4624

1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, В.А. Земскова, Л.А. Карпова, Е.В. Воробьева

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Методы обработки природных и сточных вод» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений населенных пунктов

Нижний Новгород

2016

2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, В.А. Земскова, Л.А. Карпова, Е.В. Воробьева

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Учебно-методическое пособие

по выполнению лабораторных работ для обучающихся по дисциплине «Методы обработки природных и сточных вод» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений населенных пунктов

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

3

УДК 628.16

Васильев А.Л. / Методы обработки природных и сточных вод [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / А.Л. Васильев, В.А. Земскова, Л.А. Карпова, Е.В. Воробьева; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 41 с.– 1 электрон. опт.

диск (CD-RW)

В пособии даются рекомендации к проведению лабораторных работ по дисциплине. Приводятся и рассматриваются основные методы и приемы обработки природных и сточных вод.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Методы обработки природных и сточных вод» направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение, вентиляция, водоснабжение и водоотведение зданий, сооружений населенных пунктов.

© А.Л. Васильев, В.А. Земскова, Л.А. Карпова, Е.В. Воробьева, 2016 © ННГАСУ, 2016

5

ВВЕДЕНИЕ

Источники, используемые для водоснабжения городов и населенных пунктов, подразделяют на две основные группы поверхностные и подземные. Очистки требуют как воды из подземных источников, так и из поверхностных. Происхождение воды определяет ее состав, методы очистки и подбор необходимого оборудования. На выходе вода должна соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».

Основными процессами улучшения качества воды для хозяйственнопитьевых целей являются:

-осветление - извлечение диспергированных примесей. Производится отстаиванием в отстойниках, фильтрованием через слой взвешенного осадка в осветлителях, фильтрованием через слой зернистого фильтрующего материала

вскорых фильтрах. Для интенсификации процесса применяют коагулирование воды.

-обесцвечивание - извлечение окрашенных коллоидов и истинно растворенных примесей, обуславливающих цветность воды. Может быть достигнуто при коагулировании или флотации, а также при применении окислителей (хлорирование, озонирование) или сорбентов (фильтрование через гранулированный уголь).

-обезжелезивание – процесс удаления из воды железа.

-фторирование - введение фторсодержащего реагента.

-обеззараживание - применяется для уничтожения патогенных микроорганизмов. Достигается при хлорировании, озонировании, введением перманганата калия.

Впроцессе использования в быту и в производственной деятельности человека природные воды изменяют свои физико-химические свойства, загрязняясь веществами минерального и органического происхождения. Такую воду называют сточной водой. Сточные воды могут содержать токсичные вещества и возбудители инфекционных заболеваний. Водоотводящие системы городов обеспечивают отведение сточных вод за пределы населенного пункта,

атакже их очистку, обезвреживание и обеззараживание перед сбросом в водоем и обработку образующихся осадков.

По происхождению сточные воды могут быть классифицированы на следующие: бытовые, производственные и атмосферные. Условия водоотведения, технология очистки воды и обработки осадков постоянно усложняются. Связано это с тем, что вода используется во всех производственных и бытовых процессах. Поэтому сточные воды можно характеризовать как гетерогенную смесь воды и твердых примесей

6

минерального и органического происхождения, находящихся в диспергированном или растворенном состоянии.

Вбытовых сточных водах содержатся загрязнения минерального и органического происхождения, находящиеся в нерастворенном, растворенном

иколлоидном состояниях. Состав их оценивается такими показателями, как взвешенные вещества, БПК (биохимическая потребность в кислороде), ХПК (химическая потребность в кислороде) и др.

Производственные сточные воды различных отраслей промышленности существенно отличаются как по составу загрязняющих веществ, так и по их концентрации.

Вдождевых сточных водах содержится значительное количество нерастворенных минеральных примесей, а также загрязнения органического происхождения.

Вреальных условиях в чистом виде бытовых сточных вод не бывает. Водоотводящие сети транспортируют смесь бытовых и производственных сточных вод, так называемые «городские сточные воды», содержащие компоненты загрязнений, характерных для производственных сточных вод.

Внастоящее время для обработки городских сточных вод и осадков используют сооружения, действия которых основано на принципах механического разделения воды от загрязнений (осветления) и биологического

ихимического действия (окисления). Т.е. технология очистки городских сточных вод включает два важнейших этапа – механическую очистку и биологическую.

Современная система водоотведения бытовых и производственных сточных вод должна обеспечивать высокую степень защиты окружающей природной среды от загрязнений.

Сложной проблемой очистки сточных вод является обработка осадков. Выделенные в процессе очистки сточных вод осадки относятся к труднофильтруемым суспензиям коллоидного типа. Большие объемы, бактериальная зараженность, наличие органических веществ, способных быстро загнивать с выделением неприятных запахов, а также неоднородность состава и свойств осложняют их обработку.

Внастоящее время для обработки городских сточных вод и осадков используют сооружения, действия которых основано на принципах механического разделения воды от загрязнений (осветления) и биологического

ихимического действия (окисления). Т.е. технология очистки городских сточных вод включает два важнейших этапа – механическую очистку и биологическую. Технология обработки образующихся осадков практически сводилась к сбраживанию в метантенках с последующей подсушкой на иловых площадках. На современном этапе применяются интенсивные методы обезвоживания осадков – механическое обезвоживание на барабанных вакуумфильтрах, на фильтр-прессах различных конструкций, на осадительных шнековых центрифугах. Освоены новые методики анализа состава и свойств осадка.

7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

Основные показатели качества воды

Цель работы: Ознакомиться с основными показателями качества воды природных водоисточников. Изучить физические, химические и микробиологические показатели качества воды. Рассчитать санитарнотоксикологический признак вредности воды, используемой для питьевых целей, с заданными параметрами качества.

Теоретическая часть

Состав природных вод весьма разнообразен и представляет собой сложную, непрерывно изменяющуюся систему, которая содержит минеральные и органические вещества во взвешенном, коллоидном и истинно растворенном состоянии. Качество воды оценивается по физическим, химическим и микробиологическим показателям. К физическим относятся температура, вкус, запах, мутность, цветность. При химическом анализе воды определяют ее активную реакцию, растворенные газы, катионы, анионы, металлы, органические соединения, жесткость, кислотность, щелочность, перманганатную окисляемость, ХПК и др. Микробиологический анализ включает общее микробное число, ТБК (термотолерантные колиформные бактерии), ОКБ (общие колиформные бактерии и колифаги).

Качество воды для хозяйственно-питьевых нужд определяется целым рядом показателей, предельно допустимыезначения которых, задаются соответствующим нормативным документом СаНПиН 2.1.4.1074–01 [1]. Предельно допустимые концентрации веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования регламентируются документом ГН 2.1.5.1315-03.

Физические показатели качества воды

Температура воды поверхностных источников зависит от температуры воздуха, его влажности, скорости и характера движения воды и ряда других факторов. Она может изменяться в весьма широких пределах по сезонам года (от 0,1 до 300С). Температура воды подземных источников более стабильна (8- 12 0С). Оптимальной температурой воды для питьевых целей считается 7-110С.

Мутность (прозрачность, содержание взвешенных веществ) характеризует наличие в воде частиц песка, глины, илистых частиц, планктона, водорослей и других механических примесей, которые попадают в нее в результате размыва дна и берегов реки, с дождевыми и талами водами, со сточными водами и т.п. Мутность воды подземных источников, как правило, невелика и обуславливается взвесью гидроксида железа. В поверхностных водах в паводковый период мутность чаще обусловлена присутствием фито- и зоопланктона, глинистых или илистых частиц, поэтому ее величина сильно зависит от паводка (межени) и меняется в течение года. По нормам [1] мутность питьевой воды должна быть не выше 1,5 мг/л по каолину или 2,6 ЕМФ (единицы мутности по формазину).

8

Цветность воды (интенсивность окраски) выражается в градусах цветности (по платино-кобальтовой или хром-кобальтовой шкале). Цветность воды обычно обусловлена присутствием органических веществ, главным образом гуминовых и фульвокислот. На цветность сильно влияет присутствие железа и других металлов (Mn, Сu, Cr) в виде естественных примесей или в качестве продуктов коррозии. Она бывает также обусловлена загрязнением водоисточника промышленными стоками. Цветность является косвенным показателем количества содержащихся в воде растворенных органических веществ.

По нормам [1], цветность питьевой воды не должна быть выше 20 град. (в особых случаях не выше 35 град.).

Запахи, вкусы и привкусы воды обусловливаются присутствием в ней органических и неорганических соединений. Интенсивность и характер запахов и привкусов определяют органолептически, т.е. с помощью органов чувств по пятибалльной шкале. Запах и вкус определяют при комнатной температуре, а также при 600С, что вызывает их усиление. Согласно [1] запах и привкус, определяемые при 200С, не должны превышать 2 баллов.

Вкус вызывается наличием в воде растворенных веществ и может быть соленым, горьким, сладким и кислым. Природные воды обладают, как правило, только солоноватым и горьковатым привкусом. Солёный вкус вызывается содержанием хлорида натрия, горький - избытком сульфата магния. Кислый вкус воде придаёт большое количество растворённой углекислоты (минеральные воды). Вода может иметь также чернильный или железистый привкус, вызванный солями железа и марганца или вяжущий привкус, вызванный сульфатом кальция, перманганатом калия, щелочной привкус - вызван содержанием поташи, соды, щелочи. Привкус может быть естественного происхождения (присутствие железа, марганца, сероводорода, метана и т.д.) и искусственного происхождения (сброс промышленных стоков)

Запахи воды определяются живущими и отмершими организмами, растительными остатками, специфическими веществами, выделяемыми некоторыми водорослями и микроорганизмами, а также присутствием в воде растворенных газов - хлора, аммиака, сероводорода, меркаптанов или органических и хлорорганических загрязнений. Различают природные (естественного происхождения) запахи: ароматический, болотный, гнилостный, древесный, землистый, плесневый, рыбный, травянистый, сероводородный, тинистый и др. Запахи искусственного происхождения называют по определяющим их веществам: хлорный, камфорный, аптечный, фенольный, хлор-фенольный, смолистый, запах нефтепродуктов и т.д.

Химические показатели качества воды

Содержание растворенных веществ (сухой остаток). Общее количество веществ (кроме газов), содержащихся в воде в растворенном состоянии, характеризуется сухим остатком, получаемым в результате выпаривания профильтрованной воды и высушивания задержанного остатка до постоянной массы. В воде, используемой для хозяйственно-питьевых целей,

9

сухой остаток не должен превышать 1000 мг/л в особых случаях - 1500 мг/л [1]. Общее солесодержание и сухой остаток характеризуют минерализацию (содержание растворенных солей в воде).

Активная реакция воды - степень её кислотности или щёлочности - определяется концентрацией водородных ионов. Обычно выражается через рН - водородный и гидроксильный показатель. рН = -lg[H+] – десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода [H+], взятый с обратным знаком. Концентрация ионов водорода определяет кислотность. Концентрация ионов гидроксила определяет щелочность жидкости. При рН = 7,0 - реакция воды нейтральная, при рН<7,0 - среда кислая, при рН>7,0 - среда щелочная.

Согласно [1] рН питьевой воды должен быть в пределах 6,0...9,0. Для вод большинства природных источников значение рН не отклоняется от указанных пределов. Однако после обработки вод реагентами значение рН может существенно измениться. Для правильной оценки качества воды и выбора способа очистки необходимо знать значение рН воды источника в различные периоды года. При низких значениях сильно возрастает ее коррозирующее действие на сталь и бетон.

Жесткость воды определяется содержанием в воде солей жесткости (кальция и магния). Выражается в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Различают карбонатную (временную) жесткость, некарбонатную (постоянную) жесткость и общую жесткость воды.

Карбонатная жесткость (устранимая), определяется наличием в воде карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния; часть ее гидрокарбонаты кальция и магния, при нагревании или кипячении воды разлагаются на практически нерастворимые карбонаты и углекислый газ. Поэтому её еще называют временной жесткостью.

Некарбонатная или постоянная жесткость - содержание некарбонатных солей кальция и магния - сульфаты, хлориды, нитраты. При нагревании или кипячении воды они остаются в растворе.

Общая жесткость - определяется как суммарное содержание в воде солей кальция и магния, выражается как сумма карбонатной и некарбонатной жесткости.

При оценке жесткости воды обычно воду характеризуют следующим образом: очень мягкая вода (до 1,5 0Ж), мягкая вода (от 1,5 до 4 0Ж), вода средней жесткости (от 4 до 8 0Ж), жесткая вода (от 8 до 12 0Ж), очень жесткая вода (более 12 0Ж).

Вода поверхностных источников, как правило, относительно мягкая (3...6 0Ж) и зависит от географического положения - чем южнее, тем жесткость воды выше. Жесткость подземных вод зависит от глубины и расположения горизонта водоносного слоя и годового объема осадков. Жесткость воды из слоёв известняка составляет обычно 6 0Ж и выше.

Согласно [1] жесткость питьевой воды должна быть не выше 7 0Ж, при обосновании до 10 0Ж.

Жесткая вода просто неприятна на вкус, в ней излишне много кальция.

10

Постоянное употребление внутрь воды с повышенной жесткостью приводит к снижению моторики желудка, к накоплению солей в организме, и, в конечном итоге, к заболеванию суставов (артриты, полиартриты) и образованию камней в почках и желчных путях. Хотя очень мягкая вода не менее опасная, чем излишне жесткая. Мягкая вода способна вымывать из костей кальций. Такая вода, проходя через пищеварительный тракт, не только вымывает минеральные вещества, но и полезные органические вещества, в том числе и полезные бактерии. Вода должна быть жесткостью не менее 1,5-2 0Ж.

В системах водоснабжения - жесткая вода приводит к быстрому износу водонагревательной технике (бойлеров, батарей центрального водоснабжения и др.). Соли жесткости, отлагаясь на внутренних стенках труб и образуя накипные отложения в водонагревательных и охлаждающих системах, приводят к занижению проходного сечения, уменьшают теплоотдачу. Не допускается использовать воду с высокой карбонатной жесткостью в системах оборотного водоснабжения.

Щёлочность воды. Под общей щёлочностью воды подразумевается сумма содержащихся в ней гидратов, карбонатов, гидрокарбонатов, а также анионов слабых и гуминовых кислот. Различают общую, свободную, карбонатную щелочность. Карбонатную жесткость, содержание гидрокарбонатов часто приравнивают к общей щелочности. Свободная щелочность – это содержание гидратов и карбонатов.

Кислотность воды – количество веществ, способных вступать в реакцию с сильными основаниями. Общая – это суммарное содержание ионов водорода [H+] в природных водах, зависит от содержания свободной углекислоты. Естественная кислотность – это растворенная углекислота, гуминовые и слабо органические кислоты.

Содержание сульфатов и хлоридов. Сульфаты и хлориды кальция и магния образуют соли некарбонатной жесткости. Хлориды присутствуют практически во всех водах. В основном их присутствие в воде связано с вымыванием из горных пород наиболее распространённой на Земле соли - хлорида натрия (поваренной соли). Хлориды натрия содержатся в значительных количествах в воде морей, а также некоторых озер и подземных источников. Согласно [1] содержание хлоридов в воде питьевого качества не должно превышать 350 мг/л.

Сульфаты попадают в подземные воды в основном при растворении гипса, находящегося в пластах. Согласно [1] содержание сульфатов в воде питьевого качества – не более 500 мг/л.

Содержание кремниевых кислот. Кремниевые кислоты встречаются в воде как подземных, так и поверхностных источников в различной форме (от коллоидной до ионодисперсной). Кремний отличается малой растворимостью и его в воде, как правило, не много. Попадает кремний в воду также с промышленными стоками предприятий, производящих керамику, цемент, стекольные изделия, силикатные краски. ПДК активированной кремнекислоты в питьевой воде - 10 мг/л [1]. Воды, содержащие кремниевые кислоты, не могут