Книга представляет собой третье переработанное и дополненное издание монографии «Основы технологии кондиционирования воды», выпущенной в 1963 г. и переизданной затем в 1971 г. под названием «Теоретические основы и технология кондиционирования воды».
Книга представляет собой третье переработанное и дополненное издание монографии «Основы технологии кондиционирования воды», выпущенной в 1963 г. и переизданной затем в 1971 г. под названием «Теоретические основы и технология кондиционирования воды».
При многообразии присутствующих в воде примесей и загрязнений первостепенное значение для разработки экономичных способов очистки воды имеет научно обоснованная классификация, позволяющая объединить их по признаку общих свойств в отдельные группы.
Все примеси природных и сточных вод, независимо от свойств и концентрации, как уже отмечалось, по их фазово-дисперсному состоянию могут быть разделены на четыре группы (табл. 8).Первая группа веществ представляет собой нерастворимые примеси с величиной частиц 10-5— 10 3 см, образующие с водой суспензии, эмульсии или пены. Эти примеси обусловливают мутность воды, в некоторых случаях могут придавать ей цветность.
Вода используется во всех отраслях народного хозяйства. Основным показателем, определяющим пригодность воды в каждом конкретном случае, является состар. и концентрация содержащихся в ней примесей. Исходя из этого, требования, предъявляемые к воде, могут быть самые различные и определяются целевым назначением последней. Различают воду, используемую для хозяйственно-питьевых целей, а также для нужд пищевой и бродильной промышленности; орошения полей, в животноводстве и других отраслях сельского хозяйства; для охлаждения элементов технологических агрегатов, пара, жидких и газообразных продуктов в холодильниках и конденсаторах; для нужд паросилового хозяйства (питание паровых котлов); технологических целей промышленности; заводнения нефтяных пластов и т. д.
В практике водообработки используются различные технологические приемы и методы улучшения качества воды. Выбор рациональных схем обработки природных и сточных вод представляет значительные трудности. Это объясняется сложностью состава природных и сточных вод и высокими требованиями к качеству очистки; изменением состава воды водоема в результате спуска стоков новых промышленных предприятий, развитием водного транспорта, осушением болот (расположенных выше по течению), расширением торфяных разработок и т. п. Такие нарушения усложняют не только проектирование новых, но и усовершенствование давно эксплуатируемых очистных сооружений. Соображения, положенные в основу разработанной нами классификации, сделали возможным на примере обработки природных вод систематизировать существующие методы водообработки.
При большом содержании в воде грубодисперсных взвесей, в частности при очистке промышленных сточных вод, загрязненных частицами песка, породы, руды или нерудных ископаемых, кристаллами гипса и т.д., первой стадией осветления воды является отделение таких взвешенных частиц в песколовках. Преимущественно применяются песколовки горизонтальные с прямолинейным и круговым движением воды, аэрируемые и тангенциальные.
Многие вещества, обусловливающие мутность и цветность воды, находятся в ней в коллоидном состоянии. Для осветления и обесцвечивания воды в этом случае используются методы обработки, основанные на применении реагентов (коагулянтов), обеспечивающих перевод в осадок коллоиднодисперсных примесей и загрязнений. Коагулянты представляют собой соединения, способные гидролизоваться в воде с образованием различных коагуляционных структур, обладающих высокими адсорбционными и адгезионными свойствами.
Контактная коагуляция в отличие от коагуляции, происходящей в камерах хлопьеобразования и носящей название коагуляции в объеме, протекает на поверхности сорбента. При контактной коагуляции коллоидные и взвешенные примеси воды сближаются с частицами сорбента и под действием молекулярных сил прилипают к их поверхности или к ранее осевшим на них частицам примесей. Этот вид коагуляции имеет преимущества перед коагуляцией, протекающей в объеме: полная коагуляция происходит при меньших дозах коагулянта, температура воды оказывает меньшее влияние на протекание процесса, коагуляция хорошо идет при малых концентрациях взвеси в воде.
Коэффициент диффузии хлора в воде при температуре воды 12° С — 1,22 см2/сутки. Сухой хлор при низких температурах взаимодействует с очень немногими веществами, но при наличии следов влаги активность его резко повышается. Он непосредственно соединяется со всеми металлами и неметаллами (кроме кислорода, благородных газов и азота).
Электросинтез озона осуществляется в генераторе, представляющем собой излучатель, состоящий из двух электродов, разделенных диэлектриком-(боросиликатное стекло) и воздушной прослойкой. На практике озон получают в специальных аппаратах-озонаторах, в которых воздух с определенной скоростью пропускается между двумя подводящими ток поверхностями.
При атмосферном давлении и температуре воды 10°С К 0,36, при 20°С — 0,24.Скорость перехода озона через межфазную зону зависит от эффективности его диффузии, которая определяется факторами, характеризуемыми общим термином «движущие силы абсорбции». Факторы, обусловливающие высокую скорость массопередачи, находятся в прямой зависимости от коэффициента распределения К, применяемого давления и концентрации озона Сг. Коэффициент К зависит лишь от температуры воды, а р и Сг — от технологических условий получения озона. Следовательно, для увеличения эффективности перехода озона в воду значения р и Сг должны быть возможно более высокими.
При озонировании воды всегда стремятся иметь в ней остаточный озон и удержать его в течение времени, необходимого для гибели бактерий, вирусов и т. д. При самопроизвольном распаде озона в воде любой метод, обеспечивающий увеличение остаточного озона сверх технических требований, может привести к бесполезной его потере. Сюда необходимо отнести и избыточную концентрацию озона в газе, создаваемую для увеличения движущей силы абсорбции, если она не совпадает с теоретической, рассчитанной на основании коэффициента распределения.
Озонаторы промышленного типа отличаются друг от друга конструктивным оформлением, средствами охлаждения электродов и диэлектрика, а также используемым напряжением и частотой тока. Озонаторы небольшой производительности обычно выполняются с парой электродов и имеют трубчатую форму. Охлаждение носит упрощенный характер, так как тепло электрического разряда рассеивается от электродов в окружающую среду. Относительно большое количество воздуха, проходящее через озонатор, также способствует отведению тепла, но в связи с этим концентрация озона в озоно-воздушной смеси понижается. Для получения значительных количеств озона с повышенной концентрацией необходимы более совершенные средства теплоудаления. Вместе с тем увеличение производительности озонаторов должно сочетаться с компактной формой охлаждающих устройств.
Попытки практически использовать бактерицидный эффект металлов относятся к 1907 г., когда впервые были поставлены опыты по обеззараживанию воды путем погружения в нее пластинок из чистого металлического серебра. В 1917 г. итальянский исследователь Сесиль предложил стерилизовать питьевую воду в сосудах, содержащих серебряную проволоку. Дезинфекция воды достигалась через 8 ч. Применяемые для стерилизации воды серебряные сосуды действовали на микроорганизмы, находящиеся в водопроводной воде, лишь через 24 ч.
Опытное производство Института коллоидной химии и химии воды АН УССР также освоило изготовление ионаторов переносного лабораторного ЛК-25, дорожных ЛК-26, ЛК-27 и стационарного ЛК-30. На Сумском заводе электронных микроскопов и на Мелитопольском компрессорном заводе организован выпуск ионаторов индивидуального пользования (на первом — ЛК-26 и ЛК-27, на втором — ЛК-31 и ЛК-32).
Проблема обеззараживания воды при инфицировании ее устойчивыми к внешним воздействиям болезнетворными микроорганизмами до настоящего времени не получила удовлетворительного разрешения. Современные методы обеззараживания воды с применением окислителей, ионов тяжелых метал -лов и излучений недостаточно эффективно инактивируют вирусы, споровые формы бактерий и другие патогенные микроорганизмы, особенно если они защищены плотной оболочкой или находятся в комках слизи. Однако при комбинированном воздействии ионов тяжелых металлов и постоянного алек-трического тока удается полностью очистить воду от микроводорослей [1491 и бактерий кишечной группы [150] и значительно снизить содержание отдельных видов вирусов [151].
В последние годы придается большое значение использованию для обеззараживания воды адгезионных свойств некоторых материалов с последующим выделением адгезива и субстрата в осадок. В качестве таких материалов можно использовать природные высокодисперсные глинистые минералы, имеющие сильно развитую поверхность и высокие адсорбционные свойства.
Оболочки бактерий и вирусов состоят из соединений, содержащих различные функциональные группы, которые в определенных условиях могут вести себя как кислоты или основания. Поэтому микроорганизмы взаимодействуют с ионообменными полимерами, адсорбируясь на их поверхности.
