Текст
                    Л.А.Кульский
П.П.Строкач


КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ ПО ФАЗОВО-ДИСПЕРСНОМУ СОСТОЯНИЮ И ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ Система Гетерогенная Гомогенная Взвеси (суспензии и эмульсии, обусловливающие мутность воды, а также микроорганизмы и планктон) Коллоидные растворы и высокомолекулярные соединения, обусловливающие окисляемость и цветность воды, а также вирусы Молекулярные раство¬ ры (газы, растворимые в воде органические вещества, придающие ей запахи и привкусы) Ионные растворы (соли, кислоты, основания, придающие воде минерализованность, кислотность или щелочность) Группа I (10—2— 10“4 см) II (10—5—10—6 см) ill (Ю—5_10—7 см) IV (10—7—10 —8 см) Механическое безреагентное разделение Диализ, ул ьтр афи л ьтр аци я Аэрирование, эвапорация, десорбция газов и летучих органических соедине¬ ний при аэрировании Г иперфил ьтрация Окисление хлором, озоном и др. Окисление хлором, озоном и др. Окисление хлором, оксидом хлора (IV), озоном, перманганатом калия Перевод ионов в малодиссоциированные соединения Адгезия на гидроксидах алюминия или железа, а также на зернистых и высокодисперсных материалах Адсорбция на гидроксидах алюминия и железа, а также на высокодисперсных глинистых минералах Адсорбция на активированном угле и других материалах Фиксация ионов на твердой фазе ионитов Флотация суспензий и эмульсий Коагуляция коллоидных систем Экстракция органическими растворителями Сепарация ионов при различном фазовом состоянии воды Агрегация флокулянтами Агрегация высокомолекулярными флокулянтами катионного типа Ассоциация молекул Перевод ионов в малорастворимые соединения Бактерицидное воздействие на патогенные микроорганизмы и споры Вирулицидное воздействие Биохимическое разложение Выделение ионов металлов микроорганизма ми Электрофильтрация и электроудерживание микроорганизмов Электрофорез и электродиализ Поляризация молекул в электрическом поле Использование подвижности ионов в электрическом поле
Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию, создан¬ ная академиком АН УССР Л. А. Куль- ским, явилась плодотворной гипотезой, позволяющей с единых позиций оцени¬ вать технологические процессы очистки воды, обеспечивать эффективную очи¬ стку воды в соответствии с современ¬ ными требованиями к ее качеству и намечать направления дальнейшего развития химии и технологии очистки воды.
JI. А. Кульский, П. П. Строкач ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ вод ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности *Рационалъное использование водных ресурсов и обезвреживание промышленных сточных вод» КИЕВ ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ «ВИЩА ШКОЛА» 1986
s \ 38.761 я 73 K90 УДК 628.1 + 658.265(075.8) 6&L „Л,.,-- |5ай«»яйй У UmlVti ! ,..3да '-ьмаивз Технология очистки природных вод/Л. А. Кульский, П. П. Строкач.— 2-е изд., перераб. и доп.— К. : Вища шк. Головное изд-во, 1986.— 352 с. Рассмотрены теоретические основы технологи¬ ческих процессов и методы очистки природных вод при их использовании в хозяйственно-пить¬ евом и промышленном водоснабжении, изложены современные представления о физико-химических процессах, протекающих между содержащимися и вводимыми в природные воды веществами, описаны конструкции очистных сооружений и аппаратов водоподготовительных установок и их эксплуатация, приведены данные для расчета. Изложены современные отечественные и зару¬ бежные достижения в данной области. Сведения по очистке воды от разнообразных примесей обобщены и систематизированы исхо¬ дя из физико-химического состояния загрязня¬ ющих воду примесей, или, точнее, из их фазово¬ дисперсного состояния. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Рациональное использование водных ресурсов и обезврежива¬ ние промышленных сточных вод». Табл. 31. Ил. 299. Библиогр.: 26 назв. Рецензент: кандидат технических наук доцент С. С. Душкин (Харьковский институт инженеров коммунального строительства) Редакция учебной и научной литературы по хи¬ мии, горному делу и металлургии Зав. редакцией Т. С. Антоненко © Издательское объединение «Вища школа», 1981 ©Издательское объединение £ 3302000000—005 «Вища школа», 1986, с из- М211(04) — 86 менениями
Стремительный научно-технический прогресс, высокие темпы развития промышленного и жилищно-бытового строительства в нашей стране, все возрастающий уровень благоустройства жилого фонда, увеличение объема промышленного производства и усложнение технологических процессов в промышленности требуют резкого увеличения темпов развития водопроводного хозяйства и значительного улучшения качества воды, подаваемой потребителям. Для выполнения этих задач необходимо не только строительство новых и расширение сети существующих водопроводов, но также разработка и внедрение эффективных методов обработки воды и создание новых типов водоподготовительной аппаратуры. Эти задачи далеко еще не решены, и успех их решения во многом зависит от качества подготовки специалистов в области рационального использования водных ресурсов. В связи с этим перед молодыми инженерами- технологами и особенно студентами этого профиля встают задачи по овладению теоретическими основами процессов и методов подготовки воды, освоению технологии ее очистки от разнообразных загрязнений, приобретению практических навыков по расчету, проектированию и эксплуатации очистных сооружений. В отличие от подобных отечественных и зарубежных изданий в настоящем учебнике описаны не отдельные разрозненные сведения по очистке воды от разнообразных примесей, согласующиеся в той или иной мере с эмпирическими данными, а приведен обобщенный и систематизированный материал на базе науки о водоподготовке. Такая логическая структура подачи материала послужила методологической основой для создания учебника. Построение учебника базируется на едином подходе ко всем процессам водоочистки, основанным на _фаз^)во-дисперсном состоянии примесей воды, Тгазвол яющем\Шределятъ~^техлнол'оги ческие приемы кондиционирования воды и систематизировать способы водообработки, объединив их в большие группы с единой технологией и стандартной аппаратурой. 3
ВВЕДЕНИЕ Прогресс человечества, развитие куль¬ туры и сама жизнь находятся в прямой зависимости от запасов, сохранности и использования воды. Общие запасы воды на земном шаре по оценке М. И. Львовича составляют 1455 млн. км3, из них только 28 млн. км3, или около 1,9 %, составляют прес¬ ные воды, дебит которых катастрофи¬ чески понижается из-за нарастающего загрязнения гидросферы неочищенными сточными водами. Остальные воды — соленые, с различной степенью мине¬ рализации, непригодные без специ¬ альной обработай для промышленно¬ го^ сельскохозяйственного и хозяй¬ ственно-питьевого использования. Вот почему охрана и рациональное использование водных ресурсов — одна из глобальных проблем современ¬ ности. Яркое подтверждение актуальности этой проблемы — «десятилетие чистой воды», объявленное с 1981 до 1990 гг. по решению международной организа¬ ции ЮНЕСКО. Перед человечеством стоит очень слож¬ ная задача сохранения чистой воды. Она требует не только углубленных знаний об этом удивительном химическом веществе, о присущих ему и необходимых для жизни примесях, но и радикальных способов очистки воды, особенно от вредных веществ. Стремительное развитие научно-тех¬ нической революции, бурный рост про¬ мышленности, транспорта, увеличение численности и урбанизация населения, химизация сельскохозяйственного про¬ изводства — эти и другие факторы ве¬ дут к повышенному использованию при¬ родных ресурсов и оказывают воздей¬ ствие на состояние водного бассейна. За восемь десятилетий нашего столе¬ тия забор пресной воды возрос почти в десять раз. Учитывая, что в настоящее время в мире энергетические мощности удваиваются каждые 12 лет, объем про¬ мышленной продукции — каждые 15 лет, к 2000 г. при сохранности существующих темпов роста производства будет добы¬ то 170—180 млрд. т сырья, на перера¬ ботку которого потребуются еще более колоссальные расходы воды. Водные ресурсы СССР в несколько раз превышают не только нынешний уро¬ вень водопотребления, но и уровень 2000 года. Водообеспеченность на од¬ ного жителя составляет 19 тыс. м3/год, что в 2 раза превышает среднемировую водообеспеченность на одного жителя. Однако и в нашей стране задача рацио¬ нального использования водных ресур¬ сов, улучшения качества воды приобре¬ тает все большее значение. Настоятельно необходимым стало выделение техно¬ логии воды, объединяющей процессы и методы очистки воды различного на¬ значения, в самостоятельную научно- техническую дисциплину со специали¬ зацией по различным отраслям на¬ родного хозяйства. В дореволюционной России водоснаб¬ жение и в частности технология воды развивались чрезвычайно медленно. К 1917 г. лишь 156 городов, т. е. менее х/4, имели водоочистные станции, вода из которых подавалась только в цент¬ ральную часть города. Очистка воды сводилась в основном к ее отстаиванию. фильтрованию и обеззараживанию. После Великой Октябрьской социали¬ стической революции положение корен¬ ным образом изменилось. Обеспечение населения доброкачественной водой со¬ ветское правительство поставило как 4
одну из важнейших народнохозяйствен¬ ных, общегосударственных задач. В программе партии, принятой в 1919 г. на VIII съезде РКП(б), было предусмотрено «оздоровление населен¬ ных мест, охрана воды и воздуха». В 1922—1923 гг. были приняты важные правительственные документы, направ¬ ленные на улучшение санитарного со¬ стояния источников водоснабжения и на обеспечение контроля качества воды. Впервые за всю историю страны начала вестись планомерная работа по корен¬ ному улучшению снабжения населения водой, а также обеспечению в необходи¬ мом ее количестве запросов промышлен¬ ных предприятий, транспорта, сферы обслуживания. Благодаря высоким темпам строитель¬ ства уже в годы первых пятилеток были реконструированы действующие водо¬ очистные станции в Донецке, Макеевке, Иванове, Свердловске, Челябинске и мно¬ гих других городах и промышленных районах. Были выполнены проекты и по ним построены новые очистные сооруже¬ ния более чем в 100 городах. К концу 30-х годов объем водопотреблен и я из го¬ родских водопроводных станций по сравнению с 1917 г. увеличился почти в 6 раз. Значительно было улучшено водо¬ снабжение Москвы, особенно после стро¬ ительства канала им. Москвы, свя¬ завшего р. Москву с Волгой. Большой ущерб водопроводно-канали- зационному хозяйству нанесла Вели¬ кая Отечественная война 1941—1945 гг. Однако в трудных военных условиях водопроводные станции обеспечивали бесперебойную подачу воды заводам оборонного значения, другим промыш¬ ленным предприятиям. В послевоенные годы наряду с восстановлением и развитием промыш¬ ленности и городского хозяйства долж¬ ное внимание уделялось восстановлению существующих и строительству новых водоочистных станций. Особенно высокими темпами развива¬ ется технология кондиционирования во¬ ды в последние десятилетия. Во многих городах построены уникальные по про¬ изводительности и сложности строитель¬ ства комплексы водопроводных очистных сооружений, оснащенные прогрессивной технологией, в том числе в Москве, Киеве, Минске, Ленинграде, Томске, Горьком, Владивостоке и целом ряде дру¬ гих городов. Крупнейший в мире цех озонирования воды производительностью 1 200 000 м3/сут действует на Восточной водопроводной станции Москвы, цех фторирования производительностью 400 000 м3/сут — на Череповецкой стан¬ ции. В декабре 1970 г. Верховный Совет СССР принял закон об утверждении «Основ водного законодательства Сою¬ за ССР и союзных республик», в котором удовлетворение питьевых и бытовых нужд населения становится как перво¬ очередная задача. Вопросы рациональ¬ ного использования и охраны водных ресурсов в законодательном порядке закреплены в Конституции СССР. Широкое внедрение и международное признание получила технология кон¬ тактного осветления воды. В настоящее время контактные осветлители, или, как их называют за рубежом, «русские фильт¬ ры», успешно эксплуатируются в Ленин¬ граде, Уфе, Куйбышеве и многих дру¬ гих городах. Нашла повсеместное применение на водопроводных станциях предложенная еще в довоенные годы С. X. Азерьером и усовершенствованная позже техноло¬ гия осветления воды в слое взвешенной контактной среды. Внедрена и дает хорошие результаты новая технология двухступенчатого фильтрования с контактными осветлите¬ лями на первой ступени и скорыми фильтрами на второй для обработки высокоцветных вод, технология тонко¬ слойного осветления. Улучшение качества питьевой воды и оптимизация режима работы очистных сооружений достигаются применением высокоэффективной технологии флоку- лирования воды с применением полиак¬ риламида, активной кремниевой кис¬ лоты, флокулянтов катионного типа BA-2, BA-3, ВА-2Т, серии К (К-4, К-6) и др. Достигнут научно-технический про¬ гресс в области очистки подземных вод. Разработана и широко внедрена техно¬ логия обезжелезивания воды фильтрова¬ нием с упрощенным аэрированием на скорых песчаных фильтрах и на высоко¬ производительных фильтрах с гравий¬ 5
ной загрузкой и водовоздушной про¬ мывкой. Дальнейшее усовершенствование и внедрение получают: технология обез¬ зараживания воды озонированием, бак¬ терицидным излучением, электрохими¬ чески получаемым гипохлоритом натрия, новые методы дезодорации воды, изв¬ лечения из нее ядохимикатов, тех¬ нология опреснения и обессоливания воды. Для обработки воды на небольших ав¬ тономных объектах применяются во¬ доочистные установки «Струя», комплекс¬ ные электроводоочистные установки ти¬ па КВУ и др. Повысился технический уровень ти¬ пового проектирования. Заметно улуч¬ шились объемно-планировочные и кон¬ структивные решения основных зданий и сооружений. В проектах предусматрива¬ ется рациональное блокирование про¬ изводственных объектов с применением сборных железобетонных конструкций и новых строительных материалов, воз¬ рос уровень технической эстетики на водоочистных станциях. Достигнуты значительные успехи в создании высокоэффективных отечествен¬ ных реагентов, фильтрующих материа¬ лов, оборудования и приборов, позво¬ ляющих автоматизировать многие тех¬ нологические процессы. Советскими уче¬ ными и инженерами созданы новые методы и технологические схемы конди¬ ционирования воды. Повсеместно внед¬ ряются системы оборотного и повторно¬ го использования воды, бессточные си¬ стемы водопользования. Повысился уровень теоретических ис¬ следований в области химии и техноло¬ гии воды. Опубликованная в 1968 г. академиком АН УССР Л. А. Кульским классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию явилась плодотворной гипотезой, позволяющей с единых позиций оценивать техно¬ логические процессы очистки воды, обеспечивать эффективную водообработ- ку в соответствии с современными тре¬ бованиями к ее качеству и намечать направления дальнейшего развития этой отрасли науки. Кроме Института кол¬ лоидной химии и химии воды АН УССР, осуществляющего ведущие работы по этой проблеме, разработкой, созданием •и внедрением высокоэффективной тех¬ нологии очистки воды в СССР занима¬ ются крупные научно-исследовательские институты и организации — ВНИИ ВОДГЕО, НИИКВОВ Академии ком¬ мунального хозяйства им. Памфилова, МИСИ им. Куйбышева, НИКТИ ГХ МЖКХ УССР, проектные институты — Союзводоканалпроект и его филиалы, Гипрокоммунводоканал, ЦНИИЭП ин¬ женерного оборудования, Теплоэлект- ропроект и многие другие. Научно-техническая политика в об¬ ласти очистки природных вод на ближай¬ шую перспективу предусматривает нап¬ равление усилий многочисленных научно-исследовательских, проектно¬ конструкторских и технологических ор¬ ганизаций на дальнейшую разработку теоретической базы химии и технологии воды, внедрение новых технологических процессов, создание современного во¬ доочистного оборудования, приборов, средств автоматизации, новых реаген¬ тов и материалов, позволяющих повысить производительность труда и экономич¬ ность производства. Ускорение научно-технического про¬ гресса в водном хозяйстве страны, пре¬ дусмотренное «Основными направления¬ ми экономического и социального разви¬ тия СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года», является частью общегосударственной задачи, которую постановил XXVII съезд КПСС и Со¬ ветское правительство перед партий¬ ными, хозяйственными, профсоюзны¬ ми и комсомольскими органами по дальнейшей интенсификации развития народного хозяйства, улучшению благо¬ состояния и жизненного уровня совет¬ ских людей.
Раздел I ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ И МЕТОДОВ ИХ УДАЛЕНИЯ Глава 1 ПОКАЗАТЕЛИ И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ПРИРОДНЫХ ВОД 1.1. Характеристика источников водоснабжения Источниками водоснабжения населенных пунктов, промышленности и сельского хозяйства являются подземные и по¬ верхностные воды, а также атмосфер¬ ные осадки. К подземным водам отно¬ сятся: верховодка, грунтовые, межплас- товые, артезианские, трещинные, карс¬ товые. Состав подземных вод определя¬ ется главным образом условиями их формирования. Так, различают: 1) во¬ ды, минеральный состав которых сфор¬ мировался в процессе выщелачивания горных пород; 2) воды, попавшие в оса¬ дочные породы в процессе образования этих пород на дне морей и океанов, они близки по составу к водам океана; 3) во¬ ды, образовавшиеся при переходе воды из связанного состояния в свободное под влиянием высокой температуры и давления. К поверхностным принадлежат воды открытых водоемов: рек, озер, морей, каналов, водохранилищ и пр. Их состав определяется: 1) климатическими, гео¬ морфологическими и антропогенными факторами (рельеф, форма и размер бас¬ сейна, фауна, флора); 2) почвенно-гео- логическими условиями (состояние поч¬ вы и пород); 3) агро- и гидротехнически¬ ми мероприятиями. Для подземных вод характерно зна¬ чительное содержание минеральных со¬ лей и небольшое, по сравнению с поверх¬ ностными водами, содержание органи¬ ческих веществ. Температура воды в источниках водо¬ снабжения зависит от их происхожде¬ ния. Воды подземных источников отли¬ чаются постоянством температуры, при¬ чем с увеличением глубины залегания вод сезонные колебания их температуры уменьшаются. Наоборот, температура вод открытых водоемов (рек, прудов, водохра¬ нилищ) претерпевает значительные изме¬ нения, связанные с нагреванием и охлаждением водоемов в течение года. Помимо сезонных изменений на темпера¬ туру воды в отдельных местах открытых водоемов влияет поступление в них под¬ земных вод, а также промышленных сто¬ чных вод. Часто поверхностные и подземные воды сообщаются между собой, что значитель¬ но влияет на их химический состав. В первую очередь это относится к верхо¬ водке и грунтовым водам. В районах повышенной влажности во¬ ды верховодки обычно пресные и содер¬ жат много органических веществ, солей железа и кремниевой кислоты. В местах интенсивного испарения влаги верхо¬ водка высокоминерализована. Из-за отсутствия водоупорной кровли та¬ кая вода легко загрязняется, а по¬ этому в качестве источника водоснабже¬ ния используется лишь в крайних слу¬ чаях. Грунтовые воды питаются за счет инфильтрации атмосферных осадков и воды поверхностных водоемов в период ее высокого стояния, а иногда и за счет подземных напорных вод. Состав грун¬ товых вод определяется в основном источниками их питания. Большая роль в формировании состава этих вод при¬ надлежит испарению. Так, в засушли¬ вых районах Средней Азии испарение воды приводит к повышению содержания солей в грунтовых водах до 100—200 г/л. Содержание органических веществ в грунтовых водах достигает 8 мг/л, а мут¬ ность их обычно ничтожна. Источники питания артезианских вод те же, что и грунтовых, однако форми¬ руются они в течение более длительного 7
времени. В верхней зоне активного во¬ дообмена с атмосферой артезианские во¬ ды обычно слабо минерализованы и ши¬ роко используются для водоснабжения. Наиболее крупные запасы артезиан¬ ских вод в СССР имеются в Московском, Днепровско-Донецком, Западно-Сибир- ском и других бассейнах. Огромное значение для водоснабжения имеют реки. Состав примесей речных вод определяется характером питания рек. Различают поверхностное и подземное питание. Поверхностное питание обес¬ печивается выпаданием дождей, таянием снега, ледников и т. п., а подземное — главным образом грунтовыми водами (родники, ключи). Содержание взвешенных веществ в реках изменяется от 2 до 10 ООО, а солей — от 30 до 1500 мг/л. В зависимости от количества взвешен¬ ных веществ воды поверхностных ис¬ точников подразделяются по мутности на маломутные 50 мг/л), средней мут¬ ности (50—250), мутные (250—1500) и высокомутные (> 1500 мг/л); а в за¬ висимости от наличия гумусовых ве¬ ществ — на малоцветные (^ 35 град), средней цветности (> 35—120 град), высокой цветности (> 120 град). Минимальное содержание солей ха¬ рактерно для рек с поверхностным пи¬ танием (Нева, Печора), а максималь¬ ное — для рек, источником питания кото¬ рых являются подземные воды (Эмба, Ишим). Содержание солей в каждой из этих групп рек не является постоян¬ ным. В период паводков, когда реки пополняются поверхностными водами, содержание солей в них резко падает. В зависимости от содержания солей степень минерализации воды в реках может быть очень малой 100 мг/л), малой (100—200), средней (200—500), повышенной (500—1000) и высокой О 1000 мг/л). Содержание органических веществ в реках колеблется от 2 до 150 мг/л. Вода озер отличается различным содер¬ жанием солей: от 30 (Онежское) до 5 820 мг/л (Иссык-Куль) и выше. Содер¬ жание органических веществ в них из¬ меняется от 2,0 до 50 мг/л. Меньшая кон¬ центрация характерна для озер, в которых органические вещества образу¬ ются за счет планктона. В озерах, пита¬ ющихся болотными водами, содержание их достигает нескольких десятков мил¬ лиграммов на литр. Болотные воды обычно содержат ма¬ ло солей и много органических веществ. В качестве источников водоснабже¬ ния часто используют искусственные во¬ дохранилища, минеральный и органи¬ ческий состав воды в которых зависит от характера их питания. В процессе формирования ложа водохранилищ со¬ став воды в них может изменяться. Большое количество питательных ве¬ ществ, высокая прозрачность воды и солнечная радиация создают благопри¬ ятные условия в водохранилищах для развития растительных и животных ор¬ ганизмов и обогащения воды органичес¬ кими веществами. Осадки, выпадающие в виде дождя и снега, относятся к атмосферным водам. Они собираются в искусственных водо¬ хранилищах или естественных резервуа¬ рах — долинах. Состав таких вод опреде¬ ляется чистотой атмосферы, количеством выпавших осадков, условиями, сопут¬ ствующими их выпаданию, гидрогеоло¬ гическими свойствами грунтов бассейна сбора воды, способом ее накопления и хранения. В безводных и засушливых районах СССР атмосферные осадки используют¬ ся в качестве источников водоснабже¬ ния. В состав атмосферных осадков входят газы (02, С02, N2 и др.), соли, бактерии и другие вещества. Содержа¬ ние солей и органических соединений в них обычно невелико. Состав природных вод непрерывно из¬ меняется. Этому способствуют про¬ текающие в них процессы окисления и восстановления, смешения вод различ¬ ных источников, осаждения содержащих¬ ся в них солей в результате изменения температуры и давления, осаждения и взмучивания грубодисперсных частичек, ионообмена между осадками и водой, обогащения подземных вод некоторыми микроэлементами вследствие биохими¬ ческих процессов. Наличие в воде органических и неко¬ торых легкоокисляющихся неоргани¬ ческих примесей (H2S, MeS03 Fe (II) и др.) обусловливает определенную ее окис- ляемость. Наименьшей окисляемостью (2 мг/л 02) характеризуются артезиан¬ 8
ские воды. Окисляемость грунтовых вод зависит от глубины их залегания и для грунтовых незагрязненных вод близка к окисляемости артезианских. Окисляе¬ мость чистых озерных вод в среднем со¬ ставляет 5—8 мг/л кислорода; в речной воде она колеблется в широких пределах, достигая 60 мг/л и более. Высокой окисляемостью воды отличаются ре¬ ки, бассейны которых расположены в болотистых местностях. В болотных во¬ дах в некоторых случаях она достигает 400 мг/л. Повышенная окисляемость во¬ ды свидетельствует о загрязнении источ¬ ника и требует соответствующих меропри¬ ятий по его охране. Внезапное повыше¬ ние окисляемости воды служит призна¬ ком загрязнения ее бытовыми сточными, водами, поэтому окисляемость — важная гигиеническая характеристика природ¬ ных вод. Самоочищение воды в открытых водо¬ емах от бактериальных загрязнений про¬ исходит за счет сложного комплекса физических, химических и биологичес¬ ких факторов, чему способствует раз¬ бавление загрязнений большой массой воды, перемешивание, осаждение взве¬ сей, аэрация и т. п. Под влиянием про¬ текающих в воде биохимических про¬ цессов, в особенности окислительных, погибают патогенные микробы. Бакте¬ рии, кроме того, уничтожаются про¬ стейшими, которые заглатывают их как пищу. Разрушающе действуют на бакте¬ рии также бактериофаги, микробы-ан¬ тагонисты и антибиотики биологическо¬ го происхождения. Особенно важна роль самоочищения воды в открытых водоемах, в частности в реках, содержащих не только естест¬ венные загрязнения, но и большое ко¬ личество сточных вод. Как правило, естественные факторы очищения источников не обеспечивают надлежащего качества воды для хозяй- ственно-питьевых и промышленных нужд. В связи с этим практически всегда необходима дополнительная обработка воды для придания ей качеств, удов¬ летворяющих запросы потребителя. При выборе надлежащей схемы очист¬ ки воды прежде всего следует определить качество воды данного источника, т. е. свойства, состав и концентрацию содер¬ жащихся в ней примесей. 1.2. Состав примесей природных вод Природная вода представляет собой многокомпонентную динамическую сис¬ тему, в состав которой входят газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях, а также микроорганизмы. В виде ионов, недиссоциированных молекул, коллои¬ дных и взвешенных частичек в природных водах содержится свыше 50 элементов, однако только некоторые из них встре¬ чаются в значительных количествах. Из растворенных в природных водах газов наиболее важными для оценки качества воды являются С02, 02, H2S, N2 и СН4. Их содержание в воде во мно¬ гом зависит от природы и парциального давления газа, температуры, состава вод¬ ной среды и других факторов. Растворимость газа С в воде опреде¬ ляют по формуле С = Кр, где К — коэффициент пропорциональ¬ ности, равный растворимости газа в воде при данной температуре и его пар¬ циальном давлении 0,1 МПа; р — парциальное давление газа, МПа. Из веществ, диссоциирующих в вод¬ ных растворах на ионы, в воде раство¬ ряется большинство минеральных со¬ лей, кислот и гидроксидов. Наиболее часто в природных водах встречаются гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты щелочно-земельных и щелочных метал¬ лов, в меньшей мере — их нитраты, нит¬ риты, силикаты, фториды, фосфаты и др. Значительным поставщиком органи¬ ческих веществ в природную воду яв¬ ляется почвенный гумус, продукты жиз¬ недеятельности и разложения раститель¬ ных и животных организмов, сточные воды бытовых и промышленных предпри¬ ятий. Наличие в воде взвешенных веществ свидетельствует о ее загрязненности твердыми нерастворимыми примесями — частичками глины, песка, ила, водорос¬ лей и другими веществами минерально¬ го или органического происхождения. Загрязненность воды микроорганиз¬ мами зависит от происхождения и ха¬ рактера источника. Наиболее чистыми в этом отношении являются артезиан¬ 9
ские воды, но и они могут загрязняться вследствие транспортирования их по тру¬ бам и нарушения санитарного режима в местах водозабора. Особенно подверже¬ ны загрязнению микроорганизмами по¬ верхностные воды, поэтому использова¬ ние их в неочищенном виде всегда пред¬ ставляет большую опасность в связи с возможностью возникновения и распро¬ странения инфекционных заболеваний. Газы. Содержащийся в воде раство¬ ренный 02 поступает из атмосферного воздуха, а также образуется в резуль¬ тате фотосинтеза водорослями органи¬ ческих веществ (углеводов) из неорга¬ нических (Н2С02, Н20). Содержание 02 в воде уменьшается вследствие протека¬ ния процессов окисления органических веществ и потребления его живыми ор¬ ганизмами при дыхании. Резкое уменьшение содержания 02 в воде по сравнению с нормальным сви¬ детельствует о ее загрязнении. Кислород способствует усилению коррозии метал¬ ла котлов, теплообменной аппаратуры, теплосетей и водопроводных труб. При повышенном содержании 02 в воде, на¬ оборот, вследствие пассивации поверх¬ ности за счет образования оксидных пленок возможно устранение коррозии. Растворимость кислорода в воде за¬ висит от температуры (табл. 1.1) и давле¬ ния. Присутствие в природных пресных во¬ дах растворенного С02, являющегося ан¬ гидридом очень слабой угольной кисло¬ ты, обусловлено биохимическими процес¬ сами окисления органических веществ, содержащихся в водоемах и в почве, а также дыханием водных организмов Таблица 1.1. Зависимость растворимости кисло¬ рода в воде чистых поверхностных источников от температуры (Р — 101,325 кПа) Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость Ог, мг/л Температура, °С Раствори¬ мость 02, мг/л 0 14,6 35 7,0 5 12,8 40 6,5 10 11,3 50 5,6 15 10,1 60 4,8 18 9,5 70 3,9 20 9,1 80 2,9 25 8,3 90 1,6 30 7,5 100 0,0 Таблица /.2. Зависимость растворимости оксида углерода (IV) в воде от температуры (Р = 101,325 кПа) Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость со2, мг/л 'Темпера¬ тура. °С Раствори¬ мость С02. мг/л 0 3,371 30 1,324 5 2,808 40 1,055 10 2,360 50 0,866 15 2,001 60 0,719 20 1,723 70 0,625 25 1,511 80 0,552 и выделением его при геохимических процессах. Зависимость растворимости С02 в во¬ де при его равновесном содержании пред¬ ставлена в табл. 1.2. Однако фактическое содержание С02 в природных водах в ряде случаев бывает повышенным про¬ тив значений, приведенных в табл. 1.2. Это объясняется тем, что в процессе окисления органических веществ, бро¬ жения органических остатков, дыхания водных организмов, а также в резуль¬ тате сложных геохимических процессов, связанных с метаморфизацией осадочных пород, для достижения его равновес¬ ного состояния требуется длительный контакт воды с атмосферным воздухом. При кратковременном контакте воды с воздухом равновесное содержание С02 в воде достигается не всегда. Оксид углерода (IV) в сочетании с гидрокарбонатами обусловливает буфер¬ ную емкость воды. Угольная кислота встречается в при¬ родных водах в форме недиссоциирован- ных молекул Н2С03, гидрокарбонатных НСОГ и карбонатных СОз- ионов. Фор¬ му содержащейся в воде угольной кис¬ лоты, диссоциирующей ступенчато, мож¬ но определить по константам диссоциа¬ ции. Последние рассчитывают обычно на общее содержание С02 и Н2С03. Для этого необходимо знать значения кон¬ стант и концентрации любых двух ио¬ нов, входящих в уравнение диссоциации: Н2С03 Н+ + HCOJ-; HCOf Н+ -f COjj-; [Н+] [НС03-] _ Kl - |Н2С03] 10
[Н+1 [СО*-] 2 [HCOf] (при 25 °С Кг = 4,45 • 10-7, К2 = 5,6 • 10~и). Количественные соотношения между Н2С03, С02, НСОГ и СОз-определяются значениями pH воды (табл. 1.3). Угольная кислота может находиться в свободном и в связанном состояниях. Под свободной угольной кислотой по¬ нимают сумму Н2С03 + С02. Поскольку в природных водах концентрация недис- социированных молекул угольной кис¬ лоты Н2С03 составляет лишь доли про¬ цента от общего количества свободной угольной кислоты, в качестве последней без заметной погрешности принимают концентрацию С02. В воде поверхностных источников содержание С02 не превышает 20— 30 мг/л, в подземных неминерализован¬ ных водах — 40 мг/л. В подземных водах С02 появляется в результате процессов разложения органических соединений, а также в результате биохимических про¬ цессов. Повышенное содержание свобод¬ ной угольной кислоты в воде обычно на¬ блюдается при очистке природных вод ко¬ агулированием, поскольку введение каж¬ дого миллиграмма безводных Al2 (S04)3 или FeCl3 сопровождается выделе¬ нием 0,8 мг С02: Al, (S04), + ЗСа (НС03)2 = 2А1 (OH)3j + -f- 30aS04! -j- 6C02f. Связанная угольная кислота входит в состав гидрокарбонатов и карбонатов. В природных водах содержание карбо¬ натов обычно невелико, за исключением содовых вод, и зависит от растворимос¬ ти карбоната кальция. Поэтому под связанной угольной кислотой понимают кислоту, входящую в состав гидрокар¬ бонатов. Содержание их в воде обуслов¬ ливает так называемый щелочной ре¬ зерв (щелочность) воды. Под общей щелочностью воды подразу¬ мевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов ОН- и анионов слабых кислот, например, угольной (НСОГ, СОз-). Поскольку в большинстве природных вод преобладают карбонаты, обычно различают лишь гидрокарбонат¬ ную и карбонатную щелочность. При некоторых приемах обработки воды и при pH >8,5 возникает гидратная ще¬ лочность. Общую щелочность воды Щ можно вы¬ разить уравнением Щ = [НС03-] + 2 [СО*-] + [ОН-] + [ВО^] + + [Н2РО-] + 2 [HPOJ-] + 3 ]РО|-] + [HS-] + + [HSiO^] + [Гуматы] — ]Н"*"]. Этот показатель, определяющий бу¬ ферную емкость природных вод, имеет большое значение в химической тех¬ нологии водоподготовки. Гидрокарбонаты наиболее распростра¬ нены в природных водах. Для поддер¬ жания высоких концентраций ионов НСОГ необходимо большое количество С02. В поверхностных водах это не ре¬ ально, поэтому в реках и пресных озе¬ рах содержание НСОГ редко превы¬ шает 250 мг/л (например, в р. Урал — 122 мг/л, в р. Волга — 144, в р. Дон — 158,5, в р. Вологда — 433 мг/л). Наи¬ более устойчивы в речной воде ионы НСОГ при концентрации 50—70 мг/л. Различные формы угольной кислоты в водных растворах связаны так назы¬ ваемым динамическим углекислотным равновесием со2 + Н20 «± Н2С03 Н+ + НСОГ 54 2Н+ + СО3-. При наличии ионов Са2+ углекис¬ лотное равновесие выражается урав¬ нением Са2+ + 2НСОГ СаСОэ + СОа + Н20. По закону действующих масс кон¬ станта равновесия этой реакции [СаСР3| [СР2| [Н20| 1 [Са2+] [НСОГ]3 Таблица 1.3. Соотношение форм угольной кислоты в воде при различных значениях pH (< = 25° С) Значение pH Форма угольной 4 5 6 7 * 9 10 1" 12 кислоты Содержание % со2 + + Н2С03 100 95 70 20 2 нсог — 5 30 80 98 95 70 17 2 п о СО to 1 5 30 83 98 11
Если учесть, что концентрация [Н20] и [СаС03] — постоянные величины и мо¬ гут быть введены в константу, а [Са2+] = = 2ШСОП, то К2 = - [С°г] . [НСО^-] Из этого выражения видно, что ионы НСОз“ существуют в растворе только при наличии свободной угольной кис¬ лоты. Часть свободной угольной кис¬ лоты, находящейся в равновесии с гид¬ рокарбонатами, называется равновесной. Она как бы связана с гидрокарбонатами и поэтому не вступает в химические реак¬ ции. Избыточная свободная угольная кис¬ лота в отличие от равновесной, очень активна и называется агрессивной. Од¬ нако не вся избыточная свободная уголь¬ ная кислота агрессивна. Часть ее, дей¬ ствуя на карбонат кальция, превращает его в гидрокарбонат, а другая часть переходит в равновесную угольную кис¬ лоту для удержания в растворе вновь образовавшегося гидрокарбоната. В водах открытых водоемов из-за низ¬ кого содержания С02 в атмосферном воз¬ духе присутствие агрессивной угольной кислоты маловероятно. В подземных водах, наоборот, ее содержание иногда бывает весьма значительным. Состав форм угольной кислоты в воде иллюстрирует такая схема: При увеличении концентрации гидро¬ карбоната кальция в воде количество равновесной угольной кислоты значитель¬ но повышается. Поэтому вероятность на¬ личия агрессивной угольной кислоты для мягких вод больше, чем для жестких. Увеличение степени минерализации во¬ ды приводит к уменьшению в ней коли¬ чества свободной угольной кислоты, не¬ обходимой для поддержания углекислот¬ ного равновесия. Это обусловливает бо¬ льшую агрессивность воды, содержащей много солей, при равном содержании свободной угольной кислоты. Особенно благоприятные условия для накопления агрессивной угольной кис¬ лоты создаются в период весеннего па¬ водка, когда из-за высокой мутности или цветности очищаемой воды приходится вводить повышенные дозы коагулянта. Агрессивные свойства угольной кис¬ лоты объясняются ее способностью взаи¬ модействовать с карбонатными породами и переводить их в растворимые в воде гидрокарбонаты СаС03 + С02 + Н20 ?± Са (НС03)2, а также некоторым снижением pH среды, в результате чего усиливается электро¬ химическая коррозия металлов, например железа. Действие агрессивной угольной кис¬ лоты на бетон состоит в растворении карбоната кальция, образующегося при твердении цемента, и переходе его в хорошо растворимый гидрокарбонат. 2Ca3Si05 + 6НгО = Ca3Si207 X 1 X 3H20 + ЗСа (ОН)2 I Твердение Са (ОН)2 + С02 = СаС03 + Н20 J СаС03 -f- С02 + Н20 = Са (НС03)2) Коррозия Растворение карбоната кальция нару¬ шает равновесие и приводит к разло¬ жению других компонентов цемента. Аналогично действует угольная кисло¬ та на металлические трубы. Вначале в ней растворяются карбонаты, являю¬ щиеся составной частью ржаво-карбо¬ натных отложений в водопроводной се¬ ти, затем материал труб подвергается электрохимической коррозии с образо¬ ванием новых отложений. Присутствие в воде агрессивной уголь¬ ной кислоты может ухудшать работу очи¬ стных сооружений за счет усиленного за¬ растания отстойников сине-зелеными водорослями и засорения фильтров пу¬ зырьками газа. Сероводород встречается в основном в подземных водоисточниках, образуясь в результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных 12
Таблица 1.4. Соотношение форм сероводорода при различных значениях pH воды (t = 25 °С) Форма сероводорода Значение pH 4 5 • 7 1 7-5 8 8.5 9 10 Содержание, % H2S 99,9 98,9 91,8 52,9 26 10,1 3,4 1,1 0 HS- 0,1 1,1 8,2 47,1 74 89,9 96,6 98,89 99,9 S2- — — — — — — — 0,01 0,1 солей (гипса, серного колчедана и др.). В поверхностных водах он почти не встречается, так как легко окисляется. Появление его в поверхностных источ¬ никах может быть следствием проте¬ кания гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод. В зависимости от величины pH кроме газообразного растворенного H2S в во¬ де могут присутствовать ионы HS~ и S2-\ Соотношение форм сероводорода при различных pH воды приведено в табл. 1.4. Форму сероводорода можно опреде¬ лить также по константам его диссоциа¬ ции: HjS г± Н+ + HS-; HS- H++S2-; [Н+] [S2 ] - [HS—I (при 25 °С Kt = 6 • 10—8, К2= 1 • ю-14). Наличие в воде сероводорода придает ей неприятный запах, ощущаемый уже при его концентрации 0,5 мг/л, интен¬ сифицирует процесс коррозии трубопро¬ водов и вызывает их зарастание вследст¬ вие развития серобактерий. Появление азота в природных водах связано с поглощением его из воздуха, восстановлением соединений азота ди¬ нитрифицирующими бактериями и раз¬ ложением органических остатков. Рас¬ творимость азота в воде значительно меньше, чем кислорода, однако в связи с высоким парциальным давлением азо¬ та в воздухе, в природных водах его больше, чем кислорода (табл. 1.5). Метан чаще всего встречается в под¬ земных водах. Его наличие обусловлено разложением микроорганизмами клет¬ чатки растительных остатков. В поверх¬ ностные воды метан может попадать в ре¬ зультате сброса неочищенных сточных вод. В природной воде содержание ме¬ тана может достигать 30 мг/л. Взвешенные вещества. Взвешенные ве¬ щества попадают в воду в результате смыва твердых частичек (глины, песка, лесса, илистых веществ) верхнего покро¬ ва земли дождями или талыми водами во время весенних и осенних паводков, а также в результате размыва русел рек. Наименьшая мутность водоемов наблюдается зимой, когда они покрыты льдом, наибольшая — весной в период паводка, а также летом вследствие вы¬ падания дождей, таяния снега в горах и развития мельчайших плавающих жи¬ вых организмов и водорослей. Повыше¬ ние мутности воды может быть вызвано выделением некоторых карбонатов, гид¬ роксидов алюминия, марганца, высоко¬ молекулярных органических примесей гумусового происхождения, появлением фито- и зоопланктона, окислением со¬ единений железа (II) кислородом возду¬ ха, сбросом неочищенных производст¬ венных сточных вод и др. Взвешенные вещества имеют различ¬ ный гранулометрический состав, кото¬ рый характеризуется гидравлической крупностью, выражаемой как скорость осаждения частичек при температуре 10 °С в неподвижной воде (табл. 1.6). Таблица 1.5. Зависимость растворимости азота в воде от температуры (Р = 101,325 кПа) Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость Njs, см3/л Темпера¬ тура, °С Раствори¬ мость n2, см3/л 0 23,3 1 50 9,6 10 18,3 60 8,2 20 15,1 80 5,1 30 12,8 100 0 40 11,0 13
Таблица 1.6. Гидравлическая крупность взвешенных веществ в природных водах I Взвешенное вещество Гидравлнческая крупность частичек, мм/с Приблизительный размер частичек, мм Длительность осаж¬ дения частичек на глубину 1 м Песок крупный 100 1,0 10 с средний 50 0,5 20 с мелкий 7 0,1 2,5 мин Ил крупный 1,7—0,5 0,05—0,027 10—30 мин мелкий 0,07—0,017 0,01—0,005 4—18 ч Глина крупная 0,005 0,0027 2 сут тонкая 0,0007—0,00017 0,0001—0,0005 0,5-^-2 мес Коллоидные частички 0,000 007 0,0002—0,000 001 4 года На территории СССР зона водоемов с содержанием взвешенных веществ ме¬ нее 50 мг/л соответствует географиче¬ ским зонам тундры и тайги. В степных районах содержание взвешенных веществ в реках достигает 150—500 мг/л. Наи¬ большей мутностью характеризуются во¬ ды рек, вытекающих из гор Кавказа и Средней Азии. На территории СССР самую высокую среднегодовую мутность имеет вода реки Аксай — 11 700 мг/л. Наличие в воде взвешенных веществ препятствует использованию ее для хо¬ зяйственно-питьевых целей, в теплоэнер¬ гетике, на заводах для приготовления пищевых продуктов, при производстве бумаги, тканей, кинопленки и пр. Согласно ГОСТ 2874—82, мутность питьевой воды по стандартной шкале должна составлять не более 1,5 мг/л. Органические вещества. Самыми зна¬ чительными поставщиками органических веществ в природную воду являются поч¬ венный и торфяной гумус, продукты жизнедеятельности и разложения расти¬ тельных и животных- организмов, сточ¬ ные воды бытовых и промышленных предприятий. Для технологии очистки воды наибольший интерес представляют гумусовые вещества, окрашивающие при¬ родные воды в различные оттенки жел¬ того и бурого цветов. Гумусовые ве¬ щества представляют собой высокомо¬ лекулярные соединения, содержащие плоские сетки циклически полимеризо- ванного углерода и боковые цепи ли¬ нейно полимеризованного углерода с атомными (Н, О и др.) и функциональ¬ ными (— ОН, — СООН) группами. Они разделяются на гуминовые, ульминовые, креповые, апокреновые (фульвокислоты) и другие кислоты, а также их раствори¬ мые в воде соли. Гуминовые и апокреновые кислоты могут находиться в почве в свободном состоянии, в виде солей с катионами щелочных и щелочно-земельных ме¬ таллов, комплексных и внутрикомплекс- ных соединений с железом, алюминием, марганцем, медью и, наконец, в виде адсорбционных органо-минеральных со¬ единений. Наземная растительность, высшие водные растения, актиномицеты и фито¬ планктон выделяют бесцветные или ок¬ рашенные, без запаха или с запахом вещества, часть из которых превращает¬ ся в гумусовые соединения. Для водоемов особую опасность пред¬ ставляют сточные воды, в составе ко¬ торых есть белки, жиры, углеводы, ор¬ ганические кислоты, эфиры, спирты, фе¬ нолы, нефть и др. Степень окраски природных вод, вы¬ ражаемая в градусах платиново-кобаль- товой шкалы, называется цветностью. В СССР наибольшую цветность имеют природные поверхностные воды рек и озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов, наимень¬ шую — в лесостепных и степных зонах. Зимой содержание органических ве¬ ществ в природных водах минимальное, однако в период половодья и паводков, а также летом в период массового разви¬ тия водорослей — «цветения» водое¬ мов — оно повышается. Наличие в воде органических веществ резко ухудшает органолептические по¬ казатели воды, вызывая различного ро¬ 14
да запахи (землистый, гнилостный, рыб¬ ный, болотный, аптечный, камфорный запах нефтепродуктов, хлорфенольный и т. д.), повышает цветность, вспенивае- мость, оказывает неблагоприятное дей¬ ствие на организм человека и живот¬ ных. Ионы. В большинстве случаев природ¬ ные воды содержат ионы Na+, К+, Са2+, Mg2+ и НСОГ, SO;-, СГ. Ка¬ тионы Н+, NH4+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Al3+ и другие и анионы ОН-, СОз-, ЙОГ, NOr, F-, Вг-, I-, НР042-, HSOr, HSiOr, ВОГ, HS- и другие в природной воде встречаются в незна¬ чительном количестве, однако их влия¬ ние на свойства и качество воды иногда также очень велико. В природных водах в большом коли¬ честве присутствует семь основных ионов. О. А. Алекин предложил класси¬ фицировать природные воды в зависи¬ мости от преобладающего аниона. Со¬ гласно этой классификации, природные воды делят на три больших класса: гидрокарбонатные (и карбонатные), сульфатные и хлоридные. Каждый класс по преобладающему катиону (Са2+, Mg2+ и Na+, К+) делят на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В свою очередь, в группах различают три типа вод, определяемых следующим соотношением: I — НСОГ> > Са2+ + Mg2+; II — НСОГ < Са2+ + + Mg2+ < НСОГ + SO2-; III — НСОГ + so!- < Са2+ 4- Mg2+. Ис¬ пользование этой классификации поз¬ воляет выяснить происхождение природ¬ ных вод и охарактеризовать их свойства. По содержанию ионов (солей) в воде определяют общую степень ее минера¬ лизации М М = 2 Кат + 2Ан, где 2 Кат — сумма катионов, мг/л; 2Ан — сумма анионов, мг/л. Для проверки правильности вычис¬ ления степени минерализации при¬ родной воды результаты пересчитывают в миллиграмм-эквиваленты на литр. При этом суммы концентраций в воде ка¬ тионов и анионов должны быть равными: Са2+ Mg2+ Na+ К+ 20,04 + 12,16 ■* 23,0 + 39,0 + so2- а- нсо3- 48,03 + 35,46 + 61,03 + SiO?— ^ 38,03 г В таком балансовом уравнении необ¬ ходимо учитывать содержание всех ионов, концентрация которых превышает 0,01 мг-экв/л. Хорошо выполненным считается анализ при расхождении меж¬ ду суммами в правой и левой частях уравнения ± 1 %; вполне допустимым— при расхождении ± 2—3 % (при малой степени минерализации). Если погреш¬ ность превышает 5 %, а при значитель¬ ной степени минерализации — 3 %, то анализ следует считать неточным. По¬ грешность анализа X рассчитывают по формуле где 2Ан, 21 Кат — соответственно суммы эквивалентных концентраций анионов и катионов. С учетом степени минерализации при¬ родные воды делят на пресные, минера¬ лизованные, с морской соленостью и рассолы — соответственно содержащие до 1, от 1 до 25, от 25 до 50 и свыше 50 г/л солей. О содержании в природных водах со¬ лей можно судить по количеству сухого остатка и потере массы при прокали¬ вании. Сухой остаток, образующийся при выпаривании определенного объе¬ ма воды, предварительно профильтро¬ ванной через бумажный фильтр, состоит из минеральных солей и нелетучих ор¬ ганических соединений. Количество ор¬ ганических соединений в сухом остатке воды определяют по потере его массы при прокаливании. Основными химическими примесями речных вод, содержащих до 500—600 мг/л растворенных солей, являются ионы Са2+, Mg2+, Na+, НСОГ, SO?-, С1_. Маломинерализованные воды рек содержат преимущественно ионы Са2+ и нсог. По мере повышения степени минера¬ лизации речных вод содержание в них ионов Na+, SO4- и С1- увеличивается, а относительное содержание ионов Са2+ уменьшается, поскольку СаС03 и CaS04 15
осаждаются из-за малой растворимости (растворимость СаС03 составляет 0,013, CaS04 — 2,020 г/л). Вследствие лучшей растворимости MgC03 и MgS04 ионы Mg2+ могут содержаться в больших кон¬ центрациях. Подземные воды разнообразны по хи¬ мическому составу. Степень их минера¬ лизации зависит от условий залегания водоносного горизонта и колеблется от 100—200 мг/л до нескольких граммов на литр. В пресных артезианских водах преобладают ионы Са2+ и НСОГ. По мере повышения степени минерализа¬ ции подземных вод возрастает относи¬ тельное содержание ионов Na+, SO4-, С1-. Содержание солей в водах океанов и некоторых морей достигает 50 г/кг и более. Основными химическими приме¬ сями морских вод являются ионы Na+ и С1—, составляющие в сумме около 30 г/кг. Содержание солей в водах внутрен¬ них морей значительно меньше. Напри¬ мер, в воде Каспийского моря солей со¬ держится около 13, Черного —около 16, Балтийского — около 7,5 г/кг. Большое количество растворенных в воде солей ухудшает вкусовые каче¬ ства воды, в результате чего она может приобретать соленый, горький, сладкий и кислый вкус, а также различные при¬ вкусы. Порог вкусового восприятия со¬ левых добавок в воде характеризуется следующими концентрациями: NaCl — 165, СаС12 — 470, MgCl2 — 135, МпС12 — 1,8, FeCl2 — 0,35, MgS04 —250, CaS04— 70, MnS04 — 15,7, FeS04 — 1,6, NaHC03 — 450 мг/л. Ионы Na+ и K+ попадают в природ¬ ные воды в результате растворения ко¬ ренных пород. Так, большое количество Na+ поступает в воду в результате рас¬ творения залежей NaCl. Преобладание ионов Na+ над ионами К+ в природных водах объясняется большим поглощением калия почвами и извлечением его из воды растениями. Ионы Са2+ и Mg2+ присутствуют во всех минерализованных водах. Их ис¬ точником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. В ма¬ ломинерализованных водах больше все¬ го ионов Са2+. С увеличением степени минерализации воды содержание ионов Са2+ быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов Mg2+ в ми¬ нерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озе¬ рах — нескольких десятков граммов на 1 л воды. Ионы Са2+ и Mg2+ обуслов¬ ливают жесткость воды. Общая жесткость воды представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде в основном гидро¬ карбонатов кальция и магния, она поч¬ ти полностью устраняется при кипячении воды. Гидрокарбонаты при этом распа¬ даются с образованием угольной кис¬ лоты; в осадок выпадает карбонат каль¬ ция и гидроксид магния. Некарбонатная жесткость обусловле¬ на присутствием кальциевых и магние¬ вых солей серной, соляной и азотной кислот и при кипячении не устраняется. Хотя ионы Са2+ и Mg2+ и не прино¬ сят особого вреда живым организмам, однако наличие их в воде в большом количестве нежелательно, поскольку та¬ кая вода непригодна для хозяйственных нужд. В жесткой воде увеличивается расход мыла при стирке белья, медленно развариваются мясо и овощи. Жесткая вода непригодна и для систем оборотно¬ го водоснабжения, для питания паровых котлов и пр. Ионы Fe2+, Fe3+, Мп2+ в истинно растворенном состоянии находятся в очень небольших концентрациях. Боль¬ шая часть железа и марганца в природ¬ ных водах содержится в виде коллои¬ дов и суспензий. В подземных водах преобладают соединения железа и мар¬ ганца в виде гидрокарбонатов, сульфа¬ тов и хлоридов, в поверхностных — в виде органических комплексных соеди¬ нений (например, гуминовокислых) или в виде высокодисперсной взвеси. В поверхностных водах средней поло¬ сы СССР содержится от 0,1 до 1 мг/л железа и от 0 до 0,05 мг/л марганца, в подземных водах содержание железа часто превышает 15—20 мг/л, концентра¬ ция марганца колеблется в пределах 0,5—3 мг/л. Не оказывая в небольших количест¬ вах вредного влияния на здоровье лю¬ дей, железо и марганец придают воде неприятную красновато-коричневую или 16
Таблица 1.7. Соотношение форм кремниевой кислоты в воде при различных значениях pH (t = 25° С) Значение pH Форма кремниевой 5 6 7 8 9 10 li Содержание, % H2Si03 100 99,9 99,0 90,9 50,0 8,9 0,8 HSiOf — 0,1 1,0 9,1 50,0 91,0 98,2 SiO2— — — — — — 0,1 1,0 черную окраску, ухудшают ее вкус, вызывают развитие железобактерий, от¬ ложение осадка в трубопроводах и их засорение. Соединения азота встречаются в при¬ родной воде в виде ионов NH^, NOIT и N0^. Появление этих ионов в при¬ родных водах связано с разложением различных сложных органических ве¬ ществ животного и растительного проис¬ хождения, а также с разложением бел¬ ковых веществ, попадающих в водое¬ мы с бытовыми сточными водами. Нитраты содержатся главным образом в поверхностных водах (до 0,001— 0,003 мг/л), нитриты — в артезианских (десятые доли миллиграмма в литре). Повышенное содержание нитратов (>50 мг/л) в воде, постоянно используе¬ мой для питья, приводит к нарушению окислительной функции крови — мет- гемоглобинемии. Конечный продукт разложения бел¬ ковых веществ — аммиак. Наличие в воде аммиака растительного или мине¬ рального происхождения не опасно в санитарном отношении. Если же аммиак образуется в результате разложения белка сточных вод, такая вода непригод¬ на для питья. Содержание азота аммонийных солей в речной воде в зависимости от степени ее загрязнения колеблется от0до1 мг/л. Кремний присутствует в природных водах в виде ионов, молекул и коллоид¬ ных частичек. Форма содержания крем¬ ниевой кислоты в воде зависит от многих факторов и, в первую очередь, от ее ион¬ ного состава и значения pH (табл. 1.7). Кремниевая кислота H2Si03 диссо¬ циирует в две стадии: H2SiO., H+ + HSi0.f; HSiO^ ?± H+ + SiO^~; [H+I fHSiOfl [H+] [SiO| ] 1 |H2SiCy ’ Ki [HSi03-| (при 25 °C /fj = 1 • 10~10, K2 = 2 • 10-12). Содержание кремния в природных водах в пересчете на SiOf- обычно до¬ стигает 0,6—40 мг/л и лишь в отдельных случаях может повышаться до 65 мг/л. Кремниевая кислота не вредна для здо¬ ровья, однако повышенное содержание ее в воде делает воду непригодной для питания паровых котлов из-за образова¬ ния силикатной накипи. Содержание ионов СГ~и S024~ в природ¬ ных водах колеблется в широких пре¬ делах (от долей миллиграмма до несколь¬ ких граммов на литр) и обусловлено вымыванием солесодержащих пород или сбросом в водоемы промышленных и бытовых сточных вод. Наличие в воде более 350 мг/л хло¬ ридов или 500 мг/л сульфатов придает ей соленоватый привкус и приводит к нарушению функционирования пищевари¬ тельной системы у людей. Вода с большим содержанием ионов С1~ и SOI- имеет так¬ же повышенную коррозионную актив¬ ность, более высокую некарбонатную жесткость, разрушающе действует на железобетонные конструкции. Соединения фосфора встречаются в природных водах в небольших количе¬ ствах в виде НРО!“ионов и органических комплексов фосфорной кислоты или в виде взвешенных частичек органи¬ ческого и минерального происхож¬ дения. В природных водах в очень малых количествах содержатся ионы F~, Вг~, I— и др. Эти микроэлементы значитель¬ но влияют на здоровье человека. Так, недостаток или избыток фтора в питье¬ вой воде вызывает разрушение зубов
и изменения в скелете, отсутствие или недостаток иода приводит к заболеванию людей эндемическим зобом и т. д. Допустимые концентрации некоторых микроэлементов в хозяйственно-питье¬ вой воде установлены ГОСТ 2874—82 (см. второй форзац). В состав природных вод могут вхо¬ дить также ионы радиоактивных эле¬ ментов, поступающих в воду в результа¬ те вымывания радиоактивных минера¬ лов или в результате испытаний атом¬ ного оружия и сброса отработанных вод атомных реакторов. ГОСТ 2874—82 также ограничивает содержание ра¬ диоактивных элементов в питьевой воде. Ионы Pb2+, Си2+, Sr2+, Zn2+, S^6+, /4s3+, /4s5+ и многие другие, относящиеся к ядовитым, в природных водах в естественном состоянии встре¬ чаются, как правило, в незначительных количествах и попадают в них в больших количествах в результате сброса не¬ очищенных бытовых и промышленных сточных вод. Наличие в воде нескольких милли¬ граммов на литр ядовитых веществ ока¬ зывает вредное влияние на здоровье человека и теплокровных животных, а также губительное действие на рыб и их кормовые ресурсы, тормозит про¬ цессы самоочищения водоемов. К этой группе веществ относятся Be, Mo, As, Pb, Se, Sr, Си, Zn и др., а также неко¬ торые органические вещества. Если в воде находятся такие химиче¬ ские вещества с одинаковым лимитирую¬ щим признаком вредности, сумма от¬ ношений обнаруженных концентраций этих веществ в воде к их ПДК не должна превышать 1. Расчет ведется по формуле + + пдк„ где си с2, ..., сп — обнаруженные кон¬ центрации токсических веществ, мг/л. Природные воды населяет огромное количество микро- и макроорганизмов животного и растительного происхож¬ дения: вирусы, бактерии, простейшие, водоросли, высшие растения и живот¬ ные, которые также существенно вли¬ яют на физико-химический состав воды. 1.3. Требования к качеству природных вод и их классификация Качество воды природных источников определяют по наличию в ней веществ неорганического и органического про¬ исхождения, а также микроорганизмов и характеризуют различными физиче¬ скими, химическими, бактериологичес¬ кими и биологическими показателями. К физическим показателям относятся температура, запах, вкус, мутность, цветность, электропроводимость. Химическими показателями качества воды являются общее количество рас¬ творенных веществ, или сухой остаток, прокаленный остаток, активная реак¬ ция, или pH воды, окисляемость, ще¬ лочность, содержание газов, наличие азот¬ содержащих соединений, хлоридов, сульфатов, железа, марганца, кальция, магния, некоторых ядовитых и радио¬ активных веществ. Бактериологические, или санитарные, показатели характеризуют общую бак¬ териальную загрязненность воды, а так¬ же содержание в ней бактерий кишечной палочки (бактерий coli). Биологические показатели определя¬ ют наличие водных организмов, нахо¬ дящихся на поверхности (планктон) и в толще (нейстон) воды или располагаю¬ щихся у дна водоема, берегов и на по¬ верхности подводных предметов (бен¬ тос). Требования к качеству природных вод могут быть самыми различными и зависят от целевого назначения вод. Выбор и оценка качества источников централизованного хозяйственно-питье¬ вого водоснабжения должны произ¬ водиться в соответствии с требования¬ ми ГОСТ 17.1.03—77 «Правила выбора и оценка качества источников центра¬ лизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». В соответствии с требо¬ ваниями стандарта пригодность источ¬ ников водоснабжения устанавливает¬ ся на основе комплексной оценки са¬ нитарного состояния места размещения водозаборных сооружений и прилегаю¬ щей территории для подземных водоис¬ точников, а также выше и ниже водо¬ забора для поверхностных водоисточ¬ ников, качества воды водоисточников с 18
учетом указаний ГОСТ 2874—82, сте- ! пени природной и санитарной надеж-' ности и стабильности их санитарного состояния. В соответствии с п. 1.6 (ГОСТ/ 17.1.3.03—77) разрешается использовать источники водоснабжения, выбор кото-1 рых согласован с органами и учреждения- v ми санитарно-эпидемиологической служ¬ бы Министерства здравоохранения СССР и союзных республик, а также с меди¬ цинскими службами других ведомств, на которые возложено решение этого вопроса. Выбор источника производственного водоснабжения производят с учетом тре¬ бований, предъявляемых потребителя¬ ми к качеству воды. Различают воду, используемую для: 1) хозяйственно-питьевых целей, а так¬ же в отдельных отраслях пищевой и бро¬ дильной промышленности; 2) сельско¬ хозяйственных целей — для орошения, в животноводстве; 3) охлаждения; 4) па¬ росилового хозяйства; 5) технологи¬ ческих целей промышленности; 6) за- однения нефтяных пластов. £}' Хозяйствешмьпитьевая вода. В СССР Технические и гигиенические требования и нормы качества воды, подаваемой цент¬ рализованными водопроводами для хо¬ зяйственно-питьевых целей, установле¬ ны ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» (второй—-форзац)^ Отвечающая требо¬ ваниям ГОСТа вода должна быть без¬ опасной в эпидемиологическом отно¬ шении, безвредной по химическому со¬ ставу и обладать высокими органолеп¬ тическими качествами. ( Оптимальная температура воды для питьевых целей 7—11 °С. Наиболее близки к этим ycf^ ловиям воды подземных источников. И в первую очередь рекомендуется ис пользовать для хозяйственно-питьевых целей. Водородный показатель pH большин¬ ства природных вод близок к 7. Постоян¬ ство pH воды имеет большое значение для нормального протекания в ней био¬ логических и физико-химических про¬ цессов, приводящих к самоочищению. Для воды хозяйственно-питьевого на¬ значения он должен находиться в пре¬ делах 6,0—9,0. Кроме указанных в ГОСТ 2874—82 допустимых концентраций токсичных хи¬ мических веществ в воде Министерств здравоохранения СССР установило для источников централизованного водоснабд жения предельно допустимые концентра- \ ции химических веществ, попадающих \ в водоисточники с бытовыми, промыш¬ ленными и сельскохозяйственными за-) грязнениями.» При отсутствии официальУ ШХ" норм предельно допустимые кон¬ центрации вредных веществ устанавли¬ ваются органами санитарно-эпидемио¬ логической службы в каждом отдельном случае. При попадании в источники водо¬ снабжения токсичных химических ве¬ ществ органы Государственного сани¬ тарного надзора контролируют содер¬ жание этих веществ в воде и проводят мероприятия по устранению их поступ¬ ления в водоемы. Если устранить за¬ грязнение водоема токсичными веще¬ ствами невозможно, предусматриваются надежные методы очистки воды. Всемирной Организацией Здравоох¬ ранения (ВОЗ) издаются Международ¬ ные и Европейские стандарты на питье¬ вую воду, в которых приводятся тре¬ бования к качеству воды по химическим и бактериологическим показателям. В Международных стандартах на пить¬ евую воду изложены минимальные нор¬ мы, которые в настоящее время могут .быть достигнуты во всех странах мира. В Европейских стандартах установлены более жесткие требования к качеству воды и по большему числу показателей. К воде, используемой в пищевой и бро¬ дильной промышленности, предъявля¬ ются такие же требования, как и к питьевой. — —— — — <d На некоторых производствах к воде предъявляются специфические требова- ния,1-'Так, вода, идущая на-винокурен¬ ное производство, не должна содержать хлоридов кальция и магния, влияющих на жизнедеятельность дрожжей. Вода, применяемая для пивоварения, не дол¬ жна содержать гипса, препятствующего брожению солода; вода, используемая в производстве сахара, должна обладать низкой степенью минерализации, по¬ скольку повышенная концентрация со¬ лей затрудняет варку и кристаллиза¬ цию сахара. В ней также не допускается наличие гниющих веществ, обусловли¬ вающих брожение в диффузорах. Вводе, 19
используемой в крахмальном произ¬ водстве, должны отсутствовать железо и другие вещества, окрашивающие крах¬ мал. Вода, используемая в сельском хо¬ зяйстве. Необходимо, чтобы вода, пред¬ назначенная для поения животных и птицы, в основном отвечала требова¬ ниям, предъявляемым к воде для хозяй¬ ственно-питьевых целей. Однако по та¬ ким показателям, как цветность, проз¬ рачность и запах, требования могут быть несколько снижены. Температура воды по возможности должна составлять 8—15 °С. Допустимая степень минера¬ лизации воды определяется ее вкусовыми качествами. Предельная степень минерализации во¬ ды для орошения, используемой в ир¬ ригационных системах, не превышает 1,5 г/л. Превышение допустимых кон¬ центраций солей может привести к за¬ солению почв, снижению или даже ги¬ бели урожая. Установленных норм качества воды для орошения не существует: допустимая степень ее минерализации может менять¬ ся в широких пределах в зависимости от условий полива, дренажа, метеорологи¬ ческих ^агротехнических факторов. Во¬ да со степенью минерализации до 1 г/л пригодна для орошения во всех случаях. При плохих условиях дренажа и плохо фильтрующих грунтах содержание со¬ лей не должно превышать приведенной выше нормы. Хлорид натрия, сульфаты натрия и магния и особенно карбонат натрия засоляют почвы и делают их непригод¬ ными для агротехнических целей. Воду, содержащую сульфат кальция и карбо¬ нат магния в умеренном количестве, можно использовать для орошения. Вода для охлаждения. Вода, широко используемая для охлаждения действую¬ щих агрегатов, химической аппаратуры, доменных и мартеновских печей, пара, жидких и газообразных продуктов в холодильниках, не должна давать от¬ ложений, вызывать биологические об¬ растания и коррозию поверхностей. При¬ чинами образования отложений являют¬ ся: нестабильность состава природной воды; наличие в ней неорганической взве¬ си (песка, ила, глины), увеличивающей толщину накипи; органических соедине¬ ний, вызывающих биологическое обрас¬ тание поверхностей бактериями, гри¬ бами, водорослями и другими организ¬ мами; минеральных веществ, образую¬ щих накипь. В такой воде должно со дер-* жаться не более 0,1 мг/л железа и не более 2—7 мг-экв/л карбонатов. Поскольку специальных норм, регла¬ ментирующих качество охлаждающей во¬ ды, нет, то требования к ней устанавли¬ ваются в каждом конкретном случае с учетом соотношения температур воды и охлаждаемых поверхностей, величины карбонатной жесткости, содержания же¬ леза, свободной угольной кислоты, взве¬ шенных веществ, микроорганизмов, сис¬ темы водоснабжения (прямоточная или оборотная) и т. д. Однако во всех слу¬ чаях она должна иметь возможно более низкую температуру и не создавать бла¬ гоприятных условий для развития биоло¬ гических обрастаний. Вода для паросилового хозяйства. Нор¬ мы качества питательной воды зави¬ сят от типа современных котлов и давле¬ ния. В такой воде должны отсутство¬ вать взвеси, соли, обусловливающие жесткость, растворенный кислород, по¬ скольку наличие этих веществ вызывает отложение накипи, вспенивание котловой воды, унос солей с паром и коррозию металла. Вода для технологических целей про¬ мышленности. Различают воду: а) ис¬ пользуемую при добыче, отмывке, гид¬ ротранспортировке, сортировке и обо¬ гащении полезных ископаемых и другого сырья (в такой воде не допускается на¬ личие низкодисперсных взвешенных час¬ тичек); б) соприкасающуюся с продук¬ цией; в) входящую в состав продукта. В случаях б) и в) требования к воде специфичны и диктуются не только отдельными видами производства, но и принятой технологической схемой. В некоторых случаях эти требования бо¬ лее высокие, чем предъявляемые к хо¬ зяйственно-питьевой воде. Так, в воде, применяемой в фотографии, не допуска¬ ется наличие железа, марганца, кремние¬ вой кислоты, больших количеств хло¬ ридов, органических веществ и т. д. Вода, используемая в хлопчатобумаж¬ ной промышленности для отбеливания и крашения тканей, должна иметь малую окисляемость, прозрачность 30 см по 20
шрифту, цветность —не более 10—15 град., pH = 7...8,5, содержание солей железа не более 0,1 мг/л. Жесткость во¬ ды для приготовления растворов мыла, красителей, кислот и щелочей не должна превышать 0,18—0,35 мг-экв/л. Про¬ зрачность воды, применяемой в шелко¬ вой промышленности, необходимо под¬ держивать не ниже 30 см по шрифту, цветность — не более 10 град., pH = = 7...8,1, она может содержать только следы солей железа, иметь жесткость не выше 0,18 мг-экв/л, а прозрачность воды, применяемой в производстве искусствен¬ ного волокна,—не менее 40 см по шрифту, жесткость — не выше 0,07 мг-экв/л, со¬ держание солей железа — не более 0,1 — 0,2 мг/л. Вода для заводнения нефтяных плас¬ тов. Закачиваемая вода должна быть совместима с пластовой водой и не вы¬ зывать осложнений при эксплуатации систем сбора и подготовки нефти. Со¬ гласно требованиям строительных норм, в воде может содержаться до 2 мг/л ме¬ ханических примесей, до 0,5 мг/л желе¬ за; в ней не допускается наличие нефте¬ продуктов. Требования к воде по жест- кости и содер жа н ию к я слорода цормами не регламентируются. Опыт эксплуатации систем заводнения показывает, что к нормированию ка¬ чества воды следует подходить дифферен¬ цированно, в зависимости от местных ус¬ ловий и коллекторских свойств пласта (ВСН 3—74). Наличие в воде примесей выше допустимых норм может привести к закупорке пор фильтрующей поверх¬ ности скважины и уменьшению порис¬ тости продуктивного пласта вследствие образования в нем нерастворимых соеди¬ нений. Глава 2 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД 2.1. Выбор методов очистки воды на основе классификации примесей по фазово¬ дисперсному состоянию Необходимость очистки воды от загрязне¬ ний возникает в том случае, когда ка¬ чество воды природных источников не удовлетворяет предъявляемым требова¬ ниям. Несоответствие качества воды ис¬ точника требованиям потребителя опре¬ деляет выбор методов обработки воды. Наиболее общими и характерными признаками загрязняющих воду веществ являются формы нахождения их в во¬ де. Поэтому в основу принципа группи¬ ровки примесей и технологических прие¬ мов водоочистки JI. А. Кульский поло¬ жил понятие об их фазовом состоянии в воде. Это состояние в известной степени характеризуется дисперсностью ве¬ ществ и определяет закономерности, ко¬ торым подчиняются процессы, протека¬ ющие в водной среде. Предложенный принцип позволяет объе¬ динить в несколько групп разнообразные по химическим и физическим характерис¬ тикам примеси природных, технических и сточных вод и научно обосновать тех¬ нологические приемы водообработки. Ис¬ ходные его положения можно сформули¬ ровать так. 1. Фазово-дисперсное состояние при¬ месей воды обусловливает их поведение в процессе водообработки. 2. Каждому фазово-дисперсному со¬ стоянию примесей отвечает совокупность методов воздействия, позволяющая до¬ стичь требуемых качественных показа¬ телей воды (кондиций) изменением этого состояния или без изменения его. На этой основе все многообразие за¬ грязнений (примесей) природных и про¬ мышленных вод разделено на четыре группы с общим для каждой группы на¬ бором методов водоочистки, предопре¬ деляемым формой нахождения приме¬ сей в воде (см. первый форзац). В основу технологии очистки воды от примесей каждой группы положены про¬ цессы, протекающие под воздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную дисперсную систему. Так, для удаления взвесей, являющихся ки¬ нетически неустойчивыми системами, ис¬ пользуют гравитационные и адгезионные силы, для удаления коллоидных и высоко¬ молекулярных веществ, агрегативно 2i
неустойчивых в водных растворах,— ад¬ гезионные и адсорбционные. Примеси, находящиеся в виде молекулярных рас¬ творов, удаляют путем ассоциации мо¬ лекул под влиянием сил межмолеку- лярного взаимодействия. И, наконец, для удаления из воды электролитов ис¬ пользуют силы химических связей, ха¬ рактерные для ионных процессов. Технология кондиционирования во¬ ды предполагает процессы, связанные с корректированием ее физических и хи¬ мических свойств, а также процессы обеззараживания (устранения болезне¬ творных бактерий и микроорганизмов). Однако, несмотря на принципиальное различие задач этих методов обработки, они могут быть общими в зависимости от фазово-дисперсного состояния минераль¬ ных, органических и биологических при¬ месей воды. К первой группе примесей воды отно¬ сятся взвешенные в воде вещества (от высокодисперсных взвесей до крупных частичек), а также бактериальные взве¬ си и другие биологические загрязнения. Удалять эти примеси можно как безреа- гентными, так и реагентными методами. Вторую группу примесей воды пред¬ ставляют разные типы гидрофильных и гидрофобных коллоидных систем, вы¬ сокомолекулярные вещества и детерген¬ ты, способные в зависимости от условий менять свою агрегативность. Их можно удалять из воды различными методами и технологическими приемами. Напри¬ мер, обработкой воды коагулянтами, флокулянтами, известью, а также хло¬ ром, озоном и другими окислителями. При этом снижается увехж&хь-^воды■ уничтожаются микроорганизмы, разру¬ шаются гидрофильные коллоиды, прояв¬ ляющие защитные свойства по отноше¬ нию к гидрофобным примесям воды, тем самым создавая благоприятные условия для последующего коагулирования, ускоряется процесс образования и осаж¬ дения хлопьев. Для третьей группы примесей, явля¬ ющихся молекулярными растворами, наи¬ более эффективные процессы, обеспечи¬ вающие их удаление из воды,— аэри¬ рование, окисление, адсорбция. Для четвертой группы примесей, пред¬ ставляющих собой электролиты, техноло¬ гия очистки воды сводится к связыванию реагентами ионов, подлежащих устра¬ нению, в малорастворимые и малодис- социированные соединения. При выборе реагентов целесообразно исходить из произведения растворимости 1 образую¬ щихся соединений. В случае малых зна¬ чений ПР полнота очистки воды возра¬ стает, особенно при избытке иона-оса- дителя. Присутствие в воде посторонних солей обусловливает увеличение ионной силы2 раствора, вследствие чего умень¬ шаются коэффициенты активности3 реаги¬ рующих ионов и растворимость осадков возрастает. Все примеси, загрязняющие водоемы, полностью охватываются четырьмя груп¬ пами предлагаемой классификации. Ис¬ пользуя особенности, характеризующие каждую группу примесей, можно нахо¬ дить эффективные методы удаления всего комплекса находящихся в воде примесей небольшим числом соответствующим об¬ разом скомпонованных элементов очист¬ ных сооружений. При проектировании водоочистных станций использование этого принципа классификации помогает определять главные элементы очистных сооружений, компоновать их, а также подбирать реагенты и процессы, которые должны в них протекать. Это наиболее сложная часть проектирования, которое следует развивать в направлении уточнения па¬ раметров сооружений и режима работы с учетом индивидуальных особенностей и состава примесей природных вод или промышленных сточных вод. При разработке технологического про¬ цесса очистки следует также учитывать характеристику водоема, в который сбра¬ сываются сточные воды, или предъяв¬ ляемые технологией производства тре¬ 1 Произведением растворимости (ПР) назы¬ вается произведение концентраций ионов в на¬ сыщенном растворе малорастворимого соедине¬ ния, характеризующее способность его раство¬ ряться. 2 Ионная сила является мерой напряженности электрического поля, создаваемого присутст¬ вующими в растворе ионами. 3 Активность — эффективная концентрация вещества, учитывающая степень связанности его молекул или ионов в растворе. Она поз¬ воляет судить об отклонении свойств данного вещества в сложном растворе от свойств в чистом его растворе при этой же молярной концентрации вещества. Активность вещества зависит от вида и концентрации других компонентов раствора, а также от температуры и давления. 22
1 бования к составу примесей воды, если используются замкнутые циклы водо¬ снабжения. 2.2. Методы обработки воды и очистные сооружения, рекомендуемые на основе классификации В технологии очистки природных вод используются многообразные техноло¬ гические приемы и методы улуч¬ шения качества воды. Выбор рацио¬ нальной схемы обработки воды пред¬ ставляет значительные трудности. Это объясняется не только недоста¬ точно продуманной технологической схе¬ мой, но и изменением состава воды водо¬ ема за время, прошедшее до осуществле¬ ния проекта, в результате сбрасывания сточных вод новых промышленных пред¬ приятий или нарушением условий экс¬ плуатации водоема в связи с развитием водного транспорта, работами по осу¬ шению болот (расположенных выше по течению), развитием торфяных разрабо¬ ток и т. п. Такие нарушения усложняют условия эксплуатации не только новых, но и давно работающих очистных соору¬ жений. Классификация Л. А. Кульского поз¬ волила систематизировать и существую¬ щие методы водообработки. Для лучшей ориентации при выборе метода, обеспечивающего требуемую сте¬ пень очистки воды, составлены таблицы, содержащие данные об используемых процессах и технологических методах об¬ работки воды, условиях их применения в зависимости от качественных показа¬ телей последней, о применяемых реаген¬ тах и их расходах, компоновке очистных сооружений, степени очистки воды и ори¬ ентировочной стоимости процессов (см. прил. II). Технологические схемы предусматри¬ вают компоновку очистных сооружений, охватывающих процессы удаления ве¬ ществ, относящихся обычно к несколь¬ ким группам данной классификации. Поэтому при составлении схемы водо¬ обработки следует выбирать методы и режимы, наиболее эффективные для уда¬ ления примесей каждой из групп. Жела¬ тельна предварительная лабораторная проверка и сравнительная технико-эконо- мическая оценка нескольких вариантов. Для удаления из воды гетерофазных примесей I группы рекомендуются следу¬ ющие процессы: механическое разделе¬ ние в гравитационном поле или под действием центробежных сил, а также фильтрование через пористые загрузки и мелкие сетки; адгезия на высокодисперс¬ ных и зернистых материалах, а также гидроксидах алюминия или железа и глинистых минералах; агрегация фло- кулянтами; флотация примесей и др.; для патогенных микроорганизмов — бак¬ терицидное воздействие. Комплекс очистных сооружений, обес¬ печивающий протекание большинства пе¬ речисленных процессов, включает все необходимые типовые элементы, а имен¬ но: смесители, камеры хлопьеобразова- ния, отстойники (осветлители), фильтры— при двухступенчатой схеме очистки, кон¬ тактные осветлители или контактные фильтры — при одноступенчатой схеме. Для устранения микрогетерофазных примесей II группы более эффективны процессы окисления органических кол¬ лоидных веществ и высокомолекуляр¬ ных соединений, адгезия и адсорбция их на гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтами катионного ти¬ па и др.; для вирусов —вирулицид- ное воздействие. Как в случае примесей I группы, комп¬ лекс очистных сооружений, необходи¬ мых для осуществления этих процессов, состоит из типовых элементов, исполь¬ зуемых в двух- или одноступенчатой схемах очистки воды. Для удаления молекулярно раство¬ ренных веществ, входящих в III группу, применяют следующие процессы: де¬ сорбцию летучих соединений; окисление органических веществ; адсорбцию на активированном угле и других сорбен¬ тах; экстракцию органическими раствори¬ телями; отгонку паром — эвапорацию и др. Методы удаления таких примесей специфичны и поэтому здесь использует¬ ся аппаратура специального назначе¬ ния. Для удаления электролитов лучше ис¬ пользовать ионные процессы: перевод в малодиссоциированные (нейтрализа¬ ция, комплексообразование) или малорас¬ творимые соединения; фиксация на твер¬ 23
дой фазе ионитов (H-Na-катионирование, ОН-анионирование); сепарация измене¬ нием фазового состояния воды с перево¬ дом ее в газообразное состояние (дистил¬ ляция) или в твердую фазу (выморажи¬ вание, гидратообразование); перерас¬ пределение ионов в жидкой фазе (экстракция, обратный осмос); подвиж¬ ность ионов в электрическом поле и др. Установки, предназначенные для осу¬ ществления этих процессов, могут до¬ полнять основные очистные сооружения. Иногда молекулярные и ионные примеси можно удалять параллельно с выделе¬ нием гетерофазных загрязнений в типич¬ ной для них аппаратуре. В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02—84, метод обработки воды, состав и расчетные параметры очистных сооружений и расчетные дозы реагентов надлежит устанавливать в зависимости от качества воды в источнике водоснабже¬ ния, ее назначения, производитель¬ ности станции и местных условий, а также на основании данных технологи¬ ческих исследований и эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях. 2.3. Технологические схемы, применяемые при обработке воды, и принципы их компоновки Для разработки технологических схем улучшения качества воды требуются многие данные. Прежде всего устанав¬ ливается целевое назначение воды, т. е. требования потребителя к ее физическим, химическим и бактериологическим пока¬ зателям; учитывается качество воды са¬ мого источника водоснабжения в разные времена года, степень и возможность загрязнения его бытовыми и промышлен¬ ными сточными водами и др. Ответственным и сложным этапом яв¬ ляется правильная оценка источника во¬ доснабжения. Важно не только опреде¬ лить примеси воды, обусловливающие ее привкусы, запахи, цветность, мут¬ ность, жесткость и т. д., но и изучить химические и биологические процессы, протекающие в водоеме и влияющие на стабильность состава воды. Поэтому оцен-, ка водоема, как правило, складывается 24 в результате длительного наблюдения за составом примесей воды, за изменением во времени каждого отдельного компо¬ нента. Только при таком изучении можно правильно расшифровать данные ана¬ лиза воды. Кроме специфических особенностей очистки воды, определяемых требования¬ ми потребителя и устанавливаемых в каждом отдельном случае, существуют и некоторые общие положения, кото¬ рыми можно руководствоваться при вы¬ боре схем очистки воды, подборе эле¬ ментов очистных сооружений и их компо¬ новке. При подготовке питьевой воды в слу¬ чае, если забор ее производится из от¬ крытых водоемов, воду обычно осветля¬ ют, обесцвечивают и обеззараживают. Если же источники водоснабжения — подземные напорные и безнапорные во¬ ды или вода чистых озер и прудов, ее обработка ограничивается только обез¬ зараживанием. Конструктивное оформление принятой схемы определяется производитель¬ ностью и составом проектируемых сооружений, рельефом и гидрогеологией площадки, климатическими данными и возможностью создания зон санитар¬ ной охраны, а также технико-экономи¬ ческими расчетами. При проектировании очистных соору¬ жений комплекс и типы основного и вспомогательного оборудования опреде¬ ляются принятым методом обработки во¬ ды. Объемы отдельных сооружений рас¬ считывают по времени, необходимому для протекания тех или иных физико-хими¬ ческих процессов в воде, поступающей на обработку. При непрерывной работе этих сооружений расчет их обязательно предполагает нахождение времени пре¬ рывания воды в различных элементах схемы при скорости потока, соответству¬ ющей нормальному течению процесса очистки. Реагенты в воду подают таким образом, чтобы обработка ее заканчивалась в проектируемом комплексе оборудования и выходящая вода соответствовала требо¬ ваниям потребителя и чтобы в дальней¬ шем вода не измен яла., своего состава и свойств. Ляп—этого Магенты следует вводить в начале очистных сооружений и специальными устройствами обеспе-
Рис. 2.1. Высотные схе¬ мы технологических со¬ оружений водоочистных станций: а — с вертикальными от¬ стойниками и скорыми фильтрами; 6 — с освет¬ лителями и фильтрами; в — с горизонтальными отстойниками и фильтра мл; г — с контактными осветлителями, д — с пре- фильтрами и медленными фильтрами. — насосная станция первоп подъема. 2 — смесители 3 — реа- гентный цех. 4 — водо¬ воротная камера хлопье¬ образован и я. 5 — верти¬ кальный отстойник. 6 — скорые фильтры: 7— хло- раторная; Н — резервуа¬ ры чистой воды: ь — на¬ сосная станция второго подъема; >0 — осветлите¬ ли со слоем взвешенной контактной среды: / > — камера хлопьеобразова- ния; 12 — горизонталь¬ ные отстойники 13 — контактные осветлители; 14 — префильтры: 15 — медленные фильтры О Хлор т t = ■■ —j _v_ m -Г-*”' чивать быстрое и полное смешение от- дозированных реагентов со всей массой очищаемой воды. Исключение состав¬ ляют методы обработки воды, предна¬ значенные для устранения воздействия разветвленной еети трубопроводов на качество воды (повторное бактериаль¬ ное загрязнение, коррозия и т. д.), а также для ее обогащения микроэле¬ ментами (фторирование). В этом случае реагенты, не содержащие взвешенных веществ и не образующие их при взаимо¬ действии с солями, содержащимися в воде, разрешается вводить в очищенную воду. При использовании для очистки во¬ ды нескольких методов обработки раз¬ мещение соответствующего оборудова¬ 25 \
ния для дополнительных процессов не должно влиять на основную технологи¬ ческую схему сооружений. По принципу перемещения масс воды в очистных сооружениях различают са¬ мотечные и напорные системы. В первых применяются сооружения открытого ти¬ па. Поступающая на обработку вода протекает в них самотеком вследствие разницы гидростатических уровней как в различных частях сооружений, так и между отдельными сооружениями. В напорных системах используются сооружения закрытого типа, в которых вода циркулирует под давлением, созда¬ ваемым насосной станцией. Компоновка водопроводных станций с самотечными очистными сооружениями, обеспечивающими осветление, обесцве¬ чивание и обеззараживание воды, пока¬ зана на рис. 2.1. Некоторые изменения вносят в техно¬ логическую схему осветления и обезза¬ раживания воды в случае использования повышенных доз хлора для устранения стойких неприятных привкусов и запахов, уничтожения планктона и пр. Такая видоизмененная схема обработки воды предусматривает двухкратное хлорирова¬ ние воды, а иногда и дехлорирование ее. В этом случае первичное хлорирование производится в водоприемном колодце или на насосной станции первого подъе¬ ма. После осветления в конце отстойни¬ ка или за фильтрами осуществляется вто¬ ричное хлорирование. Избыток хлора удаляют адсорбцион¬ ными фильтрами, заполненными грану¬ лированным активированным углем. Ес¬ ли воду дехлорируют оксидом серы (IV) или другими химическими реагентами, угольные фильтры не нужны. Места вво¬ да обеззараживающего реагента (обычно хлора) меняют в зависимости от качест¬ ва исходной воды. При наличии в необ¬ работанной воде солей железа (II) и марганца (II) необходимо проводить двухкратное хлорирование (до отстаи¬ вания и после фильтрования). При проектировании самотечных очистных сооружений для удешевления строительства необходимо максимально использовать рельеф местности. Для это¬ го составляют высотную схему сооруже¬ ний, на которой устанавливают поло¬ жение (отметку) уровней воды в каждом сооружении в соответствии с избранной технологической схемой. Составление высотной схемы начинают с наиболее низко расположенного сооружения — резервуара чистой воды. Отметку на¬ ивысшего уровня воды в нем прини¬ мают исходя из строительных и са¬ нитарных соображений с учетом рель¬ ефа местности (обычно на 0,15—0,50 м выше отметки земли). Затем, задавая потери напора в трубопроводах, фасон¬ ных частях и соединительных каналах, находят необходимые отметки уровней воды в отдельных сооружениях. Йри этом для предварительного высотного расположения сооружений потери на¬ пора в них, соединительных коммуни¬ кациях и измерительной аппаратуре мо¬ гут быть приняты такими, м: на сетчатых барабанных фильтрах (барабанных сетках и микрофильтрах) 0,4—0,6 во входных (контактных) камерах 0,3—0,5 в устройствах ввода реагентов 0,1—0,3 в гидравлических смесителях ,, 0,5—0,6 в механических смесителях S I 0,1—0,2 в гидравлических камерах хлоЛьеоб- разования 0,4—0,5 в механических камерах хлопьеобра- зования 0,1—0,2 в отстойниках 0,7—0,8 в осветлителях со слоем взвешенной контактной среды 0,7—0,8 на скорых фильтрах 3—3,5 в контактных осветлителях и пре- фильтрах 2—2,5 на медленных фильтрах 1,5—2 от сетчатых барабанных фильтров или входных камер к смесителям 0,2 от смесителей к отстойникам, освет¬ лителям со слоем взвешенной кон¬ тактной среды и контактным осветли¬ телям 0,3—0,4 от отстойников, осветлителей со сло¬ ем взвешенной контактной среды или префильтров к фильтрам 0,5—0,6 от фильтров или контактных осветли¬ телей к резервуарам фильтрованной воды 0,5—1 в измерительной аппаратуре на входе и выходе со станции по 0,5 в индикаторах расхода на отстойни¬ ках, осветлителях со слоем взвешен¬ ной контактной среды, фильтрах и контактных осветлителях по 0,2—0,3 Найденные отметки уровня воды в каждом отдельном элементе очистных сооружений и принимают как заданные в последующих расчетах. В напорных системах, используемых для обработки небольших количеств воды, взаимное высотное расположение отдельных сооружений не играет осо¬ 26
бой роли. Потери напора в таких уста¬ новках состоят из суммы потерь напора в отдельных сооружениях и соединяю¬ щих их трубопроводах, а также из до¬ полнительной потери напора на фильтрах при полном их загрязнении. Компоновка очистных сооружений должна обеспечивать возможность даль¬ нейшего их расширения, что особенно важно для крупных городских и промыш¬ ленных водопроводов. Схема компоновки очистных сооружений водопроводных станций представлена на рис. 2.2. Одно из основных требований, предъяв¬ ляемых к водоочистным станциям,— бес¬ перебойность в работе. На рис. 2.2 штри¬ ховой линией показано расположение об¬ водной линии, позволяющей отключить весь комплекс очистных сооружений и при необходимости подавать воду через резервуар чистой воды во всасываю¬ щие линии насосной станции второго подъема. Если производительность станций пре¬ вышает 100 ООО м3/сут, обводные комму¬ никации можно не предусматривать. Очистные сооружения следует проекти¬ ровать согласно инструкции по состав¬ лению проектов и смет по промышлен¬ ному и жилищно-гражданскому стро¬ ительству. Полный объем воды, поступающей на водоочистную станцию, определяется с учетом расхода воды на собственные Глава 3 РЕАГЕНТНОЕ ХОЗЯЙСТВО 3.1. Компоновка реагентного хозяйства На очистны^ станциях современных во¬ допроводов предусматривается строи¬ тельство складов реагентов, устройств для их хранения в сухом виде или в ви¬ де концентрированных растворов и ус¬ тройств для приготовления растворов необходимой концентрации. По компоновке реагентные хозяйства разделяют на две группы: совмещенного и блочного типов. К первой группе относят реагентные хозяйства водоочистных станций про¬ изводительностью до 50 тыс. м3/сут. Рис. 2.2. Схема компоновки очистных сооружений: / — реагентное хозяйство; 2 — насосная станция пер¬ вого подъема; 3 — хлораторная; 4 — смесители; 5 — камеры хлопьеобразования; 6 — отстойники; 7 — фильтры; 8 — резервуар чистой воды; 9 — насосная станция второго подъема. нужды (промывка фильтров, очистка отстойников, камер хлопьеобразования, продувка осветлителей и др.). Расходы воды для хозяйственно-пить- евых нужд на промышленных предприя¬ тиях должны определяться в соответст¬ вии с рекомендациями СНиП 11-30-76 и 11-90-81. Здание реагентного хозяйства выполня¬ ют в виде пристройки к основным соору¬ жениям, технологические процессы про¬ исходят в вертикальном потоке воды и реагентов. Ко второй группе относят реагентные хозяйства водоочистных станций про¬ изводительностью свыше 50 тыс. м3/сут. Все процессы протекают в одном здании, причем, как правило, соблюдается гори¬ зонтальная схема движения воды и ре¬ агентов по всему технологическому цик¬ лу реагентного цеха. Реагентные хозяйства первой группы занимают сравнительно небольшие пло¬ щади, однако имеют недостатки, прояв¬ 27
Рис. 3.1. Принципиальная типовая схема компоновки реагентного хозяйства водоочистной станции блочного гипа (по Е. Н. Казарскому и Ю. А. Ташкевичу): /—V — соответственно склады коагулянта, угольного порошка, извести, полиакриламида, фтора; VI —фтора- торная; VII — испарительная хлора; VIII — хлораторная. IX — вспомогательные служебные помещения; / — подъездной железнодорожный тупик; 2 — грейферный кран; 3, 4 — соответственно растворные и расход¬ ные баки коагулянта; 5 — дозатор угольного порошка 6 — известковый насос, 7 — известегасилки, 8 — рас¬ творные баки известкового молока; 9 — бункер для загрузки извести; 10 — установка для приготовления раствора полиакриламида; II — растворные баки полиакриламида; 12, 14 — бойлеры — соответственно фто- раторной и испарительной установок; 13 — сатураторы: /5 — испарители хлора; 16 — хлораторы; 17 —. сме¬ сители; /8 — воздуходувки. ляющиеся в процессе эксплуатации: ела- бая механизация погрузоразгрузочных работ и низкий уровень автоматизации технологических процессов, наличие са¬ мотечных трубопроводов различного на¬ значения, малодоступных для ремонта и •осмотра, которые препятствуют нормаль¬ ной работе всего комплекса. Реагентные хозяйства второй группы в значительной степени лишены этих недостатков. Компоновка и состав их позволяют почти полностью механизи¬ ровать все процессы. На рис. 3.1 приве¬ дена схема компоновки реагентного хо¬ зяйства блочного типа. Основные реагенты (сульфат железа (II), сульфат алюминия, известь и акти¬ вированный уголь) доставляют в желез¬ нодорожных вагонах непосредственно внутрь здания склада. Выгружают их из вагонов разгрузочной машиной МВС-ЗМ. Из складов грейферным краном известь подают в приемный бункер известегаси- лок типа МИК, коагулянты — в затвор¬ ные, а затем в растворные баки, откуда раствор дозируют в воду; активирован¬ ный уголь подают в емкости для приго¬ товления угольной суспензии. 3.2. Прогноз расхода коагулянта Запас реагентов для водопроводных очи¬ стных станций рассчитывают исходя из их расхода в прошедшем году с учетом средних показателей за несколько лет. Однако такой способ расчета приводит к значительным расхождениям между фактической и плановой потребностью в реагентах. Это связано в большинстве случаев с сезонными и годовыми коле¬ баниями качества воды в источниках во¬ доснабжения. Резкие колебания в рас¬ ходе реагентов приводят к большому изменению затрат на их приобретение, в то время как затраты на электроэнер¬ гию, амортизацию, заработную плату, цеховые и общеэксплуатационные расхо¬ ды в расчете на единицу очищаемой воды изменяются незначительно. В отдельные периоды года коагулянт накапливается и слеживается в монолитную массу, для использования которой требуется дроб¬ ление. В другие периоды, наоборот, его расход возрастает в 1,5—2 раза по срав¬ нению с этим же периодом прошлого года и на водопроводной станции испы¬ тывается недостаток в коагулянте. 28
Эти затруднения возникают в основном потому, что на водопроводных станциях в отличие от других промышленных предприятий невозможно предвидеть ко¬ личество и качество исходной воды, а оптимальная доза реагента, необходи¬ мая для доведения ее качества до требо¬ ваний стандарта, определяется техноло¬ гическим анализом на месте забора во¬ ды из источника. Анализом большого числа эксплуата¬ ционных данных Г. Г. Руденко и И. Т. Гороновский установили, что за¬ труднения в планировании расхода ре¬ агентов можно устранить. Для этого на каждой водопроводной станции следует установить влияние наиболее важных технологических показателей качества обрабатываемой воды на дозу применя¬ емых реагентов. Качественные показате¬ ли исходной воды, используемые как переменные, в свою очередь должны быть увязаны с природными условиями конкретного водоисточника. Поскольку кинетика процесса освет¬ ления и обесцвечивания воды коагули¬ рованием и хлорированием и дозы при¬ меняемых реагентов в большой мере за¬ висят от физико-химических, биологи¬ ческих, гидродинамических и техноло¬ гических факторов (цветности и мутнос¬ ти исходной воды, ее ионного состава, значения pH, температуры, наличия в ней фито- и зоопланктона, переме¬ шивания, места и последовательнос¬ ти ввода реагентов, их коагулирующей способности, состава и особенностей очи¬ стных сооружений и т. д.), выразить их взаимовлияние обычными функцио¬ нальными зависимостями не всегда воз¬ можно. Поэтому для обработки экспе¬ риментальных данных следует исполь¬ зовать методы математической статисти¬ ки с применением ЭВМ. Так, например, 12-летний опыт экс¬ плуатации Днепровской водопроводной станции г. Киева свидетельствует о том, что из перечисленных факторов на процесс коагуляции примесей воды больше всего влияют ее цветность, ще¬ лочность, температура и применяемая доза хлора. С помощью ЭВМ для дне¬ провской воды найдены коэффициенты линейного уравнения множественной ре¬ грессии, позволяющие определить оп¬ тимальную дозу коагулянта —очищен- и> ного сульфата алюминия в пересчете на А1203 — по уравнению Дк = 0,9 Ц + 13,6 Щ — 0,4/ + 0.9С1 + 4, где Ц — устраняемая цветность воды, град.; Щ —щелочность воды; t —тем¬ пература воды, °С; С1 — доза хлора, мг/л. Аналогичные линейные зависимости выведены для воды р. Москвы, имеющей повышенную мутность. В период весеннего паводка Дк= 20,62 + 0,004/И — 0,59 Щ + + 0,0007/ — 1,76 pH; в период осеннего паводка Дк = 7,62 + 0,04М — 1,09 Щ, где М —мутность воды, мг/л. Благодаря многолетним наблюдениям для днепровской воды также установле¬ на зависимость изменения цветности и экспоненциальная зависимость ее ще¬ лочности от расхода воды в реке, что позволяет по долгосрочному прогнозу Гидрометеослужбы рассчитать потреб¬ ность в коагулянте и хлоре для ее обра¬ ботки. Приведенные зависимости показывают, что кроме цветности и мутности на рас¬ ход коагулянта значительно влияет ще¬ лочность воды: доза коагулянта возрас¬ тает при обработке цветных вод с повы¬ шенной щелочностью и, наоборот, сни¬ жается при обработке мутных вод. По¬ этому целесообразно обесцвечивать под¬ кисленную, а осветлять — подщелочен¬ ную воду. 3.3. Расчетные дозы реагентов Расчетные дозы реагентов устанавлива¬ ют на основании данных, получаемых в результате пробной обработки воды в лабораторных условиях, или по данным эксплуатации действующих сооруже¬ ний, работающих в аналогичных усло¬ виях. При этом учитывают допустимое ос¬ таточное содержание реагентов, преду¬ смотренное ГОСТ 2874—82 «Вода питье¬ вая». Пробное коагулирование примесей во¬ ды производят в стеклянных цилиндрах, в которые наливают по 500 мл исследу¬ емой воды и вводят от 20 до 200 мг/л ко¬ агулянта с интервалом концентраций 29 (
Таблица 3.1. Расчетные дозы коагулянта для осветления мутных вод Мутность воды, мг/л Доза безводного коагулянта для обработки мутных вод, мг/л с высокодис¬ персной взвесью (ио<0,05 мм/с) с низкодис¬ персной взвесью До 100 35 25 101—200 40 30 201—400 45 35 401—600 50 45 601—800 60 50 801—1000 70 60 1001—1500 80 70 в 20 мг/л. В результате пробного коагу¬ лирования устанавливают оптимальную дозу коагулянта (доза коагулянта, да¬ ющая крупные, быстро оседающие хло¬ пья, без опалесценции). После филь¬ трования цветность и мутность воды должны удовлетворять требованиям ГОСТа. Суточный расход (дозу) реагента Дс определяют по формуле Дс = <2ДР/(10 000Я), где Q — количество обрабатываемой во¬ ды, м3/сут; Др — доза реагента в рас¬ чете на его активную часть (устанавли¬ вают пробной обработкой воды реаген¬ том), мг/л; Р — содержание активного реагента в товарном продукте, %. Расчет растворных баков, дозаторов, конвейеров, трубопроводов растворов (кроме трубопроводов известкового мо¬ лока) и складов реагентов производят на максимальные дозы реагентов. Приведенные в СНиП 2.04.02—84 до¬ зы реагентов, определяемые на основе данных химического анализа воды, яв¬ ляются ориентировочными и подлежат уточнению технологическими анализами (пробным коагулированием, углевани- ем, хлорированием и т. д.). Для проектируемых станций освет¬ ления и обесцвечивания воды дозы коа¬ гулянта в пересчете на безводный суль¬ фат алюминия, хлорид и сульфат желе¬ за (III) при обработке мутных вод оп¬ ределяют по табл. 3.1, при обработке цветных вод рассчитывают по формуле Дк = 4 уц, где Ц — цветность обрабатываемой во¬ ды, град, (меньшие дозы относятся к во¬ де, содержащей низкодисперсную взвесь; если в воде одновременно содержатся окрашенные и взвешенные вещества, принимается большая из доз, вычислен¬ ная по мутности или цветности). Если применяются контактные освет¬ лители или фильтры, работающие по принципу коагуляции в толще фильтру¬ ющей загрузки, дозу коагулянта Дн следует уменьшать на 10—15 % по срав¬ нению с приведенной в табл. 3.1 и рас¬ считанной по формуле. При расчете доз реагентов, необходи¬ мых для подщелачивания воды при ее коагуляции, исходят из необходимого повышения щелочности воды. Дозы под¬ щелачивающих реагентов Дт вычис¬ ляют по формуле Лщ = (~—Що+ l)*. где е —эквивалентная масса безводного коагулянта, мг-экв/л, равная для А1а (S04)3 - 57; FeCl3 - 54, Fe2 (S04)3 — 67; Дщ — доза подщелачивающих реа¬ гентов (извести в пересчете на СаО, соды в пересчете на Na2C03, едкого натра в пересчете на NaOH), мг/л; Щ0 — ще¬ лочность природной воды, мг-экв/л; 1 — избыточная щелочность воды, необхо¬ димая для нормального протекания про¬ цесса коагуляции; К — коэффициент (для извести равен 28, для гидроксида натрия —40, для соды —53). Если значение Дщ получается отрица¬ тельным, то подщелачивать воду не нужно. Для интенсификации процесса коа¬ гуляции рекомендуется применять в ка¬ честве флокулянтов (в дополнение к коагулянтам) полиакриламид (ПАА) и ак¬ тивную кремниевую кислоту (АК). До¬ зы их зависят от места ввода, типа и ре¬ жима работы сооружений, физико¬ химических свойств обрабатываемой воды. Для ориентировочных расчетов дозу ПАА при введении его перед отстойника¬ ми и осветлителями для укрупнения хлопьев скоагулированных взвешенных веществ принимают 0,2—1,5 мг/л по безводному продукту; при введении ПАА перед фильтрами в двухступенчатой схе¬ ме очистки воды для укрупнения хло¬ 30
пьев взвеси—0,05—0,1 мг/л; при вве¬ дении перед контактными осветлителя¬ ми или фильтрами в одноступенчатой схе¬ ме очистки—0,2—0,'6 мг/л. Дозу АК (в пересчете на Si02) при введении в во¬ ду с цветностью до 100 град и с содер¬ жанием взвешенных веществ до 50 мг/л перед отстойниками или осветлителями при температуре выше 5—7 °С прини¬ мают 2—3 мг/л; при температуре ниже 5—7 °С — 3—5 мг/л; при введении в во¬ ду перед фильтрами в двухступенчатой схеме очистки —0,2—0,5 мг/л; при вве¬ дении перед контактными осветлителя¬ ми или фильтрами в одноступенчатой схеме очистки — 1—3 мг/л. Дозы хлорсодержащих реагентов (по активному хлору) для предварительного хлорирования, а также для улучшения коагуляции, обесцвечивания и обеззара¬ живания принимают равными 10 мг/л. При наличии в обрабатываемой воде следов фенолов во избежание появления при ее хлорировании хлорфенольных за¬ пахов и привкусов для обеззараживания воды вместо хлора следует применять озон (1—3 мг/л для фильтрованной во¬ ды поверхностных источников и 0,75— 1 мг/л для воды подземных источников). Если фенолы в воде источника водоснаб¬ жения появляются эпизодически или озон по каким-либо причинам приме¬ нить нельзя, воду следует обеззаражи¬ вать хлором после предварительной ам- монизации. При хлорировании с аммонизацией аммиак или аммонийные соли вводят в количестве 20—25 % (в пересчете на NH3) дозы хлора, чтобы в воде, забира¬ емой из резервуаров чистой воды, че¬ рез час после введения хлора содержа¬ лось 0,8—1,2 мг/л аммиака, связанного в хлорамины. Запахи и привкусы устраняют также порошкообразным высокодисперсным ак¬ тивированным углем, дозу которого (в пересчете на уголь марки «А-щелочной») принимают в зависимости от степени за¬ грязнения воды (3 балла —до 20; 4 бал¬ ла — 30—40; 5 баллов — 50—80 мг/л), или перманганатом калия. При пер- манганатной окисляемости воды от 8 до 10 мг/л 02 дозу активированного угля принимают равной 1 —3; от 10 до 15 мг/л Ой —3—5; от 15 до 25 мг/л 02 —5— 10 мг/л. Если порошкообразным активирован¬ ным углем или перманганатом калия приходится обрабатывать сильно за¬ грязненную воду, то их берут в большем количестве. 3.4. Склады для хранения реагентов Для хранения реагентов устраивают склады. Их рассчитывают на 15—30- суточный запас реагентов исходя из периода максимального их расхода с учетом условий доставки. Если коагу¬ лянт на водоочистную станцию достав¬ ляют железнодорожным транспортом, то целесообразно, чтобы вместимость скла¬ дов равнялась кратному объему больше¬ грузного вагона при 10-суточном запасе реагента к моменту загрузки. Сроки поставки реагентов необходимо увязывать с режимом их расходования; загруженность складских помещений не должна превышать их проектной вмес¬ тимости. При наличии центральных (базисных) складов объем складов на станциях очи¬ стки и подготовки воды допускается рас¬ считывать на срок хранения реагентов не менее 7 сут. Площадь склада FCK для хранения ко¬ агулянта определяют по формуле Р РсДкТа ск~ 10 000p6',/tK ’ где Qc — полная производительность очистной станции, м3/сут; Дк —рас¬ четная доза коагулянта по максималь¬ ной потребности, г/м3; Т — продолжи¬ тельность хранения коагулянта на скла¬ де, сут; а — коэффициент учета допол¬ нительной площади проходов на складе (а = 1,15); р —содержание безводного продукта в коагулянте, %; G0—объем¬ ная масса коагулянта при загрузке скла¬ да, т/м3; hK —допустимая высота слоя коагулянта на складе, м. В зависимости от вида реагентов про¬ ектируют склады для хранения реаген¬ тов в сухом виде, в виде концентриро¬ ванных растворов или продуктов, за¬ литых водой. Сухие реагенты хранят в закрытых складах, размещаемых обычно на I этаже здания реагентного хозяйства, вблизи мест приготовления растворов 31
/Т 48000 10 Jf^ Н I' /• !) Р -Кгг^ "а г 7 J //// ’. ’.g v, :jrzr?J~j ,Тг Рис. 3.2. Схема совмещенных складов сухих реагентов: « коагулянта и извести; 6 —- насыпного реагента и реагента в таре; 1,2 — склады сухих реагентов* 3 электрифицированная кран-балка; 4 — поддон для реагента в таре; 5 — контейнер или грейфер для на- цробил^^еа/7-адозморОРОТа: 7 ~ растворные или расходные баки; 8 - воронка. 9 - известегасилка: - 10 (рис. 3.2), и лишь на станциях большой производительности, как исключение, оборудуют отдельные складские поме¬ щения для реагентов. ' Высоту слоя реагентов принимают: сульфата алюминия и поваренной со¬ ли — 2 м, негашеной извести —1,5 м. При наличии соответствующей механи¬ зации допускается увеличение высоты слоя сульфата алюминия до 3,5, извести — до 2,5 м. Высота укладки реагентов Рис. 3.3. Узел стены хра¬ нилища коагулянта: / — железобетонная сте¬ на; 2 — изоляция из двух слоев полиизобутилена; 3 — кислотоупорный кир¬ пич; 4 — стальной гум¬ мированный патрубок; 5 — асбестоандезитовая заделка; 6 — полиэтиле¬ новый патрубок. в таре должна составлять, железного купороса в бумажных мешках — 2,0— 3,5 м; хлорида железа (111) в барабанах, активированного угля в бумажных меш¬ ках, жидкого стекла в бочках, техни¬ ческого перманганата калия в металли¬ ческих бочках или баках, полиакрил¬ амида (геля 6—9 %) в бочках, кремне- фторида натрия в бочках — 2,5 м; каль¬ цинированной соды в бумажных меш¬ ках — 2—3,5 м, в контейнерах — 2—3 м. Хранят реагенты также в виде рас¬ твора и в виде кускового продукта в на¬ сыщенном растворе. Баки-хранилища располагают, как правило, внутри зда¬ ний, но при обосновании допускается размещение их вне зданий. В обоих случаях обеспечивается проход вокруг баков, предусматриваются мероприятия, исключающие проникновение раствора в грунт и выполняется антикоррозион¬ ная облицовка (рис. 3.3). Баков-храни¬ лищ должно быть не менее 3, при боль¬ 32
шем их количестве предусматривает¬ ся один резервный. Концентрация растворов коагулян¬ тов при мокром хранении в баках- хранилищах составляет 15—20 (в пере¬ счете на чистый безводный продукт). Из 1 т очищенного коагулянта получают около 2,2 м3 раствора такой концентра¬ ции. Следует отметить такие особенности хранения других реагентов на станци¬ ях обработки воды. 1. Известь можно помещать в одном складе с коагулянтами. 2. Хлорную известь необходимо хра¬ нить в деревянных бочках в отдельном сухом, прохладном, хорошо вентилируе¬ мом помещении. 3. При хранении реагентов для фто¬ рирования воды должны соблюдаться особые условия, ввиду их токсичности. Так, фторсодержащие реагенты хранят на складе при температуре не ниже 5 °С в заводской таре (стальных или фанер¬ ных барабанах, деревянных бочках мас¬ сой нетто 50—150 кг), распечатывать и заполнять порошкообразным реагентом переносную тару, а также затворять реагент водой следует в отдельной ком¬ нате, изолированной от помещения фтораторной. Эту комнату необходимо оборудовать приточно-вытяжной вен¬ тиляцией с 12-кратным обменом возду¬ ха в течение 1 ч с учетом резервной вен¬ тиляции с 6-кратным обменом воздуха в течение 1 ч. Хорошо вентилируемые склад и фто- раторная должны быть надежно изоли¬ рованы от других помещений; транспор¬ тирование фторсодержащих соединений механизируют. 4. Пакеты и барабаны с активирован¬ ным углем укладывают по маркам и да¬ там поступления; к помещениям для его хранения требование взрывобезопас- ности не предъявляется, по пожарной опасности его относят к категории «В». 5. Полиакриламид и жидкое стекло во избежание замораживания и усыха¬ ния хранят в крытых помещениях при плюсовой температуре, но не выше 25 °С. Технический 8 %-й раствор полиакрил¬ амида транспортируют и хранят в боч¬ ках, содержащих 100—150 кг продукта. Для устранения утечек такие бочки дол¬ жны находиться в вертикальном поло¬ жении загрузочным люком вверх. При дефектах тары или при необходимости хранения вскрытых бочек продукт сле¬ дует залить водой. Жидкое стекло хранят в герметически закупоренных деревян¬ ных или железных бочках или в цистер¬ нах. Склады для хранения кислот должны быть оборудованы на основании санитар¬ ных правил проектирования, оборудова¬ ния и содержания складов для хранения сильнодействующих и ядовитых веществ (СДЯВ) с учетом правил устройства и безопасности эксплуатации сосудов, ра¬ ботающих под давлением. Их изолируют друг от друга и остальных складских помещений. Небольшое количество кис¬ лот можно хранить в помещениях с хо¬ рошей тягой. Склады для хранения хлора и аммиака рассчитывают на хранение этих реаген¬ тов в бочках. Такие склады должны быть изолированы от других складских по¬ мещений и отвечать правилам хранения сжиженных газов. Целесообразно рас¬ полагать их в самых низких точках. Ес¬ ли суточный расход хлора превышает 1 т, расходный склад может состоять из танков заводского изготовления вмес¬ тимостью до 50 т; при этом следует пре¬ дусмотреть также станцию перелива жид¬ кого хлора из железнодорожных цис¬ терн. Оборудование складов и станций перелива хлора необходимо проекти¬ ровать с учетом требований, изложенных в правилах устройства и безопасности аппаратуры, работающей под давлени¬ ем, а также указаний по организации хлорирования жидким хлором на ком мунальных водопроводах. Длина хло- ропроводов для подачи газообразного хлора из расходного склада к месту хлорирования воды не должна превы¬ шать 1 км. Объем помещения для хранения иони- товых материалов рассчитывают на хра¬ нение двух загрузок катионитовых филь¬ тров и по одной загрузке фильтров со слабо- и сильноосновным анионитами. Соли целесообразнее хранить в мок¬ ром виде. Если суточный расход продук¬ та менее 0,5 т, допускается сухое хра¬ нение. При проектировании и строительстве складов следует принимать меры по ме¬ ханизации всех процессов. Очень 2 5-2398 33
трудоемкой операцией является выгрузка реагентов из железнодорожных вагонов. Для этого применяют механические ло¬ паты, ленточные и пневматические кон¬ вейеры. Пневматические конвейеры также мож¬ но использовать для транспортирова¬ ния сульфата алюминия в пылевидном или рыхлом (не слежавшемся) состоя¬ нии в бункере. Существуют три типа пневматичес¬ ких транспортирующих установок: вса¬ сывающие, нагнетательные и смешан¬ ные. Всасывающие установки применя¬ ют для подачи реагента из разных мест разгрузки к одному месту, а нагнетатель¬ ные — из одного места разгрузки в раз¬ ные места потребления. Смешанные пнев¬ матические установки целесообразно при¬ менять для транспортирования реаген¬ та из разных мест (железнодорожных вагонов) в бункера. 3.5. Приготовление растворов коагулянтов Одним из основных этапов очистки воды коагулированием является подготовка реагентов, которая в большинстве слу¬ чаев сводится к приготовлению раство- 3 ров коагулянтов необходимой концен- J трации. Используемые для водоочистки реагенты обычно представляют собой твердые вещества (очищенный и неочи¬ щенный сульфаты алюминия, хлорид железа (III)), которые подаются в воду либо в виде растворов заданной концен¬ трации, либо в виде тщательно измель¬ ченного и высушенного порошка. В СССР распространен преимущест¬ венно способ мокрого дозирования реа¬ гентов. Поэтому их необходимо предва¬ рительно растворять. Скорость этого процесса зависит от степени измельче¬ ния реагентов, температуры и скорости движения воды. Процесс растворения состоит в посте¬ пенном распределении одного вещества в другом и всегда сопровождается пере¬ носом вещества в места его меньшей кон¬ центрации. Этот перенос обусловлива¬ ют два явления —диффузия и конвек¬ ция. Диффузия вызывается переходом растворенного вещества из мест с боль¬ шей концентрацией к местам с меньшей концентрацией до ее полного выравни¬ вания. Процесс выравнивания концен¬ трации в результате перемещения жид¬ кости (растворителя) называется кон¬ векцией. Оба эти явления связаны друг с другом и обычно происходят одновре¬ менно. Практический интерес представ¬ ляет конвекция, поскольку скорость движения жидкости можно увеличить и тем самым ускорить процессы раство¬ рения и смешения. Конвекция, вызванная различными плотностями двух слоев жидкости, на¬ зывается естественной. В практике боль¬ ший интерес представляет искусствен¬ ная конвекция, т. е. вынужденное, под¬ дающееся управлению движение жид¬ кости, регулируемое различного вида мешалками и гравитационным напором. При растворении и смешении растворов реагентов с обрабатываемой водой ис¬ пользуются различные устройства, соз¬ дающие вихревое движение жидкости. Раствор коагулянта на водоочистных / станциях приготовляют в растворных баках, откуда его перекачивают в рас¬ ходные баки или в емкости-хранилища концентрированного раствора. При ин¬ тенсивной циркуляции воды в раствор¬ ном баке (перемешивание сжатым воз¬ духом или мешалкой) можно получить 17—24 %-й раствор. Вместимость баков для приготовления и хранения растворов реагентов опреде¬ ляют в зависимости от расчетного коли¬ чества воды, подлежащей очистке, при¬ нятой дозы, числа затворений в сутки, концентраций реагентов (в случае при¬ менения неочищенного коагулянта) и рабочего раствора. Вместимость растворного бака Wp определяют по формуле ц/ _ уТДк р lOOOOftpV ’ где q — расчетный расход воды, м3/ч; Т — продолжительность работы стан¬ ции, на которую рассчитывается коли¬ чество раствора коагулянта для одного затворения, ч; Дк — максимальная рас¬ четная доза коагулянта в пересчете на безводный продукт, мг/л; Ьр — концен¬ трация раствора к концу растворения (обычно принимается равной 17—24 % в пересчете на безводный продукт); у — плотность раствора (обычно при¬ нимается равной 1 т/м3). 34
I ЯЛ QQjJj л Число часов работы станции Т произ¬ водительностью 1000 м3/сут при круг¬ лосуточной работе принимается равным 12—14 ч, а при некруглосуточной рабо¬ те оно равно числу часов работы станции в сутки; для станций производитель¬ ностью 10 ООО м3/сут и более — 10— 12 ч; для станций производительностью более 100 000 м3/сут допускается непре¬ рывная заготовка раствора коагулянта, при этом вместимость бака следует при¬ нимать равной трехчасовому расходу раствора. Длительность полного цикла приго¬ товления раствора коагулянта (загруз¬ ка, растворение, отстаивание, перекач¬ ка, очистка поддона) при температуре воды до 10 °С следует принимать равной 10—12 ч. Количество растворных баков (не < 3) рассчитывают с учетом способа доставки и разгрузки коагулянта, его вида, а также длительности растворе¬ ния. Интенсифицируют растворение пе¬ ремешиванием раствора сжатым возду¬ хом, подводимым дырчатыми трубами или мешалками. Интенсивность подачи воздуха для растворения коагулянта в растворных баках принимается рав¬ ной 8—10 л/(с • м2). Воздух по площади баков распределяется дырчатыми тру¬ бами или шлангами из кислотоупорных материалов. Под растворными баками на расстоянии 0,5 м от дна устраивает¬ ся съемная колосниковая решетка из досок, уложенных на ребро, е прозора- ми 10—15 мм. Под решеткой распола¬ гаются дырчатые трубы для подачи сжа¬ того воздуха. В стенках труб имеются направленные вниз отверстия диамет¬ ром 3—4 мм. Скорость выхода воздуха из отверстия должна составлять 20— 30, скорость движения воздуха в тру¬ бах — 10—15 м/с. Дно растворного бака устраивается пирамидальным под углом 45° к гори¬ зонтали, в вершине пирамиды распола¬ гается патрубок диаметром не менее 150 мм для выпуска осадка, а вокруг выпускного патрубка — кольцо из дыр¬ чатых труб для барботажа воздухом осад¬ ка, скапливающегося под колосниковой решеткой и содержащего значительное количество нерастворившегося коагу¬ лята. При использовании порошкообразных или мелкокристаллических коагулян- аМ тов на колосниковой решетке предусмат¬ ривают сетку с отверстиями диаметром 2 мм. Баки для приготовления и мокрого хранения коагулянтов представляют со¬ бой прямоугольные (в плане) сооруже¬ ния, выполненные из железобетона. Дли¬ тельное воздействие на них растворов коагулянтов (pH = 2...4), механичес¬ кие удары кусков коагулянта в процес¬ се загрузки, вихревое движение жидкости при перемешивании мешалками или сжа¬ тым воздухом приводят к разрушению стенок. Для надежной защиты от разру¬ шения баки облицовывают прочными к ударным нагрузкам и устойчивыми к коррозии материалами. Наиболее эффективными облицовоч¬ ными материалами являются кислото¬ упорные керамические или диабазовые плитки. Крепят их к стенкам специаль¬ ным раствором, в состав которого вхо¬ дят диабазовая мука, жидкое стекло и кремнефторид натрия (в соотношении 2 г 1 : 0,1). Этот раствор должен иметь конеистенцию штукатурного раетвора. Поскольку он быстро схватывается, при¬ готовляют его всегда для 4—5 плиток, стенки баков перед облицовкой плиткой оштукатуривают этим же раствором. Надежно защищает стенки баков и полиизобутилен. Для этого вначале же¬ лезобетонную стенку грунтуют клеем 88-Н, а после высыхания этим же клеем наклеивают листы полиизобутилена тол¬ щиной 1,5 мм, прогревают горячим воз¬ духом и прокатывают роликом швы. Сверху наклеивают внахлестку второй слой полиизобутилена, наносят на него грунтовку, а затем силикатную шпак¬ левку. Поверхность наложенного слоя футеруют кислотоупорными плиткой или кирпичом. Разрез и аксонометрия растворного бака приведены на рис. 3.4. Для растворения и перемешивания ко¬ агулянта на водоочистных станциях не¬ большой производительности допускает¬ ся применение механических перемеши¬ вающих устройств. При использовании кускового коагулянта растворные баки снабжаются съемными колосниковыми решетками. На рис. 3.5 приведена схема устрой¬ ства растворного бака с пропеллерной мешалкой. В результате вращения 2* 35
Рис. 3.4. Схема бака для растворения коагулянта: а — поперечный разрез; 6 — аксонометрия; / — труба для подачи сжато* го воздуха; 2 — колосни¬ ковая решетка; 3, 4 — верхняя и нижняя рас¬ пределительные системы воздуха; 5 — выпуск осад¬ ка; 6 — пробоотборник; 7 — подача воды; 8 — консоль в баке; 9 — вер¬ тикальные стойки; 10 — балки для крепления ре¬ шетки; П — клинья; 12— железобетонные упоры; 13 — канава для спуска осадка. пропеллера электродвигателем вода по центральной трубе опускается вниз. Ско¬ рость ее движения составляет 2—4 м/с. Выйдя из центральной трубы, вода под¬ нимается вверх и растворяет куски реагента, загруженные на колосники. Диаметр бака должен быть в три-четы- ре раза больше диаметра центральной трубы. Мощность пропеллера составляет 0,8—1,5 кВт на 1 м3 емкости бака. Разме¬ ры трехлопастного пропеллера, частоту его вращения и мощность двигателя бе¬ рут по каталогам заводов-изготовителей. Баки с лопастными мешалками (рис. 3.6) можно использовать для рас¬ творения реагентов с диаметром кусков не более 20 мм (например, кристалли¬ ческий железный купорос, порошкооб¬ разный сульфат алюминия). Частота вращения вала мешалки принимается равной 20—30 об/мин, площадь лопасти мешалки— 0,1 —0,2 м2/м3 раствора в баке; диаметр лопасти — 0,40—0,45 диаметра бака. При заданных размерах лопастей мощность двигателя мешалки выбирают по каталогам заводов-изготовителей. Корпуса аппаратов с перемешиваю¬ щими устройствами должны изготав¬ ливаться из двухслойной стали (с внут¬ ренней стороны корпуса сталь ЗХ18Н10Т). Рис. 3.5. Схема бака с пропеллерной мешалкой для приготовления раствора коагулянта: / __ труба для подачи воды; 2 — привод от электро¬ двигателя; 3 — мешалка; 4 — колосниковая решетка; 5 — отвод раствора; 6 — выпуск осадка. Рис. 3.6. Схема бака с лопастной мешалкой для раст-» ворения зернистых реагентов. зе
В некоторых установках коагулянт растворяется в специальном дырчатом горизонтальном деревянном барабане, вращающемся двигателем, в открытом баке, наполненном водой (растворный бак системы Никулина, рис. 3.7). Из бака раствор коагулянта подается к до¬ заторам. Вместимость расходных баков W оп¬ ределяют по формуле W = ^р6р где Ь — концентрация раствора коагу¬ лянта в расходных баках (принимается равной 12 % в пересчете на безводный продукт). На станции должно быть не менее двух расходных баков. Интенсивность подачи воздуха для перемешивания коагулянта принимается равной 3—5 л/(с • м2). Днища расходных баков должны иметь уклон к сбросному трубопроводу не ме¬ нее 0,01, диаметр трубопровода —не менее 100 мм. Трубопровод для отво¬ да готового раствора располагают вы¬ ше дна бака на 100—200 мм. J ^ rtXb г '-rf \ ? * При использовании неочищенного ко¬ агулянта раствор из верхнего слоя ре¬ комендуется забирать шлангом, при¬ крепленным к поплавку. 3.6. Приготовление растворов флокулянтов Приготовление активной кремниевой кислоты (АК). АК приготовляется непосредственно на месте ее применения из силиката натрия активацией, т. е. полной или частичной нейтрализацией его щелочности. Рис. 3.8. Схема установки для пе¬ риодического приготовления А К: / — хлораторы; 2 — микровентили; 3 — циркуляционные насосы; 4 —. баки для активирования; 5 —датчи¬ ки контрольно-измерительных при¬ боров; 6 — насосы-дозаторы; 7 мерник для жидкого стекла; Н — пожарный кран; 9 — цистерны для хранения жидкого стекла. Рис. 3.7. Растворный барабан системы Никулина: / деревянный бак; 2 — вращающийся барабан; J — металлические обручи; 4 вал. 37
Рис. 3.9. Схема установки для непрерывного приготов¬ ления А К: 1,2 — растворные баки соответственно сульфата алю¬ миния и жидкого стекла; 3, 4 — дозировочные баки соответственно жидкого стекла и сульфата алюминия; 5 _ трубопровод для поступления нейтрализованного раствора жидкого стекла в зрельник 7; 6 — трубопровод для поступления раствора коагулянта в смеситель; 8 — эжектор; 9 — трубопровод для подачи активи¬ рованного силиката натрия в смеситель. Для активации силиката натрия при¬ меняется аппаратура периодического и непрерывного действия. При потребнос¬ ти в золе АК 3 кг/ч (в пересчете на Si02) более экономично и целесообраз¬ но использовать установки периодичес¬ кого действия. На рис. 3.8 приведена схема установки периодического дей¬ ствия для получения АК хлорированием раствора жидкого стекла, разработан¬ ной в ИКХХВ АН УССР. Установка состоит из железобетонного реагентно¬ го бака, хлоратора Л К-10, циркуля¬ ционного насоса и дозаторов рабочего раствора АК. Все узлы соединены меж¬ ду собой винипластовыми трубопрово¬ дами и прорезиненными шлангами, на которых установлены винипластовые вентили. 0 25 50 75 100 125 150 Нейтрализация, % 38 АК на этой установке получают так. Готовят 1,5—2 %-й по Si02 раствор жидкого стекла, затем его обрабатыва¬ ют хлорно-воздушной смесью состава (1 : 0,5...1 : 2) в струйном аппарате (хло¬ ратор типа ЛК-10) при циркуляции рас¬ твора в системе бак — насос — струй¬ ный аппарат — бак до получения необ¬ ходимого молярного соотношения Cl2/Na20 (0,90—1,05). Хлорированный раствор выдерживают 1 ч для приоб¬ ретения им флокулирующих свойств. Вызревший золь разбавляют до 0,50— 0,75 % по Si02 и дозируют в обрабаты¬ ваемую воду. На крупных водоочистных станциях удобнее использовать аппаратуру не¬ прерывного действия. Во ВНИИ ВОД- ГЕО Г. Г. Первовым предложена уста¬ новка непрерывного действия для полу¬ чения АК с использованием в качестве активатора сульфата алюминия (рис. 3.9). Установка состоит из баков рабочих растворов силиката натрия и сульфата алюминия, зрельника с мешалкой, на¬ сосов для подачи рабочих растворов из баков в дозаторы, эжектора для раз¬ бавления АК и подачи ее в обрабатыва¬ емую воду. Для активации применяются 1,5— 1.7 % -й раствор силиката натрия и 1,4— 2.7 %-й раствор сульфата алюминия. Рабочие растворы из дозаторов в реа- гентный бак подают непрерывно. Дли¬ тельность пребывания АК в реагентном баке составляет 1—1,5 ч. Применение хлора для активации жид¬ кого стекла предпочтительнее, так как при активации последнего сульфатом алюминия даже небольшой избыток суль¬ фата приводит к резкому снижению pH Рис. 3.10. Зависимость pH золя А К от степени ее нейтрализации сульфатом алюминия (/), хлором (2). Рис. 3.11. Зависимость длительности вызревания золя А К от pH среды при обработке жидкого стекла хлором.
и быстрому застудневанию золя АК (рис. 3.10, кривая 1). Избыток же даже 50 % хлора вызывает небольшое изме¬ нение pH золя АК (см. рис. 3.10, кри¬ вая 2) и скорость застудневания при этом возрастает не так резко. Длитель¬ ность вызревания золя А К зависит от pH среды (рис. 3.11). В ИКХХВ АН УССР разработаны конструкции дозаторов А К — ДА К-10 и ДАК-15, обеспечивающие непрерывное приготовление золя АК хлорированием раствора жидкого стекла. Эта аппарату¬ ра может быть применена для получения АК и при использовании других газо¬ образных активаторов (С02, S02 и пр.). Схема дозатора активной кремниевой кислоты ДАК-15 для непрерывного по¬ лучения раствора АК и последующего дозирования полученного флокулянта в обрабатываемую воду приведена на рис. 3.12. Производительность аппарата по Si02 —20 кг/ч; точность дозирова¬ ния АК ± 2,5 %; расход жидкого стек¬ ла — 12—40 л/ч, хлора —2—8 кг/ч, воды —8—10 м3/ч, давление ее 0,3— 0,6 МПа, потребляемая мощность пере¬ менного тока напряжением 220/380 В — 0,3 кВт. По приведенной схеме жидкое стекло из хранилища или промежуточной ем¬ кости с постоянным уровнем забирается насосом-дозатором и подается в смеси¬ тель. Водопроводная вода под давле¬ нием 0,3—0,5 МПа, которое контроли¬ руется электроконтактным манометром, подается через ротаметр в этот же смеси¬ тель для разбавления. Раствор жидкого стекла (1,5—2,5 %-й в пересчете на Si02) проходит усреднитель и поступает в струйный смеситель, где обрабатыва¬ ется хлорно-воздушной смесью. Газо¬ образный хлор подают в смеситель по хлоропроводу через запорный вентиль, электромагнитный клапан и регу¬ лирующий вентиль. Количество его конт¬ ролируется ротаметром с подключенной к нему клапанной коробкой для подсо¬ са воздуха при колебаниях давления в системе. В струйном смесителе хлор переме¬ шивается и взаимодействует с жидким стеклом, в результате щелочность жид¬ кого стекла снижается вследствие ре¬ акции с гипохлоритной и соляной кисло¬ тами, образующимися при гидролизе Рис. 3.12. Технологическая схема установки непре¬ рывного приготовления и дозирования АК (дозатор ДАК-15)^ 1 электропульт; 2 —- ротаметры; 3 — электрокон- тактный манометр; 4 — клапанная коробка; 5 — сме¬ ситель; 6 — усреднитель; 7 — струйный смеситель; 8 — запорный клапан; 9 — хлорный вентиль; 10 — зрельник; // — гидроэлеватор; 12 — заборник; 13 — гребенка; /4 — насос-дозатор. хлора; одновременно в растворе обра¬ зуется монокремниевая кислота. Затем раствор поступает в зрельник (длитель¬ ность пребывания — 3—5 мин), в кото¬ ром монокремниевая кислота полиме- ризуется, образуя АК, обладающую фло- кулирующими свойствами. АК посту¬ пает в гидроэлеватор, где ее разбавля¬ ют примерно до 0,1 % и дозируют в обрабатываемую воду. ДАК-15 снабжен электропультом, в ко¬ тором смонтированы пусковая аппарату¬ ра насоса и автоматические устройства для аварийного отключения подачи га¬ зообразного хлора и жидкого стекла при падении давления воды ниже 0,20— 0,25 МПа. Вместимость бака для активации жид¬ кого стекла хлором Wa определяют по формуле w = ДсрцТ а к гДе Дер — Доза А К, г/м3; q — расход обрабатываемой воды, м3/ч; Т — про¬ должительность заготовки АК, ч; К — концентрация раствора АК после разбав¬ ления водой, г/м3. ДАК на водопроводной станции должно быть не менее двух, один из них является резервным. Приготовление растворов органичес¬ ких флокулянтов. Высокомолекулярные флокулянты (ПАА, ВА-2, ВА-3 и др.) промышленностью выпускаются в виде 39
Рис. У. 13. Схема установки для растворения сухих флокулянтов: а — механическое диспергирование и перемешивание; 6 — диспергирование водой и перемешивание возду¬ хом; / — поступление флокулянта; 2 — подача воды; 3 — бак для растворения; 4 — бак для готового раст¬ вора; 5 — подача готового раствора на очистные сооружения; 6 — механическая мешалка; 7 — диспер- гатор; 8 — подача воздуха. порошков, 7—8 %-х гелей и высоковяз¬ ких жидкостей. Для использования в тех¬ нологии очистки воды на водопроводных станциях из них готовят рабочие растворы. Сухие реагенты растворяют в механи¬ ческих мешалках, имеющих обычно не¬ сколько пропеллеров. Схема установки для растворения сухих реагентов при¬ ведена на рис. 3.13. В бак для растворения сухой флоку- лянт можно подавать вибрационным пи¬ тателем или диспергатором (см. рис. 3.13), в который поступает струя воды и реа¬ гент. Для предотвращения образования комков и сгустков флокулянта поро¬ шок подают в бак с малой скоростью и перемешивают его с водой мешалкой или воздухом в течение 1—2 ч до образова¬ ния раствора одноподной консистенции. В установках АКХ им. К- Д. Памфило¬ ва (рис. 3.14) рабочий раствор концен¬ трацией 1—1,5 % получают из геле¬ образных товарных продуктов в баке 1 с механической лопастной мешалкой, вращающейся со скоростью 800— 1 ООО об/мин. Из бака 1 раствор цирку¬ ляционным насосом 2 перекачивают в расходный бак 3, из которого он не¬ прерывно самотеком поступает в дози¬ ровочный бачок 4. Вторичное разбав¬ ление рабочего раствора до концентра¬ ции 0,1—1 % и транспортирование его к месту введения в обрабатываемую воду производят эжектором 5. Гидравлическая мешалка для раство¬ рения жидких высоковязких (не геле¬ образных) флокулянтов (рис. 3.15) пред¬ ставляет собой бак, через который в те¬ чение 20—30 мин циркулирует раствор, подаваемый насосом через сопло. При¬ готовленный раствор перекачивают в резервные емкости. На водоочистных станциях можно при¬ менять гидролизованный ПАА, получа¬ емый омылением технического ПАА ще¬ лочью. Сначала в баке с механической мешалкой получают 0,5 %-й раствор ПАА. Затем добавляют гидроксид нат¬ рия из расчета 0,0375 кг NaOH на 1 кг 8 %-го раствора ПАА и смесь переме¬ шивают до полного растворения щелочи. После этого пропускают через рубашку аппарата пар и выдерживают получен¬ ный раствор в течение 16 ч при темпера¬ туре 50—80 °С. Гидролизованный ПАА перекачивают в расходные баки, отку¬ да насосами-дозаторами подают в обра¬ батываемую воду. Раствор ПАА можно получить также в пневматической мешалке, представ¬ ляющей собой бак, в котором находят¬ ся змеевик и решетка. Растворение ПАА в баке интенсифи¬ цируют подогревом воды до 20—25 °С з 4 Рис. 3.14. Механическая ме¬ шалка для растворения ПАА (конструкция ПКБ АКХ) и схема дозирования рабочих растворов. Рис. 3.15. Гидравлическая мешалка для растворения жидких высоковязких фло¬ кулянтов: / — бак; 2 — трубопровод для подачи воды; 3 — цирку¬ ляционная линия; 4 — отвод готового раствора флокулян¬ та; 5 — насос; 6 — всасы¬ вающая труба; 7 — дренаж¬ ная линия; 8 — сопло. 40
паром, пропускаемым через змеевик, и сжатым воздухом, подаваемым от воз¬ духодувки. Длительность растворения геля ПАА составляет 25—40 мин, су¬ хого — 2 ч. Воду обрабатывают0,1—1 %-м раство¬ ром ПАА. Срок хранения запасов рабо¬ чих растворов ПАА не должен превы¬ шать 20 сут. Исходя из этого определя¬ ют количество мешалок и объем расход¬ ных баков. 3.7. Приготовление известкового молока и известкового раствора Для подщелачивания воды при коагу¬ лировании, умягчении, обезжелезива- нии и стабилизации применяют строи¬ тельную известь (ГОСТ 9179—79) в ви¬ де известкового молока концентрацией 5—-10 % или в виде раствора концентра¬ цией до 1,4 г/л. На станциях обработки воды в зави¬ симости от вида и качества товарного продукта, расхода и места ввода извес¬ ти применяют несколько технологичес¬ ких схем известкового хозяйства. Из¬ вестковое молоко или раствор готовят по таким вариантам: 1) если известковое молоко или тесто поставляют централизованно, предус¬ матривают мокрое хранение реагента, при котором используются устройства для отбора теста или цистерна для до¬ ставки молока, баки с гидравлическим перемешиванием для 30 %-го известко¬ вого молока, а также устройства для его очистки, расходные баки и дозато¬ ры для суспензий (рис. 3.16); 2) если используется комовая из¬ весть, предусматривается как сухое, так и мокрое ее хранение; при сухом хра¬ нении оборудуют склад сухого продукта, дробилки, известегасилки, устройства для очистки известкового молока, гид¬ равлические мешалки, расходные баки и дозаторы для суспензий, при мокром — промежуточный склад сухого хранения, дробилки, известегасилки, резервуа¬ ры-хранилища, устройство для отбора и транспортирования теста, гидравли¬ ческие мешалки, устройства для очистки известкового молока, дозатор суспензий (рис. 3.17); 3) при небольшой производительности станции (до 3 тыс. м3/сут) известковый раствор получают по схеме: склад мок¬ рого хранения — устройство для отбо¬ ра теста — сатуратор двойного насыще¬ ния — дозатор для растворов; 4) если поставка порошкообразного продукта обеспечивается систематичес¬ ки, целесообразно применять сухое до¬ зирование извести с использованием схе¬ мы, включающей склад сухого хранения Рис. 3.16. Схема из¬ весткового хозяйства, использующего при¬ возное известковое молоко (а) или тесто (б): / — воронка для ели* ва 30 %-го известко¬ вого молока; 2 — бак- хранилище 30 %-го известкового молока; 3 — кран-балка или таль с электроприво¬ дом; 4 — трубопрово¬ ды для подачи сжато¬ го воздуха; 5 — цир¬ куляционная мешал¬ ка для 5 %-го извест¬ кового молока; 6 — перелив с дозатора; 7 — дозатор для сус¬ пензий; 8 — трубоп¬ ровод для подачи от- дозированного извест¬ кового молока; 9 — воздуходувка; 10 — насосы; // — контей¬ нер для 50 %-го из¬ весткового теста; 12—. бак для приготовле¬ ния 30 %-го извест¬ кового молока; 13 ~ водопровод. 41
Рис. 3.17. Схема известкового хозяйства, использую¬ щего комовую известь при сухом (а) и мокром (б) хранении: / — бункер; 2 — контейнер; 3 — кран-балка или таль с электроприводом; 4 — известегасилка; 5 — сливной желоб; 6 — пропеллерная мешалка; 7 — бак для известкового молока; 8 — насос-дозатор; 9 — контейнер для сброса отходов; /0 — корзина; // — бак для известкового теста; 12 — насосы; 13 — тру¬ бопровод для подачи известкового молока в смеси¬ тель. реагента, дозатор (питатель) порошко¬ образных веществ и смеситель. Комовую известь в реагентном хо¬ зяйстве гасят в лопастных, барабанных, термомеханических, бегунковых или фрезерных известегасилках. В условиях водоочистных станций могут применяться изготовляемые се¬ рийно механические известегасилки типа С-322 производительностью до 1 т/ч, термомеханические известегасилки типа С-703 производительностью до 2 т/ч, а также шаровые мельницы производи¬ тельностью до 6 т/ч. Известегасилка С-703 (рис. 3.18) про¬ изводит тонкий размол реагента шарами. Для выделения из известкового молока нерастворимых примесей, являющихся балластом, из известегасилки его на¬ правляют в гидроциклон или гидрав¬ лический классификатор (вертикаль¬ ный отстойник). Выделенные крупные частички возвращают на повторное дроб¬ ление, а известковое молоко подают в бак с механическим или гидравличес¬ ким перемешиванием. На 1 т товарного продукта в известе¬ гасилки подают 7—10 м3 воды (жела¬ тельно подогретой до 60—70 °С). В установках производительностью бо¬ лее 30 т/сут известь рекомендуется га¬ сить в барабанных шаровых мельницах (рис. 3.19). Их преимуществом является отсутствие отходов (недожега и переже- га), которые в процессе гашения раз¬ малываются и не идут в отвалы. После шаровых мельниц известковое моло¬ ко также пропускают через гидроцик¬ лон или гидравлический классифика¬ тор. На водоочистных станциях средней производительности можно применять аппараты для безотходного гашения из¬ вести (рис. 3.20), которые выполняют в виде барабана 2 диаметром 1300 мм. На расстоянии 550 мм от передней стен¬ ки барабана, вращающегося на гори¬ зонтальном валу /, установлена сталь¬ ная перегородка 4 с отверстиями диа¬ метром 10 мм. Внутри барабана есть шесть выступов, которые образуют приваренные по его образующим разрезанные вдоль сталь¬ ные трубы диаметром 100 мм. Днища барабана приварены к насаженным на вал втулкам, закрепленным шпонками. С помощью шестерни 5, прикрепленной к днищу барабана, через вторую шес¬ терню 8, редуктор 6 с электродвигате¬ 42
Рис. 3.19. Шаро вая мельница СМ-434: > — загрузка из¬ вести; 2 — корпус улиткового пита¬ теля; 3 — подвод воды: 4 — опоры; 5 — барабан; 6 — электродвигатель с редуктором; 7 — разгрузочная крышка; 8 — вы¬ ход известкового молока. лем 7, барабан вращается со скоростью 23—25 об/мин. В барабане имеется два люка: верхний 3 и нижний 9, через которые загру¬ жают соответственно 60 чугунных или стальных шаров диаметром 70 мм и от 9 до 30 шаров диаметром 50 мм. После этого в верхний люк подают 800— 1000 кг комовой извести и горячую воду. Люки барабана закрывают и включают электродвигатель на 30—40 мин. Пос¬ ле остановки барабана известковое мо¬ локо выпускают через задвижку па¬ трубка на горловине нижнего люка. За сутки такой аппарат перерабатывает 12— 15 т извести. Сатураторы двойного насыщения для получения известкового раствора вы¬ полняют в виде высоких цилиндричес¬ ких баков, разделенных коническим дном на два отделения (рис. 3.21). Известковое молоко по трубе 3 подают в сатуратор сначала в нижнюю часть конуса верхнего отделения, после чего открывают клапан 7 и направляют из¬ вестковое молоко в нижнее отделение 8. Затем через конус верхнего отделения подают новую порцию известкового мо¬ лока. Количество 10—15 %-го известко¬ вого молока должно быть достаточным для работы сатуратора в течение 12— 24 ч. После заполнения сатуратора из¬ вестковым молоком через трубу 6 в него подают воду, которая, частично насыща¬ ясь известью, поступает по трубам 2 и 4 в нижнюю часть верхнего конуса. Здесь происходит полное насыщение воды из¬ вестью. Поднимаясь медленно вверх, в цилиндрической части сатуратора на¬ сыщенный раствор осветляется, перели- Рис. 3.20. Схема барабана для безотходного гашения извести.
/7-/7 Выход растйора- а -«•А - t Рис. 3.21. Схема сатуратора двойного насыщения. Вход изЬестко- Ього молока Вход боды Ill-Ill 1-1 вается в кольцевой сборный желоб 1 и отводится через патрубок 5 в смеситель. Осаждающиеся взвешенные вещества периодически выпускают из сатуратора через клапан 9, после чего открывают клапан 7 и заполняют известковым молоком нижний отсек сатуратора. В верхний отсек в это время подают но¬ вую порцию известкового молока. Последовательное прохождение воды 44
Рис. 3.22. Сатура¬ тор с выносной первой ступенью: / — подача исход¬ ной воды; 2 — об¬ водной трубопро¬ вод; 3 — подвод известкового мо¬ лока; 4 — подвод воды для промыв¬ ки; 5 — сборный желоб; 6 — отвод насыщенного из¬ весткового раство¬ ра; 7 — отвод воз¬ духа; 8 — выпуск осадка в сатураторе через частично истощен¬ ное и свежее известковое молоко в его отделениях позволяет получать стабиль¬ ный по концентрации известковый рас¬ твор. Размеры сатураторов определяют с учетом такой скорости восходящего по¬ тока жидкости в верхнем их сечении, чтобы достигалось эффективное освет¬ ление раствора. Производительность сатуратора Qc по насыщенному известковому раствору вычисляют по формуле где qK — расход извести на установке в пересчете на СаО, кг/ч; п — количество сатураторов в установке; р — содержа¬ ние СаО в насыщенном известковом рас¬ творе, кг/м3. Объем сатуратора Wa определяют по формуле Wc~ ^ik^Qct где — коэффициент, зависящий от температуры насыщаемой воды (прини¬ мается по таблице СНиП 2.04.02—84); k2 — коэффициент, зависящий от соот¬ ношения кальциевой и общей жесткости воды (k2 = 1 при кальциевой жесткости более 70 % общей жесткости воды, k2 = = 1,3 при кальциевой жесткости менее 70 % общей жесткости воды). Площадь отстойной камеры сатурато¬ ра проверяют по восходящей скорости движения жидкости. Для приготовления насыщенного рас¬ твора извести применяют также сатурато¬ ры, в которых частичное насыщение воды происходит в отдельном напорном, а полное насыщение и осветление раствора в рядом расположенном одноступенча¬ том сатураторе (рис. 3.22). По сравне¬ нию с сатураторами двойного насыщения такие сатураторы имеют меньшую высо¬ ту. При скорости восходящего потока известкового раствора в верхнем сече¬ нии сатуратора 0,2 мм/с за 3—4 ч дости¬ гается достаточное насыщение и освет¬ ление раствора. Баков для известкового молока или раствора должно быть не менее двух. Концентрация известкового молока в расходных баках не должна превышать 5 % в пересчете на СаО. 3.8. Приготовление растворов фторсодержащих реагентов С целью увеличения точности дозирова¬ ния из хорошо растворимых фторсодер¬ жащих соединений (NaF, (NH4)2 SiF6) го¬ товят ненасыщенные растворы, из реаген¬ тов с малой растворимостью (Na2SiF6) — насыщенные и ненасыщенные раство¬ ры. Реагенты с малой растворимостью готовят в сатураторах одинарного насы¬ щения, хорошо растворимые соедине¬ ния — в расходных баках с перемеши¬ ванием мешалкой или сжатым воздухом (см. гл. 15). 3.9. Приготовление пульпы активированного угля Порошкообразный активированный уголь для обработки воды обычно при¬ меняют в виде пульпы. Пульпу активи¬ рованного угля приготовляют замачи¬ ванием порошкообразного угля в тече¬ ние 1 ч в баках с гидравлическим или механическим перемешиванием. На тю¬ менском водопроводе применяют схему мокрого дозирования угля с приготов¬ лением пульпы в специально разрабо¬ танных смесительных барабанах с про¬ должительностью замачивания до 30 мин (рис. 3.23). Пульпу в воду подают до¬ затором, работающим с постоянным уров¬ нем, поддерживаемым непрерывной цир¬ куляцией пульпы. В этом случае кон¬ 45
Рис. 3.23. Схема установки для приготовления и до¬ зирования пульпы активированного угля на тюмен¬ ском водопроводе; / — смесительный барабан; 2 — загрузочные люки; 3 — насосы; 4 — бункер для пульпы; 5 — сетка; 6 — дозатор; 7 — трубопровод для подачи от дозиро¬ ванной пульпы Рис. 3.24. Зависимость плотности суспензии порошко¬ образного активированного угля от его содержания * воде. центрацию пульпы определяют по ее плотности (рис. 3.24). Насосы для перемешивания и перекач¬ ки угольной пульпы должны быть стой¬ кими по отношению к абразивному воз¬ действию угля. Концентрация пульпы составляет 5—10 %.Скорость движения пульпы в трубопроводах должна быть не менее 1,5 м/с; на коммуникациях устраивают ревизии для их прочистки. Поскольку помещения угольных ус¬ тановок относятся к категории пожаро¬ опасных, их следует вентилировать (обес¬ печить не менее чем 5-кратный обмен воздуха в 1 ч). Вентиляцию помещений, где ведутся работы с активированным углем, необходимо оборудовать филь¬ трами, предотвращающими вынос час¬ тичек угля. В этих помещениях запре¬ щается курить и работать с огнем. 3.10. Приготовление растворов соды, гексаметафосфата натрия и перманганата калия Раствор соды приготовляют в стальных или железобетонных баках, перемеши¬ вая раствор мешалками или сжатым воздухом. Концентрацию раствора со¬ ды принимают 5—8%. Подогрев воды до 50—60 °С значительно ускоряет про¬ цесс растворения соды. Раствор гексаметафосфата натрия приготовляют в баках с механическим перемешиванием. Стенки баков с внут¬ ренней стороны должны иметь антикор¬ розионное покрытие. Расчетная концен¬ трация раствора гексаметафосфата нат¬ рия принимается 2—3 % в пересчете на товарный продукт. Баков должно быть не менее двух. Продолжительность рас¬ творения гексаметафосфата натрия для получения раствора 3 %-й концентра¬ ции в холодной воде составляет 4—5 ч, в воде температурой 50 °С — около 2 ч (при непрерывном перемешивании рас¬ твора). Раствор перманганата калия приго¬ товляют в растворных баках. Рабочая концентрация реагента 0,5—2 %. Про¬ должительность его полного растворе¬ ния принимают равной 4—6 ч при тем¬ пературе воды до 20 °С и 2—3 ч — при температуре воды 40 °С. Растворных баков для перманганата калия, которые одновременно являются и расходными баками, должно быть не менее двух. 3.11. Последовательность введения реагентов Реагенты подают в воду так, чтобы очи¬ стка воды заканчивалась в проектируе¬ мом комплексе оборудования. Поэтому их обычно вводят в начале очистных со¬ оружений и быстро перемешивают со всей массой воды. Исключение состав¬ ляют реагенты, предназначенные для ус¬ транения повторного бактериального за- грязненпяТ'ТШЦЙты трубощювсЩов от коррозии и т.д.ТЗ этом случае реагенты, не содержащие взвешенных веществ и не образующие их при взаимодействии с солевым составом воды, можно вводить в очищенную воду. Коагулянты подают в воду до ее поступления на очистные сооружения или добавляют в первом же сооружении — смесителе. При этом их смешивают либо со всей массой воды, поступаю¬ щей на очистку, либо (при небольшом количестве загрязнений) с частью об¬ рабатываемой воды с последующим сме¬ t,016 1,021 Плотность,г/см3 46
шением обоих потоков (концентрирован¬ ная коагуляция); применяют также пред¬ варительно выделенный гидроксид коа¬ гулянта или основные соли. При малом количестве загрязнений в природной воде коагулянты можно вводить перио¬ дически. Флокулянты вводят через 2—3 мин после добавления коагулянта, обычно в конце смесителя или в начале камер хлопьеобразования. При низкой темпе¬ ратуре между вводом обоих реагентов должен быть больший интервал времени. При обработке воды ПАА перед филь¬ трами, а также перед контактными осве¬ тлителями время поступления ее на эти сооружения должно быть минимальным. При введении перед фильтрами АК ее доза назначается таким образом, что¬ бы обеспечить оптимальный режим ра¬ боты. Подщелачивающие реагенты (известко¬ вое молоко, меловая суспензия), содер¬ жащие значительное количество взве¬ шенных веществ, подают в воду в тех же местах, что и коагулянты, до и после их добавления в зависимости от приня¬ той на основании исследований техно¬ логии очистки воды. При недостаточной для коагуляции щелочности воды из¬ весть или соду следует вводить одновре¬ менно с коагулянтом. В высокоцветные воды добавляют подщелачивающие ре¬ агенты после осаждения из воды основ¬ ной массы гидроксидов коагулянта, т. е. в конце отстойников. Такие реагенты, как известковая вода, растворы соды и гидроксида натрия, не содержащие взвешенных веществ, могут подаваться в очищенную воду в дозах, не вызываю¬ щих ее умягчения. Хлорсодержащие реагенты при пред¬ варительном хлорировании воды можно вводить в ковш, водоприемный колодец, всасывающую или напорную линию на¬ сосной станции первого подъема или в смеситель, а при обеззараживании во¬ ды — в коллектор или резервуар чис¬ той воды, а также во всасывающий тру¬ бопровод насосной станции второго подъема. Аммонизация воды осуществляется в тех же местах, что и хлорирование. Ам¬ миак добавляют до и после введения хло¬ ра в зависимости от технологических по¬ казателей обрабатываемой воды; при наличии в ней фенолов аммиак подают раньше хлора. Дехлорирующие реагенты вводят в очищенную воду. Раствор фторсодержащих реагентов можно подавать в водопроводы насосной станции первого подъема перед очист¬ ными сооружениями, на фильтры и пос¬ ле очистных сооружений (в водоводы перед хлорированием, а также во всасы¬ вающий трубопровод насосной станции второго подъема). Как при мокром, так и при сухом до¬ зировании реагенты для фторирования воды подают в виде раствора. Место вве¬ дения раствора фторсодержащих реа¬ гентов необходимо выбирать так, чтобы реагент обязательно перемешивался с водой. При выборе места следует исхо¬ дить также из способа очистки воды и технико-экономических соображений. В артезианские воды, подаваемые потребителю без очистки, фторсодержа¬ щие реагенты дозируют непосредствен¬ но в напорные водопроводы. В системах, где вода подвергается очистке, место введения реагента выби¬ рают с таким расчетом, чтобы при после¬ дующей очистке потеря фторидов была наименьшей. Так, при дозе коагулянта 100 мг/л потеря фторидов при введении их в смесители составляет 1/3. Опыты на одной из водоочистных станций г. Вашингтона показали, что при дозе коагулянта 19 мг/л потери фторид- ионов составили?—10 %, при дозе 45— 50 мг/л — 25—30 %. Поэтому на боль¬ шинстве водоочистных станций в США фторсодержащие реагенты вводят пос¬ ле коагуляции. При малой нагрузке на фильтры их вводят перед фильтрами, при большой нагрузке — после филь¬ тров в трубопровод между фильтрами и резервуаром чистой воды или непо¬ средственно в резервуар чистой воды. В некоторых случаях мирятся с поте¬ рями фторидов, если это экономически оправдано. Так, на фтораторной уста¬ новке водоочистной станции в г. Ва¬ шингтоне реагент вводят в неочищенную воду. Потери фторид-ионов составляют при этом 0,1 мг/л. На фтораторных ус¬ тановках дозаторы располагают ближе к месту хранения реагента. Трубопро¬ воды для подачи раствора реагента де¬ лают как можно короче, поскольку чем длиннее трубопровод, тем выше 47
Таблица 3.2 Последовательность и интервалы введения реагентов в обрабатываемую воду Характеристика воды Реагент Последовательность введения реагентов Запахи и привкусы отсут¬ ствуют Запахи (в том числе и хлор- фенольный) и привкусы при хлорировании не появляют¬ ся То же, при хлорировании появляется хлорфенольный запах Хлор, коагулянт а) коагулянт, озон б) хлор, перманганат ка¬ лия, коагулянт в) хлор, активированный уголь, коагулянт г) хлор, перманганат ка¬ лия, активированный уголь, коагулянт а) аммиак, хлор, коагулянт б) коагулянт, озон в) перманганат калия, хлор, коагулянт г) аммиак, хлор, перманга¬ нат калия, коагулянт д) перманганат калия, хлор, активированный уголь, коагулянт Первичное хлорирование, через 2— 3 мин коагулянт Коагулянт, озон перед фильтрами или в профильтрованную воду Первичное хлорирование, через 10 мин перманганат калия, через 2—3 мин коагулянт а) первичное хлорирование, через 10—15 мин активированный уголь, через 10 мин коагулянт б) первичное хлорирование, через 2— 3 мин коагулянт, активированный уголь дозой до 5 мг/л перед фильтра¬ ми Первичное хлорирование, через 10 мин перманганат калия, через 10— 15 мин активированный уголь, через 10 мин коагулянт Аммиак, через 2—3 мин первичное хлорирование, через 2—3 мин коагу¬ лянт Коагулянт, озон перед фильтрами или в профильтрованную воду Перманганат калия, через 10 мин хлор, через 2—3 мин коагулянт Аммиак, через 2—3 мин хлор, через 10 мин перманганат калия, через 2—3 мин коагулянт Перманганат калия, через 10 мин хлор, через 10—15 мин активирован¬ ный уголь, через 10 мин коагулянт стоимость подачи реагента насосом и больше затраты на его очистку. На большинстве водоочистных стан¬ ций фторирование является последней стадией обработки, не считая хлориро¬ вания. При хлорировании воды фтори¬ ды не удаляются. Хлор и фториды можно добавлять одновременно, однако следует иметь в виду, что хлор и его производ¬ ные обесцвечивают реагенты, добавля¬ емые при определении фторидов в воде, что может привести к ошибке при нахо¬ ждении концентрации фтора. Для устранения привкусов и запахов воды допускается применение фильтров, загруженных гранулированным акти¬ вированным углем, или двухслойных фильтров с верхним слоем из активиро¬ ванного угля. Фильтры с активирован¬ ным углем устанавливаются после филь¬ тров для осветления воды. При обработ¬ ке воды порошкообразным активирован¬ ным углем первую дозу его можно вво¬ дить в воду на ковше или на станции первого подъема, вторую — в трубопро¬ воды подачи обесцвеченной, осветлен¬ ной воды на фильтры. В случае применения в технологичес¬ кой схеме обычных скорых фильтров возможно уменьшение длительности фильтроцикла. Однако этот недо¬ статок можно устранить применением фильтров с крупнозернистой загрузкой или двухслойных фильтров большой гря- зеемкости. Исследования показывают, что через двухслойные фильтры можно фильтровать очищенную воду с содержа¬ нием порошкообразного активированного угля (марки ОУ) до 5 мг/л. Фильтроцикл при этом не уменьшается. При очистке цветной воды, а также во¬ ды, содержащей наряду с соединениями, имеющими запах, и органические веще¬ ства без запаха, активированный уголь для дезодорации лучше вводить в воду после удаления основной массы этих соединений, в особенности, если для де¬ зодорации не требуется больших доз угля. Если же это неосуществимо,— не¬ сколько увеличить дозу угля. 48
При умягчении воды активированный уголь следует вводить перед известкова¬ нием, особенно, если повышение pH ухудшает процесс адсорбции удаляе¬ мых веществ. Рекомендуемая последовательность введения реагентов и интервалы време¬ ни между введением отдельных видов реагентов приведены в табл. 3.2. Если обеспечить необходимые интер¬ валы времени между введением отдель¬ ных реагентов в трубопроводы перед стан¬ цией очистки воды и смесителем невоз¬ можно, допускается устройство допол¬ нительных смесителей и контактных ем¬ костей, конструкция которых должна предотвращать возможность осаждения реагентов, вводимых в виде суспензии. 3.12. Дозирование реагентов Дозирование реагентов на станциях под¬ готовки хозяйственно-питьевой воды является наиболее ответственным эта¬ пом. От его совершенства в значитель¬ ной степени зависит качество очистки воды и экономичность технологического процесса. При этом следует учитывать, что значительные избытки некоторых реагентов нарушают установившееся равновесие в природной воде, денатури¬ руют ее и могут обусловить повторное загрязнение. На водоочистных станциях применяют дозаторы сухих реагентов, суспензий, растворов и газов. Дозаторы сухих реагентов подают их в открытый поток или в специальный смеситель, в котором сухой реагент бы¬ стро растворяется. Дозаторы суспен¬ зий, растворов и газов бывают двух ти¬ пов: приспособленные к дозированию ре¬ агентов в открытый поток и в напор¬ ный трубопровод (напорные дозаторы). Напорные дозаторы могут дозировать реагенты и в открытый поток. По принципу действия различают до¬ заторы: а) постоянного расхода, уста¬ навливаемые на водоочистных станциях с равномерным расходом воды; б) про¬ порционального расхода, которые авто¬ матически изменяют дозу реагента при изменении расхода обрабатываемой во¬ ды; в) рассчитанные на поддержание заданных параметров качества обрабаты¬ ваемой воды. Дозаторы постоянной до¬ зы обеспечивают подачу в воду (незави¬ симо от ее расхода на очистных соору¬ жениях) одинакового количества реа¬ гентов. Изменяют расход реагентов в та¬ ких дозаторах вручную. Дозаторы пропорциональной дозы ав¬ томатически изменяют расход реагента в соответствии с расходом воды на очист¬ ных сооружениях. Дозаторы, рассчитанные на поддер¬ жание заданных параметров обрабаты¬ ваемой воды, например электропроводи¬ мости, значения pH и т. д., регулируют расход реагентов независимо от расхода воды на очистных сооружениях. Сухие порошкообразные реагенты мо¬ гут дозироваться тарельчатыми, шне¬ ковыми, вибрационными, ленточными, объемными и весовыми дозаторами и применяемыми в химической промыш¬ ленности и промышленности строитель¬ ных материалов питателями. Схема весового дозатора представлена на рис. 3.25. Он состоит из бункера 1 со сводообрушающим устройством 2, которое вращается через редуктор дви¬ гателем 3. Из бункера реагент поступает на вибропитатель 5 с вибратором 4, от частоты вибраций которого зависит расход порошка, подаваемого вибропи¬ тателем на конвейер 6. Один из роликов конвейера опирается на коромысло ве¬ сов 10, которые находятся в равновесии под действием массы конвейера 6 и груза 9, перемещаемого по коромыслу весов электродвигателем 8. Если масса реагента на конвейере больше расчет¬ ной, свободный конец коромысла весов перемещается вниз, если меньше рас¬ четной — вверх. При этом регулируется частота вибраций вибратора 4 путем воздействия свободного конца коромыс¬ ла весов через тягу 12 на реле 11 и ре¬ гулятор 13. Если реверсивный электро¬ двигатель 8 подсоединить через систему реле к вторичному прибору расходоме¬ ра, установленного на линии подачи воды на станцию, или к уровнемеру с датчиком, расположенным в смесителе 7, этот дозатор можно превратить из дозатора постоянного расхода реаген¬ та в устройство, дозирующее реагент пропорционально расходу воды. Простейшим дозирующим устройством постоянного расхода является дозатор системы В. В. Хованского (рис. 3.26), где поплавок помещен непосредственно 49
Рис. 3.26. Схема дозатора растворов постоянного рас¬ хода: / — дозировочная диафрагма; 2 — воздушная труб¬ ка; 3 — поплавок; 4 — резиновый шланг; 5 — бак; 6 — приемная воронка. Рис. 3.25. Схема весового дозатора порошкообразных реагентов. в растворный бак. Такой поплавок под¬ держивает на определенной глубине под уровнем раствора диафрагму и трубку, соединенную с гибким выпускным шлан¬ гом. Поплавок опускается и поднимается в зависимости от уровня раствора в баке, поэтому напор над отверстием диафраг¬ мы, скорость истечения и подача раство¬ ра остаются постоянными. Для предот¬ вращения подсасывания через диафраг¬ му воздуха в конце рукава и поплавка установлена открытая вертикальная трубка, припаянная к поплавку и трубке дозатора. Изменение расхода раствора дозатором достигается соответствующей заменой калиброванной шайбы. В не¬ больших пределах расход раствора ко¬ агулянта регулируют, изменяя глубину погружения поплавка в раствор. Схема дозатора растворов пропорцио¬ нального расхода приведена на рис. 3.27. Большая часть потока воды на распре¬ делительном водосливе поступает в сме¬ ситель, меньшая — в водомерный бак А дозатора и далее через патрубок с ди¬ афрагмой 1 также сливается в смеси¬ тель. Плавающий в водомерном баке поплавок Б удерживает на тросике, перекинутом через блоки, дозирующую подвижную трубу с диафрагмой 2 на конце. Уровень раствора реагента в ба¬ ке В поддерживается постоянным ша¬ ровым краном 4. Если количество воды, поступающей на обработку, увеличивается, возрастает и ее приток в водомерный бак А, вслед¬ ствие чего уровень воды в баке повы¬ шается. Поплавок Б всплывает, дози¬ рующая трубка 3 опускается, и расход раствора реагента возрастает пропор¬ ционально увеличению расхода обраба¬ тываемой воды. Дозировать растворы и суспензии ре¬ агентов пропорционально расходу воды Рис. 3.27. Схема дозатора растворов пропорционального расхода. Рис. 3.28. Схема дозатора «плавающая трубка»: / — трубопровод обрабатываемой воды; 2 — подвод сжатого возду* ха; 3 — водомер с контактным устройством; 4 — диафрагма; 5 — барабан лебедки; 6 — промежуточное реле; 7 — магнитный пуска¬ тель; 8 — бак с дозируемым раствором или суспензией; 9 — пла¬ вающая трубка; 10 — отвод отдозированного раствора или суспен¬ зии в смеситель. 50
Таблица 3.3. Техническая характеристика насосов-дозаторов типа НД на 1 МПа Тип Производи¬ тельность, л/ч Мощность электро¬ двигате¬ ля, кВт Габариты, мм Масса, кг длина ширина высота диаметр трубопро¬ вода НД-160/10 160 0,6 710 275 580 12 80 НД-400/10 400 1,0 840 342 634 15 108 Н Д-630/10 630 1.1 875 342 653 15 115 НД-1000/10 1000 2,8 906 342 687 20 134 НД-1600/10 1600 3,0 965 350 840 32 Н Д-2500/10 2500 3,0 975 350 840 40 — на сооружениях можно также дозато¬ ром, называемым «плавающей трубкой» (рис. 3.28). Для дозирования растворов широко применяются плунжерные насосы-до¬ заторы типа НД и винтовые насосы мар¬ ки 1В6/10Х. Растворы реагентов этими насосами подают в напорные участки водопровода. Характеристики применя¬ емых в водоподготовке насосов НД при¬ ведены в табл. 3.3. Общий вид насоса-до¬ затора представлен на рис. 3.29. В насосах 1В6/10Х подача раствора механическим вариатором типа ВПД изменяется от 0,5 до 6м3/ч, полный на¬ пор составляет 0,1 МПа. Осветленные растворы коагулянта, со¬ ды, гидроксида и гексаметафосфата нат¬ рия часто дозируют напорными шайбо¬ выми дозаторами (рис. 3.30). Принцип их действия основан на перепаде дав¬ лений в диафрагме, устанавливаемой на трубопроводе обрабатываемой воды. Шайбовый дозатор выполнен в виде стального цилиндрического бака со сфе¬ рическими днищами, в которые вваре¬ ны патрубки для подачи и отвода дози¬ руемого раствора и воды. Дозатор изготовляют обычно из двух половин (а и б) и соединяют их на флан¬ цах, между которыми зажимают края мешка из тонкой резины. Мешок предна¬ значен для отделения раствора реагента от вытесняющей его воды. Дозатор 4 перед пуском воды по тру¬ бопроводу 2 заполняют (см. рис. 3.30) снизу раствором реагента из бака 1. Воздух через воздушник 3 выпускают, а резиновый мешок 8, прилегая к стен¬ кам дозатора, поднимается вверх. После заполнения дозатора раствором реа¬ гента закрывают воздушник и перекры¬ вают вентиль на трубопроводе, подаю¬ щем раствор реагента из бака. Открыва¬ ют вентили на трубопроводах дозатора. Поскольку давление в трубопроводе пе¬ ред диафрагмой 9 выше, чем за ней, не¬ которое количество воды пойдет через ротаметр 6 и трубопровод 5 в верхнюю часть дозатора и вытеснит из него по трубопроводу 10 такое же количество раствора реагента в трубопровод за диа- \ у 1 Ф и ф = г4ч Рис. 3.29. Общий вид насоса-дозатора типа НД: 1,2 — соответственно всасывающий и нагнетатель¬ ный патрубки; 3, 4 — подвод и отвод охлаждающей воды; 5 — устройство для изменения хода плунжера; 6 —» отверстия для анкерных болтов. 1 ^ канализацию В канализацию Ь канализацию Рис. 3.30. Схема установки шайбового дозатора. 51
Рис. з.31. Схема дозирования известкового молока для поддержания заданного значения pH воды: / — бак с мешалкой для известкового молока; 2 — дозатор; 3 — магнитный пускатель; 4 — исполни¬ тельный механизм; 5 — прерыватель; 6 — трансфор¬ матор; 7 — рН-метр; 8 — датчик рН-метра; 9 — сме¬ ситель; Ю — насос. фрагмой. Расход реагента можно регу¬ лировать вентилем 7 по показаниям ро¬ таметра. Когда поплавок ротаметра опустит¬ ся на нулевое деление, в работу вклю¬ чится второй дозатор. В это время пер¬ вый дозатор подготавливают к работе. Схема дозатора суспензий, рассчи¬ танного на поддерживание заданных па¬ раметров качества обрабатываемой воды, приведена на рис. 3.31. Работой дозато¬ ра управляет контактный рН-метр 7, записывающий значения pH на карто¬ грамме. Часть воды, обработанной из¬ вестковым молоком в вертикальном сме¬ сителе 9, поступает в измерительную ячейку 8, представляющую собой дат¬ чик со стеклянным и каломельным электродами. Если pH воды отклоняет¬ ся от заданного на величину, большую чем 0,1, контакты рН-метра, снабжен¬ ного разъединительным трансформато¬ ром 6, замыкаются и на промежуточное реле реверсивного магнитного пускате¬ ля 3 поступает сигнал на включение ре¬ версивного электродвигателя дозиру¬ ющего органа — конусного клапана до¬ затора. Если pH больше заданной величины, замыкаются контакты рН-мет- ра, подающие импульс на закрытие, ес¬ ли меньше — на открытие клапана до¬ затора. Поскольку за время протекания воды от дозатора до измерительной ячейки (2—4 мин) его действие запаздывает и происходит перерегулирование (непре¬ рывное срабатывание дозатора на от¬ крытие и закрытие), для обеспечения пауз между периодами работы электро¬ двигателя дозатора в его систему вве¬ дено реле времени. Суспензия известкового молока из гидравлической мешалки 1 (см. рис. 3.31) насосом 10 подается в дозатор 2 с неко¬ торым избытком. Это обеспечивает под¬ держание в дозаторе повышенной ско¬ рости восходящего потока, что препят¬ ствует осаждению частичек суспензий. Ее избыток возвращают в мешалку. К автоматизированным дозаторам от¬ носится разработанный ВНИИ ВОДГЕО дозатор ДИМБА (дозатор известкового молока бункерный автоматический). Это дозатор циркуляционного типа. Доза из¬ весткового молока в нем отмеряется де¬ лением свободно падающей плоской струи ножом делителя, который переме¬ щается электродвигателем. Такие доза¬ торы могут блокироваться с автомати¬ ческими рН-метрами или расходомерами воды, регулируя подачу реагента по за¬ данному значению pH или пропорцио¬ нально расходу обрабатываемой воды. 3.13. Техника безопасности при работе с реагентами и эксплуатация оборудования реагентного хозяйства Условия разгрузки реагентов и работы на складах для их хранения должны удовлетворять требованиям техники без¬ опасности и охраны труда. Для меха¬ низмов, используемых при разгрузке и перемещении реагентов, составляются паспорта и инструкции по обслужива¬ нию. Реагенты из вагонов выгружают в сроки, установленные МПС СССР. Каждая партия реагентов, поступаю¬ щих на склады, должна иметь паспорт поставщика с указанием содержания в товарном продукте активного реагента на основании данных анализа, производи¬ мого поставщиком. При поступлении ре¬ агентов отбирают пробу для проведения контрольного анализа в лаборатории с целью проверки сведений поставщика. Контрольный анализ должен произво¬ диться по методике, указанной в соот¬ 52
ветствующем ГОСТе. При длительном хранении негашенной и хлорной извес¬ ти, а также активированного угля со¬ держание активного продукта проверя¬ ют через каждые полгода. Концентра¬ цию растворов реагентов контролируют по их плотности или титрованием. Необходимо следить за тем, чтобы склады для реагентов были всегда су¬ хими, а находящиеся в них реагенты не увлажнялись. В первую очередь это относится к складам негашеной и хлор¬ ной извести, активированного угля, ко¬ торые в сырых помещениях теряют свои технологические качества. Двери складов после окончания приема или выдачи реагентов следует плотно за¬ крывать. При растворении в воде FeCl3 выде¬ ляются пары соляной кислоты, вызыва¬ ющие коррозию аппаратуры, а также вредно влияющие на слизистые оболоч¬ ки обслуживающего персонала. Поэто¬ му барабаны, содержащие FeCl3, поме¬ щают в закрытый бокс на колоснико¬ вую решетку, так чтобы коагулянт можно было вымыть струей воды из брандспойта, находясь вне бокса. Бок¬ сы снабжают вытяжной вентилляцией. На вымывание из бочки 100 кг FeCb брандспойтом с 13-миллиметровым на¬ конечником при расходе воды 2,5 л/с и давлении 0,2 МПа необходимо 15— 17 мин, в бак при этом стекает раствор FeCl3 концентрацией 4—5 %, который можно непосредственно, без разбавле¬ ния, дозировать в обрабатываемую во¬ ду. Ускорить процесс заготовки раство¬ ра коагулянта можно подводом горячей воды к реагентным бакам. Особенно это важно зимой, когда температура воды низкая. При проектировании и монтаже воздухораспределительной системы необходимо стремиться к мак¬ симальной ее разветвленности, обеспе¬ чивающей равномерное распределение воздуха по площади баков при барбо- тировании. Скорость выхода воздуха из отверс¬ тий воздухораспределительной системы должна быть не ниже 30 м/с. В ходе эксплуатации водоочистных станций места ввода реагентов и при¬ нятые при проектировании их ориенти¬ ровочные дозы следует постоянно уточ¬ нять технологическим анализом. Дежурные операторы по коагулиро¬ ванию во время работы должны быть обеспечены спецодеждой (резиновые перчатки, сапоги, фартук с нагрудни¬ ком), респираторами и защитными очками. При эксплуатации ДАК необходимо соблюдать все правила техники без¬ опасности и промышленной санитарии, как и при работе с хлораторами (см. п. 11.5). Известковое молоко транспортируют в открытых лотках прямоугольного или треугольного сечения, легко очищае¬ мых от осадка скребками; зимой лотки закрывают и утепляют. Лотки целесо¬ образно устраивать под железобетон¬ ным перекрытием отстойников так, чтобы известковое молоко поступало через люки в перекрытие и попадало в желоба, установленные перпендику¬ лярно к потоку воды в каждой секции отстойника выше максимального уров¬ ня воды на 4—8 см. Поскольку в отходах после гашения извести остается от 10 до 25 % СаО, осадки из растворных баков сбрасыва¬ ют в ямы-накопители для гашения ос¬ тавшегося оксида. Воду спускают в ка¬ нализацию, а отходы применяют в стро¬ ительстве. Это позволяет полностью использовать товарную известь. При загрузке известегасильных ап¬ паратов комовой известью (кипелкой) выделяется пыль, которая вредно дей¬ ствует на кожу и слизистые оболочки рабочих. Значительное количество пы¬ ли образуется также при использова¬ нии сухой гашеной извести (пушонки). ПДК щелочных аэрозолей в перерас¬ чете на NaOH составляет 0,5 мг/м3. По¬ этому при работе на известегасильных аппаратах необходимо соблюдать пра¬ вила промышленной санитарии. Обслу¬ живающий порсонал должен быть обеспечен брезентовой спецодеждой, резиновыми рукавицами и обувью. При образовании пыли необходимо пользо¬ ваться противопылевыми респиратора¬ ми и защитными очками. Ежеквартально, но не реже двух раз в год, необходимо проверять работу до¬ зирующих устройств. Проверкой пре¬ дусматривается осмотр аппаратуры, установление причин появления загряз¬ нений и очистка от них, контроль состо¬ яния соединительных узлов и др.
Раздел II УДАЛЕНИЕ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ Глава 4 КОАГУЛИРОВАНИЕ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ 4.1. Физико-химические основы процесса коагуляции Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения коллоидных и взве¬ шенных частичек дисперсной системы, происходящий в результате их взаимо¬ действия и объединения в агрегаты. За¬ вершается этот процесс отделением агре¬ гатов слипшихся частичек от жидкой фазы осаждением. Диспергированные, коллоидные и взвешенные частички примесей природ¬ ных вод в большинстве случаев имеют одинаковые заряды, что обусловливает возникновение межмолекулярных сил от¬ талкивания и агрегативную устойчи¬ вость. Поскольку в технологии очистки воды предусматривается частичное или полное удаление примесей, агрегатив¬ ную устойчивость частичек стремятся нарушить, а заряд их устранить или сни¬ зить до очень малых значений. Этого достигают добавлением к воде сульфатов алюминия, железа (II) и железа (III), хлорида алюминия, хлорида железа (III), алюмината натрия, оксихлорида алюминия и других веществ, которые, являясь коагулянтами, либо нарушают агрегативную устойчивость системы, ли¬ бо образуют вследствие гидролиза кол¬ лоиды, сорбирующие примеси из воды. Коллоидные примеси, находящиеся в природной воде, позволяют рассматри¬ вать ее как гетерофазную систему, в ко¬ торой вода является дисперсионной сре¬ дой, а масса распределенных в воде коллоидных частичек — дисперсной фа¬ зой. Эти частички представляют собой очень мелкие агрегаты кристаллическо¬ го или аморфного строения. Благодаря огромной удельной поверхности коллоид¬ ных частичек они обладают весьма зна¬ чительной поверхностной энергией, а следовательно, и высокой адсорбцион¬ ной емкостью. Это обстоятельство имеет большое значение, поскольку основной процесс обработки воды — коагулиро¬ вание — связан с адсорбцией на кол¬ лоидных частичках примесей, содержа¬ щихся в воде. Возникновению коллоидных частичек предшествует образование твердой фазы (ядра), адсорбирующей из растворов потенциалобразующие ионы. Сильнее ад¬ сорбируются ионы, которые больше понижают свободную энергию поверх¬ ности твердой фазы. В результате погло¬ щения ионов поверхность ядра приобрета¬ ет заряд. Находящиеся в растворе раз¬ ноименно заряженные ионы (противо- ионы) собираются у поверхности ядра вследствие электрического притяжения между разноименными электрическими зарядами, образуя коллоидную частич¬ ку. Если бы в растворе не было теплово¬ го движения, приводящего к перемеще¬ нию ионов, противоионы образовали бы мономолекулярный слой (рис. 4.1, а), охватывающий коллоидную частичку на расстоянии ионного радиуса. Термодина¬ мический потенциал у такого двойного слоя является потенциалом между твер¬ дой фазой и жидкостью. В действитель¬ ности упорядоченное строение оболоч¬ ки нарушается в результате теплового движения ионов в растворе, а слой окружающих частичку противоионов приобретает диффузный характер (см. рис. 4.1, б). Коллоидная частичка вместе с окру¬ жающим ее диффузным слоем называ¬ ется мицеллой. На рис. 4.2 представ¬ лена схема строения мицеллы золя Fe (ОН)3, полученного вследствие гид¬ ролиза FeCl3. Золь — система, состоя¬ щая из коллоидных частичек, распреде¬ ленных в жидкой или газообразной сре¬ 54
о о а Рис. 4.1. Изменение потенциала и распределение за¬ ряда в двойном (а) и диффузном (б) слоях: 00 — поверхность ядра; АВ — граница двойного слоя; Д— толщина двойного слоя; CD — граница диф¬ фузного слоя. Рис. 4.2. Схематическое изображение мицеллы золя гидроксида железа (III) с положительно заряженной частичкой. де. Если такой средой является вода, система называется гидрозолем. Как вид¬ но из рис. 4.2, мицелла Fe (ОН)3 со¬ стоит из ядра, образованного молекула¬ ми Fe (ОН)3, адсорбционно связанных с ним потенциалобразующих водородных ионов (яН+) и некоторого количества ионов хлора [(л — х) С1 ], меньшего, чем количество ионов Н+, в результате чего коллоидная частичка имеет поло¬ жительный заряд. Ионы Н+ и входя¬ щие в состав частички противоионы С1~ образуют двойной электрический слой. Отдельные ионы хлора (хС1~) образуют диффузный слой и вместе с коллоидной частичкой составляют мицеллу золя Fe (ОН)8: Частичка {т [Fe (ОН)3] - гаН+, (п — х) С1—} хС1~~ Ядро Мицелла В зависимости от условий образования золя потенциалобразующие ионы и про¬ тивоионы могут меняться местами. Золь А1 (ОН)3, образующийся при гид¬ ролизе солей алюминия, заряжен по¬ ложительно при низких значениях pH воды и отрицательно — при высоких. Поверхность коллоидной частички золя приобретает заряд в результате несколь¬ ких возможных процессов: в щелочной среде кристаллическая решетка частич¬ ки достраивается гидроксильными ио¬ нами, находящимися в воде, приобретая отрицательный заряд; в нейтральной и кислой средах — положительный за¬ ряд, который возникает за счет адсорб¬ ции решеткой ионов А13+. Формула ми¬ целлы золя А1 (ОН)3, образовавшегося при гидролизе А1С13 в нейтральной сре¬ де, такова: {т [А1 (ОН)3| • п А13+, 3 (п — х) С1~} ЗхС1~. При гидролизе растворов Al2 (S04)3 потенциалобразующими ионами и про- тивоионами будут соответственно ионы А13+ и SO*-- Известно, что коллоидные частички находятся в постоянном движении. При этом часть окружающего частичку рас¬ твора увлекается и движется вместе с ней в виде тонкой пленки. На рис. 4.1, б линия 00 представляет поверхность коллоидной частички, непосредственно возле которой расположены положи¬ тельные ионы двойного слоя, а далее ионы диффузного слоя, ограниченные на рисунке линией CD, являющейся гра¬ ницей электронейтрального комплекса мицеллы. При движении коллоидная частичка в электрическом поле увлекает часть раствора, ограниченную на ри¬ сунке линией АВ, а часть ионов диф¬ фузного слоя, расположенных между линиями АВ и CD, отрывается от частички. При этом она становится от¬ рицательно заряженной, а окружа¬ ющий ее раствор приобретает положитель¬ ный заряд. Скачок потенциала, возника¬ ющий при этом между частью жидкости, увлекаемой коллоидной частичкой, и остальным раствором, называется элект- рокинетическим, или потенциалом. ^-Потенциал изменяется при прибав¬ лении к коллоидным системам электро¬ литов. Для отрицательно заряженных частичек ^-потенциал зависит от вели¬ чины заряда катионов электролита, а для положительно заряженных части¬ чек — от величины заряда анионов. 55
С прибавлением электролитов кон¬ центрация ионов в диффузном слое уве¬ личивается, и для компенсации зарядов на поверхности частичек требуется мень¬ ший объем диффузного слоя (т. е. проис¬ ходит как бы его сжатие). Сжатие мо¬ жет дойти до такой степени, что диффуз¬ ный слой не будет выходить за пределы линии, ограничивающей поверхность скольжения коллоидной частички при ее движении (см. рис. 4.1, б, линия АВ). Когда диффузный слой сожмется до размера, ограниченного линией АВ, 1-потенциал станет равным нулю. В этот момент коллоидные частички будут находиться в изоэлектрическом состоя¬ нии (изоэлектрическим состоянием на¬ зывается состояние золя, при котором коллоидные частички не имеют электри¬ ческого заряда). В результате устранят¬ ся причины, препятствовавшие их сбли¬ жению, коллоидные частички, соеди¬ няясь, образуют сравнительно крупные агрегаты, которые начинают осаждаться. При добавлении электролита к коагу¬ лируемому коллоиду можно заметить, что коагуляция начинается не в изо- электрической точке, а при значении по¬ тенциала ~ 0,03 В (значение ^-потенциа¬ ла для большинства коллоидов обычно составляет 0,07 В). Это значение ^-потенциала является мерой устойчивос¬ ти коллоидных систем и называется кри¬ тическим; с его уменьшением устойчи¬ вость коллоидной системы снижается. Изменение значения ^-потенциала при сжатии диффузного слоя показано на рис. 4.3 (по оси абсцисс отложены рас¬ стояния от поверхности частички, по оси ординат — значения S-потенциалов). Степень влияния ионов зависит от их концентрации, валентности и размеров: чем выше концентрация ионов и их ва¬ лентность, тем больше сжатие диффуз¬ ного слоя, а следовательно, тем сильнее эти ионы снижают устойчивость колло¬ идных частичек. Связь между валент¬ ностью прибавляемых ионов и их коа¬ гулирующей способностью может быть проиллюстрирована такими данными: коагуляция положительно заряженного золя Fe203 вызывается добавлением 11,8 ммоль/л одновалентных анионов или 0,21 ммоль/л двухвалентных; а зо¬ ля А1203 — 52,0 ммоль/л одновалентных, 0,63 двухвалентных, 0,08 трехвалентных или 0,053 четырехвалентных анионов. Такие концентрации электролитов назы¬ ваются пороговыми. Так происходит коагуляция гидро¬ фобных золей, обусловленная адсорб¬ цией ионов и созданием двойного элек¬ трического слоя на поверхности колло¬ идных частичек. Их устойчивость в рас¬ творе определяется гидратацией ионов и влиянием зарядов поверхности на ориентированную адсорбцию дипольных молекул воды. Эти гидратные слои пол¬ ностью зависят от ионных взаимодей¬ ствий и при электролитной коагуляции не препятствуют слипанию частичек. Совершенно иной характер устойчи¬ вости имеют гидрофильные золи, при¬ рода поверхности частичек которых обус¬ ловливает образование молекулярных сольватных слоев при участии вандер- ваальсовских, водородных и комплексных связей, вне зависимости от действия рас¬ творов электролитов небольших кон¬ центраций. Высокоочищенные золи H2Si03 и А1 (ОН)3 могут сохраняться в растворе даже при снижении |-по- тенциала почти до нуля. Значение гидратных слоев объяснено Б. В. Дерягиным, который установил, что для сближения коллоидных части¬ чек необходимо затратить работу на преодоление сопротивления так назы¬ ваемого «расклинивающего давления», обусловленного силами молекулярного сцепления воды с поверхностью части¬ чек. На расстоянии 1 нм и меньше силы взаимного притяжения частичек преоб¬ ладают над силами сцепления в гид- Рис. 4.3. Влияние электролитов на электрокинетиче- ский потенциал: А В — поверхность скольжения; CD — граница диф¬ фузного слоя при наиболее низкой концентрации элек¬ тролитов; CSD3 — граница диффузного слоя при наи¬ более высокой концентрации электролитов (£ —. электрокинетический, ф — термодинамический потен¬ циалы). 56
ратном слое. При больших расстояниях гидратные слои являются термодинами¬ чески устойчивым стабилизирующим фактором. Аналогично влияют поверхностно-ак¬ тивные вещества. Изменение гидрофиль¬ ное™ поверхности частичек в данном случае зависит от ориентации молекул поверхностно-активных веществ в ад¬ сорбционном слое. Увеличение гидро¬ фильное™ и возрастание устойчивости коллоидных частичек в водных системах наблюдается, если полярные группы адсорбированных соединений обращены в сторону дисперсионной среды. Работа¬ ми П. А. Ребиндера и сотрудников уста¬ новлено, что ориентация приобретает особое значение при образовании моле¬ кулами поверхностно-активных веществ в адсорбционных слоях двухмерных ге¬ леобразных структур, обладающих по¬ вышенными структурно-механическими свойствами. Это явление называется коллоидной защитой, которая заключа¬ ется в том, что при добавлении гидро¬ фильных веществ к гидрофобным кол¬ лоидам они образуют структурно-проч- ные адсорбционные слои на поверхнос¬ ти частичек и повышают устойчивость последних по отношению к электроли¬ там-коагулянтам. Добавление к золю небольших коли¬ честв высокомолекулярных соединений (ВМС), которые не обеспечивают пол¬ ного покрытия поверхности частичек золя, вызывает явление, противополож¬ ное коллоидной защите,— сенсибили¬ зацию, т. е. повышение чувствительнос¬ ти золя к действию электролитов. Сен¬ сибилизирующее действие ВМС прояв¬ ляется независимо от знака заряда по¬ верхности частичек золей. Термодина¬ мическая устойчивость таких растворов определяется тем, что связь молекул полимерного соединения с водой силь¬ нее их взаимной связи в твердой фазе и тем, что они равномерно распределе¬ ны во всем объеме растворителя. При очистке воды коагуляция колло¬ идов протекает под влиянием сложной смеси электролитов, находящихся в во¬ де, и под влиянием ионов, вносимых в воду вместе с коагулянтом. Так, в слу¬ чае применения Al2 (S04)3, в воду вно¬ сят значительные количества ионов SO4-. Если в качестве коагулянта исполь¬ зуется FeClg, в очищаемой воде повы¬ шается содержание ионов С1—. Наличие смеси электролитов усложняет коагу¬ ляцию, поскольку при этом эффекты влияния отдельных коагулирующих ио¬ нов усиливаются или ослабляются. Коагуляция коллоидов вызывается не только электролитами, но и взаимодей¬ ствием противоположно заряженных коллоидов, наступающим при адсорбции одного коллоида поверхностью другого. Этот процесс играет некоторую роль при осветлении воды коагулированием. Необходимым условием взаимной коагу¬ ляции является равенство противопо¬ ложных зарядов частичек золей. При несоблюдении этого условия коагуляция протекает либо неполно, либо вовсе не наступает, независимо от количества прибавленного коагулирующего кол¬ лоида. Отсюда следует, что взаимная коагуляция коллоидов может проте¬ кать лишь в узкой зоне соотношения их концентраций. Большинство коллоидов природных вод в отличие от золей коагулянтов за¬ ряжено отрицательно К таким колло¬ идам относятся распространенные в при¬ родных водах кремниевая кислота, мель¬ чайшие глинистые и почвенные частич¬ ки, а также гумусовые вещества. Глини¬ стые и почвенные взвеси состоят в основ¬ ном из гидроалюмосиликатов, имеющих общую формулу лА,1203 ySi02 • zH20. Вода, входящая в состав глины, по современным представлениям не явля¬ ется кристаллогид ратной. Молекула глины представляет собой молекулу алю- мосиликатной кислоты, в которой кисло¬ род воды входит в состав аниона, а во¬ дород является катионом; простейшая формула гидроалюмосиликата А120.,х x2Si02 • 2Н20 в этом случае выглядит так: H4Al2Si209. Анионы алюмосиликата образуют осно¬ ву отрицательно заряженной глинистой частички, окруженной сферой положи¬ тельных компенсирующих ионов водорода. Величина заряда глинистой частички и его знак зависят от pH воды, в которой суспензирована глина, поскольку при повышении концентрации ионов водо¬ рода уменьшается диссоциация алюмо- силикатной кислоты, а благодаря этому и количество свободных ионов, 57
обусловливающих устойчивость коллоид¬ ных частичек. Опыт подтверждает, что глинистые взвеси значительно скорее отстаиваются и коагулируют при под- кислении воды. Гумусовые вещества, также имеющие кислотный характер, в природных во¬ дах встречаются в виде стойких высоко- дисперсных отрицательно заряженных золей. Основу частичек составляют ани¬ оны гуминовых кислот; ионы водорода или металлов составляют внешнюю обо¬ лочку двойного электрического слоя. Большинство веществ, обусловливаю¬ щих мутность и цветность природных вод, являются гидрофобными или сла¬ богидрофильными коллоидами. Гидро- фобны или слабогидрофильны и колло¬ иды, образующиеся при очистке воды в результате гидролиза вводимых в воду коагулянтов. Поэтому полное представ¬ ление о поведении коллоидов в процессе очистки природных вод можно получить лишь при учете факторов устойчивости гидрофобных и гидрофильных коллоидов. На наличие гидрофильных свойств у коллоидов природных вод указывают три фактора: 1) малая чувствительность к содержанию электролитов; 2) способ¬ ность удерживать значительное коли¬ чество воды их скоагулированными осад¬ ками; 3) для некоторых из них, в осо¬ бенности для продуктов разложения бел¬ ковых веществ и гуминов, характерно проявление защитного действия по отно¬ шению к глинистым и почвенным сус¬ пензиям, коллоидной кремниевой кисло¬ те, а также к золям гидроксидов алюми¬ ния и железа (III), образующихся при внесении в воду коагулянтов. Защита гидрофобных коллоидов, с точки зрения технологии очистки воды, явление нежелательное, поскольку она вызывает образование стойких связей и замедляет осаждение коагулянта. Соотношение глины и гумуса в ком¬ плексе при защите частичек гумусовы¬ ми веществами зависит от pH среды: pH среды Состав комплекса муса на 100 ч. п 3,85 9,6 5,0 8,08 5,9 7,26 6,95 6,28 7,25 5,37 7,55 4,65 8,5 2,05 Коллоидные частички гидрофильных органических коллоидов представляют собой агрегаты молекул, свернутых в рыхлый клубок, промежутки в котором заполнены водой. Полярными группами в них (например, в гуминовых вещест¬ вах) являются фенольные и карбоксиль¬ ные. Устойчивость гидрофильных кол¬ лоидов объясняется развитой гидратной оболочкой. Например, у полярных групп ОН-, СОз-, HCOjT, образующих кол¬ лоидные гидрофильные частички, мо¬ лекулы воды, представляющие собой диполи, ориентируются и притягивают¬ ся в результате электростатического вза¬ имодействия. По мере удаления от по¬ верхности полярных молекул ориента¬ ция молекул воды ослабевает. Устойчи¬ вость гидрофильных систем снижается при химической обработке, в результате которой полярные группы НСОГ окис¬ ляются до карбонильных — гидрофоб¬ ных (количество полярных групп в мо¬ лекуле уменьшается). Для этой цели на станциях водоочистки применяют пред¬ варительное хлорирование воды перед введением коагулянта. Используемые в технологии очистки воды коагулянты чаще всего являются солями слабых оснований и сильных кислот (Al2 (S04)3, FeCl3 и др.). При растворении они гидролизуют. Взаимо¬ действуя с гидроксильными ионами, со¬ держащимися в воде, в результате элек¬ тролитической диссоциации последней эти соли образуют малорастворимые ос¬ нования. В воде накапливаются ионы водорода, и раствор приобретает кислую реакцию. Полнота гидролиза имеет большое зна¬ чение как для самой коагуляции, так и для качества очищаемой воды, посколь¬ ку наличие ионов алюминия в очищен¬ ной питьевой воде недопустимо. Гидролиз соли слабого основания и сильной кислоты протекает по уравнению МеАп + лН20 Me (ОН)„ + гаН/4, или в ионной форме Меп+ + пНгО Me (ОН),, -)- ггН+, где Меп+ — катион; А~ — анион соли. Скорость гидролиза можно описать уравнением V = kr lA^'+i |Н20|, 58
где V — скорость гидролиза; kr — кон¬ станта гидролиза; [Меп+\ — концен¬ трация катионов в растворе коагулянта; [Н20] — концентрация воды в растворе. Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна концентра¬ ции катионов коагулянта. Поскольку применяющиеся концентрации раство¬ ров коагулянта незначительны, можно считать, что скорость гидролиза коагу¬ лянта прямо пропорциональна его кон¬ центрации (или его дозе), введенной в воду. С повышением температуры на каждые 10 градусов скорость гидроли¬ за, как и большинства химических ре¬ акций, возрастает примерно в 2—4 ра¬ за (правило Вант-Гоффа). Константу гидролиза можно вычис¬ лить по уравнению [Me (ОН1„| |Н+]П Таблица 4.1. Растворимость гидроксидов некоторых металлов (при t — 18 °С) kr. ■ k [H2Of. Г идроксид Произведе¬ ние раство¬ римости Растворимость ммоль/л г/100 мл нго А1 (ОН). 1,9-К)-33 2,9-10-9 2,26-Ю-8 Fe (ОН), 6,3- ю-16 4,9-10-61 4,40-10-5 Fe (ОН)3 3,8-10~38 г.О-Ю-10' 2,13-10-9 \Меп+] Необходимым условием для более пол¬ ного протекания гидролиза является удаление из сферы реакции образующих¬ ся Fe (ОН)3 или А1 (ОН)3, а также свя¬ зывание ионов Н+ в малодиссоциирован- ные молекулы. Гидролиз усиливается с разбавлением коагулянта. Более полному гидролизу подвержены коагулянты, образующие гидроксиды с меньшей константой диссоциации (ве¬ личиной, характеризующей способ¬ ность электролитов диссоциировать на ионы) или меньшим произведением рас¬ творимости (табл. 4.1). Приведенные в таблице данные пока¬ зывают, что гидролиз солей железа (III) должен протекать полнее, чем солей алюминия, и значительно полнее, чем солей железа (II). Как следует из уравнения, с увели¬ чением степени гидролиза pH раство¬ ра должно уменьшаться. Любое повыше¬ ние pH раствора обеспечивает полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для быстрого и полного гидролиза ко¬ агулянтов необходим некоторый щелоч¬ ной резерв воды, т. е. наличие в ней определенного количества ионов НСОГ, которые связывают ионы водорода, вы¬ деляющиеся при гидролизе: Н+ + нсо~ = Н20 + СО,. Благодаря наличию в воде буферной системы НСОГ — Н2С03 с pH, близ¬ ким к 7, pH воды при гидролизе коагу¬ лянтов в большинстве случаев изменя¬ ется незначительно. По уравнению гидролиза коагулянтов можно вычислить концентрацию ионов НСОГ, необходимую для нейтрализации кислоты, образующейся при гидролизе определенной дозы коагулянта. Из сум¬ марной реакции гидролиза Al2 (S04)s в присутствии ионов НСОГ Al2 (S04)3 + ЗСа (НСОзЬ + 6Н50 = = 2А1 (ОН)3 + 3CaS04 + 6Н3С03 следует, что на каждые 342 мг А1г (S04)3 расходуется 6 мг-экв НСОГ. В тех случаях, когда концентрация ионов НСОГ, содержащихся в воде, не¬ достаточна для полного гидролиза коа¬ гулянта, щелочность воды повышают введением известкового молока или рас¬ твора кальцинированной соды. В первом случае эффект подщелачивания объясня¬ ется связыванием ионов Н+ ионами ОН- извести, во втором — связыванием ио¬ нов Н+ в ионы НСОГ- Применять каль¬ цинированную соду можно только для очистки воды, используемой, для техни¬ ческих целей. Зная щелочность обрабатываемой во¬ ды и дозу введенного коагулянта, мож¬ но вычислить количество (дозу) извести или соды, необходимое для гидролиза и обеспечения резервной остаточной ще¬ лочности, равной 1 мг-экв/л (см. п. 3.3). Гидролиз солей алюминия, исполь¬ зуемых в качестве коагулянтов, проте¬ кает в несколько стадий: А13+ + Н20 <2 А1 (ОН)2+ + Н+; А1 (ОН)2+ + Н20 ^ А1 (ОН)+ + Н+; А1 (ОН)+ + Н20 А! (ОН)3 + Н+; А13+ + ЗН20 ^ А1 (ОН)3 + ЗН+. 59
Степень гидролиза повышается с раз¬ бавлением раствора, повышением его температуры и pH. Гидроксид алюминия является типич¬ ным амфотерным соединением, т. е. обладает как кислотными, так и основны¬ ми свойствами: А1 (ОН)з + ЗН+ <=► А13+ + ЗН20; А1 (ОН)3 + ОН- г± AlOf + 2Н20. Константа равновесия для первого уравнения [А13+] [А13+] «1 = : , ИЛИ = -т [А1 (ОН)3] [Н+]3 [Н+]« (А1 (ОН)3 содержится в твердой фазе и концентрация его в растворе постоян¬ на), откуда [А13+] = k' [Н+|3. Для второго уравнения константа рав¬ новесия k, = - [АЮ71 [А1 (ОН)3| |ОН [AlO^j или *2 [ОН откуда [ЛЮ- : k'2 (ОН—j = [Н+] где kw — ионное произведение воды (ве¬ личина постоянная, зависящая только от температуры). Таким образом, растворимость А1 (ОН)3 в кислой среде прямо пропор¬ циональна концентрации водородных ио¬ нов в третьей степени [Н+]3, а в щелочной — обратно пропорциональна [Н+]. Осаждение А1 (ОН)3 начинается при pH =3 и становится полным при pH =7. Дальнейшее повышение pH ведет к рас¬ творению осадка, заметному при pH =9. Рентгенографически установлено, что в гидрокарбонатно-хлоридных и гидро- карбонатно-сульфатных средах частич¬ ки формируются с образованием гид- раргиллита — А1 (ОН)3, способного су¬ ществовать в этих условиях длительное время. При коагулировании в кислых и ней¬ тральных средах, содержащих небольшое количество гидрокарбонатов, для нейтра¬ лизации ионов Н+, накапливающихся в воде при гидролизе AI2 (S04)3, можно применять смесь Al2 (S04)3 и NaA102. В этом случае накапливающиеся ионы Н+ будут нейтрализоваться ионами ОН > образующимися при гидролизе NaA102: AlOj" + 2Н20 А1 (ОН)3 + ОН-. Если в смеси выдержано необходимое соотношение между Al2 |S04)3 и NaA102, то при гидролизе значение pH воды практически не изменяется и гидролиз обоих реагентов протекает достаточно полно. Гидролиз FeCl3 протекает в три стадии: Fe3+ + H20 Fe(OH)2+ + H+; Fe (ОН)2++ Н20 ^ Fe (ОН)+ + Н+; Fe(OH)++H2Q Fe(OH)3 + H+; Fe3+ + ЗНгО Fe (ОН)3 + ЗН+. Гидролиз железного купороса в воде выражается уравнением Fe2+ +2Н20 Fe(OH)2 + 2H+. Поскольку растворимость Fe (ОН)2 ве¬ лика и он значительно диссоциирован, равновесие гидролиза сильно смещено влево. Образующийся Fe (ОН)2 под действием кислорода, растворенного в воде, окисляется в Fe (ОН)3: 4Fe (ОН)2 + О, + 2НгО = 4Fe (ОН)3. Хлопья FeCl3 наиболее интенсивно образуются при pH = 5...7, причем оп¬ тимум находится между значениями pH 6,1 и 6,5. Изоэлектрическая точка Fe (ОН)3 соответствует значению pH не¬ сколько большему, чем 6,5. Хлопьеоб- разование Fe (ОН)3, в отличие от А1 (ОН)3, протекает в значительно более широком диапазоне значений pH. Рентгенографически установлено, что при гидролизе солей железа (III) в гид¬ рокарбонатно-хлоридных и гидрокарбо- натно-сульфатных средах образуется од¬ на и та же модификация гидроксида же¬ леза (III) — гетит la-FeO (ОН)]. Характерно, что а-гидроксид желе¬ за (III) образуется и в случае гидролиза солей железа (II), например,железного купороса, окисляемого хлором или рас¬ творенным в воде кислородом при под- щелачивании известью. Для нормальной коагуляции большую роль играют размеры и структура час¬ тичек гидроксидов, причем размеры час¬ тичек, выделяющихся при гидролизе коагулянтов, зависят главным образом от степени пересыщения раствора. В про¬ 60
цессе водоочистки гидролиз солей-коа¬ гулянтов протекает в разбавленных раст¬ ворах, что создает условия слабого пе¬ ресыщения и благоприятствует образо¬ ванию крупных частичек при обеспече¬ нии необходимого периода времени на их формирование. Структура выделяю¬ щихся из раствора частичек зависит от скорости двух протекающих одновре¬ менно процессов: беспорядочного сли¬ пания частичек при столкновениях (аг¬ регации) и роста кристаллов (ориента¬ ции). При незначительном пересыщении главную роль играет скорость ориента¬ ции, которая у гидроксидов понижается с увеличением числа гидроксильных ионов, связанных с атомом металла. Поэ¬ тому частички гидроксидов двухвалент¬ ных металлов имеют кристаллическую форму, а гидроксиды трехвалентных ме¬ таллов (алюминия и железа) выделяют¬ ся главным образом в аморфном состоя¬ нии. Процесс искусственного обесцвечива¬ ния воды согласно современным представлениям протекает следующим образом. При добавлении к очищаемой воде раствора коагулянтов Al2 (S04)3 или FeCl3 в течение первых 30—180 с про¬ ходит гидролиз добавленных солей и образуются коллоидные гидроксиды алю¬ миния и железа, имеющие огромные ак¬ тивные поверхности. Коллоидные приме¬ си, содержащиеся в воде, адсорбируются на поверхности частичек гидроксидов. При адсорбции следует различать два процесса: собственно адсорбцию и фик¬ сацию (закрепление) адсорбированных коллоидов на поверхности. В первом процессе главную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия. Ад¬ сорбция коллоидных частичек зависит от их дисперсности: она тем больше, чем выше дисперсность и чем меньше устой¬ чивость частичек. Причины фиксации могут быть раз¬ личными. Чаще всего необходимость про¬ цесса адсорбции гуминов и других кол¬ лоидных загрязнений воды на А1 (ОН)3 вызывается образованием особого рода поверхностных соединений — лаков. Большое значение в процессе фиксации адсорбированных коллоидов имеет их коагуляция вследствие разноименности зарядов адсорбированных частичек и поверхности адсорбента. Наличие заря¬ да у адсорбирующихся коллоидных час¬ тичек влияет на их адсорбируемость. Коагуляция частичек А1 ЮН)Я и Fe (ОН)3, а также связанное с этим выде¬ ление их из воды совместно с адсорбиро¬ ванными на их поверхности коллоидны¬ ми примесями происходит под действи¬ ем растворенных в воде электролитов. В связи с этим очистка цветных вод с по¬ вышенной степенью минерализации про¬ текает обычно лучше, чем мягких, бед¬ ных солями вод. Из описанного процесса обесцвечива¬ ния следует, что коагуляции подверга¬ ются не коллоидные примеси воды, а об¬ разующиеся при гидролизе коагулянтов гидроксиды. Вода очищается не в резуль¬ тате коагуляции, а вследствие адсорб¬ ции различных коллоидных и высоко¬ молекулярных примесей на поверхности гидроксидов. Процесс коагуляции гид¬ роксидов фактически приводит к уда¬ лению отработанного сорбента из очи¬ щенной воды. Характер осветления природных вод определяется свойствами взвеси: при наличии крупных частичек вода освет¬ ляется благодаря их оседанию под влия¬ нием силы гравитации, а при наличии высокодисперсных частичек осветление воды определяется их обменной катион¬ ной емкостью. Если эта емкость превы¬ шает 250 мг-экв/л, вода осветляется без добавления коагулянта в результате сжа¬ тия двойного электрического слоя за счет обмена одновалентных ионов на двух- и трехвалентные. Природные воды обычно содержат взвесь со значительно меньшей обменной емкостью. В этом случае эффективное хлопьеобразование наступает лишь при добавлении коагу¬ лянта, образующего гидроксид, к хло¬ пьям которого прилипают частички взвеси, или он сам обволакивает взве¬ шенные вещества. Большое значение име¬ ет также ортокинетическая коагуляция вследствие захватывания взвеси сеткой оседающих хлопьев гидроксида. Из сказанного следует, что процесс коагулирования зависит прежде всего от солевого состава воды, главным обра¬ зом от ее анионного состава, поскольку А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 заряжены положи¬ тельно и коагулирующими ионами для них являются анионы. Самыми распро¬ страненными анионами большинства при- 61
Рис. 4.4. Треугольная диаграмма. родных вод являются SO*-, С1~ и НСОГ. Концентрация этих анионов, обеспечи¬ вающая максимальную скорость коа¬ гуляции А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3, составляет: для SO*- — 0,001—0,002 н., для С1— — 0,07 н. и для НСОГ — 0,005 н. В при¬ родных водах концентрации указанных анионов обычно ниже, следовательно, коагуляция гидроксидов протекает мед¬ леннее. Для установления влияния соотноше¬ ния этих ионов в воде на скорость коа¬ гуляции удобно пользоваться методом треугольных диаграмм. Основой постро¬ ения треугольной диаграммы служит геометрическая теорема, согласно кото¬ рой сумма длин перпендикуляров, опу¬ щенных из любой точки, лежащей внут¬ ри равностороннего треугольника, на его стороны, равна его высоте. Если из вер¬ шин равностороннего треугольника ABC (рис. 4.4), отвечающих чистым компонен¬ там тройной смеси, опустить на соответ¬ ствующие стороны три высоты (на ри¬ сунке не показано) и каждую разделить на несколько равных частей, а затем че¬ рез полученные отрезки провести ли¬ нии, параллельные сторонам треуголь¬ ника, то деления сторон дадут состав двойных смесей, а точки сетки внутри треугольника — состав тройных систем. Так, точка, приведенная на рис. 4.4, соответствует составу, %: 20 компонен¬ та Л, 40 компонента В и 40 компонен¬ та С. В качестве модели природной воды при построении треугольных диаграмм пользуются дистиллированной водой, в которую вводятся определенные коли¬ чества электролитов. На рис. 4.5 изо¬ бражены треугольные диаграммы, ил¬ люстрирующие влияние анионного со¬ става воды на коагулирование при вве¬ дении различных доз коагулянтов Al2 (S04)3 и FeCl3. Суммарная концентрация электроли¬ тов природных вод, исследуемых по диаграммам, принята равной 10 мг-экв/л. Таким образом, вершины треугольных диаграмм соответствуют содержанию в исходном растворе 10 мг-экв/л С1"-, S02~- и НСОГ-ионов. Точки на диаграм¬ ме, отвечающие одинаковой длитель¬ ности процессов хлопьеобразования и Рис. 4.5. Влияние анион¬ ного состава воды на про¬ цесс коагулирования при введении различных доз A12(S04)3 (/) и FeCl* (II)з а — 50: 6 — 100; в — 150 мг/л коагулянта; / — зона, в которой процесс коагуляции заканчивает¬ ся в течение 3 ч; 2 ** ста¬ бильная зона. 62
осаждения, соединены линиями (так называемые изолинии). Из рис. 4.5 вид¬ но, что с увеличением дозы коагулян¬ та от 50 до 150 мг/л зона, в которой про¬ цесс коагулирования заканчивается за 3 ч, расширяется. Характерно, что для FeCl3 зона оптимальной коагуляции рас¬ пространяется на большую площадь тре¬ угольника, чем для Al2 (S04)3, что сви¬ детельствует о меньшем влиянии ани¬ онного состава при коагулировании при¬ месей воды реагентом FeCl3. 4.2. Коагулянты, их получение и свойства В технологии очистки воды применяют много коагулянтов, однако наиболее распространены Al2 (S04)3 и FeCl3. Для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения в большинстве случаев используют растворы коагулянтов. В табл. 4.2 приведена растворимость ко¬ агулянтов (в пересчете на безводный продукт), а в табл. 4. — плотность растворов коагулянтов различной кон¬ центрации. Приведенную в этих таблицах массо¬ вую концентрацию См (число граммов растворенного вещества в 100 г раство¬ ра) можно перевести в объемно-массовую концентрацию Сом (число граммов рас¬ творенного вещества в 1 л раствора) по Таблица 4.2. Растворимость коагулянтов уравнению ^О.м == 10rfCM, где d — относительная плотность рас¬ твора (для воды d — 1000 кг/м3). Зависимость плотности растворов ко¬ агулянтов от температуры выражается формулой а1 = а10 + аУо — 0. где а — температурный коэффициент плотности; t0, t — соответственно из¬ меренная и расчетная температуры. Для большинства растворов темпера¬ турный коэффициент в интервале 5— 35 °С составляет примерно 0,25— 0,40 кг/(м3 • °С). Первое значение соответ¬ ствует концентрации раствора 1 мае. %, второе — 7,5 мае. % (для воды а = = 0,2 кг/(м3 • °С)). В технологии очистки воды применя¬ ются следующие алюминий содержащие коагулянты: сульфат алюминия, окси- хлорид алюминия, алюминат натрия (табл. 4.4). Сульфат алюминия Al2 (S04)3 • 18Н20 (ТУ 113-08-531 — 83) — неочищенный технический продукт, представляет со¬ бой куски серого или зеленоватого цве¬ та; получают в результате обработки бокситов, нефелинов или глин серной кислотой. Он должен содержать не ме¬ нее 9,5 % А1203, что соответствует со¬ держанию около 30 % чистого А12 (S04)3. Коагулянт Температура раствора, пС 0 1 .0 | 20 30 40 | 50 60 80 100 Растворимость, мае. % Al2 (S04)3 23,8 25,1 26,7 28,8 31,4 34,3 37,2 42,2 47,1 FeCl3 42,7 45,0 47,9 51,6 — 78,2 78,9 84,0 84,3 FeS04 13,5 17,0 21,0 24,8 28,7 32,3 35,5 30,5 Таблица 4.3. Плотность растворов коагулянтов Темпера¬ тура рас- Концентрация раствора, мас.% Коагулянт 1 2 4 6 8 10 20 30 40 50 Плотность раствора, кг/м Al2 (S04)g FeCl3 Fe2 (S04)3 FeS04 19.0 17.5 17.5 18.0 1009 1007 1007 1008 1019 1015 1016 1018 1040 1032 1033 1037 1060 1049 1050 1057 1033 1067 1067 1078 1105 1085 Ю84 'иоо 1226 1182 1181 1213 1333 (при 28 мае. %) 1291 1307 1417 1449 1551 1613 63
Таблица 4.4. Виды и состав алюминийсодержащих коагулянтов Содержание, мае. % Коагулянт Формула AljOj нерастворимых при¬ месей Сульфат алюминия неочищенный А12 (S04)3- 18Н20 >9,5 <23 очищенный Al2 (S04)318H20 >13,5 <1 Al2 (S04)3- 14Н20 17—19 — Al2 (S04)3- 14Н20 28,5 3,1 Оксихлорид алюминия А12 (0Н)5С1-6Н20 40—44 — Алюминат натрия NaA102 45—55 6—8 В нем также обычно содержится около 30 % нерастворимых примесей и до 35 % влаги. Очищенный сульфат алюминия (ГОСТ 1296 —75) получают в виде плит серовато-перламутрового цвета перерабо¬ ткой неочищенного продукта или раство¬ рением глинозема в H2S04. Этот реагент должен содержать не менее 17 % А1203, что соответствует содержанию 53 % чистого Al2 (S04)3. Как и неочищенный глинозем, его перевозят навалом в за¬ крытых железнодорожных вагонах. В нашей стране для обработки воды выпускают также 23—25 %-й раствор Al2 (S04)3. При его применении отпадает необходимость в специальных устрой¬ ствах и оборудовании для растворения коагулянта, а также упрощаются и уде¬ шевляются погрузочно-разгрузочные ра¬ боты и транспортирование. Глинозем обладает недостатками, пре¬ жде всего повышенной чувствительнос¬ тью к pH и температуре очищаемой воды. Изоэлектрическая область для А1 (ОН)3, в которой он имеет наименьшую раство¬ римость, соответствует pH = 6,5 ... 7,8. Оксихлорид алюминия А12 (ОН)5С1 X X 6Н20 представляет собой зеленоватые кристаллы; приготовляют растворением свежеосажденного А1 (ОН)3 в 0,5—1 %-м растворе НС1. При использовании этого коагулянта степень минерализации во¬ ды возрастает, а щелочность снижается в меньшей степени, чем при введении Al2 (S04)3, что особенно важно для мягких вод. Алюминат натрия NaA102 представ¬ ляет собой твердые куски белого цвета с перламутровым блеском на изломе; получают его растворением А1 (ОН)3 или А1203 в растворе NaOH. Товарный продукт содержит 55 % А1203, 35 % Na20 и до 5 % свободной щелочи NaOH. Растворимость NaA102 — 370 г/л (при 20 °С). В технологии очистки воды использу¬ ются также железосодержащие коагу¬ лянты: хлорид железа (III), сульфаты железа (II) и железа (III), хлорирован¬ ный железный купорос. Хлорид железа (III) FeCl3 6Н20 (хлорное железо по ТУ 6-01-1255—81) представляет собой темные с металли¬ ческим блеском кристаллы, легко рас¬ плывающиеся на воздухе, поэтому тран¬ спортируют его в железных герметичес¬ ких бочках. Получают безводный FeCl3 хлорированием стальной стружки при температуре 700 °С, а также как побоч¬ ный продукт в производстве хлоридов титана, алюминия и других металлов го¬ рячим хлорированием руд. Выпускают продукт двух составов с концентрацией безводного FeCl3 не менее 95—97 %. Содержание мышьяка в товарном продукте не должно превы¬ шать 0,001 %. Раствор FeCl3 можно приготовлять на месте потребления выдерживанием хлорированной стальной стружки в водной среде (рис. 4.6). Сульфат железа (II) FeS04 • 7Н20 (железный купорос по ГОСТ 6981—75) представляет собой прозрачные зеленова¬ то-голубые кристаллы, быстро бурею¬ щие на воздухе. Товарный продукт выпускается 1- и 2-го сорта, он содержит соответственно не менее 52 и 47 % FeS04, не более 1 % свободной H2S04 и не более 0,4 и 1 % нерастворимого остатка. По¬ ставляют его в деревянных бочках или барабанах массой до 120 кг, а также в ящиках массой 80 кг. По согласованию с потребителем допускается отгрузка его в крытые железнодорожные вагоны 64
или автомашины без упаковки в тару. Выпускают также и 30 %-й раствор FeS04, содержащий до 2 % свободной H2S04; транспортируют его в гуммиро¬ ванной таре. Окисление Fe (ОН)2, образующегося в результате гидролиза железного купо¬ роса, при pH воды менее 8 протекает медленно, что приводит к неполному его осаждению и неудовлетворительному ходу коагуляции. Поэтому перед при¬ менением железного купороса в воду вводят известь, активный хлор или оба реагента вместе, что усложняет и удо¬ рожает обработку. Поэтому железный купорос используют главным образом на станциях известкового и известково¬ содового умягчения воды, когда при устранении магниевой жесткости значе¬ ние pH поддерживают в пределах 10,2— 13,3 и соли алюминия не применимы. Сульфат железа (III) Fe2 (S04)3 • 2Н20 (сульфат железа окисный) обычно приго¬ товляют растворением Fe2 (S04)3 в H2S04. Продукт кристаллический, очень гигро¬ скопичный, хорошо растворяется в воде. Соли железа (III), применяемые в ка¬ честве коагулянтов, имеют преимущест¬ ва по сравнению с Al2 (S04)3. Так, при их использовании улучшается коагуля¬ ция при низких температурах воды, на этот процесс мало влияет pH среды, ускоряется осаждение скоагулированных частичек и сокращается длительность отстаивания (плотность хлопьеь Fe (ОН)3 больше, чем А1 (ОН)3). Недостатком солей железа (III) как коагулянтов является необходимость их тщательного дозирования, поскольку на¬ рушение его приводит к проскакиванию железа в очищенную воду. Хлопья Fe (ОН)3 осаждаются неравномерно, в связи с чем в воде остается большое ко¬ личество мелких хлопьев, поступающих на фильтры. Эти недостатки в значи¬ тельной мере можно устранить, добавив Al2 (S04)3. Хлорированный железный купорос Fe2 (S04)3 + FeCl3 получают непо¬ средственно на водоочистных станциях обработкой раствора FeS04 хлором. Теоретический расход хлора со¬ ставляет 0,128 г на 1 г FeS04 ■ 7Н20, а практически он достигает 0,160— 0,220 г: часть хлора расходуется, по- видимому, на окисление органических т Рис. 4.6. Схема установки для получения коагулянта FeCl3 контактированием хлорной воды с железной стружкой (по JI. А. Кульскому). примесей воды и образование более сложных соединений с железом. Приме¬ няется хлорированный железный купо¬ рос на водоочистных станциях в США, Англии, Бельгии, Голландии, Японии. Смешанный алюможелезный коагу¬ лянт приготовляют из растворов А12 (S04)3 (очищенного или неочищен¬ ного) и FeCl3 в соотношении 1 : 1 (по массе). Неочищенного А1г (S04)3 на 1 i FeCl3 следует брать около 3 т, посколь¬ ку он содержит около 30 % чистого Al2 (S04)3. Указанное соотношение мо¬ жет несколько изменяться в конкретных условиях работы очистных станций. Мак¬ симальное соотношение FeCl3KAI2 (S04)3 при использовании смешанного коагу¬ лянта равно 2 ! 1 (по массе). Вода, очищенная смешанным коагулян¬ том, как правило, не образует отложений даже при низкой температуре, посколь¬ ку коагуляция и осаждение хлопьев за¬ канчиваются в основном до фильтров; хлопья осаждаются равномерно, и в от¬ стойниках достигается более полное 3 5-2398 65
осветление воды. Применение смешанного коагулянта позволяет существенно уме¬ ньшить расход реагентов. При использовании смешанного коа¬ гулянта его компоненты можно вводить как раздельно, так и предварительно смешав растворы. Первый метод допус¬ кает большую гибкость при переходе от одного оптимального соотношения ре¬ агентов к другому. При втором методе проще осуществлять дозирование. 4.3. Получение и свойства флокулянтов Флокулянтами в технологии химической очистки воды называют вещества, ин¬ тенсифицирующие процесс коагуля¬ ции гидроксидов алюминия или железа (III). Они принадлежат к классу линей¬ ных полимеров, для которых характер¬ на цепочечная форма макромолекул. Мо¬ лекулярная масса флокулянтов находит¬ ся в пределах от десятков тысяч до не¬ скольких миллионов; длина цепочки, со¬ стоящей из ряда повторяющихся звеньев, составляет сотни нанометров. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные вещества, хорошо растворимые в воде. По современным представлениям водные растворы фло¬ кулянтов являются истинными раство¬ рами, т. е. гомогенными однофазными термодинамически устойчивыми систе¬ мами. Высокомолекулярные флокулянты обыч¬ но делят на органические (природные • / gg 2 о—• 3 4 Рис. 4.7. Процесс флокуляции взвешенных частичек полиакриламидом: а, 6 — адсорбция соответственно линейной и глобу¬ лярной молекул ПАА на хлопьях коагулянта; в, г — соответственно недостаток и избыток ПАА; д — опти¬ мальное соотношение Г1АА и коагулянта; / — адсор¬ бирующая группа; 2 — частички суспензии; 3 — внут¬ римолекулярная связь; 4 — молекулы органическо¬ го флокулянта. и синтетические) и неорганические. В ка¬ честве природных флокулянтов исполь¬ зуют крахмал, водорослевую крупку, белковые гидролизные дрожжи, карто¬ фельную мезгу, жмыхи и др. Из синте¬ тических флокулянтов применяют пре¬ жде всего органический полимер поли¬ акриламид (ПАА). Выпускают также фло¬ кулянты катионного типа (ВА-2, ВА-3), которые в отличие от флокулянта ПАА (анионного типа) вызывают образование крупных хлопьев без обработки приме¬ сей воды коагулянтами. Наиболее рас¬ пространенным неорганическим флоку- лянтом является активированный сили¬ кат натрия — активная (активирован¬ ная) кремниевая кислота. Крахмал представляет собой смесь двух углеводов: линейного полимера амилозы и сильно разветвленного поли¬ мера амилопектина. Выделяют крахмал из клубней картофеля, зерен кукурузы, риса и других растений в виде гранул, не растворимых в холодной воде. Крахмал относят к флокулянтам ани¬ онного типа с небольшим отрицательным зарядом. Флокулирующее действие его усиливают кислотной обработкой. Фло¬ кулянты на основе крахмала применяют для обработки питьевой воды в ФРГ, США, Нидерландах, Франции и других странах. Полиакриламид (ПАА) — белое аморф¬ ное хорошо растворимое в полярных растворителях вещество, содержащее ионогенные группы. ПАА гидролизуется водой, щелочами и кислотами с обра¬ зованием акриловой кислоты и ее солей. ПАА относится к полиэлектролитам, диссоциирующим в воде на высокомоле¬ кулярный поливалентный анион и ка¬ тионы. Механизм действия этого флоку¬ лянта основан на адсорбции его моле¬ кул на частичках А1 (ОН)3или Fe (ОН)3, образующихся при гидролизе солей-коа¬ гулянтов. Молекулы ПАА способны об¬ разовывать ассоциаты фибриллярного типа — пачки длиной 130 нм. Из-за вытянутой формы молекулы ПАА адсорб¬ ция происходит в разных местах с не¬ сколькими частичками гидроксида (рис. 4.7), в результате чего последние свя¬ зываются полимерными мостиками в тя¬ желые, крупные и прочные агрегаты. В СССР для очистки питьевой воды применяют два сорта технического 66
ПАА — известковый и аммиачный. Оба сорта ПАА выпускают в виде прозрачной желто-зеленой желеобразной массы, прилипающей к дереву, тканям, бумаге. ПАА разрешается использовать при условии, что содержание мономера ак- риламида в питьевой воде, определенное бромид-броматным методом, не превы¬ шает 0,2 %. Флокулянт ВА-2 представляет собой порошкообразный или 7—15 %-й под¬ вижный раствор полиэлектролита: (молекулярная масса (5...10) • 104). Флокулянт ВА-2 взаимодействуете гу¬ мусовыми веществами, образуя нераство¬ римые в воде агрегаты. Имея положи¬ тельный заряд, он адсорбируется на от¬ рицательно заряженных коллоидно-дис¬ персных примесях воды, связывая их в крупные агрегаты. Поэтому коагуля¬ ция в случае применения флокулянтов катионного типа происходит без обыч¬ ных минеральных коагулянтов — Al2 (S04)3 или FeCl3. Присутствующие в природной воде высокомолекулярные гуминовые кислоты образуют с флоку- лянтом ВА-2 нерастворимые агрегаты. Фенольные и гидроксильные группы гу¬ миновых кислот, взаимодействуя с ос¬ новными группами флокулянта, обра¬ зуют малодиссоциированные соли. Неорганический флокулянт — актив¬ ная кремниевая кислота (АК) — пред¬ ставляет собой коллоидный водный рас¬ твор оксида кремния (IV), получаемого частичной или полной нейтрализацией силиката натрия. Образующиеся мо¬ лекулы кремниевой кислоты, конден¬ сируясь, выделяются из раствора в виде отрицательно заряженных коллоидных частичек. Механизм взаимодействия АК с Fe (ОН)3 и А1 (ОН)3 объясняется либо взаимной коагуляцией разноименно за¬ ряженных частичек, либо воздействием ее на сверхмицеллярную структуру, воз¬ никающую при обработке воды коагу¬ лянтами. АК приготовляют на месте примене¬ ния непосредственно перед использова¬ нием. Сырьем служат силикат натрия (растворимое стекло) и активатор. В ка¬ честве последнего применяют: сульфаты алюминия или аммония, хлор, серную кислоту и др. Al2 (S04)3 + 3 (Na20 • 3Si02 • *Н20)->- -*■ 3Na2S04 -J- A1208 • 9 (Si02 • i/H20); Cl2 + H20 + Na20 • 3Si02 • *H20 -> -> NaCl + NaOCl + 3 (Si02 • i/H20); (NH4)2 S04 + NaaO • 3Si02 • xH20 —■ -* Na2S04 + 2NH4OH + 3 (Si02 - ;/H20); H2S04 + Na20 • 3Si02 • xH20 -> Na2S04 + 3 (Si02 • г/НгО). Процесс активации силиката натрия состоит в его разложении, нейтрализа¬ ции и получении свободной кремниевой кислоты или ее малорастворимых солей. Получаемая H2Si03 гидролизуется с образованием Si (ОН)4, который, в свою очередь, постепенно дегидратируясь, по- лимеризуется с образованием силоксано- вых связей: ОН ОН 2Si (ОН)4 НО—Si—О—Si—ОН + Н„0 и т. д. I I ОН он На эффективность флокулирующего действия АК сильно влияют концентра¬ ция силиката натрия, степень нейтрали¬ зации, длительность вызревания и хра¬ нения полученных растворов. Наиболее перспективным способом приготовления АК на водоочистных стан¬ циях является обработка растворов жид¬ кого стекла хлором и сульфатом алю¬ миния, т. е. реагентами, применяемыми при очистке воды. Золи АК, обладающие наиболее силь¬ ными флокулирующими свойствами, мо¬ гут быть получены при соблюдении таких условий; концентрация раствора силиката натрия (в пересчете на Si02) 0,5—3,5 %; мольное соотношение Cl2/Na20 = 0,47; время вызревания t — 80—50 % времени гелеобразования Т (при Cl2/Na20 = 0,70) и 50—20 % (прп Cl2/Na20 = 0,66); жесткость воды для разбавления не более 4 мг-экв/л (рис. 4.8) Использование флокулянтов на стан¬ циях обработки воды позволяет уско¬ рить в камерах хлопьеобразования и отстойниках формирование хлопьев и их осаждение, улучшить эффект осветле¬ ния воды и увеличить скорость ее дви- 3* 67
4 5 О 20 АО 00 80 100 Время бызреВания, % Г О 12 3 Содержание Si02, % а жения в очистных сооружениях. В освет¬ лителях со взвешенным осадком они способствуют увеличению концентрации частичек во взвешенном слое и уменьше¬ нию выноса из него взвешенных веществ при одновременном повышении скоро¬ сти восходящего потока воды. На филь¬ трах и контактных осветлителях при¬ менение флокулянтов способствует удлинению времени защитного действия загрузки, улучшению качества фильтра¬ та, повышению скорости фильтрования и относительному сокращению расхода промывной воды. Добавление небольших доз флокулян¬ тов перед отстойниками или осветлите¬ лями интенсифицирует и улучшает ра¬ боту как этих сооружений, так и фильт¬ ров. Для улучшения процесса фильтро¬ вания флокулянты добавляют непосред¬ ственно перед поступлением воды на фильтры или контактные осветлители. Применение флокулянтов на дейст¬ вующих станциях обработки воды поз¬ воляет увеличивать производительность отдельных сооружений и станции в целом. В период паводков, низкой тем¬ пературы воды и др., когда технологи¬ ческие сооружения обеспечивают полу¬ чение воды стандартного качества лишь при пониженной производительности, ис¬ пользование флокулянтов позволяет сохранять требуемую производитель¬ ность сооружений. Флокулянты могут также значительно улучшить качество очищенной воды, если эксплуатируемые технологические сооружения по типу или расчетным параметрам не соответ¬ ствуют загрязняющим воду примесям. В ряде случаев применение флокулян¬ тов позволяет увеличить производитель¬ ность действующих станций в 1,5 раза, 5 а при правильном сочетании с простей¬ шими мероприятиями по реконструк¬ ции сооружений еще больше. Использованию флокулянтов в тех¬ нологии обработки воды принадлежит большое будущее. Изыскание новых вы¬ сокоэффективных нетоксических и эко¬ номичных флокулянтов, а также иссле¬ дование их технологических свойств яв¬ ляется одной из важных задач науки об очистке воды. 4.4. Оптимальные условия и интенсификация процесса коагуляции Образующиеся в процессе гидролиза коа¬ гулянтов А1 (ОН)3 и Fe (ОН)., характери¬ зуются очень малой растворимостью. Оценивать влияние находящихся в рас¬ творе ионов на процесс их осаждения для малорастворимых веществ можно по про¬ изведению растворимости ПР. При по¬ стоянной температуре величина ПР не изменяется. Для А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 ПР соответственно равны: ПРд1(онь = 1А13+1-[ОН-13 = = 2,0 • 10—32 (18 °С) и 1,9 - Ю—33 (25 °С); ПРре,он)з = [ре'3+1 • ЮН"]3 = = 3,2 • 10-38 (18 °С) и 3,8 • 10-38 (25 °С). Растворимость малорастворимых со¬ единений S можно определить по форму¬ ле S = [Me3+| = ^nPMe(OHb/27 . После вычисления получим, что при 25 °С SaI(oh)s составляет 2,9 х X 10-9 моль/л (0,23 • 10~3 мг/л), а •SFe(OH)s — 2,0 • 10-10 моль/л (0,21 X X Ю~4 мг/л). 68
i \л 'Ф 1 ъ % % у\ Х/ \ % У/Л у s: „ &40 ho 20 10 И 2 3 pH боды Температура, X 6 4 5 6 7 б 9 10 pH Шы 6 3 4 5 6 7 8 9 pH Мы г Рис. 4.9. Свойства коагулянтов, образующихся при добавлении в воду AU iSO,)3 при различных значениях pH среды: а — состав выделяющихся осадков; о — растворимость осадков в зависимости от температуры и pH сре¬ ды: в — область существования осадков: ' — влияние содержания ионов SO? на коагуляцию. Состав сульфата алюминия в зависи¬ мости от pH среды значительно изменя¬ ется. Соотношения различных осажда¬ ющихся соединений алюминия приведе¬ ны на рис. 4.9, а. Из графика видно, что при pH = 7,5 наряду с А1 (ОН)3 при¬ сутствуют и его основные соли, также характеризующиеся малой раствори¬ мостью. Если содержание соединений алюми¬ ния в воде после отстаивания и фильтро¬ вания превышает растворимость его сое¬ динений, образующихся при данных зна¬ чениях pH, вода пересыщена и в трубах возможно появление отложений. При различных значениях pH содержание ионов А13+ и Fe3 f в растворе определя¬ ют по формуле \Ме3+] = lgnP/Vle(OH)j/10-3pH. Растворимость А1 (ОН)3 уменьшается при повышении температуры и пониже¬ нии pH воды (см. рис. 4.9, б). При pH < < 4,5 гидролиз сульфата алюминия не заканчивается образованием гидрокси¬ да, поскольку образуются растворимые основные соли (см. рис. 4.9, в). При pH > 8,5 амфотерный гидроксид алю¬ миния растворяется вследствие образо¬ вания алюминатов. Зона оптимальных значений pH зна¬ чительно расширяется в сторону низких доз А1 (ОН)3 при увеличении содержания ионов SO*- (см. рис. 4.9, г). Осветле¬ ние и обесцвечивание вод разного соста¬ ва сульфатом алюминия достигается при таких значениях pH: для мягких вод с цветностью более 50 град, и щелоч¬ ностью до 1,5 мг-экв/л — 5...6; для вод с цветностью до 40 град., жесткостью 5 мг-экв/л и щелочностью 3—4 мг- экв/л — 6...7,2; для малоцветных вод жесткостью 6—8 мг-экв/л, со степенью минерализации 800—1000 мг/л и щелоч¬ ностью более 5 мг-экв/л — 6,5...7,5. Соединения железа (III) при гидроли¬ зе выделяют осадок Fe (ОН)3 в более ши¬ роком диапазоне значений pH, чем соеди¬ нения алюминия; образующийся Fe (ОН)3 не обладает амфотерными свой¬ ствами. Fe (ОН)2 выделяется в осадок лишь при pH > 8. С увеличением дозы гидролизующейся соли скорость хлопьеобразования и осаждения А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 воз¬ растает. Способствуют этому процессу также повышение температуры и пере¬ мешивание. При низких температурах в зимнее время очистка воды сульфа¬ том алюминия протекает неудовлетвори¬ тельно: процессы хлопьеобразования и осаждения замедляются, хлопья обра¬ зуются очень мелкие, в очищенной воде появляются заметные количества оста¬ точного алюминия (вода опалесцирует). Это объясняется изменением вязкости воды. Согласно литературным данным, вязкость воды при 1 °С примерно в 2 ра¬ за больше, чем при 30 °С. Во столько же раз замедляется и скорость осаждения взвешенных в ней частичек, так как по закону Стокса указанные величины об¬ ратно пропорциональны друг другу. Не¬ которые авторы объясняют это замедле¬ нием самого процесса хлопьеобразования, другие—замедлением скорости гидролиза сульфата алюминия и реакции его с гид¬ рокарбонатами природных вод. Подвижность коллоидных частичек в процессе коагуляции возрастает при пе- 69
Температура, °С Рис. 4.10. Зависимость оптимальной дозы коагулянта от температуры при очистке воды от глинистой взвеси. ремешивании растворов. Так, при 20 °С процесс коагуляции в результате пере¬ мешивания ускоряется примерно в 2 раза, поскольку при этом происходят перикинетическая и ортокинетическая 1 коагуляции. Ускорение процесса коагуляции и укрупнение хлопьев при низких темпера¬ турах воды может быть достигнуто удли¬ нением времени перемешивания. Движу¬ щийся поток жидкости влияет на про¬ цесс лишь тогда, когда частички уже до¬ стигли определенного размера в резуль¬ тате коагуляции при броуновском дви¬ жении. Если быстрое протекание коа¬ гуляции не может быть полностью вос¬ становлено при низких температурах перемешиванием, то это свидетельству¬ ет о том, что в данном случае агрегаты частичек гидроксида не могут достичь размеров, при которых может появиться ортокинетическая коагуляция в резуль¬ тате действия потока. Изменение оптимальной дозы коагу¬ лянта при снижении температуры обра¬ батываемой воды, содержащей 300 мг/л глинистой взвеси, показано на рис. 4.10. Дозу коагулянта для достижения оди¬ накового эффекта очистки при этом тре¬ буется увеличить почти в 2 раза. Предварительная обработка воды окислителями повышает эффективность коагуляции. Это объясняется тем, что хлор и другие окислители разрушают гидрофильные органические соединения, стабилизирующие дисперсные примеси воды, и облегчают условия протекания коагуляции. Особенно эффективно при¬ 1 Перикинетической называется коагуляция, протекающая при броуновском движении час¬ тичек, ортбкинетической — протекающая при искусственном перемешивании. менять окислители для обработки цвет¬ ных вод. При этом ускоряется осветле¬ ние воды и возрастает гидравлическая крупность хлопьев скоагулированной взвеси. Сокращение длительности коагуляции (на 30—80 %) при низкой температуре воды и снижение оптимальной дозы коа¬ гулянта может быть достигнуто введе¬ нием замутнителей. При искусственном замутнении воды существенную роль иг¬ рает степень дисперсности вводимых час¬ тичек. Особенно ускоряется процесс коа¬ гуляции, если размер добавляемых час¬ тичек не превышает 3 мкм. В этом слу¬ чае удается ускорить процесс хлопье- образования на 30—50 %. Предлагается вводить в воду взвесь или коллоидные вещества, например, 10 мг/л высокодис¬ персной глинистой взвеси или 2—5 мг/л порошкообразного активированного уг¬ ля. В зарубежной практике широко при¬ меняется так называемый черный коа¬ гулянт — смесь порошкообразного угля с коагулянтом. Ускорить процессы формирования и осаждения хлопьев можно также ис¬ пользованием промывной воды фильтров и осадка отстойников. Рекомендуется сначала вводить про¬ мывную воду в количестве 5—25 % исходной воды, затем коагулянт. Ис¬ пользование промывной воды и осадка отстойников в качестве добавки к неочи¬ щенной воде, а также к воде, обрабо¬ танной различными дозами коагулянта, позволяет улучшить качество очищаемой воды, значительно снизить расход коа¬ гулянта и ускорить осаждение скоагу¬ лированной взвеси в отстойниках и ос¬ ветлителях. Введение илламов позволяет сэконо¬ мить 25—30 % коагулянта. Эффектив¬ ное влияние шлама объясняется тем, что при низких температурах он представля¬ ет собой уже готовые крупные частички такого же строения, что и выделяющий¬ ся гидроксид. Таким образом, время, необходимое для формирования сверх- мицеллярных агрегатов, сокращается. При этом ускоряется процесс хлопьеоб- разования, возрастают размеры хлопь¬ ев, быстрее идет их осаждение, а следо¬ вательно, интенсивнее осветляется вода. Процесс коагуляции А1 (ОН)3 можно также значительно ускорить обработ¬ ай
кой воды смесью коагулянтов. Действие коагулянтов при этом обоюдно усилива¬ ется. Такое явление происходит, напри¬ мер, при использовании смеси Al2 (S04)3 и FeCl3 в соотношении 1:1; 1 : 2; 2 : 1 или этих же коагулянтов совместно с Na2Si03. Аналогичный эффект улучше¬ ния коагуляции достигается обработ¬ кой воды смесью неочищенного и очи¬ щенного глинозема в соотношении 3 : 1 или смесью коагулянтов глинозема и хлорида железа (III) в соотношениях 3 : 1 или 4:1. Вместо сернокислого глинозема для обработки воды рекомендуется исполь¬ зовать оксихлорид алюминия. Опыт при¬ менения этого коагулянта показал хо¬ рошие результаты на ряде водоочистных станций. Улучшить коагуляцию можно также обработкой воды сульфатом алюминия или хлоридом железа (III) с предвари¬ тельным выделением их гидроксидов. Сущность этого процесса состоит в том, что расчетные дозы сернокислого гли¬ нозема и известкового молока вводят в промежуточный реактор, в который пода¬ ют 1 % обрабатываемой воды. В реакторе образуются мелкие хлопья гидрокси¬ дов основных солей алюминия, облада¬ ющие высокой сорбционной способ¬ ностью и хорошо агломерирующиеся в крупные хлопья. Затем из реактора эту суспензию подают в поток воды, поступа¬ ющей на станцию очистки. Эффективность коагуляции примесей и диапазон действия доз коагулянта Fe2 (S04)3 • 2НгО можно значительно расширить добавлением в его растворы концентрированной H2S04. Подкисле- ние коагулянта позволяет либо повысить качество очистки окрашенных вод (цвет¬ ность снижается в 7—8 раз, мутность — в 2—2,5 раза, остаточное содержание же¬ леза — в 5—6 раз), либо уменьшить расход коагулянта при сохранении ка¬ чества очищаемой воды. Раствор коагулянта следует подкис¬ лять таким образом, чтобы pH обрабо¬ танной воды был не ниже 6,5—6,0, по¬ скольку дальнейшее подкисление раство¬ ра приводит к увеличению содержания Fe3+ в воде. Подкисление раствора коагулянта имеет преимущество перед подкислением воды: исключается необходимость раз¬ дельного дозирования кислоты и коагу¬ лянта, сокращается объем реагентного хозяйства. Процесс коагуляции можно ускорить, применяя метод концентрированного коа¬ гулирования, при котором требуемое ко¬ личество коагулянта подают лишь в часть обрабатываемой воды. После тща¬ тельного смешения с раствором коагу¬ лянта поток обработанной воды объеди¬ няют (обычно в начале камер хлопьеоб¬ разования) с потоком остальной необра¬ ботанной воды. Этот метод обладает некоторыми преимуществами: а) распре¬ деление всего коагулянта только в час¬ ти воды создает условия для ускоренного хлопьеобразования; б) после смешения с необработанной водой хлопья, сформи¬ ровавшиеся в условиях повышенной кон¬ центрации коагулянта, хорошо удаляют примеси воды. Метод не всегда дает положительные результаты, что объясняется изменением свойств обрабатываемой воды и загряз¬ нений. К физическим (безэлектролитным) ме¬ тодам интенсификации процесса коагу¬ ляции относится воздействие электри¬ ческого и магнитного полей, ультразву¬ ка и ионизирующего излучения. Под воздействием электрического поля ускоряются процессы формирования и осаждения скоагулированной взвеси, по¬ лучаемой при обработке мутных вод сульфатом алюминия; повышается сте¬ пень очистки воды от органических и не¬ органических примесей фильтрованием; улучшается отделение водорослей. Воздействие магнитного поля при¬ водит к уменьшению структурно-меха¬ нической гидратации и ^-потенциала частичек. Сорбционная емкость продук¬ тов гидролиза коагулянтов по отноше¬ нию к гуминовым веществам возрастает на 30—40 %. При очистке вод, содер¬ жащих минеральные взвеси, магнитная обработка: а) вызывает увеличение плотности и гидравлической крупности хлопьев скоагулированной взвеси; б) позволяет повысить производитель¬ ность отстойников и осветлителей со взвешенным осадком; в) приводит к не¬ которому снижению мутности освет¬ ленной воды. Омагничивание цветной и железосо¬ держащей воды позволяет увеличить 71
объемную массу скоагулированной взве¬ си и в 2—10 раз снизить остаточные кон¬ центрации примесей. Для интенсификации процесса коагу¬ ляции рекомендуется омагничивать воду за 10—60 с до ввода раствора коагулян¬ та, скорость движения воды в рабочем зазоре магнитного генератора поддержи¬ вать 1 м/с, количество знакопеременных магнитных контуров в генераторе долж¬ но составлять 4—6, длительность омаг- ничивания — 0,6—1 с. Можно омагни¬ чивать лишь часть (например, половину) обрабатываемой воды, а затем смеши¬ вать ее (до ввода коагулянта) с осталь¬ ной водой. Интенсифицировать процесс коагуля¬ ции можно магнитной обработкой рас¬ твора коагулянта. Эффект активации раствора зависит от напряженности маг¬ нитного поля. Улучшает процесс очистки воды коа¬ гулирование под током. По этому методу воду с добавленными к ней небольшими дозами сульфата алюминия пропускают между алюминиевыми электродами, под¬ ключенными к источнику постоянного или переменного тока. В этом случае сохраняется преимущество метода элект¬ ролитического коагулирования, а рас¬ ход электроэнергии не превышает 10 Вт/м3 воды. Коагуляции примесей воды способст¬ вует обработка ее ультразвуком. Однако разрушение механических примесей, уменьшающее степень полидисперсности суспензии, может сказаться отрицатель¬ но. Исследования коагуляции ультра¬ звуком показывают, что наилучшие ре¬ зультаты получаются при относительно низких частотах ультразвука. С увеличе¬ нием частоты ультразвука возрастает скорость коагуляции; оптимальная про¬ должительность озвучивания составля¬ ет 1—3 мин. Действие ионизирующих у-, |3- и рент¬ геновских лучей преимущественно сво¬ дится к интенсификации окисления ор¬ ганических и минеральных примесей растворенным в воде кислородом, в ре¬ зультате чего вода обесцвечивается, обез¬ зараживается, дезодорируется, а также ускоряется осаждение взвешенных при¬ месей. Все перечисленные процессы об¬ легчают обработку воды гидролизирую¬ щимися коагулянтами, расширяют сфе¬ ру их применения. В качестве источни¬ ков излучения чаще всего используют 60Со и 137Cs, реже 90Sr, 204Т1, 147Еи и др. Облучение не вызывает ядерных пре¬ вращений в растворах коагулянтов и во¬ де и, следовательно, безопасно. 4.5. Применение окислителей для обесцвечивания воды Вода, используемая для хозяйственно¬ питьевых целей, должна иметь высокие органолептические показатели (отсутст¬ вие окраски, привкуса и запахов, вред¬ ных минеральных и органических при¬ месей и пр.). Окраску природных вод в основном вызывают гуминовые вещест¬ ва болотного или почвенного происхож¬ дения. Как показывают эксперименталь¬ ные исследования и опыт работы водо¬ очистных станций, окисление и адсорб¬ ция или комбинация этих методов в боль¬ шинстве случаев обеспечивают получе¬ ние воды требуемого качества при доста¬ точно разнообразном органическом со¬ ставе воды, поступающей на обработку. Обесцвечивание природных вод хло¬ ром. Взаимодействуя с различными ор¬ ганическими веществами, активный хлор вступает в реакции замещения, окисле¬ ния и присоединения. В технологии очистки воды чаще всего происходят ре¬ акции замещения (хлорирование фено¬ лов и др.) и окисления (гуминовых веществ, спиртов и др.). Хлорирующие соединения в реакциях замещения располагаются в такой по¬ следовательности: С12 > НС10 > CIO-. Величина окислительно-восстановитель¬ ного потенциала окислителя не всегда определяет кинетику процесса окисле¬ ния, которая в ряде случаев зависит от образования различных активных форм окисляемых или промежуточных веществ. Процесс взаимодействия загрязняю¬ щих воду примесей с хлором оценива¬ ется обычно хлоропоглощаемостью. Это связано с наличием в природных водах неорганических и органических соеди¬ нений, которые взаимодействуют с хло¬ ром с разной скоростью. Исследование реакций хлора с выде¬ ленными из воды и почв окрашенными органическими кислотами показывает, что при всех значениях pH преоблада¬ 72
ют реакции окисления, приводящие к обесцвечиванию воды. При взаимодействии хлора с гумино- вой, апокреновой и креновой кислотами быстрее всех окисляется креновая кис¬ лота. Так, при 30-кратном избытке хло¬ ра и времени контакта 24 ч на окисление креновой кислоты хлора расходуется 35 %, а апокреновой — 4 %. Максимальная скорость окисления гу- миновых веществ и степень их обесцве¬ чивания наблюдаются при pH = 7,5... ...8. Активный хлор в этих пределах pH находится в виде эквивалентной смеси НСЮ и CIO-. Процесс обесцвечивания водного гу¬ муса хлором зависит от его фракцион¬ ного состава. Например, для снижения цветности креновой кислоты на 1 град требуется 3,5, а апокреновой — 0,2 мг хлора. Хлорирование природной воды наря¬ ду с обесцвечиванием обеспечивает так¬ же снижение ее окисляемости, что объ¬ ясняется образованием не реагирующих с окислителями соединений. Температура на процесс обесцвечива¬ ния воды влияет незначительно. Увеличение дозы хлора не приводит к резкому снижению цветности воды, а в некоторых случаях, наоборот, цвет¬ ность возрастает. Объясняется это од¬ новременным уменьшением цветности ин¬ тенсивно окрашенных гумусовых ве¬ ществ и повышением цветности малоок- рашенных соединений. Поэтому для осуществления эффектив¬ ного обесцвечивания воды требуется не только количественное, но и качествен¬ ное изучение состава компонентов, об¬ условливающих цветность. Установлено, что компоненты окра¬ шивающих воду веществ окисляются практически с одинаковой скоростью, однако количественные изменения окраски отдельных составляющих водно¬ го гумуса зависят от их концентрации в воде. Если учесть, что цветность природ¬ ных вод обусловлена в основном фуль- вокислотами, целесообразность приме¬ нения повышенных доз хлора для их очистки не вызывает сомнения. При этом одновременно снижается концентрация креновых кислот, плохо сорбирующихся гидроксидами алюминия и железа (III). Процесс окисления гумусовых веществ можно охарактеризовать кинетическими уравнениями. Для расчета процесса обесцвечивания воды хлором использу¬ ют эмпирическую формулу Цс = (0,25а + 2,5) lg [Cl] + (0,07Ц + 0,64) t0-2, где Цс — устраненная цветность, град; Ц — цветность исходной воды, град; t — время контакта хлора с водой, мин; [СИ — доза хлора, мг/л. Обесцвечивание природных вод озо¬ ном. Озон окисляет соединения, вызыва¬ ющие цветность воды, превращая их молекулы в более простые, не имеющие окраски (креновые, субкреновые кис¬ лоты и др.). Расход озона на обесцве¬ чивание природных вод составляет 1— 18 мг/л. При взаимодействии гумусовых кис¬ лот с озоном все боковые цепи и меток- сильные группы окисляются до С02 и карбоксильных групп, а фенольные гидроксиды — до хинонов. Молекулы высокомолекулярных гумусовых ве¬ ществ разрываются по месту мостиков с образованием более простых и менее окрашенных соединений. Вследствие озонирования образуют¬ ся С02 (от 20 до 40 %), незначительное количество щавелевой, уксусной и му¬ равьиной кислот; гуминовые кислоты превращаются в апокреновые, апокре- новые — в креновые, а последние — в малоокрашенные субкреновые кислоты. Остающиеся в воде после озонирования креновые и субкреновые кислоты по физиологическому действию, как и гу¬ мусовые кислоты, не вредны для живых организмов. В процессе озонирования воды ее ми¬ неральный состав, щелочность, значе¬ ние pH, показатель стабильности и со¬ держание свободного С02 не изменяют¬ ся, вода насыщается кислородом, устра¬ няется запах. Эффект обесцвечивания воды озоном возрастает при понижении температуры воды. Повышение темпера¬ туры замедляет снижение цветности, что объясняется доокислением в этих усло¬ виях части гуминовых соединений, со¬ провождающимся усилением их окраски, а следовательно, и цветности воды. Повышение мутности воды, вызывае¬ мой каолиновыми и почвенными частич¬ ками, не ухудшает процесс обесцвечи¬ вания и не отражается на расходе озо¬ 73
на. Таким образом, интенсивно окра¬ шенные мутные воды вполне можно обрабатывать озоном. Однако, посколь¬ ку озонирование должно одновременно и обеззараживать воду, при кратковре¬ менном повышении мутности исходной воды необходимо применять коагулирова¬ ние взвешенных веществ, а озонирование производить после фильтрования воды. Исследования, проведенные на Вос¬ точной водопроводной станции г. Моск¬ вы, показывают, что независимо от цвет¬ ности исходной воды и времени года 1 мг озона снижает цветность обрабаты¬ ваемой воды на 8—10 град. При цветнос¬ ти исходной воды 40—50 град требования ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» достига¬ ются только озонированием. Сравни¬ тельные исследования по хлорированию воды показали, что доза хлора 1 мг/л снижает цветность только на 3 град. Обработка воды озоном придает ей приятный, отчетливо выраженный го¬ лубой оттенок, в то время как после хлорирования вода имеет зеленовато- желтый цвет. Если в исходной воде присутствуют железо и марганец, при озонировании воды ее цветность может возрастать. Такое явление наблюдалось, например, на Днепровской водопроводной станции г. Киева. В некоторые периоды года цветность воды, обработанной озоном, повышалась на 10—15, а иногда на 30— 40 град, соответственно увеличивалась и мутность от 0,9 до 1,9 мг/л. Однако после фильтрования вода соответство¬ вала требованиям ГОСТа. 4.6. Контактная коагуляция Контактной коагуляцией называется процесс прилипания микроскопических коллоидных и взвешенных частичек при¬ месей воды к макроскопическим частич¬ кам сорбента или к поверхностям зер¬ нистого материала под действием моле¬ кулярных сил притяжения. Процесс взаимодействия и слипания частичек, значительно отличающихся размерами, по физической сущности является коагуляционным. Здесь так же, как и при взаимодейст¬ вии частичек относительно одинаковых размеров, сближение их происходит под действием броуновских сил, в результа¬ те перемешивания или направленного движения мелких частичек относитель¬ но крупных. Удерживание мелких час¬ тичек на поверхности крупных обуслов¬ лено вандерваальсовскими силами. Од¬ нако характер протекания этого процес¬ са, по сравнению с обычной коагуляци¬ ей, имеет некоторые особенности. К ним относятся: увеличение скорости и пол¬ ноты извлечения из воды мелких части¬ чек крупными и повышение интенсивнос¬ ти их прилипания; значительно мень¬ шая устойчивость мелких частичек в от¬ ношении прилипания к поверхности крупных. На процесс контактной коагу¬ ляции почти не влияют температура во¬ ды и ее щелочность. Чем выше относи¬ тельная концентрация крупных части¬ чек взвеси по отношению к мелким, тем в большей степени проявляются эти особенности. Процесс контактной коагуляции име¬ ет очень важное значение в технологии очистки воды. Из практики известно, что присутст¬ вие в воде низкодисперсных взвесей ускоряет процесс коагуляции примесей и осветления воды. Так, например, по¬ ступление из камер хлопьеобразования в отстойники скоагулированной взвеси с различной степенью дисперсности при¬ водит при осаждении к столкновению крупных частичек с мелкими, которые прилипают к их поверхности и осажда¬ ются с большей скоростью. Увеличение эффекта коагулирования примесей воды в процессе дробного, раздельного и прерывистого коагулиро¬ вания, рециркуляции осадка также мо¬ жет быть объяснено контактированием мелких частичек примесей воды с круп¬ ными частичками гидроксидов. Процесс слипания частичек, сильно различающихся по размерам, имеет осо¬ бенно большое значение при осветлении воды в контактных осветлителях и фильт¬ рах и в осветлителях со слоем взвешен¬ ной контактной среды. При фильтровании воды сразу после до¬ бавления коагулянта через зернистую загрузку концентрация коллоидных и взвешенных примесей значительно уменьшается. Коагуляция в слое зер¬ нистых материалов протекает полнее и во много раз быстрее, чем при обычной коагуляции в свободном объеме. Укруп¬
нение частичек гидроксидов, сорбиро¬ вавших пргимеси, с образованием хлопь¬ ев происходит в слое фильтрующей загрузки в результате прилипания коа¬ гулирующих частичек к зернам фильт¬ рующего материала. Оптимальную дозу коагулянта при дозировании его перед фильтрами уста¬ навливают на основании кривой кон¬ тактной коагуляции, характеризующей зависимость цветности или мутности во¬ ды от дозы коагулянта при фильтрова¬ нии ее через бумажный фильтр. Опти¬ мальная доза принимается на 5—10 % больше дозы, отвечающей границе рез¬ кого спада кривой. При проведении коагуляции в слое зернистой загрузки отпадает необходи¬ мость в камерах хлопьеобразования, отстойниках или осветлителях. Взвешенная контактная среда в освет¬ лителях формируется из гидроксидов алюминия или железа и представляет собой фильтр, обеспечивающий ускоре¬ ние процесса освобождения воды от взвешенных веществ. При прохождении окрашенных природных вод через мас¬ су осадка гидроксида с не полностью ис¬ пользованной адсорбционной емкостью улучшается обесцвечивание воды. При¬ менение осветлителей позволяет значи¬ тельно сократить объем очистных соору¬ жений, улучшить работу фильтров и снизить расход реагентов. 4.7. Электрохимическая коагуляция Прогрессивным направлением в техноло¬ гии очистки воды является применение электрохимических методов, в частности метода очистки воды в электролизере с растворимыми электродами, извест¬ ного под названием «электрокоагуля¬ ция». В случае применения растворимых ме¬ таллических электродов электродный процесс сопровождается совокупностью электрохимических явлений и реакций, скорость которых, согласно законам электрохимической кинетики, опреде¬ ляется общим значением потенциала на границе металл — раствор, составом рас¬ твора и условиями диффузии компонен¬ тов или продуктов реакции в растворе. В результате электролиза на электро¬ дах восстанавливаются или окисляются компоненты электролита. Электричест¬ во переносится всеми находящимися в воде ионами, а также заряженными кол¬ лоидными и взвешенными частичками. Однако из-за малой подвижности по¬ следних в основном перенос электриче¬ ства в природных водах осуществляют катионы К+, Са2+, Na+, Mg2+ и анионы НСОГ, SO|~ и С1_, а также ионы Н+ и ОН-, всегда содержащиеся в воде. Количество металла т, растворивше¬ гося в воде в результате электролиза, определяют по формуле tAI т = Т1 , ' Fn где г] — коэффициент выхода металла по току, %; t — время прохождения то¬ ка, ч; А — атомная масса металла; / — сила тока, A; F — число Фарадея (96 500 Кл); п — валентность металла. Теоретически при расходе электри¬ чества 26,8 А • ч растворяется 8,99 г алюминия или 27,93 г железа. Электрохимическое растворение ме¬ таллов включает две основные группы процессов: растворение за счет внешнего тока (анодное растворение металлов) и химическое растворение в результате взаимодействия металлов с окружающей средой. Так, на алюминиевом аноде мо¬ гут протекать химические реакции, не¬ посредственно не связанные с действием электрического тока: А1 — Зе -*■ А13+; А13+ + ЗОН- — А1 (ОН)3. Процессу химического растворения алюминия способствуют наличие в воде ионов-депассиваторов, повышение ско¬ рости движения жидкости по отношению к поверхности металла, воздействие по¬ стоянного электрического тока и др. В связи с этим выход алюминия по току может достигать 130—140 %. Согласно теории электрохимической коррозии, при использовании в качестве анода алюминия или железа наиболее вероятны в природной воде такие реак¬ ции: А1 — Зе -» Al3+; Fe — 2е -► Fe2+ (анодное растворение); А13+ + ЗОН" -» А1 (ОН)3; 75
Fe2+ + 20H- -> Fe (0H)a; 4Fe (OH)2 + 02 + 2H20 -» 4Fe (0H)3 (образование гидроксидов). На алюминиевом или железном като¬ де, помещенном в природную воду, мо¬ гут протекать следующие электрохими¬ ческие процессы: Н+ + 1е Н; Fe3+ + 1е Fe2+ (деполяризация мигрирующими ионами); 02 + 4е + 2Н20 ->■ 40Н— (деполяризация нейтральными молекулами в щелочной среде); 02 -f- 4е —J— 4Н+ —► 2Н?0 (в кислой и нейтральной среде) или Cl2-f-2e-*-2Cl—; Ре2+ -|- 2е ->- Fe°; Fe304 + Н30 + 2е 3FeO + 20Н“ (восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, например, оксидов); RO + 4е + 4Н+ ЯН2 + Н20; R + 2е + 2Н+ /?Н2 (восстановление органических соединений; R — радикал или органическая молекула). Из перечисленных катодных процессов в природной воде в основном имеет мес¬ то кислородная и водородная деполя¬ ризация, причем каждая из этих реак¬ ций в зависимости от условий может пре¬ валировать. Кроме того, на алюминие¬ вом катоде возможно протекание реак¬ ций взаимодействия алюминия с водой 2А1 + 6Н20 = 2А1 (ОН)3 + ЗН2Т благодаря значительному повышению значения pH (до 10,5—12,0) в прикатод- ном слое во время электролиза и раство¬ рения защитной пленки А1203. Протекание электрохимических про¬ цессов на металлических электродах сопровождается адсорбцией на них не¬ органических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлять электрохимические реакции, выделени¬ ем на электродах пузырьков газа (Н2, 02 и др.), которые способны переносить вещество из жидкости на поверхность («электрофлотация»), электрофорезом (движением в воде взвешенных твердых частичек, пузырьков газа, капель дру- ^ Рис. 4.11. Зависимость выхода алю¬ миния по то¬ ку от темпе¬ ратуры во¬ ды: /—3 — плот¬ ность TOK0 5 0 20 40 60 80 too соответствен- QQ но 2, 5 и Температура\ X i о мА/см2. гой жидкости и коллоидных частичек) и другими явлениями. На процесс растворения электродов влияют физико-химические, электри¬ ческие и гидродинамические факторы: активная реакция среды, ее солевой состав, температура, состав электрода, плотность тока, частота смены полярнос¬ ти, скорость движения воды в меж- электродном пространстве и др. На рис. 4.11 представлена зависимость вы¬ хода алюминия по току от температуры воды. Существенное значение при очист¬ ке воды электрокоагуляцией имеет плот¬ ность тока. Наиболее эффективной мо¬ жет быть работа электролизеров при высоких плотностях тока, поскольку при этом более интенсивно используется их вместимость и рабочая поверхность электродов. Однако с повышением плот¬ ности тока усиливаются поляризацион¬ ные явления и пассивация электродов, что приводит к возрастанию напряжения и затрате электроэнергии на побочные процессы. Например, железные электро¬ ды более восприимчивы к пассивации, чем алюминиевые. С ростом плотности тока увеличивается скорость химическо¬ го растворения алюминия, и тем в боль¬ шей степени, чем меньше его чистота. Существуют противоречивые мнения от¬ носительно выбора оптимальной плот¬ ности и частоты смены полярности тока на электродах. Большинство исследо¬ вателей рекомендует плотность тока в пределах 0,5—20 мА/см2, расстояние между электродами 10—15 мм. По мне¬ нию Л. А. Кульского, П. П. Строкача и В. А. Слипченко, эффективной плот¬ ностью тока для удаления из воды боль¬ шинства загрязнений может быть 1— 4 мА/см2. С учетом мероприятий по. тех¬ нике безопасности рабочее напряжение на электродах установок не должно превышать 40 В. Для предотвращения образования осадка рекомендуется менять на элект¬ родах полярность тока. Однако смена полярности тока не всегда эффективна; в период переключения полярности рез¬ ко снижается выход алюминия по току и трудно удаляются осадки на электродах. Процесс активного окисления метал¬ лов при электролизе осложняется их пассивацией. Например, на поверхнос¬ ти алюминия оксидная пленка образу- 76
/ Рис. 4.12. Безнапорные пластин¬ чатые электрокоагуляторы: а — горизонтальные; 6 — вер¬ тикальные; / — изолирующие вставки; 2 — электродные пла¬ стины; 3 — токоведущие встав¬ ки Рис. 4.13. Электролизер с бипо¬ лярным подключением электро¬ дов. ется в результате реакции 2А13+ + 302~ А1203; 2А1 + 30 -*■ А!203. При этом потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Сте¬ пень активности алюминиевого анода в значительной мере зависит от природы и концентрации присутствующего в рас¬ творе аниона. На активность алюминие¬ вого анода наиболее сильно влияет хло- рид-ион. Механизм активирующего действия хлорид-ионов обусловлен их небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результа¬ те чего она разрушается. Относительная способность различных анионов прони¬ кать через пленку убывает в следующем порядке: Cl- > Вг- > I- > F- > SO2- > NOf > РО3-. Активация алюминиевого анода хло¬ рид-ионами объясняется также сильным замедлением процесса образования ок¬ сидной пленки, связанным с адсорбци¬ онным вытеснением кислорода. Повышение концентрации сульфатов по отношению к постоянной концентра¬ ции хлоридов приводит к полному уг¬ нетению активирующего действия хло¬ рид-ионов на оксидную пленку. Рост температуры воды препятствует образованию осадков на электродах, увеличивает скорость растворения ок¬ сидной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленка становит¬ ся рыхлой и легко удаляется с поверх¬ ности алюминия. Особенно усиливается разрушение оксидной пленки в присут¬ ствии хлорид-ионов, сорбция которых на алюминии с повышением температуры возрастает. Растворение 1 г металлического алю¬ миния эквивалентно введению в воду 12,3 г Al2 (S04)3 • 18Н20, растворение 1 г металлического железа — введению 4,8 г FeCl3 • 6Н20 или 4,9 г FeS04 X X 7Н20. Большинство устройств для очистки воды электрокоагуляцией представляют собой безнапорные пластинчатые элект¬ ролизеры горизонтального или верти¬ кального типа. Пластины металла рас¬ полагаются вертикально на расстоянии 3—20 мм одна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электриче¬ ский ток подводится к каждой пластине (рис. 4.12). С целью упрощения монтажа электро¬ коагуляторов и уменьшения потребляе¬ мой силы тока применяют биполярное подключение электродов, т. е. подвод тока не к каждой пластине, а через не¬ сколько пластин. Промежуточные плас¬ тины растворяются вследствие поляри¬ зации в возникающем электрическом поле (рис. 4.13). Пластинчатые электролизеры в зави¬ симости от расположения электродов и направляющих перегородок могут ра¬ ботать как многопоточные и как однопо¬ точные (рис. 4.14). При многопоточной схеме движения вода проходит одновре¬ менно через все промежутки между Рис. 4.14. Многопо¬ точная (а) и однопо¬ точная (б) схемы дви¬ жения воды в элект¬ рокоагуляторе: / — поступление ис¬ ходной воды; 2 — анод; 3 — катод; 4 — выход обработанной воды; 5 — винипла- стовые перегородки. К 77
Рис. 4.15. Устрой¬ ство для очистки воды: ! — корпус; 2 — вращающийся вал; 3 — электроды; 4 — шина; 5 — па¬ трубок; 6 — пере¬ городка. Рис. 4.16. Реактор-элект- рокоагулятор для обра¬ ботки воды: / — корпус; 2 — эжек* торная система; 3 — ци¬ линдрические электроды; 4 — опоры; 5 — трубы для отвода воды; 6 — па¬ трубок для опорожнения аппарата; 7 — трубопро¬ вод для подачи воздуха; 8 — корпус для отвода газов; 9 — трубопровод для подачи воды; Ю — трубопровод для подачи реагентов; // — трубо¬ провод для отвода газов электродами (параллельное соединение каналов). Этот тип электролизера кон¬ структивно наиболее прост, но скорость движения воды в нем мала. Для борьбы с пассивацией электродов некоторые ис¬ следователи рекомендуют применять однопоточную схему, при которой вода проходит по лабиринту, образуемому электродами (последовательное соедине¬ ние каналов). При этом скорость движе¬ ния воды относительно электродов в п — — 1 раз больше, чем при многопоточной схеме (п — число электродных пластин). Кроме того, есть ряд конструкций электролизеров, в которых предусмотре¬ на механическая, пневмо-гидравличе- ская или эрозионная (абразивным мате¬ риалом) очистка электродов от обра¬ зующихся на них в процессе работы осад¬ ков. Так, для очистки воды от взвешен¬ ных и растворенных примесей с целью увеличения эффективности очистки во¬ ды электроды укрепляют на вращающем¬ ся валу, установленном в корпусе (рис. 4.15). Засорение межэлектродного пространства в устройстве предотвраща¬ ется расположенной внутри корпуса гре¬ бенкой, между зубцами которой размеще¬ ны электроды. Для осветления, обесцвечивания и умягчения питьевых и технических вод разработан реактор-электрокоагулятор (рис. 4.16). Вода через трубу подается в эжектор и циркулирует в пространстве между электродами, охватывающими эжектор. Обработанная вода выходит из аппарата по трубе, установленной тангенциально к его корпусу. Особен¬ ности конструкции электролизера поз¬ воляют уменьшить поляризацию элект¬ родов, снизить расходы электроэнергии, улучшить гидравлические и физико-хи¬ мические условия формирования хлопь¬ ев коагулянта и осуществить очистку периодической подачей воздуха. Использование в качестве электродов листового металла затрудняет широкое применение метода электрокоагуляции. Замена листового металла отходами в виде стружек, обрезков достигается при использовании электролизеров с засып¬ ными электродами (рис. 4.17). Такой электролизер состоит из ячеек, отделен¬ ных одна от другой сепараторами. Каж¬ дую ячейку заполняют металлическими опилками. Ток подводят либо только к крайним электродам, либо к каждой ячейке. Предусмотрены специальные S1L о I it Рис. 4.17. Электролизер с засыпными электродами: / — подвод и отвод воды; 2 — ванна электролизера; 3 — неэлектропроводные торцевые пластины; 4 — винты для уплотнения засыпки; 5 — засыпка из ме¬ таллических опилок; 6 — диафрагмы; 7 — токопод- воды; 8 — циркуляционный насос. 78
приспособления для уплотнения засы¬ пки и смены полярности тока. При эксп¬ луатации электрокоагулятора сепаратор забивают гидроксидом металла, в связи с чем значительно увеличивается гид¬ равлическое сопротивление ячеек. Исследования, проведенные в электро¬ лизерах с использованием в качестве анода алюминиевых или железных стру¬ жек (рис. 4.18), дали хорошие результа¬ ты только при кратковременной работе и оказались непригодными для длительной эксплуатации из-за несовершенства их конструкции, пассивации анода и дру¬ гих недостатков. Исследования по созданию электроли¬ зеров с использованием в качестве анода отходов металлов (стружек) и выясне¬ нию условий прохождения в них тока ведутся в АКХ. Одной из разновидностей электроли¬ зеров с засыпными электродами являет¬ ся электрофильтр для очистки сточ¬ ных вод предприятий мясо-молочной промышленности, разработанный в НИКТИ ГХ МЖКХ УССР. Он представ¬ ляет собой прямоугольную раму, на которой укреплена катодная стальная сетка с ячейками 5x5 или 2,5 X 2,5 мм и анодный блок, засыпанный стальной стружкой. Для подвода тока к раство¬ ряющейся стружке используется свар¬ ная решетка из прутьев диаметром 14 мм и расстоянием между ними 20 мм. За¬ сыпной электрод с двух сторон ограни¬ чен капроновой сеткой с ячейками 2 X X 2 мм. Расстояние между засыпным анодом и сетчатым катодом составляет 20 мм, анодная плотность тока — 2 мА/см2. Электрофильтр устанавливают перед камерой флотации поперек потока, и сточная вода, фильтруясь через него, насыщается ионами Fe2+ и пузырька¬ ми Н2. Однако электролизеры с засыпными электродами имеют существенные не¬ достатки: пассивация анодов и снижение выхода металла по току; накопление между стружками гидроксидов металлов с адсорбированными загрязнениями, что приводит к их слипанию и цементации; увеличение напряжения тока и расхода электроэнергии из-за возрастания со¬ противления ячеек и необходимость спе¬ циальной обработки материала стружек Рис. 4.18. Схема электрокоагулятора (а) с комбини¬ рованным анодом (б): / — корпус электрокоагулятора; 2 — катоды; 3 — комбинированные аноды; 4 — токоподводящая кон¬ тактная пластина; 5 — анод из отходов металлов; 6 — диэлектрический перфорированный материал. с целью удаления с их поверхности ма¬ сел и других веществ. Метод электрокоагуляции обеспечива¬ ет высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей минерально¬ го, органического и биологического про¬ исхождения, коллоидов (соединений же¬ леза, веществ, обусловливающих цвет¬ ность воды и т. д.), а также отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях. Существенным преимуществом электрокоагуляции пе¬ ред реагентными методами очистки воды является возможность отказа от строи¬ тельства громоздких очистных сооруже¬ ний. Эксплуатацию установок можно значительно упростить, поскольку элект¬ рохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматиза¬ ции. Электрокоагуляция позволяет осу¬ ществлять процесс очистки воды в ком¬ пактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках и особенно удобна для небольших авто¬ номных объектов (на судах речного фло¬ та, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т. д.). Современное развитие теплоэнергети¬ ки, радиоэлектроники, целлюлозно- бумажного, текстильного и других производств предъявляет повышенные требования к качеству воды, особенно к содержанию в ней соединений кремния, железа, кислорода, органических и дру- гих веществ. Однако еще нет достаточно простых и высокоэффективных методов предварительной подготовки воды. Вы¬ сокая сорбционная способность получае¬ мого электрохимически А1 (ОН)3 по от¬ ношению к загрязнениям воды и другие преимущества метода электрокоагуляции позволяют использовать его для очистки технических, питьевых и сточных вод. 79
Глава 5 СМЕШЕНИЕ РЕАГЕНТОВ С ВОДОЙ 5.1. Технология смешения реагентов с водой Реагенты в воду подают так, чтобы ее очистка заканчивалась в существующем комплексе оборудования. Ввиду этого реагенты, как правило, вводят в начале технологических сооружений и быстро перемешивают со всей массой обрабаты¬ ваемой воды. Смешение производят в со¬ оружениях, называемых смесителями. С целью исключения повторного бактери¬ ального загрязнения, защиты трубопро¬ водов от коррозии, введения в воду недостающих ионов и т. д. можно пода¬ вать реагенты и в другие точки техноло¬ гической схемы. Например, в воду перед резервуарами чистой воды вводят хлор¬ ную и известковую воду, соединения фтора, озоно-воздушную смесь и другие вещества. Реагенты в обрабатываемую воду можно подавать непосредственно перед входом в осветлители со слоем взвешенной контактной среды, в контакт¬ ные осветлители и фильтры. Смесители предназначены для быстро¬ го и равномерного смешения реагентов со всей массой обрабатываемой воды. Предусмотрена также возможность по¬ следовательного введения реагентов в во¬ ду с соблюдением необходимых интерва¬ лов времени между их подачей. Смеши¬ вают реагенты с водой в течение 1—2 мин при мокром и не более 3 мин при сухом дозировании реагентов. По принципу действия различают два основных типа смесителей: 1) гидрав¬ лические, в которых турбулентный поток создается сужениями или дырчатыми перегородками (шайбовые, вихревые, пе¬ регородчатые, дырчатые смесители, вставки Вентури и др.); 2) механические, в которых турбулизация потока создает¬ ся мешалками различных типов, приво¬ димыми в действие внешними источни¬ ками энергии, а также смешение в цент¬ робежном насосе, в смесителях с пропел¬ лерными и лопастными мешалками. При выборе типа смесителя необходи¬ мо учитывать конструктивные особен¬ ности, компоновку технологических со¬ оружений станции, ее производитель¬ ность и метод обработки воды. В смесителях гидравлического типа, рекомендуемых для обработки воды в СССР, турбулизация потока создается трехкратным местным увеличением ско¬ рости потока обрабатываемой воды с 0,4—0,6 до 1 м/с. В механических смесителях, чаще всего применяемых за рубежом, турбулизация потока созда¬ ется вращением лопастей или пропел¬ леров мешалки электродвигателем. Сме¬ сители гидравлического типа конструк¬ тивно просты и удобны в эксплуатации, однако при расходах воды, меньших чем расчетные, они не обеспечивают удовлет¬ ворительного смешения ее с реагентами. Механические смесители являются эф¬ фективными сооружениями смешения ре¬ агентов с водой, но их применение свя¬ зано с повышенными затратами электро¬ энергии, что сказывается на технико¬ экономических показателях работы во¬ доочистной станции. Из гидравлических смесителей безнапорного типа наиболее распространены дырчатые, перегород¬ чатые, вертикальные (вихревые), кори¬ дорные и др. В них предусмотрено уст¬ ройство переливов и трубопроводов для выпуска воды и осадка в канализацию. Резервных смесителей не предусматрива¬ ют, а устраивают обводные линии в обход смесителей. 5.2. Дырчатые смесители Дырчатый смеситель (рис. 5.1, а), ши¬ роко применяющийся на станциях обра¬ ботки воды производительностью до 20— 24 тыс. м3/сут, представляет собой же¬ лезобетонный лоток с тремя вертикаль¬ ными перегородками. Перегородки уста¬ новлены перпендикулярно к движению воды и снабжены расположенными в не¬ сколько рядов отверстиями. Вытекаю¬ щие из отверстий струи воды создают большое количество мелких завихре¬ ний в лотке смесителя, что способству¬ ет эффективному смешению вводимых реагентов с обрабатываемой водой. Чтобы исключить возможность насы¬ щения воды пузырьками воздуха, пре¬ дусматривают затопление верхних ря¬ дов отверстий в перегородках на глу¬ бину 10—15 см. Скорость движения 80
Рис. 5.1. Схе¬ мы устройства дырчатого («) и перегородча¬ того (б) смеси¬ телей. еЩ: е Перелидной карман воды в отверстиях перегородок принима¬ ют равной 1 м/с. Расчет дырчатых смесителей проводят в таком порядке. Число вертикальных дырчатых перегородок принимают обыч¬ но равным 3. Диаметр отверстий в пере¬ городках задают в пределах 20—40 мм для станций небольшой производитель¬ ности, 100 мм — для станций произво¬ дительностью 24 тыс. м3/сут. Задавая диаметр отверстий в'каждой перегород¬ ке, их количество п определяют по фор¬ муле 4q где q — расчетный расход воды, поступа¬ ющей в смеситель, м3/с; v0 — скорость движения воды в отверстиях (принимают равной 1 м/с); d — диаметр отверстий, м. Суммарная площадь отверстий в каж¬ дой перегородке не должна превышать 30 % ее рабочей площади. Потерю напора h при прохождении во¬ ды через отверстия перегородки опреде¬ ляют по формуле о2 h = 2gfx2 где g — ускорение свободного падения (равняется 9,81 м/с2); и — коэффициент расхода, зависящий от отношения диа¬ метра отверстия d к толщине перегород¬ ки 6, принимается равным 0,65—0,75 (fi = 0,65 при d/8 = 2 и 0,75 при d/8 = = 1). Ширину лотка дырчатого смесителя определяют по скорости движения в нем воды, которую принимают vn = 0,6 м/с. Найдя потерю напора в перегородке и задав глубину Н в конце смесителя (обычно в пределах 0,4—0,5 м), определя¬ ют уровень воды в начале смесителя. На отметку уровня воды в начале сме¬ сителя должна быть подведена вода на¬ сосами станции первого подъема. Как показывают результаты исследо¬ вания дырчатых смесителей на водопро¬ водных станциях, при снижении расхода воды в них наблюдается неравномерность смешения с реагентами по высоте камеры. 5.3. Перегородчатые и коридорные смесители Перегородчатый смеситель (см. рис. 5.1, б) с разделением потока по ширине лотка имеет три перегородки: в первой и треть¬ ей проходы расположены в центре, а в средней — два боковых прохода у сте¬ нок лотка. Поток воды через такие про¬ ходы в перегородках вызывает измене¬ ние направления ее движения в пределах лотка, а повышенные скорости в сужен¬ ных местах проходов создают завихре¬ ния, способствующие наиболее равно¬ мерному и полному смешению вводимого реагента с обрабатываемой водой. Для устранения засасывания в воду воздуха верхние кромки проходов должны обяза¬ тельно быть затопленными на 10—15 см. Расстояние между перегородками рав¬ но двойной ширине лотка. Скорость движения воды в нем принимают равной не'менее 0,6 м/с, а в проходах — 1 м/с. Потеря напора в каждом проходе при этом составляет 0,15 м. Мод реагента В канализаиию 81
Расчет перегородчатого смесителя про¬ изводят по формуле q = bl(H + 2К — Л3) цп = = 2Ьг (Н + h' — Л,) vn — Ь3(Н — h3) v„, где <7 — расход воды, проходящей через очистные сооружения, м3/с; Ь1, Ь2, Ь3 — ширина проходов в перегородках, м; ап — скорость движения воды в прохо¬ дах, м/с; h' — потеря напора в каждом проходе, м; h3 — заглубление проходов в перегородках, м; Н — уровень воды в лотке смесителя за перегородками (принимают равным 0,4—0,6 м). Для станций производительностью бо¬ лее 300 тыс. м3/сут разрешается приме¬ нять коридорные смесители типа сме¬ сителей Мосводопровода. Смешение реа¬ гентов с водой происходит вследствие частых поворотов потока, обусловлен¬ ных расположением направляющих пе¬ регородок. Расстояние между перегород¬ ками должно быть не менее 0,7 м, ско¬ рость движения воды в коридорах vK при длительности пребывания ее в сме¬ сителе 2 мин принимается равной 0,6 м/с, при длительности пребывания 1,5 мин — 0,9 м/с. Потерю напора hQ на одном пово¬ роте смесителя определяют по формуле hc = 0,15 v£s, где s — число поворотов потока воды (обычно равно 9—10). 5.4. Вихревые смесители На станциях, где воду обрабатывают известковым и угольным молоком, каус¬ тическим магнезитом, применять перего¬ родчатые и дырчатые смесители не ре¬ комендуется, поскольку скорости потока в них не обеспечивают поддержания во взвешенном состоянии частичек извести, которые могут осаждаться перед перего¬ родками. В этом случае более пригодны вихревые (вертикальные) смесители. В по¬ следние годы такие смесители получили наибольшее распространение. Вихревой смеситель (рис. 5.2) пред¬ ставляет собой круглый или квадратный (в плане) резервуар с конической или пирамидальной нижней частью. Цент¬ ральный угол между наклонными стен¬ ками должен составлять 30—45°. Вода в вихревом смесителе перемешивается за счет изменения скорости восходя¬ щего потока воды при переходе от узкой (нижней) к широкой (верхней) части смесителя. Реагенты вводят в нижнюю часть сме¬ сителя. Собирают воду в верхней части смесителя в переливной периферийный желоб, в затопленную воронку или в дырчатые трубы. Движение частичек растворяемого ве¬ щества во взвешенном состоянии в тур¬ булентном восходящем потоке воды обес- Рис. 5.2. Схема вихревого смесителя: / — сборные дырчатые трубы; 2 — кор¬ пус смесителя; 3 — подача реагентов; 4 — трубопровод для опорожнения. Рис. 5.3. Вихревой смеситель, обеспе¬ чивающий отделение воздуха от воды: / — подвод воды; 2 — подвод реаген¬ тов; 3 — бетонный корпус; 4 — коль¬ цевой желоб; 5 — затопленные отверс¬ тия; 6 — сетка; 7 — отвод воды; 8 — перелив; 9 — трубопровод для опорож¬ нения. %
печивает относительно полное их рас¬ творение. Наиболее крупные частички находятся в нижней зоне повышенных скоростей потока. Вихревые смесители проектируются на длительность пребывания в них воды в течение 1,5—2 мин, а при реагентном умягчении — до 3 мин. Систему сборных отводящих труб или желобов рассчиты¬ вают по скорости движения воды в них, равной 0,6 м/с. Скорость выхода воды из подводящего трубопровода принима¬ ют равной 1,2—1,5 м/с, скорость восходя¬ щего потока воды на уровне водосборно¬ го устройства смесителей — 30—40 мм/с. Применяют вихревые смесители на станциях большой и средней произво¬ дительности при условии, что нагрузка на один смеситель не превышает 1200—- 1500 м3/ч. При проектировании станций обработ¬ ки воды с применением осветлителей со взвешенным осадком вертикальные сме¬ сители следует приспосабливать для воз- духоотделения (рис. 5.3). При этом высо¬ ту вертикальных стенок вихревого сме¬ сителя принимают равной не менее 1— 1,5 м; смешанную с реагентом воду отби¬ рают через отверстия, затопленные в во¬ ду на глубину 0,6—0,9 м. Для защиты отверстий распределительных трубопро¬ водов осветлителей от забивания круп¬ ной коагулированной взвесью воду при выходе из смесителя процеживают че¬ рез сетки с диаметром ячеек 5—7 мм. 5.5. Смешение реагентов в трубопроводе В качестве простейшего смесителя может быть использован напорный трубопро¬ вод, подающий воду от насосной станции первого подъема на очистную станцию. При подаче реагентов в напорный трубо¬ провод необходимо соблюдать следую- Рис. 5.4. Схе¬ ма ввода ре¬ агента в на¬ порный трубо¬ провод через эжектор (а) и во всасываю¬ щую грубу на¬ соса (0): / — раствор коагулянта; 2 — дозировоч¬ ный бак; 3 — воронка; 4 — эжектор; 5 — бачок постоян¬ ного уровня. щие условия: 1) приемную воронку в месте ввода раствора реагентов следует располагать выше линии пьезометриче¬ ского давления воды в трубе; 2) между местом ввода и концом трубы не должно быть задвижек, применяемых для ре¬ гулирования количества поступающей на очистные сооружения воды; 3) длина участка, на котором происходит смеше¬ ние, должна быть не меньше 50 диаметров трубопровода. Турбулентность потока создается при скорости движения воды в трубопроводе 1,0—1,5 м/с. Для лучшего смешения раствора реагентов с обрабатываемой водой и сокращения длины участка сме¬ шения рекомендуется устраивать суже¬ ния в напорном трубопроводе в виде трубы Вентури или диафрагмы (шайбы). Эти сужения позволяют несколько сни¬ зить пьезометрическое давление в месте ввода раствора реагентов в трубопровод и, следовательно, уменьшить высоту рас¬ положения дозатора. Такие дроссель¬ ные устройства обеспечивают появление вихревых потоков в обрабатываемой во¬ де, что благоприятствует смешению ее с реагентами. Потеря напора в них не должна превышать 0,3—0,4 м. Труба, подводящая раствор реагента в напор¬ ный трубопровод, должна доходить до его середины, а ее конец следует срезать под углом 45°. Трубу изготовляют из пластмассы или стекла и укрепляют в напорном трубопроводе сальником. В тех случаях, когда высотное расположе¬ ние напорного трубопровода и дозиро¬ вочных устройств не обеспечивает по¬ дачи раствора реагента в водовод самоте¬ ком, можно применять установку с эжек¬ тором (рис. 5.4). Разрежение (вакуум) В в эжекторе определяют по формуле Я/? й = —Я, 12 На очистные сооружения 83
где Н — напор воды, подаваемой к эжектору, Па; fx — площадь сечения от¬ водящей трубы, м2; /2 — площадь су¬ женного сечения трубы, м2. Расход воды, подводимой к эжектору <?„ вычисляют по формуле где qb — подача эжектора, м3/ч; h — вы¬ сота подачи воды эжектором, м; т) — к. п. д. эжектора, принимаемый равным 0,10—1,15. 5.6. Механические смесители В случае, когда по условиям высотного расположения отдельных сооружений водоочистной станции нельзя обеспечить перепад отметок, требуемый для смеси¬ телей гидравлического типа, можно уст¬ раивать смесители с механическим пере¬ мешиванием жидкости. Принцип действия механических сме¬ сителей состоит в механическом переме¬ шивании обрабатываемой воды с реаген¬ тами. Применение их особенно удобно при введении нескольких реагентов. 84 На рис. 5.5 показаны три типа смеси¬ телей с пропеллерными мешалками, на¬ саженными на вертикальные оси. Прин¬ цип их работы основан на поступатель¬ ном движении воды, сообщаемом ей пропеллером типа пароходного винта. Продолжительность пребывания воды в механических смесителях с пропеллер¬ ными мешалками должна составлять 10—13, а с лопастными мешалками и вертикальной осью вращения — 30— 60 с. В смеситель вода вместе с реагентами поступает снизу и выходит из него свер¬ ху, или наоборот. Иногда для более на¬ дежного перемешивания устанавливают последовательно два механических сме¬ сителя. Расчет механических смесителей про¬ пеллерного типа конструкции институ¬ та Гипроспецнефть (см. рис. 5.5, в) сводится к определению объема камеры, мощности и диаметра мешалки. Объем камеры смесителя принимается равным объему воды, поступающей на очистку за 1—2 мин. При этом коли¬ чество просасываемой пропеллером воды Qu равно где W — объем раствора, м3; п — число оборотов воды в смесителе за 1 мин (обыч¬ но принимают равным 5—10). Диаметр мешалки находят, принимая скорость воды через пропеллер равной 1,5—2 м/с. Эта скорость связана с пло¬ щадью, ометаемой пропеллером, зависи- Рис. 5.5. Механические смесители: / — подвод воды; 2 — подвод реагента; 3 — отвод воды.
мостью Qn F Qn 0,94 л £>2 Число оборотов пропеллера мешалки пи находят по формуле п - 27-2^ м D tg <р cos2 ср ’ где ф — угол наклона лопасти винта (обычно принимают равным 22°). Мощность оси пропеллера N0 опреде¬ ляют по выражению 9,81 QH N. где г)0 — к. п. д. оси пропеллера, рав¬ ный 0,70—0,80. Мощность мотора Nw будет равна Tin где iin — к. п. д. передачи от мотора к мешалке в зависимости от типа передачи (принимают равным 0,60—0,95). Напор, развиваемый пропеллером, должен обеспечить достижение требуе¬ мой скорости в смесителе и преодолеть потери напора в местных сопротивлени¬ ях. Этот напор Н определяют по формуле Я = — (h Пг I + • 2е где т)г — гидравлическии к. п. д. про¬ пеллера, равный 0,8—0,9; h = 0,2 м. 5.7. Эксплуатация смесителей При эксплуатации смесителей незави¬ симо от их типа и конструкции необхо¬ димо предусматривать переливные тру¬ бы, трубы для опорожнения смесителя и выпуска осадка. Вода в смесителях не должна насы¬ щаться пузырьками воздуха. Поэтому на подводящих трубопроводах следует предусматривать задвижки, позволяю¬ щие регулировать уровень воды в сме¬ сителях, исключая перепады. Дырчатые, перегородчатые, коридор¬ ные и вихревые смесители должны иметь не менее двух камер с длительностью пребывания воды в них не более 2 мин, причем предусматривается возможность съема перегородок в дырчатом и перего¬ родчатом смесителях. Периодически ка¬ меры смесителей следует очищать от осадка, определять равномерность сме¬ шения реагентов с обрабатываемой во¬ дой, скорость ее потока на отдельных участках и длительность пребывания в камере смесителя. Попадание песка и других загрязнений из смесителей в распределительные си¬ стемы камер хлопьеобразования и кон¬ тактных осветлителей ухудшает работу последних. Для предупреждения такого выноса загрязнений смесители необхо¬ димо периодически очищать частичным спуском из них воды в канализацию. В нижней части смесителей для этого должны быть предусмотрены трубо¬ проводы с задвижками. Очистку смеси¬ телей следует производить по установ¬ ленному на каждой водопроводной стан¬ ции плану на основе опыта эксплуата¬ ции, но не реже одного раза в год. Сборные трубы и окна в приемных же¬ лобах вихревых смесителей должны быть затоплены и находиться ниже уровня во¬ ды на глубине, не допускающей подсоса воздуха. Периодически по результатам измере¬ ния щелочности воды в различных участ¬ ках смесителя и на разных уровнях не¬ обходимо проверять равномерность сме¬ шения реагентов с обрабатываемой водой. Проверке подлежат также дли¬ тельность ее пребывания в камере смеси¬ теля и скорость потока на отдельных участках. Работа смесителей обязательно долж¬ на контролироваться в случаях, когда резко изменяется технологический ре¬ жим работы водоочистной станции. Глава 6 КАМЕРЫ ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ 6.1. Хлопьеобразование Укрупнение коллоидных частичек, об¬ разующихся в процессе гидролиза коа¬ гулянтов, происходит постепенно в те¬ чение длительного времени. Появлению видимых хлопьев предшествует образо¬ вание непрочных рыхлых сеток (так на¬ зываемая стадия скрытой коагуля¬ ции). Последние затем разрываются на 85
отдельные хлопья, оседающие под дей¬ ствием силы гравитации. Поскольку частички Fe (ОН)3 и А1 (ОН)3 не сферичны (например, час¬ тички Fe (ОН)3 дискообразны), не исклю¬ чена возможность возникновения струк¬ тур в этих золях именно за счет симмет¬ ричной формы частичек, приводящей к появлению структурной вязкости. Структура, образующаяся при коагу¬ ляции золя Fe (ОН)3, прочнее, чем струк¬ тура золя А1 (ОН)3. На структурообразование влияет так¬ же солевой состав воды. Увеличение кон¬ центрации хлоридов и гидрокарбонатов повышает устойчивость возникающих структур, а повышение содержания суль¬ фатов понижает ее. Поэтому в первом случае образуются крупные рыхлые хлопья, во втором — мелкие. Процесс коагуляции характеризуется несколькими стадиями. В момент сме¬ шения раствора коагулянта с водой ника¬ кие изменения не происходят. Спустя некоторое время появляется опалесце¬ нция 1 и вода мутнеет от образования ог¬ ромного количества мельчайших хлопь¬ ев — до 5000 в 1 мл (начало хлопьеоб¬ разования). Образовавшиеся хлопья укрупняются, а их число в единице объема уменьша¬ ется. Когда оно достигнет 5—10 в 1 мл (конец хлопьеобразования), начинается заметное осаждение хлопьев. Для интенсивного осветления и обес¬ цвечивания воды обычно стремятся полу¬ чать легкооседающие крупные хлопья с сильно развитой поверхностью. Одно¬ временно стараются сократить время формирования хлопьев. Механизм про¬ цесса хлопьеобразования определяется вероятностью столкновения коллоидных частичек, что зависит от их концентра¬ ции, подвижности, упорядоченности движения, а также от сцепления. Эффективность хлопьеобразования за¬ висит от дозы вводимых реагентов, тем¬ пературы воды, перемешивания и других факторов (см. п. 4.4). Установлено, что в интервале темпера¬ тур 3—18 °С при перемешивании время хлопьеобразования составляет 2—7 % 1 Опалесценция — явление рассеивания све¬ та мельчайшими частичками, находящимися в воде. времени, необходимого для достижения того же эффекта без перемешивания, и хлопья получаются более прочные. Для предотвращения разрушения хлопь¬ ев их необходимо поддерживать во взве¬ шенном состоянии при слабом перемеши¬ вании. Известно, что перемешивание влияет на хлопьеобразование только в том случае, когда размеры частичек золя достигли некоторого предела. На мелкие частички, а тем более на первич¬ ные, оно не влияет. Эксплуатационные данные свиде¬ тельствуют о том, что в мутных водах образование хлопьев происходит быст¬ рее и лучше, чем в прозрачных. Муть с диаметром частичек меньше 3 мкм (наиболее тонкий ил) резко улучшает процесс коагуляции. Аналогичное дей¬ ствие оказывает контактирование воды с массой хлопьев. Поэтому иногда для ускорения процесса в камеры хлопье¬ образования специально вводят суспен¬ зию глины или осадка из отстойников. Потеря устойчивости золей А1 (ОН)3 или Fe (ОН)3 объясняется тем, что вво¬ димые осадки поглощают из адсорбцион¬ ного слоя мицеллы ионы, придающие коллоидным частичкам устойчивость. Кроме того, осадки, вводимые в качестве затравок, являются своеобразными цент¬ рами агрегации. Большую роль в этом процессе играет ортокинетическая коа¬ гуляция. Исследования показывают, что про¬ цесс флокуляции при использовании АК ускоряется от полутора до нескольких десятков раз, по сравнению с флокуля- цией при очистке воды только сульфатом алюминия. Особенно эффективно применение АК при обработке коагулянтом природных вод в холодный период года, который ха¬ рактеризуется вялой коагуляцией, об¬ разованием мелких и рыхлых хлопьев. На рис. 6.1 приведены интегральные кривые осветления днепровской воды при 3 °С обработкой ее 100 мг/л сульфата алюминия (кривая 1) и разными дозами АК (кривые 2—5). Кривая 1 фактически состоит из двух прямолинейных участ¬ ков с разными углами наклона к оси абсцисс. В первый час осаждения флоку- ляция и седиментация практически от¬ сутствуют, и только в течение следующе¬ го часа осаждается около 40 % взвеси. 86
Доза АК, составляющая 2 % дозы Al2 (S04)3, придает графику характерный вид кривой осаждения. Увеличение дозы АК интенсифицирует флокуляцию и осаждение и тем самым повышает эффект осветления Эосв. Кривые становятся выпуклыми в сторону оси ординат, что свидетельствует о возрастании круп¬ ности образующихся хлопьев. Хлопьеобразование на очистных стан¬ циях с отстойниками осуществляется в специальных камерах. Камеры хлопьеобразования станций реагентного осветления и обесцвечива¬ ния воды предназначены для проведения в них физико-химических процессов, обусловливающих образование крупных, прочных, быстро оседающих хлопьев гидроксидов металлов с извлекаемыми из воды примесями. Целесообразность установки камер хлопьеобразования в соответствии с ре¬ комендациями СНиП зависит от типа сооружений, используемых для освет¬ ления воды. Если в схеме очистных со¬ оружений предусмотрены отстойники любого типа, то наличие камер хлопье¬ образования обязательно, поскольку успешная работа отстойников при ус¬ ловии коагулирования взвеси возможна лишь после предварительной подготов¬ ки хлопьевидной взвеси в камерах. Если же для осветления воды применяют осветлители, работающие по принципу пропуска осветляемой воды через слой взвешенного осадка, то устройства спе¬ циальных камер хлопьеобразования не требуется, потому что реакция хлопье¬ образования происходит достаточно быстро непосредственно в слое взвешен¬ ной контактной среды осветлителя. Оптимальные условия хлопьеобра¬ зования создаются в камерах при обес¬ печении определенного характера, про¬ должительности и интенсивности переме¬ шивания воды, поступившей в камеру из смесителя, где в воду был добавлен рас¬ твор коагулянта. Перемешивание в камерах хлопьеоб- раэования не должно быть слишком интенсивным, особенно в конце этих со¬ оружений, чтобы избежать разрушения образовавшихся агрегатов. Характер пе¬ ремешивания воды обеспечивается кон¬ структивным оформлением камеры. Оп¬ тимальная длительность перемешивания Время осветления, мин Рис. 6.1. Кинетические кривые осаждения скоагули- рованной взвеси при соотношении доз АК и коагу¬ лянта Д\К/Дк, %: / — 0; 2 — 2; 3 — 5; 4—10; 5 — 20; = ЛЯ ' А1 /Члп . лл = ^ 100 (М и Мосв — соответственно М мутность воды до и после осветления). воды достигается за счет определенно- го объема камеры, а необходимая интен¬ сивность перемешивания — за счет изме¬ нения скорости движения воды или ско¬ рости движения лопастей мешалок в ме¬ ханических камерах хлопьеобразова¬ ния. При последующем осветлении воды в отстойниках для устранения разруше¬ ния хлопьев в коммуникациях камеры хлопьеобразования рекомендуется из¬ готовлять примыкающими или встроен¬ ными в отстойники и составляющими с ними одно сооружение. В отдельно стоящих или примыкающих камерах хлопьеобразования, согласно СНиП, ско¬ рость движения воды в отводящих тру¬ бопроводах или каналах не должна превышать 0,1 м/с для мутных вод и 0,05 м/с для цветных. Для наблюде¬ ния за протеканием процесса формирова¬ ния хлопьев над камерами целесообраз¬ но устраивать павильоны шириной до 6 м. В камерах хлопьеобразования ре¬ комендуется применять гидравлическое перемешивание и лишь иногда, когда по местным условиям это окажется нераци¬ ональным, допускается механическое пе¬ ремешивание. В зависимости от типа и конструктивного решения камер хлопье¬ образования длительность пребывания в них обрабатываемой воды колеблется от 6 до 30 мин. Получили распространение несколько типов камер хлопьеобразования, отли¬ чающихся способом перемешивания во¬ ды, режимом формирования хлопьев и предназначенных для различных систем 87,
отстойников. При осветлении воды в вер¬ тикальных отстойниках камеры хлопье¬ образования водоворотного типа рас¬ полагают в центральной трубе. В слу¬ чае применения горизонтальных отстой¬ ников используют перегородчатые каме¬ ры хлопьеобразования с горизонталь¬ ным или вертикальным движением пото¬ ка воды, а также сопряженные или встро¬ енные вертикальные (вихревые) камеры хлопьеобразования со слоем взвешенной контактной среды. 6.2. Камеры хлопьеобразования водоворотного типа, встроенные в вертикальные отстойники Водоворотные камеры хлопьеобразова¬ ния (рис. 6.2) применяются на отечест¬ венных станциях обработки воды не¬ большой производительности. Они пред¬ ставляют собой цилиндрические метал¬ лические или железобетонные резерву¬ ары, в верхнюю часть которых поступает вода из смесителя по трубопроводу, снабженному на конце соплами-насадка- ми. Вода, выходя из сопел со скоростью 2—3 м/с, движется вдоль стенок камеры, приобретая вращательное (водоворотное) движение. Благодаря возникающему при Рис. 6.2. Вертикальный отстойник с водоворотной камерой хлопьеобразования: / — камера хлопьеобразования; 2 — сопла; 3 — га¬ ситель; 4 — трубопровод для выпуска осадка. этом равномерному перемешиванию со- здаются благоприятные условия для хлопьеобразовани я. Сопла располагают на расстоянии 0,2dK.x от стенки камеры (^к.х — диа¬ метр камеры хлопьеобразования) на глу¬ бине 0,5 м от поверхности воды. Потеря напора h при указанной выше скорости выхода воды из сопла vc составляет 0,06Ис, м. Чтобы погасить вращательное движе¬ ние воды перед поступлением ее в отстой¬ ник, которое мешает отстаиванию взве¬ си, внизу центральной трубы устраива¬ ют специальный гаситель. Он представ¬ ляет собой крестообразно соединенные перегородки, обычно из досок высотой около 0,8 м, поставленных на ребро, с размером ячеек 0,5 х 0,5 м. Объем водоворотной камеры хлопье¬ образования определяется исходя из количества воды, пребывающего в ней в течение 15—20 мин; высота ее должна составлять 3,5—4 м (0,9 высоты зоны осаждения вертикального отстойника). Площадь встроенной в отстойник водо¬ воротной камеры хлопьеобразования FK определяют по формуле 0 F — к 60//Д' ’ где q — расчетный расход воды, м3/ч; t —длительность пребывания воды в ка¬ мере хлопьеобразования, мин; Н —вы¬ сота камеры хлопьеобразования, м; N — расчетное число отстойников на станции. Определив необходимый объем каме¬ ры и зная ее высоту, можно найти диа¬ метр камеры dK=i,i3VTK. Секундный расход воды qc, поступаю¬ щей в камеру, составит _ ?ч 9о И 3600 ’ где q4 — расчетный часовой расход воды на очистной станции, м3/ч. Применяют водоворотные камеры хлопьеобразования обычно на станциях производительностью до 3 тыс. м3/сут. 6.3. Перегородчатые камеры хлопьеобразования Перегородчатые камеры хлопьеобразова¬ ния представляют собой железобетон¬ ные прямоугольные (в плане) резервуа-
Рис. 6.3. Ilepei ородча гая камера хлопьеобразования (с горизонтальной циркуляцией), совмещенная с го¬ ризонтальным отстойником: / — камера хлопьеобразования; 2 — подача воды в камеру; 3 — отстойники; 4 — шиберы для пропу¬ скания воды; 5 — распределительный канал; 6 — об¬ водной канал; 7 — шиберы для выпуска осадка; 8 — канал для отвода осадка; 9 — удаление осадка из отстойника ры с железобетонными или деревянными перегородками (рис. 6.3, 6.4). Вода в перегородчатых камерах хлопьеобра¬ зования перемешивается вследствие мно¬ гократного изменения направления ее движения в них в горизонтальной или вертикальной плоскости. Длительность пребывания мутных вод в перегородча¬ тых камерах составляет 20 мин, цвет¬ ных — 30 мин. Перегородчатые камеры хлопьеобра¬ зования обычно используют в комплексе с горизонтальными отстойниками. В этом случае основную часть отстойников и камеры обсыпают землей, а в месте примыкания их устраивают павильон, в котором размещают шиберы и задвиж¬ ки для управления работой камеры и отстойников. Перегородки делят камеру на последовательно соединенные кори¬ доры. Движение воды вдоль коридоров с оп¬ ределенной скоростью и периодические повороты потока у горизонтальных или вертикальных перегородок создают бла¬ гоприятные условия для хлопьеобразо¬ вания. Перпендикулярно коридорам устраи¬ вается обводной канал для пропуска воды мимо камеры в период ремонта последней и на время, когда не произво¬ дится коагулирование. В стенке, отде¬ ляющей канал от коридоров, предусмат¬ риваются промежуточные выпуски на тот случай, когда по условиям оптималь¬ ного хлопьеобразования достаточна меньшая длительность пребывания воды в камере. Дно перегородчатых камер хлопье¬ образования делают с уклоном для воз¬ можности смыва осадка, который может выпасть при снижении расхода воды через камеру ниже расчетного. Уклон должен составлять 0,02—0,03; разреша¬ ется строить двухэтажные камеры. Расчет камеры перегородчатого типа сводится к определению объема камеры, размеров ее в плане, числа и ширины ко¬ ридоров и общей потери напора воды в камере. Объем камеры хлопьеобразования WK принимают по количеству пребывающей в ней воды в течение 20—30 мин (нижний Рис. 6.4. Перегородчатая камера хлопьеобразования с вертикальной циркуляцией воды: / — подача воды в камеру; 2 — от¬ вод воды из первой половины каме¬ ры; 3 — отвод воды; 4 удаление осадка. 89
предел принимают при осветлении мут¬ ных вод, верхний — цветных): 60 Среднюю глубину камеры выбирают по конструктивным соображениям ис¬ ходя из высотной схемы очистной стан¬ ции и учитывая местные условия (высо¬ ту грунтовых вод и др.). Обычно среднюю глубину камеры при¬ нимают в пределах 2,0—3,5 м. Задав глубину и определив объем ка¬ меры, находят ее площадь F в плане F = WJH, где Н — высота камеры, м. Далее определяют необходимую шири¬ ну коридоров b между перегородками Q ь = - 3600vKH где vK — скорость движения воды в ко¬ ридорах камеры (принимают равной 0,2—0,3 м/с). Ширина коридоров должна быть не менее 0,7 м, так как при более узких коридорах затруднен проход по ним во время ремонта или очистки камеры, а также при производстве строительных работ. Число коридоров и, следовательно, размеры камеры в плане находят по сооб¬ ражениям оптимальной компоновки с сохранением расчетного объема камеры. Так, если камера хлопьеобразования примыкает к торцам горизонтальных от¬ стойников, то сторона А камеры (см. рис. 6.3) должна быть близкой к общей ширине отстойников. Исходя из этогс Рис. 6.5. Схема от¬ дельно расположен¬ ной вертикальной камеры хлопьеобра¬ зования вихревого типа: / — цилиндрическая надставка; 2 — дыр¬ чатая труба; 3 — от¬ вод воды; 4 — ко¬ нусное днище; 5 — подвод воды. подбирают и число коридоров. Тогда длину В другой стороны камеры можно будет найти по определенной ранее пло¬ щади камеры в плане. Скорость потока воды в коридорах камеры хлопьеобразования должна убы¬ вать со скоростью от 0,2—0,3 в начале до 0,05—0,10 м/с в конце камеры за счет увеличения расстояния между пе¬ регородками. Число поворотов потока в камере принимают равным 8—10. Потери напора h в перегородчатых камерах хлопьеобразования определя¬ ют по формуле h — 0,15у2я, где п — число поворотов потока воды в камере (на единицу меньше числа кори¬ доров). В перегородчатых камерах хлопье¬ образования с вертикальным движением воды часть перегородок не доходит до дна камеры, а часть —до верха, и вода в камере движется попеременно то вниз, то вверх. Конструктивно такие камеры значительно сложнее камер с горизон¬ тальным движением воды. Перегородчатые камеры хлопьеобра¬ зования применяют в очистных сооруже¬ ниях большой производительности —с вертикальной циркуляцией до 45 тыс. м3/сут, с горизонтальной — свыше 45 тыс. м3/сут. 6.4. Вертикальные камеры хлопьеобразования Вертикальные (вихревые) камеры хлопье¬ образования подразделяются на камеры без слоя взвешенного осадка и со взвешен¬ ным осадком. Вертикальные камеры хлопьеобразо¬ вания, впервые предложенные советским ученым Е. Н. Тетеркиным, являются наиболее совершенным типом камер. Основным преимуществом такой камеры является то, что при наличии вихревого движения воды в ней процесс хлопье¬ образования заканчивается в 2—3 раза быстрее, чем в камерах иного типа, что позволяет соответственно уменьшить объем камеры. Применяют вертикальные камеры хлопьеобразования в виде од¬ ного или нескольких отдельных аппара¬ тов (рис. 6.5), совмещенных с горизон¬ тальными отстойниками (рис. 6.6, а) или встроенных в них (рис. 6.6, б). 90
Рис. 6.6. Вертикальные камеры хлопьеобразова¬ ния: а — совмещенные с от¬ стойниками; 6 — встроен¬ ные в отстойник; / — рас¬ пределительная труба; 2 — распределительный канал; 3 — отстойники; 4 — шибер; 5 — камера хлопьеобразования; 6 — задвижки; 7 — сборные желоба; 8 — затопленный водослив; 9 — отбойная стенка. а В вертикальных камерах хлопьеобра¬ зования обрабатываемая вода подводится ко дну камеры, поднимается вверх с уменьшающейся скоростью и отводится затопленной воронкой, системой дырча¬ тых труб или желобами в распредели¬ тельный канал и примыкающие к нему отстойники. При сборе воды желобами целесообразнее предусмотреть поступле¬ ние ее в желоба через затопленные отверстия в стенках желобов, а не через верхние кромки, которые трудно выпол¬ нить строго горизонтальными, особенно при значительной их длине. Вертикальная камера хлопьеобразова¬ ния представляет собой усеченный ко¬ нус или пирамидальный резервуар, об¬ ращенный суженной частью вниз, с ци¬ линдрической или призматической над¬ ставкой над ним. Она может также устра¬ иваться в виде прямоугольного (в плане) резервуара с вертикальными стенками. Угол между наклонными стенками в за¬ висимости от высоты камеры принимают равным 50—70°. Обрабатываемая вода должна вводиться в камеру со скоростью 0,7—1,2 м/с, а скорость восходящего потока на выходе из камеры должна со¬ ставлять 4—5 мм/с, т. е. быть в 140— 175 раз меньше. При движении воды снизу вверх с уменьшающейся скоростью боковые ее слои подсасываются в основной поток, распространяющийся одновременно во все стороны. В результате этого во всей массе воды, находящейся в камере, обра¬ зуется ряд вихрей, способствующих эф¬ фективному перемешиванию, формиро¬ ванию и укрупнению хлопьев. Длительность пребывания воды в вер¬ тикальных камерах хлопьеобразования принимают в пределах 6—12 мин, а при реагентном умягчении воды — 5—6 мин (нижний предел для мутных вод, верх¬ ний — для цветных). Сбор и отвод воды из камеры в отстойники следует произ¬ водить так, чтобы хлопья А1 (ОН)3 и Fe (ОН)3 не разрушались. Для этого скорость движения воды в сборных лотках, трубах и отверстиях не должна превышать 0,10 для мутных и 0,05 м/с для цветных вод. Встроенная в горизонтальный отстой¬ ник камера хлопьеобразования (см. рис. 6.6, б) со взвешенным осадком, впервые исследованная советским уче¬ ным И. М. Мирнисом, имеет вертикаль¬ ные стенки, что значительно упрощает компоновку сооружений. Слой взвешенного осадка должен быть не менее 3 м, длительность пребывания воды в камере —не менее 20 мин. При осветлении воды рекомендуется прини¬ мать такие средние скорости восходяще¬ го потока в верхнем сечении, мм/с: для воды средней мутности (50—250 мг/л) 0,65—1,6, большой мутности (более 250 мг/л) —0,8—2,2. Обрабатываемая вода по площади ка¬ меры распределяется перфорированными каналами или трубами через отверстия, направленные горизонтально или вниз под углом. Скорость движения воды в таких трубах должна составлять 0,5— 0,6 м/с, площадь отверстий в их стен¬ ках — 30—40 % площади сечения самих труб или каналов; диаметр отверстий должен быть не менее 25 мм. Выводят воду из камеры через затопленный во¬ дослив при скорости 0,05 м/с. При проектировании и расчете верти¬ кальной камеры хлопьеобразования, ис¬ ходя из производительности техноло¬ гических сооружений, определяют объем 91
камеры и площадь ее верхней части (ана¬ логично, как и при расчете перегородча¬ тых камер хлопьеобразования), задавая длительность пребывания воды в камере и скорость отбора воды на основе опыта эксплуатации аналогичного оборудова¬ ния. Затем определяют габариты широкой и узкой частей камеры, вычисляют их объемы, суммируют и проверяют факти¬ ческое время пребывания воды в камере. Проектирование и расчет камер хлопье¬ образования с вертикальными стенками упрощается, поскольку они имеют оди¬ наковое сечение по высоте. 6.5. Механические камеры хлопьеобразования В механических камерах хлопьеобразо¬ вания (флокуляторах), применяющихся на мощных станциях обработки воды, когда по условиям их расположения не¬ рационально использовать другие типы камер, перемешивание осуществляется лопастными мешалками с электроприво¬ дом, вращающимися вокруг горизонталь¬ ных или вертикальных осей. Наибольшее распространение получи¬ ли флокуляторы с лопастными мешалка¬ ми, вращающимися вокруг горизон¬ тальных осей (рис. 6.7). Расчетная ско¬ рость движения воды в них принимается в пределах 0,2—0,5 м/с, а длительность пребывания воды — 30—60 мин (до 60 мин — при умягчении воды реагент- ными методами). Эти камеры устраивают в виде прямоугольного железобетонного резервуара с двумя — пятью парами мешалок. Очень часто их совмещают с горизонтальными отстойниками с раз¬ деляющей их вертикальной дырчатой перегородкой. Преимуществом механических камер хлопьеобразования по сравнению с пе¬ регородчатыми являются: меньшая по- Разрез План Рис. 6.7. Схема устройства ло¬ пастной каме¬ ры хлопьеоб¬ разования. теря напора, простота конструкции, воз¬ можность более совершенного регулиро¬ вания процесса хлопьеобразования изменением числа оборотов лопастей, воз¬ можность последовательной работы не¬ скольких камер хлопьеобразования, что весьма важно при применении смеси реагентов. Объем и площадь механических камер хлопьеобразования определяют по фор¬ мулам, применяющимся при расчете пе¬ регородчатых камер. Длина камеры I определяется по зави¬ симости / = а Нп, где а — коэффициент пропорциональ¬ ности (k = 1,0...1,5); h —глубина воды в камере, м; п—число осей с лопастя¬ ми. Ширину камеры b вычисляют по фор¬ муле Скорость горизонтального движения воды в камере иср составляет 1000/ "ср ~ ~ШГ' В зависимости от качества исходной воды и дозы коагулянта скорость вра¬ щения лопастных мешалок принимается в пределах 0,40—0,55 м/с. Опыт применения таких камер на очистной станции Мосводопровода не подтвердил серьезных преимуществ фло- куляторов перед камерами хлопьеобра¬ зования других типов. Они не получили распространения на отечественных водо¬ очистных станциях. Хорошее хлопьеобразование может быть достигнуто при продувании сжатого воздуха через воду в специальной камере реакции. На дно такой камеры уклады¬ вают решетки из перфорированных труб или пористые плиты. Глубину барботажа принимают обычно равной 2,0—3,6 м, максимально допустимый слой воды — 4,5 м, расход воздуха 0,15 м3/м2 площади резервуара. Барботажную камеру реакции снаб¬ жают перфорированными трубами или пористыми плитами, уложенными в бе¬ тонных лотках на дно камеры поперек движения воды; расстояние между осями труб равно 0,9—1,5 м, диаметр отвер¬ 92
стий — 1,8 мм при расстоянии между ними 75—150 мм. Преимущества таких камер реакции заключаются в гибкости регулирования процесса хлопьеобразования, низкой стоимости и простоте установки. Кроме того, в них одновременно с хлопьеоб- разованием происходит и аэрирование воды. К недостаткам следует отнести неравномерность насыщения воздухом нижних и верхних слоев, а также воз¬ можность засорения подводящих воз¬ дух трубопроводов и отверстий в них, что приводит к перераспределению пото¬ ка воздуха в толще воды. 6.6. Эксплуатация камер хлопьеобразования Успешная эксплуатация камер хлопьеоб¬ разования обеспечивается своевремен¬ ным их обследованием и проверкой в различные сезоны года. Обследуют и чистят камеры хлопье¬ образования независимо от накопления в них осадка не реже одного раза в год. При этом следует проверять наличие и количество отложений, состояние пере¬ городок, стен, мест присоединения тру¬ бопроводов, спускных задвижек и дру¬ гого оборудования. Чистку камер произ¬ водят, смывая струей воды осадок со дна, стен и перегородок. Наросты орга¬ нических скоплений удаляют скребками и стены обрабатывают 5 %-м раствором железного купороса. При осмотре ло¬ пастных камер хлопьеобразования осо¬ бенно тщательно проверяют и ремон¬ тируют подводные части лопастных ме¬ шалок, а также проверяют состояние валов, подшипников, сальников и др. В процессе эксплуатации следует по¬ стоянно следить за скоростью движения воды в камерах хлопьеобразования, хо¬ дом гидролиза коагулянта, хлопьеобра¬ зования, эффективностью извлечения из воды примесей и т. д. Одновременно сле¬ дует экспериментально проверять меро¬ приятия по улучшению работы камер: изменение скоростей входа и отвода во¬ ды, устройство направляющих щитов, перестановку перегородок, пуск или ос¬ тановку лопастных мешалок и пр. Це¬ лесообразно по сезонам года проверять практические скорости и время пребыва¬ ния воды в камерах хлопьеобразования с одновременной оценкой крупности сформированных хлопьев, обладающих хорошими адсорбционными свойствами и достаточной прочностью при транс¬ портировке их от камер до места осаж¬ дения. Глава 7 ОСАЖДЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ 7.1. Теоретические основы процесса осаждения Основная масса взвешенных в воде при¬ месей и скоагулированных хлопьев уда¬ ляется отстаиванием. Различают взвесь монодисперсную, состоящую из частичек примерно одина¬ ковой гидравлической крупности, и по- лидисперсную, состоящую из частичек различного размера, гидравлическая крупность которых изменяется в значи¬ тельных пределах. В неподвижной жидкости на осаждаю¬ щуюся частичку действует: 1) сила гравитации ее в воде G = (Рч — Рж) g№ (pu и рж —соответственно плотности частички и жидкости; g — ускорение свободного падения; W — объем жид¬ кости); 2) сила сопротивления жидкости, за¬ висящая от ее вязкости, массы, размера и формы частички, скорости ее осаждения; 3) сила гравитации, равная массе час¬ тички, умноженной на ускорение сво¬ бодного падения. На скорость движения частичек взве¬ си, осаждающихся в неподвижной жид¬ кости под действием силы гравитации, влияют: форма и размеры частичек, их плотность и коэффициент сопротивления жидкости движению частичек. Для монодисперсных шарообразных частичек диаметром d скорость свобод¬ ного осаждения v в неподвижной воде вы¬ ражается уравнением 93 \.
I в s. 100 V &/ V. / у/ / // Рис. 7.1. Зависи¬ мость скорости осаждения в во¬ де с температу¬ рой 10°С моно- дисперсных ша¬ рообразных ча¬ стичек взвеси различной плот¬ ности от их диа¬ метра. 0,01 0,1 1,0 ю Диаметр частичек,мм где /Сш — коэффициент сопротивления осаждающейся шарообразной частички, зависящий от числа Рейнольдса и явля¬ ющийся его функцией: Re = ~ж ; |i — коэффициент динамической вязкости жидкости. Для очень мелких частичек, осажда¬ ющихся с небольшой скоростью (при Re < 2), когда на сопротивление движе¬ нию частички влияет только сила гра¬ витации, коэффициент сопротивления ра¬ вен к - 24 "rT‘ Скорость свободного падения такой шарообразной частички описывается уравнением Стокса 1 Рч Рж 18 И I’d2. Коэффициент сопротивления при 2 < < Re < 50 выражается формулой к 18,5 Лш = • Re0,6 С увеличением скорости осаждения и размеров частичек (Re > 500) при об¬ текании их жидкостью возникает тур¬ булентность; на коэффициент сопротив¬ ления силы вязкости влияют незначи¬ тельно, он становится независимым от числа Рейнольдса и равным 0,4. Уравне¬ ние скорости свободного падения шарообразной частички в этих усло¬ виях записывается так: v = 33g (рч — рж) d. На скорость осаждения частичек зна¬ чительно влияет плотность частичек твердой фазы. Плотность некоторых ве¬ ществ, содержащихся в природной воде в виде взвесей, а также гидроксидов, образующихся в процессе гидролиза коа¬ гулянтов, приведена ниже. Вещество Плотность, г/см3 Кварцевый песок (Si02) 2,65 Глина (лсА1203 • yS\02 ■ zH20) 2,60 Оксид алюминия (А1203) 4,0 Гидроксид алюминия (А1203 • ЗН20) 3,4 Оксид железа (Fe203) 5,12 Гидроксид железа (Fe203 • ЗН20) 4,09—4,28 Отсюда следует, что частички, образу¬ ющиеся в воде при коагулировании гид¬ роксидов, должны осаждаться быстрее, чем природные взвеси (песок, глина) той же крупности (рис. 7.1). Скорость осаждения в воде нешарооб¬ разных частичек по сравнению с шаро¬ образными значительно меньше. В свя¬ зи с тем, что на коэффициент сопротивле¬ ния влияет форма частичек, в уравнение коэффициента сопротивления шарообраз¬ ной частички вводится коэффициент фор¬ мы Кш = КфКн, где Кн —коэффициент сопротивления при осаждении нешарообразной частич¬ ки; Лф — коэффициент формы, равный для окатанного песка 0,85—0,87, для остроугольного песка —0,67—0,75, для дробленого антрацита — 0,58—0,70. Большинство взвесей, встречающихся в природной воде, а также образующих¬ ся в процессе очистки, неоднородны по форме, размерам и массе. Поэтому ха¬ рактер процесса осаждения таких поли- дисперсных взвесей устанавливается экс¬ периментально на основании графика, где на оси абсцисс откладывают время осаждения, а на оси ординат — массу выпавшей взвеси. Проводя касательные к отдельным точкам кривой и продле¬ вая их до пересечения с осью ординат, получают массу полностью осевших к определенному времени фракций. Об¬ щую массу осевшей взвеси определяют по высоте перпендикуляра АВ, опущен¬ ного на ось абсцисс (рис. 7.2). Кривые осаждения взвеси характери¬ зуют ее гранулометрический состав и по¬ ведение при отстаивании. Чем круче начальный участок кривой, тем больше Рис. 7.2. Оса- Й ждение поли- ^ дисперсной си¬ стемы. С t t-t t t b Ьремя осаждения мин 94
о. - 5 4 'Л х; 2 1 Г + / / 20 40 60 вО 100 Время осаждения, мин Рис. 7.3. Кинетические кривые осаждения скоагули- рованной взвеси (доза коагулянта 50 мг/л) при зна¬ чениях Ддк/Дк. ! — 0; 2 — 1.5: 3 — 3; 4 — 6: 5 — 10. крупность и неоднородность взвеси и тем скорее она осаждается. При более поло¬ гой кривой взвесь более однородна и осаждается медленнее. Такие кривые (см. рис. 7.2) могут быть получены при помощи специальных при¬ боров: седиментометра Н. А. Фигуровско- го, интегратора взвеси ВНИИ ВОДГЕО и др. Для этого исследуемую воду помещаю! в стеклянный цилиндр, устанавливае¬ мый под коромысло седиментометра или торсионных весов. Затем в цилиндр на определенную глубину от поверхности воды опускают чашечку, подвешенную под коромысло весов или седиментомет¬ ра на тонких нитях, и включают секун¬ домер. Через определенные интервалы времени (сначала через каждые 3—5, а затем через каждые 15—30 мин) запи¬ сывают показания весов. После того как осаждение взвеси практически прекра¬ тится и приращение массы осадка в ча¬ шечке за 15 мин будет меньше одного де¬ ления на шкале весов, чашечку осторож¬ но извлекают из цилиндра, осадок из нее переносят в заранее взвешенный бюкс, высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы и взвешивают. Массу этого осадка принимают равной 100 %. Затем, определив массу осадков всех ранее произведенных отсчетов, вы¬ ражают ее в процентах от исходной кон¬ центрации. Экспериментальные точки наносят на график и по ним строят кри¬ вую осаждения взвеси. На рис. 7.3 приведены кривые осажде¬ ния взвеси, полученные при обработке воды Al2 (S04)3 и различными дозами АК (температура воды 20 °С), из которых следует, что добавки АК позволяют в достаточно широких пределах регули¬ ровать седиментационные свойства коа¬ гулированной взвеси. Введение АК значительно увеличивает скорость нако¬ пления осадка, особенно в начальный период осаждения. Относительно низкое содержание мелких хлопьев усиливает конечный эффект осветления воды. Так, масса частичек с гидравлической круп¬ ностью больше 0,15 мм/с возрастает при добавке 3 % АК в 20—25 раз по сравнению с одним коагулянтом, при 5 % АК — в 30, при 10 % АК — в 40 раз. Время осаждения t зависит от высоты h слоя воды. Разделив эту высоту на время, соответствующее определенному проценту выпавшей взвеси (1Ъ t2 и т. д.), находят так называемые «процентные» скорости и выпадения взвеси: h h «, = — ; и, = — и т. д. 1 2 На основании исследования многих кривых в координатах «скорость осажде¬ ния — эффект осветления» разработана методика, позволяющая сравнивать спо¬ собность различных вод к осветлению. По этой методике определяют процент выпавшей взвеси (рис. 7.4) при скоростях осаждения 0,2 (В) и 1,2 мм/с (А). Первый показатель отвечает пребыванию воды в отстойнике в течение 6 ч, а второй — 1 ч; глубина отстойника принята равной 4 м. Условное обозначение А/В, называе¬ мое показателем осаждаемости взвеси, позволяет построить график, характери¬ зующий взвесь данной воды: пологие кривые свидетельствуют о преобладании 0,г Ц4 Q6 0,8 1,0 1,2 Скорость осаждения, мм/с Рис. 7.4. Графическая зависимость показателя осаж¬ даемости взвеси для разных вод: /—3 — показатели осаждаемости взвеси А /В соот¬ ветственно равны 12/35: 22/47; 7/89 95 Ч
I Скорость осаждения, мм/с Рис. 7.5. Зависимость скорости осаждения взвеси (доза коагулянта — 50 мг/л) при значениях Ддк/Дк* %: / _ 0; 2 — 1,5: 3 — 3; 4 — 5; 5—10. крупных фракций, кривые с крутым на¬ клоном указывают на значительное коли¬ чество мелких фракций. Применение флокулянтов, приводя к общему укруп¬ нению хлопьев и обеспечивая большую однородность взвеси, делает эти кривые более пологими (рис. 7.5). Пользуясь процентными скоростями выпадения взвеси, получают данные для проектирования отстойников. Графики строят на основе экспериментальных данных, полученных методом техноло¬ гического моделирования процесса осаж¬ дения. Основой методики моделирования является подобие кривых выпадания взвеси, получаемых при различных вы¬ сотах слоя воды: где tu, t„ и Ам, ha — соответственно вре¬ мя и высота слоя воды (осаждения взвеси) при моделировании и в натуре. В случае коагулированной взвеси, агломерирующейся в процессе осажде¬ ния, вышеуказанное соотношение может не соблюдаться. Как показывают ис¬ следования, кривые осаждения такой взвеси при различных высотах осажде¬ ния также можно рассматривать как подобные, если условие подобия выра¬ жено соотношением t / h ды с добавкой АК достигается при боль¬ ших фиктивных скоростях осаждения взвеси. Это свидетельствует о том, что при использовании АК необходимая сте¬ пень осветления воды может быть полу¬ чена при меньшей длине отстойника, чем в случае применения одного коагу¬ лянта. Если же длина отстойника оста¬ ется такой же, как и при обработке воды только коагулянтом, то введением АК можно увеличить его производитель¬ ность без снижения качества осветленной воды. Главная задача при проектировании отстойников — обеспечение осаждения в них основной массы взвеси, содержа¬ щейся в обрабатываемой воде. В практике водоподготовки для выде¬ ления из воды взвешенных веществ перед поступлением ее на фильтры при¬ меняют горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники, названные так по направлению в них потока воды. Содержание взвешенных веществ в во¬ де после отстойников не должно превы¬ шать 8—15 мг/л. 7.2. Горизонтальные отстойники Горизонтальные отстойники (рис. 7.6) представляют собой прямоугольные резервуары, выполняемые обычно из желе¬ зобетона и оборудованные водораспреде¬ лительными и водосборными устройства¬ ми, трубопроводами для подвода освет¬ ляемой воды и отвода осветленной и устройствами для периодического уда¬ ления выпавшего осадка. /3 41 -iRT®!5 £1 .2 Аи \ Лм Показатель степени п < 1 отражает влияние агломерации хлопьев в процессе осаждения. Его значение рекомендуется принимать в зависимости от степени аг¬ ломерации частичек до осаждения в пределах 0,2—0,5. Для крупных, сфор¬ мированных хлопьев п = 0,5. Анализ данных рис. 7.5 показывает, что определенный эффект осветления во¬ J Рис. 7.6. Схемы движения воды в горизонтальных от¬ стойниках: а — одноэтажном прямоточном (разрез); б — двух¬ этажном прямоточном (разрез); в — двухэтажном с поворотом потока (разрез); г — одноэтажном с по¬ воротом потока (план); / — подвод воды; 2 — отвод осадка; 3, 4 — соответственно распределительный и сборный водосливы: 5 — отвод отстоянной воды; 6 «• водомеры 96
1-1 7 /7 1 . — — — — и 11-11 + + + -*- + 1-+4- ++ + —*- zr. п Рис. 7.7. Схемы водораспределительных и водосбор¬ ных устройств отстойников: а — поперечный водослив; 6 дырчатые перегород¬ ки; в — дырчатые желоба. В средней полосе СССР g продолжи¬ тельными периодами устойчивых мину¬ совых температур отстойники выполня¬ ют с покрытиями, засыпают их землей со всех сторон и сверху, устраивая лишь небольшие павильоны у торцов; в юж¬ ных районах с теплым климатом отстой¬ ники обычно устраивают открытыми. Горизонтальные отстойники часто со¬ вмещают с камерами хлопьеобразования, примыкающими к ним или встроенными в них (см. рис. 6.6). Их можно проектиро¬ вать одноэтажными и двухэтажными с торцевым или рассредоточенным по площади сбором осветленной воды, без поворота или с поворотом потока воды в горизонтальной или вертикальной пло¬ скости (см. рис. 7.6). Преимущество двухэтажных отстойников заключается в значительно меньших площадях за¬ стройки, объеме и расходе бетона на их строительство, а большой недостаток их — необходимость в дополнительном подъеме воды. Кроме того, требуются особые гидрогеологические условия пло¬ щадки, позволяющие производить боль¬ шие заглубления. Применяют горизонтальные отстойни¬ ки на станциях хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения про¬ изводительностью более 30 тыс. м3/сут при удалении из воды скоагулированной взвеси и любой производительностью — при удалении нескоагулированной взвеси. Вода поступает в отстойник с торцевой стороны. Для более равномерного рас¬ пределения воды по живому сечению во¬ дораспределительные и водосборные уст¬ ройства отстойников устраивают в виде поперечных водосливов, дырчатых пере¬ городок и дырчатых желобов (рис. 7.7). Наиболее эффективны дырчатые перего¬ родки, которые располагают на расстоя¬ нии 1—2 м от торцевой стенки. Площадь отверстий в дырчатых перегородках вы¬ бирают так, чтобы скорость движения воды в них была меньше той скорости, при которой начинается разрушение хлопьев скоагулированной взвеси (не более 0,5 м/с). В нижней части перего¬ родки на 0,3—0, 5 м выше зоны накопле¬ ния и уплотнения осадка отверстия не предусматриваются. Для уменьшения длины зоны повышенной турбулентности, образующейся за дырчатой перего¬ родкой, в начале отстойника целесооб¬ разно экранировать выход из отверстий перегородки сферическими или кониче¬ скими успокоителями (рис. 7.8). Высоту отстойника в зависимости от высотной схемы станции принимают равной 3—5 м. По высоте отстойник разделяется на две зоны: осаждения и накопления и уплотнения осадка. Если перерыв в подаче воды недопус¬ тим, то отстойников должно быть не ме¬ нее двух, чтобы обеспечить отстаивание воды при отключении одного отстойника. Для повышения равномерности рас¬ пределения воды в поперечном сечении отстойника кроме установки дырчатых перегородок каждый отстойник делят вдоль легкими перегородками с таким расчетом, чтобы ширина каждого кори¬ дора не превышала 6 м (в зависимости от шага колонн, поддерживающих покры¬ тие). В связи с тем что осадок распределя¬ ется по дну отстойника неравномерно и большая часть его скапливается в пер¬ вой половине, объем осадочной части отстойника в начале делают больше, чем в конце. Для этого, а также для периоди¬ ческого выпуска осадка при смыве его водой из шланга дно горизонтального отстойника должно иметь продольный Рис. 7.8. Экранирова¬ ние отверстий в дыр¬ чатых перегородках. J ] д V К з? Г ■*-? - 2d 1 , I ' Ж 'Ш d 1 4 5-2398 97
уклон 0,02 в направлении, противопо¬ ложном движению воды, и поперечные уклоны в каждом коридоре не менее 0,05. При гидравлическом способе удале¬ ния осадка продольный уклон дна от¬ стойника следует принимать не менее 0,005. Механические средства удаления осадка из горизонтальных отстойников устраивают при значительной мутности исходной воды или частом повторении периодов повышенной мутности воды в течение года. В качестве механических средств удаления осадка применяют скребковые конвейеры, сгребающие оса¬ док в приямок, откуда его откачивают гидроэлеваторами или центробежными насосами. Другим способом удаления осадка яв¬ ляется выпуск его через сборную систему из перфорированных труб или каналов, укладываемых по дну отстойника. При открывании задвижки осадок под давле¬ нием выжимается через отверстия и от¬ водится в канализацию. Устье труб или каналов располагают в начале отстой¬ ника, где скапливается наибольшее коли¬ чество осадка. При ширине коридора отстойника не более 3 м осадок из этого коридора мож¬ но удалять одной дырчатой трубой или дырчатым каналом, прокладываемым по продольной оси коридора; при боль¬ шей ширине коридора нужны две трубы. Трубы с отверстиями, расположенными по бокам их вертикальной оси, должны выполняться из нержавеющих материа¬ лов. При реконструкции существующих, а также строительстве новых открытых и закрытых горизонтальных отстойни¬ ков Академия коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова рекомендует при¬ менять напорную гидромеханическую систему удаления осадка. Напорная система смыва и удаления осадка состоит из напорного коллектора, разводящих напорных трубопроводов, патрубков с бронзовыми насадками и на¬ соса, обеспечивающего работу системы. Согласно СНиП 2.04.02—84, горизон¬ тальные отстойники с торцевым сбором воды рассчитывают так. Определяют суммарную площадь F0бЩ отстойников (в плане): где q — расчетный расход воды, м3/ч; и0 — скорость осаждения взвеси, мм/с; а = ц0 - (“ср/30) ~ коэффициент, учи¬ тывающий влияние вертикальной состав¬ ляющей скорости потока, принимают ^ср = Ки0; скорость осаждения взвеси и0 находят для некоторых отстойников по данным технологического анализа по зависимости «О = «Э Vhjhs, где иэ, 1гэ —соответственно скорость осаждения взвеси и высота слоя воды в цилиндре при экспериментальном иссле¬ довании; ha — глубина осадочной части отстойника. Ориентировочные значения и0 прини¬ мают в зависимости от свойств обраба¬ тываемой воды и способа ее обработки: цветные воды (содержание взвешенных веществ до 50 мг/л, обработка коагулян¬ том) — 0,35—0,45; мутные воды (содер¬ жание взвешенных веществ 50—250 мг/л, обработка коагулянтом —0,45—0,50; содержание взвешенных веществ более 250 мг/л, обработка коагулянтом — 0,50—0,60, без обработки коагулян¬ том — 0,12—0,15). При использовании флокулянтов зна¬ чение и0 увеличивают на 20—30 %. В случае применения встроенных камер хлопьеобразования со слоем взвешен¬ ного осадка приведенные выше значения иа также увеличивают: при обработке мутных вод на 30 и маломутных — на 20 %. Необходимое для расчета иср зна¬ чение коэффициента К находят по отно¬ шению длины отстойника L к средней глубине осаждения Я: L/H 10 15 20 25 К 7,5 10 12 13,5. Ширину отстойника В определяют по формуле я - q 3,6VCPHN ’ длину отстойника L — по формуле где иср —средняя горизонтальная ско¬ рость движения воды в отстойнике, мм/с; Н — средняя глубина осаждения, м 98
(принимают равной 3—3,5 м в зависи¬ мости от высотной схемы станции); N — расчетное число отстойников (принимают на основании технико-экономических со¬ ображений, но не менее двух). Объем зоны накопления и уплотнения осадка для отстойников с механическим его удалением определяют в зависимости от размеров устройств, принятых для удаления осадка. Для отстойников с гидравлическим способом удаления осад¬ ка объем зоны накопления и уплотнения осадка Woe определяют по формуле 24q (Сср-т)Т °с— N8 где Сср = (М + КДк + 0,25 Ц + В) — среднее содержание взвешенных веществ в воде, поступающей в отстойник, г/м3; т — содержание взвеси в воде, выходя¬ щей из отстойника (принимают равным 8—15 г/м3), г/м3; Т — период работы отстойника между удалениями осадка, ч; б — средняя концентрация уплотнен¬ ного осадка, г/м3; М —содержание взвешенных веществ в исходной воде, г/м3; Дк —доза коагулянта в пересчете на безводный продукт, г/м3; К — пере¬ водной коэффициент (для очищенного Al2 (S04)3 равен 0,55, для FeCl3 — 0,8); Ц — цветность исходной воды, град.; В —содержание нерастворимых ве¬ ществ, вводимых с известью, г/м3 воды. Концентрация осадка, образующегося в отстойниках, зависит от времени его уплотнения и содержания в исходной воде взвешенных веществ. После уплот¬ нения в течение 12—24 ч концентрация осадка, выделяющегося при обработке воды коагулянтом, по СНиП 2.04.02—84 принимается следующей: при содержании взвешенных веществ в исходной воде до 50 мг/л — 12—15 кг/м3; 50—100 мг/л — 16—20; 100—400 мг/л —32—40; 400— 1000 мг/л —50—60; 1000—1500 мг/л — 100—120; при безреагентном осветлении воды — 250—300 кг/м3. Точный статистический метод расчета отстойников, учитывающий различное влияние вертикальной составляющей скорости на осаждение частичек взвеси различной гидравлической крупности, разработан во ВНИИ ВОДГЕО Г. Д. Павловым. Значение вертикальной составляющей W принимают равным 1/30 скорости потока или определяют по формуле нп где т' — коэффициент, зависящий от шероховатости стенок и дна отстойника; уСр —средняя скорость движения воды в отстойнике; Н — рабочая глубина от¬ стойника; п — показатель степени, при¬ нимают равным 0,2. Вертикальная составляющая скорости потока, препятствующая осаждению взвеси в отстойнике, возрастает с увели¬ чением скорости потока воды в нем. Поэтому скорость движения воды в от¬ стойниках, задерживающих легкую, мед¬ ленно оседающую взвесь, следует при¬ нимать меньшей, чем в отстойниках, задерживающих тяжелую, быстро осе¬ дающую взвесь. Вертикальная составляющая скорости движения воды должна быть значительно меньше расчетной скорости осаждения взвеси. 7.3. Вертикальные отстойники Вертикальный отстойник (см. рис. 6.2) представляет собой круглый или квад¬ ратный (в плане) резервуар с камерой хлопьеобразования водоворотного типа в центральной трубе и с конусным дни¬ щем для накопления и уплотнения осад¬ ка. Он оборудуется также трубопрово¬ дом для подачи осветляемой воды, жело¬ бами для сбора осветленной воды, а так¬ же трубопроводом для периодического выпуска осадка или опорожнения отстой¬ ника. В связи с широким использованием в технологии очистки воды осветлителей со слоем взвешенного осадка сфера при¬ менения вертикальных отстойников зна¬ чительно сузилась. Их применяют на станциях реагентной очистки воды про¬ изводительностью до 5 тыс. м3/сут. Осветляемая вода в вертикальных от¬ стойниках движется снизу вверх. Взвесь оседает в восходящем потоке за счет разницы между скоростями оседания частичек и движения воды. Высота зо¬ ны осаждения в вертикальных отстой¬ никах в зависимости от коэффициента, учитывающего его объемное использова¬ ние, составляет 4—5 м, отношение диа¬ метра к высоте — 1,0 : 1,5. 4* 99
Сбор осветленной воды в вертикальных отстойниках предусматривают с перифе¬ рийными и радиальными желобами. Се¬ чение желобов рассчитывают при ско¬ рости движения воды 0,5—0,6 м/с. Для более равномерного распределения воды по всему сечению отстойника целесооб¬ разно отбирать ее через затопленные отверстия в желобах или через треуголь¬ ные вырезы в их кромках; сечение их можно определить, принимая скорость движения воды 1 м/с, диаметр —20— 30 мм. Накапливающийся в нижней осадоч¬ ной части отстойника осадок периоди¬ чески удаляют самотеком (под давлением столба воды), открывая задвижку на вы¬ пускной трубе диаметром 150—200 мм. Для этого угол между образующими конуса или наклонными стенками при коническом или пирамидальном днище отстойника должен составлять 70—80°. Если выпустить осадок самотеком невоз¬ можно, его отсасывают насосом. Период работы отстойника между сбросами осад¬ ка Т и расход при этом воды Рос мож¬ но определить по формулам определяют по формуле Т=- 9(Сср — Кр^ос ЯТо ■ 100, 3,6VpN где Wna —объем осадочной части от¬ стойника, м3; N — число отстойников, шт.; б —средняя плотность осадка, г/м3; q — производительность отстойников, м8/ч; Сср, m —соответственно содержа¬ ние взвеси в поступающей и осветленной воде, мг/л; Кр — коэффициент разбав¬ ления осадка (принимают равным 1,2— 1,5); Та—продолжительность работы отстойника между чистками, сут. Выпуск осадка следует предусматри¬ вать без выключения отстойника. Пе¬ риод работы отстойника между сбросами осадка должен составлять не менее 6 ч. При содержании взвешенных веществ более 1000 мг/л период его работы не должен превышать 24 ч. Расчет вертикальных отстойников про¬ изводят по скорости восходящего пото¬ ка воды. Суммарная площадь поперечного се¬ чения отстойника состоит из площадей зоны осаждения и камеры хлопьеобра¬ зования. Площадь зоны осаждения F где Ор — скорость восходящего потока, мм/с; (J) — коэффициент объемного ис¬ пользования отстойника (принимают равным 1,3—1,5). Площадь камеры хлопьеобразования FK вычисляют по формуле, приведенной на с. 88. Общая площадь отстойника Fo6m — — F + FK; при этом необходимо, чтобы площадь одного отстойника не превыша¬ ла 100 м2. Диаметр отстойника D определяют по формуле 4 F п общ лЛ/ ’ 7.4. Радиальные отстойники Радиальные отстойники являются раз¬ новидностью горизонтальных и применя¬ ются для осветления воды, содержащей более 1,5 г/л взвешенных веществ. Они представляют собой круглые (в плане) резервуары, оборудованные подводящи¬ ми и отводящими воду трубопроводами, водораспределительными и водосборны¬ ми устройствами, а также вращающими¬ ся фермами со скребками для удале¬ ния осадка (рис. 7.9). Вода подается по центральной тру¬ бе, проходит по распределительным устройствам 1, выполненным в виде цилиндрической дырчатой перегородки, и движется в радиальном направлении от центра к периферийному желобу 2, из которого отводится по трубам. Выпав¬ ший осадок сгребается скребками 3, прикрепленными к медленно вращаю¬ щейся (1,5 об/ч) ферме 4, в приямок 5, а из него периодически удаляется спе¬ циальными насосами. Размеры радиальных отстойников при¬ нимают в соответствии с ГОСТ 10876—64 «Сгустители одноярусные». Отстойни¬ ки диаметром от 2,5 до 18 м выполня¬ ют с центральным приводом, от 18 до 100 м —с периферическим. Глубина отстойников в зависимости от произво¬ дительности колеблется от 1,5—2 у пе¬ риферии до 3,5 м у центра. 100
Рис. 7.9. Схема радиального отстойника. Площадь F радиальных отстойников рассчитывают по формуле где q — расчетный расход воды, м3/ч; / — площадь вихревой зоны (радиус ее принимают на 1 м большим радиуса водораспределительного устройства), м2; и0—скорость осаждения взвеси, мм/с. Сбор осветленной воды производят периферийным желобом с треугольными вырезами или затопленными отверстия¬ ми. 7.5. Спиральные, многоярусные и тонкослойные типы отстойников Спиральные отстойники представляют собой круглые в плане сооружения (типа радиальных отстойников), в которых ус¬ тановлены спиральные направляющие пе¬ регородки, удлиняющие путь движения воды. На очистных сооружениях малой про¬ изводительности применяются отстой¬ ники с небольшой глубиной осаждения взвеси. Их выполняют в виде горизон¬ тальных отстойников малой длины или в виде круглых в плане многоярусных отстойников. Схема блока установки для осветления воды с многоярусным отстойником пред¬ ставлена на рис. 7.10. Установка состо¬ ит из камеры флокуляции 1, горизон¬ тального отстойника 2 и фильтра 3. Вода с введенными в нее реагентами поступает сверху в оборудованную механической мешалкой камеру флокуляции, в кото¬ рой образуются крупные быстро осе¬ дающие хлопья, а из нее — в отстойник. Двигаясь по наклонным плоскостям параллельно работающих ярусов от¬ стойника, вода осветляется и поступает на фильтр. Фильтр промывают потоком воды, направленным снизу вверх. Каме¬ ру флокуляции перед нромывкой фильт¬ ра отключают и выпускают из нее часть воды. Двигаясь с большой скоростью по наклонным плоскостям отстойника, вода смывает с них выпавший осадок и вместе с ним отводится в канализацию. Результаты испытаний многоярусного отстойника длиной 2,5 м с глубиной осаждения 12—100 мм представлены на 101
Рис. 7.10. Схема установки для осветления воды с мно¬ гоярусным отстойником. рис. 7.11. При обработке воды, содер¬ жащей 450 мг/л взвешенных веществ, дозой сульфата алюминия 100 мг/л и полиакриламида 0,5 мг/л необходимый эффект осветления достигается за 15 мин. К отстойникам с малой глубиной осаж¬ дения относятся тонкослойные отстой¬ ники. Схема такого отстойника, разра¬ ботанного ГПИ «Укрводоканалпроект», приведена на рис. 7.12. Осветляемая вода по трубе 3 поступает в гравийную камеру 4 и поднимается в зону осветления 6. Плавное расшире¬ ние конструкции позволяет постепенно снижать скорость потока, в результате чего отделяются наиболее тяжелые час¬ тички взвеси. Частично осветленная вода направляется в многослойную за¬ грузку 9, в которой обеспечивается ее ламинарное движение и осаждение из нее более мелких частичек. Выпавший осадок по загрузке сползает вниз, а ос¬ ветленная вода, собираясь системой труб и каналов 10, подается потребителю. Длона отстойники. си Рис. 7.11. Зависимость количества осажденной взвеси в многоярусном отстойнике от его длины и глубины осаждения. По мере накопления взвесь из зоны ос¬ ветления 6 через окна 7 перемещается в зону уплотнения осадка 8, из которой непрерывно или периодически частично уплотненный осадок отводится сборными коробами 2 для дальнейшего уплотнения. Отделяемая от уплотненного осадка вода поступает в многослойную загруз¬ ку, расположенную над зоной уплотне¬ ния , и вместе с основным потоком освет¬ ленной воды попадает в сборную систему. В Ленинградском институте инжене¬ ров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) разработаны напорные гори¬ зонтальные тонкослойные отстойники полочного типа с горизонтальным дви- Рис. 7.12. Схема тонкослойного отстойника: / — корпус; 2 — сборные короба; 3 — труба для подвода осветляемой воды; 4 — камера с гравийной загрузкой; 5 — перегородки; 6 — зона осветления воды; 7 — окна; 8 — зона уплотнения осадка; 9 — многослойная загрузка; 10 — трубы для сбора освет¬ ленной воды. 102
А-А Б-S /Г CZDI \| =■! 1 /1 к Рис. 7.Id. Гори- Г" зонгальный на- М порный отстой- ник полочного типа. жением потока воды, кото¬ рые внедрены на водоочи¬ стных сооружениях ряда железнодорожных станций1 Каждый из трех отстой¬ ников (рис. 7.13), установ¬ ленных на этих сооруже¬ ниях, представляет собой блок, состоящий из собст¬ венно тонкослойного от¬ стойника 3диаметром 2 ми двух горизонтально распо¬ ложенных под ним водово¬ ротных камер хлопьеобра¬ зования 8 диаметром 1,2 м каждая. Длина отстойника и камер хлопьеобразования одинакова и равна 6 м. В отстойнике уста¬ новлен пакет полок 2 длиной 2,5 м, со¬ бранный из отдельных листов оцинкован¬ ного железа толщиной 0,8 мм. На кон¬ цевых участках пакета полок находятся перегородки 5, препятствующие движе¬ нию воды у стенок отстойника. Полки установлены в продольном сечении гори¬ зонтально, а в поперечном — под углом 60° к горизонтали на расстоянии 43 мм по нормали друг к другу. Они разделя¬ ют отстойную зону на 50 элементарных зон с общей площадью поперечного се¬ чения 2,18 м2. Под пакетом полок устро¬ ен шламосборник 6 высотой, равной 0,25 диаметра отстойника. Осадок удаляется дырчатым трубопроводом 15, располо¬ женным в нижней части шламосборника. В шламосборнике в пределах пакета полок установлены четыре поперечные перегородки 13, которые предотвраща¬ ют движение воды под пакетом полок. Исходная вода, предварительно обрабо¬ танная коагулянтом и хлором, через входные патрубки 11 и сопла 10 подается в камеры хлопьеобразования, пройдя которые поступает в полочный отстойник через окна 16, устроенные на концевых участках камер. Равномерное распреде¬ ление потока по полочным пространствам обеспечивают распределительные пере¬ городки / и 9. При движении воды в меж- полочных пространствах взвесь осажда¬ ется на поверхности полок, затем, спол¬ 1 Симонов Ю. М., Иванов В. Г., Павлов М. С. Испытание тонкослойных отстойников на мало¬ цветной воде средней мутности.— Водоснабже¬ ние и санитарная техника, 1979, № 1, с. 24. зая с нее, попадает в шламосборник, откуда периодически удаляется в канали¬ зацию без прекращения работы отстой¬ ника. Отстоянная вода отводится через патрубок 4 на сооружения дополнитель¬ ной очистки. При необходимости камеры хлопьеобразования и отстойник опорож¬ няются через патрубок 14. Отстойники и камеры оборудованы смотровыми люка¬ ми 7 и 12. Производительность каждого отстой¬ ника в основном режиме равна 54 м3/ч, скорость движения воды в межполоч- ном пространстве 6,92 мм/с. Для более равномерного распределения воды меж¬ ду отстойниками предусмотрены мерные диафрагмы, устанавливаемые на вход¬ ных патрубках 11. На рис. 7.14 представлены эксперимен¬ тальные данные, характеризующие эф¬ фект осветления воды Э9 в отстойниках в зависимости от скорости движения воды v0 в межполочном пространстве. Как видно из рисунка, при работе от¬ стойников в основном рабочем режиме стабильный эффект осветления воды при длительности пребывания в полочных \ > .1 \ X > • "'“у --ч , >- -(> Рис. 7.14, Изменение эффекта осветления и дли¬ тельности пребывания воды в межполочных простран¬ ствах пакета иолок tп от скорости ее движения vQ • — оньюные данные; О — расчетные данные. 103
пакетах не более 10 мин составляет в среднем 93—95 %. Содержание взве¬ си в отстоянной воде не превышает 12 мг/л. Тонкослойные отстойники позволяют значительно интенсифицировать процесс осаждения взвеси, на 60 % уменьшить площадь застройки и на 25—30 % повы¬ сить эффект осветления воды по сравне¬ нию с обычно применяемыми отстойни¬ ками. В НИИ коммунального водоснабже¬ ния и очистки воды АКХ разработаны водоочистные установки типа «Струя» (рис. 7.15), предназначенные для реа¬ гентного и безреагентного осветления и обеззараживания воды поверхностных источников. Схема реагентной обработки обеспе¬ чивает высокий эффект осветления при мутности исходной воды до 1000 мг/л и любой цветности; безреагентная схема — при мутности 100 мг/л и цветности до 35—40 град. Раствор реагента вводят во всасываю¬ щий или напорный патрубок насоса, пос¬ ле которого установлен сетчатый фильтр для задержания крупных плавающих примесей. Затем вода поступает в каме¬ ру хлопьеобразования и тонкослойный отстойник, в котором происходит осаж¬ дение взвеси и интенсивное осветление воды. Часть осадка сползает в камеру хлопьеобразования. Окончательно ос¬ ветляется вода, проходя через песча¬ ный фильтр. Предусмотрен ввод хлор¬ содержащего реагента в исходную и отфильтрованную воду. В установки, работающие по безреа- гентной схеме, входят те же элементы, f однако вследствие более низкой интен¬ сивности процессов отстаивания и фильт¬ рования расчетная производительность их в четыре раза меньше. 7.6. Эксплуатация отстойников Эксплуатация отстойников сводится к выполнению следующих основных ме¬ роприятий. Прежде всего необходимо следить за равномерным распределением по всему поперечному сечению поступа¬ ющей в отстойник воды и равномерным сбором отстоянной воды по всей длине сборных лотков. Перекосы кромок пере¬ ливных желобов и лотков, засорение отверстий в подводящих и отводящих трубопроводах могут приводить к утеч¬ кам воды, обработанной реагентами, в канализацию. Следует своевременно уда¬ лять из отстойников осадок и плавающие примеси, а также следить за накоплением осадка и его влиянием на процесс освет¬ ления воды. Если гидравлическое уда¬ ление осадка не предусмотрено, отстой¬ ники выключают на очистку не реже од¬ ного раза в год, как правило, после па¬ водков. Работы по очистке отстойников выполняют в следующем порядке: пре¬ кращают подачу воды в отстойник; от¬ крыв водосливные задвижки, сбрасывают воду с частью осадка в канализацию; ос¬ тавшийся осадок смывают водой из брандс¬ пойтов и удаляют в канализацию; снимают загрязнения со стенок и перегородок и обрабатывают их 5 %-м раствором FeS04; производят дезинфекцию отстойника хлорной водой дозой 25 мг/л активного хлора, промывают, заполняют водой и включают в работу. Рис. 7.15. Схема установки типа «Струя»: / — насос для подачи воды на обработку; 2 — сетчатый фильтр; 3 — тонкослойный отстойник; 4 — песчаный фильтр; 5 — регулирующая емкость водопроводной баш¬ ни; 6 — промывной отсек; 7 — ввод обеззараживающего реагента; 8 — оборудование для обеззараживания; 9 — на- сос-дозатор хлорсодержащего реагента; /О — оборудование для коагулирования; // — насос-дозатор J / коагулянта; 12 — one- \ /у/7/yS^ —| у рационная задвижка; 13 — ввод коагулян¬ та; Г4 — электроме¬ шалки; -*■ — работа; « промывка. 104
В процессе работы отстойника необхо¬ димо проверять также фактическую ско¬ рость потока воды, длительность пребы¬ вания ее в отстойнике и эффективность осаждения взвеси. Последнюю определя¬ ют по прозрачности или мутности посту¬ пающей, находящейся в разных участ¬ ках и выходящей из отстойника воды. Мутность осветленной воды не должна превышать 8—15 мг/л, ее прозрачность должна быть не менее 25 см по шрифту, содержание алюминия — не более 35 % применяемой дозы коагулянта, цвет¬ ность — около 20 град. Распределительные и сборные желоба и лотки следует содержать в чистоте. Удаление плавающих примесей и осадка должно быть механизировано. Работа горизонтальных отстойников значительно интенсифицируется при до¬ бавлении в воду ПАА или АК- При эксплуатации тонкослойных от¬ стойников следят, чтобы в межполочное пространство не попадал воздух. Уда¬ лять осадок лучше, периодически вклю¬ чая вибратор и одновременно открывая на илопроводе задвижку для его сброса. 7.7. Осветление воды в гидро- и мультициклонах Применение напорных гидроциклонов (рис. 7.16) целесообразно и экономично в системах хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения для предварительного осветления поверхно¬ стных вод с высокой кратковременной мутностью. В них обеспечивается от¬ деление песка и минеральных частичек диаметром более 0,10—0,15 мм, плот¬ ностью 1,2 г/см3 и более. Как известно (см. п. 7.1), в неподвиж¬ ной воде частички взвеси осаждаются под действием силы гравитации. При вращении объема воды возникает центробежная сила, ускорение которой ац составляет V2 где v —■ линейная скорость частички, м/с; R — радиус вращения частички, м. Сущность осветления воды в гидроцик¬ лоне основана на отбрасывании частичек взвеси к периферии силой, равной раз¬ ности значений центробежной силы для твердой и жидкой фаз, возникающей при вращении объема воды. Величину этой силы Р, действующей на частичку и увлекающей ее в радиальном направле¬ нии от оси вращения, определяют по формуле Р = (Р — Ро) auw- При больших значениях v и малых R сила, действующая на частичку взвеси во вращающейся жидкости, будет зна¬ чительно превосходить скорость их свободного осаждения. Взвесь из воды поэтому может быть выделена за мень¬ шее время, чем в отстойниках. На этом принципе основано применение гидро¬ циклонов, которые бывают напорными и открытыми (безнапорными). Воду подводят в верхнюю часть гидро¬ циклона тангенциально (см. рис. 7.16). Вращаясь, она движется к сливному патрубку 4, расположенному коакси- ально корпусу гидроциклона в его цент¬ ре. Взвесь отбрасывается к стенке гид¬ роциклона и по ней опускается вниз, в конус. Через насадку в нижней части конуса взвесь непрерывно удаляется в канализацию. Изготовляют гидроциклоны двух мо¬ дификаций г: литые нефутерованные диа¬ метром от 50 до 500 мм и футерованные каменным литьем или шлакоситаллом диаметром от 150 до 2000 мм. Угол ко¬ нусности всех гидроциклонов состав¬ ляет 20°. . 1 Завод-изготовитель —■ Уфимский завод гор¬ ного оборудования (УЗГО). 105 Рис. 7.16. Схема напорного гидроциклона конструкции Уфимского завода горного оборудования: /—сменная насадка для вы¬ пуска осадка; 2 — конус; 3 — корпус; 4 — питающее отвер¬ стие; 5 — сливной патрубок; 6 — сменные вкладыши пита¬ ющего отверстия; D — диа¬ метр циклона.
О ■ 0,05 0,to 0,15 0,го 0,25 Потеря напора, МПа Рис. 7.17. Зависимость эффективности гидроциклонов от потери в них напора. Производительность гидроциклона Q можно определить по формуле Q = ЗбООацрШ V^rKH, где а — коэффициент, учитывающий по¬ терю части воды с осадком (принимается равным 0,85—0,90, большие значения — для меньшего диаметра насадки); цг = = 0,24 d/dn — коэффициент расхода во¬ ды через гидроциклон; w — площадь жи¬ вого сечения питающего отверстия, м2; АН — потеря напора в гидроциклоне, м; d — диаметр сливного патрубка, см; dn — эквивалентный диаметр питающего от¬ верстия, см. Чем меньше диаметр гидроциклона, тем выше (при одинаковом напоре) его эффективность (рис. 7.17). Поэтому для осветления воды, содержащей высоко¬ дисперсные взвешенные вещества, при¬ меняют гидроциклоны малого диаметра. Если в одном аппарате установлен ряд гидроциклонов одинакового диаметра, то он называется мультициклоном (рис. 7.18). Выполняют мультициклон в виде стального резервуара 5, разделяемого плитами 4 и 7 на три отсека. Загрязнен¬ ную воду по трубопроводу 6 подают в средний отсек 2, откуда она поступает через питающие патрубки в гидроцикло¬ ны 9. После осветления вода из гидроцик¬ лонов через сливные патрубки отводится в верхний отсек 3, а из него подается потребителю. Осадок из конусных наса¬ док гидроциклонов через нижний отсек 1 и грязевик 8 спускается в канализацию. На рис. 7.19 представлен гидроциклон диаметром 15 мм, изготовленный из пластмассы карболита. Производитель¬ ность мультициклона диаметром 1 м, состоящего из 320 таких гидроциклонов, составляет около 500 м3 воды в сутки. Расчет гидроциклонов производят в такой последовательности. В соответ¬ ствии с заданной глубиной осветления воды по кривой осаждения взвешенных веществ определяют расчетную гидрав¬ лическую крупность частичек. Затем по графику, приведенному на рис. 7.17, определяют диаметр гидроциклона. Тех¬ нико-экономическим расчетом устанав¬ ливают его окончательный размер. Гидроциклоны по сравнению с отстой¬ никами обладают следующими преиму¬ ществами: при одинаковом эффекте осветления воды удельная производи¬ тельность гидроциклонов во много раз больше, чем отстойников; удаление шла¬ ма из гидроциклонов не требует специ¬ ального оборудования; эффект осветле¬ ния воды в гидроциклонах повышается с увеличением на низ; «нагрузки по воде», что позволяет обходиться без резерва на случай ремонта; гидроциклонные ус¬ тановки могут создаваться с подъемом воды на одну ступень. 1 Рис. 7.18. Схема мульти¬ циклона. Рис. 7.19. Схема гидро¬ циклона. 106
Глава 8 ОСВЕТЛЕНИЕ ВОДЫ ВО ВЗВЕШЕННОЙ КОНТАКТНОЙ СРЕДЕ 8.1. Принципы работы осветлителей Впервые эффект осветления воды во взве¬ шенной контактной среде в СССР был установлен в 1930—1931 гг. на водопро¬ воде г. Ростова-на-Дону проф. С. X. Азерьером. В 1936 г. Е. Н.Тетер- киным (ВНИИ ВОДГЕО) была создана первая отечественная конструкция аппа¬ рата со взвешенной контактной средой, названная диффузором-осветлителем. Почти одновременно в США появилась конструкция осветлителя Сполдинга — «Пресипитатор». , Значительные исследования в области разработки теории, методов расчета и создания конструкций отечественных осветлителей проведены Е. Ф. Кургае- вым и Е. Н. Тетеркиным. В настоящее время в СССР и за рубе¬ жом созданы конструкции осветлителей, работающих более эффективно и произ¬ водительно, чем отстойники. Однако кон¬ струкция осветлителей со взвешенной контактной средой и их эксплуатация сложнее. Надежную работу осветлителей мож¬ но обеспечить только тогда, когда со¬ держащиеся в воде взвешенные и кол¬ лоидные частички неустойчивы и способ¬ ны к слипанию, т. е. после химической обработки воды. Осветлители применяют при содержа¬ нии взвешенных веществ в исходной воде до 1500 мг/л при любой ее цветности и любой производительности водоочист¬ ных станций. Схема осветлителя со слоем взвешенной контактной среды при¬ ведена на рис. 8.1. Воду, обработанную химическими ре¬ агентами, в осветлитель подают снизу. Равномерно распределяясь по его пло¬ щади, она поднимается вверх, проходит через взвешенную контактную среду, состоящую из твердых частичек, и осветляется. Частички контактной среды, распола¬ гаясь до 2/3—4/5 высоты от низа освет¬ лителя, поддерживаются во взвешенном состоянии гидродинамическим давлением восходящего потока и образуют с водой гетерофазную систему (псевдоожижен- ный слой), над которой движется очи¬ щенная вода. Твердые частички слоя, находясь по¬ стоянно в состоянии хаотического дви¬ жения (циркуляции) и образуя местные сгущения и разрежения, представляют собой так называемый «кипящий слой». Однако в целом весь слой неподвижен и находится в состоянии динамического равновесия, которое поддерживается благодаря равенству скорости восходя¬ щего потока и средней скорости осажде¬ ния^ частичек. Очень важным является то обстоятель¬ ство, что средняя скорость осаждения частичек во взвешенной контактной сре¬ де значительно меньше их гидравличе¬ ской крупности. Это характерно для стесненного осаждения — взаимного гидравлического влияния частичек. Таким образом, проходя через слой взве¬ шенной контактной среды, вода осветля¬ ется. Процесс осветления имеет физико¬ химическую природу, сущность его осно¬ вана на явлении контактной коагуляции. Т1р1Г^1Пэоте осветлителя величина час¬ тичек /взвешенной контактной среды по¬ стоянно изменяется. Происходит их сгу¬ щение вследствие слипания извлекаемых из воды примесей и разрежение под влиянием гидродинамического воздей¬ ствия потока. Поэтому при стабильном составе комплекса взвешенных восходя¬ щим потоком жидкости твердых частичек высота их слоя с увеличением скорости потока растет, а с уменьшением скорости верхняя граница слоя снижается. При этом объемная концентрация твердой фазы в слое изменяется обратно пропор¬ ционально его высоте. Поскольку при движении обработан¬ ной воды через взвешенную контактную Рис. 8.1. Схема освет¬ лителя со слоем взве¬ шенной контактной среды: / — зона взвешенной контактной среды; II — зона осветления; III — зона накопле- / иия и уплотнения осадка; / — подача воды в осветлитель; 2 — отвод уплотнен¬ ного осадка; 3 — от¬ вод осветленной во¬ ды. 107
среду в ней накапливаются загрязнения и объем слоя может увеличиваться, в современных конструкциях осветлите¬ лей предусмотрено непрерывное удале¬ ние избыточного осадка в осадкоуплот- нитель, где он уплотняется перед выпу¬ ском в канализацию. Осветленная вода через сборные жело¬ ба или трубы подается на фильтры. Нормальная работа осветлителей до¬ стигается при сохранении постоянства расхода воды и температуры. Резкое повышение расхода воды приводит к раз¬ мыву взвешенного слоя и выносу его частичек, изменение температуры — к образованию конвективных токов и к замутнению воды. Поэтому плавные ко¬ лебания расхода воды и температуры допускаются соответственно не более ± 15 % и ± 1 °С от расчетных в течение часа. 8.2. Свойства взвешенной контактной среды Расстояние между частичками во взве¬ шенной контактной среде может состав¬ лять несколько миллиметров, в то время как большинство удаляемых из воды при¬ месей имеет коллоидную или ионную степень дисперсности. Удаление приме¬ сей в условиях такой гетерофазной систе¬ мы происходит в результате сорбции и адгезии. При этом коллоидные взве¬ шенные примеси воды сближаются с час¬ тичками сорбента и под действием моле¬ кулярных сил прилипают к их поверх¬ ности или ранее осевшим на них частич¬ кам примесей. Свойства гетерофазной системы даже при небольшой объемной концентрации твердой фазы, составляющей 5—10 %, значительно отличаются от свойств жид¬ кой фазы. В гетерофазной системе ско¬ рость осаждения взвешенных частичек меньше, чем скорость падения отдель¬ ной частички в свободном объеме жид¬ кости. Это объясняется более высокой вязкостью II гетерофазной системы, ко¬ торую можно вычислить по формуле Мм Мд 1 -Ь 2 С0 1 + с0 1—с0 ОЬъемная концентрация, доли С0 Рис. 2. Зависимость соотношения Им/Ид от объем¬ ной концентрации С0 твердых частичек, вычислен¬ ной по формуле, приведенной на с. 108 (/) и по форму¬ лам: Эйнштейна (2); Гатчека (3); Ванда (4); Манлея и Ма- лона (5); Эйлерса (6). где (ад — динамическая вязкость жид- кого компонента гетерофазной системы, м2/с; |лм — молярная вязкость; Са — объемная концентрация твердой фазы в системе, %. Характер изменения вязкости гетеро¬ фазной системы с ростом объемной кон¬ центрации твердых частичек графически представлен на рис. 8.2. Плотность, прочность на сжатие и ско¬ рость осаждения взвешенных частичек возрастают при совместной обработке воды солями алюминия и железа и при наличии в воде механических примесей. Совместное введение коагулянтов рас¬ ширяет диапазон оптимальных для про¬ цесса коагуляции значений pH, а меха¬ нические примеси способствуют достиже¬ нию критической концентрации, необхо¬ димой для хлопьеобразования, что позволяет снизить дозу коагулянта. Эф¬ фект осветления воды и производитель¬ ность осветлителя при этом повышаются. Характер структурообразования из¬ меняется в результате адсорбции гидрок¬ сида алюминия на частичках механиче¬ ских примесей. На это указывает более быстрое увеличение плотности коагулян¬ та по сравнению с ростом в нем доли при¬ месей. При понижении температуры воды силы взаимного притяжения частичек взвеси уменьшаются, что является одной из причин снижения эффекта очистки воды. 108
О 0,2 0,4 0,6 1,0 1,2 1,4- 1,6 Мутностью/л Рис. 8.3. Зависимость условной скорости свобод¬ ного осаждения взвеси частичек от исходного содер¬ жания механических примесей в воде при коагулиро¬ вании ее Al2 (S04)8. Зависимость скорости свободного осаждения взвеси, сформированной при коагулировании примесей воды Al2 (S04)3 от исходного содержания ме¬ ханических примесей в воде при темпера¬ туре 20 °С, приведена на рис. 8.3. Вследствие диспергирования коагу¬ лянта увеличивается плотность взве¬ си, ухудшаются тиксотропные и адге¬ зионные свойства и условия последую¬ щей агломерации взвеси. Для изучения процессов, протека¬ ющих в аппаратах производственного масштаба, применяют метод моделирова¬ ния осветлителей. Моделированием ус¬ танавливают связь между размерами ап¬ паратов, скоростью движения и эффектом осветления воды, параметрами контакт¬ ной массы. Технологическое моделиро¬ вание процесса выполняют в вертикаль¬ ных колонках диаметром 100—150 мм, высотой 3000—4000 мм, оборудованных боковыми патрубками для отбора проб взвешенного осадка и осветленной во¬ ды. г По гидравлическим условиям поступ¬ ления осадка в осадкоуплотнитель освет¬ лители также разделяются на два типа: с естественным отбором (избыток шлама поступает в осадкоуплотнитель в силу разности плотностей жидкости в зоне взвешенного слоя и в осадкоуплотните- ле); с принудительным отсосом. Послед¬ ний тип осветлителя более эффективен в работе. Схема осветлителя с естественным отбором осадка приведена на рис. 8.4. Исходная вода через воздухоотделитель 1 по стояку 2 и системе труб 3 поступает в междудонное пространство 4, кото¬ рое одновременно является и камерой реакции; оттуда вода через отверстия в дырчатом дне 7 поднимается и проходит через слой взвешенного осадка 8. Избы¬ ток осадка попадает в центральный осад¬ коуплотнитель 6, откуда удаляется через трубу 5. Осветленная вода переливается в отводящий желоб 9. Примером осветлителя с принудитель¬ ным отбором осадка может служить диффузор-осветлитель Е. Н. Тетеркина (рис. 8.5). Смешанная с реагентами вода по трубе 1 через воздухоотдели¬ тель 2 подается в нижнюю часть осветли¬ теля и проходит, поднимаясь вверх, I ; -tX - . \ \ US ' / 111 ТГ‘7 Ц0 8.3. Конструкции и расчет осветлителей Основными условиями, определяющими нормальную работу осветлителей, явля¬ ются рациональная организация отвода шлама, распределение воды по сечению осветлителя и отвод осветленной воды. По месту расположения осадкоуплот- нителей различают осветлители с верти¬ кальными, с поддонными осадкоуплотни- телями и без осадкоуплотнителей (оса¬ док уплотняется в нижней части освет¬ лителя). Они выполняются открытыми или напорными. Рис. 8.4. Схема осветлителя с дырчатым распредели¬ тельным днищем. Рис. 8.5. Схема диффузора-осветлителя с вынесенным (а) и с периферийным (б) осадкоуплотнителем. 109
1 Рис. 8.6. Схема осветлителя конструкция ВНИИ ГС: / — подвод воды; 2 — отвод осветленной воды; 3 — отсоо осветленной воды из осадкоуплотнителя; 4 — отвод взвеси из контактной среды; 5 — дырчатое дно; € — распределительные трубы; 7 — осадкоуплотни- тель; 8 — удаление осадка 1 Рис. 8.7. Схема осветлителя конструкции ВНИИ ВОДГЕО: / — подвод воды; 2 — распределительные трубы; 3 — осадкоуплотнитель; 4 — удаление осадка; 5 — осадкоотводящие трубы: 6 — отсос осветленной воды из осадкоуплотнителя. через слой контактной среды 3. Освет¬ ленная вода по трубе 4 поступает на дальнейшую очистку. Избыток контакт¬ ной массы отводится непрерывно в осад¬ коуплотнитель 5 и удаляется по трубе 6. Применяют диффузоры-осветлители на станциях небольшой производительнос¬ ти. Они отличаются простотой конструк¬ ции, удобством ввода воды и реагентов и возможностью их использования как для коагулирования, так и для извест¬ кования воды. К недостаткам этих ос¬ ветлителей относятся: малый объем осадкоуплотнителя, ограничение угла конусности нижней части осветлителя (30—40°) и несовершенство условий от¬ вода избытка взвешенных частичек. Для равномерного распределения воды по сечению осветлителя (рис. 8.6) устроено дырчатое дно, под которым рас¬ положена система дырчатых труб. Од¬ нако такие дренажные системы быстро забиваются отложениями осадка, что приводит к ухудшению качества воды. Во ВНИИ ВОДГЕО сконструирован осветлитель (рис. 8.7) без нижней дре¬ нажной решетки и перфорированных труб для осветления воды на станциях производительностью более 5 тыс. м3/сут. Равномерное распределение потока воды по сечению осветлителя достигается по¬ степенным увеличением площади сече¬ ния его кольцевой конической части. Осадкоуплотнитель также имеет коль¬ цевую коническую форму и расположен под дном осветлителя. Осадок из осадко¬ уплотнителя удаляют через перфориро¬ ванную трубу, избыток взвешенных ве¬ ществ из контактной среды — принуди¬ тельным отсосом. На рис. 8.8 показан осветлитель с го¬ ризонтальной зоной осветления, приме¬ няемой на станциях большой произво¬ дительности. Он представляет собой пря¬ моугольный (в плане) резервуар и имеет размеры горизонтальных отстойников. Располагают его вне здания основного блока очистных сооружений. Первая половина осветлителя предназ¬ начена для хлопьеобразования, вто¬ рая — для осветления воды. Осветляе¬ мая вода из воздухоотделителя поступа¬ ет в распределительный канал 1, затем в водоприемный карман 2, в котором про¬ исходит распределение воды по спуск¬ ным трубам 3 к распределительным лот¬ кам 4. Пройдя слой взвешенной контакт¬ ной среды 5, вода через сборные желоба 6 и разделительную стенку 7 из-под отбойных щитов 8 поступает в зону осветления шлама 9. Осветленная вода из верхней части потока отводится жело- Рис. 8.8. Схема осветлителя с го¬ ризонтальной зоной осветления: 1 — распределительный канал; 2 — водоприемный карман; 3 — спускные трубы; 4 — распреде¬ лительные лотки; 5 — зона взве¬ шенной контактной среды; 6, Ю — сборные желоба; 7 — разделительная стенка; 8 — от¬ бойный щит; 9 — зона сепарации шлама: // — дырчатые трубы для удаления осадка. 110
бами 10, осадок из зоны его уплотне¬ ния — дырчатыми трубами 11. На рис. 8.9 приведен осветлитель кори¬ дорного типа с вертикальным осадкоуп- лотнителем, разработанный ГПИ «Союз- водоканалпроект». Применяется он на станциях большой производительности для осветления и обесцвечивания при¬ родных вод с большой мутностью. Осветлители такого типа представляют собой прямоугольные (в плане) железо¬ бетонные резервуары, разделенные пе¬ регородками на коридоры. Между дву¬ мя секциями со взвешенным осадком расположен вертикальный осадкоуплот- нитель с принудительным отсосом осад¬ ка. Для распределения воды по длине коридоров, сбора осветленной воды в осадкоуплотнителе и для удаления осад¬ ка применяются перфорированные тру¬ бы. С целью повышения технологических показателей работы коридорных освет¬ лителей над дренажной системой освет- лительной камеры помещают специаль¬ ную контактную загрузку из кварцевого песка в количестве примерно 12 кг/м2 осветлителя. Необходимо, чтобы песок (крупностью 0,10—0,25 мм) во время работы осветлителя находился во взве¬ шенном состоянии. Производительность осветлителя при этом можно повысить на 15—20 %. В рассмотренных конструкциях освет¬ лителей вода смешивается с реагентом до поступления ее в аппарат. Непосред¬ ственно подавать реагенты в контактную среду в рассмотренных осветлителях невозможно. Для очистки воды с одновременным ее умягчением и обескремниванием в ЦНИИ МПС разработаны осветлители с непрерывной продувкой выносного осадкоуплотнителя и осветлители с пе¬ риодическим выпуском осадка из цент¬ рально расположенного осадкоуплотни¬ теля. Воду в эти осветлители подают снизу через систему горизонтально рас¬ положенных сопел, где она приобрета¬ ет вращательное движение. Реагенты вводят непосредственно в осветлитель. Это создает благоприятные условия для формирования взвешенной контактной среды и протекания физико-химических процессов при удалении из воды приме¬ сей. Нижняя часть осветлителя устрое¬ на в виде кольцевого конуса. Осадок из 4 J Рис. 8.9. Схема осветлителя коридорного типа: / — подвод воды к перфорированным распределитель¬ ным трубам; 2 — удаление осадка; 3 — осадко-уплот- нитель; 4 — отвод осветленной воды. Рис. 8.10. Схема осветлителя ЦНИИ-1А: / — подвод воды; 2 — ввод реагентов; 3 — отвод из¬ бытка взвеси из контактной среды; 4 — дренажная решетка; 5 — выход очищенной воды; 6 — отсос очи¬ щенной воды из осадкоуплотнителя; 7 — осадкоотво¬ дящие трубы; 8 — осадкоуплотннтель; 9 — удаление осадка; 10 — бункер для удаления крупных кристал¬ лических формаций. осветлителя отводят высотной системой окон. Схема осветлителя ЦНИИ МПС про¬ изводительностью до 10 тыс. м3/сут представлена на рис. 8.10. Их можно устраивать внутри и вне здания. В пос¬ леднем случае стенки осветлителей утеп¬ ляют, а над верхней их частью устраива¬ ют шатер. В некоторых конструкциях осветлите¬ лей слой шлама перемешивается меха¬ нической мешалкой. Например, в широ¬ ко известном за рубежом акселаторе (рис. 8.11) обрабатываемая вода и реа¬ генты подаются в первую зону реакции, 111
Рис. 8.11. Схема акселатора: / — подача сырой воды; 2 — зона обрат¬ ного потока; 3 — первая зона реакции; 4 — пропеллерная мешалка; 5 — осадко¬ уплотнитель; 6 — зона взвешенной кон¬ тактной среды; 7 — зона осветления; 8 —> сборные желоба; 9 — подача реагентов; 10 — вторая зона реакции. Рис. 8.12. Схема пресипитатора: / — автоматическое удаление ила; 2 — дрены; 3 — механическая камера реакции; 4 — мешалки; 5 — трубы для подачи ре¬ агентов; 6 — труба для подачи воды; 7 — отводящий желоб; 8 — труба для отвода воды; 9 — зона взвешенной контактной среды; 10 — осадкоуплотнитель. где начинается процесс хлопьеобразова¬ ния при контакте с ранее образовавши¬ мися хлопьями. Мешалка подсасывает взвешенный осадок вместе с обрабаты¬ ваемой водой во вторую зону реакции, а затем вода с хлопьями поступает в зо¬ ну взвешенного осадка, где процесс контактной коагуляции заканчивается. Основная часть осадка возвращается в первую зону реакции, т. е. непрерывно циркулирует. Избыточный шлам направ¬ ляется в осадкоуплотнитель, занимаю¬ щий часть периферии акселатора, от¬ куда удаляется периодически или непре¬ рывно. Пресипитатор (рис. 8.12) по устройст¬ ву и принципу действия близок к оте¬ чественным типам осветлителей. Вода подается в механическую камеру реак¬ ции, а затем в рабочую камеру осветли¬ теля, проходит через слой взвешенного осадка и по сборным желобам поступает в отводящую трубу. В некоторых осветлителях США вода по их сечению распределяется вращаю¬ щейся дренажной системой, устраиваемой в виде труб с отверстиями или соплами. Осветлители ГДР и ЧССР (рис. 8.13, 8.14) отличаются устройством централь¬ ных камер хлопьеобразования с механи¬ ческим перемешиванием. Реагенты вво¬ дятся непосредственно в камеры, осадок удаляется скребковыми устрой¬ ствами. Малые объемы зоны сбора и уп¬ лотнения осадка требуют устройства вне осветлителя отстойников для обез¬ воживания и уплотнения осадка. Расчет осветлителей производят с уче¬ том годовых колебаний качества воды в источнике водоснабжения. Скорость восходящего потока воды в зоне освет¬ ления принимают по сезону наименьшего содержания взвешенных веществ в об¬ рабатываемой воде с учетом уменьшения ее расчетного расхода в холодное время года. Коэффициент распределения К между зонами осветления и отделения осадка определяют для периода с боль¬ шей величиной расчетного расхода воды и соответствующего этому сезону макси¬ мального содержания взвешенных ве¬ ществ в воде. Площадь зоны осветления FOCB опре¬ деляют по формуле F = осв 3,6иосв * 112
Рис. 8.13. Схема осветлителя «рецирку¬ лятора» (ГДР): / — подвод воды; 2 — сборные желоба; 3 — подвод реагентов: 4 — воздухоот¬ делитель; 5 — зона взвешенной кон¬ тактной среды; 6, 7 — вторичная и пер¬ вичная камеры реакции; 8 — осадко- уплотнитель. Рис. 8.14. Схема осветлителя конструк¬ ции Бинара и Вельского (ЧССР): 1,2 — первичная и вторичная камеры реакции; 3 — сборные желоба; 4 — при¬ вод мешалки камеры реакции; 5 — при¬ вод скребкового механизма; 6 — подвод воды; 7 — подвод реагентов; 8 — скреб¬ ковый механизм; 9 — осадкоуплотни- тель. где К — коэффициент распределения (принимают по таблице СНиП); q — рас¬ четный расход воды, м3/ч; иосв — ско¬ рость восходящего потока воды в зоне осветления (принимают по таблице СНиП), мм/с. Площадь зоны отделения осадка Fотд определяют по формуле (\~К)д отд 3,taUocB ’ где а — коэффициент снижения скорости восходящего потока воды в зоне отде¬ ления осадка в осадкоуплотнителе по сравнению со скоростью в зоне осветле¬ ния (принимают равным 0,9). Число осветлителей определяют при условии, чтобы площадь одного осветли¬ теля не превышала 100—150 м2. Высоту слоя взвешенной контактной среды принимают 2—2,5 м (от нижней кромки осадкоприемных окон до нижней части зоны взвешенной контактной сре¬ ды), угол между наклонными стенками нижней части зоны взвешенной контакт¬ ной среды — 60—70°. Высоту зоны ос¬ ветления задают 2 м для мутных и 2,5 м — для цветных вод. Осадок из осадкоуплотнителя удаляют периодически без прекращения работы осветлителя. Воду по площади осветли¬ теля распределяют дырчатым коллекто¬ ром (скорость движения воды на входе в коллектор 0,5—0,6, скорость выхода воды из отверстий — 1,5—2 м/с). Эффективность работы осветлителей можно увеличивать искусственным по¬ вышением концентрации в исходной воде твердой фазы, дегазацией раствора коа¬ гулянта, использованием окислителей и сорбентов, автоматизацией их работы. 8.4. Эксплуатация осветлителей Нормальная работа осветлителей зави¬ сит от создания для их работы опти¬ мальных химических, физических, гид- 113
равлических и специальных технологи¬ ческих условий. К химическим условиям относятся: пра¬ вильный выбор реагентов для обработки воды, точность их дозирования, своевре¬ менное изменение расхода реагентов в соответствии с качеством исходной и очищенной воды, регулирование рас¬ хода реагентов пропорционально произ¬ водительности осветлителя, бесперебой¬ ность подачи реагентов в осветлитель, организация химического контроля про¬ цесса подготовки воды. Из физических условий наиболее важ¬ ное значение имеют температура воды и поддержание ее постоянства в освет¬ лителе. При повышении температуры воды улучшаются процессы ее осветле¬ ния, обесцвечивания, умягчения, обес- кремнивания и обезжелезивания, сокра¬ щается расход реагентов и продолжи¬ тельность процессов. В связи с этим в промышленном водоснабжении, особенно на предприятиях, имеющих отходы теп¬ лоты, в осветлители подается подогре¬ тая вода. Однако резкие колебания тем¬ пературы воды недопустимы вследствие возникновения местных восходящих то¬ ков, ухудшающих состав и параметры контактной среды. Постоянство темпера¬ туры воды должно обеспечиваться на¬ дежной системой подогрева и автомати¬ ческими регуляторами. К гидравлическим условиям относят¬ ся: скорость ввода воды в осветлитель и его производительность, расход во¬ ды в осадкоуплотнителе и режим про¬ дувки. Резкое изменение скорости вво¬ да воды в осветлитель приводит к нару¬ шению стабильности очистки воды при ее движении через взвешенную контакт¬ ную среду, к диспергированию и разру¬ шению последней. Увеличение произ¬ водительности вызывает временный рост объемной концентрации взвеси в верх¬ них слоях и уменьшение скорости стес¬ ненного осаждения частичек. Периоди¬ ческие изменения динамического рав¬ новесия контактной среды ухудшают качество очищенной воды в течение дли¬ тельного времени. Нормальная работа осветлителя в большой мере зависит от технологиче¬ ских условий подготовки воды: выбора места и последовательности ввода ре¬ агентов; регулирования состава, свойств и высоты контактной среды; отвода из¬ бытка взвеси в осадкоуплотнитель; ор¬ ганизации наблюдения за параметрами взвеси и правильного режима удаления осадка из осадкоуплотнителя. Необходимо постоянно следить, чтобы взвесь контактной среды имела опти¬ мальные параметры по гидравлической круиности, объемной и массовой кон¬ центрациям. С целью сокращения расхода воды на удаление осадка следует поддерживать высокую степень уплотнения послед¬ него. Глава 9 ОСВЕТЛЕНИЕ ВОДЫ ФИЛЬТРОВАНИЕМ 9.1. Теоретические основы очистки воды фильтрованием через зернистые материалы Завершающим этапом очистки воды от взвеси является фильтрование. Этот про¬ цесс осуществляется пропусканием воды через зернистые или другие материалы. При фильтровании воды, содержащей взвешенные вещества, через слой песка 1Г-Лли другого зернистого материала они 1 • могут отлагаться на поверхности фильт¬ рующего слоя (пленочное фильтрование); в порах фильтрующего слоя; одновремен¬ но на поверхности и в порах загрузки. В процессе пленочного фильтрования взвешенные вещества, отлагаясь на по¬ верхности фильтрующего слоя, образуют дополнительный фильтрующий слой. Этот слой способен задерживать высоко¬ дисперсную взвесь, однако его гидрав¬ лическое сопротивление быстро увели¬ чивается и фильтр приходится часто выключать на промывку. Взвешенные вещества на поверхности фильтрующего слоя могут отлагаться в виде пленки при небольших (например, в медленных фильтрах) и при обычных скоростях фильтрования на скорых фи¬ льтрах, если через них пропускается вода, содержащая прочную взвесь.
KomJveanSo задержанных загрязнений, X ' о Ю 20 JO 40 50 60 70 Рис. 9.1. Зависимость глу¬ бины проникания загряз¬ нений в толщу фильтрую¬ щей загрузки от скорости фильтрования. Песок v'-бм/v v- I2m/v В большинстве случаев на скорых фильтрах пленка не образуется и взве¬ шенные вещества вместе с водой прони¬ кают в толщу фильтрующего слоя. С увеличением крупности зерен загрузки и скорости фильтрования глубина про¬ никания загрязнений возрастает (рис. 9.1, 9.2). Адгезия или сорбция скоа- гулированных частичек поверхностью зе¬ рен фильтрующего слоя зависит от заряда частичек взвеси и их размеров. Если взвесь стабилизирована и имеет большой заряд, одноименный с зарядом поверхности фильтрующего слоя, в по¬ рах фильтрующего слоя она задержи¬ вается плохо. На скорых фильтрах при фильт¬ ровании воды сверху вниз чаще всего происходят одновременно два процес¬ са — задержание части взвешенных ве¬ ществ в пленке на поверхности фильт¬ рующего слоя и проникание их в толщу фильтра. Процесс осветления фильтруемой сус¬ пензии — результат двух противополож¬ ных процессов: адгезии задерживае¬ мых частичек к макроповерхности и отрыва ранее прилипших частичек и переноса их гидродинамическими си¬ лами потока. В каждом элементарном слое загрузки вода осветляется до тех пор, пока силы отрыва частичек не начинают превалировать над силами адгезии или аутогезии (взаимодействия между ча¬ стичками в прилипшем слое). Накопление осадка в зернистом слое приводит к увеличению сил отрыва частичек. При очистке воды процесс фильтрования важен в той стадии, ког¬ да прилипание частичек превалирует над их отрывом. Величина силы адге¬ зии в водной среде определяется в ос¬ новном межмолекулярным взаимодей¬ ствием соприкасающихся тел; она на несколько порядков ниже, чем сила адгезии в воздухе. Кроме того, в вод¬ ной среде возникают силы отталкива¬ ния, обусловленные свойствами послед¬ ней. Силы адгезии зависят от свойств во¬ ды и соприкасающихся поверхностей. Если последние резко различаются по смачиваемости, то адгезия минимальна. В водной среде она достигает макси¬ мального значения при одинаковой гид- рофильности или гидрофобности поверх¬ ностей. Однако слипание гидрофобных поверхностей больше, чем гидрофильных. Силы отталкивания, появляющиеся в водной среде, обусловлены расклини¬ вающим действием тонкого слоя жид¬ кости, находящегося между поверхно¬ стями соприкасающихся тел. Расклини¬ вающее действие таких слоев объясняет¬ ся отличием их термодинамического и химического потенциалов от потенциа¬ лов объемной фазы. Отрыв частички под действием водно¬ го потока происходит в случае, если сила Forp превышает силу адгезии Fan и массу частичек Р, т. е. ^отр^И^ад + Р). где —сила трения. ЕСЛИ Fад Р, TO Fотр Ja/*'ад. Сила воздействия потока на частичку зависит от плотности и вязкости среды, диаметра частичек, скорости потока и условий обтекания прилипших частичек потоком. 115
Д. М. Минц установил, что изменение концентрации взвеси в воде при фильтро¬ вании ее через зернистый слой опреде¬ ляется уравнением С/С0 = f (X, Т), где С — концентрация взвеси в воде в данный момент времени /; С0 — кон¬ центрация взвеси в исходной воде; X и Т — критерии подобия процесса X = bx; Т = at, где х —толщина зернистого слоя; t — время, прошедшее от начала процесса; b и а параметры процесса, определенные методами теории размерностей: Ь = (5 vs'dXl; а = a где v — скорость фильтрования; d — диаметр зерен загрузки; р и а — коэф¬ фициенты, учитывающие совокупное влияние физических и физико-химиче¬ ских свойств воды и взвеси; отсюда X = pti Т = ave'Jdx4. Для процессов, протекающих при фильтровании воды на фильтрах с раз¬ личной нагрузкой и скоростью фильтро¬ вания, коэффициенты |3 и а будут оди¬ наковыми и могут не учитываться в расчетах. В таких случаях критерии подобия имеют вид X' = vs'dW, Т’ = vE'dx4. Обработкой большого количества эк¬ спериментальных данных установлено, что показатели степени при v и d в широ¬ ком диапазоне изменения скоростей фильтрования и размеров зерен загрузки при разнообразном составе фильтруемой воды практически не изменяются и со¬ ставляют: ех = —0,7; е2 = 1,0; A,j = = -1,7; 12 = -1,0. Таким образом, ь = I V X' = v Г = v ~d tv ~d Подставив в это уравнение выражения для X' и Т', получим формулу для опре¬ деления продолжительности защитного действия зернистой загрузки t3: 1 К' L = - * X'0d\ , v°-7d1-7 V ) Ь (х *0 \ а \ ь )’ где Х0 и К — константы, зависящие только от С/С0 и принимаемые по со¬ ставленным Д. М. Минцем диаграммам; b —параметр, характеризующий ин¬ тенсивность прилипания; Ыа — пара¬ метр, характеризующий скорость про¬ никания хлопьев в глубь загрузки (эта скорость уменьшается с увеличением прочности хлопьев). Как следует из формулы, продолжи¬ тельность защитного действия загрузки возрастает с увеличением толщины слоя и прочности осадка и уменьшается с уве¬ личением скорости фильтрования и раз¬ меров зерен загрузки. Продолжительность работы фильтра до момента достижения предельной по¬ тери напора Япр определяется по форму¬ ле /„ = ■ н, пр H0F (А) х, Из уравнения С/С0 — f (X, Т) следует, что при С/С,, = const между критерия¬ ми X и Т должна существовать одноз¬ начная зависимость. Экспериментально установлено, что эта зависимость имеет вид X' = К'Т' + Х'0. где #0 — потеря напора в чистой за¬ грузке; F (Л) = h/t • b/ai0 (h = Япр — — #0; hit — темп прироста потери на¬ пора в фильтре; г„ — гидравлический уклон в чистой загрузке). Определив методом технологического моделирования процесса фильтрования параметры b и а, параметры фильтрова¬ ния (и, d, х) подбирают так, чтобы про¬ цесс протекал в условиях оптималь¬ ного режима. Критерием оптимальности процесса служит соотношение между t3 и tH. В те¬ хнологическом и экономическом отноше¬ нии оптимальным является режим, при котором tn = t3. Однако, с точки зре¬ ния санитарной надежности, t3 должно быть несколько больше, чем tH. Поскольку подбор загрузки фильтра и выбор скорости фильтрования прово¬ дится обычно для какого-то определен¬ ного (среднего или характерного для данных местных условий) случая, то изменение физико-химических свойств И 6
воды источника или технологического режима водоочистной станции (например, изменение дозы коагулянта) приводит к изменению свойств фильтруемой сус¬ пензии и тем самым свойств образую¬ щегося в порах загрузки осадка. Это в свою очередь вызывает отклонение от оптимального режима фильтрования. Эффективным методом ведения фильт¬ рования в оптимальном режиме являет¬ ся воздействие на адгезионные свойства фильтруемой взвеси и свойства отложе¬ ний в зернистой загрузке. Способность флокулянтов увеличивать плотность и прочность хлопьев гидрок¬ сидов позволяет использовать их для направленного регулирования указан¬ ных свойств и, следовательно, оптими¬ зации режима фильтрования. Практи¬ чески это достигается введением опреде¬ ленной дозы флокулянта непосредственно перед фильтрующей загрузкой. 9.2. Классификация фильтров, фильтрующие материалы В зависимости от фильтрующего слоя различают следующие виды фильтров: зернистые (фильтрующий слой — квар¬ цевый песок, дробленый антрацит, ке¬ рамзит, пенополистирол, магномасса и др.); сетчатые (фильтрующий слой — сетка с размером ячеек 40 мкм); ткане¬ вые (фильтрующий слой — хлопчато¬ бумажные, льняные, суконные, стек¬ лянные или капроновые ткани); намыв¬ ные (фильтрующий слой — древесная му¬ ка, диатомит, асбестовая крошка и дру¬ гие материалы, намываемые в виде тон¬ кого слоя на каркас из пористой кера¬ мики, металлической сетки или синтети¬ ческой ткани). Зернистые фильтры применяют для очистки хозяйственно-питьевой и тех¬ нической воды; сетчатые —для задер¬ жания низкодисперсных взвешенных и плавающих частичек; тканевые — в по¬ левом водоснабжении; намывные — для очистки маломутных вод на станциях небольшой производительности (для по¬ селков, пионерских лагерей, плаватель¬ ных бассейнов и т. д.). Для очистки воды в Коммунальном и промышленном водоснабжении наи¬ более широко применяются зернистые фильтры. По скорости фильтрования1 их разделяют на медленные (скорость фильтрования 0,1 —0,2 м/ч), скорые (5,5— 14 м/ч) и сверхскорые (>25 м/ч). В зависимости от крупности зерен фильтрующего слоя зернистые фильтры разделяют на мелкозернистые (например, медленные фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 0,3—1 мм), средне¬ зернистые (например, скорые фильтры с размером зерен верхнего слоя песка 0,5—0,8 мм) и крупнозернистые (в част¬ ности предварительные фильтры с разме¬ ром зерен верхнего слоя песка 1—2мм). Если загрузка фильтрующего слоя од¬ нородна по плотности и отличается только крупностью зерен, то такие ти¬ пы фильтров называются однослойными (например, скорые фильтры с загрузкой из кварцевого песка). Фильтры, загру¬ женные неоднородной загрузкой по плот¬ ности и размеру зерен, называются мно¬ гослойными (например, двухслойные ско¬ рые фильтры, в которых нижний слой — кварцевый песок, верхний —антрацит). Зерна фильтрующей загрузки харак¬ теризуются эффективной величиной зерен и коэффициентом неоднородности. Эф¬ фективная величина зерен для песка соответствует калибру2 сита, через ко¬ торое проходит 10 % данного песка. Коэффициентом неоднородности Кн на¬ зывается отношение 80 %-го калибра песка к 10 %-му (К„ = dm/d10). Обыч¬ но это отношение принимают равным 1,5—2. Данные, необходимые для харак¬ теристики песка, получают ситовым ана¬ лизом, основанным на рассеве высу¬ шенного образца средней пробы на ка¬ либрованных ситах и определении про¬ цента материала, оставшегося на каждом сите. По данным ситового анализа строят график гранулометрического состава пес¬ ка (рис. 9.3). В качестве критерия загрузки, отра¬ жающего содержание всех фракций, ино¬ гда используют эквивалентный диаметр зерен d3, определяемый по формуле d3 — 100 l~ZpildK, 1 Скорость фильтрования представляет со¬ бой частное от деления количества очищаемой воды за единицу времени на площадь поверхнос¬ ти фильтрующего слоя. 2 Калибр сита — диаметр шара, равного по объему наиболее крупным песчинкам, прохо¬ дящим через данное сито. 117
Рис. 9.3. Гра¬ фик грануло¬ метрического состава песка. =§ 0 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Кашбр сшп ,т где р( — процент зерен загрузки, ос¬ тавшихся на сите с калибром dK. Для песка, ситовой анализ которого представлен на рис. 9.3, средний диа¬ метр зерен составляет 0,6 мм, коэффи¬ циент неоднородности 0,83/0,48 = 1,73, эквивалентный диаметр зерен — 0,57 мм. Механическую прочность фильтрую¬ щих материалов характеризуют исти¬ раемостью и измельчаемостью. Эти по¬ казатели определяют так 100 г иссле¬ дуемого материала с размером частичек 0,5—1,0 мм помещают в банку со 150 мл воды и встряхивают на лабораторной машине в течение 24 ч. Процент истирае¬ мости определяется массой материала, прошедшего через сито с отверстиями 0,25 мм, а процент измельчаемости — мас¬ сой его частичек, прошедших через сито с отверстиями 0,50 мм и оставшихся на сите с отверстиями 0,25 мм. Механи¬ ческую прочность материала считают удовлетворительной, если его истирае¬ мость не превышает 0,5, а измельчае- мость — 4 % Химическую стойкость определяют, помещая по 10 г отмытого и просушенно¬ го при 60 °С фильтрующего материала в три колбы, содержащие по 500 мл дис¬ тиллированной воды. В одну колбу до¬ бавляют 250 мг NaCl (нейтральная сре¬ да), в другую — 100 мг NaOH (щелоч¬ ная среда) и в третью — 100 мг НС1 плотностью 1,19 г/см3 (кислая среда). После 24 ч контакта и взбалтывания через каждые 4 ч содержимое колб от¬ фильтровывают и в фильтрате опреде¬ ляют содержание растворенного остат¬ ка, кремниевой кислоты, а также его окисляемость. Параллельно прово¬ дят опыты с аналогичными средами без исследуемого материала. При удов¬ летворительной химической стойкости материала прирост массы растворенно¬ го остатка не должен превышать 20, окисляемости и массы кремниевой кис¬ лоты — 10 мг/л. Из инертных материалов наиболее распространен кварцевый песок, кото¬ рый до загрузки отмывается на спе¬ циальных пескомойках и сортируется. Он соответствует требованиям механи¬ ческой прочности и, как правило, удов¬ летворяет условиям химической стой¬ кости. Его используют на скорых фильт¬ рах, двухпоточных фильтрах конструк¬ ции АКХ и контактных осветлителях. Аналогичную механическую прочность и химическую стойкость имеет и дроб¬ леный антрацит. Исследование дробленого антрацита в качестве фильтрующего материала по¬ казало, что при одинаковых эффектив¬ ных диаметрах зерен и близких ко¬ эффициентах неоднородности объемная масса антрацита меньше, а пористость больше, чем песка. Грязеемкость антра¬ цитового фильтра превышает грязеем- кость песчаного на 13—14 %, а интен¬ сивность промывки при 50 %-м расшире¬ нии в два раза меньше. Потери напора на антрацитовом фильтре примерно на 16 % меньше, чем на песчаном. Благодаря высоким фильтрующим ка¬ чествам антрацит является перспектив¬ ным фильтрующим материалом и в на¬ стоящее время широко применяется для загрузки фильтров. Фильтрующие загрузки располагают¬ ся на поддерживающих слоях гравия или щебня. Размер зерен поддерживаю¬ щих слоев в зависимости от устройства фильтра и условий фильтрования по¬ степенно увеличивается от 2—5 до 20— 40 мм. Толщина отдельных слоев и их количество определяются размером зерен гравия и типом фильтра. Под¬ держивающие материалы должны быть устойчивыми против измельчения и ис¬ тирания, химически стойкими, должны содержать не более 10 % частичек из¬ вестняка. В качестве фильтрующих зернистых загрузок могут использоваться и дру¬ гие материалы: стеклянная, фарфоро¬ вая и керамическая крошка, песок из керамзита, аглопорита зольного, до¬ менного шлака, шлаковой пемзы. Исследования доменного шлака по¬ казали, что его фильтрующие свойства и пористость выше, чем песка, однако 118
по механической прочности он уступает последнему. Из активных фильтрующих материа¬ лов за рубежом широко применяют¬ ся мраморная крошка и магномасса (при стабилизационной обработке воды), ак¬ тивированный уголь (для удаления прив¬ кусов и запахов), а также диатомиты (аморфный кремнезем). В состав природ¬ ного кремнезема входит 74—75 % крем¬ ниевой кислоты, 15—16 % полуторных оксидов, 3—4 % СаО и MgO. Диатомит имеет малую прочность, аморфное строе¬ ние, легко истирается и дробится, поэ¬ тому он используется в основном для очистки воды в больших коммунальных домах, плавательных бассейнах и т. д. По давлению, под которым работают фильтры, они делятся на безнапорные (открытые) и напорные; по направлению перемещения фильтрующего потока — на одно-, двух- и многопоточные. При пропускании через фильтр воды фильтрующий слой постепенно загрязня¬ ется, в нем возрастает потеря напора и снижается при постоянном напоре скорость фильтрования. Уменьшение скорости фильтрования приводит к сни¬ жению производительности фильтра. Восстанавливают фильтрующую спо¬ собность фильтра промывкой. Для это¬ го подачу исходной воды прекращают и через дренажную (распределительную) систему подают воду (или воду и воз¬ дух) с большой интенсивностью. Интервал времени между двумя про¬ мывками называется филътроциклом. Он зависит от характера и количества ве¬ ществ, загрязняющих воду, крупности зерен и пористости фильтрующей загрузки, от скорости фильтрования. Время, в течение которого данная загрузка способна осветлять воду до заданных показателей, называется вре¬ менем защитного действия фильтрую¬ щей загрузки. Количество загрязнений, задерживае¬ мых в процессе фильтроцикла, называет¬ ся грязеемкостью фильтра. Основными исходными данными для проектирования фильтров являются: их полная и полезная производительность, продолжительность работы станции, ко¬ личество и качество поступающих на фильтры с водой по сезонам взвешенных веществ, требования к качеству отфиль¬ трованной воды, реагенты и их дозы (в прямоточных системах), время защит¬ ного действия фильтрующей загрузки и время достижения допустимой потери напора. 9.3. Фильтрование воды через сетки и ткани Микрофильтры и барабанные сетки применяются на станциях любой про¬ изводительности для предварительной очистки воды от механических приме¬ сей различной степени дисперсности: крупных механических примесей (ще¬ па, листья, стебли растений, семена); вы¬ сокодисперсных взвешенных веществ (пе¬ сок, ил); фито- и зоопланктона (сине-зеле¬ ные, диатомовые водоросли). Микрофильтры с размером ячеек ра¬ бочих сеток от 20 до 60 мкм (в соответст¬ вии с рекомендациями СНиП 2.04.02— 84) применяются для задержания планк¬ тона, если число клеток в 1 мл воды пре¬ вышает 1000. Барабанные сетки с размером ячеек ра¬ бочих сеток 500 X 500 мкм применяются для грубого осветления (процеживания) воды на водозаборах. Конструктивно они подобны микрофильтрам. Благодаря малым размерам ячеек мик¬ рофильтры способны задерживать до 25 % взвешенных веществ, до 75 % ди¬ атомовых и до 95 % сине-зеленых во¬ дорослей. Диаметр клеток водорослей в зави¬ симости от вида составляет от 5 до 70 мкм, колонии имеют диаметр от 80 до 260 мкм и более. Эти загрязнения воды можно было бы удалить непосредственно на основных очистных сооружениях, однако, перемещаясь по трубам, они вызывают появление неприятных запа¬ хов и привкусов (рыбный, затхлый), образование отложений (сплошных, дон¬ ных, бугристых), заболевания людей и животных кожными, аллергическими и желудочно-кишечными болезнями. Основным конструктивным элементом микрофильтров и барабанных сеток является сетКа.Диапазон размеров сто¬ рон ячеек рабочих сеток составляет 20—100 мкм. Поэтому сетчатые уста¬ новки могут выполнять роль как вспо¬ могательных, так и самостоятельных устройств. 113
Рис. 9.4. Конструк¬ ция микрофильтра и барабанной сетки (разрез). В качестве вспомогательных устройств они применяются, если необходимо по¬ высить надежность работы водоочистных и водопроводных сооружений и обору¬ дования (например, защитить насосы от попадания в них находящихся в воде крупных механических примесей, улуч¬ шить работу распределительных си¬ стем фильтров); улучшить технико-эко¬ номические показатели систем и уста¬ новок (снизить число промывок фильт¬ ров, уменьшить объем шлама в отстой¬ никах); уменьшить концентрацию за¬ грязнений в промывных водах; улуч¬ шить санитарное состояние водоемов (за счет выделения из воды фито- и зоо¬ планктона). В качестве самостоятельных устройств сетчатые установки применяются в си¬ стемах охлаждения оборудования, в обо¬ ротных системах отдельных производств, когда к воде предъявляются требования только по фракционному составу взве¬ шенных веществ и содержанию в ней планктона. На станциях осветления воды город¬ ских водопроводов микрофильтры ус¬ танавливаются перед смесителями. Во¬ да насосами первого подъема подается в приемную камеру, а оттуда на микро¬ фильтры. Сетки, применяемые в системах водо¬ снабжения, должны: 1) очищать воду до необходимых показателей и качест¬ венно регенерироваться; 2) иметь ми¬ нимальные значения потерь напора; 3) обладать требуемыми механической проч¬ ностью, химической, электрохимической и биологической стойкостью; 4) быть долговечными и недорогостоящими. В соответствии с этими требованиями в технологии очистки воды чаще применяются металлические сетки. На¬ дежность работы их зависит от состава примесей воды, области применения и др. При выборе металлических сеток для установок систем водоснабжения следует руководствоваться ГОСТ 3187—76 «Сет¬ ки металлические проволочные. Класси¬ фикация. Характеристика и основные предельные размеры». Материалом для изготовления сеток служат низко- и среднеуглеродистые, легированные, нержавеющие стали, медь, латунь и др. По виду покрытия сетки могут быть цельнопаянными, оцинко¬ ванными, окрашенными, лакированными, гуммированными. Неметаллические сетки и фильтроваль¬ ные ткани в технологии очистки воды имеют ограниченное применение. Тка¬ ни из натуральных волокон (хлопок, шерсть, лен) и синтетических материалов (капрон, нитрон, хлорин и др.) обладают большим гидравлическим сопротивле¬ нием, с их поверхности трудно удаляются загрязнения; натуральные волокна гиг¬ роскопичны, обладают анизотропными механическими свойствами. Однако они быстро стареют и теряют свои первона¬ чальные свойства. Асбестовые ткани имеют низкую механическую прочность, стеклоткани создают значительные гид¬ равлические потери. Основным элементом микрофильтра (рис. 9.4) является вращающийся бара¬ 120
бан со съемными фильтрующими элемен¬ тами 1 гравитационного типа, размещен¬ ный в бетонном (иногда в металлическом) резервуаре 8 прямоугольной формы. Барабан фильтра представляет собой 18-гранную призму со стенками, за¬ крытыми фильтрующими сетчатыми эле¬ ментами. В микрофильтрах они состоят из двух поддерживающих сеток с ячей¬ ками размером 2x2 мм, между которы¬ ми расположена рабочая фильтрующая сетка с ячейками 40 мкм, а в барабанных сетках — с ячейками 500 мкм. Воду фильтруют при остановленном барабане. Исходная вода из канала 2 по трубе 9 поступает внутрь барабана, проходит сквозь фильтрующие элементы, очищает¬ ся от механических примесей и отво¬ дится через проходы с шиберами 7 в сбор¬ ный канал 6. При засорении фильтрующих сеток и достижении максимального перепада уровней автоматически включаются про¬ мывное устройство 10 и электродвига¬ тель 3, вращающий барабан со ско¬ ростью 1,25—5,0 об/мин. Загрязненная сетка очищается при промывке ее отдельных участков очи¬ щенной водой, подаваемой из разбрыз¬ гивающего промывного устройства 10. Вода к промывному устройству подает¬ ся под напором 0,15—0,2 МПа. Расход воды на промывку микросеток в бара¬ банных сетках не должен превышать 0,5 %, в микрофильтрах — 1,5 % от количества воды, подаваемой на станцию. Наружная поверхность трубы, по ко¬ торой поступает очищаемая вода, слу¬ жит опорой одного из подшипников, на котором вращается барабан микро- сита. Опорой второго подшипника ба¬ рабана служит труба 4, через которую отводится загрязненная промывная во¬ да из водосборного лотка. Максимальный уровень воды внутри барабана 1 должен быть на 10 см ниже кромки воронки сбора промывной во¬ ды 5. Интенсивность фильтрования на мик¬ рофильтрах принимают из расчета 10— 25 л/с на 1 м2 полезной площади микро¬ сетки, погруженной в воду. Потери на¬ пора при процеживании воды на микро¬ сетке составляют около 0,2 м, а общие потери напора на установку не превы¬ шают 0,5 м. Линейная скорость вращения бара¬ бана не должна превышать 0,1 —0,3 м/с. Следует предусматривать периодичес¬ кую интенсивную промывку фильтрую¬ щих элементов с максимальным расхо¬ дом воды 5 %. При проектировании станций подго¬ товки воды с микрофильтрами и барабан¬ ными сетками предусматривают такое количество резервных агрегатов: при количестве рабочих агрегатов 1—5 ре¬ зервных 1, 6—10—резервных 2, 11 и более — резервных 3. В СССР выпускаются микрофильтры с диаметром барабана 1,5—3 м, длиной 1—4,5 м и производительностью 4— 45 тыс. м3/сут. По данным работы некоторых водо¬ очистных станций, благодаря установ¬ ке микрофильтров расход промывной во¬ ды на фильтрах уменьшился вдвое, расход коагулянта — в 2,5 раза, сни¬ зилась на 25 % потеря напора, фильтро- цикл удлинился на 25—40 %. В процессе эксплуатации микрофильт¬ ров и барабанных сеток необходимо обеспечивать поступление одинаковых количеств воды на каждый агрегат, следить за работой промывного устрой¬ ства, исправностью сетчатых элементов, привода и подшипников. Во избежание повреждения фильтрующих элементов при включении в работу камеру фильт¬ ров заполняют водой постепенно, ре¬ гулируя степень открытия задвижки или шибера. Профилактический ремонт фи¬ льтров ведут при минимальном содер¬ жании в исходной воде примесей и в пе¬ риоды наименьшей нагрузки. 9.4. Акустические сетчатые фильтры Акустические сетчатые фильтры при¬ меняются для предварительного освет¬ ления вод, содержащих высокодиспер¬ сные глинистые и другие взвеси круп¬ ностью более 20 мкм. При содержании в исходной воде до 6000 мг/л взвеси эффект осветления достигает 60 %. В результате создания упругих колебаний звукового диапазона частот электромаг¬ нитным вибратором в акустических фильт¬ рах происходит непрерывная регенера¬ ция фильтрующего элемента. Акустический фильтр (рис. 9.5) пред¬ ставляет собой круглый (в плане) резер- 121
Рис. 9.5. Схема акустического фильтра. вуар высотой 1,2—1,4, диаметром 0,4— 0,6 м, состоящий из металлического корпуса /, в котором расположены фильтрующий элемент 2 и сильфонные уплотнения 11 Фильтрующий элемент выполнен в виде перфорированного ста¬ кана из нержавеющей стали с располо¬ женными в шахматном порядке отвер¬ стиями диаметром 4—5 мм, обтянутого микросеткой с размером ячеек 100—125 мкм. Штоком 7 стакан соединен с пли¬ той 6, прикрепленной к корпусу элек¬ тромагнитного вибратора 5, который опирается на четыре пружины 8, вы¬ полняющие роль амортизатора. Обрабатываемая вода поступает в кор¬ пус фильтра / по трубе 4 со скоростью 80—150 м/ч, проходит через фильтрую¬ щий элемент, осветляется и отводится по трубе 9. В результате возвратно¬ поступательного движения фильтрующе¬ го элемента частички механических при¬ месей на сетке не осаждаются и не про¬ исходит ее кольматация. Под действием силы гравитации они постепенно осаж¬ даются в конусной части фильтра и че¬ рез систему оттарированных насадок 10 непрерывно отводятся в канализацию. Расход воды со шламом составляет 3— 5 % полезной производительности аку¬ стического фильтра. 9.5. Медленные фильтры Медмнные фильтры применяются для безреагентного осветления и частичного обесцвечивания воды поверхностных ис¬ точников, если цветность ее не превы¬ шает 50 град. По способу регенерации фильтрующей загрузки различают сле¬ дующие конструкции медленных фильт¬ ров: с удалением загрязненного слоя и отмывкой его вне фильтра; с отмывкой загрязненного слоя на фильтре при ме¬ ханическом рыхлении и смыве загряз¬ нений. При нормальной работе фильтров (по¬ сле образования фильтрующей пленки) достигается полное осветление воды, понижение цветности на 15—30 %, снижение количества бактерий (в том числе и кишечной палочки) на 95—99 %, уменьшение окисляемости примерно на 20—40 %, полное удаление аммиака, азотной кислоты, кислорода. Метод мед¬ ленного фильтрования обеспечивает вы¬ сокую степень очистки воды, не требует применения реагентов. Стоимость очист¬ ки воды в 3—5 раз меньше по сра¬ внению с реагентным методом на скорых фильтрах. , К недостаткам медленных фильтров относятся их значительная стоимость, непригодность для обработки высоко¬ цветных вод, трудоемкость очистки фи¬ льтрующей поверхности и большая площадь. Поэтому на отечественных водопроводах они мало распростра¬ нены. Медленные фильтры представляют со¬ бой железобетонные или кирпичные ре¬ зервуары прямоугольной или круглой (в плане) формы, открытые или закры¬ тые, заполненные фильтрующим мате¬ риалом — кварцевым песком, уложен¬ ным на поддерживающие слои с соответ¬ ствующей дренажной системой. Высоту слоя кварцевого песка принимают при его крупности, мм: 0,3...! — 500 мм; 1...2 и 2...5— по 50 мм; гравия или щебня при крупности 5...10 и 10... ..20 — по 50 мм; 20. 40—50 мм. Об¬ щая высота слоя загрузки — 750 мм. Медленные фильтры оборудуются дре¬ нажем из перфорированных труб, кир¬ пича или бетонных плит, уложенных с прозорами, рекомендуются также по¬ ристый бетон, керамические плиты и др. Конструктивное оформление медлен¬ ных фильтров и их расположение в общей схеме очистных сооружений за¬ висит от местных условий и состава 122
сооружений. В их конструкциях должны быть предусмотрены трубопроводы, обеспечивающие подачу чистой воды снизу вверх для наполнения фильт¬ ра перед пуском, сброс первого фильтра¬ та в канализацию, подачу осветляемой воды на фильтр сверху на уровне пес¬ ка во избежание его размыва. При эксплуатации медленных фильт¬ ров рекомендуется поддерживать сле¬ дующие скорости фильтрования: при содержании взвешенных веществ в ис¬ ходной воде до 25 мг/л для всех фильт¬ ров — 0,2 м/ч, при одном выключенном на очистку фильтре — до 0,3 м/ч, при содержании взвешенных веществ свы¬ ше 25 мг/л — соответственно 0,1 и 0,2 м/ч. Фильтры должны работать непре¬ рывно, по возможности без остановок в течение суток; выключать и включать их следует постепенно. Высоту слоя воды над поверхностью загрузки сле¬ дует принимать равной 1,5 м. Грязеемкость медленных фильтров за¬ висит от свойств взвеси, поступающей с водой. Обычно один раз за 10—30 сут после исчерпания грязеемкости их ос¬ танавливают для очистки, которая за¬ ключается в удалении верхнего загряз¬ ненного слоя песка толщиной 15—20 мм. При этом воду в фильтре опускают на 200—250 мм ниже поверхности песка, после чего снимают загрязнен¬ ный слой. После 10—15 очисток фильтр догружают промытым песком до начальной толщины фильтрующего слоя. Удаляют из медленного фильтра за¬ грязненный песок, а также догружают его чистым песком до проектной отмет¬ ки гидроконвейером, удаляемый песок помещают в бункер, откуда гидрокон¬ вейером подают на пескопромывной се¬ паратор — пескомойку. Если загрузку отмывают непосред¬ ственно в фильтре с механическим рых¬ лением и гидроуправлением загрязне¬ ний, ширина секций фильтров должна быть не более 6 м, длина — до 60 м. Каждая секция оборудуется трубопро¬ водами: для подвода воды (с поплавко¬ вым клапаном), для отвода фильтрата (с регулятором скорости фильтрации), для отвода промывных вод и для полно¬ го опорожнения секции. Воду для регенерации фильтрующей Рис. 9.6. Схема медленного самопромывающегося фильтра конструкции О. М. Айрапетова а — разрез; б — план; / — фильтр; 2 — шандоры; 3 — резервуар чистой воды; 4 — водоподъемная пло¬ тина; 5 — канал; 6 — гравий; 7 — песок крупностью 0,3—2,0 мм. загрузки подают специальным насосом или из бака. Расход воды W0 на смыв загрязнений с одной секции фильтра определяют по формуле wc = qcbtc, где qc — удельный расход воды на смыв загрязнений с полосы шириной 1 м (при¬ нимается равным 0,009 м3/с); b — шири¬ на секции, м; tc — длительность перио¬ да смыва загрязнений с одной полосы (принимается в пределах 8 мин), с. Из медленного фильтра конструкции О. М. Айрапетова загрязненный песок удаляют потоком воды, направленным вдоль фильтрующего слоя. Такой фильтр состоит из двух отделений (рис. 9.6), рас¬ положенных параллельно каналу (ары¬ ку). Водоподъемная плотина в канале направляет по лотку часть воды для ос¬ ветления на отделения фильтра, созда¬ вая при этом перепад уровня воды в канале 20—25 см. Прошедшая сквозь слой кварцевого песка вода отводится через дренаж по трубопроводу в резер¬ вуар чистой воды. При работе фильтров входные шандоры открыты, а выходные закрыты. Для смыва загрязнений с пес¬ ка закрывают задвижку на трубопро¬ воде отфильтрованной воды, а выход¬ ные шандоры приподнимают на 2—3 см над фильтрующей поверхностью; вход¬ ные шандоры, наоборот, прикрывают так, чтобы под их нижней кромкой осталась щель такой же высоты. При этом вдоль поверхности песка в фильтре возникает поток воды (из верхнего бьефа канала в нижний), движущийся со скоростью 123
0,25—0,30 м/с, который и смывает с по¬ верхности фильтрующего слоя загряз¬ нения. 9.6. Предварительные фильтры Предварительные фильтры (префильтры) рекомендуют использовать для предва¬ рительного осветления воды с мутностью Крупность зерен, мм 1—2 2—5 Высота слоя, мм 700 100 Число фильтров должно быть таким, чтобы можно было выключить на ремонт один фильтр (если общее число фильт¬ ров не превышает 10) или два фильтра (при большем их количестве). Скорость фильтрования воды в оставшихся в ра¬ боте фильтрах не должна превышать значений, рекомендованных для ско¬ рых крупнозернистых фильтров. Высоту слоя воды над поверхностью фильтрующего слоя в префильтрах при¬ нимают равной 1,5 м. Загрузку в них промывают потоком отфильтрованной во¬ ды, направленным снизу вверх. Распре¬ делительная система промывки должна обладать большим сопротивлением. Ин¬ тенсивность промывки следует прини¬ мать в пределах 12—14 л/(с • м2) в те¬ чение 6—7 мин. Промывную воду из пре- фильтров отводят по навесным желобам, верхнюю кромку которых располагают на 40—50 см выше фильтрующего слоя. Префильтры в районах с мягким кли¬ матом, а также в случаях, когда они эксплуатируются только в периоды па¬ водков или высокой мутности воды в источнике, можно располагать на от¬ крытом воздухе. При этом в здании раз¬ мещаются задвижки, регуляторы ско¬ рости фильтрования и пульты управле¬ ния; необходимо также предусматривать возможность полного сброса воды из префильтров и трубопроводов в зимний период. 9.7. Крупнозернистые фильтры Крупнозернистые фильтры применяют для частичного осветления воды, исполь¬ зуемой для производственных целей, с коагуляцией или без нее. Количество свыше 50 мг/л перед подачей ее на мед¬ ленные фильтры. Скорость фильтрования воды на них поддерживают в зависимости от ее мутности в пределах 3—5 м/ч. Если мутность воды не превышает 100 мг/л, то скорость фильтрования принимают равной 5 м/ч. При большей мутности ее уменьшают. Рекомендуются такие крупность зерен и высота слоя загрузки префильтров: 5—10 10—20 20—40 100 100 150 задерживаемой фильтрами взвеси без коагуляции составляет 50—70 % со¬ держащихся в воде загрязнений, с коа¬ гуляцией — остаточная мутность до¬ стигает 3—5 мг/л. Загружают крупнозернистые фильтры кварцевым песком или другими материа¬ лами, обладающими необходимой меха¬ нической прочностью и химической стой¬ костью. При размере зерен песка 1— 2 мм высота слоя загрузки составляет 1,5—2 м, скорость фильтрования 10— 12 м/ч, при размере 1,6—2,5 мм — со¬ ответственно 2,5—3 м и 13—15 м/ч. Грязеемкость крупнозернистых филь¬ тров благодаря применению загрузки большой крупности значительно воз¬ растает, а расход промывной воды умень¬ шается. Однако с увеличением диаметров зерен фильтрующего слоя снижается его задерживающая способность, что обусловливает необходимость увеличе¬ ния толщины слоя. Для промывки крупнозернистых фильтров применяют дренажные систе¬ мы, способные подавать воду и воздух. При расчете и конструировании этих систем исходят из следующего режима промывки фильтра: взрыхление фильт¬ рующей загрузки воздухом с интенсив¬ ностью 15—25 л/(с • м2) — 1 мин; водо¬ воздушная промывка — 3,5—5 л/(с -м2) воды, 15—25 л/(с м2) воздуха — 5 мин; отмывка водой с интенсив¬ ностью 7—9 л/(с • м2) — 3 мин. Площадь крупнозернистых фильтров F определяют по формуле Q ~ tpVp — 3,6л (UVj + uy2 + W3t3) - ntiVp ' где Q — полезная производительность фильтров, м3/сут; t9 — продолжитель¬ 124
ность работы станции в течение суток, ч; ур — расчетная скорость фильтрова¬ ния, м/ч; п — число промывок каждо¬ го фильтра в течение суток; Wx, W2, W3 — соответственно интенсивности пер¬ воначального взрыхления загрузки, подачи воды и отмывки загрузки, л/(с • м2); tlt /2, t3 и ti — соответствен¬ но продолжительности первоначального взрыхления фильтрующей загрузки, во¬ довоздушной промывки, отмывки и про¬ стоя фильтра из-за промывки, ч. При высоких скоростях фильтрования, в 10 раз и более превышающих скорости скорых безнапорных фильтров, про¬ должительность фильтроцикла сущест¬ венно сокращается. Если фильтроцикл при скорости фильтрования 5 м/ч со¬ ставляет в среднем 15—20 ч, то при уве¬ личении скорости до 50 м/ч — только 0,75—1 ч. Разработанная Г. Н. Никифоровым и сотрудниками система автоматизации работы этих фильтров позволяет полу¬ чать требуемое качество воды при ско¬ рости фильтрования 35—50 м/ч. 9.8. Скорые безнапорные фильтры Скорые безнапорные фильтры предна¬ значены для удаления из воды взвешен¬ ных и коллоидных частичек после реа^ гентной обработки воды или без нее. При скорости фильтрования 5—14 м/ч они обеспечивают качество воды в со¬ ответствии с ГОСТ 2874—82. Мутность воды, подаваемой на скорые фильтры, не должна превышать 8—15 мг/л. В скорых безнапорных фильтрах пе¬ репад давления создается за счет раз¬ ности уровней воды в фильтре и в ре¬ зервуаре чистой воды. По направлению движения воды они разделяются на одно- и двухпоточные! В первых во¬ ду фильтруют сверху вниз, во вторых — одновременно сверху вниз и снизу вверх. Скорые фильтры рассчитывают для работы в нормальном и форсированном режимах. Работа фильтров форсирует¬ ся в тех случаях, когда кроме обычно¬ го отключения их на промывку один или два фильтра останавливаются на ре¬ монт. Если фильтров на станции до 20, следует предусматривать возмож¬ ность выключения на ремонт одного из них, при большем количестве фильт¬ ров — двух. Продолжительность фильтроцикла при нормальном режиме должна составлять не менее 8—12 ч и лишь при форсиро¬ ванном режиме или полной автоматиза¬ ции промывки фильтров может быть равной 6 ч. Фильтров на станциях про¬ изводительностью более 1600 м3/сут долж¬ но быть не менее четырех. 9.9. Скорые фильтры с однослойной загрузкой Открытые скорые фильтры с одно¬ слойной загрузкой (рис. 9.7) представ¬ ляют собой прямоугольные (в плане) железобетонные резервуары площадью 100—120 м2, загруженные фильтрующи¬ ми слоями зернистого материала с под¬ держивающими слоями гравия, под ко¬ торыми размещена дренажная система для сбора отфильтрованной и равномер¬ ного распределения промывной воды. Их загружают кварцевым песком, дроб¬ леным антрацитом и другими зерни¬ стыми материалами, удовлетворяющими санитарно-гигиеническим требованиям и обладающими необходимой механической прочностью и химической стойкостью. Высота слоя загрузки зависит от диа¬ метра ее зерен. При диаметре зерен квар¬ цевого песка 0,5—1,2 мм высота слоя составляет 700—800 мм; 0,7...1,6—1300... ...1500 мм; 0,8...2,0—1800...2000 мм. Для сбора промывной воды и подвода осветляемой воды из отстойников или осветлителей в верхней части фильтров предусматривают желоба и другие ус¬ тройства. Вдоль фильтров размещают арматуру управления, обеспечивающую подвод Рис. 9.7. Схема открытого скорого фильтра: / — отвод отфильтрованной воды: 2 — подача про¬ мывной воды; 3 — выпуск загрязненной промывной воды; 4 — подача осветляемой воды; 5 — распреде¬ лительный карман; 6 — желоба для распределения фильтруемой и для отвода- промывной воды; 7 — дре¬ нажная система; 8 канализационный канал. 125
воды, отвод фильтрата, подачу промывной воды, сброс воды после промывки фильт¬ рующих слоев. Кроме того, предусмат¬ ривают регуляторы скорости фильтро¬ вания или расходомеры для фильтрата с регулятором. Площадь F таких фильтров опреде¬ ляют по формуле Р = 9. *Р°р.Н ~ 3-блШ1 — nt2Vp.B ' где Q — полезная производительность станции, м3/сут; tp — продолжитель¬ ность работы станции в течение суток, ч; Ур.н — расчетная скорость фильтро¬ вания при нормальном режиме, м/ч; п — число промывок каждого фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуа¬ тации; W — интенсивность промывки, л/(с • м2); tu /2 — соответственно продолжительности промывки и про¬ стоя фильтра в связи с промывкой, ч. Скорость воды в подводящих трубо¬ проводах и каналах должна составлять 0,8—1,2 м/с, высота слоя воды над за¬ грузкой фильтра не менее 2 м. При форсированном режиме работы фильтров трубопроводы и каналы долж¬ ны обеспечить следующие скорости воды, м/с; подающие на фильтр отстоянную воду — 0,8—1,2, отводящие отфильтро¬ ванную воду — 1,0 —1,5; подающие про¬ мывную воду и отводящие ее в канали¬ зацию— 1,6—2,0. Опорожнение филь¬ тра предусматривают через распре¬ делительную систему и спускную тру¬ бу диаметром 100—200 мм (в зависи¬ мости от площади фильтра). Входное отверстие трубы защищают сеткой или решеткой. Уклон днища фильтра в на¬ правлении сбросного трубопровода со¬ ставляет 0,005. 9.10. Скорые фильтры с двухслойной загрузкой В скорых фильтрах с двухслойной за¬ грузкой последняя состоит из отдельных слоев песка (при диаметре зерен 0,50— 1,25 мм высота слоя составляет 600— 700 мм) и антрацитовой крошки (при диаметре зерен 0,8—1,8 мм высота слоя составляет 400—500 мм). Скорость фильтрования при нормальном режиме должна составлять 8—10, при форсиро¬ ванном— 10—12 м/ч. В верхней ча¬ сти фильтра помещают крупнозернистый материал, поэтому плотная пленка за¬ грязнений не образуется, поскольку они отлагаются в большом поровом простран¬ стве фильтрующего слоя. В результате этого примерно в 2—2,5 раза возрастает грязеемкость фильтра, и предоставляется возможность увеличить скорость филь¬ трования, а также удлинить фильтро- цикл. Особенно перспективно применение этих фильтров при очистке воды, со¬ держащей большое количество фито¬ планктона, что наблюдается при цве¬ тении водоемов. Они пригодны также для умягчения и обезжелезивания во¬ ды. Конструктивно такие фильтры анало¬ гичны обычным скорым фильтрам с однослойной загрузкой. Особенностью их оборудования является формирова¬ ние раздельных слоев песка и дроблен¬ ного антрацита, что достигается после¬ довательной тщательной сортировкой их в процессе промывки. В некоторых слу¬ чаях вместо антрацита используют ак¬ тивированный уголь; при этом в фильт¬ рующем слое наряду с осветлением про¬ исходит обесцвечивание и дехлориро¬ вание воды. 9.11. Фильтры АКХ В основу двухпоточных скорых фильт¬ ров АКХ (рис. 9.8) положен принцип двухстороннего фильтрования воды с отводом фильтрата трубчатой дренаж¬ ной системой, расположенной в толще фильтрующего слоя. Пространство 1 над поверхностью песка 5 соединяется трубопроводом 2 с поддонным простран¬ ством 3. Дренажная система 4 распо¬ ложена на расстоянии 50—60 см от
поверхности песка. Часть исходной во¬ ды направляется в дренажную систему, фильтруясь через слой песка blt а дру¬ гая часть по трубопроводу 2 подается в поддонное пространство 3, а оттуда — в дренажную систему 4 снизу вверх че¬ рез слой песка Ь2. Фильтрование основной массы освет¬ ляемой воды снизу вверх сначала через слой крупного, а затем через все более мелкий песок обеспечивает повышение грязеемкости и производительности фи¬ льтра при сокращении расхода воды на промывку. В нижней части такого фильт¬ ра располагают трубчатую распредели¬ тельную систему. Над ней помещают гравийные поддерживающие слои, на которые укладывают слой песка. Часть воды из отстойника подают в сборный карман фильтра, откуда она поступает по желобам на верхнюю часть загрузки. Основная же масса воды через распределительную систему поступает в нижнюю часть фильтрую¬ щего слоя. Очищенную воду собирают и отводят в коллектор дренажными тру¬ бами, расположенными на 500—600 мм ниже поверхности песка. Промывную воду собирают и отводят в сборный ка¬ нал и трубопровод сточной воды жело¬ бами (рис. 9.9). Фильтр загружают отмытым кварце¬ вым песком крупностью 0,5—1,6 мм. Поддерживающие слои гравия укла¬ дывают так же, как и в однопоточных ско¬ рых фильтрах. Расчетная скорость филь¬ трования для фильтров АКХ, составляю¬ щая 10—12 при нормальном и 12—15 м/ч при форсированном режимах, представ¬ ляет собой сумму скоростей потоков во¬ ды через нижний и верхний слои зерни¬ стой загрузки. Во время работы фильтра скорость фильтрования через нижний слой загрузки увеличивается, а через верхний слой в связи с малой грязеем- костью его — уменьшается. К концу фильтроцикла скорость фильтрования через нижний слой достигает 80 % сум¬ марной скорости. При промывке фильтров воду снача¬ ла подают в дренажную систему для взрыхления верхнего фильтрующего слоя, затем подключают основную про¬ мывку через нижнюю распределитель¬ ную систему при одновременной по¬ даче воды в дренаж с минимальной Рис. 9.9. Схема устройства фильтра АКХ: / — нижний дренаж; 2 — желоб; 3 — дренаж внутри з^рузки; 4 — трубопровод. интенсивностью для создания проти¬ водавления, препятствующего попада¬ нию в него загрязнений из нижних слоев. После окончания промывки подачу во¬ ды снизу прекращают, а сверху подают еще некоторое время для очистки ще¬ лей дренажных труб. Нижняя распределительная система фильтров АКХ аналогичная трубчатой системе большого сопротивления одно¬ поточных скорых фильтров. Дренажная система фильтров АКХ состоит из щелевых винипластовых, ас¬ бестоцементных или прочных полиэти¬ леновых труб. Щели располагают ря¬ дами параллельно оси труб в шахматном порядке. Длина щелей в винипластовых трубах — 45—60, в асбестоцементных — до 100 мм; ширина их — 0,4—0,5 мм (1,5—2 % площади фильтра). Расстоя¬ ние между рядами щелей по внутренней поверхности составляет не менее 10, меж¬ ду смежными щелями в ряду по наруж¬ ной поверхности — 15—20 мм. Ско¬ рость движения воды в дренажных тру¬ бах не должна превышать 1 м/с. Стыки дренажных труб жестко укрепляют на опорах из стальных труб или балок прокатных профилей, расположенных перпендикулярно к оси дренажных труб. Обычно расстояние между опорами при¬ нимают равным 1,2—1,5 м. В двухпоточных фильтрах значитель¬ но повышается грязеемкость зернисто¬ го фильтрующего материала, но кон¬ струкция и управление их работой зна¬ чительно сложнее, чем обычных скорых и двухслойных фильтров. 127
9.12. Промывка скорых безнапорных фильтров Потери напора для скорых открытых фильтров принимают 3,0—3,5 м. Ско¬ рые фильтры загрязняются значительно быстрее, чем медленные. Поэтому про¬ мывают их один-два раза в сутки (в паводки чаще) отфильтрованной водой под необходимым напором. Двигаясь с большой скоростью и значительным гидродинамическим давлением через фи¬ льтрующий материал снизу вверх, во¬ да его разрыхляет и переводит во взве¬ шенное состояние. Зерна фильтрующего материала ударяются друг о друга, на¬ липшие загрязнения попадают в промы¬ вную воду, которая переливается че¬ рез кромки железобетонных желобов и отводится в канализацию. В период выключения одного фильтра на промывку на остальных фильтрах скорость фильтрования сохраняют по¬ стоянной или увеличивают до 20 %. Если на станции обработки воды менее шести фильтров, скорость фильтрования должна оставаться постоянной. Для воз¬ можности приема воды при выключении фильтра на промывку над нормальным уровнем воды в фильтрах, отстойниках, осветлителях и других сооружениях пре¬ дусматривают дополнительную высоту слоя воды. iji-iji Рис. 9.10. Схема трубчатого дренажа большого сопро¬ тивления: 1 — гравий; 2 — фильтрующий слой; 3 — воздуш¬ ная труба; 4 — подача воды для промывки фильтра. 128 Скорые фильтры промывают либо только водой, подаваемой снизу вверх с большой интенсивностью, либо од¬ новременно промывают водой и проду¬ вают воздухом. Равномерное распределение воды по площади скорых фильтров осуществляют дренажными системами с поддерживаю¬ щими слоями или без них. К дренажам с поддерживающими слоями относятся трубчатый дренаж большого и малого сопротивления, дренаж из сборных же¬ лезобетонных элементов и др. В трубчатом дренаже большого со¬ противления равномерность распреде¬ ления воды по площади фильтра дости¬ гается благодаря большому гидравли¬ ческому сопротивлению при проходе промывной воды через отверстия дре¬ нажа; эти сопротивления значительно превышают разность давлений промыв¬ ной воды в различных точках дренажной системы; в дренаже малого сопротивле¬ ния равномерность распределения во¬ ды по площади фильтра достигается за счет малых скоростей движения воды в дренажной системе и малой, вследствие этого, разности давлений в различных точках дренажной системы. Трубчатый дренаж большого сопротив¬ ления может быть выполнен с горизон¬ тальной компенсацией и без нее. Дре¬ наж без горизонтальной компенсации устраивают так, чтобы вода из него при промывке фильтра поступала непосред¬ ственно в толщу поддерживающего или фильтрующего слоя. В дренаже с горизонтальной компен¬ сацией предусматривается поступле¬ ние воды из отверстий системы в свобод¬ ное от загрузки пространство фильтра, где она, двигаясь в горизонтальном на¬ правлении, компенсирует в известной мере возможную неравномерность рас¬ пределения воды дренажной системой. Наиболее распространенным являет¬ ся трубчатый дренаж большого сопротив¬ ления без горизонтальной компенсации (рис. 9.10). Он выполнен как централь¬ ный коллектор с ответвлениями из пер¬ форированных труб с круглыми отвер¬ стиями диаметром 10—12 мм, направ¬ ленными вниз под углом 45°. Разновидностью дренажа большого со¬ противления без поддерживающих гра¬ вийных слоев является трубчатый дре¬
наж со щелевой перфорацией при ши¬ рине щели на 0,1 мм меньше наиболее мелкой фракции фильтрующей загруз¬ ки. Перфорированные трубы во избе¬ жание зарастания и коррозии щелей изготовляют из нержавеющей стали или из пластмассы (например, из виниплас¬ та). Наиболее перспективен дренаж из перфорированных труб из нержавею¬ щей стали с электроискровой нарезкой щелей (1,5—2,0 % площади фильтра). В скорых фильтрах без поддерживаю¬ щих гравийных слоев с водяной и воз¬ душной промывкой целесообразно при¬ менять дренажи из колпачков со щеле¬ выми отверстиями (рис. 9.11). Такие колпачки можно изготовить из пластмас¬ сы, фарфора, нержавеющей стали; за¬ крепляют их в промежуточном (ложном) днище фильтра. Их должно быть не менее 35—50 на 1 м2 площади фильтра. Площадь щелей пластмассового колпачка В-2 составляет 2,88 см2. Они применяются при водовоздушной промывке скорых фильтров, поскольку позволяют равно¬ мерно распределять одновременно воду и сжатый воздух. Щели в верхней части колпачков равномерно расположены по цилиндрическои поверхности; нижние их части выполнены в виде полого ствола с узкой щелью шириной 1,0—1,5 мм и высотой 50—60 мм. Суммарная пло¬ щадь щелей всех колпачков, устанавли¬ ваемых в фильтры, должна составлять 0,8—1,0 % его рабочей поверхности. На рис. 9.12 приведена схема щелевого фарфорового колпачка конструкции Все¬ союзного теплотехнического института им. Ф. Э. Дзержинского. В нижней ча¬ сти колпачок имеет резьбу для наверты¬ вания его на резьбу ниппеля трубча¬ той дренажной системы или на ниппель плиты дренажа с горизонтальной ком¬ пенсацией. Уплотнение на резьбе до¬ стигается с помощью льняной пряди, смазанной суриком. На боковой поверх¬ ности щелевого фарфорового колпачка расположено 24 вертикальные щели дли¬ ной 20 мм каждая. Ширина щели по внешнему диаметру колпачка состав¬ ляет 0,4, по внутреннему — 1,0 мм, об¬ щая площадь щелей одного колпачка — 1,92 см2. Днище желоба для отвода про¬ мывной воды может быть многоугольным или полукруглым (рис. 9.13). Распо¬ лагают желоба параллельно короткой Рис. 9.11. Схема скорого фильтра с кол¬ пачковым дренажем (а) и колпачок В-2 (б). / — фильтрующий слой; 2 — дренаж¬ ные колпачки; 3 — система труб для подачи воздуха; 4 — щели; 5 — резьба для крепления колпачка в промежу¬ точной плите. Рис. 9.12. Схема щелевого фарфорово¬ го колпачка ВТИ-5. 2х 2х а о Рис. 9.13. Схемы желобов для от¬ вода из фильтров промывной во¬ ды: а — площадь сечения желоба F = = 4,0 х2; б — F = 4,57 хК Рис. 9.14. Система низкого (гори¬ зонтального) отвода промывной воды с пескоулавливающим жело¬ бом: / — струенаправляющий выстуя; 2,3 — соответственно отбойная и переливная стенки пескоулавли¬ вающего желоба; 4 — щель для возврата задержанного песка а = = 15...20 мм; f = 30...40 мм. 5 5-2398 129
400 иробень песка Рис. 9.15. Схема устройства для верх¬ ней промывки фильтра с помощью вра¬ щающейся трубы. стороне фильтра так, чтобы расстояние между смежными желобами не превы¬ шало 2,2 м. Для обеспечения равномер¬ ного отвода промывной воды с фильтра переливные кромки желобов устанавли¬ вают на одном уровне и строго горизон¬ тально, поверхность стенок делают глад¬ кой, уклон лотков желобов к сборному каналу должен составлять не менее 0,01. Вынос песка при водовоздушной про¬ мывке фильтров может быть предотвра¬ щен устройством системы горизонталь¬ ного (низкого) отвода воды с пескоулав¬ ливающим желобом (рис. 9.14). Фильт¬ рующую загрузку промывают с интенсив¬ ностью 12—-14 л/ (с • м2). Для осветления высокомутных вод, а также для обезжелезивания и умяг¬ чения воды при соответствующем тех¬ нико-экономическом обосновании мож¬ но применять поверхностную промывку стационарными или вращающимися ус¬ тройствами (рис. 9.15). 1 Рис. 9.16. Схема фильтра с чередующейся промывкой: / — загрузка; 2 — полимербетонный дренаж; 3, 4 — диафрагмы большого и малого сопротивления; 5 — патрубки на входах в дренажные каналы; 6 — желоб для отвода промывной воды. Для стационарной распределительной системы интенсивность промывки со¬ ставляет 3—4 л/ (с • м2) при напоре во¬ ды 0,3—0,4 МПа, для вращающихся устройств — 0,50—0,75 л/ (с • м2) при напоре 0,4—0,5 МПа. Интенсифицировать работу скорых безнапорных фильтров с дренажной си¬ стемой без поддерживающих слоев мож¬ но промывкой с неравномерной подачей воды1. Промывная вода распределяется по площади фильтра (рис. 9.16) с различ¬ ной интенсивностью, в результате че¬ го зерна загрузки в зоне больших ско¬ ростей перемещаются вверх, а в зоне малых скоростей — вниз. За счет перемешивания загрузки во всем объеме фильтра происходит качест¬ венная отмывка зерен и исключается гидравлическая сортировка фильтрую¬ щего материала, приводящая в фильтрах с обычной промывкой к росту потерь на¬ пора, снижению грязеемкости загрузки и сокращению фильтроцикла. 9.13. Скорые напорные фильтры Скорые напорные фильтры (рис. 9.17) широко используются в промышленном водоснабжении для осветления воды по¬ сле обработки ее коагулянтами без пред¬ варительного отстаивания, а также при 1 Владыченко Г. П., Грабовский П. А., Ларкина Г. М., Тюрев В. Ф. Интенсификация работы скорых фильтров за счет промывки с неравномерной интенсивностью,— Химия и тех¬ нология воды.— Т. 3.— №3.— 1981.— С. 252— 254. 130
безреагентном осветлении воды, содер¬ жащей до 50 мг/л взвешенных веществ. Они представляют собой закрытые вер¬ тикальные или горизонтальные резер¬ вуары со сферическими днищами, рас¬ считанные на рабочее давление до 0,6 МПа. Производительность каж¬ дого вертикального фильтра со¬ ставляет 50—90 м3/ч (в зависимо¬ сти от качества исходной воды). Исходная вода поступает в кор¬ пус напорного фильтра 2 по тру¬ бопроводу 8, где распределяется воронкой 1. Пройдя фильтрую¬ щую загрузку, вода через дре¬ нажную систему 3 по трубе 5 отводится в сеть. Воду для про¬ мывки подают через дренажную систему 3 в обратном направ¬ лении. Воронкой 1 по трубе 8, имеющей предохранительный клапан 9, вода отводится в лоток 7. Интенсивность промывки ре¬ гулируется дроссельным клапа- Рис. 9.18. Схема фильтра осветлительного горизонтального однока¬ мерного ФОГ 3,0-6-5,5: / — подвод обрабатываемой воды; 2 — выход отфильтрованной во¬ ды; 3 — подвод промывной воды; 4 — спуск промывной воды; 5 — подвод сжатого воздуха: 6 — спуск первого фильтрата; 7 — гидро¬ выгрузка фильтрующего материала. Рис. 9.17. Схема вертикального напорного фильтра: / — воронка; 2 — корпус; 3 — дренажная система; 4 — люк; 5 — трубы для отвода фильтрата; 6 — по¬ плавок; 7 — лоток для промывной воды; 8 —* трубо¬ провод; 9 — предохранительный клапан. ном с поплавком 6. На боковой поверх¬ ности фильтра расположены люки 4. Диаметр выпускаемых отечественной промышленностью вертикальных напор¬ ных фильтров — 1,0—3,4 м, т. е. мак¬ симальная поверхность фильтрования не превышает 9,1 м2. Увеличение диаметра фильтров сверх 3,4 м приводит к тех¬ ническим трудностям при транспорти¬ ровке. Применяют напорные вертикальные фильтры на станциях с полезной произ¬ водительностью до 5000 м3/сут, т. е. исходя из экономических соображений фильтров должно быть 4—6. Если про¬ изводительность станции большая и при¬ менить открытые железобетонные фильт¬ ры невозможно, устанавливают горизон¬ тальные напорные фильтры (рис. 9.18) диаметром 3 м и длиной 10 м, обеспечи¬ вающие площадь фильтрования до 27 м2. Гравийные поддерживающие слои в напорных фильтрах, как правило, не устраиваются. Дренаж их представляет собой трубчатую магистраль с ответвле¬ ниями, снабженными фарфоровыми и пластмассовыми дренажными колпачка¬ ми или щелями. Для водовоздушной про- jt"- -Ltto- ""1 Л / у »«• ■II/.. ■.>//'.'./// .'■> • ч>: > in} ;*<■/•///; ) "-4 —pCW- 3 п 131
2 Рис. 9.19. Схема сверхскорого фильтра конструкции Г. Н. Никифорова. мывки устраивают специальную распре¬ делительную систему или применяют кол¬ пачки типа В-1 для одновременной пода¬ чи воды и воздуха. Отводят воздух через вантуз, устраиваемый вверху фильтра. Над дренажем располагают фильтрую¬ щую загрузку из кварцевого песка (мра¬ мора, антрацита) с толщиной слоя 1 м. На боковой поверхности фильтра нахо¬ дится два люка, один для загрузки фильт¬ рующего материала, другой — смотро¬ вой. На передней стенке фильтра (фронт фильтра) устанавливаются манометры и трубки с вентилями (для отбора проб фильтруемой воды и фильтрата, выпус¬ ка воздуха, для контроля спуска воды перед промывкой фильтра). Расчетную скорость фильтрования для напорных фильтров принимают: при нор¬ мальном режиме с предварительным от¬ стаиванием — 8, при форсированном — 10 м/ч; при нормальном режиме без от¬ стаивания — 4, при форсированном — 5 м/ч. Промывают фильтры восходящим потоком воды с интенсивностью 15 л/ (с • м2) (загрузка — кварцевый песок и мраморная крошка) и 10 л/ (с • м2) (загрузка — дробленый антрацит) в те¬ чение 6 мин. Сжатый воздух при водо¬ воздушной промывке подают с интенсив¬ ностью 20 л/ (с • м2) в течение 3 мин. Насосные станции второго подъема в случае применения напорных фильт¬ ров не проектируют, поскольку напор насоса, подающего воду на фильтры, обеспечивает не только ее фильтрование, но и подачу в разводящую сеть. 9.14. Сверхскорые напорные фильтры Сверхскорый напорный фильтр констру¬ кции Г. Н. Никифорова (рис. 9.19) ра¬ ботает при постоянном напоре с пере¬ менной скоростью фильтрования, умень¬ шающейся по мере загрязнения фильтра. Начальная скорость фильтрования со¬ ставляет 50—100 м/ч. Фильтр представ¬ ляет собой цилиндрический корпус с цилиндрической камерой внутри. Про¬ странство между цилиндрами разделе¬ но вертикальными перегородками на восемь отсеков-фильтров с песчано-гра- вийной загрузкой. В действии находят¬ ся семь отсеков, а один — на промывке. В связи с тем что фильтр засоряется очень быстро, продолжительность фильт- роцикла в каждом отсеке не превышает 1—2 ч. Фильтруемая вода поступает по тру¬ бе/в распределительный колпак 2, а из него через щели 7 в отсеки-фильтры. Пройдя через фильтры, вода по щелям 8 и центральному цилиндру отводится по напорной трубе 9. Промывка фильтра автоматизирована. В верхней части его вращается патрубок, закрывающий верх¬ нее щелевое окно камеры, которая под¬ вергается промывке, и выключающий ее из работы. Вода на промывку подает¬ ся из междудонного пространства 5. Загрязненная промывная вода через патрубок 3 и центральный стояк 4 от¬ водится к трубе 6. Фильтры переключаются на промывку последовательно специальным автомати¬ ческим устройством. Загружают фильтр кварцевым песком 132
т Рис. 9.20. Схема элемента батареи сверхско¬ рых напорных фильтров конструкции Г. Н. Ни¬ кифорова. с эффективным размером зерен 0,5 мм при толщине фильтрующего слоя 450 мм. / Поддерживающим является слой гра¬ вия толщиной 300 мм. Производительность сверхскорых фильтров при максимально допустимом диаметре составляет 150 м3/ч. Учитывая, что производительность фильтра лимитируется его размерами и при диаметре фильтра 3000 мм не пре¬ вышает 150 м3/ч, Г. Н. Никифоров пред¬ ложил батарейный тип сверхскорых на¬ порных фильтров с автоматической си¬ стемой промывки (рис. 9.20). Все фильт¬ ры, входящие в блок, связаны единым гидравлическим режимом и снабжены автоматическим дистанционным управ¬ лением. 9.15. Фильтры-электролизеры Для очистки воды на небольших авто¬ номных объектах в Институте коллоид¬ ной химии и химии воды АН УССР раз¬ работан типоразмерный ряд напорных фильтров-электролизеров типа ФЭМ (фильтр-электролизер многоцелевой) производительностью 1,3 и 6 м3/ч, пред¬ назначенных для очистки и обеззара¬ живания воды (рис. 9.21). В корпусе фильтра над загрузкой рас¬ положен пластинчатый электролизер, вы¬ полненный из чередующихся алюминие¬ вых пластин и пластин из нержавеющей стали. Расстояние между пластинами 13—15 мм. Электролизер крепится к съемному боковому фланцу, который имеет электрические контакты для под¬ ключения к источнику постоянного то¬ ка. Дозируют коагулянт при анодном растворении алюминия регулировкой си¬ лы тока. Загрузка фильтра состоит из двух слоев: кварцевого песка и керамзита. Фильтр оборудован верхним и ниж¬ ним дренажами. Нижний дренаж вы¬ полнен из фарфоровых колпачков ВТИ-5, укрепленных на съемной панели. Верх¬ ним дренажем служит латунная сетка с размером ячеек, не превышающим диаметров зерен загрузки. В верхней части фильтра расположена камера поплавкового клапана для ав¬ томатического выпуска образующихся в процессе электролиза газов. Регенерируют фильтрующую загруз¬ ку водовоздушной промывкой. При про¬ мывке фильтра под воздействием абра¬ зивных фракций загрузки поверхность электродных пластин очищается от пас¬ сивирующих отложений, образующихся Рис. 9.21. Схема фильтра-электролизера типа ФЭМ: / — песок (d = 0,7... 1,0 мм); 2 — электролизер; 3 — трубка для выпуска газа (воздуха); 4 — патруб¬ ки с фланцами (штуцерами) для присоединения подво¬ дящего трубопровода; 5 — трубопровод для подачи воздуха; 6 — трубопровод для опорожнения фильт¬ ра; 7 *=* карман. 133
в процессе работы фