Получение питьевой воды

Природные воды - сложные многокомпонентные системы, содержащие частицы различной степени дисперсности (взвесь, коллоиды, молекулы, ионы). В зависимости от природы содержащихся в воде примесей различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают неорганические примеси (кремниевая кислота, алюмосиликаты), находящиеся во взвешенном (дисперсном) состоянии. Цветность природных вод обусловлена присутствием солей железа гуминовых и фульвокислот, находящихся в коллоидном или истинно растворенном состоянии. Кроме того, в воде поверхностных источников водоснабжения могут присутствовать антропогенные загрязнения как микробиологического, так и химического происхождения.

В связи с более разнообразным содержанием примесей технология водоподготовки воды при ее заборе из поверхностных источников является более сложной и трудоемкой по сравнению с водоподготовкой при водозаборе из подземных источников. В обоих случаях заключительной стадией водоподготовки является обеззараживание воды.

Технология водоподготовки при заборе воды из поверхностных источников

Технология очистки при заборе воды из поверхностных источников чаще всего включает последовательное проведение следующих стадий:

  • - осветление воды - удаление из неё взвешенных веществ;
  • - обесцвечивание воды - удаление веществ, придающих ей цветность (фульваты и гуматы железа и др.);
  • - обеззараживание.

При подготовке воды из источников водоснабжения наиболее низкого качества (3 класс) используется дополнительная ступень осветления, адсорбционная очистка, озонирование и другие необходимые технологические процессы очистки. С середины 1980-х гг. на некоторых зарубежных водопроводных станциях Англии, Австралии и др. стали включать обязательное фильтрование воды через загрузку с активированным углем, обеспечивающим удаление из воды органических и хлорорганических примесей.

Наибольшее распространение в практике водоочистки, особенно в городских водопроводах, получили схемы очистных сооружений с самотечным движением воды: вода, поданная насосами 1 подъема, самотеком последовательно проходит все очистные сооружения и поступает в сборный резервуар чистой воды.

Все примеси, загрязняющие природные воды, различаются по своим размерам, которые во многом определяют их специфические свойства и технологические процессы очистки воды. Удобным ориентиром в подборе методов очистки воды в зависимости от размера и свойств, содержащихся в ней примесей, служит классификация, предложенная Л.А. Кулъским. В соответствии с этой классификацией все примеси разбиты на четыре группы.

1. Грубо- (более 10 мкм) и среднедисперсные (10-0,1 мкм) примеси, образующие водные суспензии и эмульсии, придающие воде мутность. В качестве взвешенных частиц в них находятся твердые и жидкие минеральные и органические вещества, различные микроорганизмы, включая бактерии.

Взвешенные частицы под действием гравитационного поля Земли в процессе отстаивания или оседают, если их плотность больше плотности воды, или всплывают - в противоположном случае. Скорость оседания прямо пропорциональна плотности частиц и квадрату их диаметра (уравнение Стокса) поэтому, чем крупнее и плотнее частицы, тем быстрее они накапливаются на дне, и тем быстрее вода отстаивается.

Значительно быстрее и эффективнее взвешенные частицы могут быть выделены в поле центробежных сил в центрифугах и гидроциклонах, однако эти варианты разделения в отличие от использования «бесплатного» поля тяготения Земли являются энергоемкими, более дорогостоящими и в водоподготовке используются относительно редко.

Разделение гетерогенных систем в силовых полях зачастую не обеспечивает удаления среднедисперсных примесей, поэтому отстаивание чаще всего используется для предварительной очистки воды. За счет отстаивания (седиментации) чаще всего не удается получить воду с концентрацией твердой фазы менее 10 мг/л, поэтому воду дополнительно обязательно подвергают фильтрованию, обеспечивающему почти полную её очистку от взвешенных частиц, когда их содержание не превышает 2 мг/л.

Фильтрование - процесс ситового отделения взвешенных частиц на пористой перегородке, в промышленных масштабах чаще всего осуществляется с использованием насыпных фильтров с кварцевым песком. После насыщения песчаного фильтра взвесью его регенерируют (промывают) обратным током воды.

  • 2. Примеси коллоидной степени дисперсности (1-100 нм), практически не оседают, участвуя в хаотическом броуновском движении. Они могут быть как органического, так и неорганического происхождения. Коллоидный размер имеют вирусы. Молекулы гуминовых и фульвокислот, а чаще всего их соли, будучи природными полимерами, имеющими коллоидную степень дисперсности, обусловливают цветность воды, устраняемую путем ее осветления.
  • 3. Примеси молекулярной степени дисперсности (1-10 нм) образуют с водой гомогенные системы (истинные растворы). В виде молекул в воде содержатся растворенные газы (О2, N2, H2S, СН4, NH3 и др.) и органические вещества, а также слободиссоциирующие неорганические соединения. Примеси третьей группы наиболее эффективно извлекаются из воды путем дегазации, адсорбции, окисления, а также экстракции. Некоторые органические соединения могут быть удалены за счет биохимического разложения.
  • 4. Примеси ионной степени дисперсности (0,1-1 нм), представляющие собой электролиты, удаляют из воды переводом ионов в малорастворимые соединения (реагентное осаждение), путем использования мембранных (обратный осмос, нанофильтрация, электродиализ) или ионообменных методов. Возможно также применение и других методов, например, вымораживания или дистилляции, основанных на фазовых переходах воды.

Выбор методов водоподготовки определяется химическим составом природной воды, носящим региональный характер, и требуемым результатом очистки. Учитывая, что водоподготовка является самым крупнотоннажным видом производства, в её технологии естественно учитывается не только эффективность, но и экономичность процесса. Следует заметить, что на системы подачи и централизованного распределения воды приходится существенный расход электроэнергии (в среднем 1 кВт ч/м3), поэтому затраты на доставку водопроводной воды потребителю могут быть значительно уменьшены за счет сокращения водопотребления.

Осветление воды, предназначенное для удаления примесей коллоидной степени дисперсности, производится с использованием коагулянтов. В физико-химическом понимании коагуляция - процесс соединения коллоидных частиц друг с другом в более крупные частицы, которые становятся седиментационно-неустойчивыми и оседают на дно. Коллоидные растворы коагулируют при введении в них электролитов или коллоидов противоположного знака, под действием физических факторов таких, например, как изменение температуры. Обработкой воды коагулянтами можно устранить до 80-90% веществ, обусловливающих цветность воды.

В качестве коагулянтов в водоподготовке применяют соли поливалентных металлов - сернокислый алюминий А12(8О4)з18Н2О, сульфат закисного железа FeSO4-7H2O, хлорное железо РеС1з 6Н2О и некоторые другие. Попадая в воду, солевые коагулянты гидролизуются с образованием труднорастворимых оснований или основных солей, например:

FeCl3 + ЗН2О Fe(OH)3 + ЗНС1

Fe3+ + ЗН2О Fe(OH)3 + ЗН+

Процесс гидролиза солевого коагулянта сопровождается выделением кислоты, которая для смещения равновесия и полноты протекания гидролиза, должна быть связана. В природной воде связывание ионов водорода происходит согласно реакции:

Н+ + НСО3“ = СО2Т + Н2О

Наличие бикарбонат-ионов в воде является необходимым условием для обеспечения глубокого протекания процесса гидролиза. При малой щелочности исходную мягкую воду подщелачивают известью, едким натром или содой.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется существованием двойного электрического слоя ионов, и скачка потенциала на границе раздела фаз. Возникновение заряда у коллоидных частиц обусловливается избирательной адсорбцией ионов определенного знака из дисперсионной среды или же диссоциацией поверхностных молекул, образующих частицу. Обычно ядро коллоидной частицы адсорбирует ионы, в составе которых находятся элементы или атомные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пескова-Фаянса).

Коллоидная частица (мицелла) в целом электронейтральна, так как к ней притягиваются ионы противоположного знака. Таким образом, вокруг частицы возникает двойной электрический слой, внутренняя обкладка которого расположена на поверхности частицы, а внешняя граничит с жидкостью, окружающей частицу. Этот внешний слой называется диффузным, причем его заряд будет равен и противоположен по знаку заряду частицы (гранулы). Концентрация противоионов максимальна у поверхности (плотный ионный слой) и убывает с увеличением расстояния от поверхности частицы. Структуру мицеллы, например, Fe(OH)3, образовавшуюся при гидролизе FeCl3 (слабокислая или нейтральная среда), можно представить формулой:

_________гранула_______

{[ Fe(OH)3]m • п Н+- х СР}' (n-х) СГ

ядро адсорбционный диффузный |________________слой____________слой мицелла

Из щелочного раствора ядро мицеллы сорбирует гидроксил-анионы, и гранула приобретает отрицательный заряд.

Ионы, образующие двойной электрический слой, способствуют удержанию молекул воды около коллоидных частиц и возникновению вокруг них гидратных оболочек. Обладая упругими свойствами, эти оболочки препятствуют слипанию частиц и являются основной причиной агрегативной устойчивости золей. Чем толще диффузный слой, тем плотнее гидратная оболочка вокруг одноименно заряженных ионов, тем стабильнее коллоидный раствор.

При движении частица увлекает с собой только часть прилегающего к ее поверхности диффузного слоя, а его внешняя часть остается вне сферы действия частицы. Это приводит к появлению элек-грокинетического потенциала, или дзета-потенциала между частицей и раствором. Величину дзета-потенциала определяют по скорости электрофореза (движение заряженных дисперсных частиц в дисперсионной среде под действием внешнего электрического поля). Значение дзета-потенциала зависит от количества противоионов, увлекаемых частицей, - с их увеличением его значение уменьшается.

Электрокинетический потенциал уменьшается с понижением температуры и при увеличении концентрации и заряда противоионов в растворе. С его уменьшением снижается агрегативная устойчивость коллоидных частиц за счет ослабления силы отталкивания. При определенной концентрации противоионов дзета-потенциал становится равным нулю (изоэлектрическое значение pH), когда мицелла становится электронейтральной. Экспериментально установлено, что при значении ^-потенциала выше 30 мВ, золи практически устойчивы, а при значении меньше 30 мВ - начинается процесс коагуляции.

Коллоидные частицы, находящиеся в природных водах (глинистые вещества, гуминовые кислоты), приобретают заряд, в основном, за счет диссоциации поверхностных молекул. Так как эти вещества амфотерны, то вид и степень их диссоциации зависят от pH раствора. Изоэлектрические значения pH для примесей природных вод находятся в кислой области: для глин рНиэ = 5, для гуминовых веществ - 3,5-

4,5. В нейтральной среде природные примеси диссоциируют как кислоты с приобретением отрицательного знака дзета-потенциала.

Гидроксиды железа или алюминия, образовавшиеся в результате гидролиза солевого коагулянта и находящиеся вначале в коллоидном состоянии, имеют положительно заряженные частицы (гранулы). Основная масса коллоидных частиц природной воды имеет отрицательный заряд. За счет взаимной нейтрализации частиц нарушается их агрегативная и кинетическая устойчивость, происходит слипание и седиментация {взаимная коагуляция коллоидов).

Процесс коагуляции имеет две стадии — скрытую и явную. На скрытой стадии происходит формирование коллоидного раствора Fe(OH)3 и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагуляции вода в основном и очищается от первичных коллоидных примесей; на следующей, второй стадии процесса, образуются крупные хлопья (флокулы) размером 1-3 мм, которые, обладая высокой сорбционной способностью, дополнительно извлекают примеси молекулярной и ионной степени дисперсности.

Коагулирующий гидроксид во время формирования макрофазы сорбируется на поверхности грубодисперсных частиц и одновременно образует "клеевые мостики", связывающие эти частицы между собой в комплексы. Образующаяся макрофаза имеет весьма рыхлую структуру, так как промежутки между частицами заполнены водой. Она имеет плотность 1,001 - 1,028 г/см3, мало отличающуюся от плотности воды, и малую механическую прочность.

Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура и режим перемешивания. При повышении температуры увеличивается скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твердой фазы, что в конечном результате ускоряет и углубляет коагуляцию примесей. При понижении температуры уменьшается скорость броуновского движения частиц и молекул воды, а число эффективных столкновений коллоидных частиц снижается, поэтому устойчивость системы повышается. Как показывает практика для создания оптимальных условий процесса необходимо сначала быстрое перемешивание воды с коагулянтом (менее 10 минут), а затем процесс должен происходить в более спокойной гидродинамической обстановке.

Для интенсификации процесса коагуляции в обрабатываемую воду вводят специальные вещества - флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц в этом случае происходит, не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта. В качестве флокулянтов используют неорганические (активная кремнекислота) или органические высокомолекулярные соединения, среди которых наиболее широкое применение получил полиакриламид. Молекула полиакриламида диссоциирует и по кислотному, и по основному типу в зависимости от pH; в изоэлектрическом состоянии степень его диссоциации по обоим типам одинакова. Применение флокулянтов особенно эффективно при низких температурах и пониженных значениях pH (кислые СВ).

На заключительном этапе очищенная от примесей различной степени дисперсности вода подвергается обеззараживанию для обеспечения эпидемической безопасности, определяемой микробиологическими и паразитологическими показателями.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >