующее действие в первую очередь основано на том, что при растворении гипохлорита натрияточно так же, как и хлор, образует хлорноватистую при растворении в воде. Он оказывает непосредственное дезинфицирующее и окисляющее действие.

Различные марки гипохлорита находят применение в следующих направлениях:

. раствор марки А согласно ГОСТ 11086-76 применяется в химической промышленности, чтобы обезжирить питьевую воду и воду для плавательных бассейнов, а также для отбелки и дезинфекции;

. раствор марки Б согласно ГОСТ 11086-76 применяется в витаминной промышленности, в качестве окислителя для отбеливания тканей;

. раствор марки А согласно ТУ применяется во избежание заражения сточных и природных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Еще данным раствором дезинфицируют воду рыбохозяйственных водоемов, получают отбеливающие средства и производят дезинфекцию в пищевой промышленности;

. раствор марки Б согласно ТУ используется для дезинфекции территорий, которые были загрязнены фекальными сбросами, бытовыми и пищевыми отходами; еще он очень хорош для обеззараживании сточных вод;

. раствор марки Г, В согласно ТУ применяется для дезинфекции воды в рыбохозяйственном водоеме;

. раствор марки Э согласно ТУ применяется для дезинфекции также как и в марке А согласно ТУ. Еще он очень распространен на предприятиях общественного питания, в медико-санитарных учреждениях, для обеззараживания стоков, питьевой воды, отбеливания, на объектах ГО и т.д.

Внимание! Меры предосторожности: раствор гипохлорита натрия ГОСТ 11086-76 марки А является очень сильным окислителем, при попадании на кожу способен вызвать ожог, при случайном попадании в глаза - необратимую слепоту.

При нагревании свыше 35°С гипохлорит натрия разлагается с последующим образованием хлоратов и отделением хлора и кислорода. ПДК хлора в среде рабочей зоны - 1 мг/мЗ; в среде населенных мест: 0,1 мг/мЗ - максимальная разовая и 0,03 мг/мЗ - дневная.

Гипохлорит натрия не является горючим средством и невзрывоопасен. Но, гипохлорит натрия в соответствии с ГОСТ 11086-76 марки А при контакте с органическим горючим веществом (опилки, ветошь древесина) в ходе высыхания способен вызвать внезапное самовозгорание.

Индивидуальное предохранение персонала должно осуществляться с использованием спецодежды и индивидуальные средства защиты: противогаз марки Б или БКФ, перчатки резиновые и очки защитные.

При воздействии раствора гипохлорита натрия на кожу и слизистую, в срочном порядке нужно обмыть их под проточной струёй воды в течение 20 минут, при попадании капель раствора в глаза необходимо сразу промыть их большим количеством воды и транспортировать пострадавшего к доктору.

Хранение гипохлорита натрия. Гипохлорит натрия следует хранить в не отапливаемом вентилируемом складском помещении. Не допускать хранение с органическими продуктами, горючим материалом и кислотой. Не допускать попадания в гипохлорит натрия солей тяжелых металлов и контакт с такими металлами. Данный продукт упаковывают и транспортируют в полиэтиленовой таре (контейнер, бочка, канистра) или титановой емкости и танк-контейнере. Продукт гипохлорита натрия не является стабильным и гарантийного срока хранения не имеет (примечание к ГОСТ 11086-76).

Более содержательно о достоинствах и недостатках обеззараживания воды хлором или гипохлоритом натрия можно ознакомиться на сайте www . kravt . ru .

8.2. Озонирование воды

Озонирование воды находит применение при обеззараживании питьевой воды, воды плавательных бассейнов, сточных вод и т.д., позволяя одновременно достигнуть обесцвечивания, окисления железа и марганца, устранения привкуса и запаха воды и обеззараживания за счет весьма высокой окисляющей способности озона.

Озон - газ голубоватого или бледно-фиолетового цвета, который самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в водном растворе, превращаясь в кислород. Скорость распада озона резкоувеличивается в щелочной среде и с ростом температуры. Обладает большой окислительной способностью, разрушает многие органические вещества, присутствующие в природных и сточных водах; плохо растворяется в воде и быстро саморазрушается; будучи мощным окислителем, может при длительном воздействии усилить коррозию трубопроводов.

Необходимо учитывать некоторые особенности озонирования. Прежде всего, нужно помнить о быстром разрушении озона, то есть отсутствии такого длительного действия, как у хлора.

Озонирование может вызвать (особенно у высокоцветных вод и вод с большим количеством органики) образование дополнительных осадков, поэтому нужно предусматривать после озонирования фильтрование воды через активный уголь. В результате озонирования образуются побочные продукты включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, броматы (в присутствии бромидов), пероксиды и другие соединения. При воздействии на гуминовые кислоты, где есть ароматические соединения фенольного типа, может появиться и фенол. Некоторые вещества стойки к озону. Этот не-достаток преодолевается введением в воду перекиси водорода по технологии фирмы «Дегремон» (Франция) в трехкамерном реакторе.

8.3. Ультрафиолетовое обеззараживание воды

Ультрафиолетовым называется электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10 до 400 нм.

Для обеззараживания используется «ближняя область»: 200-400 нм (длина волн природного ультрафиолетового излучения у поверхности земли больше 290 нм). Наибольшим бактерицидным действием обладает электромагнитное излучение на длине волны 200-315 нм. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм.

Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется происходящими под их воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекулы ДНК и РНК, составляющими универсальную информационную основу механизма воспроизводимости живых организмов.

Результат этих реакция - необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие ультрафиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Всё это в конечном итоге приводит к их гибели.

УФ-стерилизатор представляет собой металлический корпус, внутри которого находится бактерицидная лампа. Она, в свою очередь, помещается в защитную кварцевую трубку. Вода омывает кварцевую трубку, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается. В одной установке может быть несколько ламп. Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональны интенсивности излучения и времени воздействия. Соответственно количество обезвреженных (инактивированных) микроорганизмов экспоненциально растет с увеличением дозы облучения. Из-за различной сопротивляемости микроорганизмов доза ультрафиолета, необходимая для инактивации, например 99,9%, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для спор и простейших. При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает вследствие эффектов поглощения и рассеяния. Для учета этого ослабления вводится коэффициент поглощения водой, значение которого зависит от качества воды, особенно от содержания в ней железа, марганца, фенола, а также от мутности воды.

мутность - не более 2 мг/л (прозрачность по шрифту ≥30 градусов);

цветность - не более 20 градусов платино-кобальтовой шкалы;

установок УФ); коли-индекс - не более 10 000 шт/л.

Для оперативного санитарного и технологического контроля эффективности и надежности обеззараживания воды ультрафиолетом, как и при хлорировании и озонировании, применяется определение бактерий кишечной палочки (БГКП).

Опыт применения ультрафиолета показывает: если в установке доза облучения обеспечивается не ниже определенного значения, то гарантируется устойчивый эффект обеззараживания. В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Минимальная доза, соответствующая российским нормативам, - 16 мДж/см2.

Достоинства метода:

Наименее «искусственный» - ультрафиолетовые лучи;

Универсальность и эффективность поражения различных микроорганизмов - УФ-лучи

уничтожают не только вегетативные, но и спорообразующие бактерии, которые при

хлорировании обычными нормативными дозами хлора сохраняют жизнеспособность;

Физико-химический состав обрабатываемой воды сохраняется;

Отсутствие ограничения по верхнему пределу дозы;

Не требуется организовывать специальную систему безопасности, как при хлорировании и

озонировании;

Отсутствуют вторичные продукты;

Не нужно создавать реагентное хозяйство;

Оборудование работает без специального обслуживающего персонала.

Недостатки метода:

Падение эффективности при обработке плохо очищенной воды (мутная, цветная вода плохо

просвечивается);

Периодическая отмывка ламп от налетов осадков, требующаяся при обработке мутной и

жесткой воды;

Отсутствует «последействие», то есть возможность вторичного (после обработки излучением)

заражения воды.

8.4. Сравнение основных методов обеззараживания воды

Основные методы обеззараживания воды, описанные выше имеютсамые разнообразные достоинства и недостатки, изложенные в многочисленных публикациях на эту тему. Отметим наиболее весомые из них.

Каждая из трех технологий, если она применяется в соответствии с нормами, может обеспечить необходимую степень инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.

По отношению к цистам патогенных простейших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов. Для удаления этих микроорганизмов рекомендуется сочетать процессы обеззараживания с процессами уменьшение мутности.

Технологическая простота процесса хлорирования и недефицитность хлора обусловливают широкое распространение именно этого метода обеззараживания.

Метод озонирования наиболее технически сложен и дорогостоящ по сравнению с хлорированием и ультрафиолетовым обеззараживанием.

Ультрафиолетовое излучение не меняет химический состав воды даже при дозах, намного превышающих практически необходимые.

Хлорирование может привести к образованию нежелательных хлорорганических соединений, обладающих высокой токсичностью и канцерогенностью.

При озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные - альдегиды, кетоны и другие алифатические ароматические соединения.

Ультрафиолетовое излучение убивает микроорганизмы, но ≪ образующиеся осколки (клеточные стенки бактерий, грибков, белковые фрагменты вирусов) остаются в воде. Поэтому рекомендуется последующая тонкая фильтрация.

. Только хлорирование обеспечивает эффект последействия, то есть обладает необходимым длительным действием, что делает применение этого метода обязательным при подаче чистой воды в водопроводную сеть.

9. Электрохимические методы

Электрохимические методы находят широкое применение, когда традиционные способы механической, биологической и физико-химической обработки воды оказываются недостаточно эффективными или не могут использоваться, например, из-за дефицита производственных площадей, сложности доставки и использования реагентов или по другим причинам. Установки по реализации этих методов компактны, высокопроизводительны, процессы управления и контроля сравнительно просто автоматизируются. Обычно электрохимическая обработка используется в сочетании с другими способами очистки, позволяя успешно очистить природные воды от примесей различного состава и дисперсности.

Электрохимическими методами можно корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, они обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки. Во многих случаях электрохимические методы исключают вторичное загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных методов.

Электрохимическая очистка воды основана на электролизе, сущность которого заключается в использовании электрической энергии для про- ведения процессов окисления и восстановления. Процесс электролиза протекает на поверхности электродов, находящихся в электропроводном растворе, - электролите.

Для процесса электролиза необходимы: раствор электролита - загрязненная вода, в которой всегда присутствуют ионы в той или иной концентрации, обеспечивающие электропроводимость воды; электроды, погруженные в раствор электролита; внешний источник тока; токоподводы - металлические проводники, соединяющие электроды с источником тока. Вода сама по себе - плохой проводник, однако находящиеся в растворе заряженные ионы, образующиеся при диссоциации электролита, под действием напряжения, приложенного к электродам, двигаются по двум противоположным направлениям: положительные ионы (катионы) к катоду, отрицательные (анионы) - к аноду. Анионы отдают аноду свои «лишние» электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Одновременно с этим катионы, достигая катода, получают от него недостающие электроны и также становятся нейтральными атомами или группой атомов (молекулами). При этом число электронов, получаемых анодом, равно числу электронов, передаваемых катодом. В цепи протекает постоянный электрический ток. Таким образом, при электролизе протекают окислительно-восстановительные процессы: на аноде - потеря электронов (окисление), на катоде - приобретение электронов (восстановление). Однако механизм электрохимических реакций существенно отличается от обычных химических превращений веществ. Отличительная особенность электрохимической реакции -пространственное разделение электрохимических реакций на два сопряженных процесса: процессы разложения веществ или получения новых продуктов происходят на границе электрод-раствор при помощи электрического тока. При проведении электролиза одновременно с электродными реакциями в объеме раствора происходят изменение рН и окислительно-восстановительного потенциала системы, а также фазово-дисперсные превращения примесей воды.

www . aqua - term . ru

Методы водоподготовки, используемые для приготовления питьевой воды, очень разнообразны. Во всяком случае, применение конкретных методов или их сочетаний определяется химическим составом воды. Ниже приведены основные методы водоподготовки.

Предварительня очистка. Если в качестве источника водоснабжения для приготовления питьевой воды используются поверхностные воды, требуется проведение тщательной предварительной очистки. Она включает в себя:

Первичное отстаивание, решетки и сетчатые фильтры с размером ячеек от 0,005 мм до 1 см, коагуляцию, т.е. введение в обрабатываемую воду солей алюминия или железа, и при определенных условиях, добавление флокулянта, чтобы укрупнить взвешенные и коллидные частицы диперсной системы и перевести их в фильтруемую форму.

Рисунок 1 Схема съемной водоочистной сетки 1 - рама, 2 - подложка,3 - фильтровальная сетка, 4 - петля подъема и опускания сетки

Фильтрование. Фильтрование воды является важнейшим этапом при приготовлении питьевой воды и применяется для самых различных целей.

Основы фильтрования. Скорые фильтры объемные, в целях восстановления задерживающей способности загрузки включаются на промывку. Скорость фильтрования определяется составом воды и составляет, как правило, 10-20 м/ч. В качестве фильтрующего материала в зависимости от целей фильтрации. Применяется кварцевый песок, антрацит, активные угли и доломит.

Рисунок 2 Скорый безнапорный фильтр: а - продольный разрез, б - поперечный разрез, в - вид сверху, г - дренажная система 1 - корпус, 2 - слой воды, 3 - фильтрующий материал, 4 - гравий, 5 - дренажная система, 6 - желоб для отвода воды, 7 - карман фильтра, 8 - ввод воды на фильтр, 9 - труба фильтрованной воды, 10 - подача промывной воды, 11 - отвод промывной воды, 12 - канализационный лоток

Кроме того, используется комбинация различных фильтрующих материалов, применяют также многослойные фильтры. Фильтровальные сооружения для приготовления питьевой воды используются для решения следующих задач.

Обезжелезивание. Под этим термином понимают удаление ионов железа из исходной воды. В артезианской воде, не содержащей растворенного кислорода, железо присутствует в форме бикарбоната. Обезжелезивание производят следующими способами:

• · аэрация, т.е. нагнетание воздуха и интенсивный роцесс окисления в водонапорном баке. Расход воздуха для насыщения воды кислородом составляет 30л/м3.
• · В исключительных случаях с целью интенсификации процесса окисления добавляются окислители: озон, хлор, двуокись хлора, или перманганат калия.
• · Обезжелезивающие фильтры (песчаные, гравийные или многослойные фильтры)

Деманганация. Деманганация воды - это удаление из нее ионов марганца. Деманганация производится практически теми же методами, что и обезжлезивание. Однако, в большинстве случаев следует использовать более сильные окислители. При этом желательно обеспечивать более высокие значения водородного показателя. Повышение рН достигается, например, введением в процесс доломитовых материалов.

Нейтрализация. Нейтрализация, или снижение кислотности воды, это процесс, который не произошел в природных геологических условиях и перенесен на фильтровальные сооружения. Фильтровальный бак заполняется гранулированным карбонатом кальция или полуобожженным, содержащим магний, доломитом. При прохождении воды через этот фильтрующий материал, достигается равновесное значение водородного показателя.

При более высоких значениях агрессивной углекислоты, наряду с вышеназванной химической нейтрализацией, имеется возможность удаления углекислоты с помощью открытых аэрационных установок, или скрубберов. Это достигается разбрызгиванием артезианской воды через систему форсунок. Воздух, движущийся от воздуходувки, обеспечивает снижение свободной углекислоты до 10 мг/л. Одновременно в такой «механической нейтрализацией», наступает насыщение кислородом.

Фильтрация на активных углях. Фильтрование на активных углях является предпочтительным способом улучшения качества питьевой воды и чаще всего применяется на последней ступени очистки. Такое дополнительное осветление воды необходимо в тех случаях, когда требуется устранить незначительные нарушения показателей цветности, вкуса и запаха воды. Скорости фильтрования на фильтрах с активными углями устанавливаются как правилона полупромышленных установках.

Обеззараживание питьевой воды производится в тех случаях, когда бактериологическими анализами свежей воды устанавливается наличие возбудителей заболеваний или же повышенное общее содержание бактерий.

Обычными методами обеззараживания являются:

• · Хлорирование путем добавления гипохлорита натрия
• · Введения в обрабатываемую воду гипохлорита кальция
• · Добавление в воду двуокиси хлора или газообразного хлора
• · Озонирование воды
• · Ультрафиолетовое облучение и дезинфекция воды.

Конкретный способ обеззараживания определяется с учетом производительности и издержек производства и согласовывается с эксплуатационными службами.

К другим способам обеззараживания следует отнести обработку питьевой воды солями серебра и ультрафиолетовое облучение. Эти способы обеззарживания крайне редко применяются в централизованных системах водоснабжения. Умягчение (снижение содержания нитратов). Централизованные системы умягчения питьевой воды применяются редко. Действуют несколько водохозяйственных предприятий, которые осуществляют централизованную декарбонизацию, уменьшение карбонатной жесткости воды. В последние годы в связи с ростом концентрации нитратовв питьевой воде возникла проблема снижения содержания нитратов. Рекомендации совета ЕЭС ограничивают содержание нитратов max до 50 мг/л и рекомендует их ориентировочные значения на уровне 25 мг/л. В связи с тем, что указанные значения из-за смешивания воды различных водосборных бассейнов зачастую превышают нормативы, необходимо осуществлять централизованную обработку воды.

При выборе конкретного метода обработки воды обязательно следует проводить экономический анализ и всесторонние специальные исследования.

В данной статье подробно описаны аспекты водоподготовки. Как происходит этот процесс и так ли он на самом деле важен для промышленности, жкх, коттеджей и заводов. Вода является важнейшим компонентом жизнедеятельности человека, с помощью воды мы производим продукцию. Если вода не участвует в технологии прямо, она может участвовать косвенно, например, при охлаждении оборудования или использование в процессах нагревания. Проблема неочищенной воды стоит сегодня, как нельзя остро. Водоподготовка требуется во всех сферах жизни, производство качественной воды или любой другой продукции нуждается в полноценной системе очистки воды.

Прежде всего дадим определение выше указанному процессу. Водоочистка и водоподготовка представляют собой комплекс мероприятий по улучшению воды до заданных параметров в соответствии с нормативными документами и стандартами или требованиями потребителя.

Основные задачи водоподготовки – это получение на выходе чистой безопасной воды пригодной для различных нужд: хозяйственно-питьевого, технического и промышленного водоснабжения с учётом экономической целесообразности применения необходимых методов водоочистки, водоподготовки. Подход к водоочистке не может быть везде одинаковым. Различия обусловлены составом воды и требованиями к её качеству, которые существенно различаются в зависимости от назначения воды.

Сегодня мы затронем самые важные аспекты водоподготовки и подробно их разберем.

Осветление воды

Для очистки жидкости от нерастворимых частиц применяют контактные осветлители, флотаторы, гидроциклоны, намывные фильтры и другие устройства. Более глубокая водоочистка в Москве и регионах предполагает дополнительное использование коагулянтов, флокулянтов, систем ультрафильтрации.

Это этап водоочистки, в процессе которого происходит устранение мутности воды путем снижения содержания в ней взвешенных механических примесей природных и сточных вод. Мутность природной воды, особенно поверхностных источников в паводковый период, может достигать 2000-2500 мг/л.

Обесцвечивание воды

Это устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или полностью растворенных веществ может быть достигнуто коагулированием, применением различных окислителей (хлор и его производные, озон, перманганат калия) и сорбентов (активный уголь, искусственные смолы).

Умягчение воды

Водоподготовка в Москве и в других крупных городах не обходится без снижения жесткости воды. Чтобы удалить из жидкости катионы кальция и магния, в ее состав вводятся анионы СО32- и ОН- для образования СаСО3 и Mg(OH)2, которые удаляются путем выделения в осадок и фильтрации. Для снижения карбонатной жесткости и щелочности воду обрабатывают известью. Водоподготовка и очистка воды с использованием извести и соды позволяет удалить из воды сульфаты и хлориды кальция и магния. В большинстве случаев при умягчении воды предпочитают использовать ионообменные смолы. Удаление катионов жесткости происходит при обмене свободными ионами в процессе их взаимодействия с ионообменной смолой. Ионы кальция и магния оседают на ионообменной смоле, взамен этого в воду поступают ионы натрия.

По традиционной схеме умягчение осуществляется методом ионного обмена, основанного на фильтрации воды через, так называемые, ионообменные смолы, обменивающие входящие в их состав ионы Na+ на ионы Ca2+ и Mg2+, содержащиеся в воде. При истощении рабочих свойств производится регенерация раствором NaCl, приготовляемым из специальной таблетированной соли. Периодичность регенерации зависит от геометрических параметров слоя, обменной емкости смолы, уровня жесткости, скорости потока, объема обрабатываемой воды.

Опреснение и обессоливание

Его методы отличаются большим разнообразием, называемое также деионизацией или деминерализацией, представляет собой уменьшение содержания растворенных в жидкости солей. Обессоливание морской или засоленной воды носит название опреснения. Нормы предусматривают содержание соли в воде, не превышающего одного грамма на литр. В отдельных случаях допустима концентрация соли полтора грамма на литр. Но во многих регионах концентрация солей в подземных и поверхностных водах превышает эти значения. А в морской воде, запас которой на планете является основным, соли содержится от десяти до сорока граммов на литр. Морская вода нуждается в опреснении. И для разных видов существуют свои методы обессоливания воды.

Водоочистка воды от солей может быть частичной или полной. Например, приведение жидкости в соответствие санитарным нормам требует снижения солесодержания до 1000 мг/л, а для питания барабанных и прямоточных котлов на тепловых электростанциях необходимо предельно возможное удаление солей и получение жидкости, по своим свойствам гораздо лучшей чем вода дистиллированная. Организации по очистке воды выбирают различные способы по снижению содержания солей: ионный обмен, обратный осмос, электродеионизацию, дистиляцию и другие. Выбор оптимального инженерно-технического решения для водоочистки водоснабжения выполняется после всесторонней оценки объекта и потребностей Заказчика.

Дегазация воды

По названию данного метода становится очевидно, что данный метод представляет собой удаление из воды растворенных газов. Дегазация воды необходима при использовании воды на хозяйственно-питьевые и промышленные цели, т. к. растворенные газы - кислород, свободная углекислота и сероводород - обусловливают или усиливают коррозионные свойства воды. Дегазация воды применяется в системах горячего водоснабжения, при подготовке питательной воды для котлов среднего и высокого давлений, при ионитовом умягчении и обессоливании воды, при обезжелезивании воды с помощью аэрации и в случаях использования подземных вод, содержащих растворенный сероводород.

Различают химические и физические способы дегазации воды. Сущность первых заключается в добавлении реагентов, которые связывают растворенные в воде газы, например обескислороживание воды путем добавки в нее гидразин-гидрата или путем фильтрации воды через фильтры, загруженные стальными стружками. В обоих случаях происходит связывание растворенного кислорода, который при этом утрачивает коррозионные свойства.

Обеззараживание воды

Или дезинфекция – завершающий этап процесса водоочистки. Цель – это подавление жизнедеятельности содержащихся в воде болезнетворных микробов. Так как полного освобождения ни отстаивание, ни фильтрование не дают, с целью дезинфекции воды применяют хлорирование и другие способы.

В технологии водоподготовки известен ряд методов обеззараживания воды, который можно классифицировать на пять основных групп: термический; сорбция на активном угле; химический (с помощью сильных окислителей); олигодинамия (воздействие ионов благородных металлов); физический (с помощью ультразвука, радиоактивного излучения, ультрафиолетовых лучей).

Из перечисленных методов наиболее широко распространены методы третьей группы. В качестве окислителей применяют хлор, диоксид хлора, озон, йод, марганцовокислый калий; пероксид водорода, гипохлорит натрия и кальция. В свою очередь, из перечисленных окислителей на практике отдают предпочтение хлору, хлорной извести, гипохлориду натрия. Выбор метода обеззараживания воды производят, руководствуясь расходом и качеством обрабатываемой воды, эффективностью ее предварительной очистки, условиями поставки, транспорта и хранения реагентов, возможностью автоматизации процессов и механизации трудоемких работ.