Posobie-stomat-UMO

190

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ВОДОПОДГОТОВКИ.

(Очистка и обеззараживание воды)

Методы обработки воды в системе коммунального водоснабжения городов регламентированы Строительными нормами и правилами СНиП "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения".

Очистка воды.

Улучшение органолептических свойств воды достигается, главным образом, благодаря использованию методов осветления, обесцвечивания, дезодорации и аэрации.

Для осветления и обесцвечивания воды применяются методы коагуляции, отстаивания и фильтрации.

Коагуляция воды.

Коагулирование примесей воды - процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их слипания. Коагулирование (коагуляция) завершается образованием видимых невооруженным глазом хлопьев и выпадением их в осадок при отстаивании. В результате коагуляции вода становится прозрачнее, обесцвечивается.

Чаще всего природная вода имеет примеси в виде глины, гуминовых веществ – продуктов распада растений и других взвешенных веществ. Эти частицы при столкновении друг с другом или с частицами контактной массы обычно взаимно отталкиваются, так как обладают агрегативной устойчивостью (АУ). АУ большинства примесей воды обусловлена электростатическими силами отталкивания, т.е. электрическим зарядом за счет наличия вокруг частиц двойного электронного слоя, состоящего из противоположно заряженных ионов. Для обеспечения коагуляции необходимо нарушить АУ, т.е. свести заряд частицы до минимума. Поэтому в практике коммунального водоснабжения для снижения агрегативной устойчивости соединений воды применяются коагулянты.

Наиболее часто приоритет отдается сернокислому алюминию

(Al2(SO4)3•18H2O), сернокислому (FeSO2•7H2O) и хлорному (FeCl3•6H2O)

железу.

При растворении указанных реагентов в воде происходит их гидролиз с образованием труднорастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры, на которой сорбируются коллоидные частицы и грубые взвеси, оседающие на дно и осветляющие воду.

Химические реакции взаимодействия коагулянтов с водой выглядят следующим образом:

1.Использование сернокислого алюминия (глинозема):

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 ;

Al2(SO4)3 + 3Mg(HCO3)2 = 2Al(OH)3 + 3MgSO4+ 6CO2

2.Использование железного купороса (сернокислой закиси Fe):

FeSO4 + Ca(HCO3)2 = Fe(HCO3)2 + CaSO4

Наибольшее значение для эффективности процесса коагуляции имеет щелочность воды, т.е. содержание в воде карбонатов (СО3)2- и гидрокарбонатов (НСО3)-. Установлено, что для нормального течения

190

191

процесса коагуляции щелочность воды должна быть не менее 1,4-1,8 мгэкв/л. Если она ниже, на водопроводных станциях прибегают к подщелачиванию воды содой.

Низкая температура воды замедляет процесс хлопьеобразования, поэтому время коагуляции зимой больше, чем летом. Кроме того целесообразно использовать вместо сернокислого алюминия более тяжелые коагулянты: сернокислое железо и хлорное железо.

Для смешения коагулянтов с водой применяют специальные сооружения – смесители. После смешения воды и реагентов в специальных камерах осуществляется вторая стадия процесса коагуляции – хлопьеобразование. Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода находилась в камере от 10 до 40 минут при условии постоянного плавного перемешивания. Этим же целям служат отстойники, в которых хлопья коагулянта со взвешенными примесями под действием силы тяжести выпадают в осадок.

В процессе коагуляции вместе со взвешенными веществами в осадок увлекаются и микроорганизмы, что способствует обеззараживанию воды

Необходимое количество коагулянтат (рабочая доза) зависит от ряда факторов: солевого состава воды, величины ее рН, количества и характера взвешенных веществ в ней, температуры, химических свойств коагулянта и температурных условий проведения процесса. Поэтому доза коагулянта для вод разного состава не поддаётся теоретическому расчёту и должна устанавливаться путем опытного (пробного) коагулирования исходной воды в производственной лаборатории. Оптимальная доза коагулянта вызывает образование крупных, быстро оседающих хлопьев, и не дает опалесценции воды.

Удалить образовавшиеся в результате коагуляции хлопья можно как отстаиванием, так и фильтрацией.

Отстаивание воды.

На очистных сооружениях водопроводных станций для отстаивания воды используются специальные бассейны непрерывного действия – отстойники. За счет медленного движения воды в них происходит оседание взвешенных частиц. Применяются различные типы отстойников – горизонтальные, вертикальные (рис. 4).

Вертикальный отстойник представляет собой круглый резервуар с коническим дном, имеющим уклон к центру. Осветляемая вода подается по центральной трубе сверху вниз, протекает в собственно отстойник снизу вверх и после осветления переливается через бортик. Осадок скапливается в нижней части отстойника и периодически выпускается. Для выпадения частиц в осадок скорость движения воды должна быть меньше скорости осаждения частиц, что практически возможно только при ускорении осаждения частиц коагулянтом. Скорость движения воды в вертикальном отстойнике составляет 0,5-0,7 мм/с.

191

193

–металлические шлаки;

–вулканические шлаки;

–активированный уголь марок АУ-3, АУ-5, АУ-7, БАУ и др.

Фильтры зернистые (с зернистой загрузкой) классифицируются по ряду признаков:

По скорости фильтрования: медленные (0,1-0,3 м/ч), скорые (5-12 м/ч) и сверхскоростные (36-100 м/ч) (м3/ч – можно расшифровать как количество м3 воды, проходящее через м2 поверхности фильтра в час).

По крупности фильтрующего материала: мелкозернистые, среднезернистые и крупнозернистые.

По количеству фильтрующих слоев фильтры бывают однослойные, двухслойные и многослойные.

Медленный фильтр.

"Классическими" фильтрами из песка являются медленные фильтры, применяемые для не коагулированной воды (рис. 5).

Толщина фильтрующего слоя песка в таком фильтре 1-1,25 м, величина фракций песка возрастает сверху вниз. Скорость фильтрации воды в медленном фильтре составляет 0,1-0,3 м3/ч, что определяет его небольшую производительность (типовой проект на 800 м3/сут. при качестве исходной воды по содержанию взвешенных веществ не более 50 мг/л, цветности не более 50°).

В большинстве зернистых фильтров поры фильтрующего материала оказываются больше диаметра взвесей, но вода при этом осветляется. Объясняется это процессом "заиливания", когда на поверхности фильтрующего материала и в некоторой глубине его (1-2 см) постепенно создается добавочный фильтрующий слой, имеющий более мелкие поры, чем фильтрующая среда. Этот слой образуется за счет крупных взвесей, оседающих на поверхность собственно фильтра и проникающих в его глубину.

Процесс образования фильтрующего слоя называется созреванием фильтра. Созревание фильтра ведет к образованию такого слоя, который

193

194

задерживает не только взвешенные вещества, но и микроорганизмы, в этом слое окисляются продукты распада органических веществ (аммиака, азотистой кислоты и др.). Поэтому такой фильтрующий слой называют биологической пленкой, она может образовываться только в медленных фильтрах. Биологическая пленка способствует процессам очистки воды. Фильтр работает без промывки в течение 1-2 месяцев, в конце этого срока его подвергаются радикальной очистке путем замены верхнего слоя песка толщиной 1-2 см. Эффективность работы фильтра достаточно высокая: цветность воды снижается на 50%, мутность – на 100%, количество бактерий кишечной палочки уменьшается на 99,7%.

Скорый фильтр.

Широкое применение в практике очистки питьевой воды также получили скорые фильтры, применяющиеся для конечного осветления воды после коагуляции и отстаивания (Рис. 6).

Вода в скором фильтре проходит сверху вниз через фильтрующий и поддерживающий гравийные слои, которые имеют толщину 0,7 и 0,65 м соответственно. Размеры фракций песка увеличиваются сверху вниз. Скорость фильтрации на скорых фильтрах составляет 6-8 м/ч, промывка проводится примерно через 8 часов обратным током воды. Эффективность работы скорых фильтров по снижению бактериального загрязнения по сравнению с медленными значительно ниже. Но при условии применения коагулянтов, эффект осветления получается достаточно высокий даже при увеличении скорости фильтрации до максимальной

1. Песчано-гравийная засыпка; 2. Подача загрязнённой воды на фильтр; 3. Ток воды при фильтрации; 4. Отбор очищенной воды; 5. Подача промывной воды; 6. Ток промывной воды; 7. Сброс промывной воды.

194

195

Разнообразие применяемых методов обработки воды позволяет в каждом конкретном случае выбрать наиболее эффективный метод осветления и обесцвечивания воды.

Дезодорация воды – устранение привкусов и запахов воды, вызываемых наличием в воде сероводорода, аммиака, меркаптанов и т.д.

Для устранения запахов, обусловленных наличием в воде самых различных органических веществ, являющихся продуктами жизнедеятельности или распада микроорганизмов, водорослей, используются различные модификации метода хлорирования воды, сорбционное фильтрование, углевание, аэрирование, озонирование, обработку воды перманганатом калия, перекисью водорода и комбинации этих методов.

Так, например, доза перманганата калия для дезодорации составляет 0,1-0,5 мг/л. Сорбционное фильтрование путем пропускания воды через фильтр, загруженный активированным углем, применяют для дезодорации воды как отдельный метод обработки, либо как заключительный этап после обработки воды хлором. При этом требуется 0,05-0,15 м3 активированного угля на 1 м3/час фильтруемой воды.

Вместо сорбционного фильтрования может применяться углевание воды, т.е. введение в воду порошкообразного высокоактивированного угля до, после или одновременно с добавлением коагулянта, а также до или после хлорирования. Во многих случаях лучшим методом дезодорации воды является озонирование. При использовании этого метода для обеззараживания воды одновременно улучшаются ее органолептические свойства.

Метод аэрирования воды является экологически чистым и экономически выгодным способом дезодорации питьевой воды. Но в последнее время данный способ, наряду с использованием химических способов окисления, используется для борьбы с повышенным содержанием железа, марганца и др. металлов. Принцип метода основывается на окислении растворимых двухвалентных форм металлов в труднораствориые трёх- и четырёхвалентные.

МЕТОДЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Одной из основных задач водоснабжения является создание барьера на пути возможной передачи инфекционных агентов через воду путем ее обеззараживания.

Все методы обеззараживания делятся на два группы: безреагентные и реагентные.

Кбезреагентным методам относят кипячение, воздействие ультразвуком, токами высокой частоты, -лучами, ультрафиолетовыми лучами и др.

Креагентным методам обеззараживания относят хлорирование (нормальными дозами, перехпорирование, двойное хлорирование, хлорирование с предварительной аммонизацией и т.д.), озонирование, использование ионов серебра и некоторых других химических соединений

195

196

являющихся сильными окислителями(перманганат калия, перекись водорода и т.д.).

Рассмотри некоторые из указанных способов обеззараживания, получивших наибольшее распространение в практике водоподготовки.

Хлорирование.

Современная технология обеззараживания воды позволяет осуществлять хлорирование воды газообразным хлором или веществами, содержащими активный хлор: хлорной известью, гипохлоритом Са, хлораминами, двуокисью хлора и другими. В последние годы хлорирование воды получило новые перспективы в связи с разработкой электролитического способа производства хлора непосредственно на водопроводных станциях путем прямого электролиза. В результате этого отпали трудности, связанные с транспортировкой и хранением больших количеств жидкого хлора.

Преимуществом хлорирования является его высокая бактерицидность, простота технологии и контроля эффективности обеззараживания, экономичность и наличие пролонгированного механизма действия.

Чистый газообразный хлор применяется для обеззараживания воды на крупных городских водопроводах. На малых водопроводных станциях используются порошкообразные хлорсодержащие препараты.

При растворении хлорной извести и его препаратов в воде образуется хлорноватистая (или гипохлоритная) кислота:

Cl2 + H2O = HCl + HСlO.

Хлорноватистая кислота далее диссоциирует с образованием иона водорода и иона хлорноватистой кислоты: HClO = H+ + ClO-

Таким образом, при хлорировании воды на микроорганизмы могут действовать свободный хлор, хлорноватистая кислота и ее анион, объединяемые в понятие "активный хлор".

Механизм действия активного хлора на микробную клетку неясен. Считается, что хлор инактивирует ферменты, в результате чего прекращается окисление углеводов в клетке, что ведет к ее гибели.

