Современные станции по очистке воды представляют собой сложный комплекс специальных сооружений и устройств. Структура водоочистных станций предусматривает наличие склада реагентных веществ, насосных агрегатов, очистных сооружений различного назначения, резервуаров для хранения обработанной воды и контрольно-измерительных приборов.
Исходная вода поступает в смеситель, где в нее вводится раствор коагулянта и после перемешивания поступает в камеру реакций, где происходит образование хлопьев коагулянта. Далее вода поступает в отстойник, а из него пропускается через фильтр. После фильтрации, при выходе воды из фильтра, в нее вводится хлор, который в виде хлорной воды поступает из хлораторной. После этого вода направляется в резервуары, а из них - к потребителю. Загрязненные промывочные воды, образовавшиеся в процессе обработки воды, отводятся за пределы водоочистной станции.
При заборе воды из подземных источников, которая, как правило, имеет незначительную мутность и повышенное солесодержание, применяются другие технологические схемы очистки. Особенностью этих схем является то, что в их составе отсутствуют сооружения для осветления воды. Кроме того, в зависимости от применяемой технологии обработки воды, в составе промывочных вод могут присутствовать агрессивные кислые и щелочные стоки.
Иногда подземные воды и по солесодержанию, и по мутности соответствуют нормативным требованиям, а по другим показателям, например по концентрации железа или фтора или растворенным газам,- нет. В этом случае вместо сооружений по обессоливанию воды в технологическую схему вводятся устройства для улучшения этих показателей.

Фильтрование на скорых фильтрах

В природе встречаются подземные воды, состав которых соответствует нормативным требованиям. В таких случаях технологическая схема очистки воды значительно упрощается. Требуется производить только ее обеззараживание.
Из оголовка водозабора по самотечным трубопроводам вода из поверхностного источника поступает в насосную станцию первого подъема. Оголовок водозабора устанавливается ниже нижнего уровня воды (НУВ; верхний уровень воды - ВУВ) с учетом высоты образующегося льда. Насосы, установленные в насосной станции первого подъема, под напором подают воду в канал-смеситель. Предварительно в обрабатываемую воду вводится аммиак NН₃ и через несколько минут - газообразный хлор Сl₂. Хлор взаимодействует с аммиаком, в результате чего образуются моно- и дихлорамины, обладающие меньшим, чем хлор, бактерицидным эффектом, но более длительным (пролонгированным) действием. В канале-смесителе происходит смешивание обрабатываемой воды с коагулянтом - сернокислым алюминием Аl₂(SО₄)₃. Затем в воду вводится флокулянт - вещество, способствующее более полному и быстрому хлопьеобразованию. После смесителя вода поступает в горизонтальный отстойник, в котором происходит основное осаждение скоагулировавших частиц. После этого частично осветленная вода поступает на скорые фильтры, где освобождается от взвешенных частиц. После фильтра очищенная вода поступает в резервуар чистой воды и насосными агрегатами насосной станции второго подъема подается в разводящую распределительную сеть.

Фильтрование через барабанные сетки

Обработка воды осуществляется путем фильтрования через барабанные сетки и контактные осветлители. Водозаборные сооружения, насосные станции первого и второго подъема), резервуары чистой воды устроены так же, как и в первой технологической схеме.

Специальные способы очистки воды

Из специальных способов очистки воды наиболее часто применяют обессоливание. Масштабы использования воды на питьевые и технические нужды таковы, что в практику водоснабжения все более активно внедряются технологические схемы водоочистки, позволяющие использовать воды природных источников, имеющие повышенное солесодержание. В настоящее время к наиболее распространенным способам обессоливания воды относят дистилляцию, электродиализ, гиперфильтрацию и ионный обмен.

Дистилляция

Дистилляция основана на выпаривании обрабатываемой воды с последующей конденсацией пара. Эта технология может применяться для обработки вод с исходным солесодержанием более 10 г/л.
Под действием теплоты, отдаваемой нагревательными элементами, обрабатываемая вода в испарителе переводится в пар, который конденсируется с образованием дистиллята в конденсаторе.
Полученный дистиллят в зависимости от требований, предъявляемых к обессоленной воде, может разбавляться в смесителе соленой водой
до заданной концентрации солей. Описанная выше технология имеет два существенных недостатка. Во-первых, она является очень энергоемкой: в зависимости от принятой схемы дистиллятора затраты электроэнергии составляют 10-15 кВт • ч/м³ обрабатываемой воды. Во-вторых, в процессе работы дистиллятора на стенках испарителя образуется накипь. Очистка испарителей от накипи является весьма трудоемкой и дорогостоящей операцией.

Электродиализ

Электродиализ основан на способности ионов перемещаться в объеме воды под действием напряженности электрического поля. При приложении к воде постоянного напряжения катионы начинают перемещаться к катоду, анионы - к аноду. Ионоселективные мембраны пропускают через себя либо катионы, либо анионы. В объеме, ограниченном ионообменными мембранами, происходит снижение концентрации солей. Эту технологию рекомендуется применять при солесодержании исходной воды до 10 г/л.
Простейший аппарат (электродиализатор, электролизер), реализующий эту технологию, представляет собой проточную емкость, разделенную анионообменной и катионообменной мембранами на три изолированные друг от друга части (камеры). В крайние камеры помещают анод и катод. Особенность применяемых мембран заключается в том, что они способны пропускать под действием электрического поля только ионы одного знака. Анионообменные мембраны пропускают только отрицательно заряженные ионы (анионы), а катионообменные мембраны - только положительно заряженные ионы (катионы).
Предположим, что обработке подвергается вода с повышенным содержанием хлоридов, полученная путем растворения в ней NaCl. Эта вода подается одновременно в три камеры. Под действием электрического поля из средней камеры ионы Nа⁺ перемещаются к катоду, ионы Cl^- к аноду. Из крайних камер ионы Nа⁺ и Cl^- не могут перейти в среднюю, так как установленные мембраны препятствуют этому процессу. Таким образом, в средней камере постепенно снижается концентрация катионов и анионов, т. е. происходит обессоливание воды.

Гиперфильтрация (обратный осмос)

Гиперфильтрация основана на фильтровании обрабатываемой воды под давлением через полупроницаемые мембраны, которые пропускают воду, но задерживают гидратированные ионы солей. Эту технологию рекомендуется использовать при солесодержании исходной воды до 10 мг/л. Исходная вода под давлением 0,5-10,0 МПа поступает в установку с размещенной в ней мембраной и разделяется на два потока - обессоленную воду (фильтрат) и рассол.
Основным элементом установки является мембрана с диаметром пор 0,5-1,0 нм. Такие мембраны изготавливают из различных полимерных материалов, пористого стекла или металлической фольги. Несмотря на простоту этой технологии, ее реализация требует дополнительных затрат на предварительную обработку исходной воды и периодическую очистку от загрязнений мембран.

Ионный обмен

Ионный обмен основан на способности некоторых веществ, называемых ионитами, обменивать находящиеся в их составе ионы на катионы и анионы, содержащиеся в обрабатываемой воде. В промышленности эта технология позволяет производить обработку воды с исходным солесодержанием не более 3 г/л и применяется в основном для подготовки воды технического назначения.
Иониты - это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но не растворимые в ней. По характеру ионного обмена они подразделяются соответственно на катиониты и аниониты: вещества, обменивающие катионы, называют катионитами, а обменивающие анионы - анионитами.
При обессоливании обрабатываемая вода пропускается через последовательно расположенные катионитовый и анионитовый фильтры. В зависимости от строения катионита и способа его регенерации катионитовый фильтр может отдавать водородные ионы (катионит в форме Н⁺), ионы натрия (Na-катионит) и др. Анионит, в свою очередь, может находиться в гидроксильной форме (ОН-анионит) или содовой (СО₃-анионит).
Предположим, что исходная вода содержит в своем составе Са(НСО₃)₄, MgSО₄ и NаСl. Фильтрование такой воды осуществляется через последовательно соединенные Н-катионитовый и ОН-анионитовый фильтры. Матрицы ионитов имеют обозначения соответственно КАТ и АН.
В Н-катионитовом (водород-катионитовом) фильтре содержащиеся в воде катионы Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺ обмениваются на катионы водорода:

КАТ-Н + МgSО₄ -» КАТ-Са + Н₂SО₃;
КАТ-Н + NaCl -> КАТ-Са + НС1;
КАТ-Н + Са(НСО₃)₂ -> КАТ-Са + Н₂СО₃;
Н₂СО₃ -» Н₂О + СО₂.

Как видно из приведенных формул, вода после Н-катионитовых фильтров освобождается от катионитов Са²⁺, MG²⁺ и Nа⁺. После дегазатора, где из воды удаляется СО₂, фильтрат пропускается через анионитовые фильтры, например АН[ОН]-анионит. В этом фильтре анионы обмениваются на гидроксильные ионы:

АН-ОН + Н₂SО₄ -> АН-SО₄ + Н₂О;
АН-ОН + НСl -» АН-С1 + Н₂О.

В результате этих реакций из воды удаляются сульфаты и хлориды.
Таким образом, в результате последовательной фильтрации воды через катионитовые (в форме Н⁺) и анионитовые (в форме ОН^-) фильтры снижается ее солесодержание.
Регенерацию (восстановление) Н-катионитовых фильтров производят растворами кислот Н₂SО₄, НСl, а ОН-анионитовых фильтров - растворами щелочи NаОН. После регенерации фильтры промываются водой. Расход воды на промывку 1м³ катионита составляет 4-5 м³, 1 м³ анионита - 10-12 м³.
Nа-катионитовый фильтр регенерируют раствором каменной соли, СО₃-анионитовый - раствором соды.

 

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