Методы обработки природных вод

Необходимость обработки воды возникает тогда, когда качество воды природных источников не удовлетворяет необходимые требования. Такое несоответствие может быть временной или постоянной. Характер и степень несоответствия качества воды источника требованиям пользователя предопределяет выбор методов обработки. Если при этом могут быть использованы различные методы очистки, то выбор их производится на основе технико-экономических расчетов.

Различают следующие понятия: более широкое - водоочистки и уже - водопидготування. Водоочистка - это комплекс технологических процессов, направленных на доведение качества воды, поступающей в водопровод из источника водоснабжения, до установленных показателей. Водопидготування - это обработка воды, поступающей из природного источника поставки для питания паровых котлов и других технологических целей. Водопидготування производится на ТЭС, транспорте, в коммунальном хозяйстве, на промышленных предприятиях.

Все примеси, загрязняющие водоемы, делятся на четыре группы (по классификации Л.А. Кульского).

К I группы примесей воды относятся взвешенные в воде вещества. Сюда следует отнести также бактериальные взвешенные вещества и другие биологические образования. Удаление этих примесей, то есть освещение (увеличение прозрачности) воды, может быть достигнуто путем использования безагрегатних методов.

II группа примесей воды - различные типы гидрофильных и гидрофобных систем, высокомолекулярные вещества и детергенты - может удаляться из воды с помощью различных методов и технологических приемов. Так, используется обработка воды хлором, озоном и другими окислителями. При этом снижается цветность воды, уничтожаются микроорганизмы, разрушаются гидрофильные коллоиды, что создает благоприятные условия для последующего свертывания, ускоряется процесс образования хлопьев и осадка.

Для III группы примесей, которые являются молекулярными растворами, наиболее эффективными являются такие процессы их извлечения из воды, как: коригрування; окисление; адсорбция.

К IV группы примесей, которые являются электролитами, технология очистки воды сводится к связыванию ионов в мало растворимые и мало диссоциированные соединения с помощью прилагаемых в воду реагентов.

Технология очистки воды предусматривает процессы, связанные с корректировкой ее физических и химических свойств, а также процессы обеззараживания (освобождение от патогенных бактерий и микроорганизмов). Согласно механические, химические, физические и физико-химические процессы, используемые для подготовки воды, можно разделить на две группы.

К первой группе (связанной с корректировкой физических и химических свойств воды) относятся процессы, которые позволяют провести освещение, устранить из воды нежелательные привкусы и запахи, агрессивные газы, железо, марганец, кремниевую кислоту и тому подобное.

Вторая группа объединяет процессы обеззараживания воды, которые являются обязательными при санитарной ненадежности источника, используется для хозяйственных целей.

Для осветления воды в зависимости от желаемой степени увеличения прозрачности могут использоваться следующие способы:

- Отстаивание воды в отстойниках;

- Центрифугирование в гидроциклонах;

- Пропускание воды через слой ранее образованного зависшего осадка;

- Флотування во флотатор. Флотация-процесс молекулярного прилипания частиц загрязнений к поверхности раздела двух фаз (вода - воздух, вода - твердое вещество). Процесс очистки от поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, волокнистых материалов флотацией заключается в образовании системы "частицы загрязнений - пузырьки воздуха", что всплывает на поверхность и утилизируется. По принципу действия флотационные установки классифицируются следующим образом: флотация с мехничним диспергированием воздуха; флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация; биологическая флотация;

- Фильтрование воды через слой зернистого или порошкообразного фильтрующего материала в фильтрах или фильтрованием через сетки и ткани. Современные фильтры в зависимости от фильтрующего материала можно разделить на две группы: тонкостенные фильтры и зернистые фильтры.

Существует два вида фильтрации - пленочное и объемное. В первом примеси задерживаются на поверхности фильтрующего материала. При объемном фильтровании примеси задерживаются внутри фильтрующего слоя в порах материала, по этому принципу работают скоростные и сверхскоростные зернистые фильтры. При определенных условиях в зернистых фильтрах имеет место комбинированное фильтрации, когда часть примесей задерживается на поверхности, часть - в порах. Зернистые фильтры широко применяют для подготовки технических и оборотных вод, они незаменимы на водоочистных станциях хозяйственно-питьевого назначения для осветления и обесцвечивания поверхностных вод, а также для знезализення подземных вод;

- Обратный осмос (гиперфильтрация) - процесс фильтрации питьевой воды через полупроницаемые мембраны под давлением;

- Ультрафильтрация - мембрана процесс распределения растворов, осмотическое давление которых мал. Применяется для очистки питьевой воды от високомалекулярних веществ, взвешенных частиц и коллоидов;

- Электродиализа - процесс сепарации ионов солей в мембранном аппарате, который осуществляется под воздействием постоянного электрического чтруму. Электродиализ применяется для деминерализации питьевой воды. Основным оборудованием является Электродиализатор, состоящие из катионитовых и анионитовых мембран;

- Химическая очистка используется как самостоятельный метод или как предварительный физико - химическим и биологическим очищением. Его используют для снижения коррозионной активности питьевой воды, удаления из них тяжелых металлов, очистки стоков гальванических участков, для окисленных сероводорода и органических веществ, для дизинфекции воды и ее обесцвечивание;

- Нейтрализация применяется для очистки стоков гальванических травильных и других производств, где применяются кислоты и щелочи.