Хлорная известь представляет собой серовато-белый порошок, обладающий специфическим запахом хлора и получаемый путем насыщения гашеной извести газообразным хлором:

2Ca(OH)2 + 2Cl2 = [Ca(OCl)2•СaCl2•2H2O]

Гашеная известь вместе с другими примесями представляет труднорастворимую часть. При взаимодействии с водой активная часть хлорной извести гидролизуется по уравнению:

2Сa(OCl)2 + 2H2O = 2Ca++ + 2Cl-+2OH-+2ClO-+2H+

Хлорная известь является нестойким веществом. При хранении ее в тепле или на свету, при доступе влаги, воздуха и углекислоты она разлагается, теряя основное действующее начало – хлор. Потери хлора, в зависимости от условий хранения, колеблются от 0,5 до 3% в месяц. Свеже выпущенная заводская хлорная известь содержит до 35% активного хлора.

196

197

Для целей хлорирования воды разрешается использовать хлорную известь с активностью не ниже 20%.

К числу более концентрированных хлорсодержащих препаратов относится двутретиосновная соль гипохлорита кальция (ДТСГК), которая имеет содержание активного хлора до 60% и обладает хорошей растворимостью в воде. Однако, как и хлорная известь, ДТСГК является нестойким веществом и разрушается в процессе хранения.

В последние годы испытываются установки для получения гипохлорита натрия путем электролиза растворов хлористого натрия.

Эффективность обеззараживания воды хлором определяется:

концентрацией хлора, т.е. правильным выбором его дозы;

достаточным временем действия хлора в воде, т.е. временем контакта;

физико-химическими свойствами воды;

степенью обсеменения воды микроорганизмами и их видами.

Чем выше концентрация в воде хлора и длительнее время контакта, тем выше бактерицидный эффект.

Активный хлор расходуется в воде на окисление не только микроорганизмов, но и растворенных и взвешенных веществ. В связи с этим для правильного выбора дозы хлора необходимо определить хлорпотребность воды.

Хлорпотребность воды зависит от химического состава и физических свойств воды. Если для обработки чистой прозрачной воды требуется незначительное количество хлора (до 1 мг/л), то мутная, содержащая значительное количество органических веществ и микробов вода нуждается в большей дозировке (до 5 мг/л) активного хлора.

Показателем достаточности дозы хлора принято считать так называемый остаточный хлор. Фактически это тот избыток хлора, который остался после связывания в воде органических и неорганических веществ, определяющих хлорпоглощаемость за контактный период.

Наряду со свободными формами хлора (Cl2, HClO, ClO-), в воде может находиться связанный хлор монохлорамина (NH2Cl), дихлорамина (NHCl2), трихлорамина (NCl3) и соединений органических хлораминов. Бактерицидное действие их во много раз меньше, чем свободного, но действуют они более длительно. Это обстоятельство используется в практике коммунального водоснабжения для обеспечения обеззараживающего эффекта на значительном удалении от станции водоочистки. Для этого применяют хлорирование с преаммонизацией, т.е. до введения хлора в воду добавляют гидрат аммония (NH4OH) в соотношении 1 часть последнего на 3- 4 весовые части активного хлора. Такой способ полезен для условий длительного хранения воды.

Содержание свободного остаточного хлора должно находиться в пределах 0,3-0,5 мг/л, в этом случае вода оказывается надежно обеззараженной.

197

198

1.Хлорирование воды нормальными дозами, т.е. исходя из хлорпотребности воды. Этот способ является наиболее распространенным в практике коммунального водоснабжения. Сущность его заключается, как указывалось выше, в выборе такой дозы активного хлора, которая после 30минутного контакта летом и 2-часового зимой обеспечивает наличие в воде 0,3-0,5 мг/л свободного или 0,8-1,2 мг/л связанного остаточного хлора. При таком способе хлорирования вода может употребляться без последующего дехлорирования.

Методика выбора нормальных доз хлора в практике получила название "трехстаканной пробы".

В три стакана наливают по 200 мл воды, подлежащей хлорированию и

вних вносятся различные дозы хлора. При этом выбирают стакан, в котором содержание остаточного хлора после 30-минутного контакта с водой оказывается равным нормативу (0,3-0,5 мг/л), и для хлорирования всего объема воды берут дозу хлора соответственно выбранному стакану.

При отсутствии возможности опытного определения хлорпотребности дозу хлора принимают для обеззараживания поверхностных вод 2-3 мг/л, для подземных 0,7-1,0 мг/л.

2.Хлорирование большими (избыточными) дозами, или перехлорирование воды. Этот способ используется в военно-полевых условиях. В воду вносится повышенное количество активного хлора, значительно превышающее ее хлорпоглощаемость. Дозу активного хлора выбирают в зависимости от физических свойств воды (мутности, цветности), эпидемической обстановки и т.д. Дозы могут находиться в пределах от 5 до 30 мг/л. При перехлорировании время контакта хлора с водой можно уменьшить до 20 минут.

Избыток хлора, оставшийся по окончании процесса обеззараживания и мешающий употреблению этой воды для питья, устраняется введением в

воду определенного количества гипосульфита (тиосульфата) натрия или фильтрацией воды через активированный уголь. Расчет показал, что на 1 мг хлора требуется 3,5 мг гипосульфита натрия.

Хлорирование жидким хлором является наиболее широко применяемым методом обеззараживания воды на средних и крупных водоочистных станциях.

Рисунок 8.

Схема установки для хлорирования воды газообразным хлором.

198

199

Ввиду малой растворимости жидкого хлора поступающий реагент предварительно испаряется. Затем хлор-газ растворяют в малом количестве воды, получаемую хлорную воду перемешивают с обрабатываемой водой. Дозировка хлора происходит в фазе газообразного вещества, соответствующие газодозаторы называются хлораторами (рис. 8).

Хлорирование воды прямым электролизом.

Для электролитического изготовления бактерицидного хлора можно использовать хлоридные ионы, имеющиеся в самой природной воде. Метод называется прямым электролизом, разработана соответствующая установка “Поток”. Применение установки возможно при содержании в воде хлоридов не менее 20 мг/л и общей жесткости не более 7 мг-экв/л. В случае недостаточного содержания в воде хлоридов, возможно их увеличение за счёт внесения NaCl.

Установка “Поток” состоит из вертикального электролизера, который на фланцах присоединяется к трубопроводу обрабатываемой воды. Движение воды – снизу вверх. Кроме того имеется блок питания и замкнутая система кислоты (3%-ный раствор НС1), предназначенная для смыва с электродов карбонатной пленки. В систему входят бак и кислотостойкий насос. Размеры электролизера 940х815х1590 мм, номинальная мощность 7,6 кВт-ч, производительность 15...150 м3/ч.

Озонирование воды

Озон (О3) – более сильный окислитель, чем диоксид хлора или свободный хлор. В природе озон образуется из кислорода в верхних слоях атмосферы под действием солнечной радиации. Растворимость Оз в воде при 0°С и атмосферном давлении составляет 1,09 г/л и быстро снижается с повышением температуры – при 60°С она практически равняется нулю. Синтетическим путем озон получают при коронном (тихом) разряде, который образуется в узком слое воздуха между электродами высокого напряжения (5-29 кВ) при атмосферном давлении. Соответствующие аппараты называются генераторами озона или озонаторами. Установка для озонирования воды приведена на рис. 9.

На практике применяют озонаторы двух типов с пластинчатыми электродами и цилиндрические озонаторы с трубчатыми электродами.

Озонирование воздуха происходит в пространстве между промежуточными электродами и заземленным элетродом озонатора, при подачи высоковольтных импульсов напряжения от генератора питания на высоковольтный электрод.

По трубопроводу из скважины исходная вода подается на вход озонатора. Вход воды в озонаторе соединен с полостью цилиндрического заземленного электрода с форсункой на выходе. Через форсунку вода поступает в водовоздушный эжекторный насос, который прокачивает воздух из атмосферы через разрядную камеру, где генерируется озон. Озоновоздушная смесь из пространства между промежуточными электродами и заземленным электродом поступает в камеру смешения водовоздушного эжектроного насоса, где происходит смешение

199