Технологии водоподготовки

Характеристика процессов подготовки воды

Для подготовки воды используют природную воду из поверхностных или подземных источников. Технология подготовки воды определяется качеством природной воды, ее физическими, физико-химическими и бактериологическими свойствами и требованиями потребителей.

Технология подготовки питьевой или технической воды охватывает комплекс процессов с целью изменения ее первоначального состава и улучшения природных свойств путем уменьшения или полного удаления нежелательных ингредиентов и обогащения теми, которых не хватает. Потребность в применении того или иного процесса подготовки воды возникает в случае ее несоответствия ­требованиям потребителя. В основу выбора процесса подготовки воды положено сравнение качества воды источника водоснабжения (данные химических и технологических анализов) с данными государственного стандарта на питьевую воду (ГОСТ 2874 - 82) или техническим условиям потребителя. При этом могут оказаться конкурентоспособными несколько процессов подготовки воды. Тогда выбор определенного процесса осуществляют согласно данным эколого-технико-экономического анализа.

Процессы подготовки воды подразделяют на следующие основные группы:

· улучшение органолептических свойств воды (осветление и ненависти, ­ окраски, дезодорация и др.);

· обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое, радиационное и другие способы обеззараживания);

· кондиционирование минерального состава (фторирование, обезфторирование, обезжелезнивание, деманганация, смягчение, обессоливание и др.).

Основными процессами улучшения качества воды для хозяйственно-питьевых целей является осветление, обесцвечивание и обеззараживание.

Осветление проводят с целью удаления из воды взвешенных примесей. В зависимости от нужного конечного содержания взвешенных веществ в воде осветление осуществляют отстаиванием воды в отстойниках, в гидроциклонах, центрифугированием, флотацией, фильтрованием, пропусканием через слой ранее образованного осадка в осветлителях и других аппаратах.

Для интенсификации процесса осаждения взвешенных веществ применяется коагулирование. Для этого в воду добавляют химические вещества – коагулянты. В результате коагуляции образуются большие агрегаты, на поверхности которых адсорбируются примеси и взвешенные частицы, которые быстро оседают под действием сил гравитации. Процесс коагуляции осуществляется ­ в осветлителях со слоем взвешенных хлопьев или в контактных осветлителях со статическим зернистым слоем.

Выделение из воды грубодисперсных примесей осуществляют центрифугированием и в гидроциклонах с последующим осветлением на скоростных фильтрах, фильтрованием через сетки, микрофильтры или сквозь ткани. Осветление воды одновременно с ее обесцвечиванием происходит во флотаторах.

Обесцвечивание воды – процесс удаления из нее окрашенных коллоидов или растворенных примесей, обусловливающих цветность воды. Обесцвечивание происходит при коагуляции или флотации с применением окислителей или сорбентов. Для этого применяют хлорирование, фильтрование через гранулированный активированный уголь и напорную флотацию с обязательной предварительной коагуляцией примесей.

Обезжелезнивание воды – процесс уменьшения содержания солей железа в подготавливаемой воде. В зависимости от форм соединений железа, имеющихся в воде, применяют безреагентные или реагентные способы удаления соединений железа. Широко применяют аэрирование воды с последующим фильтрованием на скоростных фильтрах.

Фторирование воды обычно осуществляют введением в ее состав соединений фтора для предотвращения заболевания зубов кариесом. Раствор фторсодержащего реагента добавляют в воду до или после фильтрации на скоростных фильтрах.

Обеззараживание воды осуществляют для уничтожения в ней патогенных бактерий и вирусов, проводя хлорирование, озонирование или вводя перманганат калия.

Для доведения качества воды до требований питьевой кондиции кроме приведенных выше мероприятий иногда используют следующие процессы: дезодорацию (устранение нежелательных запахов и привкусов с помощью аэрации, окислителей и сорбентов), введение в воду щелочных реагентов и осаждение солей твердости, опреснение (уменьшение общей минерализации воды электродиализом, обратным осмосом, дистилляцией, ионным обменом и др.).

Во время подготовки технической воды для технологических целей часто возникает необходимость ее осветления, глубокого смягчения, полного обессоливания, деманганации, дегазации, уменьшения окисляемости и др. Воду, которую используют для охлаждения, обычно не очищают, но проводят ее стабилизацию с целью предотвращения коррозии металла труб и теплообменных аппаратов или их зарастания осадком карбоната кальция. В некоторых случаях охлаждающую воду хлорируют для предотвращения биообростания системы охлаждения.

Характеристика основных технологических схем подготовки воды

Технологическая схема подготовки воды – это размещение технологических процессов и сооружений в определенной последовательности для получения воды заданных количества и качества, соответствующие требованиями ­ потребителя.

Технологические схемы, которые используются в практике подготовки воды можно классифицировать по следующим основным признакам: применению реагентов (реагентные или безреагентные), эффекту осветления (глубокое и неполное) количеству технологических процессов (одно-, двух- и многопроцессные) и числу ступеней каждого из них (напорные или безнапорные).

Реагентные и безреагентные технологические схемы применяют при под ­ подготовке воды для хозяйственно-питьевых нужд и потребностей промышленности. Они различаются как по составу процессов, так и по размерам водоочистных сооружений и условиями их эксплуатации. Безреагентные схемы с использованием гидроциклонов, акустических, намывных и медленных фильтров, как правило, применяют для водоснабжения небольших потребителей при цветности природной воды до 50°. Их применяют при неглубоком осветлении воды для водообеспечения промышленных ­ объектов. В безреагентных технологических схемах иногда используют только отстаивание или фильтрование на крупнозернистых фильтрах или микрофильтрах.

Технологические схемы для подготовки воды с применением реагентов по сравнению с безреагентными схемами значительно меньше по объему, компактнее и дешевле, но сложнее в эксплуатации. Процессы подготовки воды с применением реагентов происходят интенсивнее и значительно эффективнее. Так, фильтрация с использованием реагентов осуществляется со скоростью 5-12 м/ч и более, а без реагентов – 0, 1-0, 3 м/ч. Поэтому для осаждения основной массы взвешенных веществ при наличии ре агентов нужно лишь 2-4 часа, тогда как без них – несколько суток.

По количеству технологических процессов и числом ступеней каждого из них технологические схемы подготовки воды подразделяют на одно-, двух- и многопроцессные. Количество технологических процессов и число ступеней в технологической схеме зависят от качества природной воды и требований потребителя к качеству очищенной воды. Так, для грубого осветления воды можно ограничиться процессом осаждения в отстойниках, центрифугах или фильтрах. Во время подготовки особенно загрязненных взвешенными веществами вод для хозяйственно-питьевых целей применяют двухступенчатое осаждение с последующим фильтрованием в одну ступень или используют технологическую схему, которая предусматривает предварительное осветление воды в гидроциклонах с последующей доочисткой.

По эффекту осветления различают технологические схемы полного (глубокого) осветления. После глубокого осветления очищенная вода соответствует требованиям качества питьевой воды, тогда как после грубого осветления содержание взвешенных веществ в очищенной воде намного больше (до 50 - 100 мг/л и более). Обычно грубоосветленную воду используют в охладителях различного производственного назначения. Технологические схемы с глубоким осветлением воды применяет для подготовки питьевой воды и воды, которую используют в пищевой, фармацевтической промышленности и многих других производственных целях, где к качеству технической воды предъявляют высокие требования.

По характеру движения обрабатываемой в оды технологические схемы водоподготовки подразделяют на самотечные (безнапорные) и напорные. На городских и крупных промышленных водоочистных сооружениях движение исходной воды в технологическом процессе осуществляется самотеком. При этом уровень воды в каждой следующей секции сооружений находится ниже уровня, чем в предыдущей. Разница уровней определяет напор, необходимый для преодоления гидравлического сопротивления в очистных сооружениях и в коммуникациях от одного здания к другому.

В напорной технологической схеме движение воды от одного аппарата к другому происходит под давлением. Поэтому аппараты различных процессов можно разместить на одной отметке. Напорные очистительные аппараты должны быть герметичными и рассчитанными на давление, которое создается насосами. В напорных технологических схемах можно не устраивать резервуары чистой воды и насосную станцию второго подъема.

Современные технологические схемы подготовки питьевой воды

Природную воду очищают тогда, когда ее качество из природных источников не удовлетворяет требованиям потребителя. Химический состав, целевое назначение ­ воды и требования потребителя к качеству (физические, химические и бактериологические показатели) определяют выбор процессов подготовки воды. При этом учитывают качество воды источников водоснабжения в разные времена года, степень и возможность загрязнения бытовыми и промышленными сточными водами.

В процессе подготовки питьевой воды, если ее забор осуществляют из поверхностных водоемов, воду очищают по традиционной технологии, которая включает процессы осветления и обесцвечивания в отстойниках, осветлителях со слоем взвешенного осадка, скоростных и медленных фильтрами и контактных осветлителях. Завершается подготовка воды обеззараживанием с использованием хлорирования, озонирования или иного способа.

В некоторых случаях для устранения стойких неприятных запахов и привкусов, удаления планктона применяют двойное хлорирование воды с повышенными дозами хлора, а иногда и дехлорирование ее. В этом случае первичное хлорирование проводят в водоприемных колодцах или насосной станции первого подъема. После осветления в отстойнике или после фильтрации осуществляют вторичное хлорирование.

Избыток хлора удаляют в адсорбционных фильтрах, заполненных гранулированным активированным углем. В случае дехлорирования воды оксидом серы (IV) или другими химическими реагентами угольные фильтры не используются. При наличии в очищаемом воде солей железа (II) и марганца (II) проводят двойное хлорирование – до отстаивания и после фильтрации.

В последнее время разработаны и внедрены в практику водоподготовки новые технологические схемы. В этих схемах используются электрокоагуляторы, гидроциклоны, тонкослойные отстойники, напорная флотация, акустические фильтры, контактные осветлители КО-3 и контактные фильтры КФ-5, медленные фильтры с механическим рыхлением песка и гидросмывом загрязнений после промывки и др. В качестве примера рассмотрим несколько распространенных технологических схем.

Распространенной как в нашей стране, так и за рубежом, является универсальная технологическая схема, изображенная на рис. 1, а. Ее можно применять для очистки природной воды любого качества. Очищаемая вода под давлением насосов первого подъема подается на барабанные сетки для удаления крупных взвесей. Затем она поступает в смеситель, в который добавляют хлор (первичное хлорирование), коагулянт и при необходимости щелочные реагенты (подщелачивание воды). После смешивания с реагентами вода поступает в камеру хлопьеобразования, вмонтированную в отстойник. Образующиеся крупные агрегаты хлопьев осаждаются в вертикальных или горизонтальных отстойниках. Последние применяют при большой производительности станции водоподготовки. Затем вода поступает на скоростной фильтр, перед которым при необходимости в нее добавляют реагенты для дезодорации, фторирования или интенсификации процесса фильтрации. Профильтрованную воду обеззараживают и направляется в резервуар чистой воды, откуда насосами второго подъема она подается в сеть водопотребителей. Если воду используют как техническую, то потребность в ее дезодорации, фторирования и обеззараживания отпадает.

Рис. 1. Схемы технологических сооружений водоочистных станций: а – с вертикальным отстойником и скоростными фильтрами; б – с осветлителем и фильтрами; в – с горизонтальными отстойниками и фильтрами; г – с контактными осветлителями; д – с префильтрами и медленными фильтрами: 1 – насосная станция первого подъема, 2 – смесители, 3 – реагентный цех, 4 – коловоротная камера хлопьеобразования, 5 – вертикальный отстойник, 6 – быстрые фильтры, 7 – хлораторная, 8 – резервуары чистой воды, 9 – насосная станция второго подъема, 10 - осветлители с зависшим осадком, 11 – камера хлопьеобразования, 12 – горизонтальные отстойники, 13 – контактные осветлители, 14 – префильтры, 15 – медленные фильтры.

Усовершенствованная технологическая схема (рис. 1, б) предусматривает реагентную обработку воды, ее осветление и обесцвечивание в слое взвешенного осадка и фильтрации на скоростных фильтрах. Здесь функции камеры хлопьеобразования и отстойника объединяются в одном аппарате – осветлителе с зависшим слоем осадка, что позволяет интенсифицировать процессы осветления и обесцвечивания. В этой технологической схеме одновременно применяет двухслойные или двухпотоковые фильтры конструкции Академии коммунального хозяйства Российской Федерации (АКХ) и фильтры с крупнозернистой загрузкой. Кроме того, в этой схеме предусматривается изъятие крупных взвесей на барабанных сетках, дезодорация, фильтрование и обеззараживание. По сравнению с предыдущей схемой она более компактна. Аппараты (сооружения), входящих в состав этой технологической схемы, меньшие по объему, но конструктивно сложнее и это, в свою очередь, усложняет их эксплуатацию.

Технологическая схема с флотаторами и быстрым фильтром предусматривает подготовку маломутных и очень окрашенных природных вод (рис. 1, г). Природную воду сначала фильтруют на барабанных сетках, а затем подают для смешивания с реагентами в вертикальный смеситель. После этого вода поступает в камеру хлопьеобразования, в которой происходит коагуляция мелкодисперсных примесей воды с образованием крупных хлопьев. Последние в процессе флотации превращаются в пену флотатора. Процесс осветления и обесцвечивания воды завершается на скоростных фильтрах, но перед началом этого процесса в нее вводят угольную пульпу или окислитель для дезодорации и фторсодержащий реагент для фторирования. Обеззараживают очищенную воду хлором. Эта технологическая схема компактна, эффективна в работе, но имеет конструктивные усложнения некоторых технологических процессов.

В последнее время все больше применяют технологическую схему с контактными осветлителями (рис. 1, в). Из природной воды на микрофильтрах удаляют планктон и обрабатывают ее реагентами, которые подают в контактный осветлитель, где завершается осветление и обесцвечивание. Здесь также предусматривается обеззараживание и фторирование воды с помощью специальных установок. Очищенная кондиционная вода поступает в резервуары чистой воды и под давлением насосов второго подъема – сеть потребителя.