§ 7. Основные этапы подготовки питьевой воды

Требования, предъявляемые к воде, показателям ее качества, обусловливают выбор методов очистки природной воды. Ниже перечислены методы, наиболее часто применяемые на практике.

Осветлением называют процесс удаления из воды взвешенных частиц. Самые крупные из них удаляют отстаиванием, которое применяют как самостоятельный процесс или в сочетании с коагуляцией. Для ускорения процесса осветления фильтруют воду через слой зернистого материала — песка, антрацита, керамзита и т. п., причем скорость фильтрования определяется размерами частиц. Для осветления мутных и слабоокрашенных вод обычно используют медленную фильтрацию (0,2-0,4 м/ч).

Тонкодисперсные взвеси удаляют из воды с помощью коагулирования, т. е. обработки воды химическими реагентами, которые вызывают укрупнение взвешенных частиц и ускоряют их осаждение. Природные воды нередко содержат во взвешенном состоянии почвенные органические вещества, кремниевую кислоту, различные глинистые минералы, которые при гидролизе образуют отрицательно заряженные коллоидные частицы. Добавление коагулянтов вызывает их осаждение. Обычно в качестве коагулянтов используют сульфат алюминия A12(S04)3- 18Н20, оксихлорид алюминия А12(ОН)5 • С1 ¦ Н20 и хлорид железа (III) или их смесь.

Обесцвечиванием называют комплекс процессов, способствующих удалению из воды окрашенных коллоидов и истинно растворенных веществ. Окрашенные коллоиды осаждаются в процессе коагуляции, а окрашенные растворенные вещества устраняют путем их окисления хлором, озоном, перманганатом калия или путем сорбирования их активированным углем.

Согласно современным представлениям, процесс искусственного обесцвечивания воды протекает так. При добавлении к воде раствора коагулянтов A12(S04)3 или FeCl3 в течение 30-180 с проходит гидролиз добавленных солей с образованием коллоидных гидроксидов алюминия или железа, обладающих огромной активной поверхностью.

Гидролиз, в частности, солей алюминия, используемых в качестве коагулянтов, протекает в несколько стадий:

Содержащиеся в воде окрашенные коллоидные и высокомолекулярные примеси адсорбируются на поверхности частиц гидроксидов.

Для уничтожения содержащихся в воде болезнетворных бактерий и вирусов проводят ее обеззараживание. Уже фильтрация воды и коагуляция содержащихся в ней коллоидов частично снижают ее бактериальную загрязненность. Для полного же обеззараживания воду дезинфицируют, для чего чаще всего используют химические методы дезинфекции: обработку воды газообразным хлором и его производными (хлорной известью Са(ОС1)2, диоксидом хлора СЮ2, гипохлоритом натрия NaCIO, хлорамином (NH2C1) а также озоном 03. В последние годы стали проводить обеззараживание воды при помощи ультрафиолетовых лучей.

Совокупность процессов отстаивания, фильтрования, коагуляции и обеззараживания воды составляет технологическую схему водоподготовки. В зависимости от объема обрабатываемой воды и необходимой степени очистки используют безреагентные и реагентные (рис. 5.1) схемы, которые отличаются размерами водоочистных сооружений и условиями их эксплуатации.

Рис.

Безреагентные очистные схемы обычно используются для водоснабжения промышленных объектов с незначительным водо- потреблением, где достаточно осветления и обесцвечивания воды. В их состав обычно входят: устройство для забора воды, отстойники, камера хлопьеобразования (коагуляции), песчаный фильтр и резервуар.

Значительно интенсивней и эффективней протекает водоподготовка с применением реагентов: хлора, озона и др. Подобные схемы с глубоким осветлением воды применяются для хозяйственно-питьевых нужд и для тех промышленных объектов, где к качеству технической воды предъявляются высокие требования.

Природные воды иногда имеют неприятный запах или привкус, которые вызываются растворенными в воде сероводородом, некоторыми органическими соединениями и т. п. Для их устранения воду часто пропускают сквозь слой дезодоранта — активированного угля, который адсорбирует загрязнения.

Поскольку стоимость получения реагентов играет важную роль при выборе технологии водоподготовки, интересно ознакомиться с результатами сравнительной оценки различных химических реагентов, выполненных американскими специалистами (табл. 5.8).

Удельная стоимость бактерицидных препаратов

(Ю. И. Скурлатов, Е. В. Штамм, 1997 г.)

Таблица 5.8

Из табл. 5.8 следует, что стоимость получения наиболее распространенных окислителей, применяемых в технологиях водоподготовки, а именно хлора и озона, практически сопоставимы. Отметим при этом, что себестоимость указанных реагентов в России почти на порядок ниже.

