Промышленная очистка воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы осаждения в промышленной очистке воды

Характеризуются образованием малорастворимой твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные и (или) растворенные загрязнения. Эта фаза создается за счет введения специальных реагентов.

Осадительные методы широко распространены в подготовке питьевой воды, а также воды для технических целей. Эти методы дают хорошие результаты по выведению коллоидных и взвешенных частиц.

Достоинствами этих методов промышленной водоочистки являются: низкая стоимость, использование широко распространенного и отработанного оборудования и доступных реагентов.

Недостатками являются: низкая эффективность, малая производительность и большое количество отходов.

Для увеличения производительности и уменьшения объема отходов вводят специальные вещества - флокулянты, представляющие собой растворимые высокомолекулярные вещества, молекулы которых обладают в растворенном виде зарядом.

Различают три основных осадительных метода: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение.

Коагуляция - образование и осаждение в жидкой фазе гидроксидов железа или алюминия с адсорбированными на них коллоидами загрязнений и соосажденными гидроксидами тяжелых металлов.

Флокуляция - процесс агрегатации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярного вещества, называемого флокулянтом.

Химическое осаждение - образование и осаждение в жидкой фазе малорастворимых кристаллических осадков с соосажденными ионами загрязнений.

При коагуляции в раствор вводятся специальные реагенты, при взаимодействии которых с водой образуется новая малорастворимая высокопористая фаза, как правило, гидроксидов железа или алюминия. Происходит также соосаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту.

В качестве коагулянтов обычно используют соли слабых оснований - железа и алюминия - и сильных кислот: Fe2(SO4)3, FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3, AlCl3.

Для любого процесса коагуляции первостепенное значение имеет выбор дозы коагулянта и рН воды. Как правило, они подбираются при пробной коагуляции.

Контактная коагуляция

Сократить объем используемого оборудования и расход реагентов позволяет так называемая контактная коагуляция. Она реализуется при введении раствора коагулянта перед механическим фильтром, на котором происходит процесс роста хлопьев и их осаждение.

Флокуляция

Флокуляция - процесс агрегатации частиц, в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярного вещества, которое называют флокулянтом.

При введении флокулянта резко ускоряется процесс образования и осаждения хлопьев при коагуляции, увеличивается плотность агрегатов и осадков, расширяется диапазон рН эффективного действия коагулянтов.

Флокулянты бывают неорганическими и органическими, природными и синтетическими, ионогенными и амфотерными.

Неорганическиефлокулянты - активная кремниевая кислота АКФК;

природные - крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ).

Синтетические представляют собой органические водорастворимые высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до миллионов дальтон. Они получили наибольшее распространение из-за лучших флокуляционных свойств и широкого выбора различных модификаций.

Мембранные методы

Современные технологии позволяют изготавливать объемные или плоские фильтрующие материалы с однородными каналами практически любого размера.

Мембранный метод основан на пропускании загрязненного раствора через полупроницаемую перегородку с отверстиями меньшими, чем размер частиц загрязнений.

Мембранные процессы включают в себя:

· макрофильтрацию;

· микрофильтрацию;

· ультрафильтрацию;

· нанофильтрацию;

· обратный осмос.

Макрофильтрация - это механическая фильтрация с удалением крупных видимых твердых частиц с размером пор 1-100 мкм. Как правило осуществляется на металлических и полимерных сетках различного типа с регенерацией обратным током очищенной воды.

Микрофильтрация - удаляет мелкие взвеси и коллоидные частицы, микроорганизмы(бактерии) с размером 0,1-1,0 мкм, определяемые как мутность или опалесценция раствора. Рабочее давление от 1,0 до 2,0 атм.

Ультрафильтрация - извлекает из воды коллоидные частицы, микроорганизмы (бактерии и вирусы), крупные органические макромолекулы, определяющие цветность воды, имеющие размер 0,01-0,1 мкм и молекулярную массу более 1000 дальтон. Рабочее давление от 0,7 до 7,0 атм.

Обратный осмос или нанофильтрация - очень близки по механизму разделения, схеме организации процесса, рабочему давлению, мембранам и оборудованию.

Обратный осмос - характеризуется использованием мембран с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются все растворенные ионы и органические молекулы. Рабочее давление от 7 до 70 атм.

Эффективность удаления методом обратного осмоса различных ионов зависит от их заряда и размера, определяющих степень гидратации и увеличивается с ростом этих характеристик.

Коэффициенты очистки имеют следующие значения: по одновалентным ионам Na+, K+, Cl-, NO3- равные -, а по двухвалентным Ca2+, Mg2+, SO42- - более 100.

Однако использование обратного осмоса имеет ряд ограничений. Вода, подаваемая на мембраны не должна содержать железа, грубых механических примесей, должна быть умягченной и т.п. Это необходимо для предотвращения отложения малорастворимых солей на поверхности мембран и их разрушения.

Нанофильтрация - удаляет молекулы и многозарядные ионы, имеющие размер от 0,001 до 0,01 мкм, органические молекулы с молекулярной массой выше 300 дальтон и все вирусы. Рабочее давление от 7 до 16 атм.

Нанофильтрация способна удалять ионы с зарядом больше 1, а однозарядные пропускать - извлечение NaCl составляет менее 50%. Селективность по двухзарядным катионам и анионам высокая, например, при фильтрации раствора MgSO4 извлечение составляет 98-99%. Тяжелые металлы удаляются практически полностью. В результате степень обессоливания ниже, чем при обратном осмосе, но фильтрат почти не содержит солей жесткости, т.е. происходит умягчение воды. Селективность к органике с молекулярной массой более 150-300 обеспечивает снижение цветности и окисляемости.

Сравнение различных мембранных методов по степени удаления из воды ионов и биологических загрязнений приведено в таблице.

Вещество	Микро-фильтрация	Ультра-фильтрация	Нано-фильтрация	Низконапорный обратный осмос	Обратный осмос
NaCl	0	0	0-50	70-95	99
Na2SO4	0	0	99	80-95	99
CaCl2	0	0	0-60	80-95	99
MgSO4	0	0	>99	95-98	>99
H2SO4	0	0	0	80-90	99
HCl	0	0	0	70-85	99
Вирусы	0	99	99,99	99,99	99,99
Бактерии	>50	99	99,99	99,99	99,99

Адсорбция

Сорбционные методы очистки основаны на процессах адсорбции и ионного обмена.Методом ионного обмена осуществляется извлечение из раствора ионов, а методом адсорбции - молекул.

Адсорбция - поглощение молекул растворенного вещества твердым нерастворимым телом - адсорбентом.

Адсорбенты - это твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью за счет высокой пористости.

Поглощение происходит за счет физической сорбции или хемосорбции на развитой поверхности адсорбента.

Физическая сорбция основана на силах межмолекулярного взаимодействия, и хемосорбция - на поглощении с участием химических реакций. При этом образуются новые химические соединения.

Наиболее распространенные адсорбенты - активированные угли. Они представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности.

Активированные угли изготавливают на древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон. Процесс их производства заключается в пиролизе материала, т.е. высокотемпературной обработке без доступа воздуха.

Наиболее распространенное применение в настоящее время получили импортные активированные угли, изготовленные из скорлупы кокосового ореха. В них сочетаются высокая прочность, стабильный оптимальный гранулометрический состав и высокая емкость.

При адсорбции из растворов извлекаются в основном молекулы органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо сорбируются фенолы, полициклические ароматические углеводороды, нефтепродукты, хлор- и фосфоорганические соединения. Активированные угли также используются как катализаторы разложения находящегося в воде активного хлора и озона.

Соли, находящиеся в воде в ионном виде, практически не извлекаются.

Умягчение воды

Процесс удаления из воды солей жесткости называют умягчением.

Жесткая питьевая вода горьковата на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения (по нормам ВОЗ оптимальная жесткость воды составляет 1,0-2,0 мг-экв/л). В бытовых условиях избыток солей жесткости приводит к зарастанию нагревающих поверхностей, отложению солей на сантехнике и выводу ее из строя, снижению срока службы и поломке бытовых приборов.

В пищевой промышленности жесткая вода ухудшает качество продуктов, вызывая выпадения солей при хранении, образование подтеков на поверхностях и т.п. Поэтому жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1-0,2 мг-экв/л.

В энергетике случайное кратковременное попадание жесткой воды в систему выводит из строя теплообменное оборудование, трубопроводы.

Процессы извлечения из воды солей Сa2+ и Mg2+ в водоподготовке называют умягчением. Относительно селективное удаление солей жесткости может производится тремя методами:

· реагентным умягчением;

· ионным обменом;

· нанофильтрацией.

Реагентное умягчение

Многие соли жесткости имеют низкую растворимость. При введении в раствор некоторых реагентов увеличивается концентрация анионов, которые образуют малорастворимые соли с ионами жесткости Сa2+ и Mg2+. Такой процесс называют реагентным умягчением.

Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях.

Реагентные методы в подготовке питьевой воды не используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Они широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень очистки до механических фильтров. При совместной работе они позволяют умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично очистить ее от органических веществ.

Поскольку осаждение образовавшихся хлопьев происходит очень медленно, производительность оборудования низка и оно имеет большие габариты. В результате образуются отходы в виде трудно утилизируемых шламов. Процесс требует тщательного контроля, причем в основном ручного, поскольку зависит от многих факторов: температуры воды, точности дозировки реагентов, исходной мутности и т.п.

Новые технологические решения (тонкослойное отстаивание, контактная коагуляция, ввод флокулянтов) позволяют достигнуть тех же показателей при меньшем расходе реагента, габаритах установок и их полной автоматизации.



Ионный обмен

Наиболее просто снижение жесткости до практически любых значений обеспечивается ионным обменом. Производительность метода практически не ограничена.

Умягчение воды может производиться методами Na-катионирования, H-Na-катионирования (параллельное или последовательное) или Н-катионирование с голодной регенерацией на сильно- или слабокислотном катионите.

Умягчение воды производится путем ее контактирования с сильнокислотным катионитом в Na-форме, в результате чего из воды извлекаются катионы Ca2+ и Mg2+ и замещаются ионом Na+. Солесодержание воды при этом практически не меняется, поскольку катионы кальция, имеющие вес 1 мг-экв/л, равный 20, замещаются катионом натрия с весом 1 мг-экв/л, равным 23. Поскольку анионный состав не меняется, раствор остается практически нейтральным. Щелочность воды и рН может увеличиться на 0,1-0,2 единицы, в зависимости от содержания солей жесткости в исходной воде.

Принципиальная схема установки умягчения воды практически аналогична механической. Принципиальное отличие установок умягчения состоит в наличии системы приготовления соли и его подачи в фильтр.

Рядом с корпусом фильтра устанавливается бак-солерастворитель. Солерастворитель представляет собой емкость, обычно с ложным дном, в которую загружается запас гранулированной (таблетированной) соли. Во время рабочего цикла в бак подается необходимое количество умягченной воды. Это количество регулируется временем заполнения и клапаном уровня. За время очистки воды происходит растворение соли с образованием насыщенного раствора концентрацией 20-26%. Блок управления снабжен эжектором для подсоса солевого раствора при регенерации, обеспечивающим достаточно стабильное соотношение вода : раствор соли = 2:1 при разном давлении питающей воды. При включении регенерации засасывается насыщенный раствор и разбавляется до 8-10%.

Блок управления, в отличие от аналогичных для механических фильтров, содержит дополнительные клапаны для заполнения солерастворителя и эжектор для засоса солевогораствора. Регенерация может производиться по истечении заданного промежутка времени или после пропуска определенного количества очищенной воды. Второй вариант предпочтителен. Для его реализации в блоке управления устанавливается счетчик количества пропущенной воды. При наладке установки определяют объем воды, который может умягчить фильтр. Его вводят в блок управления, и регенерация каждый раз проводится, когда фильтр обработает заданное количество воды. Это позволяет обеспечивать постоянное высокое качество умягчения при минимальном расходе соли.

Для крупных установок солерастворитель или узел мокрого хранения соли устанавливается единый на все фильтры. Такой узел позволяет использовать обычную соль, что дает существенную экономию.

Крупногабаритные фильтры оснащают либо индивидуальной запорной арматурой на всех линиях реагентов, либо многоходовыми клапанами с электро-, гидро- или пневмоприводом.

Для организации непрерывного умягчения воды параллельно устанавливаются несколько фильтров, минимально - два в параллели, один из которых работает, а второй в это время регенерируется.

После одной ступени умягчения не удается снизить жесткость ниже 0,05 мг-экв/л, а т.к. для многих процессов в теплоэнергетике требуется меньшая жесткость, то в этих случаях очистку ведут последовательно в двух фильтрах, называемых первой и второй ступенью умягчения.

Для умягчения воды со снижением щелочности используется Na-Cl-ионирование. Оно основано на применении для очистки воды катионита в Na-форме и анионита в Cl-форме.

Другими путями являются умягчение воды методами H-Na-катионирования (параллельным или последовательным), Н-катионирования с нейтрализацией, Н-катионирования с голодной регенерацией на сильно- или слабокислотном катионите.

Эти способы позволяют помимо умягчения воды добиться снижения щелочности и уменьшения солесодержания.

Промывка фильтров Н-катионирования осуществляется раствором кислоты, поэтому их корпуса должны быть выполнены либо из полимеров, либо иметь кислотостойкое покрытие. Все клапана системы или блока управления также должны быть кислотостойкими.

В современных автоматизированных конструкциях используются пластиковые корпуса, аналогичные корпусам установок умягчения и механической фильтрации. В отличие от установок умягчения, в расходную емкость заливается готовый раствор кислоты необходимой концентрации. Как правило, применяется соляная кислота. В установках со стандартными блоками управления используется кислота с концентрацией 10-15%. В специально создаваемых промышленных установках, имеющих собственное реагентное хозяйство и систему приготовления и подачи кислоты, применяется товарный продукт.

Сравнение основных методов умягчения приведено в таблице.

Компонент,мг-экв/л	Исходный раствор	Na-катиони-рование	Н-катиони-рование	Параллель-ноH-Na	Последова-тельноH-Na
Жесткость общая	4	0,05	<0.05	<0.05	<0.05
Натрий	1	5	<0.1	3	3
Сумма катионов	5	5	<0.1	3	3
Сумма анионов	5	5	2	2,5	3
Солесодержание,г/л	0,35	0,35	-	0,2	0,25
рН	7,5	7,6	2,5-4,0	6-7	6-7
Щелочность общая	3	3	0	<0.5	<0.1



Нанофильтрация

Выше отмечалось, что при использовании мембран с определенным размером пор обеспечивается их селективность к многозарядным и крупным ионам. При пропускании воды удаляются все взвеси, коллоиды, бактерии и вирусы, катионы тяжелых металлов и пр. Также происходит достаточно глубокая очистка от солей жесткости - в 10-50 раз.

Для умягчения используются установки с тангенциальной фильтрацией и с рулонными элементами. Параметры таких установок близки к установкам низконапорного осмоса.

Степень умягчения определяется характеристиками применяемых мембран и поскольку селективность нанофильтрационных мембран различна, зависит от состава воды. В любом случае, степень извлечения солей жесткости ниже, чем при обратном осмосе и тем более при ионообменном умягчении.

Электрохимическая обработка

Электрохимический метод умягчения воды является относительно новым. Ранее он предлагался для переработки солевых отходов, включая регенераты установок умягчения, для их последующего повторного использования.

При прохождении воды через межэлектродное пространство происходит ряд физико-химических процессов с образованием устойчивых комплексов солей, т.е. соли жесткости не извлекаются из воды как в рассмотренных выше методах, а переводятся в менее растворимую форму.



Кондиционирование воды

Вода, используемая для питьевых целей, производства различных продуктов, должна обладать определенными свойствами и химическим составом. Наряду с необходимостью обеспечить содержание токсичных веществ в концентрациях ниже допустимых, часто требуется, чтобы в ней присутствовали полезные для данного производства вещества в заданных количествах, соблюдались определенные значения рН и щелочности. В энергетике необходимо обеспечение такого состава и (или) физического состояния примесей, которые не образуют накипи и не вызывают коррозии металлов.

Процесс доведения состава воды до заданных, необходимых для данного процесса параметров называют кондиционированием.

Как правило, он включает ряд операций, при которых удаляются загрязнения, а затем вводятся соответствующие реагенты.

Стабилизационная обработка воды для тепловых процессов

При использовании воды в качестве теплоносителя к числу ее важных качеств относятся отсутствие выпадения осадков на поверхностях теплообмена и минимальная коррозийная активность.

Стабильной называют воду, которая не вызывает коррозии поверхности металла, с которой она соприкасается, и не выделяет на этих поверхностях осадки карбонатов кальция.

Для поддержания стабильности воды в заданных пределах необходимо регулировать несколько параметров: рН, щелочность и карбонатную жесткость. Стабильность увеличивается при введении карбонатов натрия или кальция, подщелачивании, а уменьшается при умягчении воды или введении кислоты.

Выпадение осадков солей жесткости, железа резко ухудшает эффективность теплообмена и приводит к росту тепловых потерь и экономичности установок. Существуют жесткие нормативы на содержание солей жесткости в воде для различных энергетических установок. Для их удаления используются различные методы.

К способам обеспечения стабильности воды относятся умягчение и введение реагентов, т.н. химическая обработка.

Химическая обработка воды заключается во введении в воду малых доз специальных реагентов, связывающих соли жесткости, которыеостаются в растворе и не прилипают к греющим поверхностям.

Различают два класса стабилизирующих реагентов: реагенты, связывающие соли жесткости во взвешенные в воде кристаллические образования (фосфаты и пр.), и реагенты, стабилизирующие насыщенные растворы (кислоты, комплексоны и пр.).

Кондиционирование питьевой воды

Вода природных источников может, с одной стороны, содержать различные загрязнения, а с другой стороны, в ней могут отсутствовать вещества, необходимые для нормальной жизнедеятельности. Одновременно с вредными загрязнениями могут извлекаться и полезные для организма вещества. Для создания необходимого солевого состава воды в нее вводят недостающие соли.

Как правило, в воде наблюдается дефицит фтора, йода.

Кроме того, питьевая вода должна быть стабильной. В противном случае в процессе доставки к потребителю она окажется загрязненной продуктами коррозии трубопроводов. Это особенно актуально для вод, прошедших очистку методами опреснения и обессоливания. Как правило, стабилизация такой воды производится путем ее пропускания через известковые минералы или методами дозирования необходимых компонентов.



Кондиционирование воды для пищевой промышленности

Для получения стабильной ликероводочной продукции, соков и питьевой воды необходимо поддержание в очищенной воде, которая является сырьем, не только заданного солевого состава, прежде всего жесткости, но и определенной щелочности. Последняя в большинстве природных вод оказывается выше заданной, поэтому в воду вводится кислота, допущенная для применения в пищевой промышленности. Параллельно ведется контроль рН.

Другими путями контролируемого уменьшения щелочности являются: умягчение воды на слабокислотном катионите, Na-H-катионирование, обессоливание обратным осмосом или нанофильтрация, которые описаны выше.

В производстве пива требования к составу воды противоречивы, например, необходимо иметь достаточное количество солей кальция при отсутствии магния. Обычными способами селективно извлечь магний невозможно, поэтому часто используют метод обессоливания воды с последующим вводом необходимых реагентов.

Удаление органических загрязнений

Органические вещества присутствуют в воде в виде природных и техногенных соединений.

К природным относятся гуминовые и фульвокислоты и их соединения, в том числе их комплексы с железом.

Техногенные образуются в результате действия человека. В их числе продукты, образующиеся при обработке воды активным хлором, включая наиболее токсичные и канцерогенные - диоксины.

Органические загрязнения имеют различные размеры и молекулярную массу.

Они могут быть удалены из воды двумя методами:

· разрушением (окислением) до СО2 и Н2О;

· извлечением.

Разрушение производится сильными окислителями, такими как хлор, кислород, озон, а также жестким ультрафиолетом.

Извлечение органических веществ может быть осуществлено сорбцией, коагуляцией и мембранными методами.

промышленный очистка вода обработка

Удаление нитратов

В воде поверхностных источников, реже в подземных, присутствуют соединения азота в виде нитратов и нитритов. В настоящее время происходит постоянный рост их концентраций, связанный прежде всего с широким использованием нитратных удобрений, избыток которых с грунтовыми водами поступает в реки и озера.

Существуют два пути удаления нитратов и нитритов - это обратный осмос и ионный обмен.

В первом случае должно производиться обессоливание воды до такой степени, при которой концентрация нитратов будет соответствовать норме. Однако при обратном осмосе удаляются многие другие соли, и в результате получается частично обессоленная вода. Вопрос об ее полезности для организма и вкусовых качествах является дискуссионным. Стоимость такой обработки достаточно высока.

Сильноосновный анионит в Cl- форме может сорбировать ионы NO3- и обменивать их на ионы Cl-.

Обезжелезивание воды

Удаление из воды железа это сложнейшая задача в водоочистке. Посмотрев на существующие способы обезжелезивания воды, можно сделать вывод: на данный момент не существует универсального экономически оправданного метода, применимого во всех случаях жизни. Каждый из методов обезжелезивания воды применим только в определенных случаях, у него есть и достоинства, и существенные недостатки. Выбор конкретного метода удаления железа (или их комбинации) в большей степени зависит от опыта водоочистной компании.

В природной воде, а особенно в воде из подземных источников, в большом количестве содержится железо и часто, марганец. Нормы их содержания в питьевой воде составляют по СанПиН 2.1.4.1074 0,3 мг/л для железа и 0,1 мг/л для марганца. Нормативами ЕС содержание железа лимитируется на уровне 0,2 мг/л, а марганец 0,05 мг/л. Для некоторых типов производств нормативы еще более жесткие (например, согласно требованиям к воде для производства водки - содержание железа не должно превышать 0,13 мг/л при жесткости общей свыше 1 мг-экв/л, и 0,1 мг/л при жесткости общей до 1 мг-экв/л).

Удаление железа из воды называют обезжелезиванием. Часто одновременно удаляется и марганец, т.е. проводится деманганация.

Железо в воде находится в следующих формах:

· двухвалентное - растворенной в виде ионов Fe2+;

· трехвалентное (хотя хлориды и сульфаты Fe3+ хорошо растворимы в воде, ионы Fe3+гидролизуются в нерастворимый гидроксид Fe(OH)3, который находится в виде взвеси или осадка);

· органическое железо (находится в виде различных растворимых комплексов с природными органическими кислотами (гуматов), имея, как правило, коллоидную структуру);

· бактериальное железо - продукт жизнедеятельности железобактерий (железо находится в их оболочке).

В подземных водах присутствует, в основном, растворенное двухвалентное железо в виде ионов Fe2+. Трехвалентное железо появляется после контакта такой воды с окислителем, например, воздухом или в изношенных системах водораспределения при контакте с поверхностью труб.

В поверхностных водах железо большей частью уже окислено до трехвалентного состояния и, кроме того, входит в состав органических комплексов и железобактерий.

Подход к очистке таких вод от железа различен.

Если в воде присутствует только трехвалентное железо в виде взвеси, что бывает в системах, питающихся подземной водой через водонапорные башни, достаточно простого отстаивания или механической фильтрации.

Для извлечения растворенных двухвалентного железа и марганца сначала необходимо их окислить и перевести в нерастворимую форму. Для окисления используют различные окислители.

Частица окисленных железа и марганца в виде гидроокисей отфильтровываются на гранулированной засыпке. Эта операция обычно сопряжена с механической фильтрацией.

Однако их эффективность сравнительно низка, поскольку при определенных условиях процесс окисления и формирования хлопьев достаточно длителен:

2Fe2+ + O2 = 2 Fe3+ + 2OH- Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3v

Принципиально новыми продуктами, появившимися в последнее десятилетие, являютсяспециальные каталитические загрузки, позволяющие с высокой эффективностью проводить обезжелезивание и деманганацию. К ним относятся Birm, GreenSand и пр. Это природные материалы, содержащие диоксид марганца.либо цеолиты, в которые при соответствующей обработке вводится диоксид марганца. При пропускании воды, содержащей двухвалентное железо и поливалентный марганец, через слой таких наполнителей происходит окисление железа и марганца и их перевод в нерастворимую гидроокись, осаждающуюся на загрузке.

На основе этих каталитических материалов используются для обезжелезивания и деманганации следующие фильтрующие системы:

BR(T) - система обезжелезивания воды на основе фильтрующего материала Birm.

Данный материал представляет собой горную породу, содержащую природный диоксид марганца, эффективно работающий при наличии в воде кислорода воздуха. В случае, когда содержание железа незначительно, содержащегося в воде кислорода обычно оказывается достаточно для окисления железа. Образующаяся гидроокись отфильтровывается на слое загрузки.

При большом содержании железа или недостатке растворенного кислорода (например, в подземных водах) для окисления всего железа предварительно необходимо ввести кислород воздуха.

Он может быть подан прямо в питающий трубопровод с помощью эжектора (при небольших расходах) или компрессора.

MG(T)- система обезжелезивания воды на основе фильтрующего материала ManganeseGreenSand.

GreenSand представляет собой пористый носитель (цеолит), в структуру которого введен марганец. Это натриевый глауконит (NaZ), предварительно обработанный раствором хлорида марганца, который необратимо поглощается цеолитом.

Na2Z + MnCl2-MnZ + 2NaCl

При последующем контактировании с раствором перманганата калия на поверхности частиц образуется слой высших окислов марганца:

MnZ + 2KMnO4> K2Z*MnO*Mn2O7



В такой форме марганцевый цеолит служит источником кислорода, который окисляет ионы двухвалентного железа и марганца до трехвалентной формы.

В окисленном состоянии железо и марганец осаждаются в виде нерастворимых гидроокисей.

Пленка высших окислов марганца расходуется на окисление железа и марганца, и поэтому необходимо ее постоянное или периодическое восстановление.

Для этого загрузка либо предварительно обрабатывается раствором перманганата калия, либо его постоянно дозируют в воду с помощью системы пропорционального дозирования.

Использование перманганата калия совместно с данными загрузками позволяет также удалить сероводород, окислив его до элементарной серы, и частично органические вещества и биологические загрязнения, обеспечивая обеззараживание воды.

В первом варианте обработка воды перманганатом калия производится при каждой регенерации загрузки. Регенерация включает в себя взрыхление загрузки подачей воды снизу, при этом из слоя удаляются задержанные гидроокиси металлов и механические загрязнения. Затем в фильтр сверху подается раствор перманганата калия в расчетном количестве, и после его пропуска загрузка отмывается водой до отсутствия в ней следов марганцовки.

В этом варианте конструкция самого фильтра аналогична механическому, а устройство автоматического управление аналогично фильтру умягчения воды, но в солевом баке находится раствор перманганата калия.

Во втором случае регенерация фильтра производится традиционной обратной промывкой, аналогичной с механическими фильтрами.

Наиболее сложно удалить железо, входящее в состав органических соединений и биологических объектов. Необходимо либо разрушить органические комплексы, либо, наоборот, их агрегатировать для создания условий осаждения, либо извлечь их из раствора.

Органические комплексы гуминовых и фульвокислот очень стойкие и при обработке обычными окислителями трудно и не полностью разрушаются. Хлорирование дает незначительный эффект и приводит к появлению токсичных продуктов. Более эффективно и экологически безопасно озонирование.

Стандартным методом удаления органических загрязнений является сорбция на активированных углях. Этот способ широко используется в промышленности и муниципальной водоподготовке. Применяется фильтрация через слой гранулированного угля или введение пылевидного угля. Наилучшие результаты получаются совместном использовании с коагуляцией.

Бактериальное железо удаляется как методами коагуляции и ультрафильтрации, так и с использованием биологических методов (железобактерий).

Осветление воды

Осветление воды - это удаление из воды взвешенных и коллоидных веществ, которые окрашивают воду и делают ее мутной. Необходимость осветления и обесцвечивания, а так же обессоливания воды во многом зависит от целей последующего ее использования. Кроме того, перед очистными сооружениями могут быть поставлены и задачи по дегазации или устранению запахов и привкусов природной воды. Для осветления воды на станциях водоочистки применяется две технологии: это мембранное фильтрование и осаждение.

Фильтрование происходит за счет задержки частиц взвеси снаружи или внутри пористой фильтрующей среды, в то время как осаждение представляет собой процесс выпадения взвешенных веществ в осадок, для чего не осветленную воду задерживают в специальных отстойниках.

Взвешенные частицы осаждаются под действием силы тяжести. Преимущество осаждения - это отсутствие дополнительных энергозатрат при осветлении воды, причем скорость течения процесса напрямую зависит от параметров частиц. При уменьшенни размера увеличивается время осаждения, то же правило работает и при изменении плотности взвешенных частиц. Осаждение целесообразно применять для осаждения тяжелых, крупных взвесей.

Фильтрование может обеспечить практически любое качество осветления воды. Однако, при этом способе осветления воды необходимы дополнительные затраты энергии, которые служат для преодоления гидравлического сопротивления пористой среды, которая накапливает взвешенные частицы и со временем повышает сопротивление. Для предотвращения этого необходимо проводить профилактическую очистку пористого материала, которая восстанавливает первоначальные свойства фильтра.

С увеличением концентрации взвешенных веществ в воде повышается и необходимая степень осветления. Эффект осветления может быть повышен при использовании химической обработки воды, что обуславливает применения вспомогательных процессов, таких как: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение.

Обессоливание воды

Обессоливание воды означает уменьшение содержания в ней растворенных солей. Этот процесс называют также деионизацией, или деминерализацией. Для морских и засоленных (солоноватых) вод такой процесс называют опреснением.

Нормами на питьевую воду предусмотрено, что их солесодержание должно быть менее 1 г/л, и лишь по специальному решению разрешается использовать воду с солесодержанием до 1,5 г/л. Однако в ряде регионов поверхностные и подземные воды содержат больше солей. Морская вода, составляющая основной запас воды на Земле, содержит от 10 до 40 г/л солей. Для использования таких вод для питьевых целей ее подвергают опреснению.

Для многих процессов в теплоэнергетике, химии, электронике требуется вода, содержащая минимальные количества солей, вплоть до сверхчистой, которая практически их не содержит.

Существует несколько способов обессоливания:

· термический;

· ионообменный;

· мембранные;

· обратный осмос;

· электродиализ;

· комбинированные.

Для опреснения засоленных вод используется термический метод, обратный осмос и электродиализ. Потребление при ионном обмене реагентов и объем отходов пропорциональны солесодержанию очищаемой воды, и поэтому его применение считается экономически оправданным при содержании солей до 2 г/л.

Термический метод позволяет обессолить воду с любым солесодержанием.

Во всем мире для опреснения морской воды наибольшее распространение получили установки обратного осмоса. Они обеспечивают получение воды с заданным высоким качеством. Лидирующее положение этого метода укрепляется по мере продолжающегося прогресса в технике изготовления мембран и дополнительного оборудования.

Для получения глубокообессоленной (деионизированной) воды используется как чисто ионообменная технология, так и ее комбинация с различными методами очистки, включающая обратный осмос. Термический метод, который ранее был обязателен для получения апирогенной воды для медицинских целей, и здесь уступил место обратному осмосу с УФ-облучением.

Термические методы обработки воды

Старейшим методом получения обессоленной воды (дистиллята) является термический метод - перегонка, дистилляция, выпарка.

Основой процесса является перевод воды в паровую фазу с последующей ее конденсацией. Для испарения воды требуется подвести, а при конденсации пара - отвести тепло фазового перехода. При образовании пара в него наряду с молекулами воды переходят и молекулы растворенных веществ в соответствии их летучестью.

Важнейшим преимуществом данного метода являются минимальные количества используемых реагентов и объем отходов, которые могут быть получены в виде твердых солей.

Тепловая и экономическая эффективность метода определяется режимом испарения и степенью рекуперации тепла фазового перехода при конденсации пара.

По характеру использования дистилляционные установки подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые и термокомпрессионные.

Наибольший интерес представляет использование выпарных установок в сочетании с ионообменными и реагентными схемами. В этих условиях возможно оптимизировать расход реагентов, тепла и решить как экономические, так и экологические проблемы.



Обессоливание воды ионным обменом

Наиболее часто обессоливание воды производят ионным обменом. Это наиболее отработанный и надежный метод.

Частичное обессоливание воды происходит при ее умягчении методами Н-Na-катионирования, Н-катионирования с голодной регенерацией, Н-катионирования на слабокислотном катионите. В этих процессах происходит извлечение солей жесткости и частичная их замена на катионводорода, который разрушает бикарбонат-ионы с последующим удалением образовавшегося газа из воды. Степень обессоливания соответствует количеству удаленного СаСО3.

При глубоком обессоливании из раствора удаляются все макро- и микроэлементы, т.е. соли и примеси. Степень очистки раствора по каждому макроэлементу (катиону и аниону) зависит от их сродства к данному иониту, т.е. от расположения в рядах селективности. Подбирая иониты, степень их регенерации и количество ступеней очистки, можно добиться необходимой глубины очистки воды практически любого исходного состава.

Обессоливание может проводиться в одну, две, три ступени или смешанным слоем ионитов. В каждой ступени раствор последовательно очищается сначала на катионите в Н-форме (при этом извлекаются все находящиеся в растворе катионы), а затем на анионите в ОН-форме (при этом извлекаются находящиеся в воде анионы).

Более глубокое извлечение анионов может протекать только на сильноосновных анионитах.

Высокую степень очистки можно обеспечить в одном аппарате со смесью катионита в Н-форме и анионита в ОН-форме, т.н. фильтре смешанного действия. В этом случае отсутствует противоионный эффект, и из воды за один проход через слой смеси ионитов извлекаются все находящиеся в растворе ионы. Очищенный раствор имеет нейтральное рН и низкое солесодержание, примерно в 5-10 раз ниже, чем на одной ступени ионного обмена. Допускается работа с очень высокими скоростями очистки раствора, зависящими от его исходного солесодержания.

После насыщения ионитов для их регенерации смесь необходимо предварительно разделить начистые катионит и анионит (они, как правило, имеют некоторое различие по плотности). Разделение может производиться гидродинамическим методом или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ным раствором щелочи.

Из-за сложности операций разделения смеси ионитов и их регенерации такие аппараты используются в основном для очистки малосоленых вод, например, контурных, для глубокой доочистки воды, обессоленной на раздельных слоях ионитов либо обратным осмосом. То есть в тех случаях, когда регенерация проводится редко, либо иониты применяют для получения сверхчистой воды с сопротивлением, близким к 18МОм/см, в энергетике и микроэлектронике - там, где никакие другие способы не могут обеспечить заданное качество.

Обратный осмос и нанофильтрация

Извлечение растворенных веществ из воды может производиться мембранными методами.

Уровень обессоливания определяется селективностью мембран.

Методом нанофильтрации можно достигнуть частичного обессоливания, удалив соли жесткости вместе с двухзарядными анионами и частично - однозарядные катионы натрия и калия и анионы хлора.

Более глубокое обессоливание обеспечивает низконапорный обратный осмос. Максимальная эффективность по всем компонентам обеспечивается обратноосмотическими мембранами, работающими при высоком давлении. Суммарная степень обессоливания зависит от катионного и анионного состава воды и ориентировочно составляет: для нанофильтрации 50-70%, для низконапорного обратного осмоса 80-95%, для высоконапорного 98-99%.

Для обеспечения нормальной эксплуатации обратноосмотических и нанофильтрационных установок необходимо, чтобы вода, подаваемая на мембраны, соответствовала определенным нормам, а именно:

Подаваемая на мембраны вода должна содержать:

· Менее 0,56 мг/л взвешенных веществ;

· Менее 2-3 мгО2/л коллоидных загрязнений;

· Свободного хлора менее 0,1 мг/л для композитных полиакриламидных мембран и менее 0,6-1,0 мг/л для ацетатцеллюлозных;

· Малорастворимые соли (железа, кальция, магния, стронция) в концентрациях, не вызывающих их отложение на мембранах;

· Микробиологические загрязнения должны отсутствовать;

· Температура подаваемой воды не должна превышать 35-45oС;

· рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,5-11,0 для полиакриламидных.

Для обеспечения указанных требований необходимо обеспечить предочистку воды перед ее подачей на мембранную установку. Она включает в себя узлы: механической фильтрации-обезжелезивания, дехлорирования, умягчения и дозирования ингибитора, обеззараживание ультрафиолетом.

Важным аспектом при расчете мембранных установок является учет температуры питающей воды. Все показатели мембран даются для температуры 25 ?С. В реальных условиях температура, как правило, существенно ниже.

Так, если например мембрана при температуре 25 ?С дает 500 л/час, то при 10 ?С производительность составляет 330 л/час, а при 5 ?С 250 л/час.

Соответственно, при расчете установки необходимо устанавливать такое количество элементов, которое обеспечит заданную производительность при снижении температуры, причем это количество может потребоваться в 2 раза больше, чем при стандартной температуре. Это существенно повышает стоимость установки. В ряде случаев, при наличии дешевого тепла, выгоднее производить предварительный подогрев питающей воды.

В таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания по трем уровням: минимальный (Мин.), максимальный (Макс.) и средний (Ср.).

Параметр	Ионный обмен	Обратный осмос	Электро-диализ	Выпарка
Надежность	Макс.	Ср.	Мин.	Макс.
Степень обессоливания	Макс.	Ср.	Мин.	Ср.
Удаление органики	Мин.	Макс.	Мин.	Ср.
Удаление микрофлоры	Мин.	Макс.	Ср.	Макс.
Удаление взвесей	Мин.	Макс.	Мин.	Макс.
Удаление растворенных газов	Мин.	Мин.	Мин.	Макс.
Требования к предподготовке	Мин.	Макс.	Макс.	Ср.
Энергозатраты	Мин.	Макс.	Макс.	Макс.
Расход реагентов	Макс.	Мин.	Мин.	Мин.
Расход питающей воды	Мин.	Макс.	Макс.	Мин.
Объем отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.
Возможность переработки отходов	Макс.	Мин.	Мин.	Макс.
Возможность сброса отходов	Мин.	Макс.	Ср.	Мин.

 

Обеззараживание воды

Под обеззараживанием питьевой воды понимают мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на химические (реагентные), физические (безреагентные) и комбинированные.

В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений, а безреагентные методы подразумевают обработку воды физическими воздействиями. В комбинированных методах используются одновременно химическое и физическое воздействие.

К химическим способам обеззараживания питьевой воды относят ее обработку окислителями: хлором, озоном и т.п., а также ионами тяжелых металлов. К физическим - обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком и т.д. Перед обеззараживанием вода обычно подвергается очистке фильтрацией и (или) коагуляцией, при которой удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов.

При химических способах обеззараживания питьевой воды для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность его контакта с водой. Доза реагента определяется пробным обеззараживанием или расчетными методами. Для поддержания необходимого эффекта при химических способах обеззараживания питьевой воды доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор, остаточный озон), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, попадающих в воду после обеззараживания.

