ТЭП Заочники / методы очистки и умягчения воды

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Политехнический Институт

Реферат

Методы осветления и умягчения воды.

Использование ингибитора ИОМС.

Руководитель ________________ Яковенко А.А

Студент ТЭ 06 - 03 ________________ Минаева Д.С

Красноярск 2009

Методы осветление воды.

Под осветлением воды понимают выделение из нее взвешенных веществ при непрерывном движении воды через специальные сооружения (отстойники, осветлители) с малыми скоростями. При малых скоростях движения воды содержащиеся в ней взвешенные вещества, удельный вес которых больше удельного веса воды, под действием силы тяжести осаждаются, образуя в отстойнике осадок.

Технологические схемы обработки воды определяются в каждом конкретном случае в зависимости от предъявляемых требований и включают следующие этапы работы:

• технологические исследования и предварительные лабораторные испытания применяемых реагентов;

• подбор и расчет оборудования для дозирования и смешивания реагентов;

• выбор оборудования для тонкослойного осветления и уплотнения взвеси;

• выбор и расчет скорых фильтров с зернистой загрузкой, как напорного, так и открытого типа;

• выбор технологии и оборудования для обезвоживания шлама с последующей утилизацией;

• выбор оборудования по обеззараживанию путем дозирования раствора хлорреагента (гипохлорит натрия) и контролю качества обработанной воды.

В зависимости от направления движения воды отстойники разделяют на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальный отстойник (рис. 1) представляет собой резервуар прямоугольного сечения, продольная (более длинная) ось которого направлена по движению воды. Осветляемая вода по трубе 1 направляется в распределительный желоб 2, имеющий ряд отверстий, служащих для более равномерного распределения потока воды по сечению отстойника. Скорость движения воды в этих отверстиях не должна превышать 0,4 м/сек. Осветленная вода поступает в другой желоб 3 и из него по трубе 4 отводится на фильтры. Осевшие частицы (шлам) скапливаются на дне, которое должно иметь уклон, обратный движению воды.

Время отстаивания для горизонтальных отстойников принимают обычно для коагулированной смеси не более 4 ч. Горизонтальные отстойники для осветления больших количеств воды могут разделяться по высоте на несколько параллельно включенных отделений (этажей). Преимущества этажных отстойников (предложение проф. П. И. Пискунова) — малая площадь застройки и меньший расход бетона. Такой отстойник построен на одной из крупнейших очистных станций Советского Союза.

Рис. 1. Схема горизонтального отстойника: 1 — лоток; 2 — приемная камера; 3 — приемный желоб; 4 — на фильтр; 5 — для удаления осадка

Рис. 2. Схема вертикального отстойника 1 — центральная труба; 2—лоток; 3— отводящая труба; 4 — трубопровод для удаления осадка

Вертикальные отстойники (рис. 2) представляют собой круглый в плане, иногда квадратный, резервуар с коническим днищем и центральной трубой, в которую подается осветляемая вода из камеры хлопье образования.

По выходе из центральной трубы в отстойник вода движется вверх с малой скоростью и сливается уже осветленной через борт концентрически расположенного желоба, откуда отводится на фильтр. Выпадающий на дно отстойника осадок периодически удаляется.

Скорость протекания воды в центральной трубе принимается от 30 до 75 мм/сек. Время отстаивания воды в отстойнике Т = 2 ч. Скорость восходящего движения воды составляет 0,5—0,6 мм/сек.

Диаметр отстойника не должен превышать 12 м, а отношение диаметра к высоте отстойника обычно принимают не более 1,5.

Радиальные отстойники представляют собой круглые резервуары с малоконическим дном. Вода поступает в центральную трубу и из нее направляется в радиальном направлении к сборному лотку по периферии отстойника. Отстойники имеют небольшую глубину, осадок удаляют механизированным способом без нарушения работы отстойника. Радиальные отстойники сооружают диаметром от 10 л* и более при глубине от 1,5—2,5 ж (у стенки отстойника) до З—5 м (в центре).

Выбор типа отстойника зависит от суточной производительности станции, общей ее компоновки, рельефа местности, характера грунтов и т. д. Вертикальные отстойники рекомендуется применять при суточной производительности до 3000 м3. Горизонтальные Отстойники применяют при производительности станции более 30 000 м3/сут как в случае коагулирования воды, так и без него.

Радиальные отстойники целесообразны при больших расходах воды (более 40 000 м3/сут). Преимуществом этих отстойников по сравнению с прямоугольными горизонтальными является механизированное удаление осадка без прекращения работы отстойника. Их применяют при большой мутности речной воды (с коагулированием и без него) в основном для осветления производственной воды.