Нужный эффект увеличения прозрачности воды в отстойниках, осветлителях и на фильтровальных аппаратах с зернистым фильтрующим материалом может быть достигнут коагуляцией примесей воды в целях интенсификации процесса, т.е. влиянием солей многовалентных металлов. При этом одновременно происходит значительное обесцвечивание воды.

Обесцвечивание воды - изъятие окрашенных коллоидов или настоящих растворенных веществ - достигают коагуляцией, флокуляцией, напорной флотацией, применением различных окислителей (хлора и его производных, озона, перманганата калия) и сорбентов (активного угля).

Коагуляция - процесс соединения мелких частиц загрязнителей в больше помощи коагулянтов. Для положительно зарядок частиц Коагулирующее ионами являются анионы, а для отрицательно заряженных - катионы. Коагулянтами является известковое молоко, соли алюминия, железа, магния, цинка, сернокислого газа и т.п.. Коагулирующее способность солей трехвалентных металлов в десятки раз выше, чем двовалентих и в тысячу раз больше, чем одновалентных.

Флокуляция - процесс агрегации мелких частиц загрязнителей в воде за счет образования мостиков между ними и Малекула флокулянтов. Флокулянтами является активная кремниевая кислота, эфиры, крахмал, целлюлоза, синтетические органические полимеры.

Для осветления воды одновременно используются кроагулянты и флокулянты, например, сернокислый алюминий и полиакриламид. Коагуляция и флокуляция здиснюеться в специальных емкостях и камерах.

При очистке воды используется и электрокоагуляция - процесс укрупнения частиц загрязнителей под действием постоянного электрического тока.

Сорбция - процесс поглощения загрязнений твердыми и жидкими сорбентами (активированных углей, золой, мелким коксом, торфом, селикагелем, активной глиной и т.п.). Адсорбционные свойства сорбентов зависит от структуры пор, их велечины, распределения по размерам, природы образования.

После механических, химических и физико - химических методов очистки в питьевой воды могут находиться различные вирусы и бактерии (дизентирийни бактерии, холерный вибрион, возбудители брюшного тифа, вирус полиомиелита, вирус гепатита, цитпатогенний вирус, аденовирус, вирусы, вызывающие заболевания глаз). Поэтому с целью предотвращения заболеваний питьевую воду перед использованием для бытовых нужд подвергают обеззараживанию.

Для обеззараживания воды применяют химические (хлорирование, озонирование, использование олигодинамичнои действия серебра) и физические (кипячение, ультрафиолетовое облучение) методы.

Наиболее простым, надежным и широко распространенным методом обеззараживания воды является ее хлорирование, в нашей стране хлорирования воды начали применять с 1908 года.

Хлорирование воды происходит газообразным Cl, или веществами, содержащими активный Cl: хлорная известь, хлорит, диоксид хлора. Бактерицидный эффект хлорирования определяется в основном влиянием на протоплазму бактерий недиссоциированных молекулы хлорноватистой кислоты. Однако, несмотря на эффективность в отношении патогенных бактерий, хлорирование не обеспечивает эпидемической безопасности в отношении вирусов. Также отрицательным свойством данного метода является образование хлорорганические сообщений и хлораминов.

В результате проведенных за последние 10 лет исследований было установлено, что в воде могут присутствовать токсичные легкие галогенорганических соединения (ЛГС). Это в основном соединения, относящиеся к группе тригалогенметанов (ТГМ): хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан, бромоформ и другие, которые обладают канцерогенным и мутагенным активность.

Медиками выявлена ??взаимосвязь между количеством онкологических заболеваний и потреблением населением хлорированной воды, которая содержала галогенорганических соединения.

В концепции улучшения качества питьевой воды в Украине, которая была создана в соответствии с принятой Правительством в 1991 г. научно-социальной программе «Питьевая вода», предусмотрена разработка и внедрение современных технологий получения качественной питьевой воды с использованием N2, H2O2, что исключает применение хлора в технологии очистки и предотвращает образование высокотоксичных хлорорганических соединений.

Окисление применяется для обеззараживания питьевой воды от токсичных примесей (медь, цинк, сероводород, сульфиды), а также от органических соединений. Окислителя является хлор, азот, кислород, хлорная известь, гипохлорид кальция и т.д..

