Осветление, устранение цветности, привкусов и запахов. Осветление и частичное устранение цветности воды без использования реагентовпроисходит при длительном ее отстаивании специально построенных

Осветление и частичное устранение цветности воды без использования реагентов происходит при длительном ее отстаивании специально построенных бассейнах-отстойниках или водохранилищах. Время осветления воды должно составлять не менее 12 суток, для частичного устранения цветности - 12 и более месяцев. Понятно, что такой метод используется редко. Отстаивание воды обеспечивает удаление из нее основной массы взвешенных частиц. Наиболее простой процесс отстаивания осуществляется в неподвижной среде. При отстаивании взвешенных веществ возможное как свободное, так и взаимное осаждение (когда одни частицы захватывают другие, способствуя процессу осаждения). Экспериментально установлено, что скорость осаждения частиц в природных водах пропорциональна величине

(t + 23)/23,

где t - температура воды, º С.

К безреагентным методам относится также медленное фильтрование. Характерная особенность - очень малые скорости фильтрования (0, 1 - 0, 2 м/час) и использования фильтрующего материала (обычно кварцевого речного песка) с мелкими фракциями (0, 25-0, 35мм), который задерживает взвешенные вещества.

Реагентные методы обработки водыоснованы на использовании специальных химических веществ (коагулянтов) и называется коагуляцией. В результате этого процесса в воде образуются хлопья, включающие взвешенные и коллоидные частицы, которые придают воде мутность и цветность. Затем эти хлопья оседают и обеспечивают осветление и устранение цветности.

Коагулянты представляют собой соли слабых оснований и сильных кислот - сульфат алюминияAl₂(SO₄)₃•18Н₂О, сульфат железа (П) и (Ш) FеSО₄•7Н₂O и Fе₂(SО₄)₃•7Н₂O, хлорное железо FеСl₃•6Н₂Ои др.

Процесс коагуляции примесей воды, состоит из трех стадий:

Ø гидролиза коагулянтов и образования разбавленных золей гидроксидов;

Ø взаимодействия золей гидроксидов с коллоидами и взвешенными веществами воды и следующей коагуляции золей;

Ø процесса образования хлопьев и удаления из воды образовавшихся агрегатов.

Al³⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺ + H⁺

Al(OH)²⁺ + H₂O = Al(OH)₂²⁺ + H⁺

Al(OH)₂²⁺ + H2O = Al(OH)₃ + H⁺

Al³⁺ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3H⁺

Полнота протекания гидролиза влияет на весь следующий ход процесса коагуляции, тем более, что согласно санитарно-гигиенических требований содержание даже небольших количеств солей коагулянтов (особенно алюминиевых) является недопустимым в очищенной воде.

Укрупнение коллоидных частиц, которые образуются в результат гидролиза коагулянтов, происходит постепенно. Сначала в результате броуновского движения образуются агрегаты с массой, недостаточной для выпадения их из раствора. Это так называемая стадия скрытой коагуляции. Если укрупнение достигает стадии, когда образуются хлопья, видимые невооруженным глазом и оседающие под действием силы тяжести, наступает стадия седиментации (осаждения). Появлению видимых хлопьев предшествует стадия образования объемной структуры, включающей большое количество воды.

В современной технологии осветления и устранения цветности воды все чаще используются вещества, которые интенсифицируют и улучшают процесс коагуляции – флокулянты. Их действие заключается в том, что они способствуют образованию крупных, быстро оседающих в отстойниках, более крепких и плотных хлопьев. К флокулянтам относятся вещества минерального (активная кремниевая кислота) и органического {природного и синтетического) происхождения. Среди них наиболее известен полиакриламид.

Удаление хлопьев, которые коагулируют, достигается путем отстаивания и фильтрования. После осаждения основной массы взвешенных частиц вода обычно фильтруется - пропускается через слой зернистого материала, чаще всего - песка. В отличие от медленного фильтрования скорость процесса составляет 5 - 10 м/час, и фильтрующий материал содержит более крупные фракции (0, 5-1, 00 мм). Этот процесс называется быстрым фильтрованием.

Методы устранения привкусов и запахов зависят от характера веществ, которые вызывали их появление, и состояния; в котором они находятся (ионные и молекулярные растворы, коллоиды и взвешенные вещества).

Привкусы и запахи веществ

Ø находящихся во взвешенном или коллоидном состоянии, устраняются из воды коагуляцией,

Ø обусловленные повышенным содержанием неорганических веществ, которые находятся в ионном или молекулярном состоянии - методами коррекции минерального состава воды (обессоливание, дегазация и тому подобное),

Ø биологического происхождения, а также обусловленные наличием органических соединений из промышленных сточных вод, - устраняются, в основном, с помощью окислителей, адсорбентов, а также аэрацией.

Одним из первых и на протяжении десятилетий единственным методом устранения из природных вод привкусов и запахов был процесс аэрации воды, который основан на летучести веществ, которые их вызывают. В ряде случаев при устранении запахов и привкусов биологического происхождения аэрация обеспечивает достаточно полную дезодорацию воды. Но этим способом не устраняются стойкие привкусы, которые вызваны разложением водной растительности, а также загрязнением промышленными сточными водами. Поэтому этот способ, как правило, используется в комбинации с другими. Аэрация происходит в специальных установках - аэраторах (разбрызгивающего, каскадного или барботажного типа).

Метод окисления предусматривает использование сильных окислителей: хлора, диоксида хлора, озона, перманганата калия и т.п.

Одним из наиболее распространенных промышленных веществ, загрязняющих природные воды, являются фенолы, их присутствие в воде в количестве, превышающем 0, 001 мг/л, приводит при хлорировании воды с целью обеззараживания к появлению хлорфенольных запахов. Поэтому для борьбы с хлорфенольными запахами используют хлорирование с аммонизацией. Оно не устраняет эти запахи, а предупреждает их возникновение, поскольку хлор более энергично реагирует с аммиаком, чем с фенолами, образуя хлорамины.

Обработка активированным углем - один из наиболее распространенных способов дезодорации воды. Объясняется это высокой эффективностью угля, его универсальностью, а также возможностью успешного использования в какой-нибудь технологической схеме обработки воды.

Активированный уголь отличается развитой пористостью и поэтому имеет огромную внутреннюю поверхность. На такой поверхности возникают силы межмолекулярного взаимодействия, благодаря которым молекулы газов или растворенных веществ удерживаются активированным углем. В результате концентрация этих молекул в обрабатываемой воде уменьшается.

Из активированного угля, который производится в Украине, для дезодорации наиболее часто используют торфяной уголь ТАУ, березовый уголь БАУ, костный уголь КАУ, сухой уголь СУ, щелочной активированный антрацит А. На водоочистных сооружениях уголь применяют в виде угольного порошка или гранул, которыми заполняют фильтры. Угольные фильтры размещают обычно после осветлителей, чтобы предотвратить снижение адсорбционной емкости угля за счет поглощения веществ, придающих воде цветность.

Результаты работы фильтров свидетельствуют, что уголь полностью устраняет привкусы и запахи воды и значительно уменьшает цветность и окисляемость. Эксплуатация и обслуживание фильтров простое и надежное. Недостатком угольных фильтров является большой расход воды на промывание, быстрое снижение адсорбционных свойств угля, коррозия корпуса фильтра.

Обеззараживание воды хлором, озоном, серебром и йодом.

Хлорирование воды - один из распространенных методов обеззараживания воды на водопроводах. Эта процедура выполняется во всех случаях забора воды из поверхностных водоемов, а также при получении воды из подземных источников, бактериальные показатели которых не отвечают требованиям стандарта.

Хлорирование воды происходит газообразным хлором или же веществами, которые содержат активный хлор: хлорная известь, диоксид хлора. На станциях небольшой производительности (до 3000 м³ /сут) обеззараживания воды допускается использование хлорной извести.