Около 90 % водоочистных станций в России построены и строятся с применением типовых проектов, разработанных 15 и более лет назад. Однако сейчас в связи с интенсивным антропогенным загрязнением водоисточников (нефтепродукты, фенолы, пестициды, СПАВ, ионы тяжелых металлов, соединения азота и др.) барьерная роль традиционных очистных сооружений по отношению к таким загрязнениям оказалась незначительной. В силу этого обстоятельства разработаны технические решения, дополняющие предусмотренную типовыми проектами технологию очистки новыми процессами — озонированием и сорбционной фильтрацией, которые в совокупности обеспечивают более глубокую очистку воды.

По одной из новых технологических схем (рис. 5.2) исходная вода поступает в контактную камеру первичного озонирования 3, первое отделение которой выполняет функции воздухоотделителя 2.

Рис. 5.2. Принципиальная технологическая схема очистки воды с применением озонирования и сорбционной фильтрации:

1 — подача исходной воды; 2 — воздухоотделитель; 3 — контактная камера первичного озонирования; 4 — смеситель; 5 — камера хлопье- образования; 6 — отстойник; 7 — скорый песчаный фильтр;

8 — контактная камера вторичного озонирования; 9 — сорбционный угольный фильтр; 10 — резервуар чистой воды; 11 — подача хлора (постоянная или периодическая); 12 — озонаторная установка;

13 — подача озоно-воздушной смеси; 14 —- ввод коагулянта;

15 — ввод флокулянта; 16 — обводные трубопроводы;

17 — насосная станция подкачки

В камере вследствие контакта воды с озоном происходит окисление органических загрязнений и частичное обеззараживание воды. Затем вода поступает в вихревой смеситель 4 (предварительно вводятся реагенты: коагулянт, флокулянт и др.), проходит камеры хлопьеобразования 5, горизонтальные отстойники 6 или осветлители с взвешенным осадком, скорые песчаные фильтры 7.

Осветленная вода далее поступает в контактную камеру вторичного озонирования 8, совмещенную с промежуточной емкостью. Вторичное озонирование позволяет, с одной стороны, осуществить более глубокое окисление оставшихся органических веществ, с другой — повысить эффективность сорбционной очистки, увеличить продолжительность использования активного угля до регенерации, улучшить органолептические показатели очищенной воды. Затем вода направляется на угольные фильтры 9, обеззараживается хлором 11, поступает в резервуары чистой воды 10 и подается потребителям.

Включение в технологическую схему московских водоочистных станций в качестве завершающего этапа озоно-сорбционной обработки — третьей ступени очистки, рассматривается сейчас как одно из основных направлений повышения качества питьевой воды. В настоящее время по новой технологии завершается строительство блока № 4 Рублевской станции производительностью 250 тыс. м3/сутки; запроектирована Юго-Западная станция производительностью 500 тыс. м3/еутки; заканчивается технико-экономическое обоснование Рублевской и Восточной водопроводных станций.

К несомненным достоинствам озонирования воды следует отнести: улучшение органолептических свойств воды и чрезвычайно высокую бактерицидную активность в широком интервале pH и температуры в отношении бактерий, вирусов, спор. Озон вырабатывается на месте, для его получения требуется лишь достаточное количество электроэнергии. Из химических препаратов необходимы силикагель (для осушки воздуха перед озонированием) и щелочь (в целях создания оптимальных условий растворения озона). При обработке воды озоном (в отличие от других реагентных методов) минеральный состав, щелочность, pH, показатель стабильности и содержания свободной углекислоты остаются без изменения. Наконец, озон способствует удалению из воды железа и марганца, окислению сульфитов, нитритов и сероводорода.

Однако следует отметить и существенные недостатки, присущие процессу обеззараживая воды озоном. Помимо сложной технологической схемы, больших затрат электроэнергии и соответственно высокой себестоимости обеззараживая озоном (табл.

К недостаткам принципиального значения относится и отсутствие бактерицидного последействия: вода, обработанная озоном, в силу быстрого разложения последнего, легко подвергается вторичному (внешнему) бактериальному загрязнению. Вследствие этого питьевую воду перед подачей потребителям подвергают дополнительному обеззараживанию озоном или хлором. При этом консервирующую дозу хлора принимают 1,2 г/м3.

Ряд недостатков, присущих озонированию, можно устранить, как считают многие ученые, путем сочетания озонирования с сорбционной (при помощи активированных углей) очисткой воды от нежелательных примесей. Поэтому на данном этапе речь идет о таком направлении в подготовке питьевой воды, которое, максимально используя преимущества озона как окислителя и дезинфектанта, в то же время в той или иной степени способно нейтрализовать отмеченные ранее недостатки озонирования.

В настоящее время в практику водоподготовки и водоотведения активно и не без основания внедряется метод ультрафиолетовой обработки воды. Являясь по сути высокоточным микробиологическим оружием, ультрафиолет стремительно выдвигается в ряд наиболее эффективных с эколого-гигиенических позиций методов подготовки питьевой воды. Правда, одним из основных его недостатков, помимо энергозатратности (однако уступающей озонированию), является отсутствие бактерицидного последействия. Для устранения этого недостатка ряд отечественных ученых (В. В. Гутенев, А. И. Ажгиревич и др.) предлагают сочетать УФ-обработку воды с введением небольших (менее ПДК) количеств ионов серебра или меди.

Иногда природные воды содержат много диоксида углерода, присутствие которого способствует растворению карбоната кальция (переводя его в гидрокарбонат) и тем самым ускоряет разрушение бетонных гидротехнических сооружений. Такой диоксид углерода называется агрессивным, и его следует удалять из воды. В ряде случаев из воды приходится удалять хлор, кислород, сероводород и другие газы. Дегазация воды осуществляется химическими, физическими, физико-химическими методами.

Химические методы дегазации основаны на добавлении к воде веществ, которые реагируют с растворенными в ней газами. Так, для связывания диоксида углерода используют NaOH, СаО, Na2C03; для дехлорирования воды используют диоксид серы S02, тиосульфат натрия Na2S203, сульфит натрия Na2S03, аммиак NH3 и другие реагенты; сероводород разрушают хлором с последующей коагуляцией образовавшейся серы и т. п.

Однако химические методы дегазации требуют строгой дозировки реагентов, добавляемых к воде, так как их избыток ухудшает свойства воды. Поэтому в ряде случаев удобнее использовать физико-химические методы дегазации и, в первую очередь, фильтрование воды сквозь слой веществ, способных реагировать с растворенными газами. Этим методом удаляют агрессивный диоксид углерода, пропуская воду сквозь слой мраморной крошки:

СаС03 + Н20 + С02 = Са(НС03)2.

§ 8. Опреснение воды

Методами ионного обмена можно обессолить воду. Для этого ее необходимо последовательно пропустить через Н-катионит и ОН-анионит: катионирование воды освободит ее от катионов, а анионирование — от анионов, которые адсорбируются на зернах анионита в результате обмена на ионы ОН . Процесс снижения содержания солей в морской воде или соленых водах суши до уровня, при котором вода становится пригодной для использования, называется опреснением.

Самым древним методом опреснения соленой воды является ее дистилляция (перегонка) — испарение минерализованной воды с последующей конденсацией пара, в результате чего получается пресная вода. Этот способ опреснения требует больших затрат энергии и потому сравнительно дорог, однако использование на опреснительных установках атомной энергии позволяет обеспечивать пресной водой целые города. Так организовано водоснабжение г. Шевченко на безводном полуострове Мангышлак на восточном побережье Каспийского моря.

В районах Крайнего Севера для опреснения морской воды используют метод вымораживания, основанный на том, что пресная вода и растворы солей замерзают и оттаивают при различных температурах, и при образовании льда соли, растворенные в морской воде, в него не попадают. Однако и этот метод требует крупных затрат энергии, поэтому для опреснения сильно минерализованных вод чаще всего используют электродиализ и метод обратного осмоса.

В электродиализной установке катионы и анионы растворенных солей под действием постоянного тока перемещаются к катоду и аноду, погруженным в опресняемую воду, и скапливаются соответственно в катодном и анодном пространстве. При этом вода в центральной части установки опресняется.

При опреснении воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей с помощью полупроницаемой мембраны, сквозь которую проходят молекулы воды, но не проходят растворенные вещества. Если поместить такую мембрану между рассолом и пресной водой, то молекулы воды проникают через мембрану в рассол. Этот процесс можно прекратить, повысив давление со стороны рассола. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет около 2525 кПа (25,25 атм.). Если давление, создаваемое в рассоле, превысит осмотическое, вода будет проникать сквозь мембрану в обратном направлении, т. е. пресная вода будет поступать из камеры с рассолом в приемник пресной воды (рис. 5.3).

з

Рис. 5.3. Технологическая схема опреснения воды методом обратного осмоса: 1 — впуск соленой воды; 2 — насос высокого давления; 3 — полупроницаемая мембрана; 4 — выпуск соленой воды

Для того чтобы этот процесс (обратный осмос) протекал непрерывно, насос должен постоянно прокачивать по трубам соленую воду таким образом, чтобы давление в рассоле превышало осмотическое и в то же время, чтобы мембрана не разорвалась и не забилась большим количеством растворенных солей.