Осветлители со взвешенным осадком. Процесс осветления протекает значительно интенсивнее, если осветляемая вода после коагулирования пропускается через массу ранее образованного осадка,, поддерживаемого во взвешенном состоянии током

Рис. 3. Осветлители: а — первоначальной конструкции; б — коридорного типа: 1 — распределительные трубы; 2 — желоба с затопленными отверстиями; 3 — рабочая часть осветлителя; 4— защитная зона; 5 — лоток отвода; 6 — труба для подсоса осадка; 7 — осадкоприемные окна; 8—уплотнитель осадка; 9 — трубы для сброса осадка) 10 — труба для отвода осветленной воды

Такие осветлители дают более высокий эффект осветления воды, чем в обычных отстойниках, что объясняется более быстрым укрупнением и задержанием взвеси при прохождении коагулированной воды через взвешенный осадок.

Применение осветлителя со взвешенным остатком дает возможность по сравнению с обычным отстойником снизить расход коагулянта, уменьшить размеры сооружений и получить более высокий эффект осветления воды.

Осветлитель первоначальной конструкции представляет собой цилиндрический резервуар с шламоуплотнителем в центральной его части (рис. 3, а). Здесь вода с реагентом поступает в воздухоотделитель, затем проходит вниз в дырчатые распределительные трубы 1, а далее— в отверстия дырчатого дна 2.

Вода, проходя через слой взвешенного осадка 3, выходит в зону осветления 4 и переливается в отводные желоба. В шламонакопитель 5 поступает излишек взвешенного осадка, откуда его периодически удаляют в канализацию.

Осветлитель коридорного типа (см. рис. 3, б) представляет собой прямоугольный резервуар. Коагулированная вода поступает в осветлитель по трубе 1 и через дырчатые трубы 2 распределяется в нижней (рабочей) части 3 осветлителя. Скорость движения воды в рабочей части должна быть такой, чтобы хлопья коагулянта находились во взвешенном состоянии. Этот слой способствует задержанию взвешенных частиц. Степень осветления воды при этом значительно выше, чем в обычном отстойнике.

Над рабочей частью находится защитная зона 4, где взвешенного слоя нет. Осветленная вода отводится лотком 5 и трубами 10 для последующей обработки. Избыточное количество осадка посредством отсоса в трубу 6 отводится через окна 7 в осадкоуплотнитель 8, где осадок уплотняется и периодически сбрасывается в канализацию по трубам 9.

Восходящую скорость потока в рабочей части осветлителя принимают равной 1—1,2 мм/сек.

Методы умягчения воды.

Устранение из воды солей жесткости, т. е. умягчение ее, необходимо производить для питания котельных установок, причем жесткость воды для котлов среднего и низкого давления должна быть не более 0,3 мг.экв/л. Умягчать воду требуется также для таких производств, как текстильное, бумажное, химическое, где вода должна иметь жесткость не более 0,7—1,0 мг.экв/л. Умягчение воды для хозяйственно-питьевых целей также целесообразно, особенно в случае, если она превышает 7 мг.экв/л.

Применяют следующие основные методы умягчения воды:

1) реагентный метод.— путем введения реагентов, способствующих образованию малорастворимых соединений кальция и магния и выпадению их в осадок;

2) катионитовый метод, при котором умягчаемая вода фильтруется через вещества, обладающие способностью обменивать содержащиеся в них катионы (натрия или водорода) на катионы кальция и магния, растворенных в воде солей. В результате обмена Задерживаются ионы кальция и магния и образуются натриевые соли, не придающие воде жесткость;

3) термический метод, заключающийся в нагревании воды до температуры выше 100°, при этом почти полностью удаляются соли карбонатной жесткости.

Часто методы умягчения применяют комбинированно. Например, часть солей жесткости удаляют реагентным способом, а оставшуюся часть — с помощью катионного обмена.

Из реагентных методов содово-известковый способ умягчения является наиболее распространенным. Сущность его сводится к получению вместо растворенных в воде солей Са Mg нерастворимых солей СаС0₃ и Mg(OH)₂, выпадающих в осадок.

Оба реагента — соду Na₂C0₃ и известь Са(ОН)₂—вводят в умягчаемую воду одновременно или поочередно.

Соли карбонатной, временной жесткости удаляют известью, не карбонатной, постоянной жесткости — содой. Химические реакции при удалении карбонатной жесткости протекают следующим образом:

Са (НС0₃)₂ + Са (ОН)₂ = 2 СаС0₃ + 2Н₂0.

При этом карбонат кальция СаС03 выпадает в осадок. При удалении бикарбоната магния Mg(HC0₃)₂ реакция идет так:

Mg (НСОа)2 + 2Са (ОН)₂ = Mg (ОН)₂ + 2СаС0₃ + 2Н₂0.

Гидрат окиси магния Mg(OH)₂ коагулирует и выпадает в осадок. Для устранения некарбонатной жесткости в умягчаемую воду вводят Na₂C0₃. Химические реакции при удалении некарбонатной жесткости следующие:

Na₂C0₈ + CaS0₄ = CaCO₈ +Na₂S0₄;

Na₂CO₃ + CaCl₂ = CaC0₃ + 2NaCl.

В результате реакции получается углекислый кальций, который выпадает в осадок.

Для глубокого умягчения применяют такие вспомогательные мероприятия, как подогревание обрабатываемой воды примерно до 90, при этом остаточная жесткость может быть доведена до 0,2— 0,4 мг.экв/л.

Без подогрева обработка воды проводится большими избыточными дозами извести с последующим удалением этих избытков путем продувки воды углекислотой. Последний процесс называется рекарбонизацией.

На рис. 4 представлена схема реагентной водоумягчительной установки, в состав которой входят устройство для приготовления и дозирования растворов реагентов, смесители, камеры реакции, осветлители, фильтры.

Для умягчения равномерно подаваемой воды, поступающей непрерывно, применяют те же дозаторы растворов соды и извести, что и при коагулировании. Если же расход умягчаемой воды имеет колебания, применяют так называемые пропорциональные дозаторы.

Рис. 4. Схема реагентного умягчения воды:1 —камера реакций (вихревой реактор); 2 — осветлитель; 3 — кварцевый фильтр; 4 —смеситель; 5, 6 и 7 — дозаторы растворов реагентов; 8, 9 и 10 — баки для растворения коагулянтов и соды для приготовления известкового молока; 11 — бак; 12 — насос; 13 — воздухоотделитель.

Содово-известковый способ пригоден для умягчения воды с любым соотношением карбонатной и некарбонатной жесткости.

Недостатки содово-известкового способа умягчения заключаются в следующем: 1) вода не умягчается полностью; 2) установки для умягчения громоздки; 3) необходима тщательная дозировка соды и извести, чего трудно достичь из-за непостоянства состава умягчаемой воды и реагентов.

Катионитовый способ умягчения основан на способности веществ, называемых катеонитами, обменивать содержащиеся в них катионы натрия Na+ или водорода Н+ на катионы кальция или магния, растворенных в воде. В соответствии с этим различают натрий-катионитовый и водород-натрий: катионитовый методы умягчения воды.

При помощи катионитов вода умягчается на установке, состоящей из нескольких металлических напорных резервуаров, загруженных катионитом (рис. 5).

Необработанная вода поступает в фильтр по трубам А, Б и В; выпуск умягченной воды происходит по трубе Г При работе фильтра задвижки 2 и 5 открыты, а остальные {1, 3, 4 и 6) закрыты. Перед регенерацией фильтр промывают.

Для промывки фильтра вода из бака Д подается по трубе Е и проходит по дренам снизу вверх. Продолжительность промывки 20—30 мин, интенсивность 4—6 л/сек на 1 м2. Промывная вода с фильтров отводится по трубам В, Б, Ж, причем задвижки 4 и 3 открыты, а остальные закрыты.

Регенерирующий раствор катионита при регенерации подается по трубе В, проходит фильтр сверху вниз и сбрасывается по трубе. В этом случае задвижки 1 и 6 открыты, остальные (2—5) закрыты; продолжительность регенерации около 30—60 мин, а отмывки от регенерирующего раствора 40—60 мин.

Рис. 5. Схема катионитовой водоумягчительной установки

Преимущества катионитового способа заключаются в следующем: 1) вода умягчается почти полностью; 2) дозировать нужно только раствор поваренной соли или серной кислоты; 3) фильтры изготовляют заводским способом. К числу недостатков этого способа следует отнести необходимость предварительного осветления воды, так как коллоидные и органические вещества обволакивают зерна катионитов и уменьшают их обменную способность.

Реагенты, применяемые при обработке воды, вводят, в воду в следующих местах:

а) хлор (при предварительном хлорировании) — во всасывающие трубопроводы насосной станции первого подъема или в водоводы, подающие воду на станцию очистки;

б) коагулянт — в трубопровод перед смесителем или в смеситель;

в) известь для подщелачивания при коагулировании — одновременно с коагулянтом;

г) активированный уголь для удаления запахов и привкусов в воде до 5 мг/л — перед фильтрами. При больших дозах уголь следует вводить на насосный станции первого подъема или одновременно с коагулянтом в смеситель водоочистной станции, но не ранее чем через 10 мин после введения хлора;

д) хлор и аммиак для обеззараживания воды вводят до очистных сооружений и в фильтрованную воду. При наличии в воде фенолов аммиак следует вводить как при предварительном, так и при окончательном хлорировании.

Раствор коагулянта приготовляют в растворных баках; откуда его надлежит выпускать или перекачивать в расходные баки. Для подачи в воду заданного количества раствора коагулянта следует предусматривать установку дозаторов.

