Материал: Гончарук учебник

Рис. 18. Контактный осветлитель

масса загрязнений задерживается в нижней части фильтра, наиболее крупно­ зернистой, имеющей большую грязеемкость. Толщина фильтрующего слоя в фильтре АКХ — 1,45—1,65 м. На глубине 0,5—0,6 м от поверхности фильтру­ ющего слоя загрузки устанавливается трубчатый дренаж, через который отво­ дится профильтрованная вода.

При промывке фильтра АКХ сначала в течение 1 мин промывную воду по­ дают в дренажное пространство для взрыхления верхнего слоя песка, затем в течение 5—6 мин — через распределительную систему, расположенную на дне фильтра. Грязная вода, как и в обычных фильтрах, собирается в желобе и отводится в водосток. Фильтры ДДФ конструктивно отличаются тем, что имеют два слоя загрузки (антрацит и песок, керамзит и песок) в наддренажном слое. В фильтрах АКХ и ДДФ задерживающая способность фильтрующей загрузки используется по всей ее высоте, что позволяет повысить скорость фильтрации до 12—15 м/ч и увеличить производительность фильтра на 1 м2 поверхности в 2 раза.

После коагуляции, отстаивания и фильтрации вода становится прозрачной, бесцветной, очищенной от яиц гельминтов и микроорганизмов на 70—98%.

Контактные осветлители. В настоящее время наряду с обычной схемой очистки воды путем коагуляции, отстаивания и фильтрации применяют новый тип сооружений — контактный осветлитель (КО), который заменяет сооруже­ ния для обработки воды по указанной схеме (камеру реакции, отстойник и ско­ рый фильтр). КО является разновидностью скорых фильтров. Это железобетон­ ный или металлический резервуар, загруженный гравием (поддерживающий слой) и песком (фильтрующий слой), величина частиц которого постепенно уменьшается снизу вверх. На дне оборудуют дренаж из железобетонных плит или труб с отверстиями (рис. 18). Очищаемую воду вместе с коагулянтом по­ дают в дренажное пространство. Она проходит через загрузку фильтра снизу вверх.

156

Рис. 19. Флотационное устройство:

1,8 — соответственно подача и отвод воды; 2 — реагентное хозяйство; 3 — смеситель; 4 — флоккуляторы; 5 — флотатор; 6 — карман для сбора пены; 7 — скорый фильтр; 9 — подача сжатого воздуха; 10— ресивер; 11 — диспергатор; 12 — рециркуляция шлама

Непосредственно перед подачей в КО обрабатываемой воды к ней добав­ ляют раствор коагулянта, приводящий к нарушению агрегативной устойчиво­ сти примесей воды за очень короткий промежуток времени, который проходит от момента введения коагулянта до начала фильтрации. Дальнейший процесс осветления воды происходит не в свободном объеме, как в камерах реак­ ции (хлопьеобразование), а на поверхности загрузки (контактная коагуляция). Во время прохождения воды через фильтрующий материал КО на поверхности зерен образуется гель, который их обволакивает и адсорбирует диспергиро­ ванные взвешенные и коллоидные частицы, обусловливающие мутность и цветность воды. Скорость фильтрации на КО составляет 4,5—5,5 м/ч, продол­ жительность фильтроцикла — около 8 ч. Промывают КО в направлении снизу вверх в течение 7—8 мин. Промывная вода отводится желобами. КО удовлет­ ворительно работают при мутности воды до 1500 мг/л и цветности — до 120°.

Флотация. Для маломутных вод с большим содержанием органических соединений (а иногда также железа), плохо поддающихся обработке в отстой­ никах и осветлителях, эффективным методом кондиционирования является флотация.

Флотация — это процесс, сущность которого заключается в том, что под действием молекулярных сил происходит слияние коллоидных и дисперсных примесей с пузырьками тонко диспергированного в воде воздуха. Комплексы, образовавшиеся при этом, всплывают и образуют на поверхности флотатора пену (рис. 19).

Флотируемость частиц разной величины зависит от размеров пузырьков воздуха и поверхностного натяжения на границе вода — воздух. С понижением поверхностного натяжения эффективность очистки воды методом флотации по­ вышается. Для снижения поверхностного натяжения воды добавляют поверх­ ностно активные вещества (флотореагенты), например натрия додецилсульфат, спирт оксисинтеза С6 —С8 и др.

157

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Специальные методы обработки воды

К специальным методам улучшения качества питьевой воды относятся ко­ ндиционирование минерального состава, удаление привкусов, запахов, дезак­ тивация и т. д. Все виды кондиционирования минерального состава воды мо­ гут быть разделены на 2 группы: 1) удаление из воды излишка солей или газов (умягчение, опреснение, обезжелезивание, дезодорация, дезактивация, дефторивание и пр.); 2) добавление к воде тех или иных солей с целью улучшения ее органолептических свойства или повышения содержания микроэлементов, ко­ торых недостаточно в воде и пищевых продуктах (фторирование). После спец­ обработки на водопроводе вода подлежит обязательному обеззараживанию.

Дезодорация — устранение привкусов и запахов воды. Достигается аэри­ рованием воды, обработкой окислителями (озонированием, хлора диоксидом, высокими дозами хлора, калия перманганатом), фильтрованием через слой ак­ тивированного угля. Выбор метода дезодорации зависит от происхождения привкусов и запахов.

Обезжелезивание производится путем разбрызгивания воды с целью аэра­ ции в специальных устройствах — градирнях. При этом двухвалентное железо окисляется в железа (III) гидроксид (см. с. 121), осаждающийся в отстойнике или задерживаемый на фильтре. Если концентрация солей железа превышает 5 мг/л, необходимо предварительное осаждение его солей.

Умягчение — снижение природной жесткости воды. К методам умягче­ ния воды относятся: 1) реагентные; 2) ионного обмена; 3) термический.

Из реагентных методов наиболее распространенный содово-известковый, с помощью которого кальций и магний осаждаются в отстойнике в виде нерас­ творимых солей (кальция, магния карбонатов и др.). Известь (кальция гидрок­ сид), внесенная в воду в большем количестве, чем это необходимо для связы­ вания углекислоты (углерода диоксида), взаимодействует с кальция гидрокар­ бонатом, образуя кальция карбонат, который выпадает в осадок:

Са(НС03)2 + Са(ОН)2 = 2СаС031 + 2Н20,

Mg (НС03 )2 + Са(ОН)2 = Mg C03>L + СаС03>1 + 2Н2 0.

Для удаления кальция и магния сульфатов в воду добавляют раствор нат­ рия карбоната:

CaS04 + Na2 C03 = Na2 S04 + CaC03>k

Mg S04 + Na2 C03 = Na2 S04 + MgC03 i.

Более современным методом является фильтрация воды через фильтры, заполненные ионитами, — катионитовое смягчение.

Иониты могут быть естественного или искусственного (минерального или органического) происхождения, практически нерастворимые в воде и орга­ нических растворителях. Способны обменивать свои ионы на ионы раствора. Большинство ионитов — высокомолекулярные соединения сетчатой или прост-

158

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ранственной структуры. Иониты делят на катиониты (способны обменивать катионы) и аниониты (способны обменивать анионы).

С целью умягчения воду фильтруют через слой естественных (глауконитовый песок) или искусственных катионитов толщиной 2—4 м. При этом ионы кальция и магния (Са2+, Mg2+) воды обмениваются на Na+ или Н+ катионита. В практике водоподготовки могут быть использованы лишь те катиониты, ко­ торые получили гигиеническую оценку и разрешены для использования Ми­ нистерством здравоохранения.

Умягчение воды кипячением дает возможность избавить воду только от устранимой жесткости за счет разложения кальция и магния гидрокарбонатов до нерастворимых карбонатов, которые выпадают в осадок (уравнения хими­ ческих реакций приведены на с. 158).

Выбор того или иного способа определяется необходимой степенью умяг­ чения (наилучший результат, приближенный к 100%, дает использование ка­ тионитов), зависит от количества воды, которую необходимо обработать, тех­ нических и экономических расчетов.

Опреснение воды — это удаление растворенных в ней минеральных со­ лей до величин, рекомендованных госстандартом, при которых вода становит­ ся пригодной для питья или технических нужд. Наиболее распространенными методами опреснения воды на водопроводах являются дистилляция, химичес­ кие (ионный обмен, реагентные), с применением селективных мембран (элект­ родиализ, гиперфильтрация) и др. Опресненную воду обрабатывают, оптими­ зируя для питья: фильтруют через активированный уголь (удаляют привкусы и запахи), фторируют и обогащают минеральными солями, пропуская через фильтры с мраморной крошкой и добавляя часть неопресненной воды.

Опреснение высокоминерализованных (солоноватых и соленых, в том чи­ сле морских и океанических) вод является перспективным способом пополне­ ния дефицита пресных вод в маловодных и аридных районах. Опреснение дос­ тигают или удалением из воды излишков солей, или сепарацией молекул Н2 0. Сепарация связана в большинстве случаев (кроме метода экстракции и обрат­ ного осмоса) с переходом воды в парообразное или твердое (лед) состояние, то есть с изменением ее агрегатного состояния.

В промышленном масштабе используют 5 основных методов опреснения воды: дистилляции, вымораживания, обратного осмоса, электродиализа, ион­ ного обмена.

Дистилляционный процесс является одним из наиболее дешевых, поэто­ му сегодня как по количеству опреснительных установок, так и, особенно, по их суммарной продуктивности методы дистилляции занимают доминирую­ щее положение.

Производительность испарительных опреснительных установок сущест­ венно зависит от максимальной температуры нагревания опресняющейся во­ ды и степени рекуперации тепла. По характеру использования тепловой энер­ гии и степени ее рекуперации дистилляционные установки разделяют на од­ но-, многоступенчатые и парокомпрессионные.

159

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Стоимость тепловой энергии составляет 30—40% стоимости опреснения воды методом дистилляции. В связи с этим в районах с высокой интенсивнос­ тью солнечной радиации нашли применение солнечные опреснители парнико­ вого типа или с концентрацией солнечного тепла зеркальными отражателями. Обычно максимальная температура нагревания воды в гелиоустановках не пре­ вышает 65—70 °С, а их производительность зависит от испаряющей поверхнос­ ти и колеблется в пределах до 4—5 л/м2 в сутки. Гелиоустановки применяют преимущественно для получения небольшого количества пресной воды.

Опреснение воды методом вымораживания основано на том, что тем­ пература замерзания соленой воды ниже температуры замерзания пресной. Методы вымораживания экономичнее дистилляции. Оптимальным является охлаждение воды при 0 °С. Важным условием является медленное течение тер­ модинамических процессов. Технологией этой группы методов предусмотрена двухэтапность процесса: I этап — частичное опреснение льда при медленном замерзании воды ниже 0 °С (образование агрегатов из кристаллов пресного льда, между которыми имеются пустоты, заполненные замерзшым рассолом); II этап — получение пресной воды при медленном растапливании льда (сна­ чала тает и стекает с первыми порциями воды рассол, лед опресняется и при дальнейшем таянии образуется пресная вода).

Мембранные методы являются самыми простыми, однако они рентабель­ ны лишь при обработке воды с невысоким содержанием солей.

Электродиализный метод опреснения воды основан на принципе разделе­ ния солей в электрическом поле через селективные полупроницаемые ионитовые мембраны: катионы солей, двигаясь под воздействием электрического тока к катоду, свободно проходят через катионитовые мембраны и задерживаются анионитовыми, анионы солей — наоборот. Попеременное размещение мемб­ ран в электродиализном аппарате обусловливает образование камер опреснен­ ной воды, чередующихся с камерами концентрата.

Метод обратного осмоса (гиперфильтрация) основан на опреснении во­ ды путем фильтрации ее под высоким давлением (50—100 атм) через полупро­ ницаемые мембраны, которые пропускают молекулы воды, но задерживают более крупные гидратированные ионы растворенных в воде солей. Сегодня ши­ рокое применение получили мембраны из ацетатов целлюлозы, полиамидных соединений, полиакриловой кислоты, нейлона.

Метод ионного обмена широко применяют для опреснения вод с содер­ жанием соли до 2—3 г/л, умягчения и глубокого обессоливания пресных вод. Основан он на применении практически нерастворимых в воде ионообменных зернистых материалов — катионитов и анионитов.

Для опреснения воды обычно используют катеониты в водородной и аниониты в гидроксильной формах, то есть, предварительно заряженные соответ­ ственно обменными катионами водорода (Н-катионит) или гидроксильными анионами (ОН-анионит). Реакции ионного обмена подчиняются закону дейст­ вия масс, поэтому регенерация катионитов и анионитов при их истощении со-

160