Химический состав и методы очистки воды

Введение

Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека. Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций. Вода, используемая человеком на сегодняшний день для питьевых и хозяйственно - бытовых нужд содержит некоторое количество примесей. В частности жесткая вода содержит соли кальция и магния. В ходе использования такой воды возникают проблемы с накипью - наростами внутри водонагревателей, которые ухудшают работу теплообменников и процесс теплоотдачи, что приводит к перерасходу энергии и вызывает преждевременный выход оборудования из строя. На сегодняшний день эта проблема является весьма актуальной ведь стирка белья, в жесткой воде грозит появлением серого оттенка, кроме того требуется больше мыла и других моющих средств, человеку же такая вода пересушивает кожу и волосы. Кроме этого, накипь приводит к возникновению очаговой коррозии. В результате трубы начинают подтекать, и их приходится заменять. Магнитные преобразователи воды применяются для того, чтобы в трубах горячего и холодного водоснабжения, водонагревателях, стиральных и посудомоечных машинах и других подобных устройствах не образовывалась накипь. Также вода имеет химическую и микробиологическую составляющую.

Целью работы является химико-аналитическое и микробиологическое исследование питьевой воды, подготовленной с помощью магнитного преобразователя.

Задачи работы:

1. Изучение литературы по вопросам водоподготовки с использованием физических методов, в том числе магнитного преобразователя.

2. Составление аналитического литературного обзора по изучаемой проблеме.

3. Описание методов изучения проблемы.

4. Выполнение экспериментальных исследований.

5. Обобщение результатов собственных экспериментальных исследований.

Методика выполнения работы:

1. Теоретическое исследование.

2. Эксперимент.

3. Обработка результатов эксперимента.

1. Литературный обзор

1.1 Общие сведения

Вода - химическое соединение водорода и кислорода (НО) - жидкость без запаха, вкуса, цвета. Это наиболее распространенное вещество на Земле. В природе она находится в трех фазах: газообразной (пары воды), жидкой и твердой.

Вода - встречается в парообразном состоянии в воздушной оболочке, окружающей Землю, в капельножидком - в облаках, туманах и в виде дождя, твердом - в виде снега, града и кристалликов льда в высоких облаках.

В жидком состоянии вода пребывает в гидросфере: вода океанов, морей, озер, рек, болот, прудов и водохранилищ. В твердом состоянии вода в виде льда и снега находится у полюсов планеты, на горных вершинах, зимой покрывает водоемы на значительных площадях. В горных породах литосферы она присутствует в различных состояниях: пленочная, гигроскопическая, гравитационная, капиллярная, кристаллизационная, а также в виде пара.

Наибольшие запасы поверхностных вод сконцентрированы в Мировом океане, который занимает 361 млн. км³, или 70,8% поверхности Земли. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши. Воды их соленые.

Относительно большие запасы поверхностных вод сосредоточены в ледниках, озерах и реках. Ледники Земли являются важным аккумулятором воды, они расположены в основном в приполюсных районах.

Из всех видов поверхностных и пресных вод речной сток имеет приоритетное практическое значение. Реки являются основами водного фонда. Почти 65% крупных рек России используют для питьевых нужд и технических нужд поверхностные, в основном речные воды.

Подземные воды также входят в основу водного фонда. Подземные воды так называемой зоной активного водообмена пресные и используются для питьевых и хозяйственных целей. Минеральные лечебные подземные воды используются санитарно - курортными и оздоровительными учреждениями, а также заводами розлива, теплоэнергитические подземные воды - для теплоснабжения и получения электрической энергии.

Табл. 1 Суммарные мировые запасы воды

Части гидросферы	По М.И. Львовичу, 1969, 1974	По Р.К. Клиге, 1988
	% к объему
Мировой океан	93,9300	94,32
Подземные воды	4,1200	3,83
Ледники	1,6500	1,92
Озера, болота	0,0160	0,02
Почвенная влага	0,0050	0,001
Влага атмосферы	0,0010	0,0008
Речные воды	0,0001	0,0001
Вся гидросфера	100	100

1.2 Физические и химические свойства воды

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 °С плотность ее также увеличивается. При 4 °С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0 °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(гК)], Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.

Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии . Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса.

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром.

Схема объемной структуры льда изображена на рисунке.

Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной - из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы .

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты - как бы обломки структуры льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4 °С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4 °С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4 °С вода обладает максимальной плотностью.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления.

Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород:

2НО 2Н+О

Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000 °С степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации - водородом и кислородом - все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000 °С равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.

Вода - весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.

Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосферы воздуха.

Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так: называемые гидраты газов. В клатратных соединениях между молекулами образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений. Поэтому клатраты - неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах.

По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

1.3 Разновидности природных вод

Воды разделяют на атмосферные, выпадающие в виде дождя или снега, подземные (грунтовые колодцы, артезианские скважины), и поверхностные (реки, пруды и озера).

Атмосферные воды являются наиболее чистыми, но и они содержат примеси и загрязнения, насыщаясь в воздухе кислородом, углекислым газом, азотом и другими веществами.

Подземные воды характеризуются большим или меньшим количеством растворенных солей (в зависимости от минерального состава почвы) и почти полным отсутствием механических примесей.

Поверхностные воды обычно содержат меньше растворенных солей, чем подземные, но имеют большее количество механических примесей как минерального, так и органического происхождения. Качество этих вод в зависимости от времени года меняется.

Качество природных вод определяется находящимися в них примесями. Примеси в воде могут быть в виде механической взвеси, в коллоидном или растворенном состоянии.

Механические примеси имеют размеры частиц от 0,1 мк и выше. К ним относятся частицы песка, глины и остатки растительных и животных организмов. Наличие в воде большого количества механических примесей препятствует применению ее в необработанном виде для питания паровых котлов и охлаждения двигателей. Механические примеси удаляют из воды отстаиванием и фильтрацией.

Коллоидные вещества характеризуются размером частиц от 0,1 до 0,001 мк. В коллоидном состоянии в природных водах находятся соединения железа, алюминия, кремния, а также органические вещества, являющиеся продуктами распада организмов. Коллоидные примеси удаляют из воды по средствам отстаивания с коагуляцией и фильтрования.

Растворенные примеси находятся в воде в виде ионов или молекул. Размеры частиц их менее 0,001 мк. К ним относятся газы (кислород, углекислый газ, сероводород), минеральные соли (хлористые, сернокислые, кремнекислые, и т.д.) и некоторые органические соединения. Влияние растворенных солей различно: одни, остающиеся при кипячении воды в растворенном состоянии, вызывают коррозию металла, другие, выпадающие при нагревании в виде твердой фазы, образуют накипь.

Таким образом, химический состав и физические состояние примесей определяют степень пригодности воды для технических и хозяйственно - бытовых целей.

1.4 Жесткость и щелочность воды

Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т.п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.

Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

Абсолютно чистой воды в природе нет - она всегда содержит примеси каких-либо веществ. В частности, взаимодействуя с солями, содержащимися в земной коре, она приобретает определенную жесткость.

Жесткость воды является одним из важных показателей качества воды. Она обусловлена главным образом растворенными в ней солями кальция и магния, или, точнее, присутствием ионов кальция и магния. Различают жесткость общую, карбонатную и некарбонатную. Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде главным образом бикарбонатов кальция и магния. При кипячении эти соли разрушаются, образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок и жесткость воды становится значительно ниже. Поэтому карбонатную жесткость называют также временной жесткостью.

Некарбонатная жесткость определяется содержанием в воде главным образом сульфатов и хлоридов кальция и магния. При кипячении эти соли не удаляются, а поэтому некарбонатную жесткость называют также постоянной жесткостью. Общая жесткость воды равна сумме карбонатной и некарбонатной жесткости.

Жесткость воды доставляет много неприятностей. При работе парового котла на жесткой воде растворенные в ней соли при кипячении образуют на стенках котлов слой накипи, которая плохо проводит тепло. Это в свою очередь приводит к преждевременному износу котлов, а иногда, в результате перегрева последних и к аварии.

Образование накипи является сложным физико-химическим процессом. В основе процесса лежит зависимость между растворимостью солей, образующих накипь, и изменением температуры. При парообразовании или испарении содержание соли в воде достигает такой концентрации, когда наступает предел растворимости и раствор делается перенасыщенным. Вещества, концентрация которых достигла предела растворимости, выпадают в виде накипи или шлама.

Соли, находящиеся в воде, делят на хорошо растворимые и плохо растворимые. Хорошо растворимы почти все хлористые и азотистые соли, значительная часть сернокислых и других солей. К плохо растворимым солям относятся двууглекислые соли кальция и магния, углекислый кальций и магний, сернокислый кальций.

Растворимость некоторых солей с повышением температуры воды увеличивается, других - уменьшается. Первые обладают положительным коэффициентом, вторые - отрицательным. Вещества с отрицательным коэффициентом растворимости отлагаются в виде накипи главным образом на наиболее нагретых поверхностях котлов, а соли с положительным коэффициентом растворимости - в местах с менее высокой температурой.

Многие вещества, как, например, гидрат окиси магния, фосфат магния, окислы железа и органические вещества, выпадают преимущественно в виде шлама.

Шлам - илообразный осадок, состоящий из карбоната кальция, гидрата окиси магния и фосфата магния, окислов железа и алюминия, органических веществ. Отличие шламовых осадков от накипи заключается в их подвижности и возможности удаления их из котла продувками.

Величина теплопроводности накипи изменяется в широких пределах. Накипь, отложившаяся на поверхностях нагревания или охлаждения, снижает теплопередачу, что обуславливает перегрев металла, повышение температуры газов, снижение температуры подогрева воды в теплообменных аппаратах и понижение эффективности охлаждающих устройств.

1.5 Очистка природных вод

Для достижения требуемого качества питьевой воды, получаемой из различных источников необходимо:

· правильно подобрать соответствующие процессы для этой цели;

· определить правильную последовательность их применения.

Ниже приводятся рекомендации по применению возможных методов очистки воды от различных загрязнителей с целью доведения показателей качества до требуемых значений.

Таблица 2. Методы, применяемые для удаления различных видов загрязнений

Удаляемое загрязнение	Концентрация, мг/л	Метод очистки
Кислород	-	Аэрация
Метан	<0,1 <1 >1	1. Биологическая фильтрация. 2. Каскадная аэрация. 3. Механическая аэрация.
Сероводород	<0,05 <0,20 >0,20	1. Биологическая фильтрация. 2. Каскадная аэрация. 3. Химическое окисление. 4. Механическая аэрация. 5. Химическое окисление.
Агрессивный диоксид углерода		1. Аэрация 2. Добавление извести (соды)
Летучие органические вещества.		1. Механическое перемещение 2. Фильтрация через активированный уголь 3. Химическое окисление + биологическая фильтрация.
Железо	<2 <5 >2	1. Аэрация, химическое окисление + фильтрация. 2. Аэрация, химическое окисление + двойная фильтрация или фильтрация через многослойную загрузку. 3. Аэрация+биологическая фильтрация. 4. Аэрация, химическое окисление + химическое осаждение + фильтрация.
Марганец	<0,3 <3	1. Аэрация, химическое окисление + фильтрация Аэрация, химическое окисление + двойная фильтрация или фильтрация через многослойную загрузку. Химическое окисление + осаждение + фильтрация.
Азот аммонийный		1. Биологическая фильтрация. 2. Хлорирование.
Органические вещества		1. Адсорбция на активированном угле. 2. Химическое осаждение + фильтрация. 3. Химическое окисление + адсорбция на активированном угле. 4. Мембранный процесс.
Взвешенные вещества	<20 >20	1. Фильтрация. 2. Химическое осаждение + фильтрация.
Водоросли		1. Химическое окисление + фильтрация. 2. Химическое осаждение. 3. Мембранный процесс.
Микроорганизмы		1. Мембранный процесс. 2. Дезинфекция.
Нитраты		1. Биологическая дезинфекция. 2. Ионный обмен. 3. Мембранный процесс.
Соли		1. Ионный обмен. 2. Мембранный процесс. 3. Дистиляция.
Жесткость		1. Умягчение. 2. Мембранный процесс. 3. Дистиляция.
Фтор		1. Ионный обмен. 2. Мембранный процесс. 3. Добавление фтористых соединений.
Силикаты		1. Химическое осаждение. 2. Мембранный процесс. 3. Ионный обмен.
Мышьяк		1. Химическое осаждение, адсорбция. 2. Мембранный процесс.
Фосфаты		Химическое осаждение.
Крупные загрязнения		Процеживание.

1.5.1 Удаление крупных загрязнений (процеживание)

Удаление крупных загрязнений для защиты последующего оборудования от повреждений.

На данной стадии обработки из воды удаляются крупные примеси, которые задерживаются на решетках. Ширина прозоров между прутьями решетки определяет размер задерживаемых частиц. Удаление задержанных на решетке частиц (мусора, отбросов) осуществляется вручную или автоматизировано.

Ширина прозоров решетки следующая (размер ячейки процеживателя):

- мелкие прозоры -<10 мм;

- средние прозоры-10-40 мм;

- крупные прозоры->40 мм;

Грубые решетки обычно устанавливаются непосредственно в местах забора поверхностной воды. Размер прозоров - 30 - 50 мм.

Решетки с меньшими прозорами устанавливаются либо также на водозаборах, либо непосредственно перед очистными сооружениями.

Расчет решеток проводится по максимальной гидравлической нагрузке. При этом принимается скорость в прозорах при среднем расходе 0,5-1,0 м/сек.

Предварительная обработка отсутствует. Является простой и давно известной технологией. Недостаток в применении сит с мелкими отверстиями влечет за собой увлечение количества задержанных отбросов. Желательно чтобы в воде находилось как можно меньше движущихся частей. Необходимо своевременно осуществлять съем задержанного мусора.

1.5.2 Аэрация и удаление растворенных газов

Целью является насыщение воды кислородом. Удаление растворенных газов, таких как: метан, сероводород, диоксид углерода и летучих органических соединений. Аэрация - процесс насыщения воды воздухом или чистым кислородом с целью удаления растворенных газов в атмосферу. В зависимости от типа растворенного газа массообмен между жидкостью и газом может происходить сравнительно быстро.

Применяются следующие методы аэрации:

Каскадные аэрация: водный поток падает с высоты 1 - 4 м, расстояние между ступеням 0,3 - 0,5 м. Нагрузка на водослив каскада 20-50 м³/м/час.

Донная аэрация: при этом способе воздух подается в воду через равномерно уложен на днище резервуара аэраторы (диффузоры). Отношение воздух / вода колеблется от 1 до 12. Глубина аэрационного резервуара З - 5 м. Время пребывания воды в резервуаре 5 мин.

Барботаж: при этом способе большое количество воздуха попускается через тонкий слой воды. Отношение воздух / вода, колеблется от 100 до 300. Количество подаваемо воздуха 5 - 10 м³/час/м2.

Напорная аэрация: сжатый воздух или чистый кислород вводятся в напорную трубу или фильтр. Количество подаваемого сжатого воздуха: 0,1-0,3 м³/м3 воды. При использовании чистого кислорода расход составляет 75-90% от указанного выше.

Метод аэрации должен выбираться в зависимости от требуемой степени удаления загрязняющего компонента с учётом как жёсткости и щёлочности очищаемой воды, физических условий.

Удовлетворительное удаление растворённых газов требует хорошей вентиляции помещения, где установлено оборудование.

Для расчёта этого метода используются главным образом эмпирические методы. Предварительная обработка: грунтовые воды: не требуется.

Поверхностная вода: процеживание (дезинфекция). Удаление растворённых газов из поверхностных источников обычно не требуется.

Эффективность: каскадная или напорная аэрации эффективны только в том случае, если очищаемую воду требуется только насытить кислородом. При аэрации максимально возможная концентрация растворённого кислорода ориентировочно 11 мг/л при 1 0С и нормальном атмосферном давлении; при вводе чистого кислорода при идентичных условиях теоретически можно достичь концентрации около 5О мг/л. Если содержание метана, сероводорода или агрессивного диоксида углерода соответственно более -0,1; 0, 5; 5 мг/л - не рекомендуется использовать напорную аэрацию.

Примеры удаления метана и сероводорода до остаточной концентрации менее 0,05 мг/л.

1.5.3 Методы удаления метана и сероводорода

Метод очистки	Максимальная концентрация растворенных газов в исходной воде, мг/л.
	метан	Сероводород
Каскадная аэрация	1	0,2
Донная аэрация	2-30	-
Барботаж	30	5

-зависит от соотношения воздух / вода.

Удаление 90-99% летучих органических соединений требует наличия барботажа. Обычно агрессивный диоксид углерода не может быть удалён аэрацией (если концентрация НСО3 менее 1ООмг/л).

Воздух после аэрации, содержащий летучие органические компоненты, перед выпуском в атмосферу должен быть подвергнут очистке на фильтре с активированным углем. Методы аэрации по удельному расходу электроэнергии (кВт час/м3) можно расположить в следующем порядке: каскадная аэрация 0,01< донная аэрация -0,01-0,2< барботаж >0,2.

Преимуществом является то, что капитальные затраты для напорной аэрации невелики.

Каскадная аэрация - простой и экономичный процесс.

Донная аэрация удаляет меньше диоксида углерода по сравнению с барботажем, следовательно, осаждение углекислого кальция в последующих процессах будет менее интенсивным. Барботаж - весьма эффективный процесс.

Недостатком является: удаление диоксида углерода влечёт за собой увеличение рН и способствует осаждению карбоната кальция в последующих процессах.

Оборудование: напорная аэрация (подача чистого кислорода): герметичная ёмкость, дозирующее устройство. Напорная аэрация (подача воздуха): компрессор, дозирующее устройство. Каскадная аэрация: каскад.

Донная аэрация: воздуходувка, резервуар аэрации, диффузоры (аэраторы). Барботаж: воздуходувка, перфорированные пластины.

Специальные вопросы эксплуатации: необходимо периодическая ревизия оборудования. Системы аэрации в состав которых входят аэраторы / диффузоры могут быть использованы для ввода озона.

1.6 Методы очистки воды от взвешанных, коллойдных и растворенных веществ.

1.6.1 Процесс отстаивания

Целью является: удаление взвешенных веществ, снижение цветности, содержания органических веществ, железа, фосфора и водорослей.

На практике возможны различные варианты аппаратурного оформления процесса отстаивания, что определяется конкретными условиями, такими как производительность сооружения, наличие свободных площадей и пр. Ниже даны некоторые примеры:

1. коагуляция / флокуляция - отстаивание;

2. осветлитель со взвешенным слоем;

3. отстаивание с использованием утяжеляющих добавок.

Общий для всех вариантов химического осаждения процесс - смешивание коагулянта с водой. Для получения эффективной коагуляции смешивание должно происходить достаточно быстро. Продолжительность процесса от нескольких секунд до двух минут. При применении этого процесса используются как смесители без движущихся частей, так и специальные механизмы.

В зависимости от вида химического осаждения процесс хлопьеобразования может происходить как в отдельном сооружении, так и совместно с процессом разделения. При проведении процесса хлопьеобразования в отдельном сооружении используются либо механические мешалки, либо процесс происходит в статических условиях, в последнем случае вода проходит через своеобразный «лабиринт», постоянно меняя направление движения, что приводит к образованию локальных вихревых потоков. Это в свою очередь стимулирует хлопьеобразование.

При использовании мешалок установка состоит из камеры хлопьеобразования (возможно из нескольких камер с убывающей частотой вращения механизмов) и медленно вращающейся в ней мешалки. Продолжительность пребывания в камере хлопьеобразования 5-30 минут.

Процесс осаждения хлопьев происходит в отстойниках. Отстойники могут быть круглые или прямоугольные, соответственно с вертикальным или горизонтальным движением воды, и глубиной З-6 м. Уплотнение осадка производится механическими скребками. Затем осадок из специальных приямков откачивается насосом.

1.6.2 Аппаратурное оформление процесса коагуляция/ флокуляция /отстаивание

Помимо этого, для процесса коагуляции могут использоваться осветлители. Осветлители с взвешенным осадком объединяют процессы хлопьеобразования и отделения образовавшихся хлопьев. В общем виде, сырая вода после смешивания с коагулянтом, проходит снизу вверх через слой взвешенного осадка (например, поступая в нижнюю часть осветлителя со взвешенным осадком).

1.6.3 Отстаивание с применением осветлителя.

Процессы отстаивания с использованием утяжеляющих добавок пока не получили широкого распространения. Асifl1о - новый процесс, в котором какое-либо вещество с высокой плотностью, например, песок в течение процесса коагуляции / флокуляции добавляется в воду совместно с полимерами микроскопические хлопья, молекулы полимера и песок образуют прочные тяжёлые хлопья, которые быстро оседают.

Для интенсификации работы отстойников могут применятся различного вида полочные модули, что приводит к значительному увеличению эффективности работы сооружения. Грунтовые воды: аэрация.
Поверхностные воды: процеживание, дезинфекция (при необходимости).

Табл 4. Эффективность процесса для различных видов загрязнённости исходной воды представлена

Основные показатели	Эффективность удаления %
Взвешенные вещества	>80
Органические вещества	40-70
Цветность	>75
Железо	>80
Фосфаты	>80
Водоросли*	>90

Эксплуатация: коагулянты содержат тяжёлые металлы, которые могут перейти в воду. Однако, их содержание в реагентах, используемых для очистки питьевых вод, сравнительно невелико. Синтетические полимеры содержат растворимые в воде побочные продукты, называемые мономерами (например, акриламид), которые классифицируются как потенциально канцерогенные. В странах ЕС использование синтетических органических полимеров при очистке питьевой воды требует одобрения контролирующих органов. Затрата энергии - приблизительно 0,0 1-0,03 кВт час/м3 для процесса осаждения.

Преимущества: Химическое осаждение - относительно недорогой процесс. Осветлители с взвешенным осадком и процесс Асtiflо могут использоваться при значительном колебании качества обрабатываемой воды.

Процесс Actiflо чрезвычайно компактен. В статических процессах осаждение может протекать неудовлетворительно. Осветлители с взвешенным осадком требуют постоянного расхода очищаемой воды и наличия квалифицированного обслуживающего персонала. В процессе эксплуатации образуется осадок с плохими водоотдающими свойствами.

Оборудование: насосы - дозаторы, смеситель, камера хлопьеобразования.

Резервуар-накопитель осадка, система контроля.

Специальные вопросы эксплуатации: химическое осаждение требует непрерывного наблюдения и оптимизации.

Периодическая подготовка реагента производится вручную. Для удаления остаточной мутности химическое осаждение должно сопровождаться последующей фильтрацией.

Необходимо предусматривать узел обезвоживания осадка.

1.7 Вакуумно-эжекционный метод обезжелезивания подземных вод

Целью является: удаление железа при очистке подземных вод.

На данной стадии обработки из воды удаляется железо. При обезжелезивания воды применён новый короткоцикловый безреагентный вакуум - эжекционный способ массообмена. Он используется при совершении абсорбционно десорбционных процессов по насыщению или извлечению из воды газообразных компонентов. Сочетание в процессе вакуумирования и дробления капель воды ускоряет абсорбционно-десорбционный процесс в 1500 - 3000 раз быстрее по сравнению с диффузионным. Растворённые газовые компоненты удаляются из воды и за доли секунды насыщаются воздухом. Всё завершается в особой конструкции трубопровода по движению воды, не содержащих вращающихся частей.

Предварительная обработка отсутствует.

Остаточное содержание в воде железа - 0, Змг/л, соответствует ГОСТУ 2874 82 неограниченная производительность, применение метода при начальном содержании железа до ЗО мг/л более.

Недостатки: применение вакуумно-эжекционной установки, которую следует изготовлять в заводских условиях.

Вакуумно-ижекционная установка, резервуар, насосы, фильтр, бактерицидная установка.

1.8 Фильтрация через различные материалы

Целью является: удаление взвешенных веществ, марганца, железа и др.

Фильтрация - процесс задержания взвешенных веществ при прохождении воды через пористую загрузку. Загрузка укладывается на поддерживающий слой, через который проходит нисходящий поток воды.

Частицы до 1 м удаляются в результате химического и физического взаимодействия с фильтрующим материалом.

Для удаления растворённого железа (двухвалентного) и марганца (двухвалентного) вода должна быть проаэрирована (возможно применение окислителей). При этом произойдёт окисление с образованием Fе(ОН) з и MNO2. Этот процесс должен быть завершён до или во время фильтрования.

Фильтры оцениваются по разным критериям. Прежде всего, они подразделяются на медленные и скорые. В настоящее время медленные фильтры из-за низкой скорости фильтрации (< 0,3 м / час) используются редко, поскольку это требует большого количества загрузки, и возникают проблемы с её регенерацией. Скорые фильтры характеризуются скоростью фильтрации 4-20 м/час и бывают открытые и закрытые. Фильтры могут быть установлены как последовательно, так и параллельно. Загрузка фильтров кварцевый песок, измельчённый антрацит, известняк специальной обработки, гранулированный активированный уголь, гранит, полимерные материалы.

Каждая из этих загрузок имеет свои достоинства: известняк увеличивает щёлочность, активированный уголь извлекает пестициды и т.д.

Фильтрующая загрузка может состоять из материала одного, двух и более видов.

В двойной загрузке в верхней части находится антрацит. имеющий меньшую плотность и состоящий из крупных частиц. В нижней части фильтра находится более плотная фракция (песок). Это повышает эффективность фильтрации, поскольку в верхней части фильтра задерживаются более крупные частицы, а в нижней - мелкие.

Смешанный фильтр содержит три вида загрузки: кварцевый песок, антрацит и очень рыхлый материал (например, пластмасса или пемза) или материал большой плотности, Например, гранит. Загрузка выбирается таким образом, чтобы создать наиболее однородный фильтрующий слой. В общем случае, выбор материала загрузки, её гранулометрический состав и пропорциональное отношение определяется качеством сырой воды, требованиями к качеству очищенной воды, конструкцией фильтра и предварительной обработкой воды.

Загрузка фильтров характеризуется крупностью зерен фильтрующего материала по верхнему и нижнему пределу или эффективным размером гранул и коэффициентом однородности. Эффективный размер гранул - размер, выраженный в миллиметрах, который меньше размера всех гранул, за исключением 10% представительной выборки загрузки по массе.

Для удаления веществ, задержанных в порах фильтра, последний регулярно промывается водовоздушной смесью. В процессе промывки задержанное вещество вымывается из И загрузки и удаляется в резервуар промывной воды или резервуар-накопитель осадка.

Табл. 5 Основные параметры процесса фильтрации

Фильтрующая загрузка	Способ промывки	Скорость промывки водой, м/час	Скорость воздушного потока, м/час
Кварцевый песок	1. Воздух 2. Вода	- 30 - 40	60 -
	1. Воздух +Вода 2. Вода	10 - 15 20 - 25	50 - 60 -
Двухслойная загрузка	1. Воздух 2. Вода	- 30 - 40	60 - 70 -

Грязеёмкость фильтра по взвешенным веществам -0,5 - 1,8 кг/м3 загрузки. Затем, во да избежание высоких потерь напора и проскока загрязнений, необходима промывка фильтра. Критерием для начала промывки являются потери напора, время фильтрации или получение определённого объёма профильтрованной воды.

Табл .6 Характерные параметры фальтрации

Основные параметры фильтрации	Открытый фильтр	Закрытый фильтр
Скорость фильтрации м/час	4-12	10-20
Высота слоя загрузки, м.	0,6-1,2	1,5-2,5
Площадь фильтра, м2	6-100	1-12

1.8.1 Безнапорный фильтр

Правая часть - рабочее состояние, левая часть - промывка.

Грунтовые воды: аэрация или химическое окисление.

Поверхностные воды: решётка, дезинфекция (при необходимости), химическое осаждение.

Эффективность зависит от типа фильтрующей загрузки, размеров её частиц, высоты фильтрующего слоя, скорости фильтрации и пр. Основные параметры эффективности работы фильтра представлены в Табл.

Табл. 7 Эффективность работы фильтра

Основные загрязнения	Эффективность очистки, %
Взвешенные вещества	>90
Железо	>90
Марганец	>90

Железо, марганец и взвешенные вещества могут быть удалены до остаточных количеств, соответствующих нормативам на питьевую воду.

Возможность применения двухслойных фильтров определяется качеством исходной воды.

Затраты электроэнергии - менее 0,01 кВт час / м3.

Относительно простая эксплуатация. Фильтры с загрузкой из одного материала относительно недорогие и надёжные.

Фильтры с загрузкой из двух материалов имеют более высокую грязеемкость и соответственно требуют меньшего количества промывок.

Недостатком является капитальные затраты для двухслойных фильтров выше по сравнению с однослойными. Во избежание вымывания угля процедура их промывки должна осуществляться более тщательно.

Оборудованием является фильтрационный модуль, насос, компрессор, резервуар промывной воды.

Добавка реагентов перед фильтром может повысить эффективность процесса. Промывная вода после отстаивания, фильтрации и дезинфекции, смешиваясь с сырой водой, может использоваться многократно. Капитальные затраты для двухслойных фильтров выше по сравнению с однослойными. Во избежание вымывания угля процедура их промывки должна осуществляться более тщательно.

Оборудование: фильтрационный модуль, насос, компрессор, резервуар промывной воды. Промывка должна проводиться регулярно.

Добавка реагентов перед фильтром может повысить эффективность процесса. Промывная вода после отстаивания, фильтрации и дезинфекции, смешиваясь с сырой водой, может использоваться многократно.

1.8.2 Биологическая фильтрация

Целью является: удаление железа, марганца, аммонийного азота, метана, сероводорода и органических соединений.

Биомасса, прикреплённая на поверхности фильтрующего материала, способна окислять некоторые виды неорганических веществ или деструктировать органические вещества. Фильтрующие материалы, типа кварцевого песка, активированного угля, антрацита, являются хорошими носителями (насадками) для микроорганизмов (для дополнительной информации см. разделы по фильтрации и использованию активированного угля).

1.8.3 Биологическое удаление железа

Биологическое удаление железа возможно тогда, когда оно присутствует в поступающей воде в растворённом виде в форме двухвалентного железа. Биологическое удаление железа предпочтительнее перед химическим при рН <7,3 и низком значении окислительно-восстановительного потенциала, а также при содержании железа более 2 мг/л. Значение окислительного - восстановительного потенциала регулируется Л2.9. интенсивностью аэрации перед фильтрацией. Для окисления 1 мг двухвалентного железа требуется 0,14 мг кислорода.

При биологической обработке воды бактерии, имеющиеся в грунтовых водах, окисляют двухвалентное железо в трёхвалентное. Гидролиз трёхвалентного железа приводит к образованию FеООН, которая смешивается с полимерами, выделяемыми железоокисляющими микроорганизмами. Сфлокулированные хлопья имеют довольно высокую прочность и плотность, что увеличивает степень их задержания на фильтрах. Фильтры, предназначенные для биологического удаления железа, должны иметь более грубый фильтрующий материал по сравнению с обычными фильтрами, поэтому скорость фильтрации может быть повышена до 30 м/час и грязеёмкость - до 3-4 кг/м3 загрузки.

1.8.4 Биологическое удаление аммонийного азота

Микробиологическое удаление аммонийного азота на фильтрах в процессах водоподготовки получило широкое распространение в последние годы. Так называемые нитрифицирующие бактерии преобразуют аммонийный азот сначала в нитритный, а затем - нитратный. Наиболее эффективно процесс протекает при рН больше 7 и для полной нитрификации (до нитратов) на 1 г аммонийного азота требуется 3,5 г кислорода; в первоначальный период работы нитрифицирующего фильтра возрастает концентрация нитритов при незначительной концентрации нитратов, а затем концентрация азота нитритного падает, а нитратного возрастает. В процессе нитрификации из одного грамма аммонийного азота образуется ориентировочно 3,4 г нитратов.

1.8.5 Биологическое удаление марганца

Растворённый марганец может осаждаться в виде осадка чёрного цвета на загрузке фильтра. Это происходит уже после того, как удалены железо и аммонийный азот. Чёрный осадок состоит из отрицательно заряженной двуокиси марганца, к которой притягивается положительно заряженный нон (Мn2). При этом под воздействием микроорганизмов нон Мп2 + окисляется до двуокиси марганца. Таким образом, развивается процесс: ионный обмен - биологическое окисление. диоксид марганца не может быть полностью удален при промывке фильтра, поэтому объем загрузки будет постепенно увеличиваться. для окисления 1 мг марганца (Мn2) требуется 0,29 мг кислорода.

1.8.6 Биологическое удаление метана и сероводорода

Только небольшое количество метана и сероводорода могут быть окислены микроорганизмами на поверхности зёрен фильтрующей загрузки. Это связано с тем, что микроорганизмы на поверхности фильтрующей загрузки образуют слизь, появление которой нежелательно. Поэтому развития микрофлоры можно избежать, предварительно применяя эффективную аэрацию. При микробиологическом окислении упомянутых загрязнений, расход кислорода составляет - 4 мг на окисление 1 мг метана и 0,5-1,3 мг на окисление 1 мг сероводорода.

1.8.7 Биологическое удаление органических веществ

Ряд органических соединений, как, например, бензол, фенол или пр., могут быть окислены биологическим путём. Если вещество может быть окислено химическим путём, это означает, что существует вероятность и его биологического окисления. Однако, прежде чем строить производственные установки, необходимо провести лабораторные исследования.

Грунтовая вода: аэрация.

Поверхностные воды: решётки, аэрация (при необходимости), химическое осаждение.

Эффективность: содержание железа, аммонийного азота, марганца в очищаемой воде может быть доведено до нормативных показателей. В зависимости от качества исходной воды может быть применена фильтрация при двухслойной загрузке.

Эксплуатация: затрата энергии для биологического процесса фильтрации - до 0.01 кВт час/м3.

Преимуществом является: недорогие процессы. Не требуется химического реагента. Небольшое количество образующегося шлама.

Недостатки: чувствительность к изменению качества очищаемой воды и содержанию токсичных веществ. Срок накопления необходимого количества биомассы может достигать двух месяцев. Микробиологические процессы крайне зависят от температуры и ниже 5 0С неэффективны.

Оборудование: фильтрационный модуль, компрессор для регенерации, резервуар-накопитель осадка.

Биологическая система требует по возможности устойчивой и непрерывной работы. Химическая дезинфекция (при наличии пост - эффекта) до процесса биологической очистки может привести к гибели микрофлоры.

1.9 Мембранные процессы

Целью является: мембраны являются абсолютным барьером для задержания взвешенных частиц. При использовании мембранной фильтрации происходит как очистка воды, так и ее дезинфекция.

Истинные полупроницаемые мембраны (нанофильтры и установки обратного осмоса) задерживают соли жёсткости, пестициды и даже растворённые соли.

Электродиализ используется для частичного опреснения солоноватой воды. При этом вода не проходит через мембрану, соответственно дезинфекции не происходит.

Мембранное разделение производится либо под давлением (микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос), либо под воздействием электрического тока (электродиализ). Для каждого вида процесса используются определённые мембраны (в зависимости от лены приложенного давления).

Для ультрафильтрации диаметр пор менее О, 1m и до 10000 -200000 дальтон. Нанофильтрация требует дальнейшего уменьшения диаметра пор до 500-5000 дальтон. Обратный осмос проходит при диаметре пор менее 500 дальтон.

1.9.1 Мембранная фильтрация.

Микрофильтрация удаляет только взвешенные вещества, ультрафильтрация коллоидные вещества и макромолекулы.

Нанофильтрация удаляет соли жёсткости, двухвалентные анионы, некоторые органические соединения, снижает цветность.

Обратный осмос удаляет большинство солей, включая нитраты, фториды, поваренную соль (из солоноватой или морской воды). Материал мембран - синтетический, хотя имеются и керамические мембраны (они используются главным образом, как микрофильтры).

Большинство мембран - это сложные мембраны, где поддерживающий слой выполнен из полисульфонатов, а фильтрующие слои - из полиамида или другого аналогичного по свойствам материала.

Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов или в виде полых цилиндров. Они собираются в модули стандартного размера, приспособленные для работы под давлением.

Мембранные модули закладываются в ёмкости, соединённые последовательно или параллельно и работают под давлением.

Установки комплектные и оборудованы трубопроводами с регулирующей арматурой, подающим насосом, щитом управления, фильтром для защиты модуля от крупных части. Таким образом, основное мембранное оборудование является высокомодульным и поставляется практически как готовая установка.

Электродиализные установки отличаются от установок, работающих под давлением. Соли проходят через полупроницаемую мембрану. Большие и нейтральные частицы не удаляются из воды.

Оборудование процесса электродиализа состоит из пакета мембран, катионных и анионных. Очищенная вода и концентрированная (рассол), собираются в соответствующих камерах, порядок которых определяется зарядом электродов. Существуют электролизёры реверсивного типа (EDR). Меняя полярность, можно попеременно использовать камеры как для сбора очищенной воды, так и для сбора рассола, что увеличивает срок службы мембраны.

Предварительная очистка: загрязнения мембран - главная проблема, возникающая при эксплуатации мембранных установок, что обуславливает необходимость предварительной очистки воды. Более плотные мембраны требуют более тщательной предварительной очистки. Таким образом, ультрафильтрация может служить предварительной стадией для установки обратного осмоса; нанофильтрация - для обратного осмоса морской воды. Для предварительной очистки применяется фильтрация, которая может происходить как с добавлением реагента (коагулянт и флокулянт), так и без такового. Одним из методов предочистки может быть хлорирование с последующим дехлорированием, т.к. большинство выпускаемых мембран разрушается при длительном контакте с хлором.

Индекс загрязнённости 1ЭI характеризует загрязнённость исходной воды, поступающей на установки обратного осмоса и нанофильтрации. данный показатель должен быть как можно меньше, желательно менее 3. Но загрязнение мембраны может происходить и в самой установке из-за осаждения частиц твердой фазы, развития микроорганизмов и химического взаимодействия между материалом мембраны и соединениями, содержащимися в воде. Химическое взаимодействие является худшим видом загрязнения мембраны в виду необратимости этого процесса.

Эффективность: при эксплуатации установок важными являются два параметра: степень задержания и режим работы.

Для получения заданной степени задержания мембраны могут быть изготовлены на заказ. Опреснение морской воды требует степени задержания солей более, чем на 99%. Нанофильтр, задерживающий менее 50% хлористого натрия, может эффективно удалять пестициды.