Лекція 3. Способи освітлення та незараженнязприродних вод

План

1. Загальна характеристика методів водопідготовки.

2. Відстоювання води.Обробка природних вод коагулянтами.Фільтрування природних вод.

3. Знезараження природних вод:

4. Усунення сторонніх запахів.

5. Вилучення сполук феруму.

 

1. Більшість заводів БН використовує питну воду з мережі міського водопроводу, куди вона надходить після обробки на очисних станціях. Вода для приготування БН повинна відповідати Державним санітарним правилам і нормам. За невідповідності нормам воду піддають обробці.

Весь комплекс способів обробки розділяють на такі основні групи:

1 – покращення органолептичних властивостей води:

- відстоюванням і коагуляцією у спеціальних баках для освітлення і вилучення з води завислих частинок;

- фільтруванням через вугільні, вугільно-пісочні, пісочні фільтри, силумінові фільтрпреси або керамічні фільтри для досягнення прозорості води з відблиском і знепліднення вод мікрофільтруванням;

2 – покращення мікробіологічних показників якості води знезараженням фізичними, хімічними та біологічними способами;

3 – покращення хімічного складу води термічними, реагентними способами чи катіонуванням;

Поєднання відповідних технологічних процесів і обладнання складає технологічну схему покращення якості води.

 

2. При надходженні на виробництво мутної води використовують відстоювання - процес осадження завислих частинок під дією сили тяжіння.

Ступінь освітлення води розраховують за формулою

,

де V – ступінь освітлення води;

М ₁ –вміст завислих частинок в освітлюваній воді;

М ₂ –допустимий вміст завислих частинок у воді.

Воду відстоюють без попередньої обробки (звичайне відстоювання) і після коагуляції частинок, які містяться у ній. Воду відстоюють у резервуарах – відстійниках – басейнах різної форми і об’єму. Розрізняють відстійники вертикальні та горизонтальні.

Обробку природних вод коагулянтами застосовують найчастіше для обробки вод відкритих водойм, зокрема для очистки води від завислих частинок (якщо відстоювання відбувається повільно), зменшення колірності, а також для інтенсифікації осадження карбонату кальцію і гідроксиду магнію при реагентному пом’якшенні води. Поряд із звільненням води від завислих частинок досягається також вилучення з неї колоїдів, які зумовлюють колірність води, планктонних організмів, а також зменшується ступінь бактеріального забруднення води. Нерідко при обробці води коагулянтом зменшується її запах і присмак.

Дія коагулянту зводиться до трьох основних процесів: власне коагуляції, флокуляції та співосадження і сорбції.

У практиці водопідготовки мають справу з гідрофільними та гідрофобними колоїдами. Гідрофобні не зв’язують істотної кількості води, окремі з них мають значний електричний заряд, нейтралізація якого веде до втрати стійкості та незворотної коагуляції гідрофобних колоїдів. Гідрофільні частинки, навпаки, здатні зв’язувати значну кількість води. Це в основному органічні забруднення - високомолекулярні сполуки, на поверхні яких наявні такі полярні групи як , , . Гідрофільні колоїдні частинки переміщаються у дисперсійному середовищі разом з їх водною оболонкою. Частинки гідрофільних зарядів мають незначні електричні заряди і під впливом електролітів, як правило, не коагулюють.

Як правило, на кожну тону води вносять від 20–50 до 150–200 г сульфату алюмінію у вигляді 5%-го розчину або сульфату феруму (ІІ) чи (ІІІ) у поєднанні з гашеним вапном і аерацією води. Доза коагулянту залежить від колірності (К) води: .

Сульфат алюмінію реагує з гідрогенкарбонатами кальцію та магнію за рівнянням

Al₂(SO₄)₃ + Ca(HCO₃)₂ → 2Al(HCO₃)₃ + 3CaSO₄.

Утворений гідрогенкарбонат алюмінію нестійкий і розпадається:

Al(HCO₃)₃ → Al(OH)₃↓+ 3CO₂.

Гідроксид алюмінію утворює колоїдні розчини, в яких алюміній несе потужний позитивний заряд. При зустрічі з колоїдами води відбувається взаємна коагуляція колоїдів, у результаті колоїдні частинки води та гідроксиду алюмінію утворюють крупні пластівці, що осідають протягом 6–8 год. У процесі коагуляції з води також вилучаються грубодисперсні завислі частинки, які механічно захоплюються і осаджуються пластівцями колоїдних частинок. Відстояну воду фільтрують.

