Физико-химические процессы подготовки воды, используемой для хозяйственно-питьевых нужд.

Введение

Актуальность исследования методов обеззараживания воды состоит в том, что вода из открытых водоисточников, как правило, содержит значительное число примесей, в том числе и болезнетворные организмы.
Водоподготовка представляет собой процесс изменения состава воды при помощи совокупности физических, химических и других методов в ходе которого из воды удаляются механические примеси, растворенные вещества и микроорганизмы. В ходе водоподготовки происходит приведение состава и свойств воды в соответствие с санитарно-гигиеническими или техническими требованиями.
Процесс водоподготовки имеет свои особенности в зависимости от конечного назначения воды. Для питьевых и хозяйственно бытовых нужд вода должна удовлетворять требованиям санитарно-гигиенической и эпидемиологической безопасности, быть безопасной в радиационном и химическом отношении, и иметь хорошие органолептические качества.
Достичь такого качества воды можно при помощи удаления биогенных элементов, тяжелых металлов, галогенопроизводных, бактерий и вирусов, грибков, яиц гельминтов, а также, в случае необходимости, добавления недостающих микроэлементов.
Водоподготовка воды для нужд промышленного производства имеет свои особенности, хотя ряд стадий совпадает с подготовкой воды для хозяйственных или питьевых нужд.
В процессе промышленной водоподготовки из воды извлекаются грубодисперсные и коллоидные примеси, соли и микроорганизмы для того, чтобы в дальнейшем предотвратить образование накипи, коррозии металлов, засорения трубопроводов и загрязнения обрабатываемых материалов при использовании воды в технологических процессах.
Необходимость разработки новых методов очистки воды и усовершенствования уже имеющихся связана с тем, что вода для промышленных и бытовых нужд берется из природных источников. Качество воды в этих источниках со временем ухудшается, а количество требуемой для нужд человека воды, все увеличивается.
Следовательно, водоподготовка является необходимым элементом как для хозяйственной, так и для производственной деятельности человека.
На первом этапе водоподготовки большое внимание уделяется процессам физической очистки воды от грубых примесей и мусора – веток, песка, глины, ила и т.д. Этот этап называется механической очисткой и производится разными способами, наиболее распространенными из которых являются фильтрация, отстаивание и коагуляция.
На втором этапе водоподготовки уже очищенная от механических примесей вода проходит этапы очистки от растворенных примесей, таких как соли железа, а также меди и иных подобных загрязнителей. Очистка может проводится как с использованием реагентов, так и безреагентным способами. Оба этих способа основаны на процессе перевода растворимого железа, меди и других ионов в нерастворенное состояние и последующей фильтрации этих соединений.
Также на втором этапе проводится снижение концентрации солей кальция и магния (солей жесткости), поскольку слишком жесткую воду нельзя использовать в промышленности – соли жесткости образуют накипь на стенках оборудования, а также негативно влияют на здоровье человека.
Умягчение воды является третьим этапом водоподготовки и проводится посредством добавления в воду соды или же при помощи фильтрации жесткой воды через специальные катионные ионообменные фильтры.
Таким образом, после трех этапов водоподготовки воду можно использовать для хозяйственных нужд. Для того, чтобы воду можно было использовать для питья, она должна пройти доочистку, которая осуществляется в процессе хлорирования, озонирования, ультрафиолетовой дезинфекции и последующей тонкой фильтрации при помощи специальных мембран или установок обратного осмоса.
Объектом работы является система методов и процессов водоподготовки.
Предметом работы являются физико-химические методы подготовки воды ля хозяйственных и питьевых нужд.
Целью работы является изучение физико-химических процессов подготовки воды, которая используется для хозяйственно-питьевых нужд.

1. Традиционные технологии обработки воды

На первом этапе очистки воды и подготовки ее для применения в хозяйственно-бытовых целей или промышленного использования, ее необходимо очистить от различных механических примесей грубой, средней или мелкой фракции.
В зависимости от того, для каких целей проводится очистка воды, проводится удаление или снижение до нормативных уровней следующих групп веществ:
песчаные, глинистые и илистые частицы, которые находятся во взвешенном состоянии;
коллоидные соединения органического и неорганического характера, такие как гуматы, гидроксид трехвалентного железа и т.д.
минеральные соли щелочных и щелочноземельных металлов, соединения фтора, хлориды, сульфаты, бикарбонаты и другие полностью растворенные в воде соли;
вещества-ксенобиотики и загрязнители антропогенного характера – пестициды, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, токсичные соединения тяжелых металлов;
биологические загрязнения (бактерии, вирусы, простейшие, яйца гельминтов, одноклеточные водоросли)
растворенные в воде газы – углекислый газ, кислород сероводород и пр. [5].
Химический и биологический состав воды определяет выбор тех технологий водоподготовки и технологических схем, которые будут применяться в конкретном случае.
Если водозабор проводится из поверхностных источников – рек, оез, водохранилищ, то первым этапом подготовки воды является процесс предварительной очистки, который может осуществляться с использованием нескольких методов:
фильтрование – процесс пропускания воды через водопроницаемые перегородки различных конструкций для того, чтобы удалить загрязнения крупных фракций и взвешенные примеси. Фильтрование осуществляется при помощи решеток и сит с размером ячеек от 0,005 мм до 1 см;
первичное отстаивание представляет собой процесс осаждения взвешенных веществ под действием силы тяжести, что ведет к осветлению воды. Скорость первичного отстаивания определяется скоростью течения, относительной плотностью и диаметром частиц. В процессе первичного отстаивания происходит удаление из воды частиц размером больше 100 мкм (10-4 м);
коагуляция представляет собой процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц под воздействием реагентов – коагулянтов. Укрупнение частиц происходит в результате слипания частиц под действием сил молекулярного притяжения, в дальнейшем крупные частицы. В процессе коагуляции происходит процесс удаления взвешенных веществ и значительной части микроорганизмов. Результатом коагуляции является глубокое осветление воды;
Таким образом, осветление и обесцвечивание является одним из необходимых этапов водоподготовки. Вторым важным процессов водоподготовки является обеззараживание воды, которое заключается в устранение присутствующих в ней патогенных микроорганизмов – вирусов, бактерий, грибов и пр.
Кроме этого, в ряде случаев для улучшения качества воды нужно использовать и ряд специальных методов для улучшения воды. К этим метода относятся следующие:
умягчение воды, которое заключается в снижении жесткости воды;
фосфатирование направлено на еще большее умягчение воды;
для снижения общего уровня минерализации используется метод обессоливания или опреснения;
обескремнивание и обезжелезивание воды представляет собой ее очистку от катионов железа и кремния;
(освобождение воды от растворимых соединений железа);
дегазация воды посредством удаление из нее растворимых газов – сероводорода, кислорода, углекислого газа;
дезактивация воды - удаление из воды радиоактивных веществ.);
обезвреживание воды, которое заключается в удалении из воды токсичных соединений, а также проведение фторирования воды или, наоборот, обесфторивания (использование этих методов зависит от исходного уровня фтора в воде);
подкисление или подщелачивание, которое используется для стабилизации параметров воды;
Также для достижения необходимых санитарно-гигиенически параметров воды нужно устранить неприятные запахи и привкусы, т.е. улучшить органолептические показатели воды. Те или иные комбинации указанных процессов применяют в зависимости от категории потребителей и качества воды в источниках.
Качество воды в водном объекте и источнике водоснабжения, определяется целым рядом показателей (физических, химических и санитарно-бактериологических), в соответствии с назначением воды и установленными нормативами качества [1].
Очистка воды – сложный процесс, коорый осуществляется в несколько этапов. Н
На первом этапе, этапе предварительной, крупный мусор и механические взвеси удаляются при помощи процессов фильтрации
Сочетание первичной и вторичной очистки, которое проодится на водоочистных сооружениях (ВОС), дает возможность избавиться от коллоидного материала (органических веществ)

. Растворенные вещества биологического происхождения устраняются при помощи процессов доочистки.
Чтобы достигнуть максимального уровня очистки воды на водоочистных сооружениях должны быть удалены все виды загрязнителей.
При соответствующей доочистке, при качественной аппаратуре ВОС можно добиться того, что в конечном итоге получится вода, пригодная для питья.
Фактически, водоподготовка позволяет нам получить воды более высокого качества, чем вода из рек, озер и иных водоисточников, поскольку в настоящее время канализационные стоки, стоки промышленных предприятий и сельскохозяйственных ферм поступают в реки и озера и значительно снижают санитарно-гигиеническое качество их вод. В некоторых случаях воду из открытых источников не рекомендуется использовать без предварительной очистки во избежание развития ряда патологий здоровья.
Для того, чтобы обеспечит качество воды, используются не только предварительные, но и дополнительные методы очистки и водоподготовки.
Осветление - это этап водоочистки, в процессе которого происходит устранение мутности воды путем снижения содержания в ней взвешенных механических примесей природных и сточных вод. Мутность природной воды, особенно поверхностных источников в паводковый период, может достигать 2000-2500 мг/л (при норме для воды хозяйственно-питьевого назначения - не более 1500 мг/л).
Осветление воды путем осаждения взвешенных веществ. Эту функцию выполняют осветлители, отстойники и фильтры, представляющие собой наиболее распространенные водоочистные сооружения.
Одним из наиболее широко применяемых на практике способов снижения в воде содержания тонкодисперсных примесей является их коагулирование (осаждение в виде специальных комплексов - коагулянтов) с последующим осаждением и фильтрованием. После осветления вода поступает в резервуары чистой воды.
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) [4].
Осветление фильтрованием с предварительным коагулированием способствуют значительному снижению бактериальной загрязненности воды. Однако среди оставшихся после водоочистки в воде микроорганизмов могут оказаться и болезнетворные (бациллы брюшного тифа, туберкулёза и дизентерии; вибрион холеры; вирусы полиомиелита и энцефалита), являющиеся источником инфекционных заболеваний.
Для окончательного их уничтожения вода, предназначенная для хозяйственно-бытовых целей, должна быть в обязательном порядке подвергнута обеззараживанию.
Методы механической чистки, отстаивания, коагуляции и фильтрации обеспечивают высокий уровень очистки, однако использование только этих методов недостаточно. Кроме того, они достаточно затратные и требуют дополнительной обработки воды для достижения ею санитарно-гигиенической безопасности.
Обеззараживание представляет собой процесс в ходе которого в воде уничтожаются болезнетворные бактерии, вирусы и простейшие под воздействием химических или физических средств.
Насколько эффективно будет проведено обеззараживание воды зависит от ряда факторов, в первую очередь – от того, насколько хорошо была очищена вода на предварительном этапе. Удаление из оды растворенных коллоидных частиц повышает подвод дезинфицирующего вещества к целевым объектам обеззараживания – бактериям, вирусам, простейшим. Для обеззараживания применяются следующие методы:
Метод хлорирования – наиболее распространенный метод обеззараживания, который заключается в том, что свободный хлор и его соединения (двуокись хлора, хлорамины) способны угнетать ферментные системы бактерий и простейших. Проведение хлорирования не требует сложного технологического оборудования и финансовых затрат, поскольку жидкий хлор является самым дешевым дезинфицирующим реагентом.
После проведения обеззараживая концентрация остаточного хлора составляет 0,3–0,5 мг/л, что препятствует вторичному загрязнению воды при прохождении через распределительные системы. Хлорирование не является универсальным способом обеззараживания воды, так как к воздействию хлора устойчивы ряд бактерий, вирусов и яиц гельминтов [3].
Еще одним регентом, который используется для обеззараживания оды, является озон. Озон представляет собой сильный окислитель, который уничтожает вирусы, бактерии и их споры.
В процессе озонирования наблюдается разрушение и инактивация белков бактериальной клетки, разрушение вирусных частиц и окисление химических соединений клеточной стенки простейших. Помимо дезинфекции и обеззараживания воды, в процессе озонирования происходит и улучшение органолептических свойств воды. С другой стороны, озон является токсичным веществом и в процессе озонирования могут образовываться токсичные соединения [4].
УФ-облучение приводит к полному обеззараживанию воды путём дезактивации микроорганизмов. Основным недостатком УФ-обеззараживания является полное отсутствие остаточного эффекта: после облучения в воде не остаются активные компоненты, которые обеспечивают обеззараживание и после зоны облучения, в отличие от химических средств обеззараживания, например хлорирования.
Поэтому при применении этого метода в централизованных системах водоснабжения на финальном этапе необходима дополнительная обработка воды дезинфицирующими реагентами, что усложняет процесс очистки воды и повышает его стоимость.
На практике чаще всего используется сочетание различных методов обеззараживания, позволяющих снизить отрицательный эффект одних и усилить достоинство других.
Присутствие в воде растворённых газов – кислорода, свободной углекислоты и сероводорода обусловливает её коррозионные свойства. Используются следующие способы дегазации воды:
химические способы заключаются в добавлении реагентов, которые связывают растворённые в воде газы, или в пропускании воды через фильтры, загруженные стальными стружками;
физические способы дегазации – наиболее распространены аэрация и кипячение воды. Для удаления из воды кислорода используют кипячение, для удаления свободной углекислоты и сероводорода – аэрацию.
Для обеззараживания подземных вод иногда применяют бактерицидное излучение при условии, если коли-индекс исходной воды не более 1000 ед/л, содержание железа до 0,3 мг/л, мутность до 2 мг/л.
Обеззараживание воды бактерицидными лучами имеет ряд преимуществ перед хлорированием. Природные вкусовые качества и химические свойства воды не изменяются. Бактерицидное действие лучей протекает во много раз быстрее, чем хлора и после облучения воду сразу можно подавать потребителям.
Бактерицидные лучи уничтожают не только вегетативные виды бактерий, но и спорообразующие. Эксплуатация установок для обеззараживания воды бактерицидными лучами, проще, чем хлорного хозяйства.

2. Специальные технологии улучшения качества воды

Как уже упоминалось выше, помимо общих методов водоподготовки, существуют дополнительные способы, применение которых направлено на окончательную очистку воды, которая предназначена для хозяйственных и питьевых нужд человека.
Наиболее часто используются такие способы специальной очистки как обессоливание или снижение общего уровня минерализации воды. Для деминерализации используются методы дистилляции, ионного обмена, электродиализа (электролиза), вымораживания, гелиоопреснения и обратного осмоса (гиперфильтрации).
Такое разнообразие методов основано на том, что единого универсального метода обессоливания нет. Любой из вышеперечисленных способов имеет свои достоинства и недостатки и выбор метода зависит от конкретных условий – жесткости воды, необходимого объема воды и пр.
Смягчение воды направлено на удаление из нее солей щелочно-земельных металлов, в первую очередь «солей жесткости» (ионы Сa2+ и Mg2+). Соли жесткости можно удалить при помощи нескольких метоов, в основе которых лежат разные физико-химические процессы:
реагентное умягчение состоит в добавлении реагентов, которые повышают концентрацию анионов; в результате его образуются малорастворимые соли с ионами Сa2+ и Mg2+, впоследствии выпадающие в осадок. Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях. Осаждение образующихся хлопьев происходит очень медленно, поэтому оборудование имеет низкую производительность