Хлорирование воды
Для обеззараживанияводы хлорированием на водоочистных комплексах используютхлорную известь, хлор и его производные, под действием которых бактерии,находящиеся в воде, погибают в результате окисления веществ, входящих в составпротоплазмы клеток. Хлор действует и на органические вещества, окисляя их.
Для качественногохлорирования необходимо хорошее перемешивание, а затем не менее, чем30-минутный (при совместных хлорировании и аммонизации 60-минутный) контактхлора с водой, прежде, чем вода поступит к потребителю. Контакт может происходитьв резервуаре фильтрованной воды или в трубопроводе подачи воды потребителю,если последний имеет достаточную длину без водоразбора.
Дозу хлораустанавливают технологическим анализом из расчета, чтобы в 1 мл воды,поступающей к потребителю, осталось 0,3… 0,5 мг хлора, не вступившего вреакцию (остаточного хлора), который является показателем достаточностиПринятой дозы хлора. При этом условии доза хлора при хлорированиифильтрированной воды составляет 2… 3 мг/л в зависимости от ее хлоропоглощаемости,а при хлорировании подземной воды — 0,7… 1 мг/л. При выключении на промывкуили ремонт одного из резервуаров фильтрованной воды, когда не обеспечиваетсявремя контакта воды с хлором, доза хлора должна быть увеличена вдвое.
Хлорирование водыосуществляется жидким (газообразным) хлором. На малых водоочистных комплексах(до 3000 м3/сут) допускается применение хлорной извести. При плюсовыхтемпературах и атмосферном давлении хлор представляет собой газзеленовато-желтого цвета с удушливым запахом и плотностью, значительно большей,чем плотность воздуха (в 1,5… 2,5 раза в зависимости от температуры). Приповышении давления (при плюсовых температурах) хлор переходит в жидкоесостояние. В таком виде его перевозят и хранят в специальных стальных емкостях(при давлении 0,6...1,0 МПа).
/>
Рис. 14.1. Баллон (а) иконтейнер (б) для хлора.
1 — стальной корпус; 2— кольцо горловины; 3 — колпак;4 — запорныйвентиль; 5 — сифонная трубка
В настоящее времязаводы по производству хлора поставляют хлор в основном в баллонах двух типов:Е-24 (рис. 14.1, а) вместимостью до 25… 30 кг жидкого хлора и Е-54 ссодержанием хлора до 100 кг и в бочках. На крупных водоочистных комплексахпроизводительностью более 100 тыс. м3/сут хлор доставляют обычно в специальныхжелезнодорожных цистернах вместимостью до 48 т жидкого хлора, а хранят его вбочках (рис. 14.1,6), которые в зависимости от размеров вмещают от 700 до 3000кг жидкого хлора. Хлорное хозяйство должно обеспечивать прием, хранение,испарение жидкого хлора, дозирование газообразного хлора с получением хлорнойводы.
Хлорное хозяйстворасполагают в отдельно размещаемых хлораторных, где сблокированы расходныйсклад хлора, испарительная и хлордозаторная. Расходный склад хлора можноразмещать в отдельных зданиях или вплотную к хлораторной, отделяя его глухойстеной без проемов. Склад хлора в составе хлораторных можно не предусматривать,в этом случае в хлордозаторной разрешается хранение одного баллона жидкогохлора массой не более 70 кг. Хлордозаторные без испарителей, размещаемые вблоке с другими зданиями комплекса или вспомогательными помещениями хлорногохозяйства, отделяют от других помещений глухой стеной без проемов и оборудуютдва выхода наружу, при этом один из них должен иметь тамбур. Трубопроводыпередачи хлорной воды выполняют из поливинилхлорида, резины, полиэтиленавысокой плотности и др.
Хлорирование водыявляется надежным средством, предотвращающим распространение эпидемий, так какбольшинство патогенных бактерий (бациллы брюшного тифа, туберкулеза и дизентерии,вибрионы холеры, вирусы полиомиелита и энцефалита) весьма нестойки по отношениюк хлору. Спорообразующих бактерий хлор не уничтожает, что является одним изнедостатков этого метода обеззараживания.
Гидролиз хлорапроисходит (рис. 14.2) в соответствии с Уравнением
/>
С образованиемхлорноватистой кислоты, которая диссоциирует на соляную кислоту и атомарный кислород(в нейтральной или щелочной среде), обладающий сильными окислительнымисвойствами. Ю. Ю. Лурье считает, что хлорноватистая кислота диссоциирует взависимости от рН с образованием гипохлоритного иона (ОСl-),при этом окислительное воздействие на микроорганизмы оказывает как самахлорноватистая кислота, так и главным образом гипохлоритный ион:
/>
При применении вместохлора хлорной извести имеет место реакция
2СаОС12 + 2Н2О →СаС12 +Сa(ОН)2 +2НС10.
Дальнейшая диссоциацияхлорноватистой кислоты происходит аналогично описанному выше.
/>
Эффект подавлениябактериальной жизни при хлорировании зависит от дозывведенного хлора и продолжительности контакта его с водой. Поэтомухлоропоглощаемость одной и той же воды, равная суммарному расходу хлора наокисление микроорганизмов, органических и неорганических примесей, — величинапеременная, зависящая от дозы введенного хлора, продолжительности контакта,величины рН, температуры воды и др. (рис. 14.3). Очевидно, что доза вводимогохлора должна
/>
Рис. 14.3. Зависимостьхлоропоглощаемости от времени контакта хлора с водой: дозы хлора, мг/л:1— 0,5;2 — 0,75;3— 2,0;4 —4,0; 5 — 20,0
Быть больше величиныхлоропоглощаемости на величину остаточного хлора, присутствие которого являетсягарантией того, что окисление бактерий и органических веществ в водепрактически завершено. Связь между дозой введенного в воду хлора и содержаниемостаточного хлора может иметь прямолинейный характер или ярко выраженный излом(рис. 14.4). Непрямолинейный характер этой зависимости имеет место при наличиив хлорируемой воде аммиака. Первая точка перелома на кривой 2 соответствуетобразованию монохлорамина NH2Clсменьшим, чем у хлора окислительно-восстановительным потенциалом. Вторая —переломная точка кривой соответствует моменту окисления образовавшегосямонохлорамина избыточным хлором.
/>
Рис. 14.4. Зависимостьостаточного хлора от дозы введенного в воду при отсутствии(1) и при наличии (2) в ней аммонийных солей
На практике всоответствии с качеством исходной воды применяют одно- или двухкратноехлорирование воды. При обработке высокоцветных вод, а также вод, богатыхорганическими веществами и бактериями, применяют двукратное хлорирование. Приэтом хлор в воду дозируется сначала перед камерами хлопьеобразования илиосветлителями (предварительное хлорирование), а затем в фильтрованную воду,перед резервуаром чистой воды. Предварительное хлорирование необходимо дляокисления органических защитных коллоидов, препятствующих процессу коагуляции,а также окисления гуминовых веществ, обусловливающих цветность воды, с цельюэкономии коагулянта, расходуемого на ее обесцвечивание. Доза хлора напредварительное хлорирование значительно выше той, которая вводится вфильтрованную воду, и может доходить до 5 мг/л.
В некоторых случаяхможет возникнуть необходимость хлорирования воды повышенными дозами хлора, т.е. применения так называемого перехлорирования, гарантирующего высокий эффектее обеззараживания. После перехлорирования воды остаточная концентрация хлора вней достаточно велика (1...7 мг/л), поэтому приходится прибегать к последующемуее дехлорированию. Для этого чаще всего применяют обработку воды сульфитомнатрия, сернистым газом и фильтрование дехлорируемой воды через активированныйуголь. Дехлорирование воды сульфитом натрия, считая 3,5 мг (в расчете на Na2S03-7H20)на1 мг связываемого хлора, протекает по уравнению
Na2S03+ Н20+ С12= Na2S04 + 2НС1.
Дехлорирование водысернистым газом (в соотношении, примерно 1:1)происходит в соответствии с уравнением
S02+2H2O+ С12→ H2S04+2НС1.
При длительномпребывании питьевой воды перед поступлением к потребителям в резервуарах иводоводах (более 1,5 ч) для продления бактерицидного действия хлора, а такжедля предотвращения хлорфенольных запахов в воду кроме него вводят также иаммиак. Введение аммиака, кроме того, сокращает расход хлора и в ряде случаевулучшает вкус воды. При взаимодействии хлорноватистой кислоты (образовавшейсяпри хлорировании воды) с аммиаком получаются монохлорамины:
HOCI+NH3 → NH2CI + Н2О,
которые, гидролизуясь,образуют сильный окислитель — гипохлоритный ион:
NH2C1+Н20 → NH4+ + ОСl-.
Гидролиз хлораминовпротекает довольно медленно, поэтому в первое время окислительное действиехлораминов ниже, чем хлора, но длительность бактериального действия хлораминовзначительно больше, в связи с чем и применяют аммонизацию воды перед длительнымее пребыванием в резервуарах, водоводах и сети. Соотношение доз хлора и аммиаказависит от качества исходной воды. Обычно оптимальной, обеспечивающейобразование монохлораминов, является доза аммиака в пять-шесть раз меньше дозыхлора.
Аммиачное хозяйствоорганизуют аналогично хлорному и располагают в отдельных помещениях. Аммиакхранят в расходном складе в баллонах или контейнерах. Ввод аммиака производят вфильтрат при наличии фенолов — за 2… 3 мин до ввода хлора.
Различают свободныйхлор(молекулярный хлор, хлорноватистая кислота и гипохлорит-ионы) и связанный(хлор, в виде хлораминов). Свободный хлор в 20—25 раз более бактерициден, чемсвязанный. С увеличением рН воды уменьшается содержание связанного хлора.
На бактерицидный эффектхлорирования значительно влияет первоначальная доза хлора ипродолжительность сохранения в обрабатываемой воде его некоторой остаточнойконцентрации. Минимальная продолжительность контакта 30 мин при остаточномсодержании свободного хлора 0,3—0,5 мг/л. Из патогенных микроорганизмовнаиболее чувствительны к хлору: холерный вибрион, бациллы брюшного тифа идизентерии. Паратиф В и микрокок более резистентны, на споровые формы хлорпочти не действует.
Количество хлора,расходуемого на окисление примесей воды, называется хлоропоглощаемостью,которая определяется как разница между количеством введенного хлора и егоконцентрацией в воде через 30 мин контакта.
К числу производныххлора, используемых при обеззараживании, относят: гипохлориты натрия (NaClO*5H20),кальция[Са(С10)2], хлорит натрия (NaClO2),оксидхлора СlO2.
Гипохлорит натрияполучают электролизом раствора поваренной соли в электролизере без диафрагмы.При этом вначале выделяются: на аноде — хлор, а на катоде — едкий натрий,которые взаимодействуя образуют гипохлорит натрия.
Гипохлорит кальция— стойкое вещество в виде белого порошка, содержащего до 90% продукта. Одним изспособов получения является насыщение хлором водной суспензии гидроксидакальция при температуре 25—30 «С. Содержание активного хлора в гипохлоритекальция достигает 72% в зависимости от способа его получения.
Хлорит натрия— сильный окислитель, в твердом состоянии — негорюч и не самовоспламеняем. Егорастворимость в0оде ПРИ 5 „С — 340, а при 60 °С — 550 г/л. При рН=2 онразлагается с образованием оксида хлора(IV) и соляной кис- доты, при рН около 4разложение замедляется, а при рН=7 он не разлагается. Его широко используют дляполучения оксида хлора (IV). Оксид хлора (IV)—зеленовато-желтый газ с резким запахом, легко взрывается от электрическойискры, при солнечном освещении и при нагревании свыше 60ºС. Взрывоопасен вобычных условиях при контакте со многими органическими веществами (нефть,бензин и пр.). Его окислительный потенциал в кислой среде 1,5 В. Растворимостьоксида хлора (IV) в воде при 25°С — 81,06, а при 40 °С — 51,4 г/л. Его водныерастворы имеют более интенсивную окраску по сравнению с хлорной водой. Наводоочистных комплексах оксид хлора (IV) можно получать взаимодействием хлоританатрия и хлора или с разбавленной соляной кислотой, либо озоном. Он обладаетболее высоким бактерицидным и дезодорирующим действием, чем хлор. Присутствие вводе аммонийных солей не влияет на его окислительные свойства. При обработкевод, содержащих фенолы, не возникают хлорфенольные запахи, так как фенолпрактически полностью окисляется оксидом хлора(IV) до малеиновой кислоты ихинона, не имеющих в малых концентрациях запаха и привкуса.
Скорость процессаобеззараживания воды хлором и его производными определяетсякинетикой диффузии оксиданта внутрь клетки и интенсивностью отмирания клетоквследствие нарушения метаболизма (обмена веществ). С ростом концентрации хлорав воде, повышением ее температуры и переводом его в сравнительно легкодиффундирующую, недиссоциированную форму скорость процесса обеззараживаниявозрастает.
Бактерицидное действиехлора уменьшается с повышением рН воды. Поэтомуобеззараживание воды хлором следует производить по возможности при болеевысоких температурах и низких значениях рН (до ввода щелочных реагентов).Содержащиеся в воде органические примеси, способные к окислению,восстановители, коллоидные и диспергированные вещества, обволакивающиебактерии, тормозят процесс обеззараживания воды.
Для дозирования в водухлора, аммиака и сернистого газа (при дехлорировании)применяют вакуумные газодозаторы системы ЛОНИИ-100 (рис. 14.5) и системы Л. А.Кульского (рис. 14.6). Из баллонов, установленных на специальные весы (дляконтроля за расходом хлора), жидкий хлор передается в Промежуточный баллон, гдепроисходит его испарение и отделение загрязняющих хлор примесей. Далее ужегазообразный хлор проходит через фильтр со стекловатой (для окончательнойочистки хлор-газа) и через понижающий давление редуктор. Степень понижениядавления фиксируется двумя манометрами, установленными до и после редукционногоклапана. С помощью диафрагмы создается перепад давлений, который служитимпульсом для работы измерителя расхода хлора. Затем хлор, поступая всмеситель, смешивается с водопроводной водой, образуя хлорную воду, котораязасасывается эжектором и отводится по назначению.
/>
Рис. 14.5. Вакуумныйхлоратор ЛОНИИ-100.
1 —промежуточный баллон; 2 — фильтр со стекловатой;3— редукционный клапан дляснижения давления хлор-газа; 4— манометр; 5— измерительная диафрагма; 6 — ротаметр; 7 —смеситель; 8 — подача водопроводной воды;9— эжектор, создающий разряжение в хлораторе; 10 — отвод хлорной воды надозирование; 11 — весы; 12 — баллон с хлором
водахлорирование обеззараживание газодозатор
Вакуумные хлораторысистемы Л. А. Кульского показаны на рис. 14.6 — хлоратор ЛК-11 среднейпроизводительности (рис. 14.6, а) для расхода хлора в пределах 0,5… 4,5 кг/чи хлоратор ЛК-10 малой производительности (рис. 14.6,6), рассчитанный на расходхлора в пределах 40… 800 г/ч.
Количество резервныххлораторов на одну точку ввода рекомендуется принимать: при 1… 2 рабочиххлораторах — один резервный, при более двух — 2. Допускается предусматриватьобщие резервные хлораторы для предварительного и вторичного хлорирования воды.
С одного стандартногобаллона при обычной комнатной температуре можно получить не более 0,5… 0,7кг/ч хлор-газа. Поэтому на крупных водоочистных комплексах с большим расходомхлора для увеличения съема хлора прибегают к специальному обогреву баллонов (теплойводой или подогретым воздухом при температуре 10… 30°С). Испаритель оборудуютустройствами для контроля температуры воды и давления хлора и воды. Наводоочистных комплексах большой производительности применяют бочки, величинасъема хлора с которых на 1 м2 составляет около 3 кг/ч, при комнатнойтемпературе.
/>
Учитывая, что хлорявляется отравляющим газом, при проектировании хлораторных установок следуетпредусматривать необходимые меры, обеспечивающие безопасность обслуживающегоперсонала.
К числу этих меротносятся: наличие двух выходов из хлораторной, расположение хлораторной напервом этаже; наличие приточно-вытяжной вентиляции с устройством вытяжки внаиболее низкой части хлораторной, в месте, противоположном от входа вхлораторную; устройство электроосвещения с газозащитной герметическойаппаратурой; наличие тамбура с размещением в нем спецодежды и противогазов, атакже устройств для включения и выключения вентиляции и освещения.
При хлорировании водыотстоенным раствором хлорной извести крепостью 1… 1,5% его приготавливаюттаким же способом, как и раствор коагулянта. Аналогичные устройства служат идля дозирования раствора. Ввиду сильного коррозионного действия раствора хлорнойизвести баки для его приготовления следует применять деревянные, пластмассовыеили железобетонные, а арматуру и трубы, — из полиэтилена или винипласта. Объемрастворных баков, м3, определяют по формуле
/>
где Q—расчетный расход воды, м3/ч; n=12… 24 ч — количество часов, на которое заготавливается раствор хлорнойизвести; Дхл. :— принятая доза активного хлора, мг/л; bхл.и=1.....2— концентрация раствора хлорной извести, %; С=25…… 30 — содержаниеактивного хлора в продажной хлорной извести, %; р=1 — плотность растворахлорной извести, т/м3.
Литература
АлексеевЛ. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М.,
Стройиздат,1994 г.
АлфероваЛ. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленныхпредприятий, комплексов и районов. М., 1984.
АюкаевР. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих
материаловдля очистки воды. Л., 1985.
ВейцерЮ. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессахочистки воды. М., 1984.
ЕгоровА. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистныхсооружениях. М., 1984.
ЖурбаМ. Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.