У процесі коагуляції, поряд з освітленням води зменшується її карбонатна твердість на 0,7–1 мг-екв/дм³; одночасно на стільки ж збільшується некарбонатна твердість, оскільки утворена при гідролізі Al₂(SO₄)₃ сульфатна кислота розкладає гідрогенкарбонати:

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃ ↓ + 3H₂SO₄

H₂SO₄ + Ca(HCO₃)₂ →CaSO₄ + 2H₂O+ 2CO₂

Оптимальною умовою гідролізу сульфату алюмінію є pH > 7,5–7,8; при нижчих значеннях pH гідроліз не відбувається. При pH8,2 колоїди гідроксиду алюмінію перезаряджаються (набувають протилежного заряду) і пластівці не утворюються.

Замість Al₂(SO₄)₃ можна використовувати залізний купорос FeSO₄·7H2O. У присутності гідрогенкарбонатів і кисню повітря відбуваються наступні реакції:

FeSO₄ + 2 HCO₃ ^– → Fe(OH)₂ + 2CO₂ +SO₄ ^2–

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2 H₂O→ Fe(OH)₃ ↓

Вода для приготування БН повинна бути прозорою. За наявності суспендованих частинок її необхідно фільтрувати, навіть при задовільному хімічному складі. Фільтруванням називають процес відділення завислих частинок від рідини пропусканням її через пористу перегородку (фільтруючий матеріал). Для фільтрування природних вод використовують пісочні, керамічні фільтри та фільтр-преси.

Пісочні фільтри - герметично закриті циліндричні резервуари, на решітку з діаметром отворів 1 мм, яка закріплена на опорному кільці, укладають фільтрувальну тканину, а на неї завантажується шар гравію, шар крупного піску (50 мм) з розміром зерен 2,5–3,5 мм, на нього шар піску (50 мм) з розміром зерен 2,0–2,5 мм і шар (400 мм) дрібного піску з розміром зерен 1,5–2 мм. Воду у фільтр подають через розподільну голівку. Пісочний фільтр обладнаний штуцером для відведення фільтрату, штуцером для відбору проб.

Продуктивність пісочних фільтрів залежить від розмірів фільтруючої поверхні і становить 500–2500 л/год.

Пісочний фільтр включають у водопровідну мережу через редуктор для забезпечення подачі води під постійним тиском. За відсутності редуктора воду подають на фільтр з водонапірного збірника. Після деякого періоду роботи фільтра швидкість руху води через фільтр зменшується. Тому його періодично чистять, пропускаючи крізь фільтруючий матеріал воду під тиском у напрямку, зворотному до напрямку фільтрування, а також раз на місяць дезінфікують.

Для безперервної тонкої очистки води під тиском застосовують фільтр-преси. Фільтруючий матеріал фільтр-пресу – фільтр-картон розміщають між рифленими плитами, що містяться між опорною та притискаючою плитами. Фільтр-прес монтують на пересувному візку. При зростанні тиску понад 0,25 МПа фільтрування припиняють. Фільтр-преси мають вищу продуктивність порівняно з пісочними фільтрами (3000 і 9000 л/год), дозволяють забезпечити високу якість фільтрування, прості в експлуатації.

3. Якщо бактеріологічна забрудненість води перевищує встановлені норми, то воду знезаражують. Використовують хімічні та фізичні методи знезараження.

До фізичних методів знезараження води належать:

ü обробка бактерицидними УФ-променями;

ü фільтрування крізь керамічні фільтри;

ü обробка УЗ коливаннями.

ü термічна обробка вод.

На підприємствах виробництва БН та розливу мінеральних вод широко застосовують установки для знезаражування води УФ-променями довжиною хвилі 200–295 нм. Максимальні бактерицидні властивості мають УФ-промені довжиною хвилі 253,7 нм. Це найекономічніший спосіб знищення мікроорганізмів природних вод без застосування добавок, який залежить від природи мікроорганізмів, їх концентрації.

УФ-промені застосовують для знезараження прозорої та безбарвної води, з якої видалені гумінові, забарвлені сполуки, частинки іржі та колоїди. Для знезараження використовують безнапірні установки відкритого типу з не зануреними джерелами випромінювання і напірні закритого типу з зануреними джерелами випромінювання (більш поширені) з ексцентричним і концентричним розміщенням променівю Як джерело випромінювання використовують аргоново-ртутні лампи (БУВ) низького тиску та ртутно-кварцеві лампи (ПРК) високого тиску.

Переваги: знезараження триває декілька секунд без додавання добавок, покращується смак та запах, відсутні хімічні реакції з солями води, не збільшується корозійна агресивність води.

Для біологічної о чистки води на заводах БН використовують керамічні патронні-фільтри, фільтри з обпаленого кізельгуру або металічного порошку. Воду, яка надходить на фільтрування, попередньо очищають на пісочному або іншому фільтрі грубої очистки. При експлуатації керамічного фільтра необхідно щоденно промивати патрони, пропускаючи воду протягом 10 хв у напрямку, зворотному до напрямку фільтрації. Два рази на місяць патрони очищають і дезінфікують від слизу за допомогою перманганату калію, хлорного вапна і питної соди.

Для біологічної очистки води також використовують пластинчасті фільтри, які поряд з фільтруючими бактерицидними пластинами можуть містити пластини з активованим вугіллям, що дозволяє одночасно проводити процеси знебарвлення, дехлорування, очистку води від фенолів, покращувати її органолептику.

Рамні фільтри складаються з двох пластин, які утворюють фільтраційну камеру. Спочатку воду фільтрують крізь звичайний фільтр-картон, а потім її подають на другий фільтр-прес для фільтрування через знезаражуючий фільтр-картон марки ФКО-2. Осад, що відкладається на фільтрі за певний час роботи, викликає збільшення тиску фільтрування, тому його усувають, одночасно знезаражуючи, пропусканням крізь фільтр гострої пари, або промивають гарячою водою 90^оС упродовж 30 хв.

Переваги фільтрів: фільтрування не змінює смаку води, вона готова до споживання відразу після фільтрування. Недоліки: мала продуктивність, складність в експлуатації, дороговизна знепліднюючих тканин.

УЗ-хвилі (звукові хвилі частотою понад 20 кГц) прискорюють окиснювальні процеси і зумовлюють коагуляцію білків, у результаті чого мікроорганізми, які піддаються впливу УЗ-коливань, гинуть. Максимальною бактерицидною дією характеризуються коливання частотою 500–1000 кГц. Такі коливання створюються п’єзокварцовими або магнітострикційними генераторами. Перешкодою широкого застосування цього методу є відсутність потужних промислових генераторів УЗ-коливань та високі затрати електроенергії.

Стерилізація вод при 75^оС упродовж 10 хв веде до загибелі більшості мікроорганізмів. Але при кипінні з води виділяються важливі гази, змінюється хімічний склад лужноземельних сполук та погіршується смак води. Метод неекономічний, і вода, після нього хоч і не містить мікроорганізмів, але й не має бактерицидних властивостей, тому знову може бути заражена.

До хімічних методів знезараження води належать:хлорування;озонування;

обробка іонами срібла.

Хлорування – найпоширеніший і найдешевший най тривалішою бактерицидною дією. Для хлорування використовують як газоподібний хлор, так і сполуки, які містять активний хлор: гіпохлорити, хлораміни, діоксид хлору, хлорне вапно.

Суть знезаражуючої дії хлору полягає в окисненні та руйнуванні речовин, які водять до складу протоплазми клітин бактерій. Ефективність дії хлору залежить від початкової дози хлору, тривалості його зберігання у воді. На руйнування клітин бактерій витрачається лише незначна доза Cl₂, а більша його частка витрачається на реакції з різними органічними та мінеральними домішками, що покращує колірність та знижує окиснимість води. Та із збільшенням витрати хлору зростає частка залишкового хлору. Всі методи хлорування діляться на:

· постхлорування – знезараження води хлором після всіх етапів її обробки;

· прехлорування – знезараження перед основними етапами очистки;

· комбіноване та нормальне.

Кожне хлорування відрізняється витратою хлору. Для характеристики поведінки води використовують показник хлорованості води , який дорівнює оберненому значенню найбільшої витрати хлору () у мг/дм³, при введенні якої у воді після 30-хвилинного контакту залишається 0,5 мг/дм³ залишкового хлору . Чим більше значення , тим чистішою є вода.

Для хлорування у води використовують газоподібний хлор або водний розчин хлорного (білильного) вапна (CaCl₂ · Ca(OH)₂ – 50%, Ca(ClO)₂ · 2Ca(OH)₂ – 30%, Ca(ClO)₂ – 20%).

Під час хлорування мікроорганізми знищуються не хлором, а киснем, який виділяється в результаті розпаду хлорнуватистої кислоти, що утворюється при розчиненні хлору у воді. При використанні газу реакція відбувається за рівнянням

H₂O + Cl₂ → HClO + HCl

HClO → HCl + O^·.

Дозу активного хлору визначають лабораторним шляхом. Знезаражуюча дія хлору виявляється не відразу, а лише після тривалого проміжку часу (до 2 год). Достатньою дозою хлору для знезараження води, яку використовують для харчового водопостачання, вважають дозу, здатну давати після 30-ти хвилинного контакту води з хлором залишковий активний хлор з концентрацією не < 0,3 і не > 0,5 мг/л у найближчій від насосної станції точці мережі і не < 0,1 мг/л у найбільш віддалених ділянках водогону. Недоліки використання хлору: час дії залежить від температури і рН; він взаємодіє з компонентами води, поглинається, а значить залишається у воді, може утворювати з наявними у воді фенолами токсичні хлорфеноли або канцерогенні хлорорганічні сполуки; сприяти стійкості деяких штамів мікроорганізмів; викликати корозію алюмінію у м’яких водах,

Залишковий хлор потрібно завжди видаляти з води, для цього її необхідно додатково пропускати через дехлоратори – колони, заповнені активованим вугіллям.

Високу окисну здатність має діоксид хлору ClО_2. На практиці застосовують прямий та непрямий способи хлорування. При непрямому способі попередньо насичують газоподібним хлором певну кількість води, і після цього цю хлорну воду (3–5% хлору) додають до води, яку піддають хлоруванню. При прямому способі газоподібний хлор вводять у необхідній кількості у водопровідну трубу через срібну трубку, яка має насадку з малими отворами – дрібнопористий фільтр. Недоліком цього методу хлорування є незручність у дозуванні хлору. Для точнішого дозування використовують газодозатори або хлоратори. Зріджений хлор постачають і зберігають у балонах або бочках.

Для озонування води повітря до контакту з нею піддають дії електричного розряду високої напруги. У результаті частина кисню перетворюється на озон, і одержану газову суміш змішують з бактеріологічно-забрудненою водою. Озон розпадається на молекулу кисню і атомарний кисень, який згубно діє на вегетативні форми бактерій. Дія озону, як і хлору, не є миттєвою, тому необхідний деякий час для контакту з водою (він у 10–15 разів менший, ніж при хлоруванні). Одночасно із знезараженням води озонування дозволяє усунути її неприємний запах та присмак, знебарвити воду та покращити органолептичні властивості (окиснює нітрити, видаляє аміак, іони феруму, мангану, гумінові сполуки). Подовжити знезаражуючу дію озону дозволяє активоване вугілля. Однак, вартість озонування є дуже високою, тому цей спосіб широко не застосовується.

Знезараження води під дією іонів срібла відбувається завдяки їх здатності руйнувати і денатурувати плазму мікроорганізмів. Активність срібла зростає із збільшенням концентрації іонів Ag⁺ у розчині та з підвищенням температури.

Використовують два способи знезараження води під дією іонів срібла: електролітичний і обробку мінеральних вод розчином сульфату аргентуму Електролітичний спосіб ґрунтується на анодному розчиненні срібла. Для одержання електролітичної срібної води використовують іонаториОптимальна бактерицидна доза іонів Ag⁺ для прозорої води, в якій вміст хлору не перевищує 25 мг/дм³, становить 0,05–0,20 мг/дм³. Введення, у мінеральну воду сульфату аргентуму, який забезпечує його концентрацію 0,15–0,2 мг/дм³, гарантує повну загибель патогенної, умовно-патогенної та сапрофітної мікрофлори протягом 2–4 год.

Питна вода, оброблена електролітичними розчинами срібла, яка містить 0,4–0,5 мг/дм³ іонів Ag⁺, зберігає стійкість протягом 5–6 місяців, але срібло здатне каталізувати реакції між складниками безалкогольних напоїв.

 

4. Для звільнення від стороннього запаху або усунення колірності воду пропускають через вугільно-пісочні фільтри (ВПФ) або вугільні колонки. ВПФ відрізняються від пісочних тим, що вони додатково заповнені одним або двома шарами активованого вугілля. Шар вугілля відділяється від шару піску фільтрувальним матеріалом та решітками. При зниженні активності вугілля фільтрування зупиняють для регенерації фільтра парою або гарячою водою. Для видалення пахучих речовин використовують дерев’яне вугілля з липи та ялини, а для усунення колірності – тваринне та кісткове.

Воду із вмістом іонів феруму понад 0,3 мг/дм³ не можна використовувати для приготування БН, так як одержані напої нестійкі. Сполуки феруму (ІІ) і (ІІІ) – Fe(OH)₃, Fe(OH)₂, FeS, вилучають з води аеруванням, коагулюванням, вапнуванням, катіонуванням або комбінуванням цих методів.

Суть аерування і вапнування води полягає у переведенні іонів Fe²⁺ у Fe³⁺ з утворенням осаду гідроксиду феруму (ІІІ). При коагуляції також осаджуються гідроксиди феруму (ІІІ) і алюмінію. При катіонуванні відбувається обмін рухомих іонів катіоніту на іони феруму, які містяться у воді.