Методы, технологические процессы и сооружения

Обработка воды с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных целей представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только очистку ее от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами. Все многообразие методов 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 минерального состава (фторирование и обесфторивание, извлечение ионов тяжелых металлов, обезжелезивание, деманганация, умягчение или обессоливание и др.). Метод обработки воды выбирают на основе предварительного изучения состава и свойств воды источника, намеченного к использованию, и их сопоставления с требованиями потребителя.

Наиболее характерными и общими признаками примесей воды являются формы их нахождения в ней, т. е. фазовое состояние, которое характеризуется дисперсностью веществ. По Л. А. Кульскому фазово-дисперсное состояние примесей воды обусловливает их поведение в процессе водообработки. Каждому фазово-дисперсному состоянию примесей отвечает совокупность методов воздействия, позволяющая достичь требуемых качественных показателей воды изменением этого состояния или без изменения его.

На этой основе все многообразие загрязнений (примесей) природных и промышленных вод разделено на четыре группы с общим для каждой группы набором методов водоочистки, предопределяемым формой нахождения примесей в воде.

В основу технологии очистки воды от примесей каждой группы положены процессы, протекающие под воздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную дисперсную систему. Так, для удаления взвесей, являющихся кинетически неустойчивыми системами, используют гравитационные и адгезионные силы, для удаления коллоидных и высокомолекулярных веществ, агрегативно неустойчивых в водных растворах, — адгезионные и адсорбционные. Примеси, находящиеся в виде молекулярных растворов, удаляют путем ассоциации молекул, под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. И, наконец, для удаления из воды электролитов используют силы химических связей, характерные для ионных процессов.

Технология кондиционирования воды предполагает процессы, связанные с корректированием ее физических и химических свойств, а также процессы обеззараживания. Однако, несмотря на принципиальное различие задач этих методов обработки, они могут быть общими в зависимости от фазово-дисперсного состояния минеральных, органических и биологических примесей воды.

К первой группе примесей воды относятся взвешенные в воде вещества (от высокодисперсных взвесей до крупных частичек), а также бактериальные взвеси и другие биологические загрязнения. Удалять эти примеси можно как безреагентными, так и реагентными методами.

Вторую группу примесей воды представляют разные типы гидрофильных и гидрофобных коллоидных систем, высокомолекулярные вещества и 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 этом снижается цветность воды, уничтожаются микроорганизмы, разрушаются гидрофильные коллоиды, проявляющие защитные свойства по отношению к гидрофобным примесям воды, тем самым создавая благоприятные условия для последующего коагулирования, ускоряется процесс образования и осаждения хлопьев.

Для третьей группы примесей, являющихся молекулярными растворами, наиболее эффективные процессы, обеспечивающие их удаление из воды, — аэрирование, окисление, адсорбция.

Для четвертой группы примесей, представляющих собой электролиты, технология очистки воды сводится к связыванию реагентами ионов, подлежащих устранению, в малорастворимые и малодиссоциированные соединения. При выборе реагентов целесообразно исходить из произведения растворимости образующихся соединений. (Произведением растворимости (ПР) называется произведение концентраций ионов в насыщенном растворе малорастворимого соединения, характеризующее способность его растворяться.) В случае малых значений ПР полнота очистки воды возрастает, особенно при избытке иона-осадителя. Присутствие в воде посторонних солей обусловливает увеличение ионной силы раствора (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 степень связанности его молекул или ионов в растворе. Она позволяет судить об отклонении свойств данного вещества в сложном растворе от свойств в чистом его растворе при этой же молярной концентрации вещества. Активность вещества зависит от вида и концентрации других компонентов раствора, а также от температуры и давления.).

Все примеси, загрязняющие водоемы, полностью охватываются четырьмя группами предлагаемой классификации. Используя особенности, характеризующие каждую группу примесей, можно находить эффективные методы удаления всего комплекса находящихся в воде примесей небольшим числом соответствующим образом скомпонованных элементов очистных сооружений.

При проектировании водоочистных комплексов использование этого принципа классификации помогает определять главные элементы очистных сооружений, компоновать их, а также подбирать реагенты и процессы, которые должны в них протекать. Это наиболее сложная часть проектирования, которое следует развивать в направлении уточнения параметров сооружений и режима работы с учетом индивидуальных особенностей и состава примесей природных вод.

При составлении схемы водообработки следует выбирать методы и режимы, наиболее эффективные для удаления примесей каждой из групп. Желательна предварительная лабораторная проверка и сравнительная технико-экономическая оценка нескольких вариантов.

Для удаления из воды гетерофазных примесей 1 группы рекомендуются следующие процессы: механическое разделение в гравитационном поле или под действием центробежных сил, а также фильтрование через пористые загрузки и мелкие сетки; адгезия на высокодисперсных и зернистых материалах, а также гидроксидах алюминия или железа и глинистых минералах; агрегация флокулянтами; флотация примесей и др.; для патогенных микроорганизмов — бактерицидное воздействие. Комплекс очистных сооружений, обеспечивающий протекание большинства перечисленных процессов, включает все необходимые типовые элементы, а именно: смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники (осветлители), фильтры — при двухступенчатой схеме очистки, контактные осветлители или контактные фильтры — при одноступенчатой схеме.

Для устранения микрогетерофазных примесей II группы более эффективны процессы окисления органических коллоидных веществ и высокомолекулярных соединений, адгезия и адсорбция их на гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтами катионного типа и др.; для вирусов — вирулицидное воздействие.

Как в случае примесей I группы, комплекс очистных сооружений, необходимых для осуществления этих процессов, состоит из типовых элементов, используемых в двухили одноступенчатой схемах очистки воды.

Для удаления молекулярно растворенных веществ, входящих в III группу, применяют следующие процессы: десорбцию летучих соединений; окисление органических веществ; адсорбцию на активированном угле и других сорбентах; экстракцию органическими растворителями; отгонку паром — эвапорацию и др. Методы удаления таких примесей специфичны и поэтому здесь используется аппаратура специального назначения.

Для удаления электролитов лучше использовать ионные процессы: перевод в малодиссоциированные (нейтрализация, комплексообразование) или малорастворимые соединения; фиксация на твердой фазе ионитов (Н—Na — катионирование, ОНанионирование); сепарация изменением фазового состояния воды с переводом ее в газообразное 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 основные очистные сооружения. Иногда молекулярные и ионные примеси можно удалять параллельно с выделением гетерофазных загрязнений в типичной для них аппаратуре.

В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02—84, метод обработки воды, состав и расчетные параметры очистных сооружений, и расчетные дозы реагентов надлежит устанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, ее назначения, производительности комплекса и местных условий, а также на основании данных технологических исследований и эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях.

Основные критерии для выбора технологической схемы и состава сооружений для подготовки питьевой воды Выбор технологической схемы улучшения качества воды зависит не только от качества воды источника и требований потребителя, но и от количества потребляемой воды. Например, для обработки небольшого количества цветной или мутной воды не может быть рекомендована без изменения (по экономическим соображениям) основная технологическая схема. В этом случае вместо горизонтальных отстойников следует применять вертикальные, а смеситель можно заменить соплом Вентури или шайбой.

Ориентировочно технологическая схема для осветления и обесцвечивания воды до лимитов ГОСТ 2874–82 может быть выбрана по рекомендациям СНиП 2.04.02—84 «Водоснабжение, наружные сети и сооружения» (табл. 2.1).

Определение оптимального состава реагентов, мест их ввода в обрабатываемую воду, выбор типа и конструкции водоочистного сооружения должны производиться на основании тщательного рассмотрения данных химического и технологического анализов исходной воды и изучения опыта использования аналогичной технологии в подобных условиях. Однако, некоторые решения могут быть приняты априорно на основании обобщения имеющегося опыта эксплуатации водоочистных комплексов в аналогичных условиях. Так, использование железных коагулянтов или смеси алюминиевых и железных предпочтительнее в условиях длительного весеннего паводка, сопровождающегося не только возрастанием цветности и мутности и понижением щелочности, но и низкими температурами обрабатываемой воды. Хранение коагулянта в сухом виде навалом по технологическим и экономическим мотивам допустимо для небольших водоочистных комплексов производительностью примерно до 30 тыс. м3/сут.

Применение в качестве флокулянта активированной кремнекислоты активированной хлором рекомендуется при обработке цветных вод, для этих же целей, в качестве коагулянта целесообразно использование хлорного железа или оксихлорида алюминия, а для мутных вод — оптимально применять полиакриламид, К-4, ВА-102, ВПК-402 и др.

Необходимо предусматривать рассредоточенный ввод реагентов в обрабатываемую воду при помощи специальных распределителей, размещаемых в смесителях, подающих трубопроводах и каналах.

Для дезодорации, создания благоприятных условий предочистки воды, интенсификации работы водоочистных сооружений, экономии коагулянта, следует применять ее аэрацию путем излива и падения с некоторой высоты, каскадной аэрации или барбатирования потока в смесителе. Аэрирование может и должно осуществляться при использовании любых технологических схем подготовки воды для хозпитьевых нужд.

При кондиционировании цветных вод во избежание образования канцерогенных хлорорганических соединений следует отказываться от предварительного их хлорирования или предусматривать на посточистке непременное дехлорирование, а еще лучше первичный хлор заменить озоном.

В технологических схемах с осветлителями со взвешенным осадком и с контактными осветлителями следует применять вертикальные смесители, обеспечивающие не только надлежащий и стабильный эффект смешения вводимых реагентов с водой, но и воздухоотделение. Для водоочистных установок с суточной подачей до 8 тыс. м3/сут. смешение реагентов с водой целесообразно производить в трубчатых смесителях, вставках и соплах Вентури и шайбах.

В технологических схемах с отстойниками камеры хлопьеобразования должны встраиваться в них и по возможности оборудоваться тонкослойными модулями.

При обработке маломутных цветных вод следует применять камеры хлопьеобразования с рециркуляторами осадка, зашламленного или контактного типа, а также осветлители со взвешенным осадком — рециркуляторы и флотаторы. В качестве сооружений первой ступени для осветления высокомутных вод рекомендуются: осветлители-водозаборы на плаву, тонкослойные, горизонтальные и радиальные отстойники с тонкослойными модулями, гидрои мультициклоны, акустические фильтры. В горизонтальных отстойниках должна быть напорная гидравлическая система смыва и удаления осадка. Для извлечения из воды планктона или крупных плавающих примесей следует применять в первом случае — микрофильтры или флотаторы, а во втором — барабанные сита.

В качестве скорых фильтров следует рекомендовать фильтры большой грязеемкости с водовоздушной промывкой и боковым отводом промывной воды. В прямоточных реагентных и безреагентных схемах следует использовать контактные фильтры КФ-5, каркасно-засыпные и фильтры с пенополистирольной загрузкой (открытые и напорные).

При кратковременных периодах возникновения в водоисточнике нежелательных привкусов и запахов следует применять углевание воды или ввод суспензий цеолитсодержащих пород в конце смесителя. При этом из воды извлекаются ионы железа, меди, хрома, на 30—50% снижается остаточный алюминий и на 50—70% снижается содержание хлорорганических соединений (по хлороформу).

Априорно можно рекомендовать при кондиционировании вод повышенного антропогенного воздействия: двойное озонирование, озонофлотацию, сорбцию на активном угле, биологическую обработку, помимо обычной реагентной технологии водоподготовки.