Водоподготовка

Водоподготовкой (водоочисткой) называется комплекс мер, направленных на повышение качества жидкости из природных источников путем ее освобождения от солей, примесей и биологических агентов.

Основное  назначение обработки жидкости –  получение воды, пригодной для бытовых и промышленных нужд и безопасной для конечного и промежуточного потребителя. При этом подразумевается использование только экономически оправданных и наиболее эффективных способов очистки.

Оптимальные технологические методики существенно различаются в каждом конкретном случае, однако, всех их можно отнести к той или иной стадии процесса подготовки воды.

Этапы водоочистки

• Осветление воды – ряд процедур, направленных на снижение ее мутности. Механические примеси затрудняют любую дальнейшую очистку жидкости, поэтому операция осветления обычно проводится в первую очередь.
• Обесцвечивание – устранение окрашивания жидкости из-за присутствия в ее составе некоторых коллоидов и растворенных веществ.
• Деминерализация включает обессоливание, обезжелезивание и умягчение жидкости. Очистка может осуществляться различными методами в зависимости от состава примесей.
• Обеззараживание или дезинфекция используется при обработке технической и питьевой воды для подавления жизнеспособности микроорганизмов и их спор.
• Коррекция щелочности/кислотности не входит в список обязательных этапов водоподготовки. Тем не менее, ее проведение зачастую необходимо и для технической, и для питьевой воды. Жидкость с ненормализованным уровнем pH способствует коррозии оборудования, а ее употребление оказывает негативное влияние на здоровье человека.

Бытовая водоподготовка

Контроль над соответствием  требованиям безопасности параметров подаваемой населению воды давно  не является приоритетом для муниципальных  служб. Проблему отчасти решает установка дополнительных систем очистки силами граждан. Наиболее доступное решение в этой сфере – бытовые фильтры для воды. Стоимость фильтрующего оборудования обычно невысока, а сложность их монтажа и регулярного обслуживания минимальна.При отсутствии централизованного водоснабжения возникает однозначная необходимость в более совершенных системах очистки. В загородном доме или на даче источником воды обычно служит закрытый колодец. Даже если качество жидкости устраивает владельцев большую часть года, при сезонных повышениях уровня грунтовых вод оно может резко ухудшаться.

Оптимальным вариантом в этом случае станет установка  комплексной системы фильтров, обеспечивающей достаточный уровень очистки  от механических загрязнений с последующим  обеззараживанием.Особенно значимую роль играет водоподготовка для котельной частного дома или коттеджа. Возможности по очистке в этом случае ограничены соображениями безопасности: в частности, для умягчения воды и связывания солей жесткости не используются многие эффективные технологии из-за возможного пагубного влияния на здоровье людей. Стоит помнить, что установка любого дополнительного оборудования для бытового газового котла требует обязательного согласования проекта в соответствующих службах.

Основные требования к качеству воды.Установленные в нашей стране требования к физико-химическим параметрам технической и питьевой воды нельзя назвать слишком жесткими, однако для обеспечения нормальной работы оборудования и безопасности населения они вполне достаточны.

Отбор проб воды для анализа.Для проведения анализов используется свежая вода, забор которой осуществляется из скважины или колодца непосредственно перед процедурой. Допускается хранение в закрытой бутылке в течение 2-3 часов при температуре не выше 10С.

Пригодная для питья жидкость имеет мутность не выше 2.6 ЕМФ, жесткость - порядка 7мг-экв/л  и слабо ощутимые привкус и запах. Коэффициент pH может изменяться в разных регионах, но должен оставаться в пределах 6-9 единиц. Содержание ионов металлов в такой воде не превышает 1мг/л, кроме кальция, магния, натрия и железа.

В миллилитре воды не должно содержаться болезнетворных микроорганизмов, а общее микробное число не может превышать 50 единиц на мл.

Промышленная водоподготовка

На сегодняшний день водоподготовка и водоочистка для нужд производства и коммунальных сетей является обязательной мерой, без которой работа системы водоснабжения попросту невозможна.

Наиболее  важна обработка воды в энергетической промышленности, где жидкость выступает  в роли теплоносителя. Если при простом  перекачивании многие соли жесткости  и другие примеси остаются в виде ионов, то нагревание и тем более испарение воды многократно повышает их активность и приводит к оседанию в виде накипи. Недостаточная очистка воды в теплоэнергетике становится причиной порчи дорогостоящего оборудования: котлов, трубопроводов, градирен.

Собственная станция очистки есть и на крупных предприятиях пищевой промышленности. Здесь требования к кондициям воды еще более жесткие, ведь она входит в состав продукции таких комбинатов.

В наименьшей степени водоподготовка значима при использовании жидкости в системах охлаждения и опрыскивания. Тем не менее, даже в этом случае необходимо проведение большинства процедур по ее очистке и обеззараживанию.

Следует учитывать тот факт, что промышленная водоподготовка включает не только методики, применяемые на производстве, но и всякую обработку жидкости с использованием оборудования соответствующего класса. К примеру, очистка воды в коммунальных сетях или хлорирование бассейнов также относятся к этой категории водоподготовки. Сюда же входит водоподготовка для коттеджа или частного дома, если они подключены к станции очистки воды дачного поселка или города.

В процессе промышленной водоподготовки применяют механические, физические, химические и физико-химические методы: осветление, умягчение, ионный обмен, обескремнивание  и дегазацию. Питьевую воду, кроме того, дезинфицируют. В приведенной на рис. 1.1 схеме показаны основные методы промышленной водоподготовки. Осветление воды осуществляется в основном методами осаждения примесей, выделяющихся из воды в виде осадка. Эти методы называют также реагентными, так как для выделения примесей в воду вводят специальные реагенты. К процессам осаждения, применяемым для осветления воды в промышленной водоподготовке, относятся коагуляция, известкование и магнезиальное обескремнивание.

Рис. 1.1. Схема очистки воды

Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипания коллоидных частиц и образования грубодисперсной  микрофазы (флокул) с последующим ее осаждением. В качестве реагентов для промышленной водоподготовки, обычно применяют сульфаты Al₂(SO4)₃ и FeSO₄. Повышение эффекта коагуляции достигается при добавлении флокулянтов (полиакриламида, активной кремниевой кислоты и др.). При этом ускоряется образование хлопьев и улучшается их структура. Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в основном из гидроксидов Аl и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или специальных 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.

Известкование воды производится для снижения гидрокарбонатной щелочности воды. Одновременно с этим уменьшаются жесткость, солесодержание, концентрации грубодисперсных примесей, соединений железа и кремниевой кислоты. Реагентом для этого процесса является гашеная известь Са(ОН)₂, которая подается в воду в виде суспензии (известкового молока). Для повышения эффективности удаления кремниевой кислоты при водоподготовке воду добавляют каустический магнезит (70…80 % MgO). Эти процессы, как правило, совмещаются и проводятся одновременно в одном аппарате – осветлителе. Окончательная очистка от осадка осуществляется с помощью фильтрования. В зависимости от соотношения размеров фильтруемых частиц и эффективного диаметра пор удержание частиц может происходить как в объеме фильтрующего слоя (адгезионное фильтрование), так и на его поверхности (пленочное фильтрование). В качестве фильтрующих материалов в основном используют кварцевый песок, дробленый антрацит, сульфоуголь, целлюлозу, перлит, вулканические шлаки, керамзит и др.

Умягчение воды в промышленной водоподготовке - очистка от соединений кальция  и магния, обусловливающих жесткость воды. Одним из наиболее эффективных способов умягчения воды является известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывается на следующих реакциях:

1. Обработка гашеной известью для  устранения временной жесткости,  удаления ионов железа и связывания СО₂:

Са(НСО3)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃ ↓ + 2Н₂О;

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → 2СаСО₃ ↓ + Mg(OH)₂ ↓ + 2H₂O;

FeSO₄ + Ca(OH)₂ → Fe(OH)₂ ↓ + CaSO₄ ↓;

CO₂ + Ca(OH)₂ →CaCO₃ ↓ + H₂O;

2. Обработка кальцинированной содой  для устранения постоянной жесткости:

MgSO₄ + Na₂CO₃ → MgCO₃ ↓ + Na₂SO4

MgCl₂ + Na₂CO₃ → MgCO₃ ↓ + 2NaCl

CaS0₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃ ↓ + Na₂SO₄

3. Обработка тринатрийфосфатом для  более полного осаждения катионов  Са²⁺ и Mg²⁺:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ → Са₃(РО₄)₂ ↓ + 6NaHCO₃;

3MgCI₂ + 2Na₃PO₄ → Mg₃(PO₄)₂ ↓ + 6NaCl.

Растворимость фосфатов кальция и  магния ничтожно мала, что обеспечивает высокую эффективность фосфатного метода.

Сегодня в промышленной водоподготовке для умягчения, обессоливания воды и удаления кремня специалисты РХТУ им. Д.И. Менделеева применяют мембранные технологии (нанофильтрации и низконапорный обратный осмос), а также технологии ионного обмена. Сущность метода ионного обмена в том, что твердое тело – ионит – поглощает из раствора электролита положительные или отрицательные ионы в обмен на эквивалентное количество других, одноименно заряжен- ных ионов. В соответствии со знаком заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты.

Катиониты – практически нерастворимые в воде вещества, представляющие собой соли или кислоты с анионом, обусловливающим нерастворимость в воде; катион же (натрий или водород) способен вступать в определенных условиях в обменную реакцию с катионами раствора, в котором находится катионит. Катиониты соответственно называются Na-катионитами и Н-катионитами.

Аниониты – основания или  соли с твердым нерастворимым  катионом. Аниониты содержат подвижную  гидроксильную группу (ОН-аниониты).

В качестве Na-катионитов в промышленной водоподготовке применяют алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и другие; в качестве Н-катионитов – сульфоуголь, синтетические смолы; к ОН-анионитам относятся искусственные смолы сложного состава, например карбамидные. Ионный обмен между раствором и ионитом имеет характер гетерогенной химической реакции. Следует отметить, что примеси, удаляемые из воды методом ионного обмена, не образуют осадка, и что такая обработка не требует непрерывного дозирования компонентов. Важной характеристикой ионитов является обменная емкость, показывающая способность ионита поглощать определенное количество ионов в данных условиях. Обменная емкость определяет продолжительность рабочего цикла ионитовых фильтров. При достижении заданного предела обменной емкости ионита проводят процесс его восстановления (ионный обмен, проводимый в обратном порядке). В основе катионного процесса умягчения лежат реакции обмена ионов натрия и водорода катионитов на ионы Са2+ и Mg2+. Обмен ионов натрия называется Na-катионированием, а ионов водорода – Н - катионированием:

2R/Na⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2Na⁺;

2R/Na⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2Na⁺,

где R – комплекс матрицы и функциональной группы, не участвующей в ионном обмене (его принято считать одновалентным). 
Обмен катионов при Н-катионировании протекает согласно реакциям:

2R/H⁺ + Ca²⁺ R₂/Ca²⁺ + 2H⁺;

2R/H⁺ + Mg²⁺ R₂/Mg²⁺ + 2H⁺;

R/H⁺ + Na⁺ R/Na⁺ + H⁺.      

 При достижении катионитами заданного предела обменной емкости их регенерируют промывкой раствором NaCl или серной кислоты H₂SO₄. Регенерация Н-катионного фильтра производится 1…1,5 %-ным раствором серной кислоты. Регенерация анионитовых фильтров производится обычно 4 %-ным раствором NaOH.

На рис. 1.2 представлена схема установки  для водоподготовки с последовательным применением Н - катионирования и  ОН-анионирования. При прохождении воды через катионит она освобождается от ионов кальция и магния в Н-катионитовом фильтре 1, а затем в анионитовом фильтре 2 из нее удаляются анионы. Далее вода проходит через дегазатор 3, где она освобождается от кислорода и диоксида углерода, и далее через сборник 4 к потребителю. Для регенерации в фильтр 1 подается раствор серной кислоты, в фильтр 2 – гидроксида натрия.

Рис. 1.2. Схема установки для умягчения воды: 1 – катионитовый фильтр; 2 – анионитовый фильтр; 3 – дегазатор; 4 – сборник воды.

Важная  часть комплексного технологического процесса водоподготовки – удаление из воды растворенных газов. Наличие  газов в воде объясняется как их сорбцией и протеканием химических реакций в процессе образования примесей в природной воде, так и появлением их в процессе различных стадий очистки. Эти газы можно разделить на химически невзаимодействующие (Н₂, О₂, СН₄) и химически взаимодействующие с водой и ее примесями (NH₃, CO₂, Сl₂), а также на коррозионно-активные (О₂, СО₂, NH₃, Cl₂, H₂S) и инертные (N₂, H₂, СН₄). Концентрация газов в воде зависит от многих факторов, основные из них – физическая природа газа, степень насыщения, давление в системе и температура воды.

Основной  способ удаления из воды растворенных газов процессе водоподготовки –  десорбция (термическая деаэрация). Принцип ее заключается в создании контакта воды с паром, в котором  парциальное давление газа, удаляемого из воды, близко к нулю, что является необходимым условием процесса десорбции. Этот процесс осуществляется, в основном, в деаэраторах (вакуумных, атмосферных, постоянного давления), которые по способу распределения воды и пара разделяют на струйные, пленочные и барботажные. Интервал рабочего давления в вакуумных деаэраторах составляет 0,0075…0,05 МПа.