<< вернуться назад   хотите разместить рекламу на сайте?

Главная / Статьи / Очистка воды

Очистка воды

16.07.08
 
Очистка водыПриемы, направленные на очистку воды, не отличаются от технических приемов водоподготовки. Вода подземных источников, поступающая в систему водоочистки, должна соответствовать стандартам на питьевую воду. Несмотря на то, что природная вода должна быть пригодна для питья, в ней могут присутствовать достаточно проблематичные загрязнители как результат деятельности человека и его отрицательного влияния на окружающую среду. В частности, к таким проблемам относится, несомненно, хлор и его соединения, которые должны быть удалены на какой-либо стадии процесса очистки. Снижение содержания примесей в воде часто достигается теми же процессами, которые применяются для снижения концентрации ионов. Однако если обычно мембранная технология для снижения концентрации ионов используется ограниченно, в некоторых случаях ее все же приходится применять для снижения общего содержания загрязнений. В частности, мембранные технологии приходится применять для подготовки воды в целях хранения. Поддержание низкого содержания бактерий в процессе водоподготовки, хранения и распределения воды весьма трудная задача, поэтому бактериальный контроль ведется на всем протяжении движения воды от источника водоснабжения и до потребителя.
Перечислим некоторые этапы водоподготовки, гарантирующие ее качество: удаление взвешенных, удаление хлора, снижение концентрации ионов, бактериологический контроль и удаление специфичных загрязнителей.
 

Удаление хлора
 

В данном случае под хлором мы будем понимать не только элементарный хлор - газ зеленоватого цвета, а любые хлорсодержащие соединения. Существует несколько методов удаления хлора из воды. Наиболее распространенным является фильтрация через активированный уголь. Но есть и другие удаляющие хлор составы, например, включающие разнородные металлы. Хлор может быть удален восстановителем метабисульфитом натрия. Недавно было показано, что высокая дозировка ультрафиолетового излучения также снижает концентрацию хлорсодержащих веществ.
 

Фильтрация через уголь
 

Уголь способен удалять как растворенный в воде свободный хлор, так и хлорамины. Но в последнем случае время контакта воды и угля надо существенно увеличивать. Слой угля для удаления свободного хлора должен занимать в зависимости от концентрации хлора и исходных характеристик воды от 2 до 5 слоев, заполняющих объем аппарата. Для удаления хлораминов количество слоев должно составлять 7,5-12. Угольные фильтры также эффективны для снижения общего содержания примесей. Наибольшей проблемой угольных фильтров является их предрасположенность к заселению колониями бактерий. Для борьбы с этим угольное заполнение надо периодически подвергать санитарной обработке горячей водой или паром. Кроме того, для дезинфекции воды источник УФ-излучения должен быть установлен как на входе, так и на выходе из угольного фильтра. Это увеличит продолжительность интервала между санитарными обработками. Качество угля, используемого для заполнения угольных фильтров, также играет определенную роль. Если уголь используется для удаления специфичных органических соединений, он должен обладать соответствующими характеристиками. Желательно минимальное содержание примесей в угле, низкая зольность и достаточно высокая механическая прочность. Весь уголь сразу после загрузки следует промыть кислотой непосредственно в технологических емкостях. После пуска угольный слой следует промывать, пока из него не будут удалены мелкие частицы. Угольный слой должен периодически взрыхляться обратным потоком воды в течение всего срока эксплуатации.
Другими гранулированными материалами, эффективными для удаления хлора, являются композиции из разнородных металлов. Они не подвержены заселению бактериями, что является их существенным преимуществом. Однако высокая стоимость композиций из разнородных металлов ограничивает их применение для удаления хлораминов, а высокий вес существенно увеличивает расход воды на взрыхление.
 

Применение реагентов
 

Ввод реагента непосредственно в поток воды требует очень мало оборудования: дозировочных насосов и статических реакторов. Следовательно капитальные затраты на такой метод удаления соединений хлора крайне невысоки. Основные затраты определяются стоимостью реагентов. Осложнением, возникающим при использовании реагентов для удаления хлорсодержащих соединений, является стимулирование роста некоторых организмов, разрастающихся на оборудовании, в котором производится осаждение. По этой причине дозировка реагентов должна поддерживаться на таком низком уровне, который бы не приводил к быстрому росту этих организмов. Именно это требование и является трудновыполнимым: сложно поддерживать минимальную дозировку реагентов в условиях изменения концентрации хлорсодержащих соединений в широком диапазоне.
 

УФ-излучение
 

Ультрафиолетовое излучение широко используется в системах очистки воды для дезинфекции и снижения концентрации всех загрязнений. Использование УФ-излучения для удаления хлорсодержащих соединений - относительно новый процесс, но благодаря способности разрушать многие химические соединения этот прием получает все большее распространение, так как дозировки УФ-облучения подобраны и проверены на практике. Показано, что УФ-излучение гораздо более эффективно по сравнению с реагентами для разрушения хлорсодержащих соединений. Разрушение хлораминов требует существенно более высоких дозировок, чем удаление свободного хлора. Поэтому иногда выгодно для этой цели использовать окислители в комбинации с УФ-излучением. Капитальные затраты на применение УФ-излучения в случае удаления свободного хлора сравнимы с таковыми в случае применения угольной фильтрации. Существенный вклад в затраты на применение УФ-излучения для удаления хлора вносит стоимость электроэнергии. Однако эти затраты оправдываются, т.к. устраняя из технологической схемы угольные фильтры, мы устраняем основу для роста колоний бактерий. Кроме того, вода в значительной степени дезинфицируется, что весьма полезно всей системе водоочистки.
 

Удаление ионов
 

Существует три основных способа снижения концентрации ионов: мембранные процессы, ионный обмен, дистилляционный процесс. На практике используются много разновидностей и комбинаций этих способов, что открывает почти бесконечные возможности в их использовании при водоочистке.
 

Мембранные процессы
 

Мембранные процессы широко применяются в системах водоочистки для удаления: ионов, твердых взвешенных, органических соединений и микроорганизмов. Диапазон размеров пор мембран, выпускаемых промышленностью, весьма широк: от размеров сравнимых с размерами коллоидных частиц до размеров ионов. Ионоудаляющие мембраны занимают "тесный" участок спектра размеров пор и включают мембраны обратного осмоса (ОО) и нанофильтрующие мембраны. В настоящее время химия мембран настолько доведена до совершенства, что степень разделения ионов различного размера находится где-то между 99,9 и 50%, стирая различие между понятиями нанофильтрации и фильтрации при низком давлении. Теперь есть смысл обсуждать не размеры пор мембран, а особенности эксплуатации мембран из целлюлозы и других полимеров.
Целлюлозные мембраны устойчивы в присутствии окислителей бактерицидного происхождения и по существу могут работать в присутствии дезинфицирующих веществ, применяемых для уничтожения микроорганизмов, паразитирующих на материале мембран. Несмотря на то, что к преимуществам целлюлозных мембран можно отнести и возможность содержания в воде незначительных количеств хлора, остающегося в воде при использовании процесса обратного осмоса, преимущества нецеллюлозных мембран существенно превосходят отмеченное положительное свойство целлюлозных мембран.
Нецеллюлозные мембраны работают при значительно более низких давлениях и в широком диапазоне значений рН. Недаром во всех наиболее прогрессивных технических решениях используются именно нецеллюлозные мембраны. Одной из наиболее важных характеристик ионоудаляющих мембран является их высокая ионосепарирующая способность вне зависимости от концентрации ионов в потоке (вплоть до максимального осмотического давления). Это еще одно существенное преимущество по сравнению с ионным обменом, при котором каждый удаляемый ион заменяется на какой-либо другой. Именно эта характеристика фактически предопределяет включение мембранного разделения в каждую систему удаления ионов. Очень редко экономически оправдано использование ионного обмена для удаления только одного иона. Основополагающим решением в применении мембранного разделения является возможность использования систем с одно- или двукратным изменением направления потока очищаемой воды. Еще одной проблемой при мембранной очистке являются растворенные в воде газы, особенно С02, но и эти проблемы решаются использованием дегазифицирующих мембран.
Применение мембранной технологии предъявляет высокие требования к соблюдению заложенных в проекте норм технологического режима, аналитического контроля и правил промывки. Первым условием надежной работы систем мембранной очистки является постоянный расход воды, выражаемый в литрах на квадратный метр площади мембраны в сутки (ЛМС). Обычно промышленные мембранные системы очистки рассчитываются на расход 0,4-0,6 м3/м2 в сутки. Поток питательной воды направляют в систему мембранной очистки вначале на мембраны с крупными порами, а затем к мембранам с все более понижающимися по размеру порами. Из питательной воды перед подачей в систему мембранной очистки следует удалить загрязнения, которые могут быть причиной засорения или образования отложений на мембранах. Очень важно постоянно в процессе эксплуатации контролировать давление и расход воды через мембранную систему, поскольку именно эти два параметра определяют соблюдение условий постоянства технологического режима и отражают все отклонения от него. Необходимо постоянно отслеживать характеристики как питательной воды, так и очищенной воды на выходе из системы очистки. Качественный контроль состоит из действий, направленных на соблюдение всех отмеченных выше условий работы мембранной системы. Температура - очень важный фактор, определяющий вязкость воды и, как следствие, скорость ее фильтрации через мембрану. Часто питательную воду, поступающую на очистку, в мембранных системах, использующих обратный осмос, нагревают до 25°С, хотя это не всегда экономически оправдано. Более рациональным приемом является использование МГД-резонатора, снижающего вязкость воды и повышающего производительность фильтрации без затрат на подогрев. Промывка мембран отфильтрованной водой перед остановкой установки является неотъемлемой частью устранении загрязнения и предотвращения отложений на мембранах. Это особенно важно в системах, применяющих антинакипин. Совместное применение автоматизированной общей чистки мембран и санитарной обработки системы увеличивает продолжительность ее работы и снижает затраты на обслуживание.
 

Ионный обмен
 

Хотя двухходовой обратный осмос (ОО) во многих случаях может обеспечить необходимое удаление ионов, часто проекты систем очистки воды предусматривают стадию ионного обмена, размещаемую вслед за установкой ОО. Ионный обмен удаляет СО2, который в системе ОО может быть причиной сбоев при контроле качества очистки. Кроме того, в некоторых случаях считается приемлемым в очень низко расходных системах очистки воды применять портативные ионообменные емкости как единственный метод снижения концентрации ионов. Использование ионного обмена вслед за установкой ОО повышает надежность всей системы очистки. Однако при этом возникает несколько проблем. Общеизвестно, что колонии бактерий охотно поселяются на поверхности гранул ионообменного материала, особенно на смесях катионита-анионита, имеющих нейтральный рН. Кроме того, на стадии регенерации ионообменных материалов используются рискованные реагенты и сложное оборудование. Применение ионообменных емкостей создает постоянную "непредсказуемость" в процессе водоподготовки. Некоторые из этих проблем уменьшаются проверенными способами применения ионообменной технологии. Например, раздельное использование катионитов и анионитов обеспечивает сильно отличающиеся от нейтрального значения рН на ионитах разного типа, что подавляет рост бактерий. Одновременно, раздельное применение катионитов и анионитов облегчает их регенерацию и снижает затраты на реагенты. Использование портативного ионообменного резервуара позволяет провести регенерацию без ущерба для основного процесса и является гарантией стабильного качества очищенной воды.
 

Дистилляция
 

Дистилляция является естественным процессом очистки воды, состоящим из стадии испарения и конденсации. Любой загрязнитель, испаряющийся при более высокой, чем вода, температуре, может быть удален в процессе дистилляции с очень высокой полнотой (обычно более 99%). Загрязнения в водяной пар могут попадать только в виде брызг при слишком интенсивном кипении.
Очистка дистилляцией энергоемка из-за высоких энергозатрат на испарение воды. Рациональные технологические схемы, однако, могут существенно снизить энергозатраты. К таким схемам относится многокорпусная вакуумвыпарка, когда на обогрев последующего корпуса применяется вторичный пар предыдущего более "горячего" корпуса. При такой схеме используется особенность, присущая фазовому переходу первого рода. Тепло, выделяющееся при конденсации, равно затратам тепла на испарение, если оба процесса вести при одинаковой температуре. Но если конденсацию вести при более низкой температуре, то будет выделяться тепла больше, чем было затрачено на испарение. Предположим, испарение ведется при температуре 100°С. Тогда на испарение 1 кг воды расходуется 2259 кДж тепла. Если конденсацию провести при 40°С, то при этом выделится тепла 2406 кДж, то есть на 147 кДж больше. Это "избыточное" тепло можно использовать на подогрев, тем более, что для подогрева 1 кг воды от температуры 20°С до температуры 100°С нужно только 80 кДж тепла.
Слабым местом дистилляции является накипеобразование на поверхностях теплообмена. Слой накипи даже в 1 мм существенно повышает энергозатраты в тепловых процессах. Для борьбы с этим злом обычно используют различного типа антинакипины. Антинакипинами называют химические добавки, молекулы которых образуют водорастворимые комплексные соединения с ионами кальция и магния. Комплексообразователями являются, например, этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) или полимерные фосфаты, такие как соль Грема, гексаметафосфат натрия и др.
У антинакипина есть несколько крупных недостатков:
 
  • высокая стоимость;
  • необходимость использования в технологической схеме узла растворения антинакипина и его дозировки;
  • молекула антинакипина гидролизуется (реагирует с водой) и разлагается при высоких температурах. Этот процесс протекает относительно медленно, но принуждает постоянно компенсировать гидролиз, добавлять к питательной воде "избыточные" порции антинакипина;
  • если в качестве антинакипина применяется органический комплексообразователь, он может с брызгами при интенсивном кипении попадать в дистиллят. А органические антинакипины ядовиты для человека. Прекрасным техническим решением, лишенным всех недостатков антинакипина, является применение МГД-резонатора.

    Он одновременно решает две проблемы:
  • снижая удельную теплоту парообразования, уменьшает энергозатраты;
  • предотвращает накипеобразование, вынуждая карбонат кальция кристаллизоваться в форме арагонита.

    Использование в 80-х годах прошлого века МГД-резонатора на сорокакорпусной опреснительной установке, запитываемой водой Каспийского моря, позволило:
  • отказаться от антинакипина;
  • работать в безнакипном режиме;
  • снизить энергозатраты на получение 1 т пресной воды на 30-50%.
 

Бактериальный контроль
 

Бактериальный контроль требует постоянного внимания в сравнении с любым другим аспектом в системах очистки воды. Понятие бактериальный контроля включает как оборудование, так и процедуру. Обычно применяемым оборудованием является источник ультрафиолетового излучения (УФ), озоногенерирующие системы, системы нагрева, химические дозировочные и рециркуляционные системы. Процедуры сводятся к периодическим санитарным обработкам и технологическим приемам, препятствующим попаданию бактерий в систему. Бактериальный контроль применяется на всех стадиях очистки, хранения и распределения воды.
 

Ультрафиолетовое излучение
 

Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 254 нм и дозировкой от 30 тыс. мкВт в секунду на квадратный сантиметр обеспечивает удовлетворительную скорость уничтожения большинства бактерий. При этом к воде не надо добавлять никаких химических веществ. Это делает УФ-облучение великолепным дезинфицирующим устройством в системах водоочистки.
Обычно источники УФ-излучения размещают во многих точках системы водоочистки. Часто УФ-излучатели размещают как на входе, так и на выходе системы очистки воды, что значительно продлевает время между периодическими санитарными обработками. УФ-излучение инициирует накипеобразование. Поэтому УФ-излучатель, располагающийся в точках, где отмечается повышенное содержание в воде солей жесткости, должен комплектоваться очистительной втулкой (шомполом), а водный канал в этом месте должен быть выполнен из тефлона.
 

Озон
 

Озон является мощным окислителем, постоянно генерируемым из атмосферного кислорода электрическим разрядом. Озон убивает микроорганизмы с очень высокой скоростью за счет окисления и растворения стенок клеток. Озон, как было показано ранее, легко разлагается на молекулярный и атомарный кислород, который собственно и является окислителем. Процесс разложения озона ускоряется УФ-излучением. Озон - прекрасное вещество для санитарной обработки, так как он мало растворим в воде (0,039% объема) и легко из нее улетучивается. Положительные качества озона являются и его отрицательными качествами: он может окислять полиамидные мембраны, ионообменные смолы и другие полимеры. Озон чаще всего применяется для дезинфекции воды, но может быть использован и в системах очистки, если это позволяют применяемые конструкционные материалы.
 

Термическая (тепловая) санитарная обработка
 

Тепло - надежный метод уничтожения микроорганизмов. Оно может быть применено для санитарной обработки картриджей фильтров, угольных фильтров, ионообменных подложек, мембранных систем, трубопроводов, емкостей и так далее. Все системы, подвергаемые тепловой санитарной обработке, должны быть изготовлены из специальных конструкционных материалов. Это особенно верно в случае мембранных и ионообменных систем. Положительные качества тепловой санобработки тем не менее существенно увеличивают эксплуатационные затраты. Минимальная температура, при которой уже приемлема санитарная термообработка, составляет 75°С, но такая температура может вредить мембранам и ионитам. Однако более высокие температуры допустимы при пропарке трубопроводов и емкостей. Поэтому для санитарной обработки мембранных систем и ионитов обычно используют подогретую очищенную воду.
 

Химическая санобработка
 

Для санобработки отдельных узлов систем водоочистки могут быть использованы различные химические соединения. Поскольку тепловая санобработка очень дорогая, часто санобработку проводят химикатами, периодически циркулирующими через мембранную систему. Это легко осуществить, если в мембранной системе очистки воды предусмотрена очистительно-промывная система. Главной проблемой при использовании химических веществ для санитарной обработки является возможность их последующего удаления из системы.
 

Жесткость
 

Ионы жесткости могут быть легко удалены из воды ионным обменом или мембранным разделением. Ионообменные системы (умягчители), использующие катионообменные смолы в натриевой форме, регенерируются хлоридом натрия. Объем смолы в системе умягчения определяется расходом воды и обменной емкостью смолы. Расход воды не должен превышать 25-40 м3/ч на м3 смолы. Поток менее чем 17 м3/ч на м3 смолы может промывать в ее слое каналы. Поток свыше 50 м3/ч на м3 смолы уменьшит время ее контакта с очищаемой водой и сделает очистку от ионов жесткости неэффективной. Общая обменная емкость смолы в сочетании с расходом воды и концентрацией в ней солей жесткости определяют продолжительность работы ионообменного фильтра между регенерациями и дозировку соли на регенерацию. Контролируя содержание ионов жесткости в воде, выходящей из ионообменного фильтра, устанавливают время переключения его в режим регенерации. Как правило, технологическая схема предусматривает наличие нескольких емкостей, заполненных ионообменной смолой, и возможность переключения с одной на другую. Это позволяет не прерывать работу системы умягчения, а просто выводить на регенерацию те емкости, в которых смола уже сработалась.
 

Железо, марганец и гидросульфид
 

Эти загрязнители наиболее типичны для грунтовых вод и встречаются достаточно часто. Они легко удаляются в виде малорастворимых соединений в окисленном виде и поэтому для их удаления обычно применяются методы очистки, основанные на окислении и отделении образовавшегося осадка отстоем или фильтрацией. Мембраны с нужным размером пор не пропускают ионы железа и марганца, поэтому иногда выгодно использовать мембраны для очистки воды от этих ионов. Поскольку гидроксид железа обладает ферромагнитными свойствами, возможна очистка воды от железа созданием подходящего рН, осаждение железа в форме гидроксида с последующим удалением взвеси фильтрацией через слой стальных шариков, помещенных в электромагнитное поле. Такое устройство называют магнитным сепаратором.
Озон является предпочтительным окислителем для систем очистки воды от гидросульфида методом окисления/фильтрации. Для этих целей может быть использован также хлор, но он требует существенного увеличения времени контакта и специальных мер по удалению избытков хлора.
 

Взвешенные
 

Все источники водоснабжения содержат взвешенные твердые частицы очень широкого размерного диапазона. Родниковая вода обычно содержит гораздо больше высокодисперсных взвешенных частиц, чем вода из поверхностных источников. Вода водопроводной городской сети содержит обычно очень малое количество взвешенных, так как очистка питьевой воды всегда предусматривает операцию их удаления еще на первой стадии очистки. Наиболее рациональным способом удаления достаточно крупных взвешенных является фильтрование. Стандартным решением в данном случае является применение фильтров с намывным слоем (ФНС). Такой фильтр способен удалить частицы размером свыше 10 мк. Более мелкие частицы таким фильтром не задерживаются.
Фильтры, заполненные гранулированным углем, и ионообменные смолы также в состоянии обеспечить очистку от взвешенных малого размера. Запатентован фильтрационный процесс, использующий покрытые катионообменным полимером бусинки смолы, способные удалять твердые заряженные частицы коллоидного размера. Патронные фильтры могут применяться для удаления взвешенных чрезвычайно широкого размерного диапазона. Часто размеры пор в патронах фильтра варьируют в очень широком диапазоне и патроны устанавливаются последовательно, что позволяет распределить нагрузку и продлить жизнь патрона. Главная проблема в данном случае заключается в том, что для отделения от воды взвешенных частиц коллоидного размера приходится применять патроны одноразового использования, что существенно повышает эксплуатационные затраты.
Мембраны обратного осмоса в принципе обеспечивают очень высококачественную фильтрацию. Однако содержание взвешенных в воде приводит к загрязнению мембран. Поэтому вода, поступающая на мембраны обратного осмоса, должна быть предварительно профильтрована для удаления частиц размером меньше 5 мк, которые могут закупоривать фильтрующие каналы. Высококачественная предварительная фильтрация существенно продлевает интервал между чистками мембран. В последние десятилетия обратная промывка микро- и ультрафильтров получает все большее распространение в системах водоочистки. Мембранные фильтры могут использоваться для отделения крупных твердых частиц только как фильтры предварительной фильтрации. Именно такую функцию они выполняют в системах очистки обратного осмоса, что существенно продлевает период работы между чистками мембран. Огромным преимуществом мембранных фильтров является их способность удалять бактерии. Это очень полезно в системах очистки воды, так как существенно минимизирует заселение колониями бактерий оборудования технологической линии.