Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водоснабжение. Учебное пособие
.pdf
Применение перманганата калия дает возможность удалить из воды как
марганец, так и железо, независимо от форм их содержания в воде. В водах
с повышенным содержанием органических веществ железо и марганец образуют устойчивые органические соединения (комплексы), медленно и
трудно удаляемые при обычной обработке хлором и коагулянтом. Применение перманганата калия, сильного окислителя, позволяет разрушить эти
комплексы с дальнейшим окислением ионов марганца (II) и железа (II) и
коагуляцией продуктов окисления. Кроме того, коллоидные частицы гид-
роксида марганца Мn(ОН)
ложный зарядам коллоидов коагулянтов Fе(ОН)
в интервале рН=5÷11 имеют заряд, противопо-
4
и Аl(ОН)3, поэтому до-
3
бавление перманганата калия к воде интенсифицирует процесс коагуляции. Таким образом, перманганат калия, оказывая совокупное действие как
окислителя, сорбента и вспомогательного средства коагуляции, является
высокоэффективным реагентом для очистки воды от целого ряда загрязнений, в том числе и от марганца.
Максимальное снижение концентрации марганца (II) в воде (до 97 %)
достигается при обработке воды перманганатом калия дозой 2 мг КМпО
4
на 1 мг марганца (II) с дальнейшим добавлением коагулянта для удаления
продуктов окисления и взвешенных веществ. Остаточное содержание марганца в воде при этом не превышает 0,1 мг/л, а после фильтрования воды
на песчаных фильтрах она практически не содержала ионов марганца (II).
При удалении марганца из подземных вод для увеличения
ла одновременно с раствором КМnO
в обрабатываемую воду рекоменду-
4
фильтроцик-
ется вводить флокулянт К-4. В этом, случае укрупняются хлопья, образующиеся при окислении соединений марганца (II), которые медленнее
проникают в фильтрующую загрузку.
Удаление марганца (II) и железа (II) из воды методом ионного обмена
происходит как при натрий-катионировании, так и при водородкатионировании при фильтровании воды через катионитовую загрузку в
ходе умягчения. Метод целесообразно применять при необходимости одновременного, глубокого умягчения воды и освобождения ее от железа (II)
и марганца (II).
Биохимический метод удаления марганца заключается в высевании на
зернах загрузки фильтра марганцепотребляющих бактерий типа Васteria
manganius, Metallogenium personatum и последующем фильтровании обрабатываемой воды. Эти бактерии поглощают марганец из воды в процессе
жизнедеятельности, и, отмирая, образуют на зернах песка пористую массу,
содержащую большое количество оксида марганца, служащего катализатором окисления марганца (II). При скорости фильтрования до 22 м/ч
фильтры полностью удаляют из воды марганец.
Из сказанного следует, что для деманганации подземных вод наибольший интерес представляют: метод сорбции на гидроксиде железа (Ш),
фильтрование через модифицированную загрузку и биохимический метод.
61
Обескремнивание воды. Формы присутствия в воде кремниевой кислоты варьируют от коллоидной до ионно-дисперсной в зависимости от ее температуры, рН и от соотношения различных примесей воды [6]. Воду, содержащую кремниевую кислоту, нельзя использовать для питания котлов высокого и сверхвысокого давления, поскольку кремниевая кислота является основным компонентом сложных силикатных накипей (до 50 % кремниевой
кислоты, до 30 % оксидов железа, меди и алюминия и до 10 % оксида натрия), которые способны отлагаться на стенках котлов и теплообменных аппаратов. Кремниевая кислота образует накипи с катионами кальция, магния,
натрия, железа. Силикатная накипь обладает низким коэффициентом теплопроводности и поэтому существенно снижает теплотехнические показатели
работы котлов и теплообменных аппаратов.
Соли кремниевой кислоты достаточно хорошо растворимы в воде. Наименее растворимы в воде силикаты марганца, цинка, кадмия и кальция. Использование солей этих металлов в технологии обескремнивания воды неэкономично из-за больших расходов осадителя. Кремниевая кислота хорошо
сорбируется на хлопьях гидроксидов магния, железа и алюминия. Кремниевая кислота не извлекается из воды в результате обменной адсорбции на слабоосновных анионитах, а средне и сильноосновные аниониты сорбирует при
отсутствии в воде сильных и слабых кислот (особенно угольной).
Выбор метода обескремнивания воды зависит от предъявляемых к ней
требований и экономических показателей.
При обескремнивании воды сорбцией содержание
кремниевой кислоты
может быть снижено до 0,4÷0,5 мг/л, если сорбентами служат гидроксиды
алюминия или железа – до 1,5÷2 мг/л.
Наиболее глубокое обескремнивание воды достигается в цикле ее ио-
нитного
обессоливания: до 0,05÷0,01 мг/л. Однако этот метод является
наиболее дорогостоящим.
Обескремнивание воды известью основано на небольшой ра-
створимости силиката кальция. При наличии в исходной воде 10÷12 мг/л
кремниевой кислоты остаточное содержание ее в обработанной воде со-
ставляет 6÷8 мг/л. С избытком извести и повышением температуры глубина обескремнивания возрастает.
Осветляют воду фильтрованием, избыток гидроксида кальция удаляют
декарбонизацией в скрубберах продувкой очищенными дымовыми газами.
Образующийся при этом осадок карбоната кальция удаляют в осветлителе.
В очищенной воде содержится 0,35÷0,50 мг/л SiO
2-
, солей жесткости – не
3
более 0,01 мг-экв/л, щелочность не превышает 0,3 мг-экв/л. Углекислота
удаляется из воды и происходит частичное разложение гидрокарбонатов.
Обескремнивание воды солями железа основано на способности хлопьев гидроксида железа (II), образующегося при введении в воду его солей,
сорбировать молекулярно-дисперсную и коллоидную кремниевую кислоту. На снижение содержания кремниевой кислоты с 12÷14 до 2 мг/л расхо-
62
дуется 300÷350 мг сульфата железа (II). Оптимальные значения рН=8,5÷9,5
поддерживаются добавлением в воду извести.
Обескремнивание воды солями алюминия основано на их способности сорбировать кремниевую кислоту из раствора. В качестве реагентов применяют
алюминат натрия и сульфат алюминия. Концентрация остаточной кремниевой
кислоты при использовании алюмината натрия составляет 0,5÷2 мг/л.
Высокой сорбционной способностью по SiO
2-
обладают хлопья алю-
3
мината магния, образующиеся при одновременном введении в воду солей
магния и алюмината натрия при рН свыше 8,5. Для получения оптимального значения рН воду подщелачивают.
Перечисленные методы имеют недостатки, среди которых наиболее
значительными являются большой расход и высокая стоимость реагентов,
а также увеличение количества сухого остатка декремнизированной воды.
Магнезиальный метод обескремнивания воды основан на способности
соединений магния (оксида магния обожженного доломита, каустического
магнезита и др.) сорбировать из водных растворов коллоидную и молекулярно-дисперсную кремниевую кислоту, причем остаточное содержание SiO
2-
в
3
очищенной воде не превышает 1÷1,5 мг/л. Для снижения расхода магнезитовых реагентов (в 3÷4 раза) применяют высокий подогрев и рециркуляцию
шлама из отстойников в камеру реакции. Так, при подогреве воды до температуры 35÷45 °С остаточное содержание кремниевой кислоты при обработке
оксидом магния не превышает 2 мг/л, до 86÷105 °С – 0,5 мг/л. Расход МgО в
этом случае составляет 5÷7 мг
на 1мг SiO
. Ввиду дефицитности и высокой
2
стоимости оксида магния в качестве магнезитовых реагентов часто применяют обожженный декарбонизованный доломит, полуобожженный каустический доломит и каустический магнезит. Обожженный доломит заливается
водой и через 1,5÷2 ч дозируется в обрабатываемую воду в виде 5 % раствора
(по сумме СаО и МgO). В осветлителе образуется осадок из карбоната кальция и оксида магния, который сорбирует кремниевую кислоту.
Каустический магнезит представляет собой пыль, улавливаемую из отходящих газов при обжиге природного магнезита. Поскольку обожженный
доломит промышленностью не выпускается, его необходимо получать на
месте потребления. При обескремнивании воды чаще всего применяют
каустический магнезит. Его дозируют в виде суспензии или порошка.
В воде он образует тяжелую быстрооседающую взвесь, эффект обескремнивания которой зависит от дозы реагента, времени контакта его с водой и
температуры последней. Декремнизация воды происходит достаточно
полно при рН=10,1÷10,3, поэтому в нее добавляют известь, так как при
больших количествах углекислоты и гидрокарбонатов гидроксид магния
растворяется и процесс извлечения кремниевой кислоты ухудшается.
Время контакта реагента с водой составляет 60÷90 мин. Оптимальная
температура процесса обескремнивания 40 °С.
63
При фильтрационном методе обескремнивания воды фильтры загружаются магнезиальными сорбентами (полуобожженным доломитом, а
также специальным сорбентом, получаемым обработкой измельченного
каустического магнезита соляной кислотой), активированным оксидом
алюминия, бокситами.
Большой практический интерес представляет использование активированного оксида алюминия и бокситов в качестве загрузки обескремни-
вающего фильтра. При скорости фильтрования 5÷6 м/ч слой сорбента толщиной 1,5 м снижает содержание кремниевой кислоты до 0,1÷0,5 мг/л.
Фильтр регенерируется 0,1 % раствором щелочи. За один цикл 1 м
вированного оксида алюминия поглощает из воды 10÷12 кг SiO
3
акти-
. Большое
2
преимущество фильтрационного метода заключается в компактности установок и простоте их обслуживания.
Анионитовый метод обескремнивания воды в цикле ионитового обессоливания с сильноосновными анионитами обеспечивает снижение кон-
центрации кремнекислых соединений до 0,03÷0,05 мг/л.
Сущность анионитового метода обескремнивания и одновременного
обессоливания воды заключается в следующем: воду пропускают через
Н-катионитовые фильтры, где из нее извлекаются катионы Са(II), Мg(II),
К(I) и Nа(I). Затем вода проходит через фильтры со слабоосновным анио-
2-
нитом, где она избавляется от анионов сильных кислот (SО
, С1-, NО3).
4
После дегазации воды для удаления из нее оксида углерода (IV) ее пропускают через фильтры с сильноосновным анионитом, где удаляется слабая
кремниевая кислота. Для получения воды с общим содержанием соли менее 1 мг/л, в том числе
с общим содержанием кремниевой кислоты менее
0,03 мг/л, применяют трехступенчатые схемы ионирования. К недостаткам
этого метода следует отнести его сравнительно высокую стоимость, что
объясняется большим расходом едкого натра на регенерацию и быстрым
уменьшением в процессе эксплуатации кремнеемкости высокоосновных
анионитов. Это вынуждает заменять их через каждые 1,5÷2 года.
Фторидный метод обескремнивания воды специальными реагентами
дает возможность использовать слабоосновные аниониты. Этот метод состоит в том, что в обрабатываемой воде, дозируемые плавиковая кислота
или фторид натрия переводят кремниевую кислоту в сильную кремнефтористоводородную, которая достаточно полно поглощается слабоосновными анионитами.
Электрохимическое декремнизирование воды основано на проведении
электролиза с растворимым алюминиевым анодом и на способности образующегося в процессе электролиза гидроксида алюминия сорбировать соединения кремния. Наиболее эффективно данный процесс протекает при неглубоком обескремнивании воды, т. е. при снижении концентрации SiO
60÷80 %. В этом случае при расходе алюминия 2÷3 г/м
троэнергии 0,01÷0,02 кВт.ч/м
3
концентрация SiO2 уменьшается в 2 раза.
3
в потреблении элек-
на
2
64
Это открывает реальные перспективы использования данного метода
при подготовке воды для глубокого обескремнивания и обессоливания ионообменными и сорбционными методами.
При небольших расходах обрабатываемой воды метод может использоваться и для глубокого обескремнивания, однако, в этом случае требуется
повышенный расход алюминия и электроэнергии. Например, для полного
обескремнивания воды, содержащей 40 мг/л SiO
2 мА/см
0,6 кВт.ч/м
2
, расход алюминия составляет 50 г/м3, а расход электроэнергии –
3
.
при плотности тока
2
На процесс обескремнивания воды электрохимическим методом влияют рН воды, ее солевой состав, плотность тока и другие факторы. Наибо-
лее эффективно вода обескремнивается при рН=6,5÷9,0, плотности тока
1÷2 мА/см
3
и в гидрокарбонатно-хлоридных средах с небольшим содержа-
нием сульфатов.
Фторирование и обесфторирование воды. Недостаток фтора в воде
так же как, и его избыток оказывает негативное воздействие на здоровье
человека. Оптимальное содержание фтора в воде 0,7–1,5 мг/л [1]. Обесфторирование воды осуществляется с применением следующих методов
[1]: реагентный, фильтрование через фторселективные материалы, к которым относится: активированный оксид алюминия, фосфатсодержащие
сорбенты, магнезиальные сорбенты (оксифториды магния), активированные угли, алюмомодифицированные материалы. При реагентном методе
обесфторирования воды применяются следующие реагенты: сульфат алюминия, полиоксихлориды алюминия.
Дезодорация воды. Запахи и привкусы воды обусловлены присутствием
в ней микроорганизмов, некоторых неоганических (сероводород и железо
) и
органических веществ. Иногда органолептические свойства воды ухудшаются при передозировке реагентов или при неправильной эксплуатации водоочистных сооружений. Универсальных методов дезодорации не существует, но использование некоторых из них в сочетании обеспечивают требуемую степень очистки. Если вещества, вызывающие неприятные привкусы и запахи, находятся во взвешенном и коллоидном состоянии, то хорошие
результаты дает их коагулирование. Привкусы и запахи, обусловленные неорганическими веществами, которые находятся в растворенном состоянии,
извлекают дегазацией, обезжелезиванием. Запахи и привкусы, вызванные
органическими веществами, отличаются большой стойкостью. Их извлекают путем оксидации и сорбции. Для устранения запахов и привкусов, вызванных находящимися в воде микроорганизмами, применяют окисление с
последующей сорбцией веществ. Запахи и привкусы природной воды могут
быть устранены совместно с хлорированием или озонированием, а также
окислением перманганатом калия. Действие окислителей эффективно лишь
по отношению к органическим загрязнениям. Недостатком окислительного
метода является необходимость дозирования окислителя.
65
Подготовка воды в оборотных системах охлаждения. Оборотные
системы промышленных предприятий обеспечиваются водой для охлаждения, которая перекачивается из искусственного охладителя, где вода отдает тепло воздуху. В оборотных системах вода охлаждается в градирнях,
брызгальных бассейнах, прудах-охладителях. Вода, циркулирующая в
оборотной системе охлаждения, подвергается физико-химическим воздействиям: упариванию, нагреванию, охлаждению, аэрации, многократному
контакту с охлаждаемой поверхностью, в результате чего изменяется ее
состав. Особенно часто нарушается нормальная работа циркулярных систем в результате появления на стенках теплообменных аппаратов накипи,
биологических обрастаний, коррозии металлических элементов систем.
Отложения на стенках аппаратов и труб вызывают также увеличение потерь напора при движении по ним воды, ухудшение условий теплопередачи и уменьшение расходов охлаждающей воды, что приводит к снижению
эффекта охлаждения, нарушению технологических режимов работы теплообменных аппаратов. Потери воды за счет испарения и разбрызгивания
компенсируются добавочной водой из источника. Потери воды на испарение Q
определяются по формуле [1]:
1
Q
= К
1
Δt Q
1
0
где К1 – коэффициент, зависящий от температуры воздуха; Δt – разность
температур до и после охлаждения; Q
Потери воды из системы на разбрызгивание Q
– расход охлаждаемой воды, м3/ч.
0
зависят от типа, конст-
2
рукции и размеров охладителя и определяются по формуле [1]:
Q
= К
Q
2
0
2
где К2 – коэффициент потерь воды на разбрызгивание.
Необходимость обработки охлаждающей воды для борьбы с отложениями накипи возникает в системах оборотного водоснабжения. Основным
соединением, встречающимся в составе накипи в охлаждающих системах
является карбонат кальция СаСО
. Для предотвращения образования кар-
3
боната кальция применяют следующие методы обработки воды [1]:
1. Освежение оборотной воды, т.е. непрерывное добавление свежей во-
ды с меньшей карбонатной жесткостью и сбросом отработавшей воды.
2. Введение в добавочную воду фосфатов, тормозящих процесс кри-
сталлизации СаСО
.
3
3. Подкисление воды. При этом карбонатная жесткость свежей воды пе-
реходит в некарбонатную, соли которой не выпадают в осадок, что приводит к снижению рН и возрастанию концентрации свободной углекислоты.
2+
4. Умягчение воды в целях снижения содержания ионов Са
и Mg2+,
которые в виде нерастворимых солей удаляются из воды отстаиванием при
известковании или в результате катионирования.
66
5. Рекарбонация оборотной воды – возмещение потерь равновесной уг-
лекислоты.
6. Магнитная акустическая обработка воды.
Для борьбы с развитием в оборотных системах биологических обрастаний наибольшее распространение получила обработка воды хлором и медным купоросом. Системы охлаждения теплообменных аппаратов подвержены процессам электрохимической и биологической коррозии. Предотвращения коррозионного действия воды может быть достигнуто одним из
следующих способов [1]:
1. Нанесение защитных покрытий на омываемые водой металлические
поверхности.
2. Удаление из воды коррелирующих агентов (кислорода, сероводоро-
да, свободной углекислоты).
3. Нанесение карбонатной, силикатной или фосфатной пленки на внут-
ренние поверхности труб.
Контрольные вопросы:
1. Организация и сооружение зон санитарной охраны источников
водоснабжения и водозаборных сооружений.
2. Требования к качеству воды питьевого назначения.
3. Требования к качеству воды промышленного назначения.
4. Показатели качества воды.
5. Принципиальная схема водопроводных очистных сооружений.
6. Методы улучшения качества воды.
67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном учебном пособии рассмотрены основные вопросы водоснабжения крупных и малых населенных пунктов и предприятий, включая
сельскохозяйственные объекты. Определенное внимание уделено экологическим проблемам и требованиям систем водоснабжения, рациональному
использованию воды, мероприятиям по охране водных источников. Рассмотрены водоприемные и водозаборные сооружения, системы водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий.
В работе подробно изложены методы кондиционирования вод, приведены традиционные и новейшие технологии водоподготовки – умягчения
воды, опреснения и обессоливания, обезжелезивания, деманганации и др.
Актуальность издания данного учебного пособия обосновывается необходимостью обеспечения учебного процесса методической и нормативной
документацией по предмету «Водоснабжение». В связи с этим здесь отражены многие требования нормативной литературы.
Рассмотренные вопросы водоснабжения, безусловно, не исчерпывают
всех аспектов разностороннего изучения этого предмета, но, как надеются
авторы, явятся подспорьем для студентов-гидрогеологов, аспирантов, а
также для специалистов, занимающихся охраной природной среды.
68
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Колова А.Ф. Водоснабжение и водоотведение: учебное пособие
[Текст] / А.Ф. Колова, Т.Я. Пазенко. – Красноярск: СФУ, 2012 – 148 с.
2. Сомов М.А. Водоснабжение: учебник [Текст] / М.А. Сомов,
Л.А. Квитка. – М.: ИНФРА-М, 2014. – 287 с.
3. Бешенцев В.А. Водоснабжение: методические указания [Текст] /
В.А. Бешенцев. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – 26 с.
Дополнительная
4. Абрамов Н.Н. Водоснабжение: учебник для вузов, – 3-е изд. [Текст] /
Н.Н. Абрамов. – М.: Стройиздат, 1982. – 440 с.
5. Бешенцев В.А. Охрана подземных вод от загрязнения: учебное
пособие [Текст] / В.А. Бешенцев, Н.С. Трофимова. – Тюмень, ТюмГНГУ,
2013 – 48 с.
6. Бешенцев В.А. Рекомендации по нормализации условий
водоснабжения на территории ЯНАО. Горные ведомости. №5 /
В.А. Бешенцев. – Тюмень, ОАО «СибНАЦ», 2009. – с. 32–45.
7. Башкатов Д.Н. Справочник по бурению скважин на воду [Текст] /
Д.Н. Башкатов. – М.: Недра, 1979. – 560 с.
8. Белицкий А.С. Проектирование разведочно-эксплуатационных
скважин для водоснабжения [Текст] / А.С. Белицкий, В.В. Дубровский. –
М.: Недра, 1974. – 168 с.
9. Ородовская А.Е. Санитарная охрана водозаборов подземных вод
[Текст] / А.Е. Ородовская, Н.Н. Лапшин. – М.: Недра, 1987. – 167 с.
10. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. –
М.: Стройиздат, 1986. – 120 с.
69
Учебное издание
Бешенцев Владимир Анатольевич
Трофимова Наталья Сергеевна
ВОДОСНАБЖЕНИЕ
В авторской редакции
Подписано в печать 07.06.2016. Формат 60х90 1/16.
Усл. печ. л. 4,37. Тираж 110 экз. Заказ № 508.
Библиотечно-издательский комплекс
федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования
«Тюменский индустриальный университет»
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.
Типография библиотечно-издательского комплекса
625039, Тюмень, ул. Киевская, 52
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]