Давно было замечено, что свет отрицательно влияет на развитие большинства бактерий. Это свойство приписывалось всему солнечному спектру и природа его на протяжении ряда лет оставалась невыясненной.Бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей объяснялись различно. Одни исследователи указывали на возможность образования в воде под действием ультрафиолетовых лучей озона, другие приписывали обеззараживающее действие образованию перекиси водорода. В настоящее время наиболее вероятной считается гипотеза, согласно которой ультрафиолетовые лучи, воздействуя на белковые коллоиды протоплазмы клеток, изменяют их структуру и дисперсность, что и обусловливает гибель самой клетки.
Ультразвуковые колебания могут быть получены и магнитострикцион-ным способом, который основан на свойстве металлического стержня (никелевого или стального), быстро намагничиваемого и размагничиваемого (который при этом периодически удлиняется или укорачивается), издавать звук определенной частоты. Данный метод рентабельнее пьезоэлектрического, но менее эффективен. На рис. 260 представлены принципиальные схемы магнитострикционного и пьезоэлектрического ультразвуковых генераторов.
Термический метод, обычно применяемый для обеззараживания небольших количеств воды, используется в санаториях, больницах, на пароходах, в поездах и т. д. Полное обеззараживание воды, т. е. гибель всех находящихся в ней патогенных бактерий, достигается 5—10-минутным кипячением. Для получения кипяченой воды в больших количествах пользуются кипятильниками системы «Вулкан», «Титан», Бессонова и др.
К числу других безреагентных методов обеззараживания воды, которые, возможно, в будущем найдут применение, относится воздействие на нее лучей Рентгена, радиоактивного излучения и токов высокой частоты, обладающих по некоторым данным бактерицидным действием. Однако до настоящего времени эти методы исследованы мало, а потому о перспективности их применения можно будет судить лишь после длительного и детального изучения.
Вода, используемая для хозяйственно-питьевых нужд, должна иметь высокие органолептические показатели (отсутствие окраски, мутности, привкусов и запахов, вредных минеральных и органических примесей и пр.). Для получения воды с такими свойствами могут применяться различные способы очистки. Однако, в отличие от процессов обесцвечивания и осветления, которые хорошо разработаны и широко внедрены в практику, методы дезодорации воды, т. е. улучшения ее вкусовых показателей, до настоящего времени используются недостаточно. В то же время проблема улучшения вкусовых показателей воды приобретает особое значение в связи с загрязнением рек, озер и других водоемов стоками промышленных предприятий, а также веществами, поступающими в воду в результате интенсивной химизации сельского хозяйства.
На протяжении нескольких десятилетий единственным методом устранения привкусов и запахов биологического происхождения было аэрирование воды, основанное на летучести органических соединений, обусловливающих их возникновение [63—66]. Такой способ обеспечивает ее полную дезодорацию [62]. Исключение составляют вещества, выделяемые водорослями вида Бупига. Аэрирование в этом случае снижает запах обрабатываемой воды на 50% [67].
Эффективность взаимодействия используемых в практике водоочистки сильных окислителей (перманганата калия, хлора, озона) с пахнущими примесями и загрязнениями природных вод определяется величиной окислительновосстановительного потенциала окислителей и химизмом протекающих реакций.
Как известно, при адсорбции конкурируют два вида межмолекулярных взаимодействий: гидратация молекул растворенного вещества, т. е. взаимодействие их с молекулами воды в растворе, и взаимодействие молекул адсорбирующегося вещества с атомами поверхности твердого тела. Разность энергий этих двух процессов и представляет собой энергию, с которой извлеченное из раствора вещество удерживается на поверхности погруженного в раствор адсорбента. Наиболее сильное адсорбционное взаимодействие наблюдается, если в структуре молекул имеются двойные связи, образующиеся с участием я-электронов. Поэтому ароматические соединения сорбируются значительно лучше алифатических.
До сих пор рассматривались методы дезодорации воды, применяемые на очистных сооружениях водопроводов. В то же время профилактику возникновения запахов и привкусов биологического происхождения можно проводить непосредственно в водоеме.
Стабильность воды — один из основных показателей ее качества. Обесцвеченную и осветленную на очистных сооружениях воду нельзя считать удовлетворительной по качеству, если, проходя по водопроводной сети, она приобретает окраску или дает осадок. Нарушение стабильности воды может быть вызвано наличием растворенной углекислоты или кислорода, низким pH, пересыщенностью ее карбонатом кальция или гидроокисью магния, повышенной концентрацией сульфатов либо хлоридов.
Во многих случаях низкое качество продукции и износ оборудования свя заны с наличием в воде газов (например, в теплоэнергетике, горячем водоснабжении и т. д.). Чаще всего приходится удалять из воды углекислоту, кислород и сероводород. Они обусловливают либо усиливают процессы коррозии металлов, а в случае углекислоты — и бетона.
Смещение равновесия происходит за счет понижения растворимости углекислого газа, вызываемого повышением температуры. Кипячением можно полностью удалить углекислый газ и, следовательно, намного снизить карбонатную кальциевую жесткость. Однако полностью устранить указанную жесткость не удается, так как карбонат кальция, хотя и незначительно (13 мг/л при температуре 18°), но все же растворим в воде.
В основе реагентного умягчения воды лежит обработка ее веществами, которые связывают находящиеся в воде ионы Са2+ Л 2+в практически нерастворимые соединения. В качестве реагентов для умягчения воды применяют известь, кальцинированную соду, едкий натр, гидроокись бария и другие вещества.
Ионный обмен имеет некоторое сходство с адсорбцией: в обоих случаях твердое тело поглощает растворенное вещество. Принципиальное различие между ними состоит в том, что ионит взамен поглощенных ионов отдает в раствор эквивалентное количество противоионов с таким же знаком заряда, а адсорбент только поглощает растворенное вещество, не отдавая в раствор другого. Несмотря на четкое различие, на практике нередко трудно провести границу между названными процессами, поскольку ионный обмен почти всегда сопровождается адсорбцией. .
Механизм влияния магнитного поля на воду и ее примеси до настоящего времени окончательно не выяснен [162]. Большинство теорий объясняют эффект магнитной обработки воды действием магнитного поля на присутствующие в воде ионы солей, которые подвергаются поляризации и деформации. Сольватация ионов при этом уменьшается, происходит их сближение и кристаллизация. Согласно ряду гипотез, магнитное поле действует на примеси воды, находящиеся в коллоидном состоянии. Некоторые исследователи эффект влияния магнитного поля объясняют изменением структуры воды.
Более экономичными являются многоступенчатые испарительные установки, в которых острый пар котла, конденсируясь в испарителе, за счет теплоты конденсации испаряет некоторый объем обессоливаемой воды. Последовательное включение нескольких испарителей так, чтобы вторичный пар первого испарителя являлся греющим паром для второго, позволяет в значительной степени повысить эффективность всей установки. Процесс повторяется от испарителя к испарителю, число которых может быть доведено до 100 и более. Однако обычно используют не больше шести ступеней. Схема трехступенчатой опреснительной установки приведена на рис. 322, а общий вид такой установки — на рис. 323.
Экстракция—процесс разделения растворов при помощи избирательных растворителей (экстрагентов). Физическая сущность его состоит в переходе извлекаемого вещества из обрабатываемого раствора в фазу экстрагента при их взаимном контакте.
Вода может отделяться от растворенных солей переводом ее в твердую фазу вымораживанием или образованием газогидратов.Вымораживание основано на использовании явления разделения кристаллов пресного льда и рассола при замерзании соленой воды.Температура замерзания рассола ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации солей. Поэтому в твердое состояние вначале переходит чистая вода, а рассол в виде вакуолей оказывается включенным в массу пресного льда.
Техническая характеристика некоторых анионитов приведена в табл. 60.В конце цикла анионы угольной кислоты, поглощенные ОН-анионито-вым фильтром, начинают вытесняться анионами сильных кислот, а поэтому, если требуется неизменное pH воды, в технологическую схему включается буферный Ма-катионитовый фильтр.
Простейшая схема установки для электрохимического обессоливання воды с применением инертных мембран представляет собой ванну, разделенную двумя пористыми перегородками на три камеры, с погруженными в крайние ячейки электродами (рис. 341). Принцип ее действия основан на разности чисел переноса катионов и анионов солей по сравнению с ионами водорода и гидроксила. После заполнения ванны водой, подлежащей обработке, и включения постоянного тока ионы соли переносятся в крайние ячейки (катионы — к катоду, а анионы—к аноду). Одновременно на катоде выделяется свободный водород, а на аноде — кислород, т. е. анодная жидкость подкисляется, а катодная подщелачивается .
Обратный осмос (гиперфильтрация) представляет собой процесс разделения растворов фильтрованием через мембраны с порами примерно 10 А, которые проницаемы для молекул воды,но непроницаемы для гидратированных ионов или молекул недиссоциированных соединений. Ультрафильтрация — разделение растворов веществ, состоящих из низко-и высокомолекулярных соединений, с помощью мембран (размер пор от 50 до 2000 А), которые непроницаемы только для высокомолекулярных соединений, коллоидных частиц и взвесей.
Обезжелезивание воды производится несколькими методами: аэрированием, коагулированием, известкованием и катионированием. Сущность процесса обезжелезивания воды аэрированием и известкованием состоит в переводе-двухвалентного железа в трехвалентное и образовании гидрата окиси железа, выпадающего в осадок. В случае коагулирования происходит сопряженное осаждение гидрата окиси железа и гидроокиси алюминия. Обезжелезивание катионированием основано на обмене подвижных ионов катионита на содержащиеся в воде ионы железа.
В настоящее время для удаления из воды соединений кремния используют магнезиальное обескремнивание методами осаждения и фильтрования, обмена ионов, а также обработку известью, солями железа и алюминия.
Как уже указывалось, длительное употребление населением питьевой воды с содержанием фтора, превышающим 1,5 мг/л, вызывает флюороз (специфическое заболевание зубов, которое называется «пятнистой эмалью»). При содержании в воде фтора более 3—5 мг/л кроме пятнистости эмали наблюдаются изменения в костях скелета, а у детей — малокровие и рахит. Имеются данные о неблагоприятном влиянии повышенных концентраций фтора на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы и общее физическое состояние [317]. В тех районах, где питьевая вода бедна йодом, повышенное содержание в ней фтора может вызывать заболевание щитовидной железы (фтор вытесняет в тканях щитовидной железы йод). При использовании для питья воды с низким содержанием фтора (меньше 0,7 мг/л) наблюдается усиление кариозных явлений.
При выборе реагента принимается во внимание не только эффективность его противока-риозного действия, но и токсические свойства. Характеристика основных реагентов, применяемых при фторировании воды, приведена в табл. 66.
Сточные воды предприятий атомной промышленности, научно-исследовательских, медицинских и других учреждений, использующих в своей работе радиоактивные изотопы, являются причиной загрязнения природных вод искусственными радиоактивными элементами. Ненадежная изоляция твердых и полужидких радиоактивных отходов при их захоронении также может привести к заражению ими подземных и поверхностных вод.
Отстаивание воды применяется в качестве самостоятельного метода дезактивации в тех случаях, когда радиоактивные вещества взвешены в воде или представляют собой короткоживущие изотопы. Необходимая степень дезактивации воды обычно достигается при длительности отстаивания, равной 10—20 периодам полураспада радиоактивного вещества. Радиоактивные изотопы, образующиеся в воде, охлаждающей атомные реакторы (из-за облучения нейтронами минеральных солей воды), отличаются коротким периодом полураспада; за несколько часов пребывания в отстойнике они снижают свою активность на 95%. В большинстве случаев отстаивание следует применять в комплексе с другими методами.
Систематическая и точная проверка основных показателей качеств воды источника является основанием для правильной оценки и подбора эффективных методов обработки воды в соответствии с требованиями потребителей. Кроме того, необходимо, систематически осуществлять контроль за протеканием технологических процессов-очистки воды на очистных сооружениях городских и промышленных водопроводов В настоящем приложении приведены основные методы контроля за физическими, химическими и технологическими показателями качества воды с учетом существующих ГОСТов, а также некоторые определения, не предусмотренные ГОСТом, но имеющие большое значение для полной характеристики качества воды и обеспечения правильного режима ее обработки (определение бихроматной окисляемссти алюминия, озона, фтора, серебра и др.).
Для определения физических показателей качества воды (температура, запах, вкус, прозрачность или мутность, количество взвешенных веществ и цветность) разработаны, методы, используемые при ее анализе.Температура определяется немедленно после взятия пробы воды или непосредственно в водоеме термометром с делением 0,1°С, который должен выдерживаться в воде не менее 5 мин.
К химическим показателям качества воды относятся: окисляемость, азотсодержащие вещества, растворенные газы, плотный и минеральный остаток, жесткость воды (содержание кальция и магиия), pH и др.Окисляемость воды может определяться перманганатным либо бихроматным методом.
К технологическим показателям качества воды относятся коагулируемость, обесцвечи-ваемость, фильтруемость, остаточный алюминий, стабильность и хлорируемость.Смесь трижды перемешивают (трехкратным опрокидыванием закрытых пробками цилиндров), предварительно заметив время введения коагулянта в воду. Через 2 ч в верхней части цилиндра отбирают пипеткой по 100 мл отстоенной воды для определения цветности. Во время отстаивания воды в цилиндрах отмечают время образования и оседания хлопьев, а также их вид (рыхлость и величину).