ВОДОПОДГОТОВКА — это комплекс технологических процессов обработки и очистки воды для приведения ее качествава в соответствие с требованиями потребителей (например
требованиям к питательной воды для паровых или водогрейных котлов).
В процессе водоподготовки из воды могут удаляться марганец, железо, синтетические моющие и красящие вещества ПАВ, пестициды, нитраты, нитриты, сульфаты, хлориды и др.
Водоподготовку проводят на специальных станциях очистки воды (умягчителях, обезжелезивателях, осадочных фильтрах, фильтрах комплексной очистки, деаэраторах и др. ), производительность которых может составлять от 0,1 м3/сут до нескольких миллионов м3/сут.
Осветление воды. Удаление механических загрязнений из воды
Вода поверхностных (открытых) источников (реки, озера, пруды), как правило, содержит крупнодисперсные и коллоидные минеральные и органические примеси, которые придают воде цветность и мутность. Для их снижения мутности и цветности воду обрабатывают коагулянтами сульфатами и хлоридами алюминия и железа (A12 (SO4) 3, FeSO4, FeCl3) и флокулянтами (полиакриламидом, активной H2SiO3 и др. ). Добавление растворов флокулянтов и коагулянтов в воду осуществляется с помощью станции дозирования реагентов СДР. Образовавшуюся укрупненную массу в виде хлопьев, состоящую в основном из гидроксидов алюминия, железа и примесей. Затем в отстойниках или специальных осветлителях отфильтровывают хлопья (осадок в этих фильтрах-осветлителях поддерживается во взвешенном состоянии благодаря потоку воды поступающей снизу вверх). Фильтры бывают напорные или открытые с загрузкой из зернистых материалов (гранулированный силикат алюминия Filter Ag, кварцевый песок, дробленый антрацит и др. ), а также во флотаторах, гидроциклонах, сепараторах. Для частичного удаления крупнодисперсных примесей и фитопланктона, образующегося при цветении водоемов, применяют сетчатые и барабанные фильтры.
Обеззараживание воды. Бактерицидная обработка воды
В воде могут присутствовать болезнетворные микроорганизмы и вирусы, которые делают воду непригодной для технических, хозяйственно бытовых и питьевых целей. Присутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (например нитчатых, зооглейных, сульфатвосстанавливающих бактерий, железобактерий, легионелл) вызывает биологическое обрастание, а иногда и разрушение трубопроводов и выход из строя оборудования.
Для обеззараживания воды существует несколько видов ее обработки. Самым распространенным видом обеззараживания является хлорирование воды жидким или газообразным хлором С12, гипохлоритами — NaClO, Са (СlO) 2 и СlO2. Хлор взаимодействует с зараженной водой и образует соединения НСlО и НС1; при рН > 4 свободный хлор практически отсутствует, при рН > 5,6 НС1О диссоциирует на Н+ и СlO-. Бактерицидность недиссоциированной НС1О в 70-80 раз больше, чем у СlO-. Для обеззараживания воды применяют также озон и ультрафиолетовое облучение. Добавление гипохлорида в воду осуществляется с помощью станции дозирования реагентов СДР.
Стабилизация воды. Корректировка рН
В водоподготовке стабильной считается вода, которая не выделяет и не растворяет отложения жесткой воды СаСО3. Показателем стабильности служит индекс насыщения воды I карбонатом кальция Са, который рассчитывают по данным о рН и температуре обрабатываемой воды, а также по концентрации катионов кальция Са2+, щелочности и солесодержании. Исходя из этих данных, находят pHs, соответствующий насыщению воды карбонатом. На основе полученных данных о pHs и значения рН вычисляют I = рН — рН5. Вода считается стабильной, если I = 0. При I < 0 вода вызывает коррозию стали и чугуна, т. е. считается коррозионноактивной. При I > 0 может выделяться карбонат кальция СаСО3 с образованием отложений (накипи) на стенках трубопроводов и оборудования. Это связано с наличием в воде оксида углерода СО2: при его избытке происходит коррозия, при недостатке — пересыщение воды СаСО3, что и приводит к образованию накипи.
Для связывания оксида углерода и других кислородсодержащих веществ воду обрабатывают щелочными и стабилизационными реагентами. Добавление реагентов в воду осуществляется с помощью станции дозирования реагентов СДР. Многие природные и производственные воды, идущие на охлаждение (например в градирни), пересыщены солями кальция и магния. При использовании в качестве хладагента вода нагревается, что вызывает разложение гидрокарбонатов и выпадение карбоната кальция. Кроме этого, осаждаются соли магния. Для устранения отложений воду подкисляют, т. е. добавляют серную или соляную кислоту.
Умягчение или снижение жесткости воды. Удаление солей жесткости из воды
Этот процесс заключается в удалении из воды катионов кальция и магния.
Реагентное умягчение основано на введении в воду веществ, обогащающих ее анионами СО32- и ОН-, в результате чего образуются труднорастворимые соли кальция и магния, которые затем отфильтровываются на осадочных фильтрах. При обработке воды известью (гашеной Са (ОН) 2 или негашеной СаО) происходит декарбонизация — устранение карбонатной жесткости; снижается также щелочность воды. Известь связывает растворенный в воде диоксид углерода с образованием гидрокарбонатных ионов, которые, взаимодействуя с известью, превращаются в карбонаты выпадающие в осадок. Для устранения магниевой карбонатной жесткости количество извести должно обеспечивать получение малорастворимых солей магния при одновременном эквивалентном выделении в осадок карбоната кальция. Предел умягчения воды известью определяется растворимостью солей кальция и магния.
Воду обрабатывают известью и содой в тех случаях, когда кальций и магний присутствуют в воде не только в виде гидрокарбонатов, но и в виде хлоридов и сульфатов, т. е. для устранения как карбонатной, так и некарбонатной жесткости. При этом образуются осадки СаСО3 и Mg (OH) 2, а в раствор переходит Na+ (в виде Na2SO4 и NaCl) в количестве, эквивалентном количеству Na2CO3. Вода, умягченная известью и содой без подогрева, имеет остаточную жесткость порядка 0,5-1,0 ммоль/л. При нагреве воды до 35-40 °С можно поддерживать остаточную жесткость не более 0,5 ммоль/л. При подогреве воды до 100 °С и выше (термохимическое умягчение, применяемое для питания паровых котлов) остаточная жесткость составляет 0,3 ммоль/л. Избыток извести повышает остаточную жесткость воды и одновременно обусловливает увеличение ее щелочности.
Катионирование воды — это пропускание исходной жесткой воды через слой зернистого катионита. В результате ионы кальция и магния заменяются на ионы натрия. При натрий-катионировании катионит (ионообменная смола) регенерируют раствором таблетированной соли, содержащей катионы натрия Na+, а при аш-катионировании регенерируют NH4+, или кислотами атомы Н которых вытесняют ионы кальция и магния.
Способность разных катионитов к обмену ионами выражается ионообменной емкостью по отношению к данному иону и измеряется числом молей катионов, поглощенных 1 м3 катионита. Различают рабочую емкость смолы (до «проскока» ионов кальция и магния в профильтрованной воде) и полную емкость смолы (до полного истощения катионита). Полная емкость поглощения катионитов составляет 570-1700 моль/м3. Рабочая емкость зависит от свойств ионообменной смолы, условий восстановления катионита, размеров зерен и высоты его слоя в фильтре, типа обменного иона, общего солесодержания, скорости фильтрования и может изменяться в пределах 40-70% от полной.
Для снижения жесткости воды в автоматическом режиме фильтрации и промывки применяются фильтры умягчители серии UPD.
Для одновременного проведения обезжелезивания и умягчения воды применяются фильтры комплексного действия UKD с наполнителем в виде смеси ионообменных смол Polymix.
Опреснение и обессоливание воды. Деминерализация воды
Обессоливание — удаление солей из воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде.
Опреснение — удаление солей до концентраций, допустимых при применении воды для питья (по ГОСТ до 1000,0 мг/л).
Обессоливание дистилляцией основано на выпаривании воды с дальнейшей конденсацией пара.
Обессоливание и опреснение воды ионным обменом достигается путем последовательного фильтрования воды через зернистые слои Н+-катионита и ОН- -анионита. При этом находящиеся в воде катионы и анионы заменяются соответственно на Н+ и ОН-, образующие молекулы Н2О. Полная емкость анионитов составляет 1500 моль/м3. Низкоосновные аниониты регенерируют щелочью и содой, а высокоосновные — щелочью. Простейшая одноступенчатая схема обессоливания включает Н+ -катионитный фильтр, декарбонизатор для выделения из воды СО2 и ОН- — анионитный фильтр. При такой схеме вода частично обессоливается (до солесодержания 5-10 мг/л), при этом концентрация в ней силикатов практически не снижается. Более глубокое обессоливание воды может быть достигнуто на двухступенчатых установках (до солесодержания 0,1-0,3 мг/л и концентрации силикатов до 0,02-0,1 мг/л). Практически полностью воду можно обессолить (до солесодержания 0,05-0,1 мг/л и концентрации силикатов менее 0,02-0,05 мг/л) на трехступенчатой ионитной установке, причем вместо двух фильтров (Н+ — и ОН- -фильтры) на третьей ступени может быть применен фильтр со смешанной катионитно-анионитной загрузкой. При двух-и трехступенчатой ионитных установках на первой ступени используют низкоосновный, на второй и третьей ступенях — высокоосновный аниониты.
Обессоливание воды электродиализом и обратным осмосомне требует применения химических реагентов и характеризуется существенно меньшими энергетическими затратами по сравнению с дистилляцией. При электродиализе используют селективные ионообменные мембраны, при обратном осмосе — полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие растворенные минеральные и органические вещества. Расход электроэнергии на 1 м3 воды, обессоленной электродиализом, составляет 6-30 кВтч/м3, обратным осмосом — 1,5-15 кВтч/м3. Электродиализом воду можно обессолить на 90%, обратным осмосом — на 98%. В установках обратного осмоса рабочее давление достигает 5-10 МПа, укладка мембран может быть по типу фильтропресса, трубчатая, рулонная (спиральная и в виде полого волокна).
Обезжелезивание воды. Удаление железа из воды
В подземных водах железо обычно находится в виде Fe (HCO3) 2, в поверхностных водах — в виде тонкодисперсной взвеси гидроксида или входит в состав комплексных органических веществ.
Подземные воды обезжелезивают упрощенной аэрацией (свободным падением воды с высоты 0,4-0,6 м) с послед. фильтрованием с помощью осадочных фильтров. При этом на пов-сти зерен выделяется каталитическая пленка соединений железа, являющаяся своего рода катализатором и тем самым ускоряющая процесс обезжелезивания. Метод используют при общем содержании железа до 10 мг/л (в т. ч. двухвалентного железа Fе2 + — не менее 70%). Сероводород Н2S — до 0,5 мг/л; рН не менее 6,8. В др. случаях и при наличии в воде агрессивного диоксида углерода СО2 применяют аэрацию с помощью специальных аэраторов-градирен и фильтрование через слой зернистого материала на осадочных фильтрах. При значительном содержании железа перед фильтрами иногда устанавливают отстойники, где происходит окисление двух валентного железа в трех валентное и коагуляция образующегося гидроксида железа, который также отфильтровывается осадочными фильтрами.
Аэрация, совмещаемая с подщелачиванием воды и последующим фильтрованием — это универсальный метод, позволяющий удалять железо во всех его формах из подземных и поверхностных вод. Добавление раствора щелочных реагентов в воду осуществляется непосредственно после аэратора с помощью станции дозирования реагентов СДР. При этом методе из воды может выделяться гидроксид или карбонат железа. Зачастую для комплексной очистки воды от железа и других восстановителей, например сероводорода, в воду перед подачей в фильтры вводят окислители — хлор или перманганат калия.
Обескремнивание воды. Удаление силикатов (кремния) из воды
Содержание силикатов и их солей в природных водах обычно колеблется от 1 до 50-60 мг/л. Высокие концентрации силикатов и их солей вследствие образования накипи недопустимы в воде, используемой для питания паровых котлов высокого давления, а также в некоторых производствах (например целлюлозы, полупроводников, лекарственных препаратов и др. ). При применении извести можно уменьшить содержание силикатов в воде до 0,3-0,5 мг/л.
При обескремнивании воды солями железа Fe3+ расход их составляет около 2 мг железа на 1 мг удаляемых коллоидных силикатов. Обескремнивание солями алюминия лучше происходит при введении в воду NaAlO2 (10-15 мг/л на 1 мг SiO32-), чем A12 (SO4) 3. Обработкой гидроксида магния Mg (OH) 2 при нагревании воды до 40 °С удается снизить содержание силикатов до 1 мг/л, а при нагревании до 100°С — до 0,25 мг/л.
При использовании обожженного доломита остаточное содержание SiO32- уменьшают до 2 мг/л при подогреве воды до 40 °С и до 0,2 мг/л — при подогреве до 98 °С. В случае введения в нагретую воду каустич. магнезита (10-15 мг на 1 мг удаляемой SiO32-) образовавшийся Mg (OH) 2 сорбирует из воды H2SiO3, при этом содержание Si уменьшается до 1,0-1,5 мг/л. Почти полное Обескремнивание воды (до 0,02-0,05 мг/л) м. б. достигнуто путем ионного обмена.
Дегазация, деаэрация воды. Удаление кислорода из воды
Растворенные в воде газы (О2, СО2, H2S) повышают ее коррозионную активность и придают неприятный привкус и запах (H2S, CH4). На тепловых электростанциях дегазация — один из важных процессов, осуществляется пропусканием через воду пара. При этом в результате нагревания ее до температуры кипения при атмосферном давлении или в вакууме растворимость газов в воде снижается до нуля. Аэрацию воды посредством ее разбрызгивания используют в основном для устранения диоксида углерода и сероводорода. Как самостоятельный метод для очистки воды от сероводорода аэрацию можно использовать только при малых его концентрациях (метод наиболее эффективен при рН < 5). Химические методы дегазации применяют в основном для обескислороживания воды, добавляя к ней различные восстановители (SO2, Na2SO3, Na2S2O3, гидразин) с помощью химического деаэратора. Очисткой воды в биохимических реакторах с последующим фильтрованием в осадочных фильтрах можно практически полностью устранить сероводород, гидросульфиды и сернистые соединения.
