Очистка и обезвреживание воды

В поступающей для потребления воде содержатся самые разнообразные примеси: грубодисперсные и коллоидные частицы – различные силикаты, гидратированная кремниевая кислота; в ней также растворены газы и соли – бикарбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты и др. Очистка воды от примесей (подготовка воды) включает следующие операции: осветление и обесцвечивание, обеззараживание, умягчение, дегазацию и дистилляцию.

Осветление и обесцвечивание природной воды производится с целью удаления из нее механических примесей. Это достигается отстаиванием воды в бетонированных резервуарах большой вместимости (отстойниках) с последующим пропусканием через песчаные фильтры с зернистым фильтрующим слоем. Для осаждения коллоидных примесей в отстойники вводят коагулянты – сульфаты железа или алюминия. Коагулянты в воде гидролизуются с образованием аморфных осадков соответствующих гидроокисей, которые адсорбируют коллоидные примеси и увлекают их на дно резервуара. При образовании гидроксида алюминия снижается солесодержание в воде. Одновременно идет процесс адсорбции на поверхности образовавшегося аморфного осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается. Образующийся при коагуляции коллоидный осадок удаляется из воды при отстаивании и фильтровании. Осветление воды путем осаждения взвешенных веществ. Эту функцию выполняют осветлители, отстойники и фильтры. В осветлителях и отстойниках вода движется с замедленной скоростью, вследствие чего происходит выпадение в осадок взвешенных частиц. В целях осаждения мельчайших коллоидных частиц, которые могут находиться во взвешенном состоянии неопределенно долгое время, к воде прибавляют раствор коагулянта (обычно сернокислый алюминий, железный купорос или хлорное железо). В результате реакции коагулянта с солями многовалентных металлов, содержащимися в воде, образуются хлопья, увлекающие при осаждении взвеси и коллоидные вещества.

Коагуляцией примесей воды называют процесс укрупнения мельчайших коллоидных и взвешенных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения.

Фильтрование — самый распространенный метод отделения твердых частиц от жидкости. При этом из раствора могут быть выделены не только диспергированные частицы, но и коллоиды.

В процессе фильтрования происходит задержание взвешенных веществ в порах фильтрующей среды и в биологической пленке, окружающей частицы фильтрующего материала. Вода освобождается от взвешенных частиц, хлопьев коагулянта и большей части бактерий.

Обесцвечивание воды, т. е. устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или полностью растворенных веществ, может быть достигнуто коагулированием, применением различных окислителей (хлор и его производные, озон, перманганат калия) и сорбентов (активный уголь, искусственные смолы).

Обеззараживание воды – обязательный процесс очистки воды, используемой для бытовых нужд. Уничтожение болезнетворных микробов и окисление органических примесей достигается хлорированием – введением газообразного хлора, хлорной извести. Атомарный кислород обладает сильными окислительными свойствами, поэтому убивает микроорганизмы и окисляет даже органические примеси. В последние годы обеззараживание питьевой воды производят преимущественно с помощью озона, который получают, создавая тихий электрический разряд в воздухе или в воздухе, обогащенном кислородом. Во время обработки воды озон разлагается с выделением атомарного кислорода.

При обработке воды хлором вода приобретает его запах, при озонировании запах отсутствует, что является существенным достоинством метода. Вода обеззараживается также обработкой ионами серебра и при воздействии ультрафиолетовых лучей и ультразвуковых колебаний.

Устранение запаха – необходимый процесс подготовки воды для питьевых нужд. Появление запаха чаще всего связано с образованием сероводорода при окислении серосодержащих органических веществ. Источником гнилостных запахов могут служить разлагающиеся растительные остатки на дне водоемов и водохранилищ, а также массовое развитие водорослей в водоемах. Уничтожение запахов и привкусов воды достигается ее хлорированием. Для того чтобы после обработки в воде не оставался избыток хлора, ее дехлорируют. При этом избыток хлора либо химически связывается, либо удаляется при пропускании воды через угольные фильтры.

Умягчение и обессоливание воды – основные процессы ее подготовки. Удаление из воды всех солей (всех катионов и анионов) называется обессоливанием, только солей кальция и магния – умягчением. Полное обессоливание воды применяется сравнительно редко (дистиллированная вода). Способы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические. К физическим способам умягчения воды относятся кипячение, дистилляция и вымораживание. Дистиллированную воду, не содержащую соли, получают перегонкой на специальных дистилляционных установках.

Наиболее экономично применение комбинированных методов, обеспечивающих устранение временной и постоянной жесткости воды, удаление из нее углекислого газа, ионов железа: известково-содового метода в сочетании с фосфатным или химического метода умягчения воды с физико-химическим (например, ионообменным). Ионообменная очистка обеспечивает как умягчение, так и обессоливание воды.

Современным физико-механическим методом умягчения воды является электрохимический, в частности электрокоагуляция. Этот способ очистки воды в электролизерах с растворимыми электродами основан на электрохимическом получении гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям. Перенос электричества при внесении электродов в воду и пропускании тока осуществляют в основном ионы, находящиеся в природной воде. К достоинствам метода электрокоагуляции относятся: высокая сорбционная способность электрохимического Аl(ОН)3, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.

Дегазация воды – удаление из нее растворенных газов – производится химическим и физическим способами. При первом способе газы взаимодействуют с химическими соединениями и удаляются из воды. Например, диоксид углерода удаляют при пропускании воды через фильтр, заполненный гашеной известью, либо добавляют к воде известковое молоко. В обоих случаях образуется соль СаСО3, выпадающая в осадок. Физические способы удаления газов заключаются в аэрации или нагревании воды в вакууме.

Предприятия химической и других отраслей промышленности, как правило, имеют сложное хозяйство по обеспечению подготовки воды. При фильтровании воды ее себестоимость увеличивается в 2,5 раза по сравнению с речной осветленной водой; при частичном умягчении – в 8 раз, при обессоливании и полном умягчении – в 10 – 11 раз. В результате доля затрат на водоснабжение и водоотведение в общих капиталовложениях на строительство заводов возрастает до 5 – 20 %.

Производственные и бытовые сточные воды обычно содержат различные органические и неорганические примеси, которые при сливе в водоемы загрязняют их. Действующим в Республике Беларусь законом предусматривается строгая санитарная охрана естественных водоемов. Поэтому спуск промышленных сточных вод в водоемы производится в соответствии с санитарными правилами, которыми определено предельно допустимое содержание веществ в сточных водах.

Способы очистки и обезвреживания сточных вод подразделяются на механические, физико-химические, химические и биологические.

Механические способы очистки сточных вод от механических примесей заключаются в их отстаивании и фильтровании, в частности через полупроницаемые мембраны под давлением.

Физико-химические методы основаны на применении флотации, экстракции и адсорбции вредных примесей, отгонке их с водяным паром.

Разновидностью физико-химических методов являются термические, например испарение воды при нагревании и сжигании органической части сухого остатка.

Химические методы очистки сточных вод основаны на использовании окислительно-восстановительных, электрохимических процессов, реакций нейтрализации и перевода вредных веществ в неактивную безвредную форму.

Биологическую очистку сточных вод в настоящее время следует считать одной из наиболее надежных и эффективных. Механизм процесса биологической очистки заключается в разложении и окислении вредных примесей с помощью микроорганизмов. Среди встречающихся в почве микроорганизмов наиболее многочисленными являются грибы, водоросли и бактерии. Эти организмы «атакуют» содержащиеся в сточных водах органические вещества, которые представляют собой прекрасную питательную среду для микробов и разлагают углеводы, белки, жиры и другие соединения на двуокись углерода, воду и минеральные соли. Различают процессы биологической очистки, протекающие в естественных и искусственно созданных условиях. Биологическая очистка в искусственно созданных условиях проводится на специальных очистных станциях.