водоподготовка

ВОДОПОДГОТОВКА

комплекс технол. процессов обработки и очистки воды для приведения ее качества в соответствие с требованиями потребителей. Осн. процессы рассмотрены ниже. Кроме того, при В. из воды могут удаляться Mn, F, синтетич. моющие и красящие вещества, пестициды и др. В. проводят на спец. станциях, производительность которых может составлять от неск. м³/сут до млн. м³/сут.

Осветление. Вода поверхностных (открытых) источников, как правило, содержит крупнодисперсные и коллоидные минер. и орг. примеси, обусловливающие ее цветность. Для их удаления воду обрабатывают коагулянтами [A1₂(SO₄)₃, FeSO₄, FeCl₃] и флокулянтами (полиакриламидом, активной H₂SiO₃ и др.). Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в осн. из гидроксидов А1 и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или спец. осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу воды), напорных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с загрузкой из зернистых материалов (кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, шунгизит и др.), а также во флотаторах, гидроциклонах, намывных фильтрах. Для частичного удаления крупнодисперсных примесей и фитопланктона, образующегося при цветении водоемов, применяют сетчатые микрофильтры, плоские и барабанные сетки.

• см. также осаждение

Обеззараживание. Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а присутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (напр., нитчатых, зооглейных, сульфатвосстанавливающих бактерий, железобактерий) вызывает биол. обрастание, а иногда и разрушение трубопроводов и оборудования.

Наиб. распространено хлорирование воды жидким или газообразным Cl₂, гипохлоритами — NaClO, Ca(ClO)₂ и ClO₂. Хлор взаимод. с водой с образованием HClO и HCl; при pH > 4 свободный Cl₂ практически отсутствует, при pH > 5,6 HClO диссоциирует на H⁺ и ClO⁻. Бактерицидность недиссоциированной HClO в 70–80 раз больше, чем у ClO⁻. При наличии в воде NH₃, аммониевых солей или орг. веществ, содержащих группы NH₂, C1₂, HClO и гипохлориты реагируют с ними, образуя неорг. и орг. моно- и дихлорамины. Монохлорамины в 3–5 раз менее бактерицидны, чем дихлорамины, которые в свою очередь в 20–25 раз менее эффективны свободного Cl₂. Бактерицидность хлораминов, образованных Cl₂, HOCl, ClO⁻, NH₃ или солями аммония, в 8–10 раз выше, чем бактерицидность хлорпроизводных орг. аминов или иминов. Концентрацию свободного и связанного (в хлораминах) Cl₂, необходимую для обеспечения заданного обеззараживающего эффекта, определяют по результатам пробного хлорирования. Для обеззараживания воды применяют также озон и УФ-облучение.

Стабилизация. Стабильной считается вода, которая не выделяет и не растворяет отложения CaCO₃. Показателем стабильности служит индекс насыщения I воды карбонатом Ca, который рассчитывают по данным о pH и температуре обрабатываемой воды, а также концентрации катионов Ca²⁺ , общих щелочности и солесодержании. Исходя из этих данных, находят pH_s, соответствующий насыщению воды карбонатом. На основе pH_s и измеренного значения pH вычисляют I = pH — рH₅. Вода считается стабильной, если I = 0; при I < 0 вода вызывает коррозию стали, чугуна и др. материалов. При I > 0 может выделяться CaCO₃ с образованием противокоррозионной пленки на стенках трубопроводов и оборудования. Это связано с наличием в воде CO₂: при его избытке происходит коррозия, при недостатке — пересыщение воды CaCO₃, что и приводит к образованию накипи.

Для связывания CO₂ в Са(НCO₃)₂ или NaHCO₃ воду обрабатывают Ca(OH)₂, Na₂CO₃ или др. щелочными реагентами. Многие прир. и производств. воды, идущие на охлаждение, пересыщены CaCO₃, а также Mg(OH)₂. При использовании в качестве хладагента вода нагревается, что вызывает разложение гидрокарбонатов и выпадение CaCO₃; помимо этого, осаждаются Mg(OH)₂ и некоторые соли. Для устранения отложений воду подкисляют H₂SO₄ или HCl, обрабатывают CO₂ (обычно топочными газами — т. наз. рекарбонизация), фосфатируют (напр., полифосфатами) и стабилизируют др. реагентами.

Умягчение заключается в удалении из воды катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ (см. жесткость воды).

Реагентное умягчение основано на введении в воду веществ, обогащающих ее анионами CO₃²⁻ и OH⁻, в результате чего образуются труднорастворимые CaCO₃ и Mg(OH)₂, выделяемые из воды осаждением и фильтрованием. При обработке воды известью [гашеной Ca(OH)₂ или негашеной CaO] происходит декарбонизация — устранение карбонатной жесткости; снижается также щелочность воды. Известь связывает растворенный в воде CO₂ с образованием гидрокарбонатных ионов НCO₂, которые, взаимод. с известью, превращ. в карбонаты, выпадающие в осадок. Для устранения магниевой карбонатной жесткости количество извести должно обеспечивать получение малорастворимой Mg(OH)₂ при одноврем. эквивалентном выделении в осадок CaCO₃. Предел умягчения воды известью определяется растворимостью CaCO₃ и Mg(OH)₂.

Воду обрабатывают известью и содой в тех случаях, когда Ca и Mg присутствуют в воде не только в виде гидрокарбонатов, но и в виде хлоридов и сульфатов, т. е. для устранения как карбонатной, так и некарбонатной жесткости. При этом образуются осадки CaCO₃ и Mg(OH)₂, в раствор переходит Na⁺ (в виде Na₂SO₄ и NaCl) в количестве, эквивалентном количеству Na₂CO₃. Вода, умягченная известью и содой без подогрева, имеет остаточную жесткость порядка 0,5–1,0 ммоль/л. При нагр. воды до 35–40 °C можно поддерживать остаточную жесткость не более 0,5 ммоль/л. При подогреве воды до 100 °C и выше (термохим. умягчение, применяемое для питания паровых котлов) остаточная жесткость составляет 0,3 ммоль/л. Избыток извести повышает остаточную жесткость воды и одновременно обусловливает увеличение ее щелочности.

Катионирование в о д ы — пропускание ее через слой зернистого катеонита. В результате ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ обмениваются на ионы катеонита. Последний регенерируют растворами солей, содержащими катионы Na⁺ или NH₄⁺, либо кислотами, атомы Н которых вытесняют поглощенные ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ .

В связи с этим различают Na⁺ -, H⁺ — или NH₄⁺- катионирование. Способность разных катеонитов к обмену ионов выражается емкостью поглощения (обменной способностью) по отношению к данному иону и измеряется числом молей катионов, поглощенных 1 м³ катеонита. Различают рабочую (до "проскока" ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ с профильтрованной водой) и полную (до полного истощения катеонита) емкости поглощения. Полная емкость поглощения катионитов составляет 570–1700 моль/м³. Рабочая емкость зависит от свойств, условий регенерации катеонита, размеров зерен и высоты его слоя в фильтре, типа обменного иона, общего солесодержания, скорости фильтрования и может изменяться в пределах 40–70% от полной.

• см. также иониты

Опреснение и обессоливание. Удаление солей из воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде (доли или неск. мг/л), наз. обессоливанием, а удаление солей до концентраций, допустимых при применении воды для питья (до 1 г/л), — опреснением.

Обессоливание дистилляцией основано на выпаривании воды с дальнейшей конденсацией пара. Испарители м. б. многоступенчатыми с использованием пара предыдущей ступени для испарения воды в последующей.

Обессоливание и опреснение воды ионным обменом достигается путем последоват. фильтрования воды через зернистые слои H⁺-катеонита и OH⁻ — анионита. При этом находящиеся в воде катионы и анионы заменяются соотв. на H⁺ и OH⁻, образующие молекулы H₂O. В случае фильтрования воды через H⁺ — катеонит CO₂, который образуется при взаимодействии ионов HCO₃⁻ и H⁺, удаляется в спец. дегазаторе продуванием воздуха через воду. Емкость поглощения анионитами отд. анионов различна и определяется свойствами анионитов, кислотностью воды и рядом техн. факторов (крупностью зерен и др.). Полная емкость анионитов составляет 1500 моль/м³. Низкоосновные аниониты регенерируют NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃, высокоосновные -NaOH. Простейшая одноступенчатая схема обессоливания включает H⁺ — катионитный фильтр, декарбонизатор для выделения из воды CO₂ и OH⁻ — анионитный фильтр. При такой схеме вода частично обессоливается (до солесодержания 5–10 мг/л), при этом концентрация в ней H₂SiO₃ практически не снижается. Более глубокое обессоливание воды м. б. достигнуто на двухступенчатых установках (до солесодержания 0,1–0,3 мг/л и концентрации H₂SiO₃ до 0,02–0,1 мг/л). Практически полностью воду можно обессолить (до солесодержания 0,05–0,1 мг/л и концентрации H₂SiO₃ менее 0,02–0,05 мг/л) на трехступенчатой ионитной установке, причем вместо двух фильтров (H⁺ — и OH⁻ — фильтры) на третьей ступени м. б. применен фильтр со смешанной катионитно-анионитной загрузкой. При двух- и трехступенчатой ионитных установках на первой ступени используют низкоосновный, на второй и третьей ступенях — высокоосновный аниониты.

Обессоливание воды электродиализом и обратным осмосом не требует применения хим. реагентов и характеризуется существенно меньшими энергетич. затратами по сравнению с дистилляцией. При электродиализе используют селективные мембраны ионообменные, при обратном осмосе — полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие растворенные минер. и орг. вещества. Расход электроэнергии на 1 м³ воды, обессоленной электродиализом, составляет 6–30 кВт∙ч/м³, обратным осмосом — 1,5–15 кВт∙ч/м³. Электродиализом воду можно обессолить на 90%, обратным осмосом — на 98%. В установках обратного осмоса рабочее давление достигает 5–10 МПа, укладка мембран м. б. по типу фильтропресса, трубчатая, рулонная (спиральная и в виде полого волокна).

• см. также мембранные процессы разделения

Обезжелезивание. В подземных водах железо обычно находится в виде Fe(HCO₃)₂, в поверхностных водах — в виде тонкодисперсной взвеси гидроксида или входит в состав комплексных орг. веществ.

Подземные воды обезжелезивают упрощенной аэрацией (своб. падением воды с высоты 0,4–0,6 м) с послед. фильтрованием через слой зернистого материала. При этом на поверхности зерен выделяется каталитич. пленка соединений Fe, интенсифицирующая обезжелезивание. Метод используют при общем содержании железа до 10 мг/л (в т. ч. Fe²⁺ — не менее 70%). H₂S — до 0,5 мг/л; pH не менее 6,8. В др. случаях и при наличии в воде агрессивного CO₂ применяют аэрацию с помощью спец. аэраторов-градирен и фильтрование через слой зернистого материала. При значит. содержании Fe перед фильтрами иногда устанавливают отстойник, где происходят окисление Fe²⁺ в Fe³⁺ и коагуляция образующегося Fe(OH)₃, который задерживается на фильтрах.

Аэрация, совмещаемая с подщелачиванием воды Ca(OH)₂ или Na₂CO₃ и фильтрованием, — универсальный метод, позволяющий удалять Fe во всех формах из подземных и поверхностных вод. Добавление раствора щелочных реагентов в воду осуществляется непосредственно после аэратора. При этом методе из воды может выделяться Fe(OH)₂ или FeCO₃. В ряде случаев для комплексной очистки воды от Fe ⁺ и др. восстановителей, напр. H₂S, в нее перед подачей в фильтры вводят окислители — Cl₂ и KMnO₄.

Обескремнивание. Содержание H₂SiO₃ и ее солей в прир. водах обычно колеблется от 1 до 50–60 мг/л. Высокие концентрации H₂SiO₃ и ее солей вследствие образования накипи недопустимы в воде, используемой для питания паровых котлов высокого давления, а также в некоторых производствах (напр., целлюлозы, полупроводников, лек. препаратов и др.). При применении извести можно уменьшить содержание Si в воде до 0,3–0,5 мг/л (в расчете на SiO₃²⁻).

При обескремнивании воды солями Fe³⁺ расход их составляет ок. 2 мг Fe на 1 мг удаляемой коллоидной H₂SiO₃. Обескремнивание солями А1 лучше происходит при введении в воду NaAlO₂ (10–15 мг/л на 1 мг SiO₃²⁻), чем A1₂(SO₄)₃. Обработкой Mg(OH)₂ при нагр. воды до 40 °C удается снизить содержание Si до 1 мг/л, при нагр. до 100 °C — до 0,25 мг/л.

При использовании обожженного доломита остаточное содержание SiO₃²⁻ уменьшают до 2 мг/л при подогреве воды до 40 °C и до 0,2 мг/л — при подогреве до 98 °C. В случае введения в нагретую воду каустич. магнезита (10–15 мг на 1 мг удаляемой SiO₃²⁻) образовавшийся Mg(OH)₂ сорбирует из воды H₂SiO₃, при этом содержание Si уменьшается до 1,0–1,5 мг/л. Почти полное Обескремнивание воды (до 0,02–0,05 мг/л) м. б. достигнуто путем ионного обмена.

Дегазация. Растворенные в воде газы (O₂, CO₂, H₂S) повышают ее коррозионную активность и придают неприятный привкус и запах (H₂S, CH₄). На тепловых электростанциях дегазация — один из важных процессов, осуществляется гл. обр. пропусканием через воду пара. При этом в результате нагревания ее до температуры кипения при атм. давлении или в вакууме растворимость газов в воде снижается до нуля. Аэрацию воды посредством ее разбрызгивания используют в осн. для устранения CO₂ и H₂S (O₂ не удаляется). Как самостоят. метод для очистки воды от H₂S аэрацию можно использовать только при малых его концентрациях; метод наиб. эффективен при pH < 5. Хим. методы применяют гл. обр. для обескислороживания воды, добавляя к ней разл. восстановители (SO₂, Na₂SO₃, Na₂S₂O₃, гидразин). Очисткой воды в биохим. реакторах с послед. фильтрованием через слой зернистого материала можно практически полностью устранить H₂S, гидросульфиды и сернистые соединения.

^{Лит.: Кастальский А.А., МинцД.М., Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения, М., 1962; Минц Д.М., Теоретические основы технологии очистки воды, М., 1964; Апельцин Н.Э., Клячко В.А., Опреснение воды, М., 1968; Клячко В.А., Апельцин Н.Э., Очистка природных вод, М., 1971; Водоподготовка. Процессы и аппараты, под ред. О. И. Мартыновой, М., 1977; Кульский Л. А., Теоретические основы и технология кондиционирования воды, 3 изд., К., 1980; Абрамов Н. Н., Водоснабжение, 3 изд., М., 1981}

_{С. В. Яковлев, В. А. Гладков}