Технологические схемы очистки природных вод

Введение

Очистка природных вод и водоподготовка — комплекс физических, химических и биологических процессов для снижения содержания в воде вредных примесей и обогащения ее недостающими ингредиентами, чтобы сделать ее пригодной для хозяйственно-питьевого, промышленного или сельскохозяйственного использования. В поверхностных и подземных природных водах обычно присутствуют во взвешенном состоянии песчаные и глинистые частицы, ил, планктон, коллоиды органического и минерального происхождения, в том числе: гуматы, кремне-кислота, гидроксид трехвалентного железа; в истиннорастворимом состоянии — минеральные соли натрия, магния, кальция, фтора, двухвалентного железа, хлориды, сульфаты, бикарбонаты и др. В воде нередко присутствуют также антропогенные загрязнения: соединения азота, фосфора, нефтепродукты, пестициды, СПАВ, токсичные вещества: мышьяк, стронций, бериллий, тяжелые металлы. Обычно в воде обнаруживаются также бактерии и вирусы. Раствор, в воде газы — кислород, диоксид углерода, сероводород — интенсифицируют процессы коррозии металлич. трубопроводов и оборудования. После хлорирования цветных вод, а также вод, загрязненных нефтепродуктами и планктоном, образуются канцерогенные хлорорганические соединения. В ряде случаев в воде обнаруживается метан, что иногда является взрывоопасным. Для очистки природной воды применяют реагентные и безреагентные методы. Безреагентные с медленными фильтрами отличаются простотой устройства и эксплуатации, дают значит, меньше отходов, загрязняющих окружающую среду, но имеют ограничения по цветности и мутности исходной воды. Методы обработки воды с применением реагентов интенсивнее и эффективнее. С использованием реагентов фильтрование осуществляется со скоростью 5—15 м/ч и выше, без реагентов (медленное фильтрование) — 0,1—0,2 м/ч.

1. Водоподготовка воды

Водоподготовка воды - процесс очистки воды из природных источников и подготовки ее для нужд потребителей. Водоподготовка включает в себя следующие основные методы очистки воды:

• Обезжелезивание и деманганация - очистка воды от железа и марганца
• Осветление и сорбция - очистка воды от взвешенных частиц, хлора, органики
• Умягчение воды - удаление из воды солей жесткости, тяжелых металлов
• Аэрирование воды - отдув растворенных газов, предварительное окисление железа
• Озонирование воды - стерилизация воды, окисление органики, металлов, газов

Как правило, в систему водоподготовки включается несколько стадий очистки воды, в зависимости от исходных загрязнений и требований к качеству воды на выходе с фильтров. На первых стадиях очистки удаляются взвешенные вещества, железо, затем воду умягчают или обессоливают. Так как система водоподготовки сложное техническое решение, очень важным является грамотный подбор системы и настройка работы, иначе фильтры могут выйти из строя через небольшой промежуток времени. Области применения систем водоподготовки охватывают почти все сферы жизнедеятельности человека, а именно:

• Промышленная водоподготовка - приготовление воды для технологических процессов, массовых потребителей.
• Водоподготовка коттеджа - очистка воды из скважины, колодца, поселкового водопровода.
• Водоподготовка в квартиру - приготовление питьевой воды, очистка от хлора.
• Водоподготовка в офис - приготовление питьевой воды.
• Очистка воды для школ, детских садов и больниц - приготовление питьевой воды и там где требуется наличие чистой воды, а требования к качеству постоянно растут.

2. Безреагентные методы очистки природной воды

Основой безреагентных методов является предварительное аэрирование воды, которое может осуществляться различными способами, и последующее фильтрование через зернистую загрузку, например через кварцевый песок.

К известным в настоящее время безреагентным методам очистки воды относятся: упрощённая аэрация и фильтрование, глубокая аэрация, отстаивание и фильтрование, «сухая» фильтрация.

На сегодняшний день среди методов очистки воды наиболее широкое применение нашли упрощённая аэрация с последующим фильтрованием и «сухая» фильтрация. Однако каждый из этих методов имеет свои недостатки. Применение метода упрощенной аэрации с последующим фильтрованием затруднено при повышенных концентрациях железа в исходной воде, а также при наличии в подземной воде гумусовых веществ или других органических соединений, образующих трудноокисляемые органоминеральные железистые соединения, практически не извлекаемые из воды при ее очистке данным методом обезжелезивания. К недостаткам метода «сухой» фильтрации можно отнести повышенный расход электроэнергии в процессе водоочистки (по сравнению с методом упрощённой аэрации), необходимость постоянного контроля за водовоздушным соотношением, повышение коррозионности очищенной воды вследствие избыточной концентрации в ней непрореагировавшего кислорода.

При очистке подземных вод содержащих сероводород, в основном, применяется метод аэрации с последующим окислением. В основном в роли окислителя используется хлор. При этом одним из основных продуктов окисления сероводорода является коллоидная сера, придающая воде характерную мутность, устойчивую опалесценцию и неприятный вкус. Анализ современных технологий очистки сероводородных вод показывает, что в подавляющем большинстве случаев этап очистки сероводородных вод от коллоидной серы предлагается осуществлять методом контактного осветления на фильтровальных сооружениях, благодаря чему водоочистка водоподготовка будет проходить еще быстрее. Однако необходимость применения больших доз коагулянта приводит к образованию и накоплению в процессе очистки воды огромного количества серосодержащих осадков гидроксидов металлов, обработка и утилизация которых трудоёмкая и дорогостоящая. Кроме того, даже реагентная обработка такой воды коагулянтами не всегда обеспечивает надёжное, глубокое удаление коллоидной серы до требуемых нормативов очистки воды.

Реагентные методы очистки воды можно разделить на двухступенчатые (коагуляция — осветление — фильтрование) и одноступенчатые (контактная коагуляция — прямоточное фильтрование).

3.1 Двухступенчатая схема очистки

В основе очистки воды городского водоснабжения лежит двухступенчатая схема, в основе которой находится применение сернокислого алюминия и хлора. Аппаратное оформление двухступенчатой схемы очистки: смесители — камеры хлопьеобразования — отстойники (осветлители, флотаторы) — скорые фильтры.

Но с увеличением количества вредных примесей в воде, что связано с общей экологической ситуацией, данный способ очистки не справляется с поставленной задачей, именно поэтому к данной схеме следует добавить процедуру озонирования, сорбции и включить применение мембранных процессов.

Тогда процедура очистки воды в системах городского водоснабжения будет состоять из следующих этапов.

На подготовительном этапе следует провести озонирование, за счёт чего существенно сокращается уровень озона в воде и увеличивается эффект осветления, что немаловажно для процесса ультрафильтрации, которая проводится на завершающем этапе.

После проведения озонирования осуществляется коагуляция, в процессе которой регулируется величина показателя рН, затем проводится осветление воды на специальных аппаратах, после чего водная нагрузка увеличивается практически в два раза по сравнению с тонкослойным отстойником.

По завершении данного этапа, снова проводится озонирование воды, после чего проводится её фильтрация с использованием песчаных фильтров. Это основной этап в схеме очистки воды систем городского водоснабжения.

На завершающем этапе проводится ультрафильтрация, основанная на применении порошкообразного гранулированного угля, который способствует удалению болезнетворных микробов и вредных органических соединений, после чего осуществляется обеззараживание хлором. Без данного этапа вода не может считаться качественной и безвредной.

Все эти этапы позволяют сделать воду безопасной для использования в повседневной жизни, но, тем не менее, следует применять ещё и барьерный способ очистки воды собственными силами, основанный на применении фильтров, тем самым вода станет не только безопасной, но и полезной для здоровья.

