Учебное пособие 800534

ло, но не всегда). Поэтому, когда определяют БПКТОЛН, имеют в виду, что процесс окисления длится 15-20, в редких случаях - до 35 суток.

Содержание газов. В воде природных источников наблюдается чаще всего присутствие следующих газов: кислорода О2, углекислоты СО2 и сероводорода H2S.

Содержание кислорода и углекислоты даже в значительных количествах не ухудшает качества питьевой воды, но способствует коррозии металлических стенок труб, резервуаров, котлов. Процесс коррозии усиливается с повышением температуры воды, а также при движении ее вдоль металлических стенок (например, по трубам). При значительном содержании в воде агрессивной углекислоты коррозии подвергаются также стенки бетонных труб и резервуаров. В питательной воде паровых котлов среднего и высокого давления присутствие кислорода не допускается.

Содержание сероводорода придает воде неприятный запах и, кроме того, вызывает коррозию металлических стенок труб, баков и котлов. В связи с этим присутствие H2S не допускается в воде, употребляемой для хозяйственнопитьевых и для большинства производственных нужд.

Содержание соединений железа. Железо довольно часто встречается в воде подземных источников, в основном в форме растворенного двухвалентного железа. Иногда железо содержится и в поверхностных водах - в форме комплексных соединений, коллоидов или тонкодисперсной взвеси.

Наличие железа в водопроводной воде может придавать ей плохой вкус, вызывает отложение осадка и зарастание водопроводных труб. На многих промышленных предприятиях, где вода употребляется для промывки фабриката в период его изготовления, в частности в текстильной промышленности, даже невысокое содержание железа в воде ведет к браку продукции.

Содержание растворенных веществ (сухой остаток).

Общее количество веществ (кроме газов), содержащихся в воде в растворенном или коллоидном состоянии, характери-

60

зуется сухим остатком, получаемым в результате выпаривания профильтрованной воды и высушивания задержанного остатка до постоянной массы.

Величина сухого остатка лимитируется в воде, идущей для питания паровых котлов и используемой в ряде производств (синтетического каучука, искусственного волокна, кинопленки и др.).

Активная реакция воды. Величина рН - один из важ-

нейших показателей качества воды для определения ее стабильности, накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Если рассматривать воду без примесей, то физическая сущность рН может быть описана следующим образом.

Вода, хотя и весьма незначительно, - приблизительно одна миллионная часть молекул - диссоциирует (распадается) на ионы водорода Н+ и гидроксид-ионы ОН-.

В химически нейтральной воде приблизительно 107 ионов водорода и столько же гидроксид-ионов в одном литре.

Для оценки кислотности и щелочности среды удобно пользоваться не концентрацией водородных ионов, а водородным показателем рН. Он равен десятичному логарифму концентраций водородных ионов, взятому с обратным знаком.

Если в воде растворено какое-либо вещество, которое само источник ионов Н+ и ОН- то концентрации ионов Н+ и ОН- не будут равны.

При нейтральной реакции рН=7; при кислой реакции рН<7, при щелочной реакции рН>7.

Для вод большинства природных источников значение рН не выходит из пределов 6,5-9,5.

Для правильной оценки качества воды, действия ее на водопроводные сооружения и выбора метода ее очистки необходимо знать значение рН воды источника в различные периоды года. При низких значениях рН, т. е. при кислой

61

реакции воды, сильно возрастает ее корродирующее действие по отношению к стали и бетону.

Бактериальная загрязненность воды. Степень бакте-

риологической загрязненности источника воды и эффект от мероприятий по снижению его уровня (обеззараживания воды) контролируют, определяя общее число бактерий в 1 м3 воды и количество индикаторных бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды после ее обеззараживания. Путем бактериологического анализа воды определяют число кишечных палочек в 1 л воды (так называемый коли-индекс) или тот наименьший объем воды, в котором еще обнаруживается кишечная палочка (коли-титр).

По СанПиН 2.1.4.1074-01 общее число бактерий в 1 см3 неразбавленной воды должно быть не более 100, а количество бактерий группы кишечной палочки в 1 л (коли-индекс) — не более 3. Объем воды, в котором содержится одна кишечная палочка (коли-титр), должен быть не менее 300 мл.

Использование кишечной палочки в качестве индикаторного микроорганизма для оценки эффекта обеззараживания воды обусловлено следующими соображениями:

-присутствие кишечной палочки в воде определить проще, чем другие бактерии кишечной группы;

-кишечная палочка всегда присутствует в кишечнике человека и теплокровных животных;

-присутствие ее в воде источника свидетельствует о его загрязнении фекальными сбросами;

-окислители, используемые при обеззараживании воды, летально действуют на кишечную палочку труднее, чем на патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания кишеч- но-желудочного тракта;

-кишечная палочка безвредна и является лишь контрольным микроорганизмом, характеризующим бактериальную загрязненность воды.

В большинстве производств бактериальное загрязнение воды не препятствует ее использованию для технических це-

62

лей. Исключение составляют предприятия пищевой промышленности, для которых требуется вода питьевого качества.

6.2. Основные задачи водопроводных очистных сооружений и основные процессы обработки воды

Изучение качества воды природного источника позволяет установить характер необходимых операций по ее обработке. В некоторых случаях на очистные сооружения возлагается задача устранения какого-либо определенного недостатка природной воды или целого комплекса недостатков, а иногда - задача искусственного придания воде новых свойств, требуемых потребителем.

Все разнообразные задачи, возлагаемые на очистные сооружения, могут быть сведены к следующим основным группам:

-удаление из воды содержащихся в ней взвешенных веществ (нерастворимых примесей), что обусловливает снижение ее мутности; этот процесс носит название осветления воды;

-устранение веществ, обусловливающих цветность воды, - обесцвечивание воды;

-уничтожение содержащихся в воде бактерий (в том числе болезнетворных) - обеззараживание воды;

-удаление из воды катионов кальция и магния - умягчение воды; снижение общего солесодержания в воде - обессоливание воды; частичное обессоливание воды до остаточной концентрации солей не более 1000 мг/л носит название опреснения воды.

В некоторых случаях может производиться удаление отдельных видов солей (обескремнивание, обезжелезивание и т. п.).

Степень необходимой глубины осветления, обесцвечивания, обессоливания воды зависит от характера ее использования.

63

На очистные сооружения могут быть возложены также отдельные специальные задачи - удаление растворенных в воде газов (дегазация), устранение запахов и привкусов природной воды и др.

6.3. Основные методы обработки воды и их аппаратное обеспечение

6.3.1. Коагулирование воды

Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае - жидкости).

Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа молекул вещества, содержащегося в воде в диспергированном состоянии, при перемещении прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, значительно понижающие свободную поверхностную энергию коллоидных частиц. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также небольшое число противоположно заряженных ионов, суммарный заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется

64

диффузионный слой, в котором находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем называется мицеллой.

На рис. 11 показано изменение напряженности электрического поля мицеллы. Потенциал на границе ядра - термодинамический потенциал (ε-потенциал) - равен сумме зарядов всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал уменьшается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбционном слое противоположно заряженных ионов. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрокинетическим потенциалом (ϛ- потенциал). На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стремятся равномерно распределяться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами.

При снижении электрического заряда частиц, т. е. при уменьшении ζ-потенциала, силы отталкивания уменьшаются и становится возможным слипание частиц - процесс коагуляции коллоида. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания при ζ-потенциале системы менее 0,03 В. При ζ-потенциале, равном нулю, коагуляция проходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае носит название изоэлектрического состояния, а величина рН называется изоэлектрической точкой системы.

Одним из методов снижения ζ-потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц. При коагуляции хлопья образуются сначала за счет части взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья последнего

65

сорбируют вещества, загрязняющие природные воды и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.

Рис. 11. Строение коллоидной частицы

Основным процессом коагуляционной очистки вод является гетерокоагуляция - взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении в воду коагулянтов.

Коагулянты. Наиболее часто применяемыми реагентами при коагулировании (коагулянтами) в настоящее время яв-

66

ляются: сернокислый алюминий Al2 SO4 3 , железный купорос FeSO4 и хлорное железо FeCl3 .

Хорошие результаты дает также применение железного купороса с одновременным хлорированием воды. Введение хлора облегчает процесс коагуляции и способствует окислению закисного железа.

Необходимая доза коагулянта устанавливается путем проведения технологического анализа воды используемого источника или на основании опыта эксплуатации очистных сооружений, работающих на воде данного источника.

На ход процесса коагуляции большое влияние оказывает качество природной воды (количество и характер содержащихся в ней взвешенных веществ, окисляемость, солевой состав, pH, температура).

Значительная окисляемость воды, обусловленная наличием в ней органических веществ, требует увеличения дозы коагулянта.

При коагулировании вод различного качества различными коагулянтами может быть установлено для каждого случая оптимальное значение рН воды. Так, при коагулировании мутных вод благоприятным является относительно высокое значение рН. Наоборот, коагулирование вод большой цветности (мягких) идет успешнее при относительно низком значении рН. Более высокие температуры способствуют протеканию процесса коагулирования.

Для интенсификации процесса коагулирования с успехом применяются флокулянты - высокомолекулярные вещества (минеральные или органические). В настоящее время из минеральных флокулянтов наиболее широкое применение в практике очистки воды получила активированная кремниевая кислота, а из органических - полиакриламид. Дозы флокулянтов зависят от качества обрабатываемой воды. Использование флокулянтов позволяет сократить дозу коагулянта.

67

Флокулянты вводятся в обрабатываемую воду одновременно с введением коагулянтов, до или после них (порядок введения реагентов определяется экспериментально).

6.3.1.1. Комплекс сооружений для коагулирования

На очистных станциях современных водопроводов установки, связанные с процессом коагулирования, обычно включают сооружения:

-для подготовки и дозирования реагентов (реагентное хозяйство);

-для смешения осветляемой воды с реагентами (смеси-

тели),

-для образования и укрупнения хлопьев(камеры хлопьеобразования).

Доставляемый на станцию коагулянт может храниться или в сухом виде или в виде концентрированного раствора. Последнее весьма рационально особенно на станциях большой производительности.

Коагулянт должен быть введен в очищаемую воду до ее поступления в отстойник или осветлитель. Если свойства природной воды требуют ее подщелачивания, то реагенты, повышающие щелочность воды, также должны быть поданы в воду до ее поступления в отстойник.

Наиболее часто применяемые для коагулирования и подщелачивания реагенты (сернокислый алюминий и известь) представляют собой твердые вещества. Подобные реагенты вводятся в осветляемую воду в виде раствора, суспензии или порошка. B практике очистки воды в России коагулянт вводится в воду в виде раствора, а известь - преимущественно (вследствие ее слабо растворимости) в виде суспензии. Дозирование коагулянта в виде порошка получило значительное распространение в США.

Для надлежащего действия реагента при введении его в очищаемую воду надо обеспечить совершенное смешение. Для этой цели служат смесители различных типов и конструкций.

68

B смесителе начинаются реакции взаимодействия введенных в

воду реагентов с веществами, находящимися в исходной воде. Однако для образования хлопьев надлежащего размера, обеспечивающих хорошее качество осветления воды при их осаждении, требуется определенное время. Поэтому прежде чем подавать воду из смесителя в отстойники, ее направляют в так называемые камеры хлопьеобразования, где происходит образование достаточно крупных хлопьев коагулянта. Рост хлопьев происходит быстрее при плавном перемешивания воды (со скоростями движения, не вызывающими разрушения хлопьев).

Для приготовления раствора коагулянта на станциях разной производительности применяют различные устройства.

На станциях небольшой (до 1000 м3/сутки) производительности для приготовления раствора коагулянта используют «растворные» баки. Для возможности непрерывного приготовления и непрерывной подачи раствора устанавливается не менее двух растворных, работающих попеременно.

Ускорение процесса растворения коагулянта может быть достигнуто исполнением подогретой (до 50 – 60 °C) воды.

В настоящее время на очистных станциях большой производительности применяют заготовку больших количеств раствора коагулянта высокой концентрации с постепенной его подачей и разбавлением в расходных баках. Это позволяет избежать частого повторения операций по загрузке баков, усовершенствовать (механизировать и автоматизировать) операции, связанные с приготовлением растворов, и снизить эксплуатационные расходы на очистных станциях.

Такие хорошо растворимые коагулянты, как железный купорос и хлорное железо, обычно растворяют в тех же баках, из которых их расходуют. Для таких коагулянтов находят применение баки с механическими мешалками.

Устройства для дозирования реагентов (дозаторы)

могут быть отнесены к двум типам:

- дозаторы, которые устанавливаются на подачу постоянного количества реагента в единицу времени;

69