Одной из альтернатив процесса хлорирования воды является ее обеззараживание с помощью озона. Озон является универсальным реагентом, поскольку может быть использован для обеззараживания, обесцвечивания, дезодорации воды, для удаления железа и марганца. Озон разрушает соединения, не подчиняющиеся воздействию хлора (фенолы), не прибавляет воде запаха и привкуса. Из позиции гигиены озонирование является одним из лучших способов обеззараживания воды. Вода при этом не обогащается дополнительными примесями. Остаточный неиспользованный озон через короткий промежуток времени распадается и превращается в кислород.

Но у данного метода также существуют минусы: побочные продукты озонирования - альдегиды (формальдегид) и кетоны, а также сложность и дороговизна производства озона и постоянный контроль со стороны человека по производству озона. Надо отметить, что озонирование воды является ответственным технологическим процессом, который требует больших затрат электроэнергии, применения сложных приборов и высококвалифицированного технадзора, поскольку концентрированный озон - ядовитый газ. Это в определенной степени является сдерживающим фактором для его широкого применения.

Обеззараживание воды ионами серебра даже в малых концентрациях имеет свойство уничтожать микроорганизмы, объясняется способностью его ионов разрушать протоплазму микроорганизмов.

«Серебряная вода», которая готовится электролитическим растворением, имеет высокие бактерицидные свойства и с успехом может быть использована для очистки воды от вредных микроорганизмов, дезинфекции и консервирования пищевых продуктов, для лечебных целей и т.д.. Благодаря мизерным дозам серебра она вовсе не вредной.

Одним из наиболее эффективных методов обеззараживания (микробиологической очистки) воды является ультрафиолетовое (УФ) облучение. Ультрафиолетовые лучи влияет на белковые молекулы и ферменты цитоплазмы клеток. Обеззараживанию ультрафиолетовыми лучами лучше всего поддается очищенная прозрачная вода, цветность которой не превышает 20 °, поскольку взвешенные и коллоидные частицы рассеивают свет и мешают проникновению ультрафиолетовых лучей.

Источниками ультрафиолетового излучения является ртутные лампы, изготовленные из кварцевого стекла (поскольку обычное стекло не пропускает ультрафиолетовую радиацию). Под действием электрического тока ртутные пары дают яркое зеленовато-белый свет, богато ультрафиолетовые лучи. Существуют два основных вида аппаратов для облучения: аппараты с погруженными и непогруженном источниками ультрафиолетовых лучей.

Ультрафиолетовое облучение действует мгновенно, в то же время излучение не придает воде остаточных бактерицидных свойств, а также запаха и привкуса. Обработка воды УФ - излучением не приводит к образованию вредных побочных химических соединений (в отличие от обработки химическими реагентами, в т.ч. хлором, хлорамина, озоном). УФ - обеззараживания высокоэффективное течение всех периодов года, в т.ч. в паводок и особенно зимой, когда эффективность хлорирования резко снижается. Бактерицидное установка не нуждается в реагентах.

Данные большого числа исследований показывают, что дозы УФ для уничтожения бактерий и вирусов отличаются незначительно, в то время как при обеззараживании хлором эти дозы различаются в 50 раз, а фильтры для вирусов, как правило, просто "прозрачные".

Обеззараживание воды ультразвуковыми волнами. Единой теории, объясняющей совершенную бактерицидное действие ультразвука, в настоящее время нет. Наиболее вероятна гипотеза, объясняющая действие ультразвука на бактерии в воде явлением кавитации, т.е. образованием в жидкости полости и пузырьков, мгновенное «закрывания» которых повышает давление до десятков тысяч атмосфер. До сегодняшнего времени исследования ультразвуковых волн с целью использования их в практике на отечественных водопроводах не получилось из стадии экспериментов. За рубежом существуют промышленные установки.

Термическое обеззараживание. Термический метод обеззараживания применяется для небольших объемов воды. Этим методом пользуются в бытовых условиях, в санаториях, в больницах, на судах, в поездах. Обеззараживание достигается 5-10 минутным кипячением. Термический метод обеззараживания воды не нашел применение даже на малых водопроводах из-за его высокой стоимости, связанной с большими затратами топлива, и из-за малой производительности установок.

Для водоснабжения предприятий применяют специфические меры: например, для водоснабжения электростанций, предприятий химической промышленности, текстильной и других применяют смягчения воды, т.е. снижают ее жесткость. Для водоснабжения предприятий радиохимической и химической промышленности воду подвергают глубокому обессоливанию и снижают окисляемость (изымают органические вещества). При использовании для целей водоснабжения соленой (морской) воды ее опресняют, а иногда и обессоливают.