3.2 Одноступенчатая схема очистки

Одноступенчатая схема прямоточного фильтрования включает коагуляцию — фильтрование. Коагуляция происходит непосредственно в фильтрующей загрузке. Аппаратное оформление: смесители — скорые фильтры. Область применения прямоточного фильтрования — невысокая мутность воды при дозе коагулянта до 20 мг/л. Ввиду эффективности контактной коагуляции при прямоточном фильтровании нормативная скорость фильтрования может достигать 25 м/ч (форсиров. 40 м/ч), экономия коагулянта — до 20%. Для маломутных высокоцветных вод нашел применение метод, включающий коагуляцию, крупно- и мелкозернистые фильтры. Конструкции смесителей обеспечивают практически мгновенное смешение реагентов с исходной водой. В отечественной практике успешно применяют фильтры с плавающей загрузкой, например, из пенополистирола, а также контактные осветлители. В качестве загрузки скорых фильтров используют песок, керамзит, антрацит, гранодиарит, габбро-диабаз, шунгизит, горелые породы, вулканич. шлаки, фосфорит, цеолит, дробленый гранит. Большое разнообразие фильтрующих материалов позволяет применять высокоэффективные многослойные фильтры. Обработка воды раствором коагулянта, подвергнутым магнитно-электрической активации, позволяет увеличить крупность взвешенных веществ и улучшить работу фильтров водопроводных станций. Обработку воды коагулянтами применяют для очистки воды от взвешенных веществ пестицидов, нефтепродуктов, снижения цветности и для интенсификации процесса реагентного умягчения воды.

Для коагуляции воды применяют следующие реагенты: сернокислый алюминий Al2(S04)3, хлорное железо FeCb, железный купорос FeSO<r7H20, оксихлорид алюминия А12(ОН)пС1б-п, алюминат натрия, который не снижает рН воды при гидролизе и поэтому не требуется дополнительное подщелачивания; анионные флокулянты — активная кремнекислота, по-лиакриламид; катионные флокулянты — ВА-2, ВПК-101 и ВПК-402 (полидиметилдиалиламмонийхлорид) и др., получившие распространение в отечеств, практике для очистки хозяйственно-питьевых вод. Для промышленного водоснабжения используют полиэтиленамин; известь (СаО), кальцинированная сода, едкий натрий (NaOH), применяемые для подщелачивания воды при недостаточной щелочности; гексаметафосфат натрия (NаРОз) и триполифосфат натрия NasP30io и др., используемые в качестве ингибитора коррозии. Для дезодорации питьевой воды, очистки от пестицидов, нефтепродуктов и органических веществ, в том числе хлорорганики, применяют гранулированный активный уголь для загрузки фильтров АГ-3, АГ-М, СКТ-6 марки А. Дозирование реагентов осуществляют особыми устройствами — дозаторами. Комплекс устройств, с помощью которых хранят, приготовляют и дозируют реагенты, называется реагентным хозяйством. Для очистки подземной воды от сероводорода, аммонийного азота, агрессивного диоксида углерода, а также снижения содержания метана, нефтепродуктов, фенолов, марганца, ПАВ, тяжелых металлов и органических веществ используют схему, включающую реактор биологического окисления, представляющий собой резервуар с гравийной или щебеночной загрузкой. Вода проходит снизу вверх через загрузку и при этом барботируется воздухом. После реактора вода направляется на скорые фильтры для очистки от активного ила и продуктов реакции.

Для улучшения качества воды, используемой для хозяйственно-бытовых целей, применяют фторирование и дефторирование воды. Заключительным этапом очистки воды является обеззараживание газообразным хлором, хлорной известью, гипохлоритом кальция или натрия и гипохлоритами, получеными путем электролиза непосредственно на станции в специальных электролизерах, озоном, ультрафиолетовыми лучами.

Вода, используемая в промышленности, подвергается обработке для устранения из нее раствора и взвешенных примесей, а также агрессивных газов (Ог, СОг, HfeS), предупреждения отложений в теплосиловом оборудовании, ухудшающих теплообмен, и снижения интенсивности коррозии внутренних поверхностей. Снижение содержания в воде свободного диоксида углерода называемого декарбонизацией.