При физических способах необходимо подвести к единице объема воды заданное количество энергии, определяемое как произведение интенсивности воздействия (мощности излучения) на время контакта.

Наиболее широкое распространение из физических способов обеззараживания питьевой воды получило обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, бактерицидные свойства которых обусловлены действием на клеточный уровень и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий, и не изменяют органолептических свойств воды.

Дехлорирование воды

Использование хлорированной водопроводной воды вызывает неприятные ощущения у многих людей и совершенно недопустимо для многих технологических процессов. Так, в пищевой промышленности возможно изменение цвета и резкое ухудшение вкуса продуктов, а в производстве электронных компонентов возможно полное разрушение технологического процесса. В процессах водоподготовки при применении установок обратного осмоса, содержание активного хлора ограничено 0,1 мг/л.

Однако во многих таких производствах для дезинфекции воды ее обрабатывают большими дозами хлора, который затем необходимо извлечь.

Процесс удаления избыточного активного хлора называется дехлорированием и обязателен во всех рассмотренных выше случаях.

Дехлорирование обычно осуществляется при пропускании воды через активированный уголь. На загрузке происходит восстановление активного (растворенного) хлора до аниона Cl-. Ресурс работы угля значительно выше, чем при сорбции органики, и может составлять несколько лет. Продолжительность работы зависит от концентрации хлора в воде и скорости фильтрования.

При очистке природной воды на активном угле происходит, кроме того, окисление Fe2+ до Fe3+, а также задерживаются взвеси и коллоидные частицы окисленного железа. При загрязнении фильтров они регенерируются путем обратной промывки исходной водой.

Дехлорирование производится либо в отдельном аппарате, либо совмещается с другими операциями (механической фильтрацией, удалением органики).

Химические реагенты для окисления

Процессы окисления

Основными окислителями, используемыми в водоподготовке, являются:

· кислород воздуха;

· хлор-газ Cl2 и другие галогены (Br, I и т.п.);

· диоксид хлора ClO2;

· гипохлорит натрия NaClO;

· гипохлорит кальция Ca(ClO)2;

· хлорная известь (хлорид-хлорат кальция);

· хлорамины;

· озон O3;

· перманганат калия KMnO4 (марганцовка);

· пероксид водорода H2O2 (перекись водорода).

Кислород, содержащийся в воздухе, в количестве примерно 20%, является достаточно слабым окислителем. Он практически не действует на растворенные органические вещества, а для биологических объектов является необходимым элементом их существования и размножения. В то же время кислород окисляет растворенные катионы тяжелых металлов (железо и марганец) до их высших валентностей при которых они легче гидролизуются и затем удаляются фильтрованием.

Такие процессы чрезвычайно распространены в практике водоподготовки, например при обезжелезивании.

Другие, более сильные окислители не только окисляют неорганические ионы, но и дезинфицируют и дезодорируют воду.

В мировом масштабе первое место среди дезинфицирующих веществ (дезинфектантов) занимает хлор и его соединения.

Хлор действует на органические вещества, окисляя их, и на бактерии, которые погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток.

Хлор обладает высокой дезинфицирующей способностью, относительно стоек и длительное время сохраняет активность. Он легко дозируется и контролируется.

Диоксид хлора сильнее хлора и как дезинфектант, и как окислитель, прекрасно уничтожает привкусы и запахи, не взаимодействует с аммиаком и эффективен в широком диапазоне рН. Однако он взрывоопасен и не может сжижаться, храниться и перевозиться.

Гипохлорит натрия - стал применяться для дезинфекции с самого зарождения хлорной промышленности благодаря высокой антибактериальной активности и широкому спектру действия на различные микроорганизмы. Однако содержание активного хлора в нем относительно мало, его растворы имеют ограниченную стойкость и постепенно разлагаются с понижением содержания активного хлора.

Окислительное и бактерицидное действие гипохлорита натрия идентично растворенному хлору, кроме того, он обладает пролонгированным бактерицидным действием.

Гипохлорит кальция - содержит больше активного хлора и более стабилен, чем гипохлорит натрия. Однако при его растворении в воде образуется не только хлорноватистая кислота, но и гидроксид кальция, из-за чего раствор гипохлорита кальция имеет сильнощелочную реакцию. Так, даже 1%-ный раствор имеет рН 10-11, и при его введении обрабатываемая вода подщелачивается.

Перманганат кальция - удобен тем, что не образует веществ с неприятным запахом и не дает побочных эффектов. Его растворы допускают длительное хранение. Из-за сильного окисляющего воздействия он расходуется в первую очередь на взаимодействие с органическими и неорганическими веществами, что мешает дезинфицирующему действию. К тому же его дезинфицирующее действие ниже, чем у хлора и озона. Поэтому для дезинфекции перманганат кальция редко применяется самостоятельно. Используется для перевода солей двухвалентного железа и марганца в четырехвалентное состояние (см. процесс обезжелезивания).

К недостаткам перманганата калия следует отнести его сравнительно высокую стоимость, дефицитность и опасность передозировки.

Пероксид водорода - стало возможным применять в технологии водообработки только после освоения удобных и дешевых методов его получения.

Пероксид водорода токсичен, и его содержание в воде ограничивается по санитарно-токсикологическому признаку вредности уровнем 0,1 мг/л, в то время как дезинфицирующее действие он проявляет на уровне единиц и сотен мг/л.

Озон - является наиболее сильным из всех известных в настоящее время окислителей. Преимуществом озонирования является неспособность озона, в отличие от хлора, к реакциям замещения. Особенностью озона является и быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т.е. озон обладает полной экологической безопасностью.

К недостаткам озона относится сложность его производства на месте использования. По современной технологии производство озона осуществляется на месте применения с помощью специальных установок - озоногенераторов.

Размещено на Allbest.ru