При использовании автоматических дозаторов, основанных на принципе изменения электропроводности воды в зависимости от примесей, известь для подщелачивания следует вводить после отбора коагулированной воды, идущей к дозатору.

К специальным видам очистки и обработки воды относятся: опреснение, обессоливание, обезжелезивание, удаление из воды растворенных газов и стабилизация.

Механизм действия ингибиторов ИОМС.

При нагреве воды в процессе работы системы отопления происходит термический распад присутствующих в ней гидрокарбонат-ионов с образованием карбонат-ионов. Карбонат-ионы, взаимодействуя с присутствующими в избытке ионами кальция, образуют зародыши кристаллов карбоната кальция. На поверхности зародышей осаждаются все новые карбонат-ионы и ионы кальция, вследствие чего образуются кристаллы карбоната кальция, в котором часто присутствует карбонат магния в виде твердого раствора замещения. Осаждаясь на стенках теплотехнического оборудования, эти кристаллы срастаются, образуя накипь (рис. 6, а).

Основным компонентом, обеспечивающим противонакипную активность всех рассматриваемых ингибиторов, являются органофосфонаты — соли органических фосфоновых кислот. При введении органофосфонатов в воду, содержащую ионы кальция, магния и других металлов они образуют весьма прочные химические соединения — комплексы. (Во многие современные ингибиторы органофосфонаты входят уже в виде комплексов с переходными металлами, главным образом с цинком.) Так как в одном литре природной или технической воды содержится 1020–1021 ионов кальция и магния, а органофосфонаты вводят в количестве всего лишь 1018–1019 молекул на литр воды, все молекулы органофосфонатов образуют комплексы с ионами металлов, а комплексоны как таковые в воде не присутствуют. Комплексы органофосфонатов адсорбируются (осаждаются) на поверхности зародышей кристаллов карбоната кальция, препятствуя дальнейшей кристаллизации карбоната кальция. Поэтому при введении в воду 1–10 г/м3 органофосфонатов накипь не образуется даже при нагревании очень жесткой воды (рис. 6, б).

Комплексы органофосфонатов способны адсорбироваться не только на поверхности зародышей кристаллов, но и на металлических поверхностях. Образующаяся тонкая пленка затрудняет доступ кислорода к поверхности металла, вследствие чего скорость коррозии металла снижается. Однако наиболее эффективную защиту металла от коррозии обеспечивают ингибиторы на основе комплексов органических фосфоновых кислот с цинком и некоторыми другими металлами, которые были разработаны и внедрены в практику профессором Ю.И. Кузнецовым. В приповерхностном слое металла эти соединения способны распадаться с образованием нерастворимых соединений гидроксида цинка, а также комплексов сложной структуры, в которых участвует много атомов цинка и железа. В результате этого образуется тонкая, плотная, прочно сцепленная с металлом пленка, защищающая металл от коррозии. Степень защиты металла от коррозии при использовании таких ингибиторов может достигать 98%.

Современные препараты на основе органофосфонатов не только ингибируют солеотложения и коррозию, но и постепенно разрушают застарелые отложения накипи и продуктов коррозии. Это объясняется образованием в порах накипи поверхностных адсорбционных слоев органофосфонатов, структура и свойства (например, коэффициент температурного расширения) которых отличаются от структуры кристаллов накипи. Возникающие при эксплуатации системы отопления колебания и градиенты температуры приводят к расклиниванию кристаллических сростков накипи. В результате накипь разрушается, превращаясь в тонкую взвесь, легко удаляемую из системы. Поэтому при введении препаратов, содержащих органофосфонаты, в системы отопления с большим количеством застарелых отложений накипи и продуктов коррозии, необходимо регулярно спускать отстой из фильтров и грязевиков, установленных в нижних точках системы. Спуск отстоя следует производить, в зависимости от количества отложений, 1–2 раза в сутки, из расчета подпитки системы чистой, обработанной ингибитором, водой в количестве 0,25–1% водного объема системы в час. Необходимо отметить, что при повышении концентрации ингибитора свыше 10–20 г/м3 накипь разрушается с образованием весьма грубых взвесей, способных забить узкие места системы отопления. Поэтому передозировка ингибитора в этом случае грозит засорением системы. Наиболее эффективная и безопасная очистка систем отопления от застарелых отложений накипи и продуктов коррозии достигается при использовании препаратов, содержащих поверхностно-активные вещества, например, композиции «ККФ».

а) б)

Рис. 6. Разрез внутриквартального 89 мм трубопровода горячего водоснабжения:

а — по истечении двух лет работы на воде жeсткостью 8–12 мг-экв/дм3;

б — через шесть месяцев после начала обработки воды ингибитором ИОМС-1.