Для снабжения городов вода забирается из поверхностных или подземных источников и подвергается очистке, часть ее (около 20—40%) направляется на водоподготовку для питания теплосиловых объектов. ТЭС и АЭС с тепловыми сетями обеспечиваются водой обычно от специального комплекса сооружений, включающего очистку и подготовку воды. Жесткость воды нормируется для теплоэнергетического оборудования всех видов, некоторых производственных процессов и для хозяйствено-питьевого использования. Снижение ее обеспечивается умягчением, для чего применяются как ионообменные так и реагентные методы. Прозрачность, содержание соединений железа и марганца — нормируемые показатели для хозяйствено-питьевого водоснабжения и добавочной воды для всех парогенераторов, ядерных ректоров, испарителей и тепловых сетей; цветность — для тепловых сетей открытого типа с водозабором у потребителей; содержание кремния — для парогенераторов высокого, сверхвысокого и сверхкритичного давления .

Для удаления грубодисперсных и коллоидных веществ осуществляется осветление. Эффективность осветления контролируется содержанием взвешенных веществ. Очистка воды от них происходит в отстойниках или специальных осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу вверх воды), в напорных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с загрузкой из зернистых материалов, а также во флотаторах, гидроциклонах и фильтрах намывных (напорных), которые позволяют добиться более глубокой очистки от взвешенных веществ.

Для устранения цветности воды, если она обусловлена гуминовыми соединениями, применяют коагуляцию солями алюминия (при рН около 5) или озонирование. Если причина цветности воды — соединения трехвалентного Fe, то ее устраняют при обезжелезивании.

Одна из основных задач при эксплуатации систем охлаждающей воды — предотвращение образования карбонатных отложений в теплообменных аппаратах и парогенераторах, которое вызывается распадом бикарбоната кальция и увеличением концентрации карбоната кальция, а также гидроксида магния. Одной из причин, вызывающих распад бикарбоната кальция, является недостаток растворенного в воде диоксида углерода. Чтобы предотвратить распад бикарбоната кальция, в воде поддерживают необходимую концентрацию растворенного диоксида углерода, т.е. равновесную концентрацию. На ТЭС недостаток диоксида углерода в охлаждающей воде восполняют обработкой ее дымовыми газами. Введение в воду диоксида углерода называется рекарбонизацией. Наряду с умягчением рекарбонизация служит для предотвращения образования карбонатных отложений.

Расход воды на собственные нужды станций очистки воды (промывные воды фильтров, воды от обезвоживания осадков сточных вод и т.д.) составляет 10—14% ее пропускной способности, станций умягчения — 20—30%. При повторном использовании воды расход сточной воды сокращается до 3—4 %.

В ходе проделанной работы были рассмотрены такие вопросы как: что такое водоподготовка воды , методы и схемы очистки природных вод от вредных веществ.

Данная тема не была раскрыта мною полностью. Но уже при проделанной работе можно сказать, что очень большое значение имеет мониторинг за состоянием воды, охрана и очистка питьевой воды.

В настоящее время разрабатываются все новые и новые методы очистки вод от вредных примесей. Конструируется множество дополнительных очистных приборов, таких как фильтрованные установки для домашнего использования. И, будем надеяться, что прогресс будет достигнут и мы придем к более рациональному использованию воды, хорошему качеству питьевой воды, а как следствие, и к снижению поломок бытовой техники, а также снижению болезней человека, связанных с потреблением воды низкого качества.

Используемая литература

1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2-е.  М.: Стройиздат, 1974 - 480 с.
2. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод.  М.: Издательство литературы по строительству, 1971 - 579 с
3. Орадовская А.Е., Лапшин Н.Н. Санитарная охрана водозаборов подземных вод.  М.: Недра, 1987 - 167 с.
4. Алексеев Л.С. Контроль качества воды: Учебник.  М.: ИНФРА-М, 2004 - 154 с.