Современные технологические схемы водоподготовки

Современные технологические схемы водоподготовки можно представить в виде совокупности фильтрационных модулей, решающих определенные задачи, а в совокупности, обеспечивающие получение воды заданного качества.

Исторически сложилось так, что системы очистки воды небольшой и средней производительности использовались при полевом водоснабжении. Эти системы включали в себя фильтры и устройства для обеззараживания воды.

1. Очистка воды

Для предупреждения развития бактериальных биологических обрастаний в теплообменных аппаратах, а также в трубопроводах рекомендуется периодически 3-4 раза в сутки применять хлорирование воды, продолжительностью каждого периода 40-60 минут. Доза хлора должна обеспечивать содержание остаточного активного хлора в оборотной воде после прохождения в наиболее удаленных теплообменных аппаратов от места входа хлора не менее 1 мг/л в течении 30-40 минут. Величина дозы хлора, на которую рассчитывают хлораторы, должно быть не менее 5 мг/л.

Для удаления биологических обрастаний, а также механических отложений в закрытых теплообменных аппаратах при необходимости можно предусмотреть устройство для периодической гидропневматической промывки аппаратов.

Для очистки поверхностного стока применяют прежде всего механическую очистку, включающую отстаивание, в том числе с применением тонкослойных модулей, и фильтрование на каркасно-засыпанных фильтрах. После очистки поверхностный сток возможно использовать в оборотных системах водного охлаждения. Преимуществом его использования является термостабильность и коррозийная активность.

Для очистки и отведения поверхностного стока на промышленных предприятиях рекомендуется: проведение организационно-технических мероприятий по уменьшению количества смываемых примесей; применение раздельных по интенсивности загрязнения систем отведения стока водосборных площадок; локализация отдельных участков со стоками, содержащими специфические загрязнения; устройство сооружений для усреднения расхода и состава загрязнений стока; частичное или в полном объеме использование поверхностного стока в системах промышленного водоснабжения; обезвреживание стоков перед сбросом в водоем.

На формирование свойств городских сточных вод основное влияние оказывают состав питьевой воды, потребляемой населением, норма водопотребления, а также размер и степень загрязнения производственных сточных вод, сбрасываемых в городскую водоотводящую сеть.

Влияние производственных сточных вод на состав городских стоков значительно сокращается по мере введения в действие локальных очистных сооружений.

Один из наиболее распространенных способов доочистки биохимически очищенных сточных вод – метод фильтрования, что позволяет получить фильтрат с содержанием взвешенных веществ не более 3 мг/л.

Перспективным способом доочистки сточных вод от органических веществ является озонирование, позволяющее одновременно со снижением концентрации органических веществ обеззараживать воду от содержащихся в ней бактерий, вирусов, уничтожить запахи и окраску.При малых дозах окисляются вещества с высокой молекулярной массой и выраженной токсичносью. Общее разрушение органического вещества в этом случае не превышает 35%. При больших дозах озона интенсивно образуются продукты деструкции, при которых величина ХПК и содержание органического углерода в сточной воде практически не меняются. Процесс разрушения органического вещества начинаются при 1,5-1,6 мг О3 на 1 мг содержания органического углерода.

Для достижения требуемых санитарно-гигиенических требований к воде, используемой в закрытых системах, применяют фильтрование и обеззараживание хлором. При повышенном содержании трудноокисляемых веществ в воде эту схему дополняют контактной коагуляцией. Когда в открытых системах промышленного водоснабжения используется часть очищенных вод на станции аэрации, включающей доочистку фильтрованием и хлорирование, на предприятии предусматривают доочистку озонированием. Кроме перечисленных схем, для промышленного водоснабжения применяют сооружения физико-химической очистки (флотаторы, сорберы, ионообменные и ультрафильтрационные аппараты), которые также позволяют защитить системы от карбонатных отложений, коррозии и биообрастаний.

Основу любой технологической схемы водоподготовки составляет фильтр. В зависимости от использования в нем той или иной фильтрующей среды, фильтры можно разделить на следующие классы:

2.Классификация фильтров

Фильтры обезжелезивания.

Предназначены главным образом для удаления из воды железа и марганца, находящихся в растворенном состоянии. Фильтр требует регенерации для восстановления своей активности, с помощью слабого раствора марганцовокислого калия.

Фильтры умягчители

Предназначены для снижения жесткости воды. Фильтры этого типа, благодаря применению специальных засыпок обладают комплексным действием. Фильтры требуют регенерации солевым раствором и поэтому снабжены специальным баком для приготовления солевого раствора.

Угольные фильтры

Уже давно применяются в водоподготовке для улучшения органолептических показателей качества воды. Благодаря своей высокой сорбционной способности активированный уголь поглощает остаточный хлор, растворенные газы, органические соединения. Однако, так как накапливающаяся органика трудно выводится из угля при обратной промывке, то возможен залповый сброс загрязнений в выходную линию. Для предотвращения этого явления засыпка из активированного угля требует периодической замены. В настоящее время для увеличения ресурса работы применяют активированный уголь из скорлупы коксового ореха, адсорбционная способность которого в 4 раза выше, чем угля, полученного традиционным способом.

По целевому назначению вода классифицируется: хозяйственно-питьевая; использующаяся в сельском хозяйстве (как правило пресная); для охлаждения (в большинстве случаев должна быть свободной от накипеобразующих веществ, а в ряде случаев и полностью обессоленной); для паросилового хозяйства (умягченная, частично или полностью обессоленная в зависимости от условий и параметров работы парогенераторов); для технологических целей.

3. Умягчение воды

Одним из наиболее распространенных видов кондицирования воды является её умягчение. Первым промышленным способом устранения солей жесткости был содово-известковый, суть которого заключается в проведении следующих основных уравнений реакций:

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→↓2CaCO3+2H2O;

CaCl2+Na2CO3→↓CaCO3+2NaCl;

MgSO4+Ca(OH)2→↓CaSO4+Mg(OH)2;

CaSO4+Na2CO3→↓CaCO3+Na2SO4.

Содово-известковый метод имеет то преимущество, что отходами процесса умягчения являются шламы, образующиеся почти в строго стехиометрическом количестве и легко утилизируемые в хозяйстве. Вторым существенным преимуществом является сопутствующая умягчению глубокая очистка воды от многих органических и минеральных грубодисперсных примесей. Недостатками метода, приведшими к замене его другим, является громоздкость производства и недостаточно глубокое удаление солей жесткости. Остаточной содержание их в умягченной воде, как правило, не бывает менее 0,5 мг-экв/л. Примерно такой же концентрации достигает и гидратная щелочность воды.

С открытием синтеза ионитов с большой обменной емкостью содово-известковый метод при необходимости получения относительно небольших количеств умягченной воды был практически вытеснен ионообменным:

RNa+Ca(HCO3)2↔R2Ca+2NaHCO3;

2RNa+Mg(HCO3)2↔R2Mg+2NaHCO3;

2RNa+CaCl2↔R2Ca+2NaCl;

2RNa+MgSO4↔R2Mg+Na2SO4.

Регенерация катионита, т.е. перевод его в натриевую форму, производится пропусканием через слой сорбента 6-10%-ного раствора поваренной соли с последующей отмывкой водой:

R2Ca+2NaCl→2RNa+CaCl2.

Но для регенерации требуется расход поваренной соли, превышающий стехиометрический в 3-5 раз. В своё время на это не обращали внимания, так как удобство метода и его экономические показатели в сравнении с содово-известковым с лихвой перекрывали повышенные затраты такого дешевого реагента как поваренная соль.

В настоящее время запрещён сброс в водотоки сточных вод с минерализованностью, превышающей 1 г/л. Это исключает применение ионообменного метода умягчения в его первоначальном варианте. Выход из положения нашли в использовании содово-щелочного метода очистки, но уже не воды, а регенерата ионообменных установок. Этот процесс описывается реакциями:

CaCl2+Na2CO3→↓CaCO3+2NaCl;

MgCl2+2NaOH→↓Mg(OH)2+2NaCl.

Для полного осаждения магния требуется небольшой избыток щелочи. После освобождения от выпавшего осадка и фильтрования раствор хлористого натрия может быть сново использован для регенерации. Избыточную щелочность нейтрализуют соляной кислотой.

Вода, умягченная с помощью ионитов, отличается от воды после содово-известкового умягчения, так как в ней сохраняются анионы угольной кислоты. Гидрокарбонат натрия в процессе гидролиза в парогенераторах превращается сначала в соду, а затем в щелочь. Поэтому сохранение гидрокарбонатов – это недостаток ионообменного метода умягчения воды. Их устраняют путем Н-катионирования, т.е. пропуская часть умягченной воды через катионит, отрегенерированный раствором кислоты.При этом происходит реакция: 2RH+CaCl2→R2Ca+2HCl. Очевидно, что через катионит в Н-форме необходимо пропуститьтакую часть обрабатываемой воды, чтобы выделившегося количества сильных кислот было достаточно для разрушения присутствующих в воде гидрокарбонатов по реакции:

NaHCO3+HCl→NaCl+H2O+CO2.

Преимущество совмещения Na- и Н-катионирования заключается в частичной обессоливании воды за счет обмена ионов Ca2+, Mg2+, Na+ на ионы водорода.

В отличие от содово-известкового метода при ионообменном умягчении глубина процесса зависит от ряда регулируемых факторов, а в первую очередь от глубины регенерации ионитов.

Умягчение воды – один из наиболее надежных методов её предварительной очистки перед подачей на электродиализные иои обратноосмотические аппараты, производящие частичную деминерализацию. Умягчение воды предотвращает опасность выпадения на поверхности мембран осадков карбоната или сульфата кальция, снижающих селективность мембран и эффективность опреснения воды.

4. Смешанный слой ионитов

Для получения особо чистой воды необходимо исключить обратимость реакций ионнобмена. Это достигается с помощью смешанного слоя ионитов, когда в одном реакторе в перемешанном состоянии находится катионит в Н-форме и анионит в ОН-форме. Благодаря очень близкому соседству положительно и отрицательно заряженных ионитов в смеси, протекают реакции:

RH + NaCl = RNa + HCl; ROH + HCl =RCl + H2O

ROH + NaCl = RCl+ NaOH; RH+ NaOH = R Na + H2O

Особенности смешанного слоя заключаются в следующем:

1. Качество фильтрата после прохождения через смешанный слой не зависит от концентрации солей в исходной воде.

2. Ряд сорбируемости на смешанном слое остается тем же, что и на отдельно используемых ионитах.

3. в связи с проявлением электростатических сил притяжения между катионно – анионообменными зернами иониты при смешивании занимают объем, значительно превосходящий объем и образуют более проницаемый слой.

4. Фронт сорбции перемещается без размытия. С помощью смешанного слоя можно приблизить расход регенерирующих агентов при сорбции ионов щелочноземельных металлов.

Смешанный слой получил наибольшее распространение для окончательной очистки воды, т.е. для очистки от гидрокарбонатов и гидросиликатов.

Отличительной чертой ионообменных процессов является наличие стадий регенерации. Особенностью самого процесса регенерации является потребность в избытке регенерирующего реагента. Величина этого избытка определяется степенью вогнутости изотермы десорбции и кинетической процесса. Вторичные загрязнения – это хорошо растворимые соли. При умягчении воды ионитами сброс солей в водоемы в 2,5 – 3 раза больше, чем вынос из них. При обессоливании природных и сточных вод в водоем сбрасывают в 4-5 раз больше, чем извлекают из очищаемой воды.