СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ
В мировой практике традиционные технологии очистки природных вод для питьевых и технических целей обычно базируются на способах первичного хлорирования, обработки воды коагулянтами и флокулянтами, отстаивания или осветления в слое взвешенного осадка с последующим фильтрованием через инертные или дополнительно еще и сорбционные зернистые загрузки, обезжелезивание, умягчение, обеззараживание и др.
С повышением техногенных нагрузок на природные водоисточники и ужесточением национальных нормативов качества очищенной воды такие технологии в наиболее развитых странах мира дополняются окислительно – сорбционными методами. Наибольшее распространение получили озонирование и сорбция на активных углях. Воды с повышенной жесткостью и минерализацией обрабатываются на мембранных установках или ионообменных фильтрах. Дополнительное использование указанных методов примерно в 1,5 – 2,5 раза повышает затраты на получение качественной питьевой воды.
Суть ряда новых отечественных разработок сводится к использованию следующих способов и технологических приемов:
- биологической предочистке, осуществляемой непосредственно в водозаборных узлах или во входных блоках водоочистных станций с использованием биоценозов водоемов и прикрепленной микрофлоры на различных носителях, в том числе и на полимерных;
- первичного озонирования, контактной коагуляции и фильтрования через осветлительно – сорбционную загрузку;
- мгновенного смешения воды с реагентами, включая использование комплекса гидродинамических и электромагнитных воздействий, и контактного хлопьеобразования скоагулированных загрязнений, последующего отстаивания в тонком слое или осветления в префильтре с плавающей загрузкой, озонирования и фильтрования через инертно – сорбционную загрузку;
- предочистки воды в биореакторах – микрофильтрах, первичного озонирования, контактного осветления в слое плавающей полимерной загрузки с добавлением в него сорбционного дисперсного материала.
Такие технологии, по мнению разработчиков, позволяют исключить при первичном хлорировании воды с высоким содержанием органических веществ образование хлорорганических токсичных соединений, снизить содержание остаточного алюминия, более экономно расходовать озон и активный уголь, повысить в целом санитарную надежность технологической схемы.
Особое значение имеет разработка новых технологий обеззараживания воды. Наиболее часто в практике водоподготовки используют, как правило, хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое облучение. Однако, этим способам присущи определенные недостатки.
Проведенные в последнее время исследования доказали, что традиционные схемы хлорирования не являются надежным барьером на пути распространения вирусов через питьевую воду.
Процессы водоподготовки:
Не рассматривая многообразие технологических схем подготовки воды для питьевых и хозяйственных целей, остановимся на типовой схеме обработки воды, забираемой из поверхностных источников. Комплекс типовых очистных сооружений включает, как правило, следующие основные элементы: смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники или осветлители, фильтры – при двухступенчатой схеме очистки, контактные осветлители или контактные фильтры при одноступенчатой технологии очистки воды.
В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02 – 84 способ обработки воды, состав и расчетные дозы реагентов надлежит устанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, ее назначения, производительности очистных сооружений и местных условий, а также на основании данных технологических исследований и эксплуатации аналогичных объектов. При проектировании очистных сооружений комплекс и типы основного и вспомогательного оборудования определяются принятым методом обработки воды. Объемы отдельных сооружений рассчитывают по времени, необходимому для протекания тех или иных физико – химических процессов в воде, поступающей на обработку. При непрерывной работе этих сооружений расчет предполагает нахождение времени пребывания воды в различных элементах схемы при скорости потока, соответствующей нормальному течению процесса очистки воды. В зависимости от использования воды применяют различные технологии ее очистки. Ниже рассмотрим наиболее применяемые в водоподготовке процессы и аппараты, а также современные схемы станций водоподготовки.
Обработка воды коагулянтами и флокулянтами. Природные воды являются полидисперсными системами, в них могут содержаться одновременно частицы, размеры которых соответствуют размерам коллоидных и грубодисперсных частиц.
Очистка воды от грубодисперсных примесей осуществляется в основном при отстаивании. Коллоидные примеси при отстаивании воды не удаляются.
В зависимости от характера содержащихся в воде диспергированных частиц различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают коллоидные частицы алюмосиликатов (глинистые) кремниевой кислоты и органоминеральных комплексов почвы. Коллоидные частицы примесей природных вод, как правило, имеют отрицательный заряд.
Метод обработки воды, направленный на удаление веществ, находящихся в коллоидном состоянии с помощью химических реагентов, называется коагулированием. Применяющиеся для этой цели химические вещества называются коагулянтами. Коагулирование воды применяется для осветления мутных и обесцвечивания цветных вод. Наряду с коллоидными примесями при коагулировании удаляются из воды грубодисперсные частицы, а также планктон, бактерии и вирусы. Для очистки воды применяются следующие коагулянты: сульфат алюминия Al2 (SO4)3 • 18H2O, сульфат железа (II) FeSO4 • 7H2O (железный купорос), хлорид железа (III) FeCl3 • 6H2O, гидроксохлорид алюминия Al2(OH)5Cl, метаалюминат натрия NaAlO2.
Основным фактором, обусловливающим скорость коагулирования воды, является стадия хлопьеобразования. Рост хлопьев идет в результате сорбции скоагулировавшими частицами гидроксидов алюминия или железа коллоидных частиц, примесей воды, укрупнения образовавшихся хлопьев за счет соединения их друг с другом. Укрупнившиеся хлопья оседают под действием силы тяжести, увлекая за собой взвешенные частицы. Чем быстрее растут хлопья, чем больше их масса и размер, тем интенсивнее идет процесс седиментации, тем выше степень осветления воды.
При обесцвечивании воды, когда удаляются из воды гумусовые соединения, имеющие свойства гидрофильных коллоидов, основная роль отводится специфической адсорбции многозарядных катионов алюминия поверхностью сложных высокомолекулярных гумусовых кислот. В результате образуются труднорастворимые комплексы алюминия. Коагуляция гумусовых соединений алюминиевым коагулянтом является необратимой. Оптимальные значения pH обрабатываемой воды при обесцвечивании 4,5 – 5,5. Процесс коагуляции идет достаточно быстро, необходимо энергичное перемешивание воды после поступления коагулянта. На процесс коагуляции влияет также температура обрабатываемой воды. При понижении температуры уменьшается скорость теплового движения и число эффективных столкновений коллоидных частиц уменьшается, поэтому устойчивость системы повышается.
Количество введенного в воду коагулянта (мг/л, мг-экв/л, г/м3 или г-экв/м3) называется дозой коагулянта. Минимальная концентрация коагулянта, отвечающая наилучшему осветлению или обесцвечиванию воды, называется оптимальной дозой. Она определяется опытным путем и зависит от солевого состава, жесткости, щелочности воды и др. Оптимальной дозой коагулянта считается то его минимальное количество, которое при пробном коагулировании дает крупные хлопья и максимальную прозрачность воды через 15-20 мин ( рис. 2 ). Для сульфата алюминия эта концентрация обычно колеблется от 0,2 до 1,0 мг-экв/л (20 – 100мг/л).
Коагуляция коллоидных частиц гидроксидов металлов происходит под влиянием анионов, находящихся в воде, поэтому мягкие воды (во время паводка) обладают плохой коагулируемостью. Коагуляция примесей в мягких водах под действием сульфата алюминия происходит лучше при pH 5,7 – 6,6, в водах средней жесткости – при pH 6,6 – 7,2, жестких – при pH 7,2 – 7,6. Если требуется снизить цветность воды, в качестве коагулянта применяется сульфат алюминия. Доза коагулянта для обесцвечивания воды определяется ориентировочно по формуле
Д = 4 Ц
где Д - доза сульфата алюминия в расчете на безводную соль, мг/л; Ц – цветность воды по платино-кобальтовой шкале, град.
Процесс коагулирования воды не отличается постоянством параметров работы очистных сооружений из-за непрерывного изменения таких показателей качества воды, как температура, химический состав, концентрация примесей, степень их дисперсности. Для интенсификации очистки воды методом коагулирования применяются дополнительные реагенты-флокулянты, позволяющие ускорять процессы хлопьеобразования и осаждения. Использование флокулянтов способствует образованию прочных, быстро оседающих хлопьев, что позволяет ускорить процесс обработки воды.
В настоящее время для очистки воды используются следующие классы флокулянтов:
1) неорганические (активированная кремниевая кислота);
2) органические высокомолекулярные соединения (ВМС), полученные переработкой природных продуктов [альгинат натрия, крахмал, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)];
3) синтетические высокомолекулярные соединения (полиакриламид, полиэтиленимин, праестол и др.).
В водных растворах такие высокомолекулярные флокулянты, как крахмал, полиоксиэтилен, эфиры целлюлозы, находятся в недиссоциированном состоянии. Флокулянты типа ВА-2, ВА-202, ВА-212, полиэтиленимин дают активный катион (поликатион). Некоторые флокулянты проявляют свойства амфолитов. К их числу относится гидролизованный полиакриламид. Механизм действия флокулянтов основан на адсорбции макромолекул флокулянта скоагулировавшими или взвешенными частицами.
Смесители и камеры хлопьеобразования. Рассматривая коагулянты и флокулянты как мощный фактор укрупнения частиц примесей, мы вовсе не касались вопросов приготовления реагентов, их перемешивания с очищенной водой, а эти вопросы имеют важное практическое значение.
Наиболее часто применяемые для очистки воды реагенты (сернокислый алюминий, известь, полиакриламид, праестол) представляют собой твердые или желеообразные вещества. Перед введением в воду их растворяют в специальных баках, из которых через дозаторы подают в смесители. Для ускорения процесса растворения используют механические мешалки или перемешивают сжатым воздухом.
На больших станциях очистки приготовленный концентрированный раствор перекачивают в расположенные рядом с “растворными” баками в емкости-хранилища, из которых по мере необходимости отбирают в расходные баки.
Расход того или иного реагента устанавливается на основании проведенных предварительных исследований. Оптимальная доза реагента выбирается из возможности достижения определенной степени очистки воды, необходимой для данных условий. Вообще же в технологии очистки воды под оптимальной понимают такую минимальную дозу реагента, при которой после отделения в осадок скоагулированной или сфлокулированной взвеси частиц примесей достигается наименьшая остаточная мутность воды.
Определенный на основании экспериментальных исследований расход реагента легко дозируется специальными устройствами - дозаторами. В последнее время все чаще применяют автоматические дозаторы, меняющие количество реагента в зависимости от расхода очищаемой воды.
Устройства для приготовления и дозирования раствора реагента обычно располагают над смесителем, чтобы раствор мог поступать в него самотеком.
Хлопьеобразование, начинающееся после смешения воды с реагентами, протекает медленно, для получения достаточно крупных хлопьев требуется несколько десятков минут. Поэтому скорость движения воды после смесителя должна быть такой, чтобы не вызвать разрушения уже сформировавшихся хлопьев, для чего сразу за смесителем устанавливают специальные камеры хлопьеобразования, где и заканчивается начавшийся в смесителе процесс формирования хлопьев.
Коагулированная вода с образовавшимися хлопьями из камер хлопьеобразования поступает в отстойник, где и происходит выпадение укрупненных частиц взвеси.
Обычно применяют отстойники трех типов, различаемые по направлению движения очищаемой воды в них: радиальные, вертикальные, горизонтальные.
Наиболее просто рассматривать процесс отстаивания в периодическом режиме при небольшом содержании загрязнений в очищаемой воде будем подробно останавливаться на описании работы отстойников. Однако, на практике отстаивание чаще всего осуществляется в непрерывном режиме. Вода постоянно проходит через отстойник, в котором осуществляется отделение взвеси примесей от воды. Непрерывное движение воды, хотя и с малыми скоростями вносит существенную сложность в работу, казалось бы, такого простого аппарата, как отстойник.
Фильтрование через зернистый слой используется как завершающий этап очистки воды от загрязнений, гарантирующий достижение необходимого качества воды. В большинстве случаев таким требованиям удовлетворяют зернистые фильтры с использованием в качестве загрузки кварцевого песка и гравия. Тем не менее разработчики из многих стран продолжают исследовать фильтрование воды через зернистую загрузку, в том числе и с использованием новых материалов.
Анализ работ в этой области позволяет выделить следующие методы интенсификации фильтрационного процесса:
- фильтрование в направлении убывающей крупности зерен загрузки, а также ее укрупнение с одновременным увеличением высоты слоя с целью снижения интенсивности прироста потерь напора за счет рассредоточения загрязнений в возможно большем его объеме;
- применение различных способов предварительной обработки воды с целью увеличения плотности и прочности задерживаемых фильтром загрязнений, более равномерного их распределения в толще фильтрующего слоя;
- применение для загрузки фильтров зернистых материалов с высокой межзерновой пористостью и развитой удельной поверхностью.
Каждый из методов в зависимости от конкретных условий обеспечивает повышение производительности в 1,5 - 3,0 раза. Все они получили инженерное воплощение и используются в водопроводной практике. Комплексное использование преимуществ названных методов открывает возможность создания еще более высокопроизводительных конструкций фильтров, значительного снижения капитальных и эксплуатационных затрат.
Обеззараживание воды. Завершающим этапом подготовки воды для питьевых целей является ее обеззараживание, которое может быть осуществлено с помощью хлорирования, озонирования, бактерицидного облучения и других способов. В современной практике очистки воды наиболее широкое распространение получило хлорирование.
На водопроводных очистных станциях для хлорирования используют жидкий хлор, а на станциях небольшой производительности - хлорную известь.
|
