Методы очистки воды

Методы водоподготовки должны выбираться при сопоставлении состава исходной воды и ее качества, регламентированного нормативными документами или определенного потребителем воды. После предварительного подбора методов очистки воды анализируются возможности и условия их применения, исходящие из поставленной задачи.

Чаще всего результат достигается поэтапным осуществлением нескольких методов. Таким образом, важными
являются как выбор собственно методов обработки воды, так и их последовательность.
Методов водоподготовки – около 40. Здесь кратко рассмотрены только наиболее часто применяемые.

Осветление воды фильтрованием

Фильтрование является важнейшим этапом приготовления воды и применяется для самых различных целей. При подготовке питьевой воды, подаваемой из общественных водопроводных сетей, как правило, применяется тонкое фильтрование с использованием сетчатых фильтров с промывкой или картриджных фильтров. В технике подготовки вода из индивидуальных или поверхностных источников водоснабжения наиболее широко применяют скорые напорные фильтры. В качестве фильтрующего материала в зависимости от целей фильтрации применяется кварцевый песок, антрацит, активированный уголь, доломит, керамзит и др. Высота фильтрующего слоя в напорных фильтрах определяется качеством исходной воды и крупностью фильтрующего материала. Скорость фильтрования зависит от качества исходной воды, природы фильтровального материала и находится в пределах от 5 до 15 м/ч.
Для восстановления фильтрующей способности загрузки, как правило, применяется обратная промывка током воды или водо-воздушная смесью. Объем поступающей противотоком промывной воды обеспечивает удаление налипших загрязнений, воздух усиливает отмывку зерен загрузки от загрязнений. Скорость промывки составляет – до 60 м/ч.

Обезжелезивание

Решение проблемы удаления железа из воды представляется довольно сложной и комплексной, в связи с этим вряд ли возможно установить какие-либо универсальные правила очистки.
Типичная картина, которая наблюдается при подъеме железистой воды из скважины, такова: вначале вода, выкаченная из скважины, абсолютно прозрачна и кажется чистой, но проходит несколько десятков минут и вода мутнеет, приобретая специфический желтоватый цвет. Через несколько часов муть начинает оседать, образуя рыхлый осадок. Процесс осаждения может длиться несколько дней. Скорость осаждения зависит от температуры и состава воды. Наличие железа можно определить и на вкус. Начиная с концентрации 1,0-1,5 мг/л вода имеет характерный неприятный металлический привкус. Игнорирование проблемы железа в воде оканчиваются плохо и стоит дорого: потеря «белизны» ванн, отказ импортной бытовой техники, систем отопления и нагрева воды. В системе горячего водоснабжения проблемы, обусловленные повышенным содержанием железа, многократно возрастают.
Уже при концентрации 0,5 мг/л идет интенсивное появление хлопьев, образующих рыхлый шлам, который забивает теплообменники, радиаторы, трубопроводы, сужает их проходное сечение.
Российские санитарные нормы ограничивают концентрацию железа в воде для хозяйственно-питьевых нужд в пределах 0,3 мг/л. В подземной же воде она колеблется в пределах от 0,5 до 50 мг/л. В Центральном регионе, включая Подмосковье – от 0,5 до 10 мг/л, наиболее часто 3-5 мг/л.
В соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84* метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.
Все многообразие методов, применяемых в технологии обезжелезивания воды, можно свести к двум ос-
новным типам – реагентные и безреагентные. Обезжелезивание поверхностных вод можно осуществлять лишь реагентными методами. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработки воды:
– упрощенная аэрация;
– аэрация на специальных устройствах;
– коагуляция и осветление;
– введение таких реагентов-окислителей, как хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон, перманганат калия.

Деманганация воды

Деманганация воды – это удаление ионов марганца. Деманганация производится практически теми же методами, что и обезжелезивание. Однако в большинстве случаев следует использовать сильные окислители, т. к. марганец чаще всего образует органические соединения. Если железо и марганец содержатся в сырой воде в очень больших концентрациях, целесообразно осуществлять обработку воды в несколько стадий.

Известные в технологии улучшения качества воды методы ее деманганации можно классифицировать на безреагентные и реагентные; окислительные, сорбционные, ионообменные и биохимические.
К числу безреагентных методов удаления марганца из воды следует отнести: глубокую аэрацию с последующим отстаиванием (вариант) и фильтрованием на скорых осветительных фильтрах с сорбцией марганца на свежеобразованном гидрооксиде железа.
К числу реагентных методов деманганации воды, прежде всего, относятся окислительные с использованием хлора и его производных, озона, перманаганата калия, кислорода.

Обработка перманганатом калия

Наиболее эффективным и технологически простым методом удаления марганца из вод поверхностных и подземных источников в настоящее время является обработка их перманганатом калия. Метод основан на способности перманганата калия окислять содержащейся в воде марганец (II) с образованием малорастворимого оксида марганца.
ЗМп2+ + 2МпО4 + 2Н2O =5MnО2↓ + 4Н+
При обработке воды перманганатом калия снижение привкусов и запахов происходит также вследствие частичной сорбции органических соединений образующимся мелкодисперсным хлопьевидным осадком оксида марганца. Применение перманганата калия дает возможность удалить из воды, как марганец, так и железо независимо от форм их содержания в воде.

Использование катализаторов окисления марганца

Установлено, что предварительно осаженные на поверхности зерен фильтрующей загрузки оксиды марганца оказывают каталитическое влияние на процесс окисления иона марганца (II) растворенным в воде кислородом. При фильтровании аэрированной и подщелоченной (при низких рН) воды, содержащей марганец, через песчаную загрузку по прошествии некоторого времени на поверхности зерен песка образуется слой, состоящий из гидроксида
марганца Мn(ОН)4, который адсорбирует положительно заряженные ионы марганца (II). Гидролизируясь, эти ионы реагируют с осадком Мп(ОН)4, образуя хорошо окисляемый полутораоксид Мп2О3, по реакциям:
Мп(ОН)4 + Мп(ОН)2 = Мп2Оз + ЗН2О
2Мn2O3 + О2 + 8Н2O = Мп(ОН)4
Таким образом, в результате снова образуется гидроксид марганца (IV), который опять участвует в процессе
окисления в качестве катализатора. Использование этого свойства оксидов марганца дало возможность применить в практике кондиционирования воды метод ее фильтрования через песок, зерна которого предварительно покрыты пленкой оксида марганца (так называемый «черный песок»). Для этого обычный кварцевый песок крупностью 0,5-1,2 мм обрабатывают последовательно 0,5%-ным раствором хлорида марганца и перманганата калия.

Деманганация воды фильтрованием через модифицированную загрузку

Предыдущий метод фильтрования аэрированной воды через загрузку, обработанную оксидами марганца, имеет ряд недостатков, заключающихся в следующем:
– постепенном измельчении частиц, образующих покрытие зерен загрузки, при работе фильтра, и проскоке их в фильтрат;
– значительный расход перманганата калия.
Для исключения указанных недостатков был запатентован метод деманганации воды фильтрованием через модифицированную загрузку, приготавливаемую последовательным пропуском снизу вверх через кварцевый песок растворов железного купороса и перманганата калия, что позволяет достичь экономии последнего. Для закрепления образующей пленки из гидроксида железа и оксида марганца на зернах фильтрующей загрузки, последнюю, затем, дополнительно обрабатывают тринатрийфосфатом или сульфитом натрия.

Умягчение воды

С жесткой водой сталкивается каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. В жесткой воде хуже пенится стиральный порошок и мыло. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, в пивоварении, производстве водки, негативно влияет на стабильность майонезов и соусов. Чай и кофе тоже лучше заваривать мягкой водой.
Жесткость воды определяется суммарным содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Гидрокарботаны кальция и магния образуют карбонатную или временную жесткость воды, которая полностью устраняется при кипячении воды в течение часа. В процессе кипячения растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, выпадающие в виде белого осадка или накипи, с выделением при этом углекислого газа. Соли же сильных кислот, например, сульфаты и хлориды кальция и магния – образуют некарбонатную или постоянную жесткость, не изменяющуюся при нагревании воды.
Высокая гидрокарбонатная (временная) жесткость воды делает её непригодной для питания котлов и бойлеров. Стенки котлов постепенно покрываются слоем накипи. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15%, а слой толщиной 10 мм – снижает теплоотдачу уже на 50%. Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива или электроэнергии.

Распространено мнение, что жесткая вода – это плохая вода. В действительности ситуация с солями жесткости не так однозначна. Чрезмерная мягкость воды, с другой стороны, является одним из основных факторов, влияющих на её коррозионную активность. Коррозия ведет не только к утечкам в металлических трубопроводах, разрушению и поломке оборудования, но и к ухудшению химического и микробиологического состава воды в водопроводе
В тех случаях, когда вода слишком жесткая и её необходимо умягчить, применяют следующие методы – термический, дистилляцию или вымораживание, реагентныи, ионообменный, комбинированный, представляющего собой различные сочетания перечисленных методов.

Термический способ, связан с нагревом воды, снижает только временную (карбонатную) жесткость. В бытовых условиях этот способ применяет каждая хозяйка, кипятя воду; в промышленности этот метод практически не применяют.

Реагентное умягчение воды производится за счет добавления в воду соды или гашеной извести. При этом ионы кальция и магния переходят в нерастворимые соединения, выпадающие в виде осадка. Реагентный метод хорош только для больших станция водоподготовки, поскольку связан с рядом специфических проблем: утилизации твердого осадка, необходимости точной дозировки химикатов и их правильной подачи в исходную воду.

Умягчение воды катионированием наиболее широкое распространение получили установки умягчения воды с ионообменной смолой. Ионообменные смолы при контакте с водой поглощает ионы кальция и магния, отдавая взамен ионы натрия или водорода, называясь, соответственно, Na-катионитовой и Н-катионитовой. Na-катионитовые загрузки регенерируются раствором поваренной соли (NaCI) или сернокислого натрия (Na2S04). Н-катионитовые згрузки регенерируют раствором серной (H2SO4) или соляной (НСl) кислот.
При регенерации происходит обратный ионный обмен – ионы кальция и магния удаляются из катионита, который вновь насыщается ионами натрия или водорода. Частота регенерации рассчитывается исходя из жесткости исходной воды, водопотребления и емкости катионита по отношению к солям жесткости.
Натрий-катионированиее применяют для умягчения воды с содержанием, не более: взвеси – 8 мг/л, цветностью – 30 град платиново-кобальтовой шкалы, солесодержания 1000 мг/л, окисляемостью перманганатной – 5 мгО/л. Жесткость воды снижается при параллельноточном одноступенчатом катионировании – до 0,05-1,0 ммоль/л, при двухступенчатом – до 0,005-0,02 ммоль/л. Показатель жесткости зависит от многих факторов, в том числе от скорости фильтрования, исходной минерализации воды и т.д. По мере протекания воды через слой катионита, ранее заряженный ионами натрия, последние замещаются ионами кальция и магния, то есть катионит «истощается». Тогда его следует регенерировать. Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него раствора хлорида натрия (поваренной соли).
Поваренную соль применяют для регенерации из-за ее доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаСl2 и МgСl2 легко удаляемые с регенерационным раствором и отмывочной водой.
Метод умягчения, при котором подача фильтруемой воды и регенерирующего раствора осуществляется в противоположных направлениях называется противоточным катионированием. При таком способе фильтруемая вода соприкасается с наиболее полно отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. При этом значительно снижается расход реагентов на регенерацию катионита без уменьшения глубины умягчения.
Водород-катионирование (Н-катионирование) основано на фильтровании воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов ион водорода. При Н-катионировании воды значительно снижается ее рН из-за кислот, образующихся в фильтрате. Н-катионирование чаще используют для удаления “временной” карбонатной жесткости т. е. происходит “декарбонизация” воды. Выделяющийся при Н-катионировании оксид углерода (IV) можно удалить дегазацией, и в растворе останутся минеральные кислоты в количествах, эквивалентных содержанию сульфатов и хлоридов в исходной воде.

Некарбонатная жесткость – называемая также «остаточная» жесткость – при этом остается. Следовательно, пропорционально смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со щелочным фильтратом после Na-катионитовых фильтров, можно получить умягченную воду с различной щелочностью. В этом заключается сущность и преимущество Н-Na-катионитового метода умягчения воды. Применяют параллельное, последовательное и смешанное (совместное) Н-Na-катионирование.
Выбор метода умягчения воды определяется ее качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими соображениями. В соответствии с рекомендациями СНиП при умягчении подземных вод следует применять ионообменные методы; при умягчении поверхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды – известковый или известково-содовый метод, а при глубоком умягчении воды – последующее катионирование.

 

Физические методы умягчения воды

Отдельно стоят физические методы умягчения воды: магнитный, ультразвуковой, электромагнитное воздействие с переменной частотой. Химический состав воды при этом не меняется.

Электромагнитная обработка с переменной частотой.
В основе технологии обработки воды положен принцип изменения формы кристалла карбоната кальция под действием электромагнитных волн (диапазон применяемых частот 1-10Гц). Эти волны абсолютно безвредны для человека. Под действием электромагнитных волн меняется структура кристаллов накопившихся отложений накипи. Преобразованная в хрупкие кристаллы накипь легко смывается с поверхностей и выносится потоком.
Специфика такого метода заключается в том, что кристаллическая решетка восстанавливается через 5-6 дней после прекращения воздействия. Свойства умягченной воды утрачиваются. Они восстанавливаются при повторной обработке. Не требуется реагентов, дренажных каналов, отсутствуют стоки. Метод эффективен при обработке вод кальциево-кар бонатного класса, которые составляют около 80% вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85% ее территории.

Обеззараживание воды

Обеззараживание воды имеет важное значение и почти повсеместное применение, так как это последний барьер на пути передачи связанных с водой бактериальных и вирусных болезней. Обеззараживание воды является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции. Использование для питья подземной воды в большинстве случаев возможно без обеззараживания.
Обычными методами обеззараживания являются:
- хлорирование путем добавления хлора, диоксида хлора, гипохлорита натрия или кальция;
- озонирование воды;
- ультрафиолетовое облучение.
Конкретный способ обеззараживания определяется с учетом производительности и затрат.

Ультрафиолетовое облучение
Обеззараживающий эффект ультрафиолетового излучения обусловлен фотохимическими реакциями, в
результате которых происходят необратимые изменения в структуре молекул ДНК и РНК. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм. При у/ф-облучении не изменяются физико-химические показатели качества воды, привкус и запах. Процесс стерилизации проходит без добавления в воду каких-либо химикатов. В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются от 16 до 40 мДж/см2. Российские нормативы для питьевой воды предписывают осуществлять обеззараживание излучением, доза которого составляет не менее 16 мДж/см2; при этом качество воды до УФ-обработки должно соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.

Обратный осмос

Процесс самопроизвольного перетекания веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной концентрации или чистый растворитель и раствор, называется осмосом. При осмосе менее концентрированный раствор перетекает в более концентрированный, до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выравняются.
Предложено несколько гипотез, объясняющих некоторые факторы осмоса, но единой теории пока нет.
Если со стороны протекающей через аппарат природной воды с некоторым содержанием примесей приложить давление, превышающее осмотическое давление, то вода будет просачиваться через мембрану и скапливаться по другую ее сторону, а примеси – оставаться с исходной водой, увеличивая ее концентрацию. Этот процесс и технология названы обратным осмосом (или, как ранее называли, гиперфильтрация).
Явление осмоса лежит в основе всасывания растениями питания из почвы.
С помощью этого метода можно проводить опреснение воды. В нормальных условиях эффект опреснения составляет 95-98%. Разделение воды и содержащихся в ней веществ достигается с помощью полупроницаемой мембраны. Современные обратноосмотические мембраны – композитные – состоят из нескольких слоев. Общая толщина 10-150 мкм, причем толщина собственно селективного слоя, который определяет селективность мембраны – не более 1 мкм. Сами мембраны изготавливаются из полимерных материалов: целлюлозы и ее эфиров, полиами-
дов, полиолефинов, сополимеров акрилонитрила с винилхлоридом, поливинилхлорида и выпускаются в виде полых волокон или рулонного типа. Через микроскопически малые поры этих мембран может проникать чистая вода,
а растворенные в ней соли, микроорганизмы, органические соединения и т. д. в основном задерживаются мембраной.
На стадии предварительной обработки воды следует ее отфильтровать и при необходимости очистить от хлора. Для бытовых мембранных фильтров, где как правило, в качестве исходной используется водопроводная вода, предочистка перед мембранами упрощается, но в любом случае необходимы патронные фильтры с пористостью 5 мкм.

Фильтрация на активных углях

Фильтрование на активных углях чаще всего применяется на последней ступени очистки и является предпочти-
тельным способом улучшения качества питьевой воды. Такое дополнительное осветление воды необходимо в тех случаях, когда требуется устранить незначительные нарушения показателей цветности, вкуса и запаха воды.