Технологии водоподготовки и водоочистки. Проект водоподготовки, технология водоподготовки

1. Что понимают под пароводяным циклом котельных установок

Пароводяной цикл это период, времени за который вода превращается в пар и этот период повторяется много раз.

Для надежной и безопасной работы котла важное значение имеет циркуляция воды в нем – непрерывное движение ее в жидкостной смеси по некоторому замкнутому контуру. В результате этого обеспечивается интенсивный отвод тепла от поверхности нагрева и устраняются местные застои пара и газа, что предохраняет поверхность нагрева от недопустимого перегревания, коррозии и предотвращает аварию котла. Циркуляция в котлах может быть естественной и принудительной (искусственной), создаваемой с помощью насосов.

В современных конструкциях котлов поверхность нагрева выполняется из отдельных пучков труб, подсоединенных к барабанам и коллекторам, которые образуют достаточно сложную систему замкнутых циркуляционных контуров.

На рис. приведена схема так называемого циркуляционного контура. В сосуд наливается вода, причем левое колесо U – образной трубки подогревают, образуется пар; удельный вес смеси пара и воды будет меньше по сравнению с удельным весом в правом колене. Жидкость в подобных условиях не будет, находится в состоянии равновесия. Например, А – А давление слева будет меньше, чем справа – начинается движение, которое и носит название циркуляции. Пар выделится с зеркала испарения, удаляясь далее из сосуда, а на него место в таком же количестве по весу поступит питательная вода.

Для расчета циркуляции решают два уравнения. Первое – выражает материальный баланс, второе баланс сил.

Первое уравнение формулируется так:

G под =G оп кг/сек, (170)

Где G под - количество воды и пара, движущихся в подъемной части контура, в кг/сек;

G оп - количество воды, движущихся в опускной части, в кг/сек.

Уравнение баланса сил может быть выражено следующей зависимостью:

N = ∆ρ кг/м 2 , (171)

где N– полный движущий напор, равный h(γ в - γ см), в кг;

∆ρ – сумма гидравлических сопротивлений в кг/м 2 , включая и силу инерции, возникающих при движении пароводяной эмульсии и воды по контору и вызывающих в итоге равномерное движение с определенной скоростью.

В циркуляционном контуре котла имеется большое количество параллельно работающих труб, причем условия их работы не могут быть в силу ряда причин совершенно идентичны. Чтобы обеспечить бесперебойную циркуляцию во всех трубах параллельно работающих контуров и не вызвать в каком-нибудь из них опрокидывания циркуляции, необходимо увеличить скорость движения воды по контуру, что обеспечивается определенной кратностью циркуляции К.

Обычно кратность циркуляции выбирается в пределах 10 – 50 и при малой тепловой нагрузки труб значительно больше 200 – 300.

Расход воды в контуре с учетом кратности циркуляции равняется

где D = расход пара (питательной воды) рассчитываемого контура в кг/час.

Скорость воды при входе в подъемную часть контура можно определить из равенства

2. Причины образования отложений в теплообменных аппаратах

Различные примеси, содержащиеся в нагреваемой и испаряемой воде, могут выделятся в твердую фазу на внутренних поверхностях парогенераторов, испарителей, паропреобразователей и конденсаторов паровых турбин в виде накипи, а внутри водяной массы – в виде взвешенного шлама. Нельзя, однако, провести четкую границу между накипью и шламом, так как вещества, отлагающиеся на поверхности нагрева в форме накипи, могут с течением времени превращаться в шлам и наоборот, шлам при некоторых условиях может прикипать к поверхности нагрева, образуя накипь.

Из элементов парогенератора загрязнению внутренних поверхностей больше всего подвержены обогреваемые экранные трубы. Образование отложений на внутренних поверхностях парообразующих труб влечет за собой ухудшение теплопередачи и как следствие опасный перегрев металла труб.

Радиационные поверхности нагрева современных парогенераторов интенсивно обогреваются топочным факелом. Плотность теплового потока в них достигает 600–700 квт/м 2 , а местные тепловые потоки могут быть еще выше. Поэтому даже кратковременное ухудшение коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде приводит к столь значительному росту температуры стенки трубы (500–600 °С и выше), что прочность металла может оказаться недостаточной, чтобы выдержать возникшие в нем напряжения. Следствием этого являются повреждения металла, характеризующиеся появлением отдулин, свинца, а нередко и разрывом труб.

При резких температурных колебаниях в стенках парообразующих труб, которые могут иметь место в процессе эксплуатации парогенератора, накипь отслаивается от стенок в виде хрупких и плотных чешуек, которые заносятся потоком циркулирующей воды в места с замедленной циркуляцией. Там происходит осаждение их в виде беспорядочного скопления кусочков различных величин и формы, сцементированных шламом в более или менее плотные образования. Если в парогенераторе барабанного типа имеются горизонтальные или слабонаклонные участки парообразующих труб с вялой циркуляцией, то в них обычно происходит скопление отложений рыхлого шлама. Сужение сечения для прохода воды или полная закупорка парообразующих труб приводят к нарушению циркуляции. В так называемой переходной зоне прямоточного парогенератора до критического давления, где испаряются последние остатки влаги, и осуществляется небольшой перегрев пара, образуется отложения соединений кальция, магния и продуктов коррозии.

Поскольку прямоточный парогенератор является эффективной ловушкой труднорастворимых соединений кальция, магния, железа и меди. То при повышенном содержании их в питательной воде они быстро накапливаются в трубной части, что значительно сокращает продолжительность рабочей кампании парогенератора.

Для того чтобы обеспечить минимальные отложения как в зонах максимальных тепловых нагрузок парообразующих труб, как и в проточной части турбин, необходимо строго поддерживать эксплуатационные нормы допустимого содержания в питательной воде тех или иных примесей. С этой целью добавочная питательная вода подвергается глубокой химической очистки либо дистилляции на водоподготовительных установках.

Улучшение качества конденсатов и питательной воды заметно ослабляет процесс образования эксплуатационных отложений на поверхности паросилового оборудования, но полностью его не устраняет. Следовательно, в целях обеспечения должной чистоты поверхности нагрева необходимо наряду с одноразовой предпусковой очисткой проводить также периодические эксплуатационные очистки основного и вспомогательного оборудования и при том не только при наличии систематических грубых нарушений установленного водного режима и при недостаточной эффективности проводимых на ТЭС противокоррозионных мероприятий, но и в условиях нормальной эксплуатации ТЭС. Проведение эксплуатационных очисток особенно необходимо на энергоблоках с прямоточными парогенераторами.

3. Опишите коррозию паровых котельных по пароводяному и газовому трактам

Металлы и сплавы, употребляемые для изготовления теплоэнергетического оборудования, обладают способностью вступать во взаимодействие с соприкасающейся с ними средой (вода, пар, газы), содержащей те или иные коррозионноагрессивные примеси (кислород, угольная и другие кислоты, щелочи и др.).

Существенным для нарушения нормальной работы парового котла является взаимодействие растворенных в воде веществ с обмыванием его металлом, в результате чего происходит разрушение металла, которое при известных размерах приводит к авариям и выходу из строя отдельных элементов котла. Такие разрушения металла окружающей средой называются коррозией. Коррозия всегда начинается с поверхности металла и постепенно распространяется в глубь.

В настоящее время различают две основные группы коррозионных явлений: химическая и электрохимическая коррозия.

К химической коррозии относятся разрушения металла в результате его непосредственного химического взаимодействия с окружающей средой. В теплосиловом хозяйстве примерами химической коррозии являются: окисление наружной поверхности нагрева горячими дымовыми газами, коррозия стали перегретым паром (так называемая пароводяная коррозия), разъедание металла смазочными материалами и др.

Электрохимическая коррозия, как показывает ее название, связана не только с химическими процессами, но и с передвижением электронов во взаимодействующих средах, т.е. с появлением электрического тока. Эти процессы происходят при взаимодействии металла с растворами электролитов, что и имеет место в паровом котле, в котором циркулирует котловая вода, представляющая собой раствор распавшихся на ионы солей и щелочей. Электрохимическая коррозия протекает также при контактировании металла с воздухом (при обычной температуре), содержащем всегда пары воды, которые конденсируясь на поверхности металла в виде тончайшей пленки влаги, создают условия для протекания электрохимической коррозии.

Разрушение металла начинается, по существу, с растворения железа, заключающегося в том, что атомы железа теряют часть своих электронов, оставляя их в металле, и превращаются, таким образом, в положительно заряженные ионы железа, переходящие в водный раствор. Этот процесс не происходит равномерно по всей поверхности омываемого водой металла. Дело в том, что химически чистые металлы обычно недостаточно прочны и поэтому в технике применяют преимущественно их сплавы с другими веществами, как известно, чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом. Помимо этого, к конструкции стали добавляют в небольших количествах для улучшения ее качества кремний, марганец, хром, никель и др.

По форме проявления коррозии различают: коррозию равномерную, когда разрушение металла происходит примерно на одинаковую глубину по всей поверхности металла и коррозию местную. Последняя имеет три основные разновидности: 1) язвенная коррозия, при которой разъедание металла развивается в глубину на ограниченной площади поверхности, приближающейся к точечным изъявлениям, что особенно опасно для котельного оборудования (образование в результате такой коррозии сквозных свищей); 2) избирательная коррозия, когда разрушается одна из составных частей сплава; например, в трубах конденсаторов турбин, изготовленных из латуни (сплав меди с цинком), при охлаждении их морской водой происходит удаление из латуни цинка, в результате чего латунь делается хрупкой; 3) межкристаллитная коррозия, возникающая преимущественно в недостаточно плотных заклепочных и вальцовочных соединениях паровых котлов при агрессивных свойствах котловой воды с одновременными чрезмерными механическими напряжениями в этих участках металла. Этот вид коррозии характеризуется появлением трещин, идущих по границам кристаллов металла, что делает металл хрупким.

4. Какие поддерживают водно-химические режимы в котлах и отчего они зависят?

Нормальным режимом работы паровых котлов называется такой режим, при котором обеспечивается:

а) получение чистого пара; б) отсутствие на поверхностях нагрева котлов солевых отложений (накипи) и прикипания образовавшегося шлама (так называемой вторичной накипи); в) предотвращение всех типов коррозии котельного метала и пароконденсаторного тракта, несущего продукты коррозии в котел.

Перечисленные требования удовлетворяются путем принятия мер в двух основных направлений:

а) при подготовке исходной воды; б) при регулировании качества котловой воды.

Подготовка исходной воды в зависимости от ее качества и требований, связанных с конструкцией котла, может осуществляться путем:

а) докотловой обработки воды с удалением взвешенных и органических веществ, железа, накипеобразователей (Са, Mg), свободной и связанной углекислоты, кислорода, снижения щелочности и солесодержания (известкование, водород – катионтрование или сббесоливание и пр.);

б) внутрикотловой обработки воды (с дозировкой реагентов или обработкой воды магнитным полем при обязательном и надежном удалении шлама).

Регулирование качества котловой воды осуществляется путем продувки котлов, значительного сокращения размеров продувки можно достигнуть путем улучшения сепарационных устройств котла: ступенчатого испарения, выносных циклонов, промывки пара питательной водой. Совокупность осуществления перечисленных мероприятий, обеспечивающих нормальную работу котлов, называют вода – химическим режимом работы котельной.

Применение любого метода обработки воды: внутри котлового, до котлового с последующей коррекционной обработкой химически очищенной или питательной воды – требует осуществления продувки паровых котлов.

В условиях эксплуатации котлов различают два способа продувки котлов: периодическая и непрерывная.

Периодическая продувка из нижних точек котла осуществляется для удаления грубодисперсного шлама, оседающего в нижних коллекторах (барабанах) котла или контурах с вялой циркуляцией воды. Производится она по установленному графику в зависимости от степени зашламленности котловой воды, но не реже одного раза в смену.

Непрерывная продувка котлов обеспечивает необходимую чистоту пара, поддерживая определенный солевой состав котловой воды.

5. Опишите устройство зернистых осветительных фильтров и принцип их работы

Осветление воды фильтрованием широко применяется в технологии обработки воды, для этого осветляемую воду фильтрует через слой зернистого материала (кварцевого песка, дробленого антрацита, керамзита и др.), загруженного в фильтр.

Классификация фильтров по ряду основных признаков :

скорость фильтрации:

– медленные (0,1 – 0,3 м/ч);

– скорые (5 – 12 м/ч);

– сверхскоростные (36 – 100 м/ч);

давление, под которым они работают:

– открытые или безнапорные;

– напорные;

количество фильтрующих слоев:

– однослойные;

– двухслойные;

– многослойные.

Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости и эффективности фильтрации загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя – крупные легкие частицы, внизу – мелкие тяжелые. При нисходящем направлении фильтрования крупные загрязнения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие – в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки. Осветительные фильтры эффективны при задержании частиц размером > 10 мкм.

Вода, содержащая взвешенные частицы, двигаясь через зернистую загрузку, задерживающую взвешенные частицы, осветляется. Эффективность процесса зависит от физика – химических свойств примесей, фильтрующей загрузки и гидродинамических факторов. В толщине загрузки происходит накапливание загрязнений, уменьшается свободный объем пор и возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, что приводит к росту потерь напора в загрузке.

В общем виде, процесс фильтрации можно условно разбить на несколько стадий: перенос частиц из потока воды на поверхность фильтрующего материала; закрепление частиц на зернах и в щелях между ними; отрыв закрепленных частиц с переходом их обратно в поток воды.

Извлечение примесей из воды и закрепление их на зернах загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, формирующийся на частицах загрузки, имеет непрочную структуру, которая под влиянием гидродинамических сил может разрушатся. Некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Таким образом, процесс осветления воды нужно рассматривать как суммарный результат процесса адгезии и суффозии. Осветление в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва.

По мере насыщения верхних слоев загрузки процесс фильтрации переходит на нижерасположенные, зона фильтрации как бы сходит по направлению потока от области, где фильтрующий материал уже насыщен загрязнением и преобладает процесс суффозии к области свежей загрузки. Затем наступает момент, когда весь слой загрузки фильтра оказывается насыщенным загрязнениями воды и требуемая степень осветвления воды не обеспечивается. Концентрация взвеси на выходе загрузки начинает возрастать.

Время, в течение которого достигается осветление воды до заданной степени, называется временем защитного действия загрузки. При его достижении предельной потери напора осветительный фильтр необходимо перевести в режим взрыхляющей промывки, когда загрузка промывается обратным потоком воды, а загрязнения сбрасываются в дренаж.

Возможность задержания фильтром грубой взвеси зависит, в основном, от ее массы; тонкой взвеси и коллоидных частиц – от поверхностных сил. Важное значение имеет заряд взвешенных частиц, так как коллоидные частицы одноименного заряда не могут объединяться в конгломераты, укрупнятся и оседать: заряд препятствует их сближению. Преодолевается это «отчуждение» частиц искусственным коагулированием. Как правило, коагулирование (иногда, дополнительно, флокулирование) производится в отстойниках – осветлителях. Часто этот процесс совмещается с умягчением воды известкованием, или сода – известкованием, или едконатровым умягчением.

В обычных осветительных фильтрах чаще всего наблюдается пленочное фильтрование. Объемное фильтрование организуют в двухслойных фильтрах и в так называемых контактных осветлителях. В фильтр засыпают нижний слой кварцевого песка с размером 0.65 – 0.75 мм и верхний слой антрацита с размером зерен 1,0 – 1.25 мм. На верхней поверхности слоя крупных зерен антрацита пленка не образуется. Взвешенные вещества, прошедшие слой антрацита, задерживаются нижнем слоем песка.

При взрыхляющей промывке фильтра слои песка и антрацита не перемешиваются, так как плотность антрацита вдвое меньше плотности кварцевого песка.

6. Опишите процесс умягчение воды по методу катионного обмена

По теории электролитической диссоциации молекулы некоторых веществ находящихся в водном растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы – катионы и анионы.

При прохождении такого раствора через фильтр, содержащий трудно растворимый материал (катионит), способный к поглощению катионов раствора, в том числе Са и Mg, и выделяющий вместо них из своего состава катионы Na или Н, происходит водоумягчение. Вода почти полностью освобождается от Са и Mg, и ее жесткость понижается до 0,1°

Na – катионирование. При этом способе растворенные в воде соли кальция и магния при фильтрации через катионитовый материал обменивают Са и Mg на Na; в итоге получаются только натриевые соли, обладающие большой растворимостью. Формула катионитового материала условно обозначается буквой R.

Катионитовыми материалами являются: глауконит, сульфоуголь и синтетические смолы. Наибольшим распространением в настоящее время пользуется сульфоуголь, который получается после обработки бурого или каменного угля дымящейся серной кислоты.

Емкостью катионитового материала называется предел его обменной способности, после чего в результате израсходования катионов Na их требуется восстанавливать путем регенерации.

Емкость измеряется тонна – градусами (т-град) накипеобразователей, считая на 1 м 3 катионового материала. Тонна – градусы получаются в результате перемножения расхода очищаемой воды, выраженного в тоннах, на жесткость этой воды в градусах жесткости.

Регенерация производится 5 – 10%-ным раствором поваренной соли, пропускаемым через катионитовый материал.

Характеристикой особенностью Na – катионирования является отсутствие солей, выпадающих в осадок. Анионы солей жесткости целиком направляется в котел. Это обстоятельство вызывает необходимость повышения количества продувочной воды. Умягчение воды при Na – катионировании получается достаточно глубокое, жесткость питательной воды может, доводится до 0° (практически 0,05–01°), щелочность же не отличается от карбонатной жесткости исходной воды.

К недостаткам Na – катионирования следует отнести получение повышенной щелочности в тех случаях, когда имеется значительное количество солей временной жесткости в исходной воде.

Ограничеватся одним Na – катионированием возможно при карбонатной жесткости воды, не превышающей 3–6°. В противном случае приходится значительно увеличивать количество продувочной воды, что будет создавать уже большие тепловые потери. Обычно количество продувочной воды не превышает 5–10% от общего ее расхода, идущего на питание котла.

Метод катионирования требует весьма простого обслуживание и доступен обычному персоналу котельной без дополнительного привлечения химика.

Конструкция катионитового фильтра

Н – Na – катионирование . Если катионитовый фильтр, наполненный сульфоуглем, регенерировать не раствором поваренной соли, а раствором серной кислоты, то обмен будет происходить между катионами Ca и Mg, находящимися в очищаемой воде, и катионами Н сульфоугля.

Вода, подготовленная таким образом, также имея ничтожно малую жесткость, одновременно получает кислую и таким образом, непригодна для питания паровых котлов, причем кислотность воды равна некарбонатной жесткости воды.

Комбинируя совместно Na и Н – катионитовое водоумягчение, можно получить хорошие результаты. Жесткость воды, приготовленной Н-Na – катионитовым способом, не превышает 0,1° при щелочности 4–5°.

7. Опишите принципиальные схемы водоподготовки

Осуществление необходимых изменений в составе обрабатываемой воды возможно по различным технологическим схемам, то выбор одной из них делают на основе сравнительных техника – экономических расчетов по намеченным вариантам схем.

В результате химической обработки природных вод, осуществляемой на водоподготовительных установках, могут происходить следующие основные изменения их состава: 1) осветление воды; 2) умягчение воды; 3) снижение щелочности воды; 4) уменьшение солесодержания воды; 5) полное обессоливание воды; 6) дегазация воды. Схемы обработки воды, необходимые для осуществления

перечисленных изменений ее состава, могут включать различные процессы, которые сводятся к следующим трем основным группам: 1) методы осаждения; 2) механическое фильтрование воды; 3) ионообменное фильтрование воды.

Применение технологических схем водоподготовительных установок предусматривают обычно комбинирование различных методов обработки воды.

На рисунки представлены возможные схемы комбинированных водоподготовительных установок путем применения указанных трех категорий процессов обработки воды. В этих схемах даны только основные аппараты. Без вспомогательного оборудования, а также не указаны фильтры второй и третий ступени.

Схема водоподготовительных установок

1-сырая вода; 2-осветитель; 3-механический фильтр; 4-промежуточный бак; 5-насос; 6-дозатор коагулянта; 7-Nа – катионитный фильтр; 8- Н – катионитный фильтр; 9 – декарбонизатор; 10 – ОН – анионитный фильтр; 11 – обработанная вода.

Ионообменное фильтрование является обязательной конечной стадией обработки воды при всех возможных вариантах схем и осуществляется в виде Na – катионирования, Н-Na-катионирования и Н-ОН – ионирования воды. Осветлитель 2 предусматривает два основных варианта его использования: 1) осветление воды, когда в нем осуществляются процессы коагуляции и отстаивания воды и 2) умягчение воды, когда помимо коагуляции, в нем проводится известкование, а также одновременно с известкованием магнезиальное обескремнивание воды.

В зависимости от характеристики природных вод по содержанию в них взвешенных веществ возможны три группы технологических схем их обработки:

1) Подземные артезианские воды (на рис. обозначены 1а), в которых практически обычно отсутствуют взвешенные вещества, не требуют их осветления и поэтому обработка таких вод может ограничеватся только ионообменным фильтрованием по одной из трех схем в зависимости от предъявляемых требований к обработанной воде: а) Na – катионирование, если требуется только умягчение воды; б) Н-Na – катионирование, если требуется, помимо умягчения, снижение щелочности или уменьшение солесодержание воды; в) Н-ОН – ионирование, если требуется глубокое обессоливание воды.

2) поверхностные воды с незначительным содержанием взвешенных веществ, (на рис. они обозначены 1б), могут обрабатываться по так называемым прямоточным напорным схемам, в которых коагуляция и осветление в механических фильтрах комбинируют с одной из схем ионообменного фильтрования.

3) поверхностные воды с относительно большим количеством взвешенных веществ (на рис. обозначены 1в), освобождаются от них в осветление, после чего подвергаются механическому фильтрованию и далее комбинируются с одной из схем ионообменного фильтрования. При этом часто. В целях разгрузки ионообменной части водоподготовительной установки, одновременно с коагуляцией осуществляют в осветлителе частичное умягчение воды и снижение ее солесодержание путем известкования и магнезиального обескремнивания. Такие комбинированные схемы особенно целесообразны при обработки сильно минерализованных вод, поскольку даже при частичном их обессоливании методом ионного обмена требуются большие

Решение :

Определяем межпромывочных период фильтра, ч

где: h 0 – высота фильтрующего слоя, 1,2 м

Гр – грязеемкость фильтрующего материала, 3,5 кг/м 3 .

Значение Гр может изменятся в широких пределах в зависимости от характера взвешенных веществ, их фракционного состава, фильтрующего материала и др. При расчетах можно принимать Гр= 3? 4 кг/м 3 , в среднем 3,5 кг/м 3 ,

U p – скорость фильтрования, 4,1 м/ч,

С в – концентрация, взвешенных веществ, 7 мг/л,

Количество промывок фильтров в сутки определяем по формуле:

где: Т 0 – межпромывочный период, 146,34 ч,

t 0 –время простоя фильтра на промывке, обычно 0,3 – 0,5 ч,

Определим необходимую площадь фильтрования:

где: U-скорость фильтрования, 4,1 м/ч,

Q – Производительность, 15 м 3 /ч,

В соответствии с правилами и нормами проектирования водоподготовительных установок количество фильтров должно быть не менее трех, тогда площадь одного фильтра составит:

где: m – количество фильтров.

По найденной площади одного фильтра находим требуемый диаметр фильтра по таблице: диаметр d = 1500 мм, площади фильтрования f = 1,72 м 2 .

Уточним количество фильтров:

Если количество фильтров меньше межпромывочного периода m 0 ≤ T 0 +t 0 (в нашем примере 2 < 167,25 + 0,5), то в резерв принимается один фильтр для вывода на ремонт. Всего фильтров будет установлено m ф = 2+1=3 фильтра.

В расчет фильтра входит определение расхода воды на собственные нужды, т.е. на промывку фильтра и на отмывку фильтра после промывки.

Расход воды на промывку фильтра и взрыхление определяется по формуле:

где: i- интенсивность взрыхления, л/(с * м 2); обычно i = 12 л/(с * м 2);

t – время промывки, мин. t = 15 мин.

Определяем средний расход воды на промывку работающих фильтров по формуле:

Определим расход на спуск в дренаж первого фильтра со скоростью 4 м/ч в течение 10 минут перед включением в работу:

Средний расход воды на отмывку работающих фильтров:

Потребное количество воды для фильтровальной установки с учетом расхода на собственные нужды:

Q п = g ср + g ср.отм + Q

Q п = 0,9 + 0,018 + 15 = 15,9 м 3 /ч

Литература

1. «Водоподготовка». В.Ф. Вихрев и М.С. Шкроб. Москва 1973 год.

2. «Справочник по водоподготовке котельных установок». О.В. Лифшиц. Москва 1976

3. «Водоподготовка». Б.Н. Фрог, А.П. Левченко. Москва 1996 год.

4. «Водоподготовка». С.М. Гурвич. Москва 1961 год.

Вода совершенно необходима для жизни человека и всего живого в природе. Вода покрывает 70% земной поверхности, это: моря, реки, озёра и подземные воды. Во время своего определённого природными явлениями круговорота вода собирает в себя различные примеси и загрязнения, которые содержатся в атмосфере и на земной коре. В результате вода не бывает абсолютно чистой и беспримесной, но зачастую именно такая вода является основным источником как для хозяйственно-питьевого водоснабжения, так и для применения в различных отраслях промышленности (например, в качестве теплоносителя, рабочего тела в энергетике, растворителя, исходного сырья для получения продукции, продуктов питания и т. д.)

Природная вода является сложной дисперсной системой, в которой в большом количестве содержатся разнообразные минеральные и органические примеси. Из за того, что в большинстве случаев источниками водоснабжения являются поверхностные и подземные воды.

Состав обычной природной воды:

• взвешенные вещества (коллоидные и грубодисперсные механические примеси неорганического и органического происхождения);
• бактерии, микроорганизмы и водоросли;
• растворённые газы;
• растворённые неорганические и органические вещества (как диссоциированные на катионы и анионы, так и недиссоциированные).

При оценке свойств воды принято разделять параметры качества воды на:

• физические,
• химические
• санитарно-бактериологические.

Под качеством понимают соответствие нормам, установленным для данного вида производства воды. Вода и водные растворы очень широко применяются в различных отраслях промышленности, коммунального и сельского хозяйства. Требования к качеству очищенной воды зависят от назначения и области применения очищенной воды.

Наиболее широко применяется вода для питьевых целей. Нормативы требований в данном случае определяются СанПиН 2.1.4.559-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . Например, некоторые из них:

Таб. 1. Основные требования к ионному составу воды, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения

Для коммерческих потребителей зачастую требования к качеству воды ужесточаются по некоторым параметрам. Так, например, для производства воды бутилированной разработан специальный стандарт с более жёсткими требованиями, предъявляемыми к воде - СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества». В частности, ужесточены требования к содержанию основных солей и вредных компонентов – нитратов, органики и т.п.

Вода технического и специального назначения – это вода для применения в промышленности или в коммерческих целях, для специальных технологических процессов - со специальными свойствами, регламентируемыми соответствующими стандартами РФ или технологическими требованиями Заказчика. Например, приготовление воды для энергетики (согласно РД, ПТЭ), для гальваники, приготовление воды для водки, приготовление воды для пива, лимонадов, медицины (фармакопейная статья) и т.п.

Зачастую требования к ионному составу данных вод значительно выше, чем к питьевой воде. Например, для теплоэнергетики, где вода используется как теплоноситель, подвергается нагреву, существуют соответствующие стандарты. Для электростанций существуют так называемые ПТЭ (Правила технической эксплуатации), для общей теплоэнергетики требования заданы так называемыми РД (Руководящим Документом). Например, согласно требований «Методических указаний по надзору за водно-химическим режимом паровых и водогрейных котлов РД 10-165-97», значение общей жёсткости воды для паровых котлов с рабочим давлением пара до 5 МПа (50 кгс/см2) должно быть не более 5 мкг-экв/кг. В то же время питьевой стандарт СанПиН 2.1.4.559-02 требует, чтобы Жо была не выше 7 мг-экв/кг.

Поэтому задача химической водоочистки (ХВО) для котельных, электростанций и других объектов, требующих водоподготовки перед нагревом воды заключается в предотвращении образования накипи и последующего развития коррозии на внутренней поверхности котлов, трубопроводов и теплообменников. Такие отложения могут стать причиной энергопотерь, а развитие коррозии может привести к полной остановке работы котлов, теплообменников из-за образования осадков на внутренней части оборудования.

Следует иметь в виду, что технологии и оборудования водоподготовки и ХВО для электростанций значительно отличаются от соответствующего оборудования обычных водогрейных котельных.

В свою очередь, технологии и оборудования водоподготовки и ХВО для получения воды для других целей также разнообразны и диктуются как параметрами исходной воды, подлежащей очистке, так и требованиями к качеству очищенной воды.

ООО «СВТ-Инжиниринг», имея опыт работы в данной области, обладая квалифицированными кадрами и партнерскими отношениями со многими ведущими зарубежными и отечественными специалистами и фирмами, предлагает своим клиентам, как правило, те решения, которые целесообразны и оправданны для каждого конкретного случая, в частности, основанные на следующих базовых технологических процессах:

• Применение ингибиторов и реагентов для обработки воды в различных системах ХВО (как для защиты мембран, так и теплоэнергетического оборудования)

Большинство технологических процессов обработки вод различных типов, в том числе и сточных, известны и используются сравнительно давно, постоянно видоизменяясь и совершенствуясь. Тем не менее, ведущими специалистами и организациями во всем мире проводятся работы по разработке и новых технологий.

ООО «СВТ-Инжиниринг» также имеет опыт проведения НИОКР по заказу клиентов с целью повышения эффективности существующих способов очистки воды, разработки и усовершенствованию новых технологических процессов.

Особо следует отметить, что интенсивное использование природных водных источников в хозяйственной деятельности обуславливает необходимость экологического совершенствования систем водопользования и технологических процессов водоподготовки. Требования охраны природной среды предполагают максимальное сокращение отходов водоподготовительных установок в естественные водоемы, почву и атмосферу, что также вызывает необходимость дополнять технологические схемы водоподготовки ступенями утилизации отходов, их переработки и переводу во вторично используемые вещества.

К настоящему времени разработано достаточно большое число способов, которые позволяют создавать малоотходные системы водоподготовки. В первую очередь к ним следует отнести усовершенствованные процессы предварительной очистки исходной воды реагентами в осветлителях с ламелями и рециркуляцией шлама, мембранные технологии, деминерализацию на основе испарителей и термохимических реакторов, коррекционную обработку воды ингибиторами солевых отложений и коррозионных процессов, технологии с противоточной регенерацией ионитных фильтров и более совершенными ионообменными материалами.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества, недостатки и ограничения их применения по качеству исходной и очищенной воды, объёму стоков и сбросов, параметрам использования очищенной воды. Дополнительную информацию, необходимую для решения Ваших проблем и условиях сотрудничества, вы можете получить, сделав запрос или обратившись офис нашей фирмы.

Введение

Долгие годы и столетия водоподготовка не выделялась как отрасль техники и еще менее - как отрасль химической технологии. Использовались эмпирически найденные приемы и способы очистки воды, главным образом, противоинфекционные. И потому история водоподготовки - это история приспособления для подготовки и очистки воды известных химических процессов и технологий, нашедших или находящих свое применение. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения принципиально отличается от других областей химической технологии: процессы водоподготовки протекают в больших объемах воды и при очень малых количествах растворенных веществ. Значит, большие расходы воды требуют устройства крупногабаритного оборудования, а малое количество извлекаемых из воды веществ неизбежно влечет за собой применение «тонких» методов обработки воды. В настоящее время усиленно разрабатываются научные основы технологий обработки воды, учитывающие указанную специфику этой отрасли техники. И такая работа далека от завершения, если можно вообще говорить об окончательном познании воды. Было бы громадным преувеличением утверждать, что передовые научные и конструкторские силы, лучшие машиностроительные мощности были направлены на реализацию потребностей водоподготовки. Напротив, внимание к этой отрасли и, стало быть, финансирование проявлялись в наименьшем объеме, по остаточному принципу.

Испытания, выпавшие на долю России за последние 12-15 лет, в полной мере познала и водоподготовка. И заказчики, и поставки водоподготовительного оборудования все больше, если можно так выразиться, индивидуализируются. В прошлые годы поставки были, как правило, оптовыми, а теперь, в основном, - мелкооптовые и одиночные. Не говоря о том, что совсем недавно отсутствовало российское производство бытовых фильтров и систем автономного водоснабжения, по определению поставляемых в одном или нескольких экземплярах. Да и импорт такого оборудования был весьма скуден. Значит, в водоподготовку вовлекается множество людей, ранее с ней незнакомых. Кроме того, при малочисленности специалистов по водоподготовке водой занимаются многие инженеры, получившие образование по другим специальностям. Вряд ли можно назвать легкой задачу обеспечения потребителей качественной питьевой водой.

Практически невозможно даже кратко рассмотреть все методы водоочистки и водоподготовки. Здесь мы хотели обратить внимание читателей на наиболее часто применяемые на практике в современных технологиях на очистных сооружениях различных систем водоснабжения.

1. Свойства и состав воды

Вода - самое аномальное вещество природы. Это расхожее выражение связано с тем, что свойства воды во многом не соответствуют физическим законам, которым подчиняются другие вещества. Прежде всего необходимо напомнить: когда мы говорим о природной воде, все суждения должны быть отнесены не к воде как таковой, а к водным растворам разных, фактически всех, элементов Земли. До сих пор получить химически чистую воду не удалось.

1.1 Физические свойства воды

Полярная асимметричная структура воды и разнообразие ее ассоциатов обусловливают удивительные аномальные физические свойства воды. Вода достигает наибольшей плотности при плюсовой температуре, у нее аномально высокие теплота испарения и теплота плавления, удельная теплоемкость, температура кипения и замерзания. Большая удельная теплоемкость -4,1855 Дж/(г°С) при 15°С - способствует регулированию температуры на Земле из-за медленного нагревания и остывания масс воды. У ртути, к примеру, удельная теплоемкость при 20°С - только 0,1394 Дж/(г°С). Вообще теплоемкость воды более чем вдвое превышает теплоемкость любого другого химического соединения. Этим можно объяснить выбор воды в качестве рабочего тела в энергетике. Аномальное свойство воды - расширение объема на 10% при замерзании обеспечивает плавание льда, то есть опять сохраняет жизнь подо льдом. Еще одно чрезвычайно важное свойство воды - исключительно большое поверхностное натяжение . Молекулы на поверхности воды испытывают действие межмолекулярного притяжения с одной стороны. Так как у воды силы межмолекулярного взаимодействия аномально велики, то каждая «плавающая» на поверхности воды молекула как бы втягивается внутрь слоя воды. У воды поверхностное натяжение равно 72 мН/м при 25°С. В частности, этим свойством объясняется шаровая форма воды в условиях невесомости, поднятие воды в почве и в капиллярных сосудах деревьев, растений и т.д.

Природная вода - сложная дисперсная система, содержащая множество разнообразных минеральных и органических примесей.

Под качеством природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования, при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

1.2. Взвешенные примеси

Взвешенные твердые примеси , присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды.

Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, дает представление о загрязненности воды частицами в основном условным диаметром более 1·10 - 4 мм . При содержании в воде взвешенных веществ менее 2-3 мг/л или больше указанных значений, но условный диаметр частиц меньше 1 · 10- 4 мм, определение загрязненности воды производят косвенно по мутности воды.

1.3. Мутность и прозрачность

Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органи ческими веществами различного происхождения. Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение затруднительно, пользуются пока зателем «прозрачность » .

1.4. Запах

Характер и интенсивность запаха природной воды определяют органолептически. По характеру запахи делят на две группы: естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.); искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод). Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т.д.

1.5. Вкус и привкус

Различают четыре вида вкусов воды : соленый, горький, сладкий, кислый. Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений - привкуса - выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький - сульфатом магния, кислый - избытком свободного диоксида углерода и т.д.

1.6. Цветность

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов.

1.7. Минерализация

Минерализация - суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды мине ральных веществ. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость варьирует от 30 до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40-50 мг/л до сотен г/л (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10-120 мкСм/см. Природные воды поминерализации разделены на группы. Предел пресных вод - 1 г/кг - установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен - соленый или горько-соленый.

1.8. Электропроводность

Электропроводимость - это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры.

По значениям электропроводимости можно приближенно судить о минерализации воды.

вод

Вид вод Минерализация Плотность,

1.9. Жесткость

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция, магния, стронция, бария, железа, марганца. Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов - и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния - общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. В России жесткость воды выражают в ммоль/л. В жесткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически - до 530. Но, конечно, основные неприятности - от накипеобразования.

Классификация воды по жесткости (ммоль/л):Группа воды Единица измерения, ммоль/л

Очень мягкая………………..до 1,5

Мягкая……………………….1,5 - 4,0

Средней жесткости………… 4 - 8

Жесткая……………………... 8 - 12

Очень жесткая……………….более 12

1.10. Щелочность

Щелочностью воды называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов слабых кислот и гидроксильных ионов (выражена в ммоль/л), вступающих в реакцию при лабораторных исследованиях с соляной или серной кислотами с образованием хлористых или сернокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Различают следующие формы щелочности воды: бикарбонатная (гидрокарбонатная), карбонатная, гидратная, фосфатная, силикатная, гуматная - в зависимости от анионов слабых кислот, которыми обусловливается щелочность.

Щелочность природных вод, рН которых обыч- но < 8,35, зависит от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов. Щелочность других форм появляется в процессах обработки воды.

Так как в природных водах почти всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости.

1.11. Органические вещества

Спектр органических примесей очень широк:

Гуминовые кислоты и их соли - гуматы натрия, калия, аммония;

Некоторые примеси промышленного происхождения;

Часть аминокислот и белков;

Фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли - гуматы кальция, магния, железа;

Жиры различного происхождения;

Частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы.

Содержание органических веществ в воде оценивается по методикам определения окисляемости воды, содержания органического углерода, биохимической потребности в кислороде, а также поглощения в ультрафиолетовой области. Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью . Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (методики определения двух последних применяются редко). Окисляемость выражается в миллиграммах кислорода, эквивалентного количеству реагента, пошедшего на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды. В подземных водах (артезианских) органических примесей практическинет, а в поверхностных - «органики» в решающей степени больше.

2. Выбор методов водоподготовки

Методы водоподготовки должны выбираться при сопоставлении состава исходной воды и ее качества, регламентированного нормативными документами или определенного потребителем воды. После предварительного подбора методов очистки воды анализируются возможности и условия их применения, исходящие из поставленной задачи. Чаще всего результат достигается поэтапным осуществлением нескольких методов. Таким образом, важными являются как выбор собственно методов обработки воды, так и их последовательность.

Методов водоподготовки - около 40. Здесь рассмотрены только наиболее часто применяемые.

2.1.Физико-химические процессы обработки воды

Эти процессы характеризуются использованием химических реагентов для дестабилизации и увеличения размеров частиц, образующих загрязнение после чего осуществляется физическое выделение твердых частиц из жидкой фазы.

2.1.1. Коагуляция и флокуляция

Коагуляция и флокуляция - это две совершенно разные составляющие физико-химической очисткиводы.

Коагуляция - это этап, во время которого происходит дестабилизация коллоидных частиц (похожих на шарики диаметром менее 1 мкм).

Слово коагуляция происходит от латинского “coagulare”, что означает “агломерировать, слипаться, скапливаться”. При обработке воды коагуляция достигается путем добавления химических реагентов в водяную суспензию, где рассеянные коллоидные частицы собираются в большие агрегаты, называемые хлопьями или микрохлопьями.

Коллоиды - это нерастворимые частицы, которые находятся в воде во взвешенном состоянии. Малые размеры (менее 1 мкм) делают эти частицы исключительно стабильными. Частицы могут быть разного происхождения:

Минерального: ил, глины, кремнезем, гидроксиды и соли металлов и т. д.

Органического: гуминовые и фульвиновые кислоты, красители, поверхностно-активные вещества и

т. д.

Примечание: микроорганизмы, такие, как бактерии, планктон, водоросли, вирусы, также считаются коллоидами.

Стабильность и, следовательно, нестабильность взвешенных частиц является фактором, определяемым разными силами притяжения и отталкивания:

Силами межмолекулярного взаимодействия

Электростатическими силами

Притяжением земли

Силами, участвующими в броуновском движении

Коагуляция - это как физический, так и химический процесс. Реакции между частицами и коагулянтом обеспечивают образование агрегатов и их последующее осаждение. Катионные коагулянты нейтрализуют отрицательный заряд коллоидов и образуют рыхлую массу, которая называется микрохлопьями.

Механизм коагуляции можно свести к двум ступеням:

1- Нейтрализация заряда: что соответствует уменьшению электрических зарядов, которые оказывают отталкивающее действие на коллоиды.

2- Образование агрегатов частиц.

В настоящее время применяются в основном минеральные коагулянты. В их основе лежат, главным образом, соли железаили алюминия. Это наиболее часто используемые коагулянты. Заряд катиона здесь создается ионами металлов, которые образуются из гидроокисей железа или алюминия при контакте с водой. Основными преимуществами таких коагулянтов являются универсальность их применения и низкая стоимость.

Коагуляция - это промежуточный, но очень важный этап процесса физико-химической очистки воды и стоков. Это первый этап удаления коллоидных частиц, основная функция которого заключается в дестабилизации частиц. Дестабилизация, главным образом, состоит в нейтрализации электрического заряда, присутствующего на поверхности частицы, что способствует слипанию коллоидов.

Флокуляция - это этап, во время которого дестабилизированные коллоидные частицы (или частицы, образованные на стадии коагуляции) собираются в агрегаты.

Этап флокуляции может проходить только в воде, где частицы уже дестабилизировались. Это этап, логически следующий за коагуляцией. Флокулянты с их зарядом и очень высоким молекулярным весом (длинные мономерные цепи) фиксируют дестабилизированные частицы и объединяют их вдоль полимерной цепи. В результате на этапе флокуляции происходит увеличение размера частиц, находящихся в водной фазе, которое выражается в образовании хлопьев.

Связи между дестабилизированными частицами и флокулянтом являются, как правило, ионными и водородными.

2.2. Осветление воды фильтрованием

Начальным этапом водоподготовки, как правило, является освобождение ее от взвешенных примесей - осветление воды, иногда классифицируемое как предварительная обработка.

Различают несколько типов фильтрования:

- процеживание - размеры пор фильтрующего материала меньше размеров задерживаемых частиц;

- пленочное фильтрование - при определенных условиях после некоторого начального периода фильтрующий материал обволакиваются пленкой взвешенных веществ, на которой могут задерживаться частицы даже более мелкие, чем размер пор фильтрующего материала: коллоиды, мелкие бактерии, крупные вирусы;

- объемное фильтрование - взвешенные частицы, проходя через слой фильтрующего материала, многократно изменяют направление и скорость движения в щелях между гранулами и волокнами фильтрующего материала; таким образом, грязеемкость фильтра может быть довольно большой - больше, чем при пленочном фильтровании. Фильтрование в тканевых, керамических, почти во всех фильтрах с неткаными волокнистыми фильтрующими элементами осуществляется по первым двум - из названных - типам; в мелкозернистых насыпных фильтрах - по второму типу, в крупнозернистых насыпных - по третьему.

2.2.1. Классификация фильтров с зернистой загрузкой

Зернистые фильтры применяют, в основном, при очистке жидкостей, у которых содержание твердой фазы ничтожно мало, и осадок не представляет ценности, основное назначение фильтров - для осветления природной воды. Именно они наиболее широко применяются в технике водоподготовки. Классификация фильтров по ряду основных признаков:

♦ скорость фильтрования:

Медленные (0,1-0,3 м/ч);

Скорые (5-12 м/ч);

Сверхскоростные (36-100 м/ч);

♦ давление, под которым они работают:

Открытые или безнапорные;

Напорные;

♦ количество фильтрующих слоев:

Однослойные;

Двухслойные;

Многослойные.

Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости и эффективности фильтрации загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя - крупные легкие частицы, внизу - мелкие тяжелые. При нисходящем направлении фильтрования крупные загрязнения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие - в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки. Осветлительные фильтры эффективны при задержании частиц размером >10 мкм.

2.2.2. Технология фильтрования

Вода, содержащая взвешенные частицы, двигаясь через зернистую загрузку, задерживающую взвешенные частицы, осветляется. Эффективность процесса зависит от физико-химических свойств примесей, фильтрующей загрузки и гидродинамических факторов. В толщине загрузки происходит накапливание загрязнений, уменьшается свободный объем пор и возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, что приводит к росту потерь напора в загрузке.

В общем виде, процесс фильтрации можно условно разбить на несколько стадий: перенос частиц из потока воды на поверхность фильтрующего материала; закрепление частиц на зернах и в щелях между ними; отрыв закрепленных частиц с переходом их обратно в поток воды. Извлечение примесей из воды и закрепление их на зернах загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, формирующийся на частицах загрузки, имеет непрочную структуру, которая под влиянием гидродинамических сил может разрушаться. Некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Таким образом, процесс осветления воды нужно рассматривать как суммарный результат процесса адгезии и суффозии. Осветление в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва. По мере насыщения верхних слоев загрузки процесс фильтрации переходит на нижерасположенные, зона фильтрации как бы сходит по направлению потока от области, где фильтрующей мате- риал уже насыщен загрязнением и преобладает процесс суффозии к области свежей загрузки.

Затем наступает момент, когда весь слой загрузки фильтра оказывается насыщенным загрязнениями воды, и требуемая степень осветления воды не обеспечивается. Концентрация взвеси на выходе загрузки начинает возрастать.

Время, в течение которого достигается осветление воды до заданной степени, называется временем защитного действия загрузки . При его достижении либо при достижении предельной потери напора осветлительный фильтр необходимо перевести в режим взрыхляющей промывки, когда загрузка промывается обратным током воды, а загрязнения сбрасываются в дренаж.

Возможность задержания фильтром грубой взвеси зависит, в основном, от ее массы; тонкой взвеси и коллоидных частиц - от поверхностных сил. Важное значение имеет заряд взвешенных частиц, так как коллоидные частицы одноименного заряда не могут объединяться в конгломераты, укрупняться и оседать: заряд препятствует их сближению. Преодолевается это «отчуждение»частиц искусственным коагулированием. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Как правило, коагулирование (иногда, дополнительно, флокулирование) производится в отстойниках-осветлителях.

Часто этот процесс совмещается с умягчением воды известкованием, или содоиз весткованием, или едконатровым умягчением. В обычных осветлительных фильтрах чаще все го наблюдается пленочное фильтрование. Объемное фильтрование организуют в двухслойных фильтрах и в так называемых контактных осветлителях. В фильтр засыпают нижний слой кварцевого песка с размером зерен 0,65-0,75 мм и верхний слой антрацита с размером зерен 1,0-1,25 мм. На верхней поверхности слоя крупных зерен антрацита пленка не образуется, взвешенные примеси проникают вглубь слоя - в поры и откладываются на поверхности зерен. Взвешенные вещества, прошедшие слой антрацита, задерживаются нижним слоем песка. При взрыхляющей промывке фильтра слои песка и антрацита не перемешиваются, так как плотность антрацита вдвое меньше плотности кварцевого песка.

3. Ионообменныеметодыочистки

Ионный обмен - это процесс извлечения из воды одних ионов и замены их другими. Процесс осуществляется с помощью ионообменных веществ - нерастворимых в воде искусственно гранулированных веществ, специальных нетканых материалов или природных цеолитов, имеющих в своей структуре кислотные или основные группы, способные заменяться положительными или отрицательными ионами.

Ионообменная технология - самая применяемая сегодня для умягчения и деминерализации воды. Эта технология позволяет добиться качества воды, соответствующего нормам разных промышленных и энергетических объектов.

Очистка промывных кислых вод методом ионного обмена основана на способности нерастворимых в воде ионитов вступать в ионный обмен с растворимыми в воде солями, извлекая из растворов их катионы или анионы и отдавая в раствор эквивалентное количество ионов, которыми катионит и анионит периодически насыщается при регенерации.

Ионообменный метод очистки воды применяют для обессоливания и очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

Очистку воды осуществляют ионитами — синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в воде.

Избирательное поглощение молекул поверхностью твердого адсорбента происходит вследствие воздействия на них неуравновешенных поверхностных сил адсорбента.

Ионообменные смолы имеют возможность регенерации. После истощения рабочей обменной емкости ионита он теряет способность обмениваться ионами и его необходимо регенерировать. Регенерация производится насыщенными растворами, выбор которых зависит от типа ионообменной смолы. Процессы восстановления, как правило, протекают в автоматическом режиме. На регенерацию обычно затрачивают около 2 часов, из них на взрыхление - 10 - 15 мин, на фильтрование регенерирующего раствора - 25 - 40 мин, на отмывку - 30 - 60 мин. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты.

В зависимости от вида и концентрации примесей в воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок.

3.1. Катионирование

Катионирование , как следует из названия, применяется для извлечения растворенных катионов из воды, т.е. катионирование - процесс обработки воды методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Na+), находящихся в объеме катионита, различают два основных вида катионирования: натрий-катионирование и водород-катионирование.

3.1.1. Натрий-катионирование

Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ в воде не более 8 мг/л и цветностью воды не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до значений 0,05 - 0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом - до 0,01 мг-экв/л. Процесс натрий-катионирования описывается следующими реакциями обмена:

Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него со скоростью 3-4 м/ч 5-8% раствора поваренной соли.

Достоинства поваренной соли как регенерационного раствора:

1. дешевизна;

2. доступность;

3. продукты регенерациилегко утилизируются.

3.1.2. Водород-катионирование

Водород-катионитовый метод применяют для глубокого умягчения воды. Этот метод основан на фильтровании обрабатываемой воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода.

При водород-катионировании воды значительно снижается рН фильтрата за счет кислот, образующихся в ходе процесса. Углекислый газ, выделяющийся при реакциях умягчения, можно удалить дегазацией. Регенерация Н-катионита в этом случае производится 4 - 6% раствором кислоты.

3.1.3. Иные методы катионирования

Метод натрий-хлор-ионирования применяется, когда нужно уменьшитьобщую жесткость, общую щелочность и минерализацию исходной воды, увеличить критерийпотенциальной щелочной агрессивности (уменьшить относительную щелочность) котловой воды,уменьшить диоксид углерода в паре и значениепродувки паровых котлов - путем фильтрованияпоследовательно через слой натрий-катионитав одном фильтре и через слои: сначала - хлор-анионита и затем - натрий-катионита в другомфильтре.

Водород-натрий-катионирование (совместное, параллельное или последовательное с нормальной или «голодной» регенерацией водород-катионитных фильтров) - для уменьшения общей жесткости, общей щелочности и минерализации воды, а также увеличения критерия потенциальной щелочной агрессивности котловой воды, уменьшения содержания углекислоты в паре и уменьшения продувки котлов.

Аммоний-натрий-катионирование используется для достижения тех же целей, что и при натрий- хлор-ионировании.

3.2. Анионирование

Анионирование , как следует из названия, при- меняется для извлечения растворенных анионов из воды. Анионированию подвергается вода, уже прошедшая предварительное катионирование. Регенерацию анионитного фильтра проводят обычно щелочью (NaOH). После исчерпания рабочей обменной емкости анионита он регенерируется Поглощать из воды анионы сильных кислот способны как сильно-, так и слабоосновные аниониты. Анионы слабых кислот - угольной и кремниевой - поглощаются только сильноосновными анионитами Для сильноосновных анионитов в качестве регенеранта применяют раствор NaOH (поэтому процесс называют также гидроксид-анионированием). Механизм ионного обмена и влияние разных факторов на технологию процесса анионирования во многом аналогичны их влиянию на процессы катионирования, но есть и существенные отличия. Слабоосновные аниониты в разной степени способны к сорбции разных анионов. Как правило, соблюдается определенный ряд, в котором каждый предыдущий ион поглощается более активно и в большем количестве, чем следующий.

В технологической цепочке деминерализации ионированием после водород-катионитных и слабоосновных анионитных фильтров предусматривают сильноосновные анионитные фильтры, если нужно удалить из воды анионы кремниевой кислоты и - иногда - анионы угольной кислоты. Лучшие результаты получаются при низких значениях рН и почти полном декатионировании воды. Применение анионитов в условиях содержания в исходной воде органических примесей имеет свои особенности.

3.3. Обессоливание воды ионным методом

Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-катионирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита.

Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите.

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита. Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах. При необходимости обеспечивать значение рН ~ 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита.

Метод обессоливания воды ионным обменом основан на последовательном фильтровании воды через Н-катионитовый, а затем ОН-, НСО 3 -или СО 3 - анионитовый фильтр.В Н-катионитовом фильтре содержащиеся в воде катионы обмениваются на водород-катионы. В ОН-анионитовых фильтрах, которые проходит вода после Н-катионитовых, анионы образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН-. Требования к воде, подаваемой на Н-ОН фильтры:

взвешенные вещества - не более 8 мг/л;

общее солесодержание - до 3 г/л;

сульфаты и хлориды - до 5 мг/л;

цветность - не более 30 градусов;

окисляемость перманганатная - до 7 мг О 2 /л;

железо общее - не более 0,5 мг/л;

нефтепродукты - отсутствие;

свободный активный хлор - не более 1 мг/л.

Если исходная вода не отвечает данным требованиям, то необходимо провести предварительную подготовку воды.

В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды проектируют одно-, двух- и трехступенчатые установки, но во всех случаях для удаления из воды ионов металлов применяют сильнокислотные Н-катиониты с большой обменной способностью.

Одноступенчатые ионообменные установки применяют для получения воды с солесодержанием до 1 мг/л (но не более 20 мг/л).

В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с Н-катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом; свободный оксид углерода(СО 2) удаляется в дегазаторе, устанавливаемом после катионитовых или анионитовых фильтров, если они регенерируются раствором соды или гидрокарбоната. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров.

3.4. Деминерализация воды ионированием

Деминерализация воды - метод, предназначенный для уменьшения минерализации воды, в том числе общей жесткости, общей щелочности, содержания кремниевых соединений. Ионообменный метод деминерализации воды основан на последовательном фильтровании воды через водород-катионитный, а затем HCO 3 -, OH- или СО 3 -анионитный фильтр. В фильтрате образуется эквивалентное количество кислоты из анионов, с которыми были связаны катионы. Образовавшийся в процессе разложения гидрокарбонатов СО 2 удаляется в декарбонизаторах.

В анионитных фильтрах (гидроксид-анионирование) анионы образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН - (задерживаются фильтром). В результате получается деминерализованная (обессоленная) вода.

Этот метод фактически «несамостоятельный», синтетический. Он представляет собою схемный ряд вариантов сочетания разной степени сложности - в зависимости от цели обработки воды - водород-катионирования и гидроксид-анионирования.

3.5. Условия применения ионообменных установок

В ионообменные установки должна подаваться вода, содержащая соли - до 3 г/л, сульфаты и хлориды - до 5 ммоль/л, взвешенные вещества - не более 8 мг/л, цветность - не выше 30 градусов, перманганатная окисляемость - до 7 мгО/л. В соответствии с необходимой глубиной обессоливания воды проектируются одно-, двух- и трехступенчатые установки, но во всех случаях для удаления из воды ионов металлов применяют сильнокислотные водород-катиониты. Для промышленных и энергетических потребителей вода может быть подготовлена по одноступенчатой схеме - один катионитный и один анионитный фильтры; по двухступенчатой схеме - соответственно по два катионитных и два анионитных фильтра; по трехступенчатой схеме, причем третья ступень может быть оформлена двумя вариантами: отдельно катионитный и анионитный фильтры или совмещение в одном фильтре катионита и анионита.

После одноступенчатой схемы: солесодержание воды - 2-10 мг/л; удельная электропроводимость - 1-2 мкСм/см; содержание кремниевых соединений не изменяется. Двухступенчатую схему применяют для получения воды с солесодержанием 0,1-0,3 мг/л; удельной электропроводимостью 0,2-0,8 мкСм/см; содержанием кремниевых соединений до 0,1 мг/л. Трехступенчатая схема позволяет снизить солесодержание до 0,05-0,1 мг/л; удельную электропроводимость - до 0,1-0,2 мкСм/см; концентрацию кремниевой кислоты- до 0,05 мг/л. Для бытовых фильтров применяется одноступенчатая деминерализация - совместная загрузка фильтра катионитом и анионитом.

3.6. Фильтры смешанного действия

Совмещение в одном аппарате катионита и анионита позволяет достигать высокой степени очистки: из воды за один проход извлекаются почти все находящиеся в растворе ионы. Очищенная вода имеет нейтральную реакцию и низкое солесодержание. После насыщения ионами смесь ионитов - для регенерации - необходимо предварительно разделить на катионит и анионит, имеющих различную плотность. Разделение проводится гидродинамическим методом (водный поток снизу вверх) или путем заполнения фильтра концентрированным 18%-ным раствором реагента. В настоящее время основными зарубежными производителями выпускаются специально по- добранные по плотности и размеру наборы гранул монодисперсных смол, обеспечивающих высокую степень разделения и стабильности показателей.

Из-за сложности операций разделения смеси катионита и анионита и их регенерации такие аппараты используются в основном для очистки малосоленых вод и доочистки воды, обессоленной ранее обратным осмосом, когда регенерация проводится редко или иониты применяются однократно.

3.7. Особенности ионообменной технологии

Исторически сложилось так, что почти все конструкции ионообменных фильтров - параллельно точные (прямоточные), то есть обрабатываемая вода и регенерирующий раствор движутся в фильтре в одном направлении - сверху вниз. По мере продвижения регенерационного раствора сверху вниз через слой ионита концентрационный напор - разность концентраций между ра- нее задержанными ионами (например, кальцием и магнием) и вытесняющими их ионами регенерирующего раствора (например, натрия) - становится всё меньше и меньше.

В конце своего пути «слабый» регенерационный раствор встречается со слоем ионита, содержащим некоторое, хотя и небольшое, количество ионов, которые нужно вытеснить из ионита. Вытеснения не происходит. В результате следующий поток обработанной воды не достигает необходимого качества.

Эта особенность технологии ионного обмена, а также свойства ионитов, регенерантов и лиотропных рядов определяют принципиальные недостатки ионообменной технологии очистки воды: большой расход реагентов, воды для отмывки ионита от остатков регенерационного раствора и большое количество сточных вод, качество которых не соответствует требованиям нормативных документов.

Выход из положения был найден технологами, предложившими двухступенчатое - для натрий катионирования и трехступенчатое - для деминерализации ионированием - фильтрование. Разновидностью двухступенчатого умягчения можно считать параллельноточное-противоточное фильтрование: несмотря на название, в каждом из пары фильтров осуществляется параллельноточное фильтрование.

Декарбонизация - удаление оксида углерода, выделяющегося в процессах водород-катионирования и анионирования.

Удаление его из воды перед сильноосновными анионитными фильтрами необходимо, так как в присутствии СО 2 в воде часть рабочей обменной емкости анионита будет затрачиваться на поглощение СО 2 .

Традиционно для удаления из воды углекислого газа используют декарбонизаторы - аппараты, заполненные различными распределителями воды (чаще - насыпными, например, кольцами Рашига, Палля и др.), называемыми насадкой, или без заполнителей, и продуваемые воздухом навстречу водному потоку. В зависимости от схемы декарбонизатор может быть установлен после первой, или второй ступени водород-катионирования, или после первой (слабоосновной) ступени анионирования. Последняя схема чаще используется в зарубежных разработках. Распространение получают эжекторные (вакуумные, струйные) аппараты. Их работа основана на создании высокоскоростного потока в эжекторном устройстве, в котором происходит вакуумирование потока с последующим подсосом воздуха в воду и его отдувкой. При небольших габаритах такая конструкция обеспечивает большую производительность и высокую эффективность удаления газов. В данном случае - свободного СО 2 . На небольших станциях водоподготовки и при небольшом содержании в исходной воде бикарбо натов используют схему подготовки воды без декарбонизаторов.

5. Баромембранные методы водоподготовки

Деминерализация воды ионным обменом и термическая деминерализация (дистилляция) позволяют опреснять воду, почти полностью обессоливать ее. Однако применение этих методов выявило наличие недостатков: необходимость регенерации, громоздкое и дорогое оборудование, дорогие иониты и др. В связи с этим быстрое распространение получили баромембранные методы обработки воды.

Группа баромембранных методов включает в себя обратный осмос, микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию. Обратный осмос (размеры пор 1-15 Å , рабочее давление 0,5-8,0 МПа) применяется для деминерализации воды, задерживает практически все ионы на 92-99%, а при двухступенчатой системе и до 99,9%. Нанофильтрация (размеры пор 10-70 Å , рабочее давление 0,5-8,0 МПа) используется для отделения красителей, пестицидов, гербицидов, сахарозы, некоторых растворенных солей, органических веществ, вирусов и др. Ультрафильтрация (размеры пор 30-1000 Å , рабочее давление 0,2-1,0 МПа) применяется для отделения некоторых коллоидов (кремния, например), вирусов (в том числе полиомиелита), уголь- ной сажи, разделения на фракции молока и др. Микрофильтрация (размеры пор 500-20000 Å , рабочее давление от 0,01 до 0,2 МПа) используется для отделения некоторых вирусов и бактерий, тонкодисперсных пигментов, пыли активных углей, асбеста, красителей, разделения водо-масляных эмульсий и т.п. Чем более крупные поры образованы в мембране, тем более понятен процесс фильтрации через мембрану, тем более он по физическому смыслу приближается к так называемому механическому фильтрованию.

Промежуточную группу образуют так называемые трековые мембраны, получаемые посредством облучения на циклотроне лавсановых (полиэтилентерефталантных) пленок потоком тяжелых ионов. После воздействия на пленку ультрафиолетовыми лучами и травлением щелочью в пленке образуются поры диаметром 0,2-0,4 мкм (в основном 0,3 мкм).

5.1. Обратный осмос

Обратный осмос - один из наиболее перспективных методов обработки воды, преимущества которого заключены в малых энергозатратах, простоте конструкций аппаратов и установок, малых их габаритах и простоте эксплуатации; применяется для обессоливания вод с солесодержанием до 40 г/л, причем границы его использования постоянно расширяются.

Сущность метода. Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не выравниваются. Процесс самопроизвольного перетекания веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора различной концентрации (частный случай - чистый растворитель и раствор), называется осмосом (от греч.: osmos - толчок, давление). Если над раствором создать противодавление, скорость перехода растворителя через мембрану уменьшится. При установлении равновесия отвечающее ему давление может служить количественной характеристикой явления обратного осмоса. Оно называется осмотическим давлением и равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой. Применительно к системам водоподготовки, где растворителем является вода, процесс обратного осмоса можно представить следующим образом: если со стороны протекающей через аппарат природной воды с некоторым содержанием примесей приложить давление, превышающее осмотическое, то вода будет просачиваться через мембрану и скапливаться по другую ее сторону, а примеси - оставаться с исходной водой, их концентрация будет увеличиваться.

На практике мембраны обычно не обладают идеальной полупроницаемостью и наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества.

Осмотические давления растворов могут достигать десятков МПа. Рабочее давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше, поскольку их производительность определяется движущей силой процесса - разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении 2,45 МПа для морской воды, содержащей 3,5% солей, рабочее давление в опреснительных установках рекомендуется поддерживать на уровне 6,85-7,85 МПа.

5.2. Ультрафильтрация

Ультрафильтрация - процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Он протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.

Ультрафильтрация заимствовала у обратного осмоса способы получения мембран, а также во многом подобна ему и по аппаратному исполнению. Отличие заключается в гораздо более высоких требованиях к отводу от мембранной поверхности концентрированного раствора вещества, способного формировать в случае ультрафильтрации гелеобразные слои и малорастворимые осадки. Ультрафильтрация по схеме ведения процесса и параметрам - промежуточное звено между фильтрованием и обратным осмосом.

Технологические возможности ультрафильтрации во многих случаях гораздо шире, чем у обратного осмоса. Так, при обратном осмосе, как правило, происходит общее задержание почти всех частиц. Однако на практике часто возникает задача селективного разделения компонентов раствора, то есть фракционирования. Решение этой задачи является очень важным, поскольку возможны отделение и концентрирование весьма ценных или редких веществ (белки, физиологически активные вещества, полисахариды, комплексы редких металлов и т.д.). Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Например, для водных растворов принимают, что ультрафильтрация применима тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и больше.

Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений по обе стороны мембраны. Обычно ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях: 0,3-1 МПа. В случае ультрафильтрации значительно повышается роль внешних факторов. Так, в зависимости от условий (давление, температура, интенсивность турбулизации, состав растворителя и т.д.), на одной и той же мембране можно добиться полного разделения веществ, невозможного при другом сочетании параметров. К ограничениям ультрафильтрации относятся: узкий технологический диапазон - необходимость точного поддержания условий процесса; сравнительно невысокий предел концентрирования, который для гидрофильных веществ обычно не превышает 20-35%, а для гидрофобных - 50-60%; небольшой (1-3 года) срок службы мембран вследствие осадкообразования в порах и на их поверхности. Это приводит к загрязнению, отравлению и нарушению структуры мембран или ухудшению их механических свойств.

5.3. Мембраны

Определяющими при реализации мембранных методов являются разработка и изготовление полупроницаемых мембран, отвечающих следующим основным требованиям:

Высокая разделяющая способность (селективность);

Высокая удельная производительность (проницаемость);

Химическая стойкость к действию компонентов разделяемой системы;

Неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

Достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортирования и

хранения мембран;

Низкая стоимость.

В настоящее время на рынке есть мембраны двух основных типов, изготовляемые из ацетилцеллюлозы (смесь моно-, ди- и триацетата) и ароматических полиамидов. По форме мембраны подразделяются на трубчатые, листовые (спирально свернутые) и выполненные в виде полых волокон. Современные обратноосмотические мембраны - композитные - состоят из нескольких слоев. Общая толщина - 10-150 мкм, причем толщина слоя, определяющего селективность мембраны, не более 1 мкм.

С практической точки зрения наибольший интерес представляют два показателя процесса: коэффициент задержания растворенного вещества (селективность), и производительность (объемный поток) через мембрану. Оба этих показателя неоднозначно характеризуют полупроницаемые свойства мембраны, так как в значительной степени зависят от условий процесса (давление, гидродинамическая обстановка, температура и т.д.).

6. Методы обезжелезивания воды

Вода с высоким содержанием железа обладает неприятным вкусом, а использование такой воды в производственных процессах (текстильная промышленность, производство бумаги и т.д.) недопустимо, так как приводит к появлению ржавых пятен и разводов на готовой продукции. Ионы железа и марганца загрязняют ионообменные смолы, поэтому при проведении большинства ионообменных процессов предшествующей стадией обработки воды является их удаление. В теплоэнергетическом оборудовании (котлы паровые и водогрейные, теплообменники) железо - источник образования железонакипных отложений на поверхностях нагрева. В воде, поступающей на обработку в баромембранные, электродиализные, магнитные аппараты - всегда лимитируется содержание железа. Очистка воды от соединений железа - в ряде случаев довольно сложная задача, которая может быть решена только комплексно. Это обстоятельство в первую очередь связано с многообразием форм существования железа в природных водах. Чтобы определить наиболее действенный и экономичный для конкретной воды метод обезжелезивания, нужно произвести пробное удаление железа. Метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.

Для обезжелезивания поверхностных вод используются только реагентные методы с последующей фильтрацией. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработкиводы:

Упрощенная аэрация;

Аэрация на специальных устройствах;

Коагуляция и осветление;

Введение таких реагентов-окислителей, как хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон,

перманганат калия.

При мотивированном обосновании применяют катионирование, диализ, флотацию, электрокоагуляцию и другие методы.

Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа или в виде коллоидальных органических соединений, например гуматов железа, используют коагулирование сульфатом алюминия или оксихлоридом алюминия, или железным купоросом с добавлении ем хлора или гипохлорита натрия.

В качестве наполнителей для фильтров в основном используют песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а также фильтрующие материалы, обработанные катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное. В последнее время всё большее распространение получают наполнители с каталитическими свойствами.

При наличии в воде коллоидного двухвалентного железа требуется проведение пробного обезжелезивания . Если отсутствует возможность осуществить его на первой стадии проектирования, выбирают один из вышеперечисленных методов на основании проведенного пробного обезжелезивания в лаборатории или опыта работы аналогичных установок.

7. Деманганация воды

Марганец присутствует в земной коре в большом количестве и обычно встречается вместе с железом. Содержание растворенного марганца в подземных и поверхностных водах, бедных кислородом, достигает нескольких мг/л. Российские санитарные нормы ограничивают уровень предельно допустимого содержания марганца в воде хозяйственно-питьевого назначения значением 0,1 мг/л.

В некоторых странах Европы требования жестче: не более 0,05 мг/л. Если содержание марганца больше этих значений, ухудшаются органолептические свойства воды. При значениях марганца больше 0,1 мг/л появляются пятна на санитарно-технических изделиях, а также нежелательный привкус воды. На внутренних стенках трубопроводов образуется осадок, который отслаивается в виде черной пленки.

В подземных водах марганец находится в виде хорошо растворимых солей в двухвалентном состоянии. Для удаления марганца из воды его необходимо перевести в нерастворимое со стояние окислением в трех- и четырехвалентную форму. Окисленные формы марганца гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов.

Для эффективного окисления марганца кислородом необходимо, чтобы значение рН очищаемой воды было на уровне 9,5-10,0. Перманганат калия, хлор или его производные (гипохлорит натрия), озон позволяют вести процесса демаганации при меньших значениях рН, равных 8,0-8,5. Для окисления 1 мг растворенного марганца нужно 0,291 мг кислорода.

7.1. Методы деманганации

Глубокая аэрация с последующим фильтрованием. На первом этапе очистки из воды под вакуумом извлекают свободную углекислоту, что способствует повышению значения рН до 8,0-8,5. Для этой цели используют вакуумно-эжекционный аппарат, при этом в его эжекционной части происходят диспергирование воды и ее насыщение кислородом воздуха. Далее вода направляется на фильтрацию через зернистую загрузку, например, кварцевый песок.Этот метод очистки применим при перманганатной окисляемости исходной воды не более 9,5 мгО/л. В воде обязательно присутствие двухвалентного железа, при окислении которого образуется гидроксид железа, адсорбирующий Mn 2+ и каталитически его окисляющий.

Соотношение концентраций / не должно быть менее 7/1. Если в исходной воде такое соотношение не выполняется, то в воду дополнительно дозируют сульфат железа (железный купорос).

Деманганация перманганатом калия. Метод применим как для поверхностных, так и для подземных вод. При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марганца. Осажденный оксид марганца в виде хлопьев имеет высокую развитую удельную, что определяет его высокие сорбционные свойства. Осадок - хороший катализатор, позволяющий вести демангацию при рН = 8,5.

Как уже отмечалось, перманганат калия обеспечивает удаление из воды не только марганца, но и железа в различных формах. Также удаляются запахи и за счет сорбционных свойств улучшаются вкусовые качества воды.

После перманганата калия вводят коагулянт для удаления продуктов окисления и взвешенных веществ и далее фильтруют на песчаной загрузке. При очистке от марганца подземных вод параллельно с перманганатом калия вводят активированную кремниевую кислоту или флокулянты. Это позволяет укрупнить хлопья оксида марганца.

8. Обеззараживание воды

Обеззараживание воды есть санитарно-технические мероприятия по уничтожению в воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. Различают химические, или реагентные, и физические, или безреагентные, способы обеззараживания воды. К наиболее распространенным химическим способам обеззараживания воды относят хлорирование и озонирование воды, к физическим — обеззараживание ультрафиолетовыми лучами. Перед обеззараживанием вода обычно подвергается водоочистке, при которой удаляются яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов.

При химических способах обеззараживания воды для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность контакта его с водой. Доза реагента определяется пробным обеззараживанием или расчётными методами. Для поддержания необходимого эффекта при химических способах обеззараживания воды доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор, остаточный озон), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, попадающих в воду некоторое время после обеззараживания.

В существующей практике обеззараживания питьевой воды хлорирование наиболее распространено. В США 98,6 % воды (подавляющее количество) подвергается хлорированию. Аналогичная картина имеет место и в России, и в других странах, т. е. в мире в 99 из 100 случаев для дезинфекции используют либо чистый хлор, либо хлорсодержащие продукты

Такая популярность хлорирования связана и с тем, что это единственный способ, обеспечивающий микробиологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия . Этот эффект заключается в том, что после совершения действия по внедрению молекул хлора в воду («последействие») последние сохраняют свою активность по отношению к микробам и угнетают их ферментные системы на всем пути следования воды по водопроводным сетям от объекта водоподготовки (водозабора) до каждого потребителя. Подчеркнем, что эффект последействия присущ только хлору .

Озонирование основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием атомарного кислорода, разрушающего ферментные системы микробных клеток и окисляющего 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 в 8—15 мин; количество остаточного озона должно составлять не более 0,3—0,5 мг/л, т.к. более высокая доза придаёт воде специфический запах и вызывает коррозию водопроводных труб. В связи с большим расходом электроэнергии, использованием сложной аппаратуры и высококвалифицированного технадзора озонирование нашло применение для обеззараживания водытолько при централизованном водоснабжении объектов специального назначения.

Из физических способов обеззараживания воды наибольшее распространение получило обеззараживание ультрафиолетовыми лучами , бактерицидные свойства которых обусловлены действием на клеточный обмен и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий и не изменяют органолептического свойства воды. Необходимым условием эффективности этого способа обеззараживания являются бесцветность и прозрачность обеззараживаемой воды, недостатком — отсутствие последействия. Поэтому обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами применяют главным образом для подземных и подрусловых вод. Для обеззараживания воды открытых водоисточников находит применение сочетание ультрафиолетовых лучей с небольшими дозами хлора.

Из физических способов индивидуального обеззараживания воды наиболее распространённым и надёжным является кипячение , при котором, кроме уничтожения бактерий, вирусов, бактериофагов, антибиотиков и др. биологических факторов, часто содержащихся в открытых водоисточниках, удаляются растворённые в воде газы и уменьшается жёсткость воды. Вкусовые качества воды при кипячении меняются мало.

При контроле эффективности обеззараживания воды на водопроводах исходят из содержания в обеззараженной воде сапрофитной микрофлоры и, в частности, кишечных палочек, т.к. все известные возбудители инфекционных болезней человека, распространяющихся водным путём (холера, брюшной тиф, дизентерия), более чувствительны к бактерицидному действию химических и физических средств обеззараживания воды, чем кишечная палочка. Вода считается годной для водопользования при содержании в 1 л не более 3 кишечных палочек. На водопроводных станциях, использующих хлорирование или озонирование, каждый 1 ч (или 30 мин) проверяется содержание остаточного хлора или озона как косвенного показателя надёжности обеззараживания воды.

В России сложилось серьезное положение с техническим состоянием водоочистных комплексов централизованных водозаборов, которые во многих случаях были спроектированы и построены 70-80 лет назад. Их износ с каждым годом нарастает, а более 40 % оборудования требует полной замены. Анализ аварийных ситуаций показывает, что 57 % аварий на объектах ВКХ происходят из-за ветхости оборудования, поэтому дальнейшая его эксплуатация будет приводить к резкому возрастанию аварий, ущерб от которых значительно превысит затраты на их предотвращение. Положение усугубляется тем, что из-за изношенности сетей вода в них подвергается вторичному заражению, и требует дополнительной очистки и обеззараживания. Еще хуже положение с централизованным водоснабжением населения в сельской местности.

Это дает основания назвать проблему гигиены водоснабжения, т. е. обеспечение населения доброкачественной надежно обеззараженной водой, важнейшей проблемой, требующей комплексного и наиболее эффективного решения. Безопасная питьевая вода, по определению опубликованной Всемирной организацией здравоохранения «Руководства по обеспечению качества питьевой воды», не должна представлять никаких рисков для здоровья в результате ее потребления в течение всей жизни, включая различную уязвимость человека к болезням на разных этапах жизни. К группе наибольшего риска в отношении болезней, передаваемых через воду, относятся дети грудного и раннего возраста, люди с ослабленным здоровьем или живущие в антисанитарных условиях и люди пожилого возраста.

Все технологические схемы очистки и обеззараживания воды должны опираться на основные критерии, предъявляемые к качеству питьевой воды: питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими (вкусовыми) свойствами. Эти критерии и лежат в основе нормативных актов всех стран(в России СанПиН 2.14.1074-01). Остановимсяна основных наиболее часто применяемых дезинфектантах: хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое обеззараживание воды.

8.1. Хлорирование воды

В последнее десятилетие в России наблюдается повышенный интерес к объектам водоподготовки с точки зрения лоббирования корпоративных бизнес-интересов. Причем эти обсуждения обосновываются благими намерениями обеспечить население качественной водой. Под такие рассужденияо необходимости потребления чистой воды производится попытка внедрения бессмысленных и необоснованных новаций в нарушение апробированных технологий и СанПиН 2.14.1074-01, который отвечает самым высоким мировым стандартам и требует обязательного присутствия хлора в питьевой воде систем ценрализованного водоснабжения (вспомните про эффект последействия, присущий только хлору). Поэтому пора развеять заблуждения,от которых зависит здоровье нации.

Кроме хлора для обеззараживания вода применяют его соединения, из которых чаще используют гипохлорит натрия.

Гипохлорит натрия - NaCIO. В промышленности гипохлорит натрия выпускается в качестве различных растворов с разной концентрацией. Его дезинфицирующее действие в первую очередь основано на том, что при растворении гипохлорита натрияточно так же, как и хлор, образует хлорноватистую при растворении в воде. Он оказывает непосредственное дезинфицирующее и окисляющее действие.

Различные марки гипохлорита находят применение в следующих направлениях:

. раствор марки А согласно ГОСТ 11086-76 применяется в химической промышленности, чтобы обезжирить питьевую воду и воду для плавательных бассейнов, а также для отбелки и дезинфекции;

. раствор марки Б согласно ГОСТ 11086-76 применяется в витаминной промышленности, в качестве окислителя для отбеливания тканей;

. раствор марки А согласно ТУ применяется во избежание заражения сточных и природных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Еще данным раствором дезинфицируют воду рыбохозяйственных водоемов, получают отбеливающие средства и производят дезинфекцию в пищевой промышленности;

. раствор марки Б согласно ТУ используется для дезинфекции территорий, которые были загрязнены фекальными сбросами, бытовыми и пищевыми отходами; еще он очень хорош для обеззараживании сточных вод;

. раствор марки Г, В согласно ТУ применяется для дезинфекции воды в рыбохозяйственном водоеме;

. раствор марки Э согласно ТУ применяется для дезинфекции также как и в марке А согласно ТУ. Еще он очень распространен на предприятиях общественного питания, в медико-санитарных учреждениях, для обеззараживания стоков, питьевой воды, отбеливания, на объектах ГО и т.д.

Внимание! Меры предосторожности: раствор гипохлорита натрия ГОСТ 11086-76 марки А является очень сильным окислителем, при попадании на кожу способен вызвать ожог, при случайном попадании в глаза - необратимую слепоту.

При нагревании свыше 35°С гипохлорит натрия разлагается с последующим образованием хлоратов и отделением хлора и кислорода. ПДК хлора в среде рабочей зоны - 1 мг/мЗ; в среде населенных мест: 0,1 мг/мЗ - максимальная разовая и 0,03 мг/мЗ - дневная.

Гипохлорит натрия не является горючим средством и невзрывоопасен. Но, гипохлорит натрия в соответствии с ГОСТ 11086-76 марки А при контакте с органическим горючим веществом (опилки, ветошь древесина) в ходе высыхания способен вызвать внезапное самовозгорание.

Индивидуальное предохранение персонала должно осуществляться с использованием спецодежды и индивидуальные средства защиты: противогаз марки Б или БКФ, перчатки резиновые и очки защитные.

При воздействии раствора гипохлорита натрия на кожу и слизистую, в срочном порядке нужно обмыть их под проточной струёй воды в течение 20 минут, при попадании капель раствора в глаза необходимо сразу промыть их большим количеством воды и транспортировать пострадавшего к доктору.

Хранение гипохлорита натрия. Гипохлорит натрия следует хранить в не отапливаемом вентилируемом складском помещении. Не допускать хранение с органическими продуктами, горючим материалом и кислотой. Не допускать попадания в гипохлорит натрия солей тяжелых металлов и контакт с такими металлами. Данный продукт упаковывают и транспортируют в полиэтиленовой таре (контейнер, бочка, канистра) или титановой емкости и танк-контейнере. Продукт гипохлорита натрия не является стабильным и гарантийного срока хранения не имеет (примечание к ГОСТ 11086-76).

Более содержательно о достоинствах и недостатках обеззараживания воды хлором или гипохлоритом натрия можно ознакомиться на сайте www . kravt . ru .

8.2. Озонирование воды

Озонирование воды находит применение при обеззараживании питьевой воды, воды плавательных бассейнов, сточных вод и т.д., позволяя одновременно достигнуть обесцвечивания, окисления железа и марганца, устранения привкуса и запаха воды и обеззараживания за счет весьма высокой окисляющей способности озона.

Озон - газ голубоватого или бледно-фиолетового цвета, который самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в водном растворе, превращаясь в кислород. Скорость распада озона резкоувеличивается в щелочной среде и с ростом температуры. Обладает большой окислительной способностью, разрушает многие органические вещества, присутствующие в природных и сточных водах; плохо растворяется в воде и быстро саморазрушается; будучи мощным окислителем, может при длительном воздействии усилить коррозию трубопроводов.

Необходимо учитывать некоторые особенности озонирования. Прежде всего, нужно помнить о быстром разрушении озона, то есть отсутствии такого длительного действия, как у хлора.

Озонирование может вызвать (особенно у высокоцветных вод и вод с большим количеством органики) образование дополнительных осадков, поэтому нужно предусматривать после озонирования фильтрование воды через активный уголь. В результате озонирования образуются побочные продукты включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, броматы (в присутствии бромидов), пероксиды и другие соединения. При воздействии на гуминовые кислоты, где есть ароматические соединения фенольного типа, может появиться и фенол. Некоторые вещества стойки к озону. Этот не-достаток преодолевается введением в воду перекиси водорода по технологии фирмы «Дегремон» (Франция) в трехкамерном реакторе.

8.3. Ультрафиолетовое обеззараживание воды

Ультрафиолетовым называется электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10 до 400 нм.

Для обеззараживания используется «ближняя область»: 200-400 нм (длина волн природного ультрафиолетового излучения у поверхности земли больше 290 нм). Наибольшим бактерицидным действием обладает электромагнитное излучение на длине волны 200-315 нм. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм.

Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется происходящими под их воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекулы ДНК и РНК, составляющими универсальную информационную основу механизма воспроизводимости живых организмов.

Результат этих реакция - необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие ультрафиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Всё это в конечном итоге приводит к их гибели.

УФ-стерилизатор представляет собой металлический корпус, внутри которого находится бактерицидная лампа. Она, в свою очередь, помещается в защитную кварцевую трубку. Вода омывает кварцевую трубку, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается. В одной установке может быть несколько ламп. Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональны интенсивности излучения и времени воздействия. Соответственно количество обезвреженных (инактивированных) микроорганизмов экспоненциально растет с увеличением дозы облучения. Из-за различной сопротивляемости микроорганизмов доза ультрафиолета, необходимая для инактивации, например 99,9%, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для спор и простейших. При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает вследствие эффектов поглощения и рассеяния. Для учета этого ослабления вводится коэффициент поглощения водой, значение которого зависит от качества воды, особенно от содержания в ней железа, марганца, фенола, а также от мутности воды.

мутность - не более 2 мг/л (прозрачность по шрифту ≥30 градусов);

цветность - не более 20 градусов платино-кобальтовой шкалы;

установок УФ); коли-индекс - не более 10 000 шт/л.

Для оперативного санитарного и технологического контроля эффективности и надежности обеззараживания воды ультрафиолетом, как и при хлорировании и озонировании, применяется определение бактерий кишечной палочки (БГКП).

Опыт применения ультрафиолета показывает: если в установке доза облучения обеспечивается не ниже определенного значения, то гарантируется устойчивый эффект обеззараживания. В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Минимальная доза, соответствующая российским нормативам, - 16 мДж/см2.

Достоинства метода:

Наименее «искусственный» - ультрафиолетовые лучи;

Универсальность и эффективность поражения различных микроорганизмов - УФ-лучи

уничтожают не только вегетативные, но и спорообразующие бактерии, которые при

хлорировании обычными нормативными дозами хлора сохраняют жизнеспособность;

Физико-химический состав обрабатываемой воды сохраняется;

Отсутствие ограничения по верхнему пределу дозы;

Не требуется организовывать специальную систему безопасности, как при хлорировании и

озонировании;

Отсутствуют вторичные продукты;

Не нужно создавать реагентное хозяйство;

Оборудование работает без специального обслуживающего персонала.

Недостатки метода:

Падение эффективности при обработке плохо очищенной воды (мутная, цветная вода плохо

просвечивается);

Периодическая отмывка ламп от налетов осадков, требующаяся при обработке мутной и

жесткой воды;

Отсутствует «последействие», то есть возможность вторичного (после обработки излучением)

заражения воды.

8.4. Сравнение основных методов обеззараживания воды

Основные методы обеззараживания воды, описанные выше имеютсамые разнообразные достоинства и недостатки, изложенные в многочисленных публикациях на эту тему. Отметим наиболее весомые из них.

Каждая из трех технологий, если она применяется в соответствии с нормами, может обеспечить необходимую степень инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.

По отношению к цистам патогенных простейших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов. Для удаления этих микроорганизмов рекомендуется сочетать процессы обеззараживания с процессами уменьшение мутности.

Технологическая простота процесса хлорирования и недефицитность хлора обусловливают широкое распространение именно этого метода обеззараживания.

Метод озонирования наиболее технически сложен и дорогостоящ по сравнению с хлорированием и ультрафиолетовым обеззараживанием.

Ультрафиолетовое излучение не меняет химический состав воды даже при дозах, намного превышающих практически необходимые.

Хлорирование может привести к образованию нежелательных хлорорганических соединений, обладающих высокой токсичностью и канцерогенностью.

При озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные - альдегиды, кетоны и другие алифатические ароматические соединения.

Ультрафиолетовое излучение убивает микроорганизмы, но ≪ образующиеся осколки (клеточные стенки бактерий, грибков, белковые фрагменты вирусов) остаются в воде. Поэтому рекомендуется последующая тонкая фильтрация.

. Только хлорирование обеспечивает эффект последействия, то есть обладает необходимым длительным действием, что делает применение этого метода обязательным при подаче чистой воды в водопроводную сеть.

9. Электрохимические методы

Электрохимические методы находят широкое применение, когда традиционные способы механической, биологической и физико-химической обработки воды оказываются недостаточно эффективными или не могут использоваться, например, из-за дефицита производственных площадей, сложности доставки и использования реагентов или по другим причинам. Установки по реализации этих методов компактны, высокопроизводительны, процессы управления и контроля сравнительно просто автоматизируются. Обычно электрохимическая обработка используется в сочетании с другими способами очистки, позволяя успешно очистить природные воды от примесей различного состава и дисперсности.

Электрохимическими методами можно корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, они обладают высоким бактерицидным эффектом, значительно упрощают технологические схемы очистки. Во многих случаях электрохимические методы исключают вторичное загрязнение воды анионными и катионными остатками, характерными для реагентных методов.

Электрохимическая очистка воды основана на электролизе, сущность которого заключается в использовании электрической энергии для про- ведения процессов окисления и восстановления. Процесс электролиза протекает на поверхности электродов, находящихся в электропроводном растворе, - электролите.

Для процесса электролиза необходимы: раствор электролита - загрязненная вода, в которой всегда присутствуют ионы в той или иной концентрации, обеспечивающие электропроводимость воды; электроды, погруженные в раствор электролита; внешний источник тока; токоподводы - металлические проводники, соединяющие электроды с источником тока. Вода сама по себе - плохой проводник, однако находящиеся в растворе заряженные ионы, образующиеся при диссоциации электролита, под действием напряжения, приложенного к электродам, двигаются по двум противоположным направлениям: положительные ионы (катионы) к катоду, отрицательные (анионы) - к аноду. Анионы отдают аноду свои «лишние» электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Одновременно с этим катионы, достигая катода, получают от него недостающие электроны и также становятся нейтральными атомами или группой атомов (молекулами). При этом число электронов, получаемых анодом, равно числу электронов, передаваемых катодом. В цепи протекает постоянный электрический ток. Таким образом, при электролизе протекают окислительно-восстановительные процессы: на аноде - потеря электронов (окисление), на катоде - приобретение электронов (восстановление). Однако механизм электрохимических реакций существенно отличается от обычных химических превращений веществ. Отличительная особенность электрохимической реакции -пространственное разделение электрохимических реакций на два сопряженных процесса: процессы разложения веществ или получения новых продуктов происходят на границе электрод-раствор при помощи электрического тока. При проведении электролиза одновременно с электродными реакциями в объеме раствора происходят изменение рН и окислительно-восстановительного потенциала системы, а также фазово-дисперсные превращения примесей воды.

www . aqua - term . ru

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1 . Что понимают под пароводяным циклом котельных уст ановок

Пароводяной цикл это период, времени за который вода превращается в пар и этот период повторяется много раз.

Для надежной и безопасной работы котла важное значение имеет циркуляция воды в нем - непрерывное движение ее в жидкостной смеси по некоторому замкнутому контуру. В результате этого обеспечивается интенсивный отвод тепла от поверхности нагрева и устраняются местные застои пара и газа, что предохраняет поверхность нагрева от недопустимого перегревания, коррозии и предотвращает аварию котла. Циркуляция в котлах может быть естественной и принудительной (искусственной), создаваемой с помощью насосов.

В современных конструкциях котлов поверхность нагрева выполняется из отдельных пучков труб, подсоединенных к барабанам и коллекторам, которые образуют достаточно сложную систему замкнутых циркуляционных контуров.

На рис. приведена схема так называемого циркуляционного контура. В сосуд наливается вода, причем левое колесо U - образной трубки подогревают, образуется пар; удельный вес смеси пара и воды будет меньше по сравнению с удельным весом в правом колене. Жидкость в подобных условиях не будет, находится в состоянии равновесия. Например, А - А давление слева будет меньше, чем справа - начинается движение, которое и носит название циркуляции. Пар выделится с зеркала испарения, удаляясь далее из сосуда, а на него место в таком же количестве по весу поступит питательная вода.

Для расчета циркуляции решают два уравнения. Первое - выражает материальный баланс, второе баланс сил.

Первое уравнение формулируется так:

G под =G оп кг/сек, (170)

Где G под - количество воды и пара, движущихся в подъемной части контура, в кг/сек;

G оп - количество воды, движущихся в опускной части, в кг/сек.

Уравнение баланса сил может быть выражено следующей зависимостью:

N = ?? кг/м 2 , (171)

где N - полный движущий напор, равный h(? в - ? см), в кг;

Сумма гидравлических сопротивлений в кг/м 2 , включая и силу инерции, возникающих при движении пароводяной эмульсии и воды по контору и вызывающих в итоге равномерное движение с определенной скоростью.

В циркуляционном контуре котла имеется большое количество параллельно работающих труб, причем условия их работы не могут быть в силу ряда причин совершенно идентичны. Чтобы обеспечить бесперебойную циркуляцию во всех трубах параллельно работающих контуров и не вызвать в каком-нибудь из них опрокидывания циркуляции, необходимо увеличить скорость движения воды по контуру, что обеспечивается определенной кратностью циркуляции К.

Обычно кратность циркуляции выбирается в пределах 10 - 50 и при малой тепловой нагрузки труб значительно больше 200 - 300.

Расход воды в контуре с учетом кратности циркуляции равняется

где D = расход пара (питательной воды) рассчитываемого контура в кг/час.

Скорость воды при входе в подъемную часть контура можно определить из равенства

2 . Причины образования отло жений в теплообменных аппаратах

Различные примеси, содержащиеся в нагреваемой и испаряемой воде, могут выделятся в твердую фазу на внутренних поверхностях парогенераторов, испарителей, паропреобразователей и конденсаторов паровых турбин в виде накипи, а внутри водяной массы - в виде взвешенного шлама. Нельзя, однако, провести четкую границу между накипью и шламом, так как вещества, отлагающиеся на поверхности нагрева в форме накипи, могут с течением времени превращаться в шлам и наоборот, шлам при некоторых условиях может прикипать к поверхности нагрева, образуя накипь.

Из элементов парогенератора загрязнению внутренних поверхностей больше всего подвержены обогреваемые экранные трубы. Образование отложений на внутренних поверхностях парообразующих труб влечет за собой ухудшение теплопередачи и как следствие опасный перегрев металла труб.

Радиационные поверхности нагрева современных парогенераторов интенсивно обогреваются топочным факелом. Плотность теплового потока в них достигает 600-700 квт/м 2 , а местные тепловые потоки могут быть еще выше. Поэтому даже кратковременное ухудшение коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде приводит к столь значительному росту температуры стенки трубы (500-600 °С и выше), что прочность металла может оказаться недостаточной, чтобы выдержать возникшие в нем напряжения. Следствием этого являются повреждения металла, характеризующиеся появлением отдулин, свинца, а нередко и разрывом труб.

При резких температурных колебаниях в стенках парообразующих труб, которые могут иметь место в процессе эксплуатации парогенератора, накипь отслаивается от стенок в виде хрупких и плотных чешуек, которые заносятся потоком циркулирующей воды в места с замедленной циркуляцией. Там происходит осаждение их в виде беспорядочного скопления кусочков различных величин и формы, сцементированных шламом в более или менее плотные образования. Если в парогенераторе барабанного типа имеются горизонтальные или слабонаклонные участки парообразующих труб с вялой циркуляцией, то в них обычно происходит скопление отложений рыхлого шлама. Сужение сечения для прохода воды или полная закупорка парообразующих труб приводят к нарушению циркуляции. В так называемой переходной зоне прямоточного парогенератора до критического давления, где испаряются последние остатки влаги, и осуществляется небольшой перегрев пара, образуется отложения соединений кальция, магния и продуктов коррозии.

Поскольку прямоточный парогенератор является эффективной ловушкой труднорастворимых соединений кальция, магния, железа и меди. То при повышенном содержании их в питательной воде они быстро накапливаются в трубной части, что значительно сокращает продолжительность рабочей кампании парогенератора.

Для того чтобы обеспечить минимальные отложения как в зонах максимальных тепловых нагрузок парообразующих труб, как и в проточной части турбин, необходимо строго поддерживать эксплуатационные нормы допустимого содержания в питательной воде тех или иных примесей. С этой целью добавочная питательная вода подвергается глубокой химической очистки либо дистилляции на водоподготовительных установках.

Улучшение качества конденсатов и питательной воды заметно ослабляет процесс образования эксплуатационных отложений на поверхности паросилового оборудования, но полностью его не устраняет. Следовательно, в целях обеспечения должной чистоты поверхности нагрева необходимо наряду с одноразовой предпусковой очисткой проводить также периодические эксплуатационные очистки основного и вспомогательного оборудования и при том не только при наличии систематических грубых нарушений установленного водного режима и при недостаточной эффективности проводимых на ТЭС противокоррозионных мероприятий, но и в условиях нормальной эксплуатации ТЭС. Проведение эксплуатационных очисток особенно необходимо на энергоблоках с прямоточными парогенераторами.

3 . Опишите коррозию паровых котельных по пароводяному и газовому трактам

Металлы и сплавы, употребляемые для изготовления теплоэнергетического оборудования, обладают способностью вступать во взаимодействие с соприкасающейся с ними средой (вода, пар, газы), содержащей те или иные коррозионноагрессивные примеси (кислород, угольная и другие кислоты, щелочи и др.).

Существенным для нарушения нормальной работы парового котла является взаимодействие растворенных в воде веществ с обмыванием его металлом, в результате чего происходит разрушение металла, которое при известных размерах приводит к авариям и выходу из строя отдельных элементов котла. Такие разрушения металла окружающей средой называются коррозией. Коррозия всегда начинается с поверхности металла и постепенно распространяется в глубь.

В настоящее время различают две основные группы коррозионных явлений: химическая и электрохимическая коррозия.

К химической коррозии относятся разрушения металла в результате его непосредственного химического взаимодействия с окружающей средой. В теплосиловом хозяйстве примерами химической коррозии являются: окисление наружной поверхности нагрева горячими дымовыми газами, коррозия стали перегретым паром (так называемая пароводяная коррозия), разъедание металла смазочными материалами и др.

Электрохимическая коррозия, как показывает ее название, связана не только с химическими процессами, но и с передвижением электронов во взаимодействующих средах, т.е. с появлением электрического тока. Эти процессы происходят при взаимодействии металла с растворами электролитов, что и имеет место в паровом котле, в котором циркулирует котловая вода, представляющая собой раствор распавшихся на ионы солей и щелочей. Электрохимическая коррозия протекает также при контактировании металла с воздухом (при обычной температуре), содержащем всегда пары воды, которые конденсируясь на поверхности металла в виде тончайшей пленки влаги, создают условия для протекания электрохимической коррозии.

Разрушение металла начинается, по существу, с растворения железа, заключающегося в том, что атомы железа теряют часть своих электронов, оставляя их в металле, и превращаются, таким образом, в положительно заряженные ионы железа, переходящие в водный раствор. Этот процесс не происходит равномерно по всей поверхности омываемого водой металла. Дело в том, что химически чистые металлы обычно недостаточно прочны и поэтому в технике применяют преимущественно их сплавы с другими веществами, как известно, чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом. Помимо этого, к конструкции стали добавляют в небольших количествах для улучшения ее качества кремний, марганец, хром, никель и др.

По форме проявления коррозии различают: коррозию равномерную, когда разрушение металла происходит примерно на одинаковую глубину по всей поверхности металла и коррозию местную. Последняя имеет три основные разновидности: 1) язвенная коррозия, при которой разъедание металла развивается в глубину на ограниченной площади поверхности, приближающейся к точечным изъявлениям, что особенно опасно для котельного оборудования (образование в результате такой коррозии сквозных свищей); 2) избирательная коррозия, когда разрушается одна из составных частей сплава; например, в трубах конденсаторов турбин, изготовленных из латуни (сплав меди с цинком), при охлаждении их морской водой происходит удаление из латуни цинка, в результате чего латунь делается хрупкой; 3) межкристаллитная коррозия, возникающая преимущественно в недостаточно плотных заклепочных и вальцовочных соединениях паровых котлов при агрессивных свойствах котловой воды с одновременными чрезмерными механическими напряжениями в этих участках металла. Этот вид коррозии характеризуется появлением трещин, идущих по границам кристаллов металла, что делает металл хрупким.

4 . Какие поддерживают водно-химические режимы в котлах и отчего они зависят?

Нормальным режимом работы паровых котлов называется такой режим, при котором обеспечивается:

а) получение чистого пара; б) отсутствие на поверхностях нагрева котлов солевых отложений (накипи) и прикипания образовавшегося шлама (так называемой вторичной накипи); в) предотвращение всех типов коррозии котельного метала и пароконденсаторного тракта, несущего продукты коррозии в котел.

Перечисленные требования удовлетворяются путем принятия мер в двух основных направлений:

а) при подготовке исходной воды; б) при регулировании качества котловой воды.

Подготовка исходной воды в зависимости от ее качества и требований, связанных с конструкцией котла, может осуществляться путем:

а) докотловой обработки воды с удалением взвешенных и органических веществ, железа, накипеобразователей (Са, Mg), свободной и связанной углекислоты, кислорода, снижения щелочности и солесодержания (известкование, водород - катионтрование или сббесоливание и пр.);

б) внутрикотловой обработки воды (с дозировкой реагентов или обработкой воды магнитным полем при обязательном и надежном удалении шлама).

Регулирование качества котловой воды осуществляется путем продувки котлов, значительного сокращения размеров продувки можно достигнуть путем улучшения сепарационных устройств котла: ступенчатого испарения, выносных циклонов, промывки пара питательной водой. Совокупность осуществления перечисленных мероприятий, обеспечивающих нормальную работу котлов, называют вода - химическим режимом работы котельной.

Применение любого метода обработки воды: внутри котлового, до котлового с последующей коррекционной обработкой химически очищенной или питательной воды - требует осуществления продувки паровых котлов.

В условиях эксплуатации котлов различают два способа продувки котлов: периодическая и непрерывная.

Периодическая продувка из нижних точек котла осуществляется для удаления грубодисперсного шлама, оседающего в нижних коллекторах (барабанах) котла или контурах с вялой циркуляцией воды. Производится она по установленному графику в зависимости от степени зашламленности котловой воды, но не реже одного раза в смену.

Непрерывная продувка котлов обеспечивает необходимую чистоту пара, поддерживая определенный солевой состав котловой воды.

5 . Опишите устройство зернистых осветительны х фильтров и принцип их работы

Осветление воды фильтрованием широко применяется в технологии обработки воды, для этого осветляемую воду фильтрует через слой зернистого материала (кварцевого песка, дробленого антрацита, керамзита и др.), загруженного в фильтр.

Классификация фильтров по ряду основных признаков :

скорость фильтрации:

Медленные (0,1 - 0,3 м/ч);

Скорые (5 - 12 м/ч);

Сверхскоростные (36 - 100 м/ч);

давление, под которым они работают:

Открытые или безнапорные;

Напорные;

количество фильтрующих слоев:

Однослойные;

Двухслойные;

Многослойные.

Наиболее эффективны и экономичны многослойные фильтры, в которых для увеличения грязеемкости и эффективности фильтрации загрузку составляют из материалов с различной плотностью и размером частиц: сверху слоя - крупные легкие частицы, внизу - мелкие тяжелые. При нисходящем направлении фильтрования крупные загрязнения задерживаются в верхнем слое загрузки, а оставшиеся мелкие - в нижнем. Таким образом, работает весь объем загрузки. Осветительные фильтры эффективны при задержании частиц размером > 10 мкм.

Вода, содержащая взвешенные частицы, двигаясь через зернистую загрузку, задерживающую взвешенные частицы, осветляется. Эффективность процесса зависит от физика - химических свойств примесей, фильтрующей загрузки и гидродинамических факторов. В толщине загрузки происходит накапливание загрязнений, уменьшается свободный объем пор и возрастает гидравлическое сопротивление загрузки, что приводит к росту потерь напора в загрузке.

В общем виде, процесс фильтрации можно условно разбить на несколько стадий: перенос частиц из потока воды на поверхность фильтрующего материала; закрепление частиц на зернах и в щелях между ними; отрыв закрепленных частиц с переходом их обратно в поток воды.

Извлечение примесей из воды и закрепление их на зернах загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, формирующийся на частицах загрузки, имеет непрочную структуру, которая под влиянием гидродинамических сил может разрушатся. Некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах. Таким образом, процесс осветления воды нужно рассматривать как суммарный результат процесса адгезии и суффозии. Осветление в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность отрыва.

По мере насыщения верхних слоев загрузки процесс фильтрации переходит на нижерасположенные, зона фильтрации как бы сходит по направлению потока от области, где фильтрующий материал уже насыщен загрязнением и преобладает процесс суффозии к области свежей загрузки. Затем наступает момент, когда весь слой загрузки фильтра оказывается насыщенным загрязнениями воды и требуемая степень осветвления воды не обеспечивается. Концентрация взвеси на выходе загрузки начинает возрастать.

Время, в течение которого достигается осветление воды до заданной степени, называется временем защитного действия загрузки. При его достижении предельной потери напора осветительный фильтр необходимо перевести в режим взрыхляющей промывки, когда загрузка промывается обратным потоком воды, а загрязнения сбрасываются в дренаж.

Возможность задержания фильтром грубой взвеси зависит, в основном, от ее массы; тонкой взвеси и коллоидных частиц - от поверхностных сил. Важное значение имеет заряд взвешенных частиц, так как коллоидные частицы одноименного заряда не могут объединяться в конгломераты, укрупнятся и оседать: заряд препятствует их сближению. Преодолевается это «отчуждение» частиц искусственным коагулированием. Как правило, коагулирование (иногда, дополнительно, флокулирование) производится в отстойниках - осветлителях. Часто этот процесс совмещается с умягчением воды известкованием, или сода - известкованием, или едконатровым умягчением.

В обычных осветительных фильтрах чаще всего наблюдается пленочное фильтрование. Объемное фильтрование организуют в двухслойных фильтрах и в так называемых контактных осветлителях. В фильтр засыпают нижний слой кварцевого песка с размером 0.65 - 0.75 мм и верхний слой антрацита с размером зерен 1,0 - 1.25 мм. На верхней поверхности слоя крупных зерен антрацита пленка не образуется. Взвешенные вещества, прошедшие слой антрацита, задерживаются нижнем слоем песка.

При взрыхляющей промывке фильтра слои песка и антрацита не перемешиваются, так как плотность антрацита вдвое меньше плотности кварцевого песка.

6 . Оп ишите процесс умягчение в оды по методу катионного обмена

По теории электролитической диссоциации молекулы некоторых веществ находящихся в водном растворе распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы - катионы и анионы.

При прохождении такого раствора через фильтр, содержащий трудно растворимый материал (катионит), способный к поглощению катионов раствора, в том числе Са и Mg, и выделяющий вместо них из своего состава катионы Na или Н, происходит водоумягчение. Вода почти полностью освобождается от Са и Mg, и ее жесткость понижается до 0,1°

Na - ка тионирование. При этом способе растворенные в воде соли кальция и магния при фильтрации через катионитовый материал обменивают Са и Mg на Na; в итоге получаются только натриевые соли, обладающие большой растворимостью. Формула катионитового материала условно обозначается буквой R.

Катионитовыми материалами являются: глауконит, сульфоуголь и синтетические смолы. Наибольшим распространением в настоящее время пользуется сульфоуголь, который получается после обработки бурого или каменного угля дымящейся серной кислоты.

Емкостью катионитового материала называется предел его обменной способности, после чего в результате израсходования катионов Na их требуется восстанавливать путем регенерации.

Емкость измеряется тонна - градусами (т-град) накипеобразователей, считая на 1 м 3 катионового материала. Тонна - градусы получаются в результате перемножения расхода очищаемой воды, выраженного в тоннах, на жесткость этой воды в градусах жесткости.

Регенерация производится 5 - 10%-ным раствором поваренной соли, пропускаемым через катионитовый материал.

Характеристикой особенностью Na - катионирования является отсутствие солей, выпадающих в осадок. Анионы солей жесткости целиком направляется в котел. Это обстоятельство вызывает необходимость повышения количества продувочной воды. Умягчение воды при Na - катионировании получается достаточно глубокое, жесткость питательной воды может, доводится до 0° (практически 0,05-01°), щелочность же не отличается от карбонатной жесткости исходной воды.

К недостаткам Na - катионирования следует отнести получение повышенной щелочности в тех случаях, когда имеется значительное количество солей временной жесткости в исходной воде.

Ограничеватся одним Na - катионированием возможно при карбонатной жесткости воды, не превышающей 3-6°. В противном случае приходится значительно увеличивать количество продувочной воды, что будет создавать уже большие тепловые потери. Обычно количество продувочной воды не превышает 5-10% от общего ее расхода, идущего на питание котла.

Метод катионирования требует весьма простого обслуживание и доступен обычному персоналу котельной без дополнительного привлечения химика.

Конструкция катионитового фильтра

Н - Na -к атионирование . Если катионитовый фильтр, наполненный сульфоуглем, регенерировать не раствором поваренной соли, а раствором серной кислоты, то обмен будет происходить между катионами Ca и Mg, находящимися в очищаемой воде, и катионами Н сульфоугля.

Вода, подготовленная таким образом, также имея ничтожно малую жесткость, одновременно получает кислую и таким образом, непригодна для питания паровых котлов, причем кислотность воды равна некарбонатной жесткости воды.

Комбинируя совместно Na и Н - катионитовое водоумягчение, можно получить хорошие результаты. Жесткость воды, приготовленной Н-Na - катионитовым способом, не превышает 0,1° при щелочности 4-5°.

7 . Опишите прин ципиальные схемы водоподготовки

Осуществление необходимых изменений в составе обрабатываемой воды возможно по различным технологическим схемам, то выбор одной из них делают на основе сравнительных техника - экономических расчетов по намеченным вариантам схем.

В результате химической обработки природных вод, осуществляемой на водоподготовительных установках, могут происходить следующие основные изменения их состава: 1) осветление воды; 2) умягчение воды; 3) снижение щелочности воды; 4) уменьшение солесодержания воды; 5) полное обессоливание воды; 6) дегазация воды. Схемы обработки воды, необходимые для осуществления

перечисленных изменений ее состава, могут включать различные процессы, которые сводятся к следующим трем основным группам: 1) методы осаждения; 2) механическое фильтрование воды; 3) ионообменное фильтрование воды.

Применение технологических схем водоподготовительных установок предусматривают обычно комбинирование различных методов обработки воды.

На рисунки представлены возможные схемы комбинированных водоподготовительных установок путем применения указанных трех категорий процессов обработки воды. В этих схемах даны только основные аппараты. Без вспомогательного оборудования, а также не указаны фильтры второй и третий ступени.

Схема водоподготовительных установок

1-сырая вода; 2-осветитель; 3-механический фильтр; 4-промежуточный бак; 5-насос; 6-дозатор коагулянта; 7-Nа - катионитный фильтр; 8- Н - катионитный фильтр; 9 - декарбонизатор; 10 - ОН - анионитный фильтр; 11 - обработанная вода.

Ионообменное фильтрование является обязательной конечной стадией обработки воды при всех возможных вариантах схем и осуществляется в виде Na - катионирования, Н-Na-катионирования и Н-ОН - ионирования воды. Осветлитель 2 предусматривает два основных варианта его использования: 1) осветление воды, когда в нем осуществляются процессы коагуляции и отстаивания воды и 2) умягчение воды, когда помимо коагуляции, в нем проводится известкование, а также одновременно с известкованием магнезиальное обескремнивание воды.

В зависимости от характеристики природных вод по содержанию в них взвешенных веществ возможны три группы технологических схем их обработки:

1) Подземные артезианские воды (на рис. обозначены 1а), в которых практически обычно отсутствуют взвешенные вещества, не требуют их осветления и поэтому обработка таких вод может ограничеватся только ионообменным фильтрованием по одной из трех схем в зависимости от предъявляемых требований к обработанной воде: а) Na - катионирование, если требуется только умягчение воды; б) Н-Na - катионирование, если требуется, помимо умягчения, снижение щелочности или уменьшение солесодержание воды; в) Н-ОН - ионирование, если требуется глубокое обессоливание воды.

2) поверхностные воды с незначительным содержанием взвешенных веществ, (на рис. они обозначены 1б), могут обрабатываться по так называемым прямоточным напорным схемам, в которых коагуляция и осветление в механических фильтрах комбинируют с одной из схем ионообменного фильтрования.

3) поверхностные воды с относительно большим количеством взвешенных веществ (на рис. обозначены 1в), освобождаются от них в осветление, после чего подвергаются механическому фильтрованию и далее комбинируются с одной из схем ионообменного фильтрования. При этом часто. В целях разгрузки ионообменной части водоподготовительной установки, одновременно с коагуляцией осуществляют в осветлителе частичное умягчение воды и снижение ее солесодержание путем известкования и магнезиального обескремнивания. Такие комбинированные схемы особенно целесообразны при обработки сильно минерализованных вод, поскольку даже при частичном их обессоливании методом ионного обмена требуются большие

Решение :

Определяем межпромывочных период фильтра, ч

где: h 0 - высота фильтрующего слоя, 1,2 м

Гр - грязеемкость фильтрующего материала, 3,5 кг/м 3 .

Значение Гр может изменятся в широких пределах в зависимости от характера взвешенных веществ, их фракционного состава, фильтрующего материала и др. При расчетах можно принимать Гр= 3? 4 кг/м 3 , в среднем 3,5 кг/м 3 ,

U p - скорость фильтрования, 4,1 м/ч,

С в - концентрация, взвешенных веществ, 7 мг/л,

Количество промывок фильтров в сутки определяем по формуле:

где: Т 0 - межпромывочный период, 146,34 ч,

t 0 - время простоя фильтра на промывке, обычно 0,3 - 0,5 ч,

Определим необходимую площадь фильтрования:

где: U-скорость фильтрования, 4,1 м/ч,

Q - Производительность, 15 м 3 /ч,

В соответствии с правилами и нормами проектирования водоподготовительных установок количество фильтров должно быть не менее трех, тогда площадь одного фильтра составит:

где: m - количество фильтров.

По найденной площади одного фильтра находим требуемый диаметр фильтра по таблице: диаметр d = 1500 мм, площади фильтрования f = 1,72 м 2 .

Уточним количество фильтров:

Если количество фильтров меньше межпромывочного периода m 0 ? T 0 +t 0 (в нашем примере 2 < 167,25 + 0,5), то в резерв принимается один фильтр для вывода на ремонт. Всего фильтров будет установлено m ф = 2+1=3 фильтра.

В расчет фильтра входит определение расхода воды на собственные нужды, т.е. на промывку фильтра и на отмывку фильтра после промывки.

Расход воды на промывку фильтра и взрыхление определяется по формуле:

где: i- интенсивность взрыхления, л/(с * м 2); обычно i = 12 л/(с * м 2);

t - время промывки, мин. t = 15 мин.

Определяем средний расход воды на промывку работающих фильтров по формуле:

Определим расход на спуск в дренаж первого фильтра со скоростью 4 м/ч в течение 10 минут перед включением в работу:

Средний расход воды на отмывку работающих фильтров:

Потребное количество воды для фильтровальной установки с учетом расхода на собственные нужды:

Q п = g ср + g ср.отм + Q

Q п = 0,9 + 0,018 + 15 = 15,9 м 3 /ч

Литература

1. «Водоподготовка». В.Ф. Вихрев и М.С. Шкроб. Москва 1973 год.

2. «Справочник по водоподготовке котельных установок». О.В. Лифшиц. Москва 1976

3. «Водоподготовка». Б.Н. Фрог, А.П. Левченко. Москва 1996 год.

4. «Водоподготовка». С.М. Гурвич. Москва 1961 год.

Подобные документы

Устройство и принцип работы рециркуляционного насоса, технологическая схема работы деаэрационно-питательной установки и сепаратора непрерывной продувки. Тепловой расчет котла, гидравлический расчет водовода технической воды, системы умягчения воды.

дипломная работа , добавлен 22.09.2011


Выбор и обоснование принятой схемы и состава сооружений станции водоподготовки. Расчет изменения качества обработки воды. Проектирование системы оборотного охлаждающего водоснабжения. Расчет реагентного хозяйства для известкования и коагуляции воды.

курсовая работа , добавлен 03.12.2014


Описание технологической схемы водоподготовки и приготовления электролита. Себестоимость изготовления емкости с перфорированной решёткой, аппарата с мешалкой. Назначение и принцип работы ионитового фильтра. Расчет фланцевых соединений для патрубков.

дипломная работа , добавлен 13.06.2015


Методы улучшения качества воды в зависимости от загрязнения. Современные бытовые и промышленные ионообменные фильтры водоподготовки. Ионитовые противоточные фильтры для умягчения и обессоливания воды. Противоточная регенерация ионообменных смол.

реферат , добавлен 30.04.2011


Оценка качества воды в источнике. Обоснование принципиальной технологической схемы процесса очистки воды. Технологические и гидравлические расчеты сооружений проектируемой станции водоподготовки. Пути обеззараживания воды. Зоны санитарной охраны.

курсовая работа , добавлен 02.10.2012


Средства автоматики управления котельных и системы водоподготовки. Модернизация системы подпиточных насосов котельной. Принцип действия частотного преобразователя TOSVERT VF-S11 на насосных станциях. Программирование с помощью LOGO! SoftComfort.

курсовая работа , добавлен 19.06.2012


Методы обеззараживания воды в технологии водоподготовки. Электролизные установки для обеззараживания воды. Преимущества и технология метода озонирования воды. Обеззараживание воды бактерицидными лучами и конструктивная схема бактерицидной установки.

реферат , добавлен 09.03.2011


Котельная, основное оборудование, принцип работы. Гидравлический расчет тепловых сетей. Определение расходов тепловой энергии. Построение повышенного графика регулирования отпуска теплоты. Процесс умягчения питательной воды, взрыхления и регенерации.

дипломная работа , добавлен 15.02.2017


Система водоснабжения и водоотведения на муниципальном предприятии, характеристика его очистных сооружений. Технология водоподготовки и эффективность очистки сточных вод, контроля качества очищаемой воды. Группы микроорганизмов активного ила и биоплёнки.

отчет по практике , добавлен 13.01.2012


Классификация примесей, содержащихся в воде для заполнения контура паротурбинной установки. Показатели качества воды. Методы удаления механических, коллоидно-дисперсных примесей. Умягчение воды способом катионного обмена. Термическая деаэрация воды.

В условиях современного большого города, с загрязненным воздухом и достаточно плохой экологией, каждый человек стремится сохранить здоровье. Вода – основной продукт для каждого из нас. В последнее время все больше людей задумываются о том, какую воду они употребляют. В связи с этим жесткость и очистка воды не пустые термины, а важные параметры. Сегодня специалисты успешно применяют технологии водоподготовки и водоочистки, что способствует получению гораздо более чистой, пригодной для употребления воды. Профессионалы уделяют внимание и смягчению воды, проводя ряд мероприятий, улучшающих ее свойства.

Что предусматривают технологии водоподготовки

Давайте разберем более детально, что же такое технологии водоподготовки. Это прежде всего очистка воды от планктона. Данный микроорганизм, обитающий в реках, наиболее интенсивно начал развиваться после того, как появились крупные водохранилища. Отметим, что, когда планктон развивается в большом количестве, вода начинает неприятно пахнуть, меняться в цвете и приобретать характерный привкус.

Сегодня множество компаний в сфере промышленности выливает в реки свои неочищенные сточные воды с огромным содержанием органических загрязнений и химических примесей. Из этих открытых водоемов впоследствии и добывают питьевую воду. Как результат - большая часть из них, главным образом тех, что располагаются на территории мегаполисов или рядом с ними, очень загрязнена. В воде присутствуют фенолы, хлорорганические пестициды, аммонийный и нитритный азот, нефтепродукты и иные вредные вещества. Безусловно, вода из таких источников без предварительной подготовки к употреблению непригодна.

Не следует забывать о новых технологиях производства, разных ЧС и авариях. Все эти факторы также способны ухудшить состояние воды в источниках и негативно сказаться на ее качестве. Благодаря современным методам исследований ученым удалось найти в воде и нефтепродукты, и амины, и фенолы, и марганец.

Технологии водоподготовки, если речь идет о городе, - это в том числе возведение станций водоочистки. Благодаря прохождению через несколько этапов очищения вода становится более пригодной для питья. Но тем не менее даже с применением водоочистительных сооружений она освобождается от вредных примесей не до конца, а потому в наши дома поступает еще довольно загрязненной.

Сегодня существуют различные технологии водоподготовки и очистки питьевой и сточной воды. В рамках данных мероприятий применяют механическую очистку от разных примесей, используя установленные фильтры, удаляют остатки хлора и хлорсодержащие элементы, очищают воду от большого количества минеральных солей, содержащихся в ней, а также смягчают, устраняют соли и железо.

Основные технологии водоподготовки и водоочистки

Технология 1. Осветление

Осветлением называют стадию очистки воды, на которой устраняют ее мутность, снижая количество механических примесей природных и сточных вод. Уровень мутности воды, в особенности поверхностных источников в период паводков, иногда доходит до 2000-2500 мг/л, в то время как норма для воды, пригодной для питья и использования в хозяйстве, составляет не более 1500 мг/л.

Воду осветляют, осаждая взвешенные вещества при помощи специальных осветлителей, отстойников и фильтров, которые являются наиболее известными сооружениями водоочистки. Одним из самых известных, широко используемых на практике методов является коагулирование, то есть понижение количества тонкодисперсных примесей в воде. В рамках данной технологии водоподготовки используют коагулянты - комплексы для осаждения и фильтрования взвешенных веществ. Далее осветленная жидкость поступает в резервуары чистой воды.

Технология 2. Обесцвечивание

Коагулирование, использование разных окислителей (к примеру, хлора вместе с его производными, озона, марганца) и сорбентов (активного угля, искусственных смол) позволяет обесцвечивать воду, то есть устранять или обесцвечивать в ней окрашенные коллоиды или полностью растворенные вещества.

Благодаря этой технологии водоподготовки загрязненность воды можно существенно снизить, устранив большинство бактерий. При этом даже после удаления одних вредных веществ в воде часто остаются и другие, к примеру бациллы туберкулеза, брюшного тифа, дизентерии, вибрион холеры, вирусы энцефалита и полиомиелита, вызывающие инфекционные заболевания. Чтобы окончательно их уничтожать, воду, используемую для бытовых и хозяйственных нужд, следует обязательно обеззараживать.

Коагуляция, отстаивание и фильтрация имеют свои минусы. Данные технологии водоподготовки обладают недостаточно эффективностью и дорого стоят, а потому необходимо применение иных методов очистки и повышения качества воды.

Технология 3. Обессоливание

При данной технологии водоподготовки из воды удаляют все анионы и катионы, влияющие на содержание солей в целом и уровень ее электропроводности. При обессоливании применяют обратный осмос, ионный обмен и электродеионизацию. В зависимости от того, какой уровень содержания солей и какие требования существуют к обессоленной воде, выбирают подходящий способ.

Технология 4. Обеззараживание

Конечная стадия очистки воды - дезинфекция, или обеззараживание. Основная задача этой технологии водоподготовки - подавить жизнедеятельность вредных бактерий, находящихся в воде. Чтобы полностью очистить воду от микробов, фильтрацию и отстаивание не используют. Чтобы обеззаразить, ее хлорируют, а также применяют иные технологии водоподготовки, о которых мы расскажем далее.

Сегодня специалисты используют множество способов обеззараживания воды. Технологии водоподготовки можно разделить на пять основных групп. Первый метод - термический. Второй - сорбция на активном угле. Третий - химический, при котором используют сильные окислители. Четвертый - олигодинамия, при котором ионы воздействуют на благородные металлы. Пятый - физический. В рамках этой технологии водоподготовки используются радиоактивное излучение, ультрафиолетовые лучи и ультразвук.

Как правило, при обеззараживании воды применяют химические методы с использованием озона, хлора, диоксида хлора, марганцовокислого калия, пероксида водорода, гипохлорита натрия и кальция как окислителей. Что касается определенного окислителя, в данном случае чаще всего применяют хлор, гипохлорид натрия, хлорную известь. Способ дезинфекции выбирают исходя из расхода и качества очищаемой воды, эффективности ее начальной очистки, условий транспортировки и хранения реагентов, возможности автоматизировать процессы и механизировать сложные работы.

Специалисты дезинфицируют воду, предварительно обработанную, прошедшую коагулирование, осветленную и обесцвеченную в слое взвешенного осадка или отстоянную, отфильтрованную, поскольку фильтр не содержит частиц, на или внутри которых могут располагаться адсорбированные микробы, не подвергнутые обеззараживанию.

Технология 5. Обеззараживание с применением сильных окислителей

В данный момент в сфере ЖКХ обычно хлорируют воду с целью ее очистить и продезинфицировать. При употреблении воды из-под крана следует помнить о содержании в ней хлорорганических соединений, уровень которых после обеззараживания с использованием хлора составляет до 300 мкг/л. При этом начальный порог загрязненности не влияет на данный показатель, поскольку именно хлорирование вызывает образование этих 300 микроэлементов. Употреблять воду с такими показателями крайне нежелательно. Хлор, соединяясь с органическими веществами, образует тригалометаны - производные метана, имеющие выраженный канцерогенный эффект, в результате воздействия которого появляются раковые клетки.

Когда хлорированная вода кипятится, в ней образуется сильнейшее ядовитое вещество под названием диоксин. Снизить уровень тригаломенатов в воде можно, уменьшив объем хлора, используемый при обеззараживании, и заменив его на другие вещества для дезинфекции. В ряде случаев, чтобы удалить органические соединения, образующиеся при обеззараживании, пользуются гранулированным активированным углем. Безусловно, не следует забывать о полном и регулярном контроле над показателями качества питьевой воды.

Если же природные воды очень мутные и имеют высокую цветность, нередко прибегают к предварительному хлорированию. Но, как было сказано ранее, у данной технологии водоподготовки нет достаточной эффективности, а также она очень вредна для нашего здоровья.

К минусам хлорирования как к технологии водоподготовки, таким образом, относят малую эффективность плюс огромный ущерб для организма. Когда образуется канцероген тригалометан, появляются раковые клетки. Что касается образования диоксина, данный элемент, как было отмечено выше, является сильнейшим ядом.

Без использования хлора дезинфекция воды с экономической точки зрения является нецелесообразной. Различные альтернативные технологии водоподготовки (к примеру, дезинфекция, при которой используют УФ-излучение) стоят довольно дорого. Оптимальным вариантом на сегодняшний день можно считать обеззараживание воды с использованием озона.

Технология 6. Озонирование

Дезинфекция с применением озона кажется более безопасной, нежели хлорирование. Но и у этой технологии водоподготовки есть свои минусы. Озон не обладает повышенной стойкостью и склонен к быстрому разрушению, а потому оказывает бактерицидное влияние на протяжении очень малого времени. При этом воде требуется миновать водопроводную систему, перед тем как поступить в наши дома. Здесь появляются трудности, так как все мы представляем примерную степень изношенности водопроводов.

Еще один нюанс этой технологии водоподготовки - вступление озона в реакцию с множеством веществ, среди которых, к примеру, фенол. Элементы, образующиеся при их взаимодействии, еще более токсичны. Дезинфекция воды с использованием озона - опасное мероприятие, если вода содержит хотя мы мизерный процент ионов брома (его сложно выявить даже в лаборатории). Когда выполняется озонирование, появляются ядовитые соединения брома - бромиды, представляющие для человека опасность даже в микродозах.

Озонирование при этом - оптимальный вариант для дезинфекции большого объема воды, предполагающих тщательную дезинфекцию. Но не стоит забывать, что озон, как и вещества, появляющиеся при его реакциях с хлорорганикой, является ядовитым элементом. В связи с этим большая концентрация хлорорганики на этапе очистки воды может представлять большой вред и опасность для здоровья.

Итак, к минусам обеззараживания с использованием озона можно отнести еще большую токсичность при взаимодействии с фенолом, что даже опаснее хлорирования, а также короткое бактерицидное действие.

Технология 7. Обеззараживание с применением бактерицидных лучей

Чтобы дезинфицировать подземные воды, нередко используют бактерицидные лучи. Применять их можно только в случае коли-индекса исходного состояния воды не выше 1000 ед/л, содержания железа до 0,3 мг/л, мутности - до 2 мг/л. Если сравнивать с дезинфекцией хлором, бактерицидное воздействие на воду оптимально. Во вкусе воды и ее химических свойствах при использовании этой технологии водоподготовки не происходит никаких изменений. Лучи проникают в воду практически мгновенно, а после их воздействия она становится пригодной к употреблению. При помощи данного метода происходит уничтожение не только вегетативных, но и спорообразующих бактерий. Кроме того, использовать установки для дезинфекции воды таким способом гораздо удобнее, чем при хлорировании.

В случае с неочищенными, мутными, цветными или водами, в которых повышен уровень содержания железа, коэффициент поглощения оказывается таким сильным, что использование бактерицидных лучей становится неоправданным с экономической точки зрения и недостаточно надежным с санитарной. В связи с этим бактерицидный метод лучше использовать для дезинфекции уже очищенной воды или чтобы обеззараживать подземные воды, которым не требуется очистка, но необходимо обеззараживание для профилактики.

К минусам дезинфекции с использованием бактерицидных лучей можно отнести экономическую неоправданность и ненадежность этой технологии водоподготовки с точки зрения санитарии.

Технология 8. Обезжелезивание

Основные источники соединения железа в природной воде - процессы выветривания, эрозия почв и растворение горных пород. Что касается питьевой воды, в ней железо может присутствовать из-за коррозии труб водопровода, а также потому, что муниципальные станции очистки применяли железосодержащие коагулянты для осветления воды.

Существует современное направление в нехимических методах очистки подземных вод. Это биологический метод. В основу такой технологии водоподготовки положено использование микроорганизмов, чаще всего железобактерий, переводящих Fe 2 + (закисное железо) в Fe 3 + (ржавчину). Данные элементы для здоровья человека не являются опасными, но продукты их жизнедеятельности обладают достаточно высокой токсичностью.

Основа современных биотехнологий - применение свойств каталитической пленки, которая образуется на загрузке из песка и гравия или ином похожем материале с мелкими порами, а также способность железобактерий обеспечивать протекание сложных химических реакций без энергетических затрат и реагентов. Данные процессы естественны, а в их основу положены биологические природные закономерности. Железобактерии активно и в большом количестве развиваются и в воде, содержание железа в которой от 10 до 30 мг/л, но практика показывает, что жить они могут и при меньшей концентрации (в 100 раз). Единственным условием здесь является поддержка достаточно низкого уровня кислотности среды и одновременного доступа кислорода из воздуха, хотя бы в небольшом объеме.

Завершающий этап применения данной технологии водоподготовки - сорбционная очистка. Ее применяют, чтобы задержать продукты жизнедеятельности бактерий и провести окончательную дезинфекцию воды с использованием бактерицидных лучей.

Данный метод имеет достаточно преимуществ, важное из которых, к примеру, экологичность. У него есть все шансы для дальнейшего развития. Однако у этой технологии водоподготовки есть и минус - процесс отнимает много времени. Это значит, что для того, чтобы обеспечить большие производственные объемы, емкостные сооружения должны быть крупногабаритными.

Технология 9. Д егазация

На коррозионную агрессивность воды влияют определенные физико-химические факторы. В частности, вода становится агрессивной, если в ней есть растворенные газы. Что касается наиболее распространенных и коррозионно-агрессивных элементов, здесь можно отметить углекислый газ и кислород. Не секрет, что, если в воде содержится свободный диоксид углерода, кислородная коррозия металла становится интенсивнее в три раза. В связи с этим технологии водоподготовки всегда подразумевают устранение растворенных газов из воды.

Существуют главные способы удаления растворенных газов. В их рамках применяют физическую десорбцию, а также пользуются химическими методами их связывания, чтобы удалить остатки газа. Для применения таких технологий водоподготовки, как правило, необходимы высокие энергетические затраты, большие производственные площади, расход реагентов. Помимо этого, все это может вызывать вторичное микробиологическое загрязнение воды.

Все вышеперечисленные обстоятельства поспособствовали возникновению принципиально новой технологии водоподготовки. Это мембранная дегазация, или дегазификация. Применяя данный метод, специалисты, используя особую пористую мембрану, в которую могут проникать газы, но не способна проникать вода, удаляют растворенные в воде газы.

Основа действия мембранной дегазации - применение специальных мембран большой площади (обычно созданных на основе полого волокна), размещенных в напорных корпусах. Процессы газообмена происходят в их микропорах. Мембранная технология водоподготовки дает возможность применять более компактные установки, а риски того, что вода вновь подвергнется биологическому и механическому загрязнению, сводятся к минимуму.

Благодаря мембранным дегазаторам (или МД) возможно удаление из воды растворенных газов без ее диспергирования. Сам процесс осуществляется в воде, затем в мембране, далее - в газовом потоке. Несмотря на наличие ультрапористой мембраны в МД, принцип действия мембранного дегазатора отличается от мембран иного типа (обратноосмотического, ультрафильтрационного). В пространстве мембран дегазатора поток жидкости через мембранные поры не идет. Мембрана - это инертная газонепроницаемая стенка, служащая разделителем для жидкой и газообразной фаз.

Мнение эксперта

Особенности применения технологии озонирования подземных вод

В.В. Дзюбо ,

Л.И. Алферова ,

старший научный сотрудник кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

На то, насколько эффективным будет озонирование как технология водоподготовки и очистки подземных вод, влияют не только параметры синтеза озона: затраты электрической энергии, цена и т. д. Важно и то, насколько эффективно происходит перемешивание и растворение озона в воде, подвергающейся обработке. Не следует забывать и о качественном составе.

Для лучшего растворения озона больше подходит холодная вода, а распадается вещество быстрее, когда температура водной среды растет. Когда давление насыщения увеличивается, озон также растворяется лучше. Все это нужно учитывать. К примеру, озон до 10 раз быстрее растворяется в определенной температурной среде, нежели кислород.

В России и за рубежом неоднократно проводились исследования, связанные с озонированием воды. Результаты исследований данной технологии водоподготовки показали, что на уровень насыщения воды озоном (максимально возможную концентрацию) влияют следующие факторы:

• соотношение объема подаваемой смеси озона и воздуха (м 3) и количества обрабатываемой воды Qw (м 3) — (Qoz / Qw);
• концентрация озона в смеси озона и воздуха, которая подается в воду;
• объем воды, подвергающейся обработке;
• температура воды, подвергающейся обработке;
• давление насыщения;
• продолжительность насыщения.

Если источником водоснабжения являются подземные воды, следует помнить, что в зависимости от сезона они могут меняться, в частности их качество становится иным. Это необходимо учитывать, обосновывая технологии водоподготовки для организации коммунального водоснабжения, особенно если в нем применяется озонирование.

Если в технологиях водообработки подземных вод используется озон, не стоит забывать о существенных различиях в их качестве в разных регионах России. Кроме того, качество подземных вод отличается и от состава исследуемой ранее чистой воды. В связи с этим применение какой-нибудь известной технологии водоподготовки или технологических параметров обработки воды будет некорректным, поскольку всегда следует учитывать качественный состав и специфику воды, подлежащей планируемой обработке. К примеру, между реальной или фактически достигаемой концентрацией озона в природных подземных водах, подлежащих обработке, и теоретически возможных или достигаемых при применении чистой воды показателях всегда будут отличия. Обосновывая те или иные технологии водоподготовки, требуется прежде всего детальное изучение качественного состава источника воды.

Современные технологии водоподготовки и инновационные методы

Внедряя новые методы и технологии водоподготовки, можно решать определенные задачи, достижение которых обеспечивает:

• выпуск питьевой воды по ГОСТу и действующим стандартам, удовлетворяющим требования покупателей;
• надежную очистку и обеззараживание воды;
• бесперебойность и надежность работы сооружений водоочистки;
• понижение себестоимости подготовки воды и процессов ее очистки;
• экономию реагентов, электрической энергии и воды на личные нужды;
• высокое качество производства воды.

Следует затронуть и новейшие технологии водоподготовки, которые используют, чтобы улучшить воду.

1. Мембранные методы

Основу мембранных методов составляют современные технологии водоподготовки, в которые входят макро- и микро-, ультра- и нанофильтрация, а также обратный осмос. Мембранная технология водоподготовки используется, чтобы опреснять сточные воды и решать задачи, связанные с водоочисткой. При этом очищенную воду еще нельзя назвать полезной и безопасной для организма. Отметим, что мембранные методы дорогостоящие и энергоемкие, а их применение связано с постоянными затратами на обслуживание.

2. Безреагентные методы

Здесь следует прежде всего выделить структурирование, или активацию, жидкости как самый часто применяемый метод. Сегодня существуют различные способы активации воды (к примеру, использование магнитных и электромагнитных волн, кавитации, волн УЗ-частот, воздействие с применением различных минералов, резонансные способы). При помощи структурирования можно решать ряд задач по подготовке воды (обесцвечивать, смягчать, дезинфицировать, дегазировать, обезжелезивать воду и проводить ряд других манипуляций). Химические технологии водоподготовки при этом не используются.

Активированная вода и жидкость, к которой были применены традиционные технологии водоподготовки, отличаются друг от друга. О недостатках традиционных способов уже было сказано ранее. Структура активированной воды схожа со структурой воды из родника, «живой» водой. В ней есть множество целебных свойств и огромная польза для организма человека.

Чтобы удалять из жидкости муть (трудно осаждаемые тонкие взвеси), применяют иной метод активированной воды - ее способность к ускорению коагуляции (слипанию и осаждению) частиц и последующему образованию крупных хлопьев. Химические процессы и кристаллизация растворенных веществ происходят гораздо быстрее, абсорбция становится более интенсивной, наблюдается улучшение коагуляции примесей и их выпадения в осадок. Кроме того, такими способами часто пользуются, чтобы предотвращать появление накипи в теплообменном оборудовании.

На качество воды прямо влияют используемые методы активации и технологии водоподготовки. В их числе:

• устройства обработки воды магнитным методом;
• электромагнитные способы;
• кавитационные;
• резонансное волновое структурирование жидкости (данная технология водоподготовки является бесконтактной, а ее основу составляют пьезокристаллы).

3. Гидромагнитные системы

Предназначение ГМС (гидромагнитных систем) - обработка потоков воды при помощи постоянного магнитного поля особой пространственной конфигурации. ГМС используют, чтобы нейтрализовать накипь в теплообменном оборудовании, а также чтобы осветлять воду (к примеру, после дезинфекции хлором). Работает данная система так: ионы металла, находящиеся в воде, взаимодействуют между собой на магнитном уровне. В это же время протекает химическая кристаллизация.

Обработка с использованием гидромагнитных систем не нуждается в химических реактивах, а потому данный метод очистки экологический чист. Но в ГМС присутствуют и минусы. В рамках этой технологии водоподготовки применяются постоянные мощные магниты, основу которых составляют редкоземельные элементы, сохраняющие свои параметры (силу магнитного поля) на протяжении длительного времени (десятилетий). Но в случае перегрева данных элементов выше отметки 110-120 о С возможно ослабевание магнитных свойств. В связи с этим монтаж гидромагнитных систем следует осуществлять в тех местах, где температура воды не превышает эти значения, т.е. до того, как ее нагревают (линия обратки).

Итак, к минусам ГМС относятся возможность использования при температуре не более 110-120 о С, недостаточная эффективность, необходимость использовать вместе с ней иные методы, что невыгодно с экономической точки зрения.

4. Кавитационный метод

При кавитации в воде образуются полости (каверны или кавитационные пузырьки), внутри которых находятся газ, пар или их смесь. При кавитации вода переходит в другую фазу, то есть превращается из жидкости в пар. Появляется кавитация тогда, когда понижается давление в воде. Изменение давления бывает вызвано увеличением ее скорости (при гидродинамической кавитации), прохождением акустической воды во время полупериода разрежения (при акустической кавитации).

Когда кавитационные пузырьки резко исчезают, возникают гидравлические удары. В результате этого создается волна сжатия и растяжения в воде с УЗ-частотой. Кавитационным методом пользуются, чтобы очистить воду от железа, жестких солей и других веществ, превышающих ПДК. При этом обеззараживание воды кавитацией не очень эффективно. К другим недостаткам использования метода относятся существенное потребление электроэнергии и дорогостоящее обслуживание с расходными фильтрующими элементами (ресурс от 500 до 6000 м 3 воды).

Технологии водоподготовки питьевой воды для ЖКХ по схеме

Схема 1. Аэрация-дегазация — фильтрование — обеззараживание

Данную технологию водоподготовки можно назвать наиболее простой с технологической точки зрения и конструктивной при реализации. Схема реализуется разными методами аэрации-дегазации - все зависит от того, какой качественный состав имеют подземные воды. Вот два ключевых способа применения этой технологии водоподготовки:

• аэрация-дегазация жидкости в начальном состоянии в резервуаре; принудительная подача воздуха и последующая фильтрация на зернистых фильтрах и обеззараживание способом УФ-облучения не используются. При аэрации-дегазации производят разбрызгивание на жесткий контактный слой при помощи эжекторных насадок и вихревых сопл. В качестве резервуара начальной воды могут выступать контактный бассейн, водонапорная башня и т. д. Фильтры здесь - альбитофиры, горелые породы. Данную технологию обычно используют, чтобы очищать подземные воды, в которых присутствуют минеральные формы растворенных Fe 2 + и Mn 2 +, не имеющих в составе H 2 S, CH 4 и антропогенных загрязнений;
• аэрация-дегазация, проводимая по аналогии с предыдущим способом, но при этом дополнительно используется принудительная подача воздуха. Такой метод применяют, если в составе подземных вод есть растворенные газы.

Очищенную воду могут подавать в специальные РЧВ (резервуары чистой воды) или башни, которые являются специальными накопительными емкостями, при условии, что они не еще были использованы как приемный резервуар. Далее воду транспортируют потребителям по разводящим сетям.

Схема 2. Аэрация-дегазация — фильтрование — озонирование — фильтрование на ГАУ — обеззараживание

Что касается данной технологии водоподготовки, ее использование целесообразно для комплексной очистки подземных вод, если присутствуют сильные загрязнения в большой концентрации: Fe, Mn, органика, аммиак. В ходе данного способа проводят разовое или двойное озонирование:

• если в воде есть растворенные газы CH 4 , CO 2 , H 2 S, органика и антропогенные загрязнения, озонирование производят после аэрации-дегазации с фильтрованием на инертных материалах;
• если CH 4 нет, при (Fe 2 +/Mn 2 +) < 3: 1 озонирование нужно проводить на первом этапе аэрации-дегазации. Уровень доз озона в воде не должен быть выше 1,5 мг/л, чтобы не допустить окисления Mn 2 + до Mn 7 +.

Можно использовать те фильтрующие материалы, что указаны в схеме А. Если применяется сорбционная очистка, часто пользуются активированными углями и клиноптилолитом.

Схема 3. Аэрация-дегазация — фильтрование — глубокая аэрация в вихревых аэраторах с озонированием — фильтрование — обеззараживание

Данная технология развивает технологию очистки подземных вод по схеме В. Ее можно применять, чтобы очищать воды, в которых содержится повышенный уровень Fe (до 20 мг/л) и Mn (до 3 мг/л), нефтепродукты до 5 мг/л, фенолы до 3 мкг/л и органика до 5 мг/л с рН исходной воды, близкой к нейтральной.

В рамках этой технологии водоподготовки лучше всего использовать УФ-облучение, чтобы обеззараживать очищенную воду. Территориями для бактерицидных установок могут быть:

• места, расположенные прямо перед подачей потребителям очищенных вод (если протяженность сетей небольшая);
• прямо перед местами водоразбора.

С учетом того, каким качеством обладают подземные воды с санитарной точки зрения и каком состоянии находится система водоснабжения (сети, сооружения на них, РЧВ и т. д.), оснащение станций или оборудование водоподготовки в целях дезинфекции воды перед ее поставкой потребителям могут подразумевать наличие любого приемлемого для условий той или иной территории оборудования.

Схема 4. Интенсивная дегазация-аэрация — фильтрование (АБ; ГП) — обеззараживание (УФО)

В данной технологии водоподготовки есть этапы интенсивной дегазации-аэрации и фильтрования (иногда двухступенчатого). Применение этого способа целесообразно при необходимости отдувки растворенных CH 4 , H 2 S и СО 2 , присутствующих в повышенных концентрациях при достаточно небольшом содержании растворенных форм Fe, Mn — до 5 и 0,3 мг/л соответственно.

В рамках применения технологии водоподготовки производятся усиленная аэрация и фильтрование в 1-2 ступени.

Чтобы выполнять аэрацию, пользуются вихревыми форсунками (применительно к индивидуальным системам), вихревыми дегазаторами - аэраторами, комбинированными дегазационно-аэрационными узлами (колоннами) с одновременной отдувкой газов.

Что касается фильтрующих материалов, они аналогичны указанным в схеме А. При содержании фенолов и нефтепродуктов в подземных водах фильтрацию проводят, используя сорбенты - активированные угли.

В соответствии с этой схемой выполняют фильтрацию воды на двухступенчатых фильтрах:

• 1-я ступень - чтобы очистить воду от соединений Fe и Mn;
• 2-я ступень — чтобы провести сорбционную очистку воды, которая уже очищена, от нефтепродуктов и фенолов.

Если это возможно, выполняют только первую стадию фильтрации, за счет чего схема становится гибче. При этом реализация такой технологии водоподготовки требует больше затрат.

Если мы рассматриваем малые и средние населенные пункты, применение данной технологии водоподготовки предпочтительнее в напорном варианте.

В рамках применения технологии водоподготовки можно пользоваться любым способом дезинфекции воды, уже прошедшей очистку. Здесь все зависит от того, насколько производительной является система водоснабжения и каковы условия территории, где используется технология водоподготовки.

Схема 5. Озонирование — фильтрование — фильтрование — обеззараживание (NaClO)

Если нужно удалить антропогенные и природные загрязнения, прибегают к озонированию с дальнейшей фильтрацией через зернистую нагрузку и адсорбцией на ГАУ и обеззараживанием гипохлоритом натрия при содержании в воде общего железа до 12 мг/л, перманганата калия до 1,4 мг/л и окисляемости до 14 мг О 2 /л.

Схема 6. Аэрация-дегазация — коагулирование — фильтрование — озонирование — фильтрование — обеззараживание (NaClO)

Этот вариант схож с предыдущей схемой, но здесь используется аэрация-дегазация и введен коагулянт перед фильтрами обезжелезивания и деманганации. Благодаря технологии водоподготовки возможна очистка от загрязнений антропогенного характера в более сложной ситуации, когда уровень содержания железа достигает до 20 мг/л, марганец до 4 мг/л и присутствует высокая перманганатная окисляемость — 21 мг О 2 /л.

Схема 7. Аэрация-дегазация — фильтрование — фильтрование — ионный обмен — обеззараживание (NaClO)

Данная схема рекомендована районам Западной Сибири, где есть значительные месторождения нефти и газа. В рамках технологии водоподготовки воду освобождают от железа, проводятся собрция на ГАУ, ионный обмен на клиноптилолите в Na-форме с дальнейшим обеззараживанием и гипохлоритом натрия. Отметим, что на территории Западной Сибири уже успешно пользуются схемой. Благодаря такой технологии водоподготовки вода соответствует всем нормам СанПиН 2.1.4.1074-01.

У технологии водоподготовки есть и минусы: периодически ионообменные фильтры необходимо регенерировать, используя раствор поваренной соли. Соответственно, здесь остро встает вопрос уничтожения или вторичного применения раствора для регенерации.

Схема 8. Аэрация-дегазация — фильтрование (Ц + КМnО 4) — озонирование — отстаивание — адсорбция (Ц) — фильтрование (Ц + КМnО 4) (деманганация) — адсорбция (Ц) — обеззараживание (Cl)

Благодаря технологии водоподготовки по данной схеме из воды удаются тяжелые металлы, аммоний, радионуклиды, антропогенные органические загрязнения и иное, а также марганец и железо в два этапа - с применением коагуляции и фильтрации через загрузку из природного цеолита (клиноптилолита), озонирования и сорбции на цеолите. Регенерируют загрузку, применяя реагентный метод.

Схема 9. Аэрация-дегазация — озонирование — фильтрование (осветление, обезжелезивание, деманганация) — адсорбция на ГАУ — обеззараживание (УФО)

В рамках данной технологии водоподготовки проводятся следующие мероприятия:

• полностью удаляются метан с попутным повышением рН в результате частичной отдувки диоксида углерода, сероводорода, а также летучие хлорорганические соединения (ЛХОС), выполняются преозонирование, окисление преозонирования и гидролиз железа (стадия глубокой аэрации-дегазации);
• удаляются 2-3-валентное железо и железофосфатные комплексы, частично марганец и тяжелые металлы (стадия фильтрации технологии водоподготовки);
• разрушают остаточные стойкие комплексы железа, перманганата калия, сероводорода, антропогенные и природные органические вещества, сорбции продуктов озонирования, нитрифицируют аммонийный азот (стадия озонирования и сорбции).

Очищенная вода должна подвергаться дезинфекции. Для этого выполняют УФ-облучение, вводят малую дозу хлора, и только потом подают жидкость в водораспределительные сети.

Мнение эксперта

Как выбрать подходящую технологию водоподготовки

В.В. Дзюбо ,

д-р техн. наук, профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

С инженерной точки зрения проектировать технологии водоподготовки и составлять технологические схемы, по которым нужно приводить воду к питьевым стандартам, достаточно трудно. На определение метода обработки подземных вод как отдельного этапа при составлении общей технологии водоподготовки влияют качественный состав природных вод и требуемая глубина очистки.

Подземные воды в российских регионах различны. Именно от их состава зависят технологии водоподготовки и достижения соответствия воды питьевым нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы». От исходного качества и содержания питьевой воды также зависят используемые технологии водоподготовки, их сложность и, конечно, затраты на оборудование для очистки.

Как уже было отмечено, состав у вод различен. На его формирование влияют географические, климатические, геологические условия местности. К примеру, результаты природных исследований состава вод на разных территориях Сибири свидетельствуют о том, что они в разные сезоны обладают разными характеристиками, поскольку их питание в зависимости от времени года меняется.

Когда нарушаются условия отбора подземных вод из водоносных горизонтов, происходит переток вод из соседствующих горизонтов, что также воздействует на изменение характеристик, качественный состав жидкостей.

Поскольку от характеристик вод зависит выбор той или иной технологии водоподготовки, необходимо детально и полно анализировать их состав, чтобы выбирать менее затратный и наиболее эффективный вариант.