В зависимости от целевого назначения к воде предъявляются разные требования. Например, хозяйственно-питьевая вода должна быть безвредной для здоровья человека, иметь хорошие вкусовые качества и быть пригодной для приготовления пищи, мытья посуды, стирки белья и т. д.
Качество воды хозяйственно-питьевого назначения оценивается по показателям, основные из которых приведены в табл. 1.15,1.16 и 1.19.
Применяемая для технических целей вода (например, в системах теплоснабжения) не должна образовывать накипь на омываемых поверхностях, вызывать коррозию металла и вспениваться.
Вода природных источников, как правило, не отвечает перечисленным выше требованиям, поэтому должна подвергаться очистке (обработке). Способы и степень очистки воды, состав и конструкция очистных сооружений в каждом конкретном случае зависят от состава природной воды и требований, предъявляемых к ее качеству.
В практике водоснабжения населенных пунктов водой питьевого качества наиболее распространенными процессами очистки воды являются осветление и обеззараживание. Кроме того, существуют специальные способы улучшения качества воды:

• умягчение (устранение катионов жесткости);
• обессоливание (снижение общей минерализации);
• обезжелезивание (снижение концентрации железа);
• дегазация (удаление растворенных в воде газов);
• обезвреживание (удаление ядовитых веществ);
• дезактивация (очистка от радиоактивных загрязнений).

  Рассмотрим, какова физико-химическая сущность и основные технологические процессы, происходящие при очистке природных вод на водопроводных станциях крупных городов.

Осветление воды

Осветление - это устранение мутности воды путем снижения в ней содержания взвешенных примесей. Мутность природной воды, особенно поверхностных источников в паводковый период, может достигать 2000-2500 мг/л (при норме для воды хозяйственно-питьевого назначения не более 1,5 мг/л). Взвешенные в воде примеси обладают различной степенью дисперсности - от грубых, быстро оседающих частиц до мельчайших, образующих коллоидные системы. В табл. 2.2 приведены скорости осаждения частиц различной степени дисперсности при температуре 100 °С.

Таблица 2.2. Скорость осаждения частиц различной степени дисперсности.

Диаметр частицы, м	Наименование частицы	Скорость осаждения, мм\с	Время осаждения на глубину 1 м
10-2	Крупный песок	100	10 с
10-3	Мелкий песок	8	2 мин
10-4	Ил	0,154	2 ч
10-5	Глина	0,00154	7 дней
10-6	Мелкая глина	0,0000145	2 года

Тонкодисперсные коллоидные частицы, обладая одноименным электрическим зарядом, взаимно отталкиваются и вследствие этого не могут укрупняться и выпадать в осадок. Одним из наиболее широко применяемых на практике способов снижения в воде содержания тонкодисперсных примесей является их коагулирование с последующим осаждением и фильтрованием. Сущность процесса коагулирования заключается в следующем.
В исходную воду вводят специальные вещества, называемые коагулянтами. Особенность этих веществ заключается в том, что они имеют противоположный по отношению к коллоидным частицам заряд. При добавлении в воду коагулянтов происходит постепенное снижение электролитического потенциала отдельных коллоидных частиц. Под действием сил молекулярного притяжения эти частицы начинают слипаться, укрупняться и выпадать в осадок. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом хлопьев и отделением их от жидкой среды. Оседающие хлопья при движении адсорбируют на своей поверхности взвешенные примеси. Таким образом, по мере осаждения хлопьев происходит постепенное осветление воды. В качестве коагулянтов применяют сернокислый алюминий А₂(SО₄)₃, железный купорос FеSО₄ и хлорное железо FеСl₃.
Необходимая для осветления воды доза коагулянта зависит от ее мутности, водородного показателя и времени отстаивания; на практике подбирается опытным путем и чаще всего составляет 60-120 мг/л. Коагулянт вводят в обрабатываемую воду в виде раствора. Сухой коагулянт вначале растворяют в специальных емкостях, а затем дозируют в обрабатываемую воду. Для улучшения эффекта осветления и уменьшения расхода коагулянта его следует хорошо и быстро (в течение 1-3 мин) перемешать с водой. Для этого применяются специальные смесительные устройства. Из смесителей вода поступает в камеры реакций, где в течение 20-40 мин происходит процесс хлопьеобразования.
Из камер реакций вода, насыщенная хлопьями коагулянта, поступает в отстойники. Они бывают двух типов - горизонтальные и вертикальные.
Горизонтальный отстойник, представляющий собой прямоугольный резервуар , применяется на водоочистных станциях производительностью более 30 тыс. м³/сут. Отстаиваемая вода по трубе направляется в дырчатый желоб. Имеющиеся в нем отверстия и направляющий щит предназначены для более равномерного распределения потока воды по ширине и глубине отстойника. Пройдя по отстойнику, вода поступает в другой желоб и из него по трубе подается на дальнейшую обработку. Дно отстойника имеет уклон в направлении, обратном движению воды. Образующийся осадок удаляется из отстойника по трубопроводу.
Вертикальные отстойники (рис. 2.22) рекомендуется использовать при суточной производительности водоочистного комплекса до 3 тыс. м³/сут. Отстойник такого типа представляет собой железобетонный цилиндр с коническим дном. Вода подается в центральную трубу через сопла, закрепленные в виде неподвижного колеса. Выходя из сопла, вода приобретает вращательное движение и движется сверху вниз. Для прекращения вращательного движения в нижней части центральной трубы установлен гаситель. После выхода из центральной трубы осветляемая вода поднимается вверх, переливается в кольцевой желоб и отводится из сооружения по выпускной трубе. Образующийся на дне осадок удаляется из отстойника по отводной трубе. Скорость движения воды в отстойнике должна быть меньше скорости оседания хлопьев. Осветленная в отстойнике вода подвергается фильтрованию. Для фильтрования воды используется барабанный фильтр (рис. 2.23), представляющий собой сетку с размером ячейки 40x40 мкм.Обрабатываемая вода подается внутрь барабана, фильтруется через вращающуюся сетку, освобождается от взвешенных частиц и примесей и подается на дальнейшую обработку. Отфильтрованные на сетке загрязнения током воды смываются в канализацию.
Для фильтрования воды на водоочистных станциях часто применяются открытые скорые фильтры . Они имеют в нижней части дренажное устройство, на которое уложен поддерживающий слой гравия. На него насыпают фильтрующий слой из кварцевого речного песка. В режиме фильтрации вода по впускной трубе подается в боковой карман. Двигаясь сверху вниз, вода фильтруется через слой песка и гравия и, пройдя их, по выпускной трубе дренажного устройства отводится из фильтра. Загрязненный фильтр обратным током воды промывается один-два раза в сутки, в зависимости от количества взвеси в воде. В процессе промывки чистая вода по трубе подачи промывочной воды через водораспределительную систему поступает в нижнюю часть фильтра. Пройдя его, вода, двигаясь снизу вверх, разрыхляет и промывает песок (во время промывки высота слоя песка увеличивается не менее чем на 45-50%). Иногда подачу промывочной воды совмещают с подачей сжатого воздуха. Загрязненная промывочная вода, поднимаясь вверх, переливается через кромки желобов и отводится в боковой карман, а из него по трубе для сброса промывочной воды - в канализационную сеть.После осветления вода поступает в резервуары чистой воды. При необходимости осветленная вода может быть подвергнута специальной обработке. Завершающим этапом очистки воды является ее обеззараживание.

Обеззараживание воды

Обеззараживание - процесс подавления жизнедеятельности содержащихся в воде болезнетворных микробов. Используемые в практике водоснабжения технологические схемы очистки воды (осветление и фильтрование) способствуют значительному снижению ее бактериальной загрязненности. Так, осветление воды фильтрованием с предварительным коагулированием позволяет снизить содержание в ней микроорганизмов на 90-95%.
Однако среди оставшихся микроорганизмов могут оказаться и болезнетворные (бациллы брюшного тифа, туберкулеза и дизентерии; вибрион холеры; вирусы полиомиелита и энцефалита), являющиеся источником инфекционных заболеваний. Для окончательного их уничтожения вода, предназначенная для хозяйственно-питьевых целей, должна быть в обязательном порядке подвергнут обеззараживанию. В настоящее время на объектах жилищно-коммунального хозяйства для обеззараживания воды, как правило, используется хлорирование. В случае высокой мутности и цветности природных вод применяется предварительное хлорирование.
Первые сведения об использовании хлорирования для обеззараживания относятся к концу прошлого столетия. Для этой цели на очистных станциях использовали в основном газообразный хлор Сl₂ и хлорную известь СаОС1₂. При добавлении, например, газообразного хлора к воде происходит его гидролиз с образованием хлорноватистой кислоты НОС1:

Cl₂ + H₂O —> HCl + HOCl.

Хлорноватистая кислота постепенно диссоциируется на ион водорода Н⁺ и гипохлористый ион ОСl^-:

НОСl —> Н⁺ + ОСl^-.

В хлорированной воде одновременно могут находиться газообразный хлор, хлорноватистая кислота и гипохлоритион. Хлорноватистая кислота обладает более сильным, чем гипохлоритион, обеззараживающим действием. Это связано с тем, что НОС по сравнению с ОСl^- обладает более высоким окислительным потенциалом.
Обеззараживающий эффект хлорирования зависит от сочетания многих факторов, среди которых наибольшее значение имеют температура, водородный показатель и мутность воды.
Установлено, что с понижением температуры и рН обеззараживающий эффект хлорирования возрастает. Увеличение мутности воды приводит к снижению обеззараживающего действия хлора.
Для достижения надежного обеззараживающего эффекта очень важно правильно выбрать дозу хлора. Недостаточная доза может оказаться неэффективной, а избыточная - привести к увеличению остаточных концентраций хлора в очищенной воде, что ухудшит ее вкусовые качества. Необходимая доза хлора определяется опытным путем, по результатам пробного хлорирования обрабатываемой воды. Оптимальной считается доза, которая при 30-минутном контакте хлора с водой обеспечивает концентрацию в воде остаточного хлора 0,3-0,5 мг/л.
Для хранения и дозирования хлора в обрабатываемую воду на водоочистных станциях строятся специальные сооружения, называемые хлораторными. Как показывает практика, аварии в хлораторных, связанные с утечкой хлора, могут привести к гибели персонала водоочистных станций и жителей близлежащих районов. Это один из недостатков обеззараживания воды методом хлорирования. Вторым недостатком является возможность вторичного загрязнения воды. Для устранения хлорных и фенольных запахов производят хлорирование с аммонизацией. В результате в воде образуются моно- и дихлорамины, бактерицидное действие которых, по сравнению с хлором, менее выражено, но длительность этого действия превышает длительность действия хлора.

Реагенты, используемые при очистке воды традиционными методами

В процессе очистки воды могут применяться различные реагенты: соли, кислоты, щелочи и хлорсодержащие вещества. Эти вещества могут быть разбиты на три большие группы:

• коагулянты и вещества, способствующие коагуляции (флокулянты);
• реагенты для корректировки водородного показателя воды (кислоты и щелочи), для ее умягчения и стабилизационной обработки;
• реагенты для обеззараживания воды.

При подготовке воды питьевого назначения могут использоваться реагенты всех трех групп.

В качестве коагулянтов при обработке воды чаще всего используют сернокислый алюминий (сернокислый глинозем), сернокислое закисное железо (железный купорос) и хлорное железо. Реже применяют алюминат натрия, оксихлорид алюминия и алюмокалиевые квасцы.

Сернокислый алюминий А₂(SО₄)₃ х 18Н₂О получают путем обработки серной кислотой бокситов, каолинов и других глин, содержащих окись алюминия. В зависимости от технологии изготовления и свойств исходного продукта получают различные сорта коагулянта.
На водоочистную станцию может поступать как неочищенный, так и очищенный сернокислый глинозем (содержание действующего вещества не менее 9 и 13% соответственно), а также сернокислый алюминий в виде раствора (до 50% действующего вещества в пересчете на водный сернокислый алюминий). За рубежом выпускается и гранулированный сернокислый алюминий, что облегчает дозирование его в воду.

В качестве коагулянта используется также железный купорос (водный сульфат закиси железа FеSО₄ х 7Н₂О), который получают путем травления отходов черных металлов серной кислотой. Этот продукт представляет собой светло-зеленые кристаллы, поверхность которых по степенно покрывается желтым налетом. Железный купорос выпускается марок А и Б (содержание действующего вещества соответствен­но не менее 53 и 47%). Железный купорос выпускается также в виде 30%-го раствора.
Хлорное железо FеСl₃ поставляется на водопроводные станции в герметичных бочках, заполненных не менее чем на 98%. Хлорное железо может быть получено на месте применения путем обработки хлором железного купороса. Получается так называемый хлорированный железный купорос:

6FеS0₄ + ЗСl₂ —> 2FеСl₄ + 2Fе₂(SО₄)₃.

Это основные коагулянты, применяемые для осветления природных вод.

Для ускорения процесса коагулирования, особенно при низких, менее 10 °С, температурах, и при коагулировании маломутных вод вместе с коагулянтами вводят органические и неорганические вещества, способствующие хлопьеобразованию, - так называемые флокулянты.
В качестве флокулянта используют в основном полиакрилполиамид (ПАА), который за рубежом известен как «Аэрофлок-300». В последние годы в качестве флокулянта используют импортный продукт «Суперфлок».

Неорганические флокулянты обычно представляют собой коллоиды, заряд которых противоположен заряду коллоидных частиц взвесей. Однако неорганические флокулянты получили меньшее распространение ввиду их меньшей (по сравнению с органическими) эффективностью при низких температурах.
Для корректировки водородного показателя воды используют кислоты и щелочи. Для обеззараживания воды в основном используют хлорную известь, газообразный и жидкий хлор, электролитически полученный гипохлорит натрия.

Одним из самых больших достижений в технике обеззараживания воды считается применение в качестве бактерицидного и коагулирующего реагента оксихлорида алюминия. Этот реагент с 1995 г. используется на очистных сооружениях Новосибирска. Экспериментальное применение на очистных сооружениях Петербурга также показало его эффективность.

При использовании рассмотренных реагентов следует принимать особые меры предосторожности. С точки зрения экологии наибольшую опасность представляют хлорсодержащие вещества, особенно газообразный хлор. Это связано с тем, что хлор является ядовитым газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе составляет 0,001 мг/л. Хлор в полтора раза тяжелее воздуха. При утечках он образует с парами воздуха зеленовато-бурый туман, который стелется в направлении ветра, затекая в различные сооружения. Аварии при работе с хлором могут привести к массовой гибели сотрудников водоочистных станций и жителей окрестных мест. Основными признаками отравления хлором являются сухой кашель, резкая боль в груди, резь в глазах, рвота и нарушение координации движений. Это один из недостатков, притом существенный, использования хлора для обеззараживания. К числу преимуществ хлорирования воды необходимо отнести дешевизну, отработанность технологии, достаточно высокий бактерицидный эффект и эффект последействия, т. е. сохранение бактерицидных свойств воды при ее транспортировании по распределительной водопроводной сети.

 

Из книги "Чистая вода"
Миклашевский Н.В.
Королькова С.В.