Действие хлора заключается в угнетении процессов обмена и окислении веществ протоплазмы клеток бактерий, в результате чего последние погибают. Возбудители тифа, дизентерии, холеры и бруцеллеза очень чувствительны к действию хлора. Но при хлорировании полной стерилизации воды не происходит. В ней остаются единичные представители микроорганизмов, что зависит от разной устойчивости отдельных видов микроорганизмов и вирусов к хлору.

Бактерицидный эффект хлора в значительной мере зависит от его начальной дозы и длительности контакта с водой. Чаще всего на разрушение клеток расходуется незначительная часть хлора. Большая его часть идет на реакции с различными органическими и минеральными примесями, содержащимися в воде. Эти реакции протекают с разной скоростью в зависимости от концентрации хлора, рН, температуры воды и т.п.

Количество хлора, поглощенного в результате взаимодействия с веществами, содержащимися в воде, называется хлорпоглощением воды, которое определяется количеством хлора в мг/л, который расходуется при 30-минутном контакте его с исследуемой водой на окисление и хлорирование веществ. К таким веществам относятся гумус, продукты разложения клетчатки и белковых соединений, соли двухвалентного железа, нитриты, аммиак и соли аммония, сероводород.

Обычно хлорпоглощение речных и озерных вод составляет 2-2, 5 мгСl₂/л, в прудовых и болотных водах оно повышается до 5 мгСІ₂/л. Резкое повышение количества поглощенного хлора может свидетельствовать о загрязнении воды органическими веществами.

На практике при определении необходимой дозы хлора исходят из общей потребности хлора, которое включает ее хлорпоглощение и некоторый избыток хлора, который обеспечивает бактерицидный эффект на протяжении определенного времени. Избыток хлора необходим для предотвращения повторного бактериального загрязнения воды во время прохождения по водопроводной сети. Содержание остаточного активного хлора в водопроводной воде лимитируется стандартом и должно достигать на ближайшей к насосной станции точке потребления воды 0, 3-0, 5 мг/л. Оптимальную дозу хлора, необходимую для получения заданной величины остаточного хлора, устанавливают путем проведения пробного хлорирования, в результате чего строят кривую хлорпоглощения воды за 30 мин.

Наличие взвешенных примесей как органического, так и минерального происхождения, значительно снижает бактерицидный эффект хлорирования, их поверхность сорбирует на себе хлор, изымая его из воды. Кроме того, бактерии, находящиеся внутри взвешенных частиц, в меньшей степени поддаются влиянию хлора.

Хорошие результаты обеззараживания воды, бактериальное загрязнение которой превышает допустимое, дает хлорирование повышенными дозами с последующим дехлорированием воды. Усиление бактерицидного эффекта небольших доз хлора может быть достигнуто использованием комбинированных методов хлорирования (добавлением к хлорируемой воде перманганата калия).

Хлор окисляет и разрушает органические примеси воды, в результате чего снижается цветность воды, исчезают запахи, а также другие показатели, связанные с наличием в воде органических веществ. Известны случаи, когда хлорирование приводит к образованию продуктов, имеющих сильный запах. Особенно стойки и неприятны хлорфенольные запахи и привкусы. Они возникают при хлорировании воды, загрязненной сточными водами, содержащими фенолы и другие ароматические вещества.

Реагенты для хлорирования воды:

Хлор является газом желто-зеленого цвета с резким неприятным запахом. Получают его путем электролиза раствора поваренной соли. Сухой хлор при низких температурах вступает во взаимодействие с очень небольшим количеством веществ, но при наличии следов влаги его активность резко возрастает. Он непосредственно соединяется со всеми металлами и, кроме кислорода, благородных газов, азота и фтора, со всеми неметаллами.

Газообразный хлор хорошо растворим в воде, растворимость его повышается со снижением температуры и увеличением давления. При насыщении воды хлором образуется хлорная вода, имеющая сильные окислительные свойства:

СІ₂ + Н₂О = НСІ + НСІО

При рН 5 активный хлор находится в растворе в молекулярной форме. В интервале рН 5 - 9, 2 образуется хлорноватистая кислота с примесями гипохлоритов. При рН 9, 2 активный хлор находится в растворе только в виде ионов СІО^–. Гидролиз хлора зависит также от давления, температуры, интенсивности перемешивания и других факторов. Процесс гидролиза хлора протекает примерно за 2 мин.

Хлорноватистая кислота (НСІО) - сильный окислитель, существует только в растворе. В сильно разведенных растворах она не имеет цвета. Концентрированные растворы имеют желтый цвет и резкий запах. В нейтральной или щелочной среде на свету происходит фотохимическое разложение ее с выделением кислорода.

При взаимодействии хлора с гашеной известью получают хлорную известь. Окислительные свойства хлорной извести зависят от имеющейся в ней аниона хлорноватистой кислоты. Существующие способы производства хлорной извести обеспечивают содержание активного хлора в пределах 32-36 %.

Реакция разложения хлорной извести водой протекает по уравнению

2СаОСІ₂ + 2Н₂О = СаС1₂ + Са(ОН)₂ + 2НСІО

Диоксид хлора (СІО ₂ ) представляет собой зеленовато-желтый ядовитый газ с запахом, значительно более интенсивным, чем запах хлора. Диоксид хлора легко растворяется в воде. При обработке воды, содержащей фенолы, не возникает хлорфенольных запахов, поскольку фенол практически окисляется СІО₂ до хинона и малеиновой кислоты, которые в малых дозах не придают воде запаха и привкуса.

Методы хлорирования воды.

Хлорирование воды постоянно осуществляется на коммунальных водопроводах, кроме того, проводится как кратковременное или периодическое мероприятие, необходимое для дезинфекции участков водопровода, вводящихся в эксплуатацию, фильтров, резервуаров чистой воды.

При выборе метода хлорирования необходимо учитывать целевое назначение этого процесса, наличие загрязняющих веществ в воде, ее характер, специфику водоочистных сооружений. Существующие методы обработки воды хлором и солями, содержащими активный хлор, можно объединить в две группы:

Ø постхлорирование воды (завершающее)

Ø прехлорирование воды (предварительное).

Постхлорирование – это процесс обеззараживания воды, который проводится после всех других способов ее обработки и является завершающим этапом очистки воды. Постхлорование может осуществляться как небольшими дозами (нормальное хлорирование), так и повышенными (перехлорирование).

Нормальное хлорирование применяется для обеззараживания воды, которая отбирается в надежных в санитарном отношении источниках и имеет хорошие физико-химические показатели. Дозы хлора должны обеспечивать необходимый бактерицидный эффект без ухудшения органолептических показателей качества воды. Количество остаточного хлора после 30-минутного контакта с водой допускается не выше 0, 5 мг/л, поскольку при более высоких концентрациях вода приобретает специфический запах и привкус.

Перехлорирование используется в тех случаях, когда наблюдаются резкие колебания бактериального загрязнения воды и когда нормальное хлорирование не дает нужного бактерицидного эффекта. Перехлорирование устраняет многие неприятные привкусы, запахи и в некоторых случаях может использоваться для очистки воды от токсичных веществ.

Доза остаточного хлора при перехлорировании в пределах 3-10 мг/л. Известны случаи, когда перехлорирование проводилось очень высокими дозами - до 100 мг/л (суперхлорирование). При больших дозах хлора достигается быстрый эффект.

Остаточные количества хлора, превышающие допустимую концентрацию, устраняются дехлорированием. При небольшом избытке хлор может быть устранен аэрацией, а при высоких концентрациях остаточного хлора применяются химические методы. Из них наиболее распространена обработка воды активированным углем.

Комбинированные методы хлорирования, то есть обработка воды хлором вместе с другими бактерицидными препаратами (тиосульфатом, сульфитом натрия, бисульфитом натрия), могут использоваться для усиления действия хлора или фиксации его в воде на более длинный срок. К комбинированным методам относятся: хлорирования с манганированием (добавляется КМпО₄), хлорсеребряный и хлормедный способы (в воду вводятся одновременно хлор и ионы Ag и Сu), а также хлорирования с аммонизацией (вводится аммиак или соли аммонию). Комбинированные методы используются не только для обработки больших объемов воды на стационарных водопроводах, но и как индивидуальные средства обеззараживания воды.

Прехлорирование воды используется как средство, улучшающее некоторые процессы очистки воды (например, коагуляция и устранение железа), а также как эффективное средство обеззараживания некоторых токсичных веществ. Прехлорирование, как правило, осуществляется большими дозами хлора, но в отличие от перехлорирования оно не требует последующего дехлорирования воды, поскольку избыток хлора обычно полностью устраняется при последующих процессах ее обработки. Избыточный хлор тратится на окисление разнообразных примесей воды, сорбируется хлопьями коагулянта, окисляет организмы, развивающиеся на поверхности и в толще наполнителей фильтров.

Практическое использование процесса хлорирования воды в основном сводится к пре- и постхлорированию. Применяется также двойное хлорирование (пре- и постхлорование). К каждому из этих процессов выдвигаются разные требования:

Ø предварительное хлорирование проводят, чтобы подготовить воду к последующим этапам очистки;

Ø от завершающего хлорирования требуется обеспечение необходимой концентрации остаточного хлора в воде, которая гарантирует санитарное качество воды (хлор вводится после фильтров).

Ø двойное хлорирование используется при высокой цветности исходной воды и при повышенном содержании в ней органических веществ.

Озонирование воды. Одним из эффективных методов обеззараживания воды является ее обработка озоном. Озон, как известно, является модификацией кислорода, и молекула его в отличие от молекулы кислорода (О₂) состоит не из двух, а из трех атомов (О₃).

Характерный запах озона чувствуется при его содержании в воздухе даже в соотношении 1: 500 000. Озон является взрывоопасным газом синеватого цвета с резким характерным запахом. Масса 1 л озона 2, 1445 г; плотность газообразного озона по кислороду 1, 5, по воздуху 1, 62; нижняя температура кипения 112°С, озон сжижается в темно-синюю жидкостью с плотностью 1, 71 г/см3. Растворимость озона при 0°С в воде 0.394 г/л, то есть в 15 раз больше, чем у кислорода (0, 049 г/л).

Озон образуется по обратимой реакции

ЗО₂ + 68 ккал (285 кДж) = 2О₃

Молекула О₃ неустойчива и самопроизвольно превращается в О₂ с выделением тепла. При небольших концентрациях без посторонних примесей озон разлагается медленно, при больших - с взрывом. Нагревание и контакт озона с минимальными количествами органических веществ, некоторых металлов или их оксидов резко убыстряет его реакционноспособность. И наоборот, присутствие значительного количества НNО₃ стабилизирует озон, в емкостях из стекла, некоторых пластмасс и металлов озон при температуре 78°С практически не разлагается. Озон является одним из наиболее сильных окислителей, намного сильнее, чем кислород. Он окисляет все металлы, за исключением золота и платиновых, а также большинство других элементов. Присутствие озона в газовой смеси можно установить по реакции

О₃ + 2КІ + Н₂О = І₂ + О₂ + 2КОН

" Обычный" кислород О₂ в реакцию с КІ не вступает.

В промышленности озон получают из воздуха в озонаторах, пропуская тихий электрический разряд при низких температурах. Сжижается О₃ лучше, чем О₂, и поэтому их легко разделить.

Озонирование воды основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием атомарного кислорода (О₃ = О₂ + О), который разрушает ферментные системы микробных клеток, окисляет некоторые соединения, придающие воде неприятный запах (например, гуминовые основания).

Количество озона, необходимое для обеззараживания воды, зависит от степени загрязнения воды и составляет 1-6 мг/л при контакте около 8-10 мин. Количество остаточного озона не должно превышать 0, 3-0, 5 мг/л, поскольку более высокая доза придает воде специфический запах и вызывает значительную коррозию водопроводных труб.

Озонирование один из наилучших способов обеззараживания воды. Вода при этом не обогащается дополнительными примесями. Остаточный неиспользованный озон через короткий промежуток времени распадается и превращается в кислород. Первые опыты по озонированию днепровской воды в Киеве были проведены в 1908 г., а промышленная озонаторная установка на днепровском водозаборе была установлена 1974 г.

Озонирование воды является ответственным технологическим процессом, который требует больших расходов электроэнергии, применения сложных приборов и высококвалифицированного технадзора, поскольку концентрированный озон - ядовитый газ. Это является сдерживающим фактором для его широкого применения. По литературным данным в мире действует свыше 3 тыс. озонаторных установок разной мощности.

Озонирование используют также и для очистки воздуха в помещениях для переработки и хранения быстро портящихся продуктов, иногда в местах скопления людей. Но в воздухе допустимы лишь микроконцентрации озона, поскольку он является чрезвычайно ядовитым (предельная концентрация озона в воздухе 10^-5 %).

Обеззараживание воды ионами серебра. Серебро даже в малых концентрациях имеет свойство уничтожать микроорганизмы, что объясняется свойством его ионов разрушать протоплазму микроорганизмов. Механизм бактерицидного действия серебра объясняется нарушением обмена веществ в клетках бактерий в результате блокировки активных групп (-СООН и -SN) отдельных ферментов.

Степень активности серебра тем больше, чем выше концентрация его ионов в растворе. Примеси, содержащиеся в воде, негативно влияют только в том случае, если они связывают ионы серебра в малодисоциированные или плохо растворимые соединения, которые выпадают в осадок или восстанавливают их до металла.

Обогащение воды ионами серебра достигается несколькими способами: методом контакта воды с развитой поверхностью металла (посеребренные кольца Рашига, песок Краузе и т.д.), методом непосредственного растворения в воде препаратов серебра электролитическими способами.

Наибольшую практическую ценность составляет электролитический метод, основанный на анодном растворении серебра. Этот метод обеспечивает возможность быстрого получения нужных концентраций серебра в растворе, позволяет проводить точное дозирование и управление процессом.

«Серебряная вода», которая готовится электролитическим растворением, имеет высокие бактерицидные свойства и с успехом может быть использована для очистки воды от вредных микроорганизмов, дезинфекции и консервирования продуктов питания, для лечебных целей и т.п. Благодаря мизерным дозам серебра она является совсем не вредной.

Опыты показали, что по эффективности действия серебряной воды на разные виды бактерий последние размещаются в такой последовательности:

бактерии Флекснера (дизентерия) > бактерии Еберга (брюшной тиф) > стрептококки > стафилококки.

Интерес к обеззараживанию воды электролитическими растворами серебра в мире значителен. Многие зарубежные фирмы выпускают ионаторы разной производительности для обеззараживания воды на водопроводах, в тех случаях, когда использование хлора не желательно и а существует необходимость длительного хранения питьевой воды (например, на судах).

Стационарная и переносная отечественная аппаратура разной производительности для получения электролитической серебряной воды была разработана в Институте коллоидной химии и химии воды НАН Украины. Приборы, производящие серебряную воду - ионаторы системы Л.А.Кульского, выпускаются с 1937 г. Они постоянно совершенствуются.

Йодирование воды. В практике водоснабжение нашло применение йодирование воды.

В нашей стране в производственных масштабах оно было осуществлено на водном транспорте под руководством Л.Б.Добровольского. Было показано, что йодирование имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с хлорированием:

1) меньшая длительность контакта с водой;

2) больший бактерицидный эффект;

3) расширение диапазона бактерицидного действия;

4) йод не является элементом, чуждым для человеческого организма;

5) концентрация йода в обработанной воде нередко не превышает фоновых значений исходной воды.