МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Содержание
1) Методы, технологические процессы и сооружения
2) Классификация основных технологических схем
3) Основные критерии для выбора технологической схемы и составасооружений для подготовки питьевой воды
Литература
1. Методы, технологические процессы и сооружения
Обработкаводы с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных целейпредставляет собой комплекс физических, химических и биологических методовизменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не толькоочистку ее от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природныхсвойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами.Все многообразиеметодов обработки воды можно подразделить на следующие основные группы:улучшение органолептических свойств воды (осветление и обесцвечивание,дезодорация и др.); обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование,озонирование, ультрафиолетовая радиация и др.); кондиционирование минеральногосостава (фторирование и обесфторивание, извлечение ионов тяжелых металлов,обезжелезивание, деманганация, умягчение или обессоливание и др.). Методобработки воды выбирают на основе предварительного изучения составаисвойств воды источника, намеченного к использованию, и их сопоставления стребованиями потребителя.
Наиболеехарактерными и общими признаками примесей воды являются формы их нахождения вней, т. е. фазовое состояние, которое характеризуется дисперсностью веществ. ПоЛ.А. Кульскому фазово-дисперсное состояние примесей воды обусловливает ихповедение в процессе водообработки. Каждому фазово-дисперсному состояниюпримесей отвечает совокупность методов воздействия, позволяющая достичьтребуемых качественных показателей воды изменением этого состояния или безизменения его.
На этойосновевсе многообразие загрязнений (примесей) природных и промышленныхвод разделено на четыре группы с общим для каждой группы набором методовводоочистки, предопределяемым формой нахождения примесей в воде.
В основу технологииочистки воды от примесей каждой группы положены процессы, протекающие подвоздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную дисперсную систему.Так, для удаления взвесей, являющихся кинетически неустойчивыми системами,используют гравитационные и адгезионные силы, для удаления коллоидных ивысокомолекулярных веществ, агрегативно неустойчивых в водных растворах, —адгезионные и адсорбционные. Примеси, находящиеся в виде молекулярныхрастворов, удаляют путем ассоциации молекул, под влиянием сил межмолекулярноговзаимодействия. И, наконец, для удаления из воды электролитов используют силыхимических связей, характерные для ионных процессов.
Технологиякондиционирования воды предполагает процессы, связанные с корректированием еефизических и химических свойств, а также процессы обеззараживания. Однако,несмотря на принципиальное различие задач этих методов обработки, они могутбыть общими в зависимости от фазово-дисперсного состояния минеральных,органических и биологических примесей воды.
К первойгруппе примесей воды относятся взвешенные вводе вещества (от высокодисперсных взвесей до крупных частичек), а такжебактериальные взвеси и другие биологические загрязнения. Удалять эти примесиможно как безреагентными, так и реагентными методами.
Вторуюгруппу примесей воды представляют разныетипы гидрофильных и гидрофобных коллоидных систем, высокомолекулярные веществаи детергенты, способные в зависимости, от условий менять свою агрегативность.Их можно удалять из воды различными методами и технологическими приемами.Например, обработкой воды коагулянтами, флокулянтами, известью, а также хлором,озоном и другими окислителями.
При этомснижается цветность воды, уничтожаются микроорганизмы, разрушаются гидрофильныеколлоиды, проявляющие защитные свойства по отношению к гидрофобным примесямводы, тем самым создавая благоприятные условия для последующего коагулирования,ускоряется процесс образования и осаждения хлопьев.
Для третьейгруппы примесей, являющихся молекулярными растворами,наиболее эффективные процессы, обеспечивающие их удаление из воды, —аэрирование, окисление, адсорбция.
Длячетвертой группы примесей, представляющих собойэлектролиты, технология очистки воды сводится к связыванию реагентами ионов,подлежащих устранению, в малорастворимые и малодиссоциированные соединения. Привыборе реагентов целесообразно исходить из произведения растворимостиобразующихся соединений. (Произведением растворимости (ПР) называетсяпроизведение концентраций ионов в насыщенном растворе малорастворимого соединения,характеризующее способность его растворяться.) В случае малых значений ПРполнота очистки воды возрастает, особенно при избытке иона-осадителя.Присутствие в воде посторонних солей обусловливает увеличение ионной силыраствора (ионная сила является мерой напряженности электрического поля,создаваемого присутствующими в растворе ионами), вследствие чего уменьшаются'коэффициенты активности реагирующих ионов и растворимость осадков возрастает.(Активность — эффективная концентрация вещества, учитывающая степеньсвязанности его молекул или ионов в растворе. Она позволяет судить оботклонении свойств данного вещества в сложном растворе от свойств в чистом егорастворе при этой же молярной концентрации вещества. Активность веществазависит от вида и концентрации других компонентов раствора, а также оттемпературы и давления.)
Всепримеси, загрязняющие водоемы, полностью охватываются четырьмя группамипредлагаемой классификации. Используя особенности, характеризующие каждуюгруппу примесей, можно находить эффективные методы удаления всего комплексанаходящихся в воде примесей небольшим числом соответствующим образомскомпонованных элементов очистных сооружений.
Припроектировании водоочистных комплексов использование этого принципаклассификации помогает определять главные элементы очистных сооружений,компоновать их, а также подбирать реагенты и процессы, которые должны в нихпротекать. Это наиболее сложная часть проектирования, которое следует развиватьв направлении уточнения параметров сооружений и режима работы с учетоминдивидуальных особенностей и состава примесей природных вод.
Присоставлении схемы водообработки следует выбирать методы и режимы, наиболееэффективные для удаления примесей каждой из групп. Желательна предварительнаялабораторная проверка и сравнительная технико-экономическая оценка несколькихвариантов.
Дляудаления из воды гетерофазных примесей 1 группы рекомендуются следующиепроцессы: механическое разделение в гравитационном поле или под действиемцентробежных сил, а также фильтрование через пористые загрузки и мелкие сетки;адгезия на высокодисперсных и зернистых материалах, а также гидроксидахалюминия или железа и глинистых минералах; агрегация флокулянтами; флотацияпримесей и др.; для патогенных микроорганизмов — бактерицидное воздействие.Комплекс очистных сооружений, обеспечивающий протекание большинстваперечисленных процессов, включает все необходимые типовые элементы, а именно:смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники (осветлители), фильтры — придвухступенчатой схеме очистки, контактные осветлители или контактные фильтры —при одноступенчатой схеме.
Дляустранения микрогетерофазных примесей II группы более эффективны процессыокисления органических коллоидных веществ и высокомолекулярных соединений,адгезия и адсорбция их на гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтамикатионного типа и др.; для вирусов — вирулицидное воздействие.
Как вслучае примесей I группы, комплекс очистных сооружений, необходимых дляосуществления этих процессов, состоит из типовых элементов, используемых вдвух- или одноступенчатой схемах очистки воды.
Дляудаления молекулярно растворенных веществ, входящих в III группу, применяютследующие процессы: десорбцию летучих соединений; окисление органическихвеществ; адсорбцию на активированном угле и других сорбентах; экстракциюорганическими растворителями; отгонку паром — эвапорацию и др. Методы удалениятаких примесей специфичны и поэтому здесь используется аппаратура специальногоназначения.
Дляудаления электролитов лучше использовать ионные процессы: перевод вмалодиссоциированные (нейтрализация, комплексообразование) или малорастворимыесоединения; фиксация на твердой фазе ионитов (Н—Na — катионирование, ОН-анионирование); сепарация изменением фазового состояния воды с переводом ее вгазообразное состояние (дистилляция) или в твердую фазу (вымораживание,гидратообразование); перераспределение ионов в жидкой фазе (экстракция,обратный осмос); подвижность ионов в электрическом поле и др.
Установки,предназначенные для осуществления этих процессов, могут дополнять основныеочистные сооружения. Иногда молекулярные и ионные примеси можно удалятьпараллельно с выделением гетерофазных загрязнений в типичной для нихаппаратуре.
Всоответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02—84, метод обработки воды, состав ирасчетные параметры очистных сооружений, и расчетные дозы реагентов надлежитустанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, ееназначения, производительности комплекса и местных условий, а также наосновании данных технологических исследований и эксплуатации сооружений,работающихв аналогичных условиях.
примесьвода очистка технологический
2. Классификация основных технологических схем
Дляразработки технологических схем улучшения качества воды требуются многиеданные. Прежде всего, устанавливается целевое назначение воды, т. е. требованияпотребителя к ее физическим, химическим и бактериологическим показателям;учитывается качество воды самого источника водоснабжения и в разные временагода, степень и возможность загрязнения его бытовыми и промышленными сточнымиводами и др.
Ответственными сложным этапом является правильная оценка источника водоснабжения. Важно нетолько определить примеси воды, обусловливающие ее привкусы, запахи, цветность,мутность, жесткость и т. д., но и изучить химическиеи биологическиепроцессы, протекающие в водоеме и влияющие на стабильность состава воды.Поэтому оценка водоема, как правило, складывается в результате длительногонаблюдения за составом примесей воды, за изменением во времени каждогоотдельного компонента. Только при таком изучении можно правильно расшифроватьданные анализа воды.
Кромеспецифических особенностей очистки воды, определяемых требованиями потребителяи устанавливаемых в каждом отдельном случае, существуют и некоторые общиеположения, которыми можно руководствоваться при выборе схем очистки воды,подборе элементов очистных сооружений и их компоновке.
Приподготовке питьевой воды в случае, если забор ее производится из открытыхводоемов, воду обычно осветляют, обесцвечивают и обеззараживают. Если жеисточники водоснабжения — подземные напорные и безнапорные воды или вода чистыхозер и прудов, ее обработка ограничивается только обеззараживанием.
Конструктивноеоформление принятой схемы определяется производительностью и составомпроектируемых сооружений, рельефом и гидрогеологией площадки, климатическимиданными и возможностью создания зон санитарной охраны, а такжетехнико-экономическими расчетами.
Припроектировании очистных сооружений комплекс и типы основного и вспомогательногооборудования определяются принятым методом обработки воды. Объем отдельныхсооружений рассчитывают по времени, необходимому для протекания тех или иныхфизико-химических процессов в воде, поступающей на обработку. При непрерывнойработе этих сооружений расчет их обязательно предполагает нахождение временипребывания воды в различных элементах схемы при скорости потока,соответствующей нормальному течению процесса очистки.
Реагенты вводу подают таким образом, чтобы обработка ее заканчивалась в проектируемомкомплексе оборудованияи выходящая вода соответствовала требованиямпотребителяи чтобы в дальнейшем вода не изменяла своего состава исвойств. Для этого реагенты следует вводить в начале очистных сооружений испециальными устройствами обеспечивать быстроеи полное смешениеотдозированных реагентов со всей массой очищаемой воды. Исключение составляютметоды обработки воды, предназначенные для устранения воздействия разветвленнойсети трубопроводов на качество воды (повторное бактериальное загрязнение,коррозия и т. д.), а также для ее обогащения микроэлементами (фторирование). Вэтом случае реагенты, не содержащие взвешенных веществ и не' образующие их привзаимодействии с солями, содержащимися в воде, разрешается вводить в очищеннуюводу.
При использованиидля очистки воды нескольких методов обработки размещение соответствующегооборудования для дополнительных процессов не должно влиять на основнуютехнологическую схему сооружений.
Сочетаниесоответствующих технологических процессов и сооружений составляеттехнологическую схему улучшения качества воды. Используемые в практике водоподготовкитехнологические схемыможно классифицировать следующим образом: реагентные и безреагентные;поэффекту осветления-, почислу технологических процессов ичислу ступеней каждого из них; напорные и безнапорные.
Реагентныеи безреагентные технологические схемы применяютпри подготовке воды для хозяйственно-питьевых целейи нуждпромышленности. Указанные технологические схемы существенно различаются поразмерам водоочистных сооружений и условиям их эксплуатации (рис. 2.1).Процессы обработки воды с применением реагентов протекают интенсивнее изначительно эффективнее. Так, для осаждения основной массы взвешенных веществ сиспользованием реагентов необходимо 2— 4 ч, а без реагентов — несколько суток.С использованием реагентов фильтрование осуществляется со скоростью 5—12 м/чи более, а без реагентов — 0,1—0,3 м/ч (медленное фильтрование).
Водоочистныесооружения для обработки воды с применением реагентов значительно меньше пообъему, компактнееи дешевле, но сложнее в эксплуатации, чем сооружениябезреагентной схемы. Поэтому безреагентные технологические схемы (сгидроциклонами, акустическими, намывными и медленными фильтрами), как правило,применяют в небольших системах водоснабжения при цветности исходной воды до 50град, безреагентные схемы, применяют при неглубоком осветлении воды в системахводоснабжения промышленных объектов. Для этих целей иногда используют одноотстаивание или одно фильтрование на грубозернистых фильтрах или микрофильтрах.
По эффектуосветления различаюттехнологические схемы дляполного илиглубокого осветления воды и для неполного илигрубогоосветления. В первом случае очищенная вода соответствует требованиямпитьевой воды (ГОСТ 2874—82), во втором — содержание взвеси в очищенной воде вомного раз больше (до 50—100 мг/л). Обычно грубоосветленную воду используют дляохлаждения различного производственного оборудования.
Глубокомуосветлению подвергают воду хозяйственно-питьевых и других производственныхводопроводов, где к качеству технической воды предъявляют высокие требования.Технологию для неполного осветления воды обычно используют при подготовкетехнической воды. По числу технологических процессов и числу ступенейкаждого из нихтехнологические схемы подразделяют на одно-, двух- имногопроцессные. Так, усовершенствованная технологическая схема на рис.2.1,6 является двухпроцессной, когда два основных технологических процесса —обработка воды в слое взвешенного осадка и фильтрование — осуществляютсяпоследовательно и однократно (в одну ступень). Аналогичная технологическаясхема с флотатором приведена на рис. 2.1, в. В том случае, когда один изосновных технологических процессов осуществляется дважды или более раз,технологическая схема называется двух-, трех- или многоступенчатой. Например,на рис. 2.1, г показана однопроцессная технологическая схема с контактнымиосветлителями, где основной технологический процесс — фильтрование —осуществляется дважды.
/>/>
/>
Количествотехнологических процессов и число ступеней каждого из них зависят оттребований, предъявляемых к воде потребителем, и качества исходной воды. Так,для грубого осветления воды можно ограничиться процессом осаждения,центрифугирования или только фильтрованием, в то время как при обработкевысокомутных вод для хозяйственно-питьевых целей применяют осаждение в двеступени с последующим фильтрованием в одну ступень или используюттехнологическую схему, предусматривающую предварительное осветление воды вгидроциклонах с последующей очисткой по технологическим схемам на рис. 2.2, аили 2.2, б.
В практикеподготовки воды для нужд промышленности (ТЭС, химической и др.) применяютнапорные технологические схемы с многоступенчатым фильтрованием.
Похарактеру движения обрабатываемой воды технологические схемы подразделяют насамотечные (безнапорные) и напорные (см. рис.2.2). На городских и крупных промышленных водоочистных комплексах исходная водадвижется по сооружениям самотеком, при этом уровень воды в каждом' последующемсооружении ниже уровня в предыдущем. Разность уровней определяет напор,требуемый для преодоления гидравлических сопротивлений внутри сооружения и вкоммуникациях от одного сооружения к другому. Поэтому увязка взаимногорасположения отдельных очистных сооружений технологической схемы (т. е.построение высотной схемы) имеет первостепенное значение.
/>
Принапорной технологической схеме обрабатываемая вода от сооружения к сооружениюдвижется под давлением выше атмосферного, поэтому отдельные сооружения можнорасполагать на одной отметке. Напорные очистные сооружения должны бытьгерметичными и рассчитаны на давление, развиваемое насосами. При использованиинапорных технологических схем резервуары чистой воды и насосную станцию IIподъема можно не устраивать. В отдельных случаях очищенная вода под напоромнасосов I подъема передается непосредственно в сеть потребителей (см. рис. 2.2,а). Наоборот, при безнапорном движении воды по очистным сооружениям необходимыдве насосные станции и резервуары чистой воды. При напорных технологическихсхемах значительно повышается металлоемкость водоочистных сооружений, чтоограничивает их производительность.
3. Основные критерии для выбора технологической схемы и составасооружений для подготовки питьевой воды
Выбортехнологической схемы улучшения качества воды зависит не только от качестваводы источника и требований потребителя, нои от количества потребляемойводы. Например, для обработки небольшого количества цветной или мутной воды неможет быть рекомендована без изменения (по экономическим соображениям) основнаятехнологическая схема. В этом случае вместо горизонтальных отстойников следуетприменять вертикальные, а смеситель можно заменить соплом Вентури или шайбой.
Ориентировочнотехнологическая схема для осветления и обесцвечивания воды до лимитов ГОСТ 2874—82может быть выбрана по рекомендациям СНиП 2.04.02—84 «Водоснабжение, наружныесети и сооружения» (табл. 2.1).
Определениеоптимального состава реагентов, мест их ввода в обрабатываемую воду, выбор типаи конструкции водоочистного сооружения должны производиться на основаниитщательного рассмотрения данных химического и технологического анализовисходной воды и изучения опыта использования аналогичной технологии в подобныхусловиях. Однако, некоторые решения могут быть приняты априорно на основанииобобщения имеющегося опыта эксплуатации водоочистных комплексов в аналогичныхусловиях. Так, использование железных коагулянтов или смеси алюминиевых ижелезных предпочтительнее в условиях длительного весеннего паводка,сопровождающегося не только возрастанием цветности и мутности и понижениемщелочности, но и низкими температурами обрабатываемой воды. Хранение коагулянтав сухом виде навалом по технологическим и экономическим мотивам допустимо длянебольших водоочистных комплексов производительностью примерно до 30 тыс.м3/сут.
Применениев качестве флокулянта активированной кремнекислоты активированной хлоромрекомендуется при обработке цветных вод, для этих же целей, в качествекоагулянта целесообразно использование хлорного железа или оксихлоридаалюминия, а для мутных вод — оптимально применять полиакриламид, К-4, ВА-102,ВПК-402 и др.
Необходимопредусматривать рассредоточенный ввод реагентов в обрабатываемую воду припомощи специальных распределителей, размещаемых в смесителях, подающихтрубопроводах и каналах.
Длядезодорации, создания благоприятных условий пред- очистки воды, интенсификацииработы водоочистных сооружений, экономии коагулянта, следует применять ееаэрацию путем излива и падения с некоторой высоты, каскадной аэрации илибарбатирования потока в смесителе. Аэрирование может и должно осуществлятьсяпри использовании любых технологических схем подготовки воды для хозпитьевыхнужд.
Прикондиционировании цветных вод во избежание образования канцерогенныххлорорганических соединений следует отказываться от предварительного иххлорирования или предусматривать на посточистке непременное дехлорирование, аеще лучше первичный хлор заменить озоном.
Втехнологических схемах с осветлителями со взвешенным осадком и с контактнымиосветлителями следует применять вертикальные смесители, обеспечивающие нетолько надлежащий и стабильный эффект смешения вводимых реагентов с водой, но ивоздухоотделение. Для водоочистных установок с суточной подачей до 8 тыс.м3/сут. смешение реагентов с водой целесообразно производить в трубчатыхсмесителях, вставках и соплах Вентури и шайбах.
Втехнологических схемах с отстойниками камеры хлопьеобразования должнывстраиваться в них и по возможности оборудоваться тонкослойными модулями.
Приобработке маломутных цветных вод следует применять камеры хлопьеобразования с рециркуляторамиосадка, зашламленного или контактного типа, а также осветлители со взвешеннымосадком — рециркуляторы и флотаторы. В качестве сооружений первой ступени дляосветления высокомутных вод рекомендуются: осветлители-водозаборы на плаву,тонкослойные, горизонтальные и радиальные отстойники с тонкослойными модулями,гидро- и мультициклоны, акустические фильтры. В горизонтальных отстойникахдолжна быть напорная гидравлическая система смыва и удаления осадка. Для извлеченияиз воды планктона или крупных плавающих примесей следует применять в первомслучае — микрофильтры или флотаторы, а во втором — барабанные сита.
В качествескорых фильтров следует рекомендовать фильтры большой грязеемкости сводовоздушной промывкой и боковым отводом промывной воды. В прямоточныхреагентных и безреагентных схемах следует использовать контактные фильтры КФ-5,каркасно-засыпные и фильтры с пенополистирольной загрузкой (открытые инапорные).
Прикратковременных периодах возникновения в водоисточнике нежелательных привкусови запахов следует применять углевание воды или ввод суспензий цеолитсодержащихпород в конце смесителя. При этом из воды извлекаются ионы железа, меди, хрома,на 30—50% снижается остаточный алюминий и на 50—70% снижается содержаниехлорорганических соединений (по хлороформу).
Априорноможно рекомендовать при кондиционировании вод повышенного антропогенноговоздействия: двойное озонирование, озонофлотацию, сорбцию на активном угле,биологическую обработку, помимо обычной реагентной технологии водоподготовки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат,1994 г.
2. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйствапромышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.
3. Аюкаев Р.И., Мельцер В.3. Производство и применение фильтрующих материаловдля очистки воды. Л., 1985.
4. Вейцер Ю.М., Мииц Д.М. Высокомоллекуляриые флокулянты в процессах очисткиводы. М., 1984.
5. Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводныхочистных сооружениях. М., 1984.
6. Журба М.Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.