Исследование и совершенствование методики улучшения качества питьевой воды на станции водоподготовки из поверхностного источника | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 13 марта, печатный экземпляр отправим 17 марта.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Научный руководитель:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №50 (340) декабрь 2020 г.

Дата публикации: 10.12.2020

Статья просмотрена: 12 раз

Библиографическое описание:

Абилжанова, Н. Х. Исследование и совершенствование методики улучшения качества питьевой воды на станции водоподготовки из поверхностного источника / Н. Х. Абилжанова, А. Г. Абдухан. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 50 (340). — С. 51-54. — URL: https://moluch.ru/archive/340/76313/ (дата обращения: 03.03.2021).



Водоподготовка – процесс сложный и требует тщательного продумывания. Существует очень много технологий и нюансов, которые прямо или косвенно повлияют на состав водоподготовки, поэтому разрабатывать технологию, оборудование, этапы следует очень тщательно. Для решения проблемы получения питьевой воды, отвечающей всем требованиям и СанПиН, синтезированы принципиально новые полимерные материалы, обладающие уникальными свойствами. Это полимеры пространственно-глобулярной структуры (ПГС-полимеры). ПГС-полимеры по эффективности и механизмам очистки заменяют все ранее известные фильтрующие материалы.

Ключевые слова: водоподготовка питьевой воды, поверхностные источники, полимеры пространственно-глобулярной структуры, фильтрация воды.

Водоподготовка питьевой воды очень важна. Источниками водоснабжения являются подземные и поверхностные источники, качества воды в которых из-за антропогенного воздействия в последнее время значительно ухудшилось. Потребление воды такого качества негативно воздействует как на здоровье человека, так и на инженерное оборудование жизнеобеспечения. Решение этих проблем обеспечивает применение технологического оборудования очистки воды. Так как состав и степень загрязнение воды изменяется в широком диапазоне, то технология очистки воды может включать различные типы и оборудования. Создание очистителей воды универсального применение является актуальной задачей. При этом важными являются как стоимостные, так и эксплуатационные показатели оборудования.

Главная цель водоподготовки питьевой воды — очистить воду от грубодисперсных и коллоидных примесей, солей жесткости.

Целью работы является модернизация технологий водоподготовки за счет дополнительного узла.

К поверхностным источникам относятся реки, озера, искусственные водохранилища, пруды. Общими свойствами воды поверхностных источников являются низкая минерализация, большое количество взвешенных веществ, высокий уровень микробного загрязнения, колебания расхода воды в зависимости от времени года и метеорологических условий. Величина активной реакции большинства поверхностных источников находится в диапазоне рН 6,5–8,5.

В последние годы практически на всей территории Республики Казахстан резко ухудшилось качество питьевой воды. Загрязнены водозаборы, особенно функционируют старые, сильно корродирующие системы водопровода, в питьевую воду в больших количествах попадают отходы производств и жизнедеятельности человека. Загрязнено большинство колодцев, грунтовых и подземных вод. Во многих регионах существует опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных залповые выбросы вредных веществ и их попадание в питьевую воду со всеми вытекающими последствиями (массовые отравления, эпидемии и. т.д.), прорывы дамб, наводнения, засухи, последствия ядерных взрывов, разрушения систем водоснабжения в результате землетрясений и других природных явлений. Такие чрезвычайные ситуации уже неоднократно возникали, хотя и не предавались широкой огласке (ртуть в воде канала Иртыш-Караганда, в грунтовых водах г.Павлодара, бор в питьевой воде г.Актюбинска, радионуклиды и цветные металлы в питьевой воде Восточно- Казахстанского экологическими катастрофами: засухи, последствия ядерных взрывов, Центрально-Казахстанского регионов, гербициды в питьевой воде Приаралья и. т.д).

Вероятность локальных катастроф с питьевой водой постоянно возрастает. В этой связи весьма высокоэффективных, компактных очистных устройств индивидуального и коллективного назначения, с помощью которых население имеет возможность получать доброкачественную питьевую воду из загрязненных источников (реки, озера, ручьи, арыки и. т.д.).

Методы водоподготовки должны выбираться при сопоставлении состава исходной воды и ее качества, регламентированного нормативными документами или определенного потребителем воды. После предварительного подбора методов очистки воды анализируются возможности и условия их применения, исходящие из поставленной задачи. Чаще всего результат достигается поэтапным осуществлением нескольких методов. Таким образом, важными являются как выбор собственно методов обработки воды, так и их последовательность.

В последние годы все большее значение в очистке водных и не водных систем приобретают мембранные методы — (электроанализ, обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация). Обратный осмос(размеры пор 1–15 А, рабочее давление 0,5–8,0 МПа) применяется для деминерализации воды, задерживает практически все ионы на 92–99 %, а при двухступенчатой системе и до 99,9 %. Нанофильтрация(размеры пор 10–70 А, рабочее давление 0,5–8,0 МПа) используется для отделения красителей, пестицидов, гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органических веществ, вирусов и др. Ультрафильтрация(размеры пор 30–1000 А, рабочее давление 0,2–1,0 МПа) применяется для отделения некоторых коллоидов (кремния, например), вирусов (в том числе полиомиелита), угольной сажи, разделения на фракции молока и др. Микрофильтрация(размеры пор 500–20000 А, рабочее давление от 0,01 до 0,2 МПа) используется для отделения некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водо-масляных эмульсий и т. п.

Основные достоинства мембранных методов очистки — низкая энергоемкость, высокая степень очистки, возможность удаления большой группы примесей, относительная простота аппаратурного оформления. Основной элемент рассматриваемых устройств — разделительные мембраны (фильтры), их свойства и качество, которые определяют эффективность всего процесса. В настоящее время в процессах ультра-, микро- и гиперфильтрации используют в основном мембраны целлюлозного типа. Этим мембранам присущи серьезные недостатки: низкая химическая устойчивость, и относительно низкая удельная производительность.

Разработанные на основе пространственно-глобулярной структурных полимеров фильтры во многом лишены указанных недостатков. В них высокие разделительные свойства, высокая удельная производительность и химическая стойкость сочетаются с простотой синтеза, доступностью и дешевизной исходных материалов.

Иониты образуют большой класс фильтрующих ионообменных материалов. Применяются для умягчения, деминерализации, обескремнивания воды, выделения из водных растворов отдельных веществ и т. п. Иониты — твердые, практически нерастворимые полиэлектролиты, природные, искусственные или синтетические.

Синтетические иониты на органической основе — высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат ионогенные группы, способные к диссоциации и обмену подвижных ионов на другие ионы, содержащиеся в растворе.

Процесс ионного обмена приближенно можно представить в виде составляющих: перенос ионов раствора к поверхности гранулы ионита;

– диффузия ионов внутри гранулы;

– протекание реакции ионного обмена;

– диффузия вытесняемого из гранулы противо-иона изнутри к поверхности гранулы;

– перенос противоиона от поверхности гранулы ионита в объем раствора.

Для решения проблемы получения питьевой воды, отвечающей требованиям, синтезированы принципиально новые полимерные материалы, обладающие уникальными свойствами. Это полимеры пространственно-глобулярной структуры (ПГС-полимеры) характеризуются узким распределением пор по размерам 10 % и высокой химической активностью и стойкостью, а также обладают высокой механической прочностью. ПГС-полимеры по эффективности и механизмам очистки заменяют все ранее известные фильтрующие материалы. Это «ситовый» эффект, позволяющий задерживать механические примеси и крупные включения, зарядная фильтрация — интенсифицирует процесс очистки за счет действия электростатических сил, когда загрязнители, обладающие отрицательным зарядом (кроме Fe и Al), взаимодействуют с положительными или отрицательными зарядами микроглобул ПГС-полимеров (в зависимости от типа фильтроэлемента), ионообмен и сорбция, позволяющие связывать поливалентные катионы, к которым относятся катионы цветных и тяжелых металлов, и коалесценция, позволяющая нейтрализовать электрический заряд, присущий всем загрязнителям, и во много раз интенсифицировать процесс осаждения частиц. Такая комбинация механизмов очистки воды в одном устройстве позволяет создать эффективные компактные очистители малых габаритов и с низкими эксплуатационными показателями.

Технология получения изделий из ПГС-полимеров существенно отличается от технологии получения обычных известных полимеров. В реакторе готовят реакционную смесь, где основным по массе компонентом является растворитель, а затем в специальных формах протекает формирование изделий глобулярной структуры в режиме спонтанного глобулообразования. Сырьем для ПГС-полимеров служат обычно используемые мономеры: фенолы, амины, альдегиды и. т.д.

Наиболее эффективно применение ПГС-полимеров в качестве материалов технологического назначения в таких процессах как ионный обмен, сорбция, фильтрация, микро-, ультра- и гиперфильтрация, коалесценция, диспергирование. Пространственно-глобулярные фильтры с порами от 0,01 до 20мкм работают при скоростях пропускания 800–3000 уд.об/ч в режимах фильтрации ионного обмена.

Эффективность работы ПГС-ионитов в 100 и более раз выше, чем обычных зерненных ионитов. При этом содержание твердых частиц в очищенной жидкости не превышает 0,2 мг/ , а концентрация растворимых веществ находится в пределах от 0,1 до 1,0 мг/ . Степень концентрирования извлекаемого вещества в элюат составляет 600–100000 в зависимости от характера очищаемого раствора и вида вещества.

ПГС-полимеры представляют собой или объемные изделия: листы, ленты, трубы, стержни, блоки различной конфигурации кубических объемом до нескольких десятков сантиметров. Заданная структура достигается процессе полимеризации или поликонденсации исходной гомогенной смеси веществ с специальных условиях под влиянием физико-химических коллоидно-химических факторов. В итоге образуется полимерный материал, состоящий из микроглобул заданного размера, соединенных между собой в точках контакта.

Пористость можно варьировать в пределах 35–90 %, а размеры пор задавать в диапазоне 0,01–20 мкм. Технологией процесса обеспечивается отклонение размера пор от заданного номинала не более ±10 %.

Площадь внутренней поверхности ПГС-фильтров достигает 150 на 1г пространственно-глобулярного изделия. ПГС-фильтры изготовляют из стирола, винилпиридина, метилметакрилата, акрилонитрила, бутадиена, фенолов, карбамида, меламина, альдегидов, эпоксидных соединений.

На сегодняшний день успешно применяется и освоен выпуск 10 типов ПГС-полимеров, которые обладают однотипной структурой и пористостью, но отличаются наличием характерных функциональных группировок (ионообменные, электроннообменные, комплексообразующие, коалесцентные), которые придают ПГС-полимерам определенные свойства.

Конструктивное исполнение фильтроэлементов позволяет изготавливать компактные фильтрационные установки, производительность которых определяется количеством размещенных в них ФЭЛ. В зависимости от назначения и особенностей эксплуатации установки очистки воды на базе картриджных ФЭЛ из ПГС-полимеров комплектуются корпусами, выполненными из нержавеющей стали или пищевой пластмассы.

Освоен выпуск фильтрационных установок (патронных фильтров ФП) следующих типов и производительностей:

– ФУ производительностью 0,25 /час в пластмассовом корпусе УФМ-0.25П;

– ФУ производительностью 0,3 /час в пластмассовом корпусе УФМ-0.3П

– ФУ производительностью 0,5 /час в корпусе из нержавеющей стали УФМ-0,5HB;

– ФУ производительностью 1,2 /час в корпусе из нержавеющей стали УФМ-1,2H;

– ФУ производительностью 15,0 /час в корпусе из нержавеющей стали УФМ- 15,0H;

– Фильтрационные установки производительностью свыше 1,2 час компонуются из модулей УФМ-1,2H;

– Фильтрационные установки производительностью свыше 15,0 час компонуются из модулей УФМ-15,0Н.

Таблица 1

Тип установки

ФП-1

ФП-2

ФП-3

ФП-4

ФП-5

ФП-6

Количество фильтрующих элементов, шт.

1

2

3

4

5

6

Производительность,

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

Поверхность фильтрации,

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Режим работы

непрерывный, циклический

Продолжительность регенерации, мин., не более

8–10

Рабочее давление исходной среды, МПа, не более

0,3

Температура исходной среды, град. С, не более

100

Выводы:

Решение проблемы доброкачественной питьевой водой — может быть достигнуто путем использования специальных видов ПГС-полимеров. Широкий набор ПГС-полимеров различной геометрической формы и размеров, химического состава, параметров пористой структуры, сорбционных и ионообменных свойств позволяет создать на их основе весь потребный спектр проблем очистных устройств, необходимых для решения обеспечения населения доброкачественной питьевой водой в практически любых условиях.

Перспективность применения ПГС-фильтров: простая технология производства; возможность переработки больших объемов растворов при сохранении высокой селективности процесса;

Литература:

  1. Елизарова Т. В., Михайлова Л. А. Гигиена питьевой воды, учебное пособие, Чита, 2007.- 4с.
  2. Беликова С. Е. Библиотека Акватерм Водоподготовка, 2007
  3. Nino Zinna Методы фильтрации воды в системах водоподготовки — библиотека научных статей, из журнала RCI № 4/2005 https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=2975
  4. Материалы четвертого Международного конгресса и технической выставки «Вода: экология и технология» «ЭКВАТЕК — 2000» (29 мая — 2 июня 2000 г.).-М., 2000.
  5. Луков А. Н., Горбачев Е. А., Дементьев В. Н. Метод определения оптимальной технологии на водопроводной станции с помощью функций Кобба -Дугласа. //Городское хозяйство и экология. 2000. -№ 2. — С. 43–48.
  6. СанПиН 2.1.4.10749–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды
  7. Елизарова, Т. В. Гигиена питьевой воды: уч. пособие / Т. В. Елизарова, А. А. Михайлова. — Чита: ЧГМА, 2014. — 63 с.
Основные термины (генерируются автоматически): питьевая вода, рабочее давление, ионный обмен, доброкачественная питьевая вода, производительность, пространственно-глобулярная структура, исходная среда, механизм очистки, обратный осмос, пластмассовый корпус.


Ключевые слова

фильтрация воды, водоподготовка питьевой воды, поверхностные источники, полимеры пространственно-глобулярной структуры
Задать вопрос