Технологии водоочистки
Умягчение воды
Жесткость воды определяет содержание в ней так называемых солей жесткости (солей Са, Mg). В соответствии с СанПиН жесткость не должна превышать 7 мг экв/л (в отдельных случаях до 10 мг экв/л).
Если жесткость воды превышает эти показатели, то производится умягчение воды, т.е. удаление из нее солей Са и Mg.
Для умягчения используются следующие методы:
1. Импфирирование воды (метод применяется в тех случаях, когда из воды необходимо удалить карбонатную жесткость (Са(НСО3 )2, СаСО3, Mg(НСО3 )2, MgСО3), а некарбонатную (СаSO4, СаCl2 , Са(NO3)2, MgSO4, Mg Cl2, Mg(NO3)2) можно оставить. Данный метод заключается в переводе карбонатной жесткости в некарбонатную жесткость путем простого подкисления (Са(НСО3 )2 +2HCl СаCl2 + 2Н2СО3 ). Метод имеет следующие недостатки: 1)необходим постоянный контроль за дозировкой кислот, 2) требуется защита оборудования от коррозии, которая возникает под действием агрессивных сред).
2. Термическая обработка
3. Совокупность реагентных методов, суть которой состоит в переводе ионов Са и Mg в практически нерастворимые соединения.
4. Метод ионного обмена, который основан на пропускании воды через специальные ионообменные материалы
5. Комбинированные методы
Выбор метода умягчения зависит от исходной жесткости воды, от необходимой глубины умягчения воды, от технико-экономических показателей. На практике в последние годы наибольшее распространение и применение получил метод ионного обмена, т. к. он является наиболее экономически оправданным способом умягчения воды.
Метод ионного обмена - основан на использовании специальных ионообменных материалов, так называемых ионитов (обычно, это - шарики специальной смолы). Ионообменные материалы являются высокомолекулярными соединениями кислого или основного характера, которые получают путем поликонденсации исходных мономеров, либо их сополимеризации.
Для умягчения воды, т.е. для удаления ионов Са, Mg используются катиониты, а процесс называется катионированием.
Магнитная обработка воды
Метод основан на пропускании воды через магнитное поле. Предполагается, что под действием магнитного поля:
1. происходит деформация имеющихся в воде ионов. Это уменьшает гидратацию ионов, и таким образом способствует их сближению и образованию центров кристаллизации.
2. происходит изменение структуры самой воды
3. происходит воздействие на примеси воды, особенно коллоидной степени дисперсности.
В итоге магнитная обработка воды приводит к следующему:
1. ускоряется коагуляция
2. усиливаются все адсорбционные процессы
3. изменяется процесс кристаллизации солей
Конкретно метод применяется для борьбы с образованием накипи на стенках котлов и нагревательных элементов, т.к. при воздействии магнитного поля на воду накипь образуется не на поверхности нагрева, а в толще воды, образующийся шлак удаляется продувкой.
Достоинства этого метода:
1. прост, дешев, безопасен
2. замедляет рост водорослей
3. снижаются коррозийные процессы.
Недостатки данного метода:
* все соли жесткости остаются в воде, для их удаления требуется дополнительное механическое воздействие,
* вода сохраняет свои свойства в течение небольшого промежутка времени,
* так как химический и дисперсный составы примесей природной воды меняются по сезонам и районам, а степень пересыщения воды по СаСО3 , зависит также от температуры, то эффективность магнитной обработки может изменяться в широких пределах вплоть до нулевых значений в зависимости от совпадения факторов влияющих на процесс. Данный метод для умягчения хозяйственно-питьевых вод применять не рекомендуется.
Обеззараживание воды
Обеззараживание воды - это процесс обработки воды, который проводится для удаления патогенных (болезнетворных) и снижения общего количество микроорганизмов. Если вода соответствует всем требованиям СанПиН, кроме микробиологических, её нельзя подавать потребителям, обязательно проводится обеззараживание реагентными либо безреагентными методами.
К реагентным методам обеззараживания воды относятся:
1. обеззараживание воды озоном
2. обеззараживание воды ионами серебра (олигодинамия)
3. обработка воды хлором и хлорирующими реагентами
К безреагентным методам обеззараживания воды относятся:
* беззараживание воды ультрафиолетовыми лучами
* обеззараживание воды ультразвуковыми волнами
Обеззараживание воды озоном
Озон - это аллотрофная модификация кислорода. Его молекула состоит из трех атомов кислорода (О3). Озон может находиться в трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях - это газ бледно голубого цвета, со специфическим запахом свежести.
В технике озон получают в специальных озонаторах, в которых сухой очищенный воздух подвергают воздействию тихого электрического разряда. 3О2 > 2О3
Реакция идет с поглощением большого количества энергии. Это значит, что молекула озона не устойчива. Может самопроизвольно превращаться в молекулу кислорода и атомный кислород О3 = О2 + О
Благодаря высокому окислительному потенциалу, озон активно вступает во взаимодействие с органическими и неорганическими веществами и бактериальными клетками.
Механизм обеззараживающего действия озона состоит в том, что он проникает внутрь бактериальной клетки и окисляет вещества, которые входят в состав цитоплазмы. Остаточное содержание озона в воде по СанПиН не более 0,3 мг/л.
Способ имеет следующие преимущества:
1. Озон, как обеззараживающее средство, действует быстрее хлора в 15 - 20 раз. При этом расход озона меньше, а диапазон действия больше, чем у Сl2
2. При озонировании воды на конечный эффект не влияет температура, мутность, цветность, рН.
3. Озон вырабатывается на месте
4. Озонирование не меняет в худшую сторону органолептические показатели качества воды, а во многих случаях даже улучшает
5. Озон не вносит в воду дополнительных загрязнений
Способ имеет следующие недостатки:
1. Чистый озон взрывается при самом незначительном воздействии 10%-ая озоновоздушная смесь взрывоопасна в меньшей степени. Поэтому работа с озоном требует особых мер безопасности.
2. Метод дорогой, т.к. требует больших затрат электроэнергии
3. Высокая коррозионная активность озона и поэтому необходимо пользоваться особо стойкими материалами
4. Возможность вторичного бактериального загрязнения воды при ее транспортировке
Обеззараживание воды ионами серебра (олигодинамия).
Предположительно механизм воздействия ионов серебра на бактериальную клетку следующий. Ионы серебра Ag+ разрушают цитоплазму бактериальной клетки, взаимодействуют с её ферментами, блокируют их и нарушают обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Обеззараживание в этом случае тем эффективнее, чем выше температура обрабатываемой воды и концентрация Ag+ в растворе.
Обогащение воды ионами серебра возможно следующими путями:
1. Металлическим серебром. В этом случае, ионов серебра в растворе будет тем больше, чем больше поверхность соприкосновения воды с металлом, поэтому серебро напыляют тонким слоем на предметы с развитой поверхностью и фильтруют через них обрабатываемую воду.
2. Электролитический метод
Основан на одном растворении серебра. Метод позволяет установить точную дозировку ионов серебра, которые подаются в воду, позволяет регулировать процесс обеззараживания.
Вода, насыщенная ионами серебра, называется серебряной водой. Она по своим бактерицидным свойствам гораздо сильнее таких реагентов как хлор и хлорная известь
Кроме того, что ионы серебра Ag+ разрушают цитоплазму бактериальной клетки, они еще и воздействуют на микрофлору организма человека, со временем разрушая ее (дезбактериоз), что приводит к заболеваниям желудочно-кишечного тракта. Поэтому воду, насыщенную ионами серебра, не рекомендуется использовать в питьевом водоснабжении. В случае использования такой воды, ее необходимо пропускать через полупроницаемые мембраны, которые будут задерживать ионы серебра, и предотвращать их попадание к потребителю. Олигодинамия применяется для обеззараживания небольших количеств воды на автономных объектах. Особенно эффективно использовать олигодинамию при необходимости длительного хранения воды.
Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами
Бактерицидное воздействие солнечного света известно давно, причем в обеззараживании воды либо воздуха основной вклад вносит ультрафиолетовая часть спектра, т.е. лучи с длиной волны 260 нм. Механизм бактерицидного действия лучей заключается во влиянии их на ферменты и протоплазму бактериальной клетки. При этом отмирают вегетативные формы бактерий, а также погибают споры, вирусы, простейшие.
С физиологической точки зрения различают три дозы ультрафиолетовых лучей:
1. не вызывающие гибель бактерий (суббактерицидные)
2. минимальная бактерицидная доза, которая убивает большую часть бактерий данного вида
3. полная бактерицидная доза, которая убивает все бактерии данного вида
Способ имеет следующие преимущества:
1. Вода не меняет физических и химических свойств
2. Метод абсолютно безвреден
Способ имеет следующий недостаток:
1. Обеззараживание ультрафиолетовыми лучами не имеет пролонгированного действия и возможно вторичное бактериальное загрязнение воды при её подаче по сети.
Конструктивно аппараты, дающие ультрафиолетовое излучение, делятся на два вида:
1. С погружным источником излучения. В этом случае имеет место высокий КПД лампы. Эти аппараты имеют сложную конструкцию.
2. С непогружным источником излучения.
Обезжелезивание подземных вод.
В подземных водах железо чаще всего находится в виде двухвалентного железа (если в воде отсутствует растворенный кислород). Поэтому для обезжелезивания применяется фильтрование с предварительной обработкой воды методами аэрации, упрощенной аэрации, применением окислителей, методом ионного обмена.
1) Упрощенная аэрация.
Воду насыщают кислородом, т. е. аэрируют, и сразу подают на фильтр. Весь процесс перехода Fe+2 в Fe+3 происходит в фильтрующем слое, а на поверхности зерен фильтрующей загрузки образуется каталитическая пленка. Она состоит из Fe(OH)3 и интенсифицирует процесс обезжелезивания. При этом содержание O2 в воде должно быть не менее 0.6 мг/л.
2) Метод ионного обмена.
Заключается в использовании катионитов и позволяет провести глубокое обезжелезивание воды, но применение целесообразно, если необходимо одновременное умягчение воды.
3) Применение катализаторов.
М етод основан на применении катализаторов, которые способны ускорять преобразование двухвалентного железа в трехвалентное железо даже при очень низких значениях pH. Катализатором служит "черный песок" - это обычный кварцевый песок, который попеременно смачивают 15% раствором MnCl2 и 1% раствором KMnO4. Каталитическое действие окислов марганца следующее: растворенный в воде кислород способствует тому, что двухвалентное железо окисляется до трехвалентного железа, а Mn+7 до Mn+4. В качестве фильтрующей среды используются различные природные вещества, включающие в свой состав двуокись марганца ( Birm, Filox, Greensand и т. д.).
Мембранные методы очистки воды. Метод обратного осмоса
Опреснение - это процесс снижения содержания солей в воде до предела близкого к их содержанию в питьевой воде, т.е. 1000 мг/л.
Обессоливание - это процесс полного удаления солей из воды.
1) Обессоливание и опреснение воды методом электродиализа.
Метод заключается в пропускании электрического тока через обрабатываемую воду, при этом происходит электролиз солей, находящихся в воде. Положительно заряженные катиониты движутся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные аниониты к положительно заряженному аноду.
Катодом служит электрод из магнетита, анодом - электрод из железа. На производстве используют многокамерные диализаторы, имеющие 100-200 камер. В качестве перегородок используются особые селективные мембраны. Они состоят из пористого инертного материала, в котором опресованы зерна ионита. При погружении диафрагмы в воду происходит частичная диссоциация ионитов и диафрагма приобретает заряд. Установка состоит из ряда катионитовых и анионитовых чередующихся диафрагм. Под действием электрического тока начинается перемещение ионов таким образом, что во всех четных камерах останется чистая вода, а во всех нечетных - рассол. Метод позволяет провести глубокое обессоливание воды.
Однако необходимо учитывать, что вода, используемая в электродиализаторах, требует предварительной, тщательной обработки.
1) Исходная вода не должна содержать взвешенные частицы, которые могут осаждаться в камерах и вызывать повышенную поляризацию мембран; для удаления взвеси достаточно установить механический фильтр.
2) Накопление шлама из частиц твердой фазы типов СаСО3, Mg(ОН)2 на мембранах или электродах вызывает увеличение омического сопротивления аппарата.
3) При работе электродиализатора возможно образование твердой фазы вследствие электрокоагуляции коллоидных частиц.
4) Необратимые накопления в ионитных мембранах поливалентных ионитов, имеющих малую подвижность, приводит к отравлению мембран, т. е. к снижению их электрической проводимости.
Указанные трудности при использовании мембран приводит к сокращению срока их службы. Для анионитных мембран в некоторых случаях наблюдалась полная потеря обменной емкости после 300 дней работы.
2) Обессоливание воды методом гиперфильтрации или обратного осмоса.
Основным элементом опреснительных установок являются мембраны. Они изготовляются из различных полимеров, графита, пористого стекла, металлических фальш и т. п. Пористые мембраны подразделяются на: мембраны с эластичной, жесткой и комбинированной структурой. В зависимости от необходимой глубины обессоливания, применяются одно-, двух-, трехступенчатые обратноосмотические установки.
Мембрана укладывается внутри пористой трубы, которая способна выдержить высокое давление. Соленая вода через насос высокого давления подается в трубу. Она частично профильтровывается через мембрану и подается в сборный лоток, рассол сбрасывается.
Метод обратного осмоса обладает существенными преимуществами:
* не требуется регенерация химикалиями
* отсутствие вредных стоков
* компактность установок
* небольшие затраты в эксплуатации
* простота в обслуживании