Водоподготовка

ВОДОПОДГОТОВКА, комплекс технол. процессов обработки и очистки воды для приведения ее кач-ва в соответствие с требованиями потребителей. Осн. процессы рассмотрены ниже. Кроме того, при В. из воды могут удаляться Mn, F, синтетич. моющие и красящие в-ва, пестициды и др. В. проводят на спец. станциях, производительность к-рых может составлять от неск. м³/сут до млн. м³/сут.

Осветление. Вода поверхностных (открытых) источников, как правило, содержит крупнодисперсные и коллоидные минер. и орг. примеси, обусловливающие ее цветность. Для их удаления воду обрабатывают коагулянтами [A1₂(SO₄)₃, FeSO₄, FeCl₃] и флокулянтами (полиакриламидом, активной H₂SiO₃ и др.). Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в осн. из гидроксидов А1 и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или спец. осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу воды), напорных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с загрузкой из зернистых материалов (кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, шунгизит и др.), а также во флотаторах, гидроциклонах, намывных фильтрах. Для частичного удаления крупнодисперсных примесей и фитопланктона, образующегося при цветении водоемов, применяют сетчатые микрофильтры, плоские и барабанные сетки. См. также Осаждение.

Обеззараживание. Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а присутствие в воде нек-рых видов микроорганизмов (напр., нитчатых, зооглейных, суль-фатвосстанавливающих бактерий, железобактерий) вызывает биол. обрастание, а иногда и разрушение трубопроводов и оборудования.

Наиб. распространено хлорирование воды жидким или газообразным С1₂, гипохлоритами - NaClO, Са(СlO)₂ и СlO₂. Хлор взаимод. с водой с образованием НС1О и НС1; при рН > 4 свободный С1₂ практически отсутствует, при рН > 5,6 НС1О диссоциирует на Н⁺ и СlO^-. Бактерицидность недиссоциированной НС1О в 70-80 раз больше, чем у СlO^-. При наличии в воде NH₃, аммониевых солей или орг. в-в, содержащих группы NH₂, C1₂, HC1O и гипохлориты реагируют с ними, образуя неорг. и орг. моно- и дихлорамины. Монохлорамины в 3-5 раз менее бактерицидны, чем дихлорамины, к-рые в свою очередь в 20-25 раз менее эффективны свободного С1₂. Бактерицидность хлораминов, образованных С1₂, НОС1, С1О^-, NH₃ или солями аммония, в 8-10 раз выше, чем бактерицидность хлорпроизводных орг. аминов или иминов. Концентрацию свободного и связанного (в хлораминах) С1₂, необходимую для обеспечения заданного обеззараживающего эффекта, определяют по результатам пробного хлорирования. Для обеззараживания воды применяют также озон и УФ-облучение.

Стабилизация. Стабильной считается вода, к-рая не выделяет и не растворяет отложения СаСО₃. Показателем стабильности служит индекс насыщения I воды карбонатом Са, к-рый рассчитывают по данным о рН и т-ре обрабатываемой воды, а также концентрации катионов Са²⁺ , общих щелочности и солесодержании. Исходя из этих данных, находят pH_s, соответствующий насыщению воды карбонатом. На основе pH_s и измеренного значения рН вычисляют I = рН — рН₅. Вода считается стабильной, если I = 0; при I < 0 вода вызывает коррозию стали, чугуна и др. материалов. При I > 0 может выделяться СаСО₃ с образованием противокоррозионной пленки на стенках трубопроводов и оборудования. Это связано с наличием в воде СО₂: при его избытке происходит коррозия, при недостатке - пересыщение воды СаСО₃, что и приводит к образованию накипи.

Для связывания СО₂ в Са(НСО₃)₂ или NaHCO₃ воду обрабатывают Са(ОН)₂, Na₂CO₃ или др. щелочными реагентами. Многие прир. и производств. воды, идущие на охлаждение, пересыщены СаСО₃, а также Mg(OH)₂. При использовании в кач-ве хладагента вода нагревается, что вызывает разложение гидрокарбонатов и выпадение СаСО₃; помимо этого, осаждаются Mg(OH)₂ и нек-рые соли. Для устранения отложений воду подкисляют H₂SO₄ или НС1, обрабатывают СО₂ (обычно топочными газами - т. наз. рекарбонизация), фосфатируют (напр., полифосфатами) и стабилизируют др. реагентами.

Умягчение заключается в удалении из воды катионов Са²⁺ и Mg²⁺ (см. Жесткость воды).

Реагентное умягчение основано на введении в воду в-в, обогащающих ее анионами СО₃^2- и ОН^-, в результате чего образуются труднорастворимые СаСО₃ и Mg(OH)₂, выделяемые из воды осаждением и фильтрованием. При обработке воды известью [гашеной Са(ОН)₂ или негашеной СаО] происходит декарбонизация - устранение карбонатной жесткости; снижается также щелочность воды. Известь связывает растворенный в воде СО₂ с образованием гидрокарбонатных ионов НСО₂, к-рые, взаимод. с известью, превращ. в карбонаты, выпадающие в осадок. Для устранения магниевой карбонатной жесткости кол-во извести должно обеспечивать получение малорастворимой Mg(OH)₂ при одноврем. эквивалентном выделении в осадок СаСО₃. Предел умягчения воды известью определяется р-римостью СаСО₃ и Mg(OH)₂.

Воду обрабатывают известью и содой в тех случаях, когда Са и Mg присутствуют в воде не только в виде гидрокарбонатов, но и в виде хлоридов и сульфатов, т.е. для устранения как карбонатной, так и некарбонатной жесткости. При этом образуются осадки СаСО₃ и Mg(OH)₂, в р-р переходит Na⁺ (в виде Na₂SO₄ и NaCl) в кол-ве, эквивалентном кол-ву Na₂CO₃. Вода, умягченная известью и содой без подогрева, имеет остаточную жесткость порядка 0,5-1,0 ммоль/л. При нагр. воды до 35-40 °С можно поддерживать остаточную жесткость не более 0,5 ммоль/л. При подогреве воды до 100 °С и выше (термохим. умягчение, применяемое для питания паровых котлов) остаточная жесткость составляет 0,3 ммоль/л. Избыток извести повышает остаточную жесткость воды и одновременно обусловливает увеличение ее щелочности.

Катионирование в о д ы - пропускание ее через слой зернистого катеонита. В результате ионы Са²⁺ и Mg²⁺ обмениваются на ионы катеонита. Последний регенерируют р-рами солей, содержащими катионы Na⁺ или NH₄⁺, либо к-тами, атомы Н к-рых вытесняют поглощенные ионы Са²⁺ и Mg^{2 +} .

В связи с этим различают Na⁺ -, Н⁺ - или NH₄⁺- катионирование. Способность разных катеонитов к обмену ионов выражается емкостью поглощения (обменной способностью) по отношению к данному иону и измеряется числом молей катионов, поглощенных 1 м³ катеонита. Различают рабочую (до "проскока" ионов Са²⁺ и Mg²⁺ с профильтрованной водой) и полную (до полного истощения катеонита) емкости поглощения. Полная емкость поглощения катионитов составляет 570-1700 моль/м³. Рабочая емкость зависит от св-в, условий регенерации катеонита, размеров зерен и высоты его слоя в фильтре, типа обменного иона, общего солесодержания, скорости фильтрования и может изменяться в пределах 40-70% от полной. См. также Иониты.

Опреснение и обессоливание. Удаление солей из воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде (доли или неск. мг/л), наз. обессоливанием, а удаление солей до концентраций, допустимых при применении воды для питья (до 1 г/л), - опреснением.

Обессоливание дистилляцией основано на выпаривании воды с дальнейшей конденсацией пара. Испарители м. б. многоступенчатыми с использованием пара предыдущей ступени для испарения воды в последующей.

Обессоливание и опреснение воды ионным обменом достигается путем последоват. фильтрования воды через зернистые слои Н⁺-катеонита и ОН^- -анионита. При этом находящиеся в воде катионы и анионы заменяются соотв. на Н⁺ и ОН^-, образующие молекулы Н₂О. В случае фильтрования воды через Н⁺ - катеонит СО₂, к-рый образуется при взаимод. ионов HCO₃^- и Н⁺, удаляется в спец. дегазаторе продуванием воздуха через воду. Емкость поглощения анионитами отд. анионов различна и определяется св-вами анионитов, кислотностью воды и рядом техн. факторов (крупностью зерен и др.). Полная емкость анионитов составляет 1500 моль/м³. Низкоосновные аниониты регенерируют NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃, высокоосновные -NaOH. Простейшая одноступенчатая схема обессоливания включает Н⁺ -катионитный фильтр, декарбонизатор для выделения из воды СО₂ и ОН^- - анионитный фильтр. При такой схеме вода частично обессоливается (до солесодержания 5-10 мг/л), при этом концентрация в ней H₂SiO₃ практически не снижается. Более глубокое обессоливание воды м. б. достигнуто на двухступенчатых установках (до солесодержания 0,1-0,3 мг/л и концентрации H₂SiO₃ до 0,02-0,1 мг/л). Практически полностью воду можно обессолить (до солесодержания 0,05-0,1 мг/л и концентрации H₂SiO₃ менее 0,02-0,05 мг/л) на трехступенчатой ионитной установке, причем вместо двух фильтров (Н⁺ - и ОН^- -фильтры) на третьей ступени м. б. применен фильтр со смешанной катионитно-анионитной загрузкой. При двух-и трехступенчатой ионитных установках на первой ступени используют низкоосновный, на второй и третьей ступенях - высокоосновный аниониты.

Обессоливание воды электродиализом и обратным осмосом не требует применения хим. реагентов и характеризуется существенно меньшими энергетич. затратами по сравнению с дистилляцией. При электродиализе используют селективные мембраны ионообменные, при обратном осмосе - полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие растворенные минер. и орг. в-ва. Расход электроэнергии на 1 м³ воды, обессоленной электродиализом, составляет 6-30 кВт*ч/м³, обратным осмосом - 1,5-15 кВт*ч/м³. Электродиализом воду можно обессолить на 90%, обратным осмосом - на 98%. В установках обратного осмоса рабочее давление достигает 5-10 МПа, укладка мембран м. б. по типу фильтропресса, трубчатая, рулонная (спиральная и в виде полого волокна). См. также Мембранные процессы разделения.

Обезжелезивание. В подземных водах железо обычно находится в виде Fe(HCO₃)₂, в поверхностных водах - в виде тонкодисперсной взвеси гидроксида или входит в состав комплексных орг. в-в.

Подземные воды обезжелезивают упрощенной аэрацией (своб. падением воды с высоты 0,4-0,6 м) с послед. фильтрованием через слой зернистого материала. При этом на пов-сти зерен выделяется каталитич. пленка соединений Fe, интенсифицирующая обезжелезивание. Метод используют при общем содержании железа до 10 мг/л (в т.ч. Fе^{2 +} - не менее 70%). Н₂S - до 0,5 мг/л; рН не менее 6,8. В др. случаях и при наличии в воде агрессивного СО₂ применяют аэрацию с помощью спец. аэраторов-градирен и фильтрование через слой зернистого материала. При значит. содержании Fe перед фильтрами иногда устанавливают отстойник, где происходят окисление Fe²⁺ в Fe^{3 +} и коагуляция образующегося Fe(OH)₃, к-рый задерживается на фильтрах.

Аэрация, совмещаемая с подщелачиванием воды Са(ОН)₂ или Na₂CO₃ и фильтрованием, - универсальный метод, позволяющий удалять Fe во всех формах из подземных и поверхностных вод. Добавление р-ра щелочных реагентов в воду осуществляется непосредственно после аэратора. При этом методе из воды может выделяться Fe(OH)₂ или FeCO₃. В ряде случаев для комплексной очистки воды от Fe ⁺ и др. восстановителей, напр. H₂S, в нее перед подачей в фильтры вводят окислители - Сl₂ и КМnO₄.

Обескремнивание. Содержание H₂SiO₃ и ее солей в прир. водах обычно колеблется от 1 до 50-60 мг/л. Высокие концентрации H₂SiO₃ и ее солей вследствие образования накипи недопустимы в воде, используемой для питания паровых котлов высокого давления, а также в нек-рых произ-вах (напр., целлюлозы, полупроводников, лек. препаратов и др.). При применении извести можно уменьшить содержание Si в воде до 0,3-0,5 мг/л (в расчете на SiO₃^2-).

При обескремнивании воды солями Fe³⁺ расход их составляет ок. 2 мг Fe на 1 мг удаляемой коллоидной H₂SiO₃. Обескремнивание солями А1 лучше происходит при введении в воду NaAlO₂ (10-15 мг/л на 1 мг SiO₃^2-), чем A1₂(SO₄)₃. Обработкой Mg(OH)₂ при нагр. воды до 40 °С удается снизить содержание Si до 1 мг/л, при нагр. до 100°С - до 0,25 мг/л.

При использовании обожженного доломита остаточное содержание SiO₃^2- уменьшают до 2 мг/л при подогреве воды до 40 °С и до 0,2 мг/л - при подогреве до 98 °С. В случае введения в нагретую воду каустич. магнезита (10-15 мг на 1 мг удаляемой SiO₃^2-) образовавшийся Mg(OH)₂ сорбирует из воды H₂SiO₃, при этом содержание Si уменьшается до 1,0-1,5 мг/л. Почти полное Обескремнивание воды (до 0,02-0,05 мг/л) м. б. достигнуто путем ионного обмена.

Дегазация. Растворенные в воде газы (О₂, СО₂, H₂S) повышают ее коррозионную активность и придают неприятный привкус и запах (H₂S, CH₄). На тепловых электростанциях дегазация - один из важных процессов, осуществляется гл. обр. пропусканием через воду пара. При этом в результате нагревания ее до т-ры кипения при атм. давлении или в вакууме р-римость газов в воде снижается до нуля. Аэрацию воды посредством ее разбрызгивания используют в осн. для устранения СО₂ и H₂S (O₂ не удаляется). Как самостоят. метод для очистки воды от H₂S аэрацию можно использовать только при малых его концентрациях; метод наиб. эффективен при рН < 5. Хим. методы применяют гл. обр. для обескислороживания воды, добавляя к ней разл. восстановители (SO₂, Na₂SO₃, Na₂S₂O₃, гидразин). Очисткой воды в биохим. реакторах с послед. фильтрованием через слой зернистого материала можно практически полностью устранить H₂S, гидросульфиды и сернистые соединения.

Лит.: Кастальский А.А., МинцД.М., Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения, М., 1962; Минц Д.М., Теоретические основы технологии очистки воды, М., 1964; Апельцин Н.Э., Клячко В.А., Опреснение воды, М., 1968; Клячко В.А., Апельцин Н.Э., Очистка природных вод, М., 1971; Водоподготовка. Процессы и аппараты, под ред. О. И. Мартыновой, М., 1977; Кульский Л. А., Теоретические основы и технология кондиционирования воды, 3 изд., К., 1980; Абрамов Н. Н., Водоснабжение, 3 изд., М., 1981 С. В. Яковлев. В. А. Гладков.