Технология обработки природных вод

Выбор рациональной схемы обработки воды – довольно трудная задача по причине высоких требований к качеству очистки и сложности состава природных вод.

Методы обработки воды выбираются в соответствии с основными задачами, решаемыми в процессе водоподготовки. Задачи эти следующие:

– улучшение органолептических свойств воды (осветление, обесцвечивание, дезодорация и т. д.);

– ликвидация болезнетворных микроорганизмов и вирусов (озонирование, хлорирование, ультрафиолетовая обработка);

– достижение нужного минерального состава, так называемое кондиционирование воды (фторирование или, наоборот, удаление фтора, обезжелезивание, умягчение и т.д.).

Примеси, загрязняющие природную воду, различаются по своей природе (неорганические, органические, биологические), по степени дисперсности, по свойствам. Все разнообразие загрязнений можно разделить на четыре группы.

Первая группа – взвешенные вещества, которые могут быть удалены безреагентными методами и с применением реагентов. Использование реагентов позволяет интенсифицировать процесс: осаждение основной массы взвешенных частиц происходит в течение 2–4 ч, в то время как при безреагентном осаждении это требует нескольких суток.

Во вторую группу примесей входят различные гидрофильные и гидрофобные коллоидные системы, высокомолекулярные вещества и детергенты. Они удаляются из воды путем ее обработки коагулянтами, флокулянтами, известью, хлором, озоном и т. д.

Третья группа примесей – это растворенные вещества. Они наиболее эффективно удаляются из воды аэрированием, окислением, адсорбцией на активированном угле и других сорбентах, экстракцией органическими растворителями.

Четвертая группа объединяет находящиеся в воде электролиты. Для их извлечения лучше всего использовать ионные процессы.

Установки для удаления молекулярных и ионных примесей могут дополнять основные очистные сооружения.

По характеру движения воды в системе подготовки различают безнапорные и напорные технологические схемы очистки. На крупных городских и промышленных водоочистных комплексах вода чаще всего движется самотеком (безнапорная схема), при этом уровень воды в каждом последующем сооружении ниже уровня в предыдущем. При напорной схеме вода движется под давлением; естественно, напорные сооружения должны быть герметичными. Такие схемы используются для небольших объемов воды.

Реагентное хозяйство. Для улучшения качества воды применяют большое количество реагентов.

В 30-е гг. прошлого столетия широкое распространение получила обработка коагулянтами, которая и до настоящего времени остается одной из главных стадий очистки на водопроводных станциях.

Вначале выбор коагулянтов был небольшим, в основном использовался сульфат алюминия, позже были получены новые коагулянты: оксисульфат алюминия, оксихлорид алюминия, железные коагулянты, а также коагулянты, являющиеся композиционными смесями солей алюминия и железа.

Серьезным недостатком использования коагулянтов является зависимость процесса от физико-химических параметров и температуры воды. При определенных условиях существует вероятность попадания коллоидных компонентов в резервуар чистой воды. После того как было установлено, что соли алюминия обладают нейротоксичным действием, были введены ограничения на содержание остаточного алюминия в очищенной питьевой воде.

В настоящее время накоплен положительный опыт применения в процессах водоподготовки водорастворимых синтетических полимерных реагентов – флокулянтов. По сравнению с неорганическими коагулянтами они обладают следующими преимуществами: обеспечивают такой же эффект при значительно меньших дозах и меньшем объеме образующегося осадка, который легче обрабатывать. Флокулянты работают в широком диапазоне рН и щелочности, не изменяют рН очищенной воды, их использование не приводит к увеличению содержания в воде железа и алюминия.

Введение в структуру цепочки водорастворимых полимерных соединений биоцидных фрагментов открывает перспективу для создания реагентов нового поколения, в которых соединяются очень важные для технологии водоподготовки функции дезинфектанта и флокулянта.

В практике водоподготовки наиболее широко распространено дозирование коагулянта в виде растворов или суспензий. Растворы (суспензии) готовят в растворных и расходных баках. С целью интенсификации подготовки в растворных баках применяют барботаж (подачу воздуха), механическое перемешивание или непрерывную циркуляцию раствора с помощью насоса. Насыщенный раствор коагулянта поступает в расходный бак, где смешивается с водопроводной водой до достижения нужной концентрации.

Растворы других веществ (извести, соды, перманганата калия и т. д.) готовят отдельно с учетом свойств данных веществ.

Подача реагентов в воду осуществляется дозировано. Существуют так называемые дозаторы постоянной дозы, регулирующие дозу реагента в зависимости от расхода воды и ее качества; насосы-дозаторы.

Растворы, суспензии и газы могут вводиться как в открытый поток, так и в напорный трубопровод. Сухие реагенты могут дозироваться в открытый водный поток или в дополнительный смеситель, где эти вещества растворяются. Сухие гранулированные или порошкообразные реагенты дозируются шнековыми, ленточными, тарельчатыми, объемными и массовыми дозаторами постоянной дозы.

В последние годы для дозирования реагентов начали использовать плунжерные и винтовые (более производительные) насосы-дозаторы. Реагенты надо быстро и равномерно распределить в массе обрабатываемой воды. Например, неэффективное распределение коагулянта в воде снижает скорость агломерации примесей и приводит к перерасходу коагулянта.

Смесители. Смешивание реагентов с обрабатываемой водой обеспечивают смесительные устройства. Смесители бывают гидравлические и механические.

Гидравлические смесители характеризуются конструктивной простотой и надежностью. Следует отметить, однако, что если количество обрабатываемой воды падает ниже расчетного показателя, то гидросмесители не обеспечивают нужного эффекта смешивания. В группу гидравлических смесителей входят перегородчатые смесители с разделением потока; дырчатые и вертикальные смесители. Самые производительные – перегородчатые смесители коридорного типа с вертикальным или горизонтальным движением воды.

Механические смесители представляют собой круглые или квадратные резервуары с плоским или коническим днищем. Смешивание коагулянта с водой обеспечивают турбинные, пропеллерные и лопастные мешалки на вертикальной оси. Применение механических смесителей позволяет на четверть снизить расход коагулянта, уменьшает время нахождения воды в отстойниках и осветлителях со слоем взвешенного осадка.

Камеры хлопьеобразования. Используются для более успешной и полной коагуляции загрязнений. По принципу действия камеры бывают гидравлические, механические (флокуляторы) и аэрофлокуляторы. Все они обеспечивают плавное перемешивание водного потока на завершающей второй стадии коагуляции – хлопьеобразования.

Принцип работы камер гидравлического типа – под действием напора воды. Механические камеры хлопьеобразования (флокуляторы) характеризуются применением механических пропеллерных или лопастных мешалок для плавного перемешивания воды. Преимущества флокуляторов по сравнению с камерами гидравлического типа: небольшая потеря напора, простота конструкции. К недостаткам можно отнести дополнительный расход электроэнергии.

В аэрофлокуляторах повышенное хлопьеобразование достигается путем барботирования воды сжатым воздухом. Параллельно с хлопьеобразованием происходит насыщение воды кислородом и удаление оксида углерода. Равномерное распределение воздуха обеспечивается системой перфорированных труб или ложным дном из пористых материалов.

Предочистка. Предочистку воды осуществляют пропусканием ее через сетки, ткани, пористые элементы. Процесс осуществляется или на поверхности (поверхностное фильтрование), или в глубине фильтрующего материала (объемное фильтрование). Выбор того или иного вида обусловлен требуемым качеством фильтрата, свойствами воды и типом примесей, а также экономической целесообразностью.

Отстаивание. Отстойники используются для предварительного осветления воды перед ее подачей на скорые фильтры. Содержание примесей в воде после отстойника не должно превышать 8–15 мг/дм³.

Горизонтальные отстойники применяются при мутности воды до 1500 мг/дм³, цветности до 120 град и производительности водоочистного комплекса не менее 30 тыс. м³ воды в сутки.

Вертикальные отстойники используют для осветления такой же воды при производительности станции водоподготовки до 5 тыс. м³ в сутки.

Радиальные отстойники применяют обычно для обработки высокомутных вод и в системах оборотного водоснабжения.

Для осветления воды могут быть использованы также гидроциклоны, в которых выделение механических примесей происходит в процессе вращения воды в аппарате под действием центробежных сил. По сравнению с объемом отстойника объем гидроциклона небольшой, скорость выделения взвеси и процесса осветления – высокая. Гидроциклоны стоят недорого и могут служить определенной альтернативой сооружениям предварительного осветления воды. Они, однако, достаточно быстро изнашиваются, а эффект осветления сильно зависит от состава и содержания взвеси в исходной воде.

Осветлители со взвешенным осадком также применяются как сооружения первой ступени водоподготовки, причем обязательна предварительная обработка примесей воды коагулянтом или флокулянтом. Осветлители более производительны, чем отстойники, но их эксплуатация сложнее. Обрабатываемая вода (с реагентами) подается в осветлитель снизу и проходит через слой уже сформированного взвешенного осадка; вода осветляется в результате контактной коагуляции. Осветленная вода отводится, а извлеченные примеси остаются в слое взвешенного осадка, причем объем самого слоя сохраняется; избыточный осадок непрерывно сбрасывается в водосток.

Фильтрование. В большинстве технологических схем водоподготовки фильтрование является завершающим этапом обработки воды. Фильтры бывают с зернистой загрузкой (слой зерен различных материалов), сетчатые (используются также для предочистки воды), намывные (фильтрующий слой образуется из введенных в воду порошков, накапливающихся на каркасе фильтра), с использованием объемных пористых материалов – пористой керамики и т. д. Доминирующее распространение в коммунальном водоснабжении получили фильтры с зернистыми загрузками.

В зависимости от скорости фильтрования бывают фильтры медленные, скорые и сверхскоростные. Медленные фильтры, для которых нужны большие площади и скорость фильтрования в которых чрезвычайно мала, сегодня потеряли свое значение.

В настоящее время наиболее распространены так называемые скорые фильтры, условием работы которых является обязательная предварительная коагуляция воды. Эти фильтры бывают открытыми, или безнапорными, и напорными. Открытые фильтры используются на крупных городских станциях водоснабжения, движение воды через фильтрующий слой происходит благодаря давлению столба воды. В напорных фильтрах воду в движение приводит насос, эти компактные сооружения применяются для автономного водоснабжения отдельных объектов.

Следует выделить фильтровальные сооружения, получившие название контактных осветлителей. В этих аппаратах фильтрование воды происходит в направлении уменьшения крупности зерен фильтрующей среды за счет восходящего фильтрования, снизу вверх. Использование контактных осветлителей в ряде случаев позволяет очищать воду в одну ступень, без сооружений предварительной очистки (отстойников, флотаторов и т. д.). Коагулянт вводят в воду непосредственно перед ее фильтрованием, и процесс коагуляции заканчивается уже в толще фильтрующей загрузки.

Если скорые фильтры могут работать нормально при содержании взвеси в поступающей воде порядка 5–15 мг/дм³, то контактные осветители справляются с содержанием взвеси в очищаемой воде порядка 120 мг/дм³ и при цветности 120 град.

В природных водах встречаются загрязнения, для удаления которых не нужна или необязательна обработка коагулянтами. Их убирают обычными зернистыми фильтрами (например, обезжелезивание подземных вод), сорбционными и ионообменными фильтрами (в частности, удаление фенолов, гербицидов). Так, получил распространение простой способ удаления железа – фильтрование с упрощенной системой аэрации, когда доокисление железа происходит не в свободном объеме воды, а в фильтрующем слое. Аэрация одновременно помогает убрать марганец и сероводород. Фильтры-сорбенты, каталитические, ионообменные фильтры в последние годы активно используются в водоподготовке.

Обеззараживание. Предварительное хлорирование, коагуляция, фильтрование не способны полностью удалить болезнетворные микроорганизмы. Для удаления бактерий в воду вводят дезинфицирующее вещество (например, озон при озонировании воды или соединения хлора при хлорировании).

Самый распространенный метод обеззараживания – хлорирование воды. На водоочистных комплексах используют для этого хлорную известь, хлор и его производные. Однако хлор как реагент водоподготовки имеет ряд существенных недостатков:

1) хлор и хлорсодержащие соединения обладают высокой токсичностью, что требует строгого соблюдения повышенных требований техники безопасности;

2) хлор воздействует, в основном, на вегетативные формы микроорганизмов. Вирусы, споры и цисты простейших и яйца гельминтов обладают высокой резистентностью к действию хлора;

3) нобходимость транспортировки, хранения и применения на водопроводных станциях значительного количества жидкого хлора, а также сбросы этого вещества и его соединений в окружающую среду обусловили высокую экологическую опасность;

4) хор обладает высокой коррозионной активностью;

5) наиболее существенный недостаток хлора был обнаружен в 1974 г. Он заключается в способности хлора взаимодействовать с органическими веществами природных вод, что приводит к образованию значительного количества высокотоксичных хлорорганических соединений с канцерогенной, мутагенной и тератогенной активностью. Среди них хлороформ, четыреххлористый углерод, бромдихлорметан, дибромхлорметан и другие хлорсодержащие соединения. При хлорировании природных вод образуется 235 только идентифицированных хлорсодержащих органических соединений. Основное количество хлорорганических токсикантов образуется на стадии первичного хлорирования и определяется, в основном, дозами хлора и содержанием органических веществ в природной воде. Основным источником образования хлорорганических соединений в воде на этой стадии являются гуминовые и фульвокислоты, танины, производные фенола, анилина, продукты метаболизма водорослей и др.

Попытки видоизменить технологии хлорирования не привели к существенному исправлению ситуации. В свое время прямой хлорирующий агент был заменен такими соединениями хлора, как диоксид хлора, хлорамин и т. д. Но за 80 лет отношение к методу хлораминизации менялось от сильного всплеска популярности (в 1930-е гг.) до запрещения. Причина в том, что обеззараживающий потенциал хлорамина на порядок ниже, чем у активного хлора. Хотя хлораминизация проходит при небольших концентрациях активного хлора (только в таких условиях можно избежать образования хлороформа и вместе с тем достичь обеззараживания), при снижении температуры воды хлорамин примерно в 5 раз теряет свой биоцидный потенциал (абсолютно неактивен против вирусов, не работает против простейших). Нельзя сказать, что такая вода надежно обеззаражена и эпидемиологически безопасна.

Озонирование – метод более дорогой, чем хлорирование. Для обеззараживания используются аппараты – озонаторы, работающие на токе промышленной частоты, а также более компактные и менее металлоемкие высокочастотные озонаторы. Основанием для рассмотрения озона как альтернативы хлору послужили некоторые преимущества этого реагента по сравнению с другими окислителями, применяемыми в технологии водоподготовки:

– высокая биоцидная активность озона, особенно к хлоррезистентным бактериям, спорам, вирусам и цистам простейших, что гарантирует высокий уровень обеззараживания воды;

– высокий окислительный потенциал озона позволяет одновременно с обеззараживанием воды снизить ее цветность, содержание железа, марганца, а также устранить запахи и привкусы;

– компактность озонаторных установок и возможность автоматизировать процесс обработки воды.

Однако анализ опыта и результатов применения озона в процессе водоподготовки выявил и существенные недостатки этой технологии:

1) озонирование природных вод с высоким содержанием органических примесей приводит к образованию продуктов их окисления – более токсичных, чем изначальные загрязнители природных вод. Продукты взаимодействия озона с органическими примесями природной воды, их мутагенность и токсичность вообще недостаточно изучены;

2) при озонировании на станциях водоподготовки получают биологически нестабильную воду. Это интенсифицирует рост микроорганизмов в сетях распределения, что значительно ухудшает качество воды, которая поступает к потребителю: увеличивается цветность, мутность, появляются гнилостные запахи, обусловленные продуктами жизнедеятельности микроорганизмов;

3) из-за того, что озон быстро разлагается в воде и не имеет эффекта длительного действия, при озонировании предусматривается первичное хлорирование природной и обработка хлором очищенной воды. Хлорирование же предварительно озонированной воды сопровождается образованием большого количества высокотоксичных хлорорганических соединений;

4) высокие энергоемкость и стоимость озонаторного оборудования обусловливают высокую стоимость озонированной воды;

5) сам по себе озон более токсичен, чем хлор. Кроме того, он вызывает активную коррозию оборудования, трубопроводов и требует использования более стойких материалов.

Ультрафиолетовое обеззараживание воды в последнее время применяется достаточно широко. Недостаток этого метода заключается в том, что эффект обеззараживания кратковременен. Установки ультрафиолетового излучения полезны при их монтаже «на выходе», у потребителя, например, в гостиницах, учреждениях, на предприятиях. Централизованное применение ультрафиолетового обеззараживания неэффективно.

На рис. 39 приведена технологическая схема водоподготовки.

Рис. 39. Технологическая схема подготовки питьевой воды:

1 – контактный резервуар первого озонирования; 2 – смеситель; 3 – горизонтальный отстойник со встроенной камерой хлопьеобразования; 4 – скорый фильтр; 5 – контактный резервуар второго озонирования; 6 – резервуар чистой воды; 7 – насосная станция второго подъема

Вода поступает в смеситель перегородчатого типа, где происходит ее смешивание с реагентами: хлором (первичное хлорирование), коагулянтом, известью. На выходе из смесителя в воду дозируется флокулянт. В камерах хлопьеобразования, встроенных в горизонтальные отстойники, происходит формирование хлопьев коагулянта. После прохождения камер хлопьеобразования вода поступает в горизонтальные отстойники, где она освобождается от основной массы взвешенных веществ, находящихся в ней.

Осветленная вода из отстойников поступает на фильтрование для окончательной очистки. Тип фильтров – скорые, безнапорные. В качестве загрузки фильтров используется кварцевый песок.

Фильтрованная вода направляется по общему водоводу в контактные камеры блока озонирования, где происходит окисление оставшихся в воде органических соединений. После цикла вторичного озонирования обеззараженная вода приобретает вкус, запах, цветность, свойственные питьевой воде. Озонированная вода поступает в резервуар чистой воды. Перед поступлением в резервуар чистой воды производится контакт воды с хлором (вторичное хлорирование). После этого параметры воды соответствуют требованиям санитарных норм и правил.

Из резервуара чистой воды вода подается в разводящую городскую водопроводную сеть.

Поиск по сайту: