5896

1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, Л.А. Карпова, Н.И. Корочкина, Е.В. Воробьева

ВОДОПОДГОТОВКА

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Водоподготовка» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений населенных пунктов

Нижний Новгород

2016

2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, Л.А. Карпова, Н.И. Корочкина, Е.В. Воробьева

ВОДОПОДГОТОВКА

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Водоподготовка» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений населенных пунктов

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

3

УДК 628.16

Васильев А.Л. / Водоподготовка [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / А.Л. Васильев, Л.А. Карпова, Н.И. Корочкина, Е.В. Воробьева; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 41 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

В пособии даются рекомендации к проведению лабораторных работ и рассматриваются вопросы по технике безопасности при их выполнении. Приводятся методы определения некоторых параметров процессов очистки природных вод.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Водоподготовка» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений населенных пунктов.

© А.Л. Васильев, Л.А. Карпова, Н.И. Корочкина, Е.В. Воробьева, 2016 © ННГАСУ, 2016

Раздел 2. Определение характиристик фильтрующего материала

3.2.Лабораторная работа №5. Пробное коагулирование воды.

3.3. Лабораторная работа №6. Исследование влияния флокулянтов на

5

ВВЕДЕНИЕ

Вода является основой жизни на Земле. Основа здоровья населения — это качество питьевой воды и возможности его повышения. Интенсивное воздействие человека на окружающую среду приводит к загрязнению и истощению водных ресурсов.

Состав природных вод весьма разнообразен и представляет собой сложную, непрерывно изменяющуюся систему, которая содержит минеральные и органические вещества во взвешенном, коллоидном и истинно растворенном состоянии. Качество воды характеризуется различными физическими, химическими и технологическими показателями, а также бактериологическим загрязнением.

Источники, используемые для водоснабжения городов и населенных пунктов, подразделяют на две основные группы поверхностные и подземные. Выбор источника водоснабжения должен производиться с учетом его санитарной надежности и возможности получения питьевой воды из него. При выборе источника необходимо руководствоваться ГОСТом 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора».

Очистки требуют как воды из подземных источников, так и из поверхностных. Происхождение воды определяет ее состав, методы очистки и подбор необходимого оборудования. На выходе вода должна соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».

Основными процессами улучшения качества воды для хозяйственнопитьевых целей являются:

-осветление - извлечение диспергированных примесей. Производится отстаиванием в отстойниках, фильтрованием через слой взвешенного осадка в осветлителях, фильтрованием через слой зернистого фильтрующего материала

вскорых фильтрах. Для интенсификации процесса применяют коагулирование воды.

-обесцвечивание - извлечение окрашенных коллоидов и истинно растворенных примесей, обуславливающих цветность воды. Может быть достигнуто при коагулировании или флотации, а также при применении окислителей (хлорирование, озонирование) или сорбентов (фильтрование через гранулированный уголь).

-обезжелезивание – процесс удаления из воды железа.

-фторирование - введение фторсодержащего реагента.

-обеззараживание - применяется для уничтожения патогенных микроорганизмов. Достигается при хлорировании, озонировании, введением перманганата калия.

6

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

При выполнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать все указания преподавателя, помнить, что неаккуратность, невнимательность, незнание свойств веществ, с которыми ведется работа, могут повлечь за собой несчастный случай. При работе с реактивами следует всегда помнить, что химические вещества в большинстве своем ядовиты.

Поэтому каждому студенту, работающему в химической лаборатории, необходимо знать и соблюдать следующие правила:

1.К лабораторной работе разрешается приступать только в присутствии преподавателя или сотрудника лаборатории.

2.Рабочее место содержать в чистоте, не загромождать его лишней посудой и посторонними предметами.

3.Приступая к работе, следует ознакомиться с методикой выполнения работы, осмыслить этапы ее выполнения, проверить наличие необходимой посуды и реактивов в соответствии с методикой. На каждой емкости с реактивом должна быть наклеена этикетка с указанием его названия и концентрации. Посуда должна быть чистой, без сколов и трещин.

4.Работу проводить в точном соответствии с ее описанием. Реактивы брать в количествах, указанных в руководстве, и строго придерживаться очередности их добавления.

5. Избыток отобранного реактива не следует возвращать назад в емкость, чтобы не испортить реактив.

6.Следует соблюдать осторожность при открывании емкостей с реактивами. Нельзя ее открывать, держа в руках. Следует поставить емкость на стол и только после этого открыть. После отбора реактива емкость сразу закрыть пробкой и поставить на место.

7.Для отмеривания жидких реактивов используют мерную посуду: пипетки, бюретки, мензурки, цилиндры.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ засасывать растворы в пипетки ртом. Для этого следует применять резиновую грушу.

8.Сухие реактивы брать с помощью лопаток, пластиковых или металлических шпателей.

9.Важным требованием является сохранение чистоты реактивов. Не загрязнять реактивы пипетками и шпателями, которые использовались при работе с другими реактивами. Нельзя путать пробки от банок с реактивами, собирать просыпанный реактив и ссыпать его обратно в банку.

10.При работе с кислотами и щелочами следить за тем, чтобы они не попадали на лицо, руки и одежду. Это вещества повышенной опасности и способны вызвать химические ожоги и отравления.

11.Кислоты осторожно тонкой струйкой приливают к воде при непрерывном перемешивании.

Приливать воду к кислоте ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

7

12.При использовании сухой щелочи ее следует добавлять в воду пинцетом или шпателем небольшими порциями при непрерывном перемешивании.

13.При смешивании веществ, которое сопровождается выделением тепла, а так же в опытах с нагревом пользоваться термостойкой посудой.

14.При нагревании нельзя заглядывать сверху в нагреваемый сосуд во избежание возможного поражения при выбросе горячей массы.

15.При переносе сосуда с горячей жидкостью следует держать его двумя руками за дно и горловину, используя термоизоляционный материал (резиновую прихватку) или полотенце.

16.Горячий сосуд нельзя закрывать притертой пробкой, пока не остынет. 17.Все опыты с неприятно пахнущими веществами проводить в вытяжном шкафу. Запах определяют, осторожно направляя на себя пары или

газы легким движением руки.

18. Работы с легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ) и горючими жидкостями (ГЖ) осуществлять в вытяжном шкафу при включенной вентиляции и отключенных электронагревательных приборах.

19.Никакие вещества нельзя пробовать на вкус.

20.Отработанные реактивы следует сливать в специальные емкости для сливов, а не в канализацию.

21.В случае разлива реактива поставить в известность преподавателя или сотрудника лаборатории.

22.По окончании работы привести в порядок рабочее место, помыть посуду, протереть поверхность рабочего лабораторного стола, выключить приборы, закрыть водопроводные краны.

8

РАЗДЕЛ 1.

ВЫБОР МЕТОДА ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ВОДЫ

1.1 Общая часть

Железо в подземных водах может находиться в виде ионов, входить в состав коллоидов неорганического и органического происхождения, а также в виде тонкодисперсной взвеси. Обычно преобладающей формой существования железа в подземных водах является гидрокарбонат двухвалентного железа Fe(HCO3)2, который устойчив только при наличии больших количеств углекислоты и отсутствии растворенного кислорода. В водах глубоких горизонтов, например в шахтных водах, двухвалентное железо может быть в виде сульфатов или хлоридов (FeS04, FeCI2). При одновременном содержании в воде сероводорода и железа образуется тонкодисперсная взвесь сульфида железа (FeS).

Во всех природных водах открытых источников (поверхностные воды), имеющих величину рН>7, железо находится в воде в форме коллоидов, суспензий и комплексных соединений.

В природных водах железо находится в различных формах со степенью окисления Fe2+(закисное железо) и Fe3+(окисное железо). Форма зависит от рН воды и содержания кислорода. Скорость окисления закисного железа в окисное сильно возрастает с повышением значения рН воды и увеличением концентрации в ней растворенного кислорода. Окисление двухвалентного железа в воде с максимальной скоростью происходит при рН выше 7.

Железистая подземная вода после излива из скважины в первое время остается бесцветной и прозрачной, но при стоянии в открытом сосуде постепенно мутнеет и из нее выделяется красновато-коричневый осадок гидроксида железа. Происходит процесс окисления – гидролиз с образованием бурого осадка – гидроксида железа (Fe(OH)3). Происходящий процесс может быть выражен уравнением:

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 + 8CO2

Наличие в воде растворенных солей меди, марганца, фосфатов, а также контакт воды с ранее выпавшим осадком гидроксида железа каталитически ускоряют процесс окисления Fe2+ в Fe3+.

Окисление может происходить с участием железобактерий: Fe2+ + кислород = Fe3+ + энергия

Железобактерии – это микроорганизмы, отлагающие на своих поверхностях окислы железа и образующие его оформленные осадки. Железобактерии встречаются в различной воде водоемов в виде хлопьев. Чаще всего выносятся из источника и закрепляются на стенках труб. Железобактерии развиваются крайне быстро и создают серьезные помехи в системе водоснабжения (в водопроводных сетях).

9

Допустимое количество железа согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 [1] 0,3 мг/л. Вода, содержащая более высокие концентрации железа, для питьевых, промышленных и хозяйственных целей непригодна, так как она имеет неприятный железистый привкус, бурую окраску и может быть причиной ухудшения качества выпускаемой продукции на ряде производств. При подпитке оборотной системы водоснабжения железосодержащей водой происходит отложение железоокисных соединений в сооружениях, что нарушает их нормальную работу. Наличие в воде высоких концентраций железа может привести к развитию в трубопроводах железистых бактерий, продукты жизнедеятельности которых, накапливаясь в водопроводных трубах, снижают их сечение и могут быть причиной полной закупорки трубопроводов. При разложении колоний бактерий вода в трубах приобретает привкус и

неприятный запах.

Выбор метода обезжелезивания подземной воды должен базироваться на результатах пробного обезжелезивания, позволяющего смоделировать процесс обезжелезивания по существующим методам удаления из воды железа. При решении вопросов обезжелезивания воды важно знать условия перехода закисного железа в окисное (рН и содержание кислорода). Образующийся в результате процесса окисления двухвалентного железа гидроксид железа (Fe(OH)3) может быть удален из воды отставанием и фильтрованием. Существующие методики:

1)упрощенная аэрация и фильтрование;

2)глубокое аэрирование и фильтрование;

3)реагентный метод с использованием сильных окислителей, извести, коагулянтов, флокулянтов с последующим отстаиванием и фильтрованием;

4)фильтрование через каталитические загрузки.

Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистую загрузку выделять на поверхности зерен загрузки каталитическую пленку из окислов железа, которая интенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. Методом упрощенной аэрации обычно удаляется двухвалентное железо из подземных вод, не содержащих органических соединений, аммонийных солей и сероводорода с исходной концентрацией общего железа в воде до 10 мг/л.

При обезжелезивании воды методом глубокого предварительного аэрирования вода обогащается кислородом, из нее удаляется растворенная углекислота и повышается окислительный потенциал в системе. В результате удаления части углекислоты рН воды возрастает до величины, при которой происходит гидролиз и окисление двухвалентного железа, начинается процесс обезжелезивания воды. Метод используется для обезжелезивания воды с большим содержанием железа.

10

При химическом окислении двухвалентное железо окисляется активным хлором (или другими окислителями) со скоростями, намного большими, чем в случае использования только растворенного кислорода. Химическое окисление применяется, если аэрированием воды не достигается необходимый окислительный потенциал системы. Из реагентных методов наиболее универсальным является известкование железосодержащей воды. Добавкой извести достигается повышение рН воды. При введении в воду извести в количестве большем, чем необходимо для связывания СО2 и разрушения гидрокарбонатов, происходит повышение в воде концентрации ОН-ионов, что приводит к резкому ускорению окисления двухвалентного железа. Чаще всего известь используют при обезжелезивании кислых подземных вод или при необходимости их стабилизационной обработки.

Применение коагулянтов и флокулянтов вызывается необходимостью интенсификации процессов хлопьеобразования и осаждения, особенно при обезжелезивании цветных вод, характеризующихся большой окисляемостью и высоким содержанием железа.

При пропуске железистой воды через каталитическую загрузку, может быть ускорена реакция окисления закисного железа в окисное. При пропускании воды, содержащей Fe2+, через фильтр, содержащий катализатор, растворенное железо Fe2+ успевает окислиться и выпасть в осадок в виде гидроксида железа (Fe(OH)3). Катализаторами окисления Fe2+ в Fe3+ могут выступать соли меди, марганца, фосфаты. Подземные воды содержат недостаточно растворенного кислорода, поэтому перед подачей на фильтр с каталитической загрузкой их необходимо аэрировать или ввести реагентокислитель. Каталитические загрузки позволяют с высокой эффективностью проводить обезжелезивание, а также деманганацию.

Пробное обезжелезивание воды должно проводиться непосредственно у источника водоснабжения немедленно после взятия пробы воды. Только в крайних случаях проба воды на пробное обезжелезивание доставляется в лабораторию для проведения анализа в тщательно закупоренной посуде (заливается парафином).

Опыты пробного обезжелезивания проводят в определенной последовательности. Сначала апробируется метод упрощенной аэрации, затем метод глубокой аэрации с последующим отстаиванием и фильтрованием. После этого проводят опыты по обезжелезиванию реагентами и испытывают

каталитические загрузки.

Выбор метода обезжелезивания поверхностных вод. Коллоидное железо из воды может быть удалено методом коагулирования с последующим задержанием скоагулированных хлопьев в осветлителях (отстойниках) и фильтрах с одновременным осветлением и обесцвечиванием обрабатываемой воды. Часто приходится разрушать железосодержащие комплексные соединения окислением активным хлором, озоном или другими сильными окислителями с последующим укрупнением гидроксида железа (Fe(OH)3 коагуляцией и удалением его из воды отстаиванием и фильтрованием.