Повышение качества многоступенчатого процесса очистки воды



В настоящее время водоподготовка и водоочистка для различных производственных процессов в условиях постоянно ухудшающегося качества питьевой воды в мире становится всё более актуальной для многих предприятий различных отраслей промышленности. Особенно актуальна проблема очищения питьевой воды для предприятий пищевой промышленности, так как качество воды, используемой для приготовления пищевых продуктов, существенно сказывается на качестве выпускаемой продукции и на здоровье потребителей этой продукции [1].

Основными нежелательными компонентами в питьевой воде являются тяжелые металлы, органические вещества-ксенобиотики (фенолы, крезолы, нафтолы, бензол и т. д.), микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие) и продукты их жизнедеятельности (микробные токсины), и другие компоненты, избыток которых характерен, например, для биохимических провинций.

Способов водоподготовки и методов очистки воды, так же как и причин загрязнения существует очень много. Однако все они, так или иначе, связаны с источниками воды [2]. Каждый тип источника имеет свои характерные причины, вызывающие загрязнение воды.

Наиболее эффективные способы очистки воды для получения гарантированного высокого качества питьевой воды из разнообразных источников:

1. Методы осаждения

Характеризуются образованием малорастворимой твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные и (или) растворенные загрязнения. Эта фаза создается за счет введения специальных реагентов. Эти методы дают хорошие результаты по выведению коллоидных и взвешенных частиц. Достоинствами этих методов являются: низкая стоимость, использование широко распространенного и отработанного оборудования и доступных реагентов [3]. Недостатками являются: низкая эффективность, малая производительность и большое количество отходов.

Для увеличения производительности и уменьшения объема отходов вводят специальные вещества — флокулянты, представляющие собой растворимые высокомолекулярные вещества, молекулы которых обладают в растворенном виде зарядом.

2. Мембранные методы

Мембранный метод основан на пропускании загрязненного раствора через полупроницаемую перегородку с отверстиями меньшими, чем размер частиц загрязнений.

Мембранные процессы включают в себя: макрофильтрацию, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос.

Сравнение различных мембранных методов по степени удаления из воды ионов и биологических загрязнений приведено в табл. 1.

Таблица 1

Вещество	Микрофильтрация	Ультрафильтрация	Нанофильтрация	Низконапорный обратный осмос	Обратный осмос
NaCl	0	0	0–50	70–95	99
Na2SO4	0	0	99	80–95	99
СаС12	0	0	0–60	80–95	99
MgSO4	0	0	>99	95–98	>99
H2SO4	0	0	0	80–90	99
HCl	0	0	0	70–85	99
Вирусы	0	99	99,99	99,99	99,99
бактерии	>50	99	99,99	99,99	99,99

3. Химические реагенты для окисления

Основными окислителями, используемыми в водоподготовке, являются: кислород воздуха, хлор-газ Сl₂ и другие галогены (Br, I и т. п.), диоксид хлора, гипохлорит натрия, гипохлорит кальция, хлорная известь, хлорамины, озон, перманганат калия, пероксид водорода.

4. Адсорбция

Адсорбция — поглощение молекул растворенного вещества твердым нерастворимым телом — адсорбентом. Адсорбенты — это твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью за счет высокой пористости.

5. Обезжелезивание воды

На данный момент не существует универсального экономически оправданного метода обезжелезивания, применимого во всех случаях жизни. Каждый из методов обезжелезивания воды применим только в определенных случаях, у него есть и достоинства, и существенные недостатки.

6. Умягчение воды

Процесс удаления из воды солей жесткости называют умягчением. Жесткая питьевая вода горьковата на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения (по нормам ВОЗ оптимальная жесткость воды составляет 1,0–2,0 мг-экв/л). В пищевой промышленности жесткая вода ухудшает качество продуктов, вызывая выпадения солей при хранении, образование подтеков на поверхностях и т. п. Поэтому жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1–0,2 мг-экв/л.

7. Обессоливание воды

Обессоливание воды означает уменьшение содержания в ней растворенных солей. Этот процесс называют также деионизацией, или деминерализацией. Для морских и засоленных (солоноватых) вод такой процесс называют опреснением. Наиболее часто обессоливание воды производят ионным обменом. Это наиболее отработанный и надежный метод.

8. Кондиционирование воды

Вода, используемая для питьевых целей, производства различных продуктов, должна обладать определенными свойствами и химическим составом. Наряду с необходимостью обеспечить содержание токсичных веществ в концентрациях ниже допустимых, часто требуется, чтобы в ней присутствовали полезные для данного производства вещества в заданных количествах, соблюдались определенные значения рН и щелочности. В энергетике необходимо обеспечение такого состава и(или) физического состояния примесей, которые не образуют накипи и не вызывают коррозии металлов.

Процесс доведения состава воды до заданных, необходимых для данного процесса параметров называют кондиционированием.

Как правило, он включает ряд операций, при которых удаляются загрязнения, а затем вводятся соответствующие реагенты.

9. Обеззараживание воды

Под обеззараживанием питьевой воды понимают мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на химические (реагентные), физические (безреагентные) и комбинированные.

В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений, а безреагентные методы подразумевают обработку воды физическими воздействиями. В комбинированных методах используются одновременно химическое и физическое воздействие.

10. Удаление органических загрязнений

Органические вещества присутствуют в воде в виде природных и техногенных соединений. К природным относятся гуминовые кислоты и их соединения, в том числе их комплексы с железом. Техногенные образуются в результате действия человека. В их числе продукты, образующиеся при обработке воды активным хлором, включая наиболее токсичные и канцерогенные — диоксины.

11. Дехлорирование воды

Дехлорирование обычно осуществляется при пропускании воды через активированный уголь. На загрузке происходит восстановление активного (растворенного) хлора до аниона Сl^–. Ресурс работы угля значительно выше; чем при сорбции органики, и может составлять несколько лет.

12. Удаление нитратов

В воде поверхностных источников, реже в подземных, присутствуют соединения азота в виде нитратов и нитритов. В настоящее время происходит постоянный рост их концентраций, связанный прежде всего с широким использованием нитратных удобрений, избыток которых с грунтовыми водами поступает в реки и озера.

Существуют два пути удаления нитратов и нитритов — это обратный осмос и ионный обмен.

Способ многоступенчатой очистки питьевой воды основан на физических и физико-химических методах водоподготовки. В ходе процесса очистки в определенной последовательности используются некоторые методы:

– Химические методы очистки воды — химическое окисление с использованием в качестве окислителя перманганат калия KMnО₄;

– Осадительные методы — коагуляция с использованием в качестве коагулянта оксихлорида алюминия (ОХА);

– Обезжелезивание воды — каталитическое окисление с последующей фильтрацией с использованием в качестве каталитической и фильтрующей среды катализатора на основе MnО₂;

– Сорбционные методы — абсорбция с использованием активированного угля в качестве адсорбента;

– Умягчение воды — ионный обмен с использованием ионообменной смолы;

– Мембранные методы — обратный осмос;

– Обеззараживание ультрафиолетом.

В целом, процесс очистки воды основан на нашедшем широкое применение методе перевода растворимых солей железа и органических соединений в нерастворимую форму с последующим отделением образовавшегося осадка на фильтре [4]. Исходя из того, что железо находится в коллоидной форме, для очистки воды выбран наиболее оптимальный метод очистки с применением упрощенной аэрации и коагуляции. В качестве коагулянта выбран оксихлорид алюминия. Очищаемая вода в процессе подготовки последовательно проходит все вышеперечисленные стадии обработки.

На первой ступени обработки исходная вода из скважины взаимодействует с 1 %-ным раствором перманганата калия, выступающего в роли окислителя, и 3 %-ным раствором оксихлорида алюминия, используемого в качестве коагулянта. После контакта с окислителем и коагулянтом, происходит окисление органических веществ, органического железа, бактериального железа, содержащихся в исходной воде; ускорение процесса окисления ионов двуквалентного железа; коагуляция с образованием и осаждением в жидкой фазе гидрооксидов железа и алюминия с адсорбированными на них коллоидами загрязнений.

Затем частично очищенная от загрязнений вода, поступает на систему осветлительно-сорбционных фильтров, где происходит доокисление железа, марганца, задержание взвесей, сорбция аммиака и ионов аммония.

В качестве фильтрующей среды на этих стадиях процесса применяются следующие материалы: диоксид марганца, обладающий свойствами катализатора; активированный уголь, выступающий в роли адсорбента для органических соединений и аммиака; дробленный антрацит и кварцевый песок, которые используются в процессе механической фильтрации.

После этого предподготовленная вода обеззараживается ультрафиолетовыми лучами с помощью установки для обеззараживания воды серии «UV». На следующей стадии очистки происходит предварительное умягчение воды, так как величина общей жесткости, составляющая 0,1 мг-экв/л, является обязательным условием для перехода на следующую заключительную ступень очистки.

Для умягчения воды используется установка, в которой в качестве фильтрующего материала применяется ионообменная смола — сильнокислотный катионит в Na-форме. В результате контакта умягчаемой воды с катионитом, происходит извлечение из нее катионов Са2+ и Mg2+ и значительно снижается общая жесткость.

На заключительной стадии очистки, с помощью системы обратного осмоса из воды удаляются соединения аммиака и ионов аммония, остаточного алюминия (который может появиться после коагуляции), хлоридов, сульфатов, и главным образом значительно снижается солесодержание воды. При этом используются мембраны с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов, поэтому извлекаются все растворенные ионы и органические молекулы.

После обратноосмотической установки вода, полностью соответствующая нормативам, поступает непосредственно на хозяйственно-питьевые и производственные нужды.

Литература:

1. Рябчиков, Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б. Е. Рябчиков — М.: ДеЛи принт, 2004. — 301 с.
2. Тимонин, А. С. Инженерная защита окружающей среды / Тимонин А. С. Инженерно-экологический справочник. Том 1. — Калуга: Изд-во Н. Бочкарева, 2003. — 653 с.
3. Голицын, А. Н. Основы промышленной экологии: Учебник для нач. проф. Образования / А. Н. Голицын. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 240 с.
4. Добровольский, В. В. Основы биогеохимии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. В. Добровольский. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 400 с.