Технологии водоподготовки. Основные методы водоподготовки

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.

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.

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.).

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.

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.

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 условиях современного большого города, с загрязненным воздухом и достаточно плохой экологией, каждый человек стремится сохранить здоровье. Вода – основной продукт для каждого из нас. В последнее время все больше людей задумываются о том, какую воду они употребляют. В связи с этим жесткость и очистка воды не пустые термины, а важные параметры. Сегодня специалисты успешно применяют технологии водоподготовки и водоочистки, что способствует получению гораздо более чистой, пригодной для употребления воды. Профессионалы уделяют внимание и смягчению воды, проводя ряд мероприятий, улучшающих ее свойства.

Что предусматривают технологии водоподготовки

Давайте разберем более детально, что же такое технологии водоподготовки. Это прежде всего очистка воды от планктона. Данный микроорганизм, обитающий в реках, наиболее интенсивно начал развиваться после того, как появились крупные водохранилища. Отметим, что, когда планктон развивается в большом количестве, вода начинает неприятно пахнуть, меняться в цвете и приобретать характерный привкус.

Сегодня множество компаний в сфере промышленности выливает в реки свои неочищенные сточные воды с огромным содержанием органических загрязнений и химических примесей. Из этих открытых водоемов впоследствии и добывают питьевую воду. Как результат - большая часть из них, главным образом тех, что располагаются на территории мегаполисов или рядом с ними, очень загрязнена. В воде присутствуют фенолы, хлорорганические пестициды, аммонийный и нитритный азот, нефтепродукты и иные вредные вещества. Безусловно, вода из таких источников без предварительной подготовки к употреблению непригодна.

Не следует забывать о новых технологиях производства, разных ЧС и авариях. Все эти факторы также способны ухудшить состояние воды в источниках и негативно сказаться на ее качестве. Благодаря современным методам исследований ученым удалось найти в воде и нефтепродукты, и амины, и фенолы, и марганец.

Технологии водоподготовки, если речь идет о городе, - это в том числе возведение станций водоочистки. Благодаря прохождению через несколько этапов очищения вода становится более пригодной для питья. Но тем не менее даже с применением водоочистительных сооружений она освобождается от вредных примесей не до конца, а потому в наши дома поступает еще довольно загрязненной.

Сегодня существуют различные технологии водоподготовки и очистки питьевой и сточной воды. В рамках данных мероприятий применяют механическую очистку от разных примесей, используя установленные фильтры, удаляют остатки хлора и хлорсодержащие элементы, очищают воду от большого количества минеральных солей, содержащихся в ней, а также смягчают, устраняют соли и железо.

Основные технологии водоподготовки и водоочистки

Технология 1. Осветление

Осветлением называют стадию очистки воды, на которой устраняют ее мутность, снижая количество механических примесей природных и сточных вод. Уровень мутности воды, в особенности поверхностных источников в период паводков, иногда доходит до 2000-2500 мг/л, в то время как норма для воды, пригодной для питья и использования в хозяйстве, составляет не более 1500 мг/л.

Воду осветляют, осаждая взвешенные вещества при помощи специальных осветлителей, отстойников и фильтров, которые являются наиболее известными сооружениями водоочистки. Одним из самых известных, широко используемых на практике методов является коагулирование, то есть понижение количества тонкодисперсных примесей в воде. В рамках данной технологии водоподготовки используют коагулянты - комплексы для осаждения и фильтрования взвешенных веществ. Далее осветленная жидкость поступает в резервуары чистой воды.

Технология 2. Обесцвечивание

Коагулирование, использование разных окислителей (к примеру, хлора вместе с его производными, озона, марганца) и сорбентов (активного угля, искусственных смол) позволяет обесцвечивать воду, то есть устранять или обесцвечивать в ней окрашенные коллоиды или полностью растворенные вещества.

Благодаря этой технологии водоподготовки загрязненность воды можно существенно снизить, устранив большинство бактерий. При этом даже после удаления одних вредных веществ в воде часто остаются и другие, к примеру бациллы туберкулеза, брюшного тифа, дизентерии, вибрион холеры, вирусы энцефалита и полиомиелита, вызывающие инфекционные заболевания. Чтобы окончательно их уничтожать, воду, используемую для бытовых и хозяйственных нужд, следует обязательно обеззараживать.

Коагуляция, отстаивание и фильтрация имеют свои минусы. Данные технологии водоподготовки обладают недостаточно эффективностью и дорого стоят, а потому необходимо применение иных методов очистки и повышения качества воды.

Технология 3. Обессоливание

При данной технологии водоподготовки из воды удаляют все анионы и катионы, влияющие на содержание солей в целом и уровень ее электропроводности. При обессоливании применяют обратный осмос, ионный обмен и электродеионизацию. В зависимости от того, какой уровень содержания солей и какие требования существуют к обессоленной воде, выбирают подходящий способ.

Технология 4. Обеззараживание

Конечная стадия очистки воды - дезинфекция, или обеззараживание. Основная задача этой технологии водоподготовки - подавить жизнедеятельность вредных бактерий, находящихся в воде. Чтобы полностью очистить воду от микробов, фильтрацию и отстаивание не используют. Чтобы обеззаразить, ее хлорируют, а также применяют иные технологии водоподготовки, о которых мы расскажем далее.

Сегодня специалисты используют множество способов обеззараживания воды. Технологии водоподготовки можно разделить на пять основных групп. Первый метод - термический. Второй - сорбция на активном угле. Третий - химический, при котором используют сильные окислители. Четвертый - олигодинамия, при котором ионы воздействуют на благородные металлы. Пятый - физический. В рамках этой технологии водоподготовки используются радиоактивное излучение, ультрафиолетовые лучи и ультразвук.

Как правило, при обеззараживании воды применяют химические методы с использованием озона, хлора, диоксида хлора, марганцовокислого калия, пероксида водорода, гипохлорита натрия и кальция как окислителей. Что касается определенного окислителя, в данном случае чаще всего применяют хлор, гипохлорид натрия, хлорную известь. Способ дезинфекции выбирают исходя из расхода и качества очищаемой воды, эффективности ее начальной очистки, условий транспортировки и хранения реагентов, возможности автоматизировать процессы и механизировать сложные работы.

Специалисты дезинфицируют воду, предварительно обработанную, прошедшую коагулирование, осветленную и обесцвеченную в слое взвешенного осадка или отстоянную, отфильтрованную, поскольку фильтр не содержит частиц, на или внутри которых могут располагаться адсорбированные микробы, не подвергнутые обеззараживанию.

Технология 5. Обеззараживание с применением сильных окислителей

В данный момент в сфере ЖКХ обычно хлорируют воду с целью ее очистить и продезинфицировать. При употреблении воды из-под крана следует помнить о содержании в ней хлорорганических соединений, уровень которых после обеззараживания с использованием хлора составляет до 300 мкг/л. При этом начальный порог загрязненности не влияет на данный показатель, поскольку именно хлорирование вызывает образование этих 300 микроэлементов. Употреблять воду с такими показателями крайне нежелательно. Хлор, соединяясь с органическими веществами, образует тригалометаны - производные метана, имеющие выраженный канцерогенный эффект, в результате воздействия которого появляются раковые клетки.

Когда хлорированная вода кипятится, в ней образуется сильнейшее ядовитое вещество под названием диоксин. Снизить уровень тригаломенатов в воде можно, уменьшив объем хлора, используемый при обеззараживании, и заменив его на другие вещества для дезинфекции. В ряде случаев, чтобы удалить органические соединения, образующиеся при обеззараживании, пользуются гранулированным активированным углем. Безусловно, не следует забывать о полном и регулярном контроле над показателями качества питьевой воды.

Если же природные воды очень мутные и имеют высокую цветность, нередко прибегают к предварительному хлорированию. Но, как было сказано ранее, у данной технологии водоподготовки нет достаточной эффективности, а также она очень вредна для нашего здоровья.

К минусам хлорирования как к технологии водоподготовки, таким образом, относят малую эффективность плюс огромный ущерб для организма. Когда образуется канцероген тригалометан, появляются раковые клетки. Что касается образования диоксина, данный элемент, как было отмечено выше, является сильнейшим ядом.

Без использования хлора дезинфекция воды с экономической точки зрения является нецелесообразной. Различные альтернативные технологии водоподготовки (к примеру, дезинфекция, при которой используют УФ-излучение) стоят довольно дорого. Оптимальным вариантом на сегодняшний день можно считать обеззараживание воды с использованием озона.

Технология 6. Озонирование

Дезинфекция с применением озона кажется более безопасной, нежели хлорирование. Но и у этой технологии водоподготовки есть свои минусы. Озон не обладает повышенной стойкостью и склонен к быстрому разрушению, а потому оказывает бактерицидное влияние на протяжении очень малого времени. При этом воде требуется миновать водопроводную систему, перед тем как поступить в наши дома. Здесь появляются трудности, так как все мы представляем примерную степень изношенности водопроводов.

Еще один нюанс этой технологии водоподготовки - вступление озона в реакцию с множеством веществ, среди которых, к примеру, фенол. Элементы, образующиеся при их взаимодействии, еще более токсичны. Дезинфекция воды с использованием озона - опасное мероприятие, если вода содержит хотя мы мизерный процент ионов брома (его сложно выявить даже в лаборатории). Когда выполняется озонирование, появляются ядовитые соединения брома - бромиды, представляющие для человека опасность даже в микродозах.

Озонирование при этом - оптимальный вариант для дезинфекции большого объема воды, предполагающих тщательную дезинфекцию. Но не стоит забывать, что озон, как и вещества, появляющиеся при его реакциях с хлорорганикой, является ядовитым элементом. В связи с этим большая концентрация хлорорганики на этапе очистки воды может представлять большой вред и опасность для здоровья.

Итак, к минусам обеззараживания с использованием озона можно отнести еще большую токсичность при взаимодействии с фенолом, что даже опаснее хлорирования, а также короткое бактерицидное действие.

Технология 7. Обеззараживание с применением бактерицидных лучей

Чтобы дезинфицировать подземные воды, нередко используют бактерицидные лучи. Применять их можно только в случае коли-индекса исходного состояния воды не выше 1000 ед/л, содержания железа до 0,3 мг/л, мутности - до 2 мг/л. Если сравнивать с дезинфекцией хлором, бактерицидное воздействие на воду оптимально. Во вкусе воды и ее химических свойствах при использовании этой технологии водоподготовки не происходит никаких изменений. Лучи проникают в воду практически мгновенно, а после их воздействия она становится пригодной к употреблению. При помощи данного метода происходит уничтожение не только вегетативных, но и спорообразующих бактерий. Кроме того, использовать установки для дезинфекции воды таким способом гораздо удобнее, чем при хлорировании.

В случае с неочищенными, мутными, цветными или водами, в которых повышен уровень содержания железа, коэффициент поглощения оказывается таким сильным, что использование бактерицидных лучей становится неоправданным с экономической точки зрения и недостаточно надежным с санитарной. В связи с этим бактерицидный метод лучше использовать для дезинфекции уже очищенной воды или чтобы обеззараживать подземные воды, которым не требуется очистка, но необходимо обеззараживание для профилактики.

К минусам дезинфекции с использованием бактерицидных лучей можно отнести экономическую неоправданность и ненадежность этой технологии водоподготовки с точки зрения санитарии.

Технология 8. Обезжелезивание

Основные источники соединения железа в природной воде - процессы выветривания, эрозия почв и растворение горных пород. Что касается питьевой воды, в ней железо может присутствовать из-за коррозии труб водопровода, а также потому, что муниципальные станции очистки применяли железосодержащие коагулянты для осветления воды.

Существует современное направление в нехимических методах очистки подземных вод. Это биологический метод. В основу такой технологии водоподготовки положено использование микроорганизмов, чаще всего железобактерий, переводящих Fe 2 + (закисное железо) в Fe 3 + (ржавчину). Данные элементы для здоровья человека не являются опасными, но продукты их жизнедеятельности обладают достаточно высокой токсичностью.

Основа современных биотехнологий - применение свойств каталитической пленки, которая образуется на загрузке из песка и гравия или ином похожем материале с мелкими порами, а также способность железобактерий обеспечивать протекание сложных химических реакций без энергетических затрат и реагентов. Данные процессы естественны, а в их основу положены биологические природные закономерности. Железобактерии активно и в большом количестве развиваются и в воде, содержание железа в которой от 10 до 30 мг/л, но практика показывает, что жить они могут и при меньшей концентрации (в 100 раз). Единственным условием здесь является поддержка достаточно низкого уровня кислотности среды и одновременного доступа кислорода из воздуха, хотя бы в небольшом объеме.

Завершающий этап применения данной технологии водоподготовки - сорбционная очистка. Ее применяют, чтобы задержать продукты жизнедеятельности бактерий и провести окончательную дезинфекцию воды с использованием бактерицидных лучей.

Данный метод имеет достаточно преимуществ, важное из которых, к примеру, экологичность. У него есть все шансы для дальнейшего развития. Однако у этой технологии водоподготовки есть и минус - процесс отнимает много времени. Это значит, что для того, чтобы обеспечить большие производственные объемы, емкостные сооружения должны быть крупногабаритными.

Технология 9. Д егазация

На коррозионную агрессивность воды влияют определенные физико-химические факторы. В частности, вода становится агрессивной, если в ней есть растворенные газы. Что касается наиболее распространенных и коррозионно-агрессивных элементов, здесь можно отметить углекислый газ и кислород. Не секрет, что, если в воде содержится свободный диоксид углерода, кислородная коррозия металла становится интенсивнее в три раза. В связи с этим технологии водоподготовки всегда подразумевают устранение растворенных газов из воды.

Существуют главные способы удаления растворенных газов. В их рамках применяют физическую десорбцию, а также пользуются химическими методами их связывания, чтобы удалить остатки газа. Для применения таких технологий водоподготовки, как правило, необходимы высокие энергетические затраты, большие производственные площади, расход реагентов. Помимо этого, все это может вызывать вторичное микробиологическое загрязнение воды.

Все вышеперечисленные обстоятельства поспособствовали возникновению принципиально новой технологии водоподготовки. Это мембранная дегазация, или дегазификация. Применяя данный метод, специалисты, используя особую пористую мембрану, в которую могут проникать газы, но не способна проникать вода, удаляют растворенные в воде газы.

Основа действия мембранной дегазации - применение специальных мембран большой площади (обычно созданных на основе полого волокна), размещенных в напорных корпусах. Процессы газообмена происходят в их микропорах. Мембранная технология водоподготовки дает возможность применять более компактные установки, а риски того, что вода вновь подвергнется биологическому и механическому загрязнению, сводятся к минимуму.

Благодаря мембранным дегазаторам (или МД) возможно удаление из воды растворенных газов без ее диспергирования. Сам процесс осуществляется в воде, затем в мембране, далее - в газовом потоке. Несмотря на наличие ультрапористой мембраны в МД, принцип действия мембранного дегазатора отличается от мембран иного типа (обратноосмотического, ультрафильтрационного). В пространстве мембран дегазатора поток жидкости через мембранные поры не идет. Мембрана - это инертная газонепроницаемая стенка, служащая разделителем для жидкой и газообразной фаз.

Мнение эксперта

Особенности применения технологии озонирования подземных вод

В.В. Дзюбо ,

Л.И. Алферова ,

старший научный сотрудник кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

На то, насколько эффективным будет озонирование как технология водоподготовки и очистки подземных вод, влияют не только параметры синтеза озона: затраты электрической энергии, цена и т. д. Важно и то, насколько эффективно происходит перемешивание и растворение озона в воде, подвергающейся обработке. Не следует забывать и о качественном составе.

Для лучшего растворения озона больше подходит холодная вода, а распадается вещество быстрее, когда температура водной среды растет. Когда давление насыщения увеличивается, озон также растворяется лучше. Все это нужно учитывать. К примеру, озон до 10 раз быстрее растворяется в определенной температурной среде, нежели кислород.

В России и за рубежом неоднократно проводились исследования, связанные с озонированием воды. Результаты исследований данной технологии водоподготовки показали, что на уровень насыщения воды озоном (максимально возможную концентрацию) влияют следующие факторы:

• соотношение объема подаваемой смеси озона и воздуха (м 3) и количества обрабатываемой воды Qw (м 3) — (Qoz / Qw);
• концентрация озона в смеси озона и воздуха, которая подается в воду;
• объем воды, подвергающейся обработке;
• температура воды, подвергающейся обработке;
• давление насыщения;
• продолжительность насыщения.

Если источником водоснабжения являются подземные воды, следует помнить, что в зависимости от сезона они могут меняться, в частности их качество становится иным. Это необходимо учитывать, обосновывая технологии водоподготовки для организации коммунального водоснабжения, особенно если в нем применяется озонирование.

Если в технологиях водообработки подземных вод используется озон, не стоит забывать о существенных различиях в их качестве в разных регионах России. Кроме того, качество подземных вод отличается и от состава исследуемой ранее чистой воды. В связи с этим применение какой-нибудь известной технологии водоподготовки или технологических параметров обработки воды будет некорректным, поскольку всегда следует учитывать качественный состав и специфику воды, подлежащей планируемой обработке. К примеру, между реальной или фактически достигаемой концентрацией озона в природных подземных водах, подлежащих обработке, и теоретически возможных или достигаемых при применении чистой воды показателях всегда будут отличия. Обосновывая те или иные технологии водоподготовки, требуется прежде всего детальное изучение качественного состава источника воды.

Современные технологии водоподготовки и инновационные методы

Внедряя новые методы и технологии водоподготовки, можно решать определенные задачи, достижение которых обеспечивает:

• выпуск питьевой воды по ГОСТу и действующим стандартам, удовлетворяющим требования покупателей;
• надежную очистку и обеззараживание воды;
• бесперебойность и надежность работы сооружений водоочистки;
• понижение себестоимости подготовки воды и процессов ее очистки;
• экономию реагентов, электрической энергии и воды на личные нужды;
• высокое качество производства воды.

Следует затронуть и новейшие технологии водоподготовки, которые используют, чтобы улучшить воду.

1. Мембранные методы

Основу мембранных методов составляют современные технологии водоподготовки, в которые входят макро- и микро-, ультра- и нанофильтрация, а также обратный осмос. Мембранная технология водоподготовки используется, чтобы опреснять сточные воды и решать задачи, связанные с водоочисткой. При этом очищенную воду еще нельзя назвать полезной и безопасной для организма. Отметим, что мембранные методы дорогостоящие и энергоемкие, а их применение связано с постоянными затратами на обслуживание.

2. Безреагентные методы

Здесь следует прежде всего выделить структурирование, или активацию, жидкости как самый часто применяемый метод. Сегодня существуют различные способы активации воды (к примеру, использование магнитных и электромагнитных волн, кавитации, волн УЗ-частот, воздействие с применением различных минералов, резонансные способы). При помощи структурирования можно решать ряд задач по подготовке воды (обесцвечивать, смягчать, дезинфицировать, дегазировать, обезжелезивать воду и проводить ряд других манипуляций). Химические технологии водоподготовки при этом не используются.

Активированная вода и жидкость, к которой были применены традиционные технологии водоподготовки, отличаются друг от друга. О недостатках традиционных способов уже было сказано ранее. Структура активированной воды схожа со структурой воды из родника, «живой» водой. В ней есть множество целебных свойств и огромная польза для организма человека.

Чтобы удалять из жидкости муть (трудно осаждаемые тонкие взвеси), применяют иной метод активированной воды - ее способность к ускорению коагуляции (слипанию и осаждению) частиц и последующему образованию крупных хлопьев. Химические процессы и кристаллизация растворенных веществ происходят гораздо быстрее, абсорбция становится более интенсивной, наблюдается улучшение коагуляции примесей и их выпадения в осадок. Кроме того, такими способами часто пользуются, чтобы предотвращать появление накипи в теплообменном оборудовании.

На качество воды прямо влияют используемые методы активации и технологии водоподготовки. В их числе:

• устройства обработки воды магнитным методом;
• электромагнитные способы;
• кавитационные;
• резонансное волновое структурирование жидкости (данная технология водоподготовки является бесконтактной, а ее основу составляют пьезокристаллы).

3. Гидромагнитные системы

Предназначение ГМС (гидромагнитных систем) - обработка потоков воды при помощи постоянного магнитного поля особой пространственной конфигурации. ГМС используют, чтобы нейтрализовать накипь в теплообменном оборудовании, а также чтобы осветлять воду (к примеру, после дезинфекции хлором). Работает данная система так: ионы металла, находящиеся в воде, взаимодействуют между собой на магнитном уровне. В это же время протекает химическая кристаллизация.

Обработка с использованием гидромагнитных систем не нуждается в химических реактивах, а потому данный метод очистки экологический чист. Но в ГМС присутствуют и минусы. В рамках этой технологии водоподготовки применяются постоянные мощные магниты, основу которых составляют редкоземельные элементы, сохраняющие свои параметры (силу магнитного поля) на протяжении длительного времени (десятилетий). Но в случае перегрева данных элементов выше отметки 110-120 о С возможно ослабевание магнитных свойств. В связи с этим монтаж гидромагнитных систем следует осуществлять в тех местах, где температура воды не превышает эти значения, т.е. до того, как ее нагревают (линия обратки).

Итак, к минусам ГМС относятся возможность использования при температуре не более 110-120 о С, недостаточная эффективность, необходимость использовать вместе с ней иные методы, что невыгодно с экономической точки зрения.

4. Кавитационный метод

При кавитации в воде образуются полости (каверны или кавитационные пузырьки), внутри которых находятся газ, пар или их смесь. При кавитации вода переходит в другую фазу, то есть превращается из жидкости в пар. Появляется кавитация тогда, когда понижается давление в воде. Изменение давления бывает вызвано увеличением ее скорости (при гидродинамической кавитации), прохождением акустической воды во время полупериода разрежения (при акустической кавитации).

Когда кавитационные пузырьки резко исчезают, возникают гидравлические удары. В результате этого создается волна сжатия и растяжения в воде с УЗ-частотой. Кавитационным методом пользуются, чтобы очистить воду от железа, жестких солей и других веществ, превышающих ПДК. При этом обеззараживание воды кавитацией не очень эффективно. К другим недостаткам использования метода относятся существенное потребление электроэнергии и дорогостоящее обслуживание с расходными фильтрующими элементами (ресурс от 500 до 6000 м 3 воды).

Технологии водоподготовки питьевой воды для ЖКХ по схеме

Схема 1. Аэрация-дегазация — фильтрование — обеззараживание

Данную технологию водоподготовки можно назвать наиболее простой с технологической точки зрения и конструктивной при реализации. Схема реализуется разными методами аэрации-дегазации - все зависит от того, какой качественный состав имеют подземные воды. Вот два ключевых способа применения этой технологии водоподготовки:

• аэрация-дегазация жидкости в начальном состоянии в резервуаре; принудительная подача воздуха и последующая фильтрация на зернистых фильтрах и обеззараживание способом УФ-облучения не используются. При аэрации-дегазации производят разбрызгивание на жесткий контактный слой при помощи эжекторных насадок и вихревых сопл. В качестве резервуара начальной воды могут выступать контактный бассейн, водонапорная башня и т. д. Фильтры здесь - альбитофиры, горелые породы. Данную технологию обычно используют, чтобы очищать подземные воды, в которых присутствуют минеральные формы растворенных Fe 2 + и Mn 2 +, не имеющих в составе H 2 S, CH 4 и антропогенных загрязнений;
• аэрация-дегазация, проводимая по аналогии с предыдущим способом, но при этом дополнительно используется принудительная подача воздуха. Такой метод применяют, если в составе подземных вод есть растворенные газы.

Очищенную воду могут подавать в специальные РЧВ (резервуары чистой воды) или башни, которые являются специальными накопительными емкостями, при условии, что они не еще были использованы как приемный резервуар. Далее воду транспортируют потребителям по разводящим сетям.

Схема 2. Аэрация-дегазация — фильтрование — озонирование — фильтрование на ГАУ — обеззараживание

Что касается данной технологии водоподготовки, ее использование целесообразно для комплексной очистки подземных вод, если присутствуют сильные загрязнения в большой концентрации: Fe, Mn, органика, аммиак. В ходе данного способа проводят разовое или двойное озонирование:

• если в воде есть растворенные газы CH 4 , CO 2 , H 2 S, органика и антропогенные загрязнения, озонирование производят после аэрации-дегазации с фильтрованием на инертных материалах;
• если CH 4 нет, при (Fe 2 +/Mn 2 +) < 3: 1 озонирование нужно проводить на первом этапе аэрации-дегазации. Уровень доз озона в воде не должен быть выше 1,5 мг/л, чтобы не допустить окисления Mn 2 + до Mn 7 +.

Можно использовать те фильтрующие материалы, что указаны в схеме А. Если применяется сорбционная очистка, часто пользуются активированными углями и клиноптилолитом.

Схема 3. Аэрация-дегазация — фильтрование — глубокая аэрация в вихревых аэраторах с озонированием — фильтрование — обеззараживание

Данная технология развивает технологию очистки подземных вод по схеме В. Ее можно применять, чтобы очищать воды, в которых содержится повышенный уровень Fe (до 20 мг/л) и Mn (до 3 мг/л), нефтепродукты до 5 мг/л, фенолы до 3 мкг/л и органика до 5 мг/л с рН исходной воды, близкой к нейтральной.

В рамках этой технологии водоподготовки лучше всего использовать УФ-облучение, чтобы обеззараживать очищенную воду. Территориями для бактерицидных установок могут быть:

• места, расположенные прямо перед подачей потребителям очищенных вод (если протяженность сетей небольшая);
• прямо перед местами водоразбора.

С учетом того, каким качеством обладают подземные воды с санитарной точки зрения и каком состоянии находится система водоснабжения (сети, сооружения на них, РЧВ и т. д.), оснащение станций или оборудование водоподготовки в целях дезинфекции воды перед ее поставкой потребителям могут подразумевать наличие любого приемлемого для условий той или иной территории оборудования.

Схема 4. Интенсивная дегазация-аэрация — фильтрование (АБ; ГП) — обеззараживание (УФО)

В данной технологии водоподготовки есть этапы интенсивной дегазации-аэрации и фильтрования (иногда двухступенчатого). Применение этого способа целесообразно при необходимости отдувки растворенных CH 4 , H 2 S и СО 2 , присутствующих в повышенных концентрациях при достаточно небольшом содержании растворенных форм Fe, Mn — до 5 и 0,3 мг/л соответственно.

В рамках применения технологии водоподготовки производятся усиленная аэрация и фильтрование в 1-2 ступени.

Чтобы выполнять аэрацию, пользуются вихревыми форсунками (применительно к индивидуальным системам), вихревыми дегазаторами - аэраторами, комбинированными дегазационно-аэрационными узлами (колоннами) с одновременной отдувкой газов.

Что касается фильтрующих материалов, они аналогичны указанным в схеме А. При содержании фенолов и нефтепродуктов в подземных водах фильтрацию проводят, используя сорбенты - активированные угли.

В соответствии с этой схемой выполняют фильтрацию воды на двухступенчатых фильтрах:

• 1-я ступень - чтобы очистить воду от соединений Fe и Mn;
• 2-я ступень — чтобы провести сорбционную очистку воды, которая уже очищена, от нефтепродуктов и фенолов.

Если это возможно, выполняют только первую стадию фильтрации, за счет чего схема становится гибче. При этом реализация такой технологии водоподготовки требует больше затрат.

Если мы рассматриваем малые и средние населенные пункты, применение данной технологии водоподготовки предпочтительнее в напорном варианте.

В рамках применения технологии водоподготовки можно пользоваться любым способом дезинфекции воды, уже прошедшей очистку. Здесь все зависит от того, насколько производительной является система водоснабжения и каковы условия территории, где используется технология водоподготовки.

Схема 5. Озонирование — фильтрование — фильтрование — обеззараживание (NaClO)

Если нужно удалить антропогенные и природные загрязнения, прибегают к озонированию с дальнейшей фильтрацией через зернистую нагрузку и адсорбцией на ГАУ и обеззараживанием гипохлоритом натрия при содержании в воде общего железа до 12 мг/л, перманганата калия до 1,4 мг/л и окисляемости до 14 мг О 2 /л.

Схема 6. Аэрация-дегазация — коагулирование — фильтрование — озонирование — фильтрование — обеззараживание (NaClO)

Этот вариант схож с предыдущей схемой, но здесь используется аэрация-дегазация и введен коагулянт перед фильтрами обезжелезивания и деманганации. Благодаря технологии водоподготовки возможна очистка от загрязнений антропогенного характера в более сложной ситуации, когда уровень содержания железа достигает до 20 мг/л, марганец до 4 мг/л и присутствует высокая перманганатная окисляемость — 21 мг О 2 /л.

Схема 7. Аэрация-дегазация — фильтрование — фильтрование — ионный обмен — обеззараживание (NaClO)

Данная схема рекомендована районам Западной Сибири, где есть значительные месторождения нефти и газа. В рамках технологии водоподготовки воду освобождают от железа, проводятся собрция на ГАУ, ионный обмен на клиноптилолите в Na-форме с дальнейшим обеззараживанием и гипохлоритом натрия. Отметим, что на территории Западной Сибири уже успешно пользуются схемой. Благодаря такой технологии водоподготовки вода соответствует всем нормам СанПиН 2.1.4.1074-01.

У технологии водоподготовки есть и минусы: периодически ионообменные фильтры необходимо регенерировать, используя раствор поваренной соли. Соответственно, здесь остро встает вопрос уничтожения или вторичного применения раствора для регенерации.

Схема 8. Аэрация-дегазация — фильтрование (Ц + КМnО 4) — озонирование — отстаивание — адсорбция (Ц) — фильтрование (Ц + КМnО 4) (деманганация) — адсорбция (Ц) — обеззараживание (Cl)

Благодаря технологии водоподготовки по данной схеме из воды удаются тяжелые металлы, аммоний, радионуклиды, антропогенные органические загрязнения и иное, а также марганец и железо в два этапа - с применением коагуляции и фильтрации через загрузку из природного цеолита (клиноптилолита), озонирования и сорбции на цеолите. Регенерируют загрузку, применяя реагентный метод.

Схема 9. Аэрация-дегазация — озонирование — фильтрование (осветление, обезжелезивание, деманганация) — адсорбция на ГАУ — обеззараживание (УФО)

В рамках данной технологии водоподготовки проводятся следующие мероприятия:

• полностью удаляются метан с попутным повышением рН в результате частичной отдувки диоксида углерода, сероводорода, а также летучие хлорорганические соединения (ЛХОС), выполняются преозонирование, окисление преозонирования и гидролиз железа (стадия глубокой аэрации-дегазации);
• удаляются 2-3-валентное железо и железофосфатные комплексы, частично марганец и тяжелые металлы (стадия фильтрации технологии водоподготовки);
• разрушают остаточные стойкие комплексы железа, перманганата калия, сероводорода, антропогенные и природные органические вещества, сорбции продуктов озонирования, нитрифицируют аммонийный азот (стадия озонирования и сорбции).

Очищенная вода должна подвергаться дезинфекции. Для этого выполняют УФ-облучение, вводят малую дозу хлора, и только потом подают жидкость в водораспределительные сети.

Мнение эксперта

Как выбрать подходящую технологию водоподготовки

В.В. Дзюбо ,

д-р техн. наук, профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

С инженерной точки зрения проектировать технологии водоподготовки и составлять технологические схемы, по которым нужно приводить воду к питьевым стандартам, достаточно трудно. На определение метода обработки подземных вод как отдельного этапа при составлении общей технологии водоподготовки влияют качественный состав природных вод и требуемая глубина очистки.

Подземные воды в российских регионах различны. Именно от их состава зависят технологии водоподготовки и достижения соответствия воды питьевым нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы». От исходного качества и содержания питьевой воды также зависят используемые технологии водоподготовки, их сложность и, конечно, затраты на оборудование для очистки.

Как уже было отмечено, состав у вод различен. На его формирование влияют географические, климатические, геологические условия местности. К примеру, результаты природных исследований состава вод на разных территориях Сибири свидетельствуют о том, что они в разные сезоны обладают разными характеристиками, поскольку их питание в зависимости от времени года меняется.

Когда нарушаются условия отбора подземных вод из водоносных горизонтов, происходит переток вод из соседствующих горизонтов, что также воздействует на изменение характеристик, качественный состав жидкостей.

Поскольку от характеристик вод зависит выбор той или иной технологии водоподготовки, необходимо детально и полно анализировать их состав, чтобы выбирать менее затратный и наиболее эффективный вариант.

Получить чистую воду дома или на крупном производственном предприятии сегодня можно самыми разными способами. Благодаря развитию науки и техники, потребителю доступны, как химические, так и физические варианты получения не только умягченной воды, но еще и абсолютно очищенной. Основные методы водоподготовки потому и требуют изучения, ведь в знаниях сила

Метод водоподготовки: обеззараживание

Всегда противопоставляются домашние варианты получить очищенную воду и промышленные. Конечно, с нынешним развитием домашние варианты конкуренцию не выдерживают. Но некоторые слои населения продолжают их использовать, ориентируясь на их дешевизну. Все таки покупать отдельную на первый взгляд кажется дорогим удовольствием. Всегда проще проводить профилактику. Но как показывает практика, основные методы водоподготовки давно себя уже изжили.

Ниже в таблице представлены все методы, которые можно применить для обеззараживания воды или устранения последствий жесткости в домашних условиях.

У домашних методов обеззараживания воды есть один значительный недостаток, в большинстве случаев они борются не с причиной, а с последствиями. Это лучше всего прослеживается на примере мягкости. Вода, как известно в центральном водоснабжении жесткая, и о том, чтобы довести ее до нужного уровня, может позаботиться только сам потребитель.

Ему подвластны только наличные средства. Так обработка с лимонной кислотой помогает размягчить образовавшийся легкий налет на стенках оборудования. И то при условии, что он небольшой. В случае, если накипь уже застаявшаяся, то лимонная кислота или тот же уксус или эссенция уже не помогут. То есть какого-то вещества подручного и удобного, способного именно умягчить воду, а не устранить уже образовавшуюся накипь, нет. И значит домашние средства здесь точно не помощники. Жесткость, тем не менее, одна из важнейших причин применения умягчающих и очищающих установок. Ведь центральное водоснабжение мало когда обеспокоится степенью известковости воды, подаваемой конечному потребителю.

Тем не менее, оставить состояние воды без внимания тоже нельзя. Грозит это очень неприятными последствиями. Причем, почему нужно устранить твердый мусор, или соли железа, человек понимает, а вот чем так опасна и вредна жесткость не всегда. Это главная причина не должного внимания всем . Только в промышленности уже давно оценили степень вреда от накипи, и устраняют ее регулярно и стремятся устанавливать умягчающие системы.

Есть несколько причин, по которым обычный потребитель должен обеспечить себя и свою семью мягкой водой:

• Она полезная;
• Она экономичная;
• Она не портит бытовые приборы

Набор методов стандартный, но действенный. Если потребитель начнет пользоваться мягкой водой, он очень скоро поймет, как много он сэкономил. Сама по себе жесткая вода плохо растворяет моющие средства. Из-за этого и средств идет в разы больше. И самой воды. Качество стирки разительно уменьшается. За примерами не надо далеко ходить. Каждый видел разводы на одежде после стирки. Вот это все работа известковой воды.

Но хуже всего то, что сама по себе образованная такой водой накипь работает, как качественный теплоизолятор. При этом оседает она на нагреваемых поверхностях и нагревательных элементах. Что получается в результате? Весьма плачевные последствия. Накипь покрывает поверхности и тепло не уходит в воду. Точнее уходит, но не более 15 процентов от общего количества. Но по закону сохранения, бесследно исчезнуть она не может. Вот она и остается внутри поверхностей, которые раскаляясь, плавятся или разрываются. Потому легковесно относиться к обеззараживанию в домашних условиях точно нельзя. Есть риск остаться без всего набора бытовых приборов. И, как правило, самым первым от таких последствий страдает чайник. Только вот потребители больше грешат, на некачественного производителя. И только когда из строя выходит стиральная машинка или бойлер, люди начинают задумываться о приобретении установок обеззараживания в квартиру.

В промышленности все обстоит по-другому. Любая отопительная сеть, котельная зависят от качества воды. И легкий налет накипи может уничтожить все усилия по обеспечению горячей водой и отоплению. Да и небольшая накипь в состоянии привести к поломке котла. А это не стиральная машинка. Это огромные деньги. Пока не было различных фильтров для обеззараживания, в этой сфере массово использовали чистки и промывки. Но они не отличались высокой эффективностью. Ведь сколько поверхность не очищай, целее она от этого не становится. Потому при появлении различных умягчающих методов все отрасли промышленности старались перейти на их использование, если хватало ассигнований.

Методы водоподготовки в современных реалиях

При таких недостатках и домашних методов водоподготовки и простых очистных ритуалов, применение других вариантов стало единственно возможным защитным механизмом от недостатков воды. Что сегодня массово и применяют. Хотя у любого метода есть свои недостатки и достоинства. Даже сферы применения у них несколько разные. Точнее, просто применение того или иного метода более рентабельно в определенной сфере. Так дорогой мембранный обратный осмос оправдывает себя при производстве питьевой воды. А электромагнитное облучение дает свой положительный эффект при работе с котельными.

Рассматривать современные имеет смысл в той же последовательности, как и расположение этапов водоподготовки. При первичном заборе воды и высокой степени ее загрязненности, очистка начнется с механического устранения всех твердых примесей, вплоть до песчинок. Сегодня этот метод представлен разными современными приборами, от простого косого грязевика, до навороченных и сложных промышленных механических грязеуловителей. Главной целью механической очистки является устранение любых твердых частиц, чтобы избежать быстрого износа и поломок оборудования, работающего с водой. Долговечность работы приборов зависит от характера загрязнений и от прочности фильтрующих сеток или же применяемого вида очистной засыпки.

После механической чистки наступает этап устранения специфических примесей. К ним относятся соли металлов, в том числе железистые соли и марганцевые. Суть метода водоподготовки состоит в том, чтобы из растворенных солей в воде сделать малорастворимые. Тогда они образуют осадок, и их легко можно будет отфильтровать. Для этого растворимые формы соли следует окислить. Для этого используют аэрацию или же для химических приборов берут другие более сильные химические окислители. Очень часто в качестве окислителя на данном этапе могут использовать марганцовку. Фильтрующие элементы выбирают самые разные, в зависимости от полученного осадка.

Еще один очень основной метод водоподготовки – умягчение , которое занимается устранением из воды солей кальция да магния. Для их устранения используют катионные смолы, мембраны или же магнитные силовые поля, усиленные электрическими импульсами. При работе со смолами, их обменная способность довольно быстро себя исчерпывает, и картриджи приходится менять. Или же восстанавливать, но тогда появляется проблема с утилизацией отходов.

При работе с мембранными приборами приходится решать проблемы с доочисткой. Мембранная обработка относится к тонкой очистке, и отправлять неподготовленную воду в такой прибор нельзя. Из-за этого он и стоит намного дороже, но дает практически дистиллированную воду.

Электромагнитная обработка помогает не просто воду умягчить, она помогает решить проблемы с отложением старых и новых залежей извести. При этом не требуется ни вмешательства человека. Ни использование каких-то дополнительных веществ. Для теплоэнергетики эти приборы стали незаменимыми, т.к. помогают держать поверхности оборудования в чистоте. Набирают популярность такие устройства и в быту.

Для устранения таких примесей, как запахи, муть и цвет более всего применяют обычный активированный уголь. Он также часто используется для получения воды питьевого назначения дома. Особенно, когда количество хлорки в воде зашкаливает.

Еще одна относится к устранению нитратов с помощью специально созданных анионитов, орбразованных обычной солью. Заменить этот процесс может тот же обратный осмос. Что при его дороговизне позволяет ему удерживать лидирующие позиции среди очистных методов. Ведь он устраняет практически сто процентов примесей.

И еще один метод крайне важный. Это дезинфекция, в воде недолжно быть вообще никаких бактерий и вирусов. Устранить их помогут либо химикаты, либо ультрафиолетовое облучение. Есть еще вариант озонирования, но из-за трудностей с производством его, он пока массово не используется, хотя без сомнения является лучшим с точки зрения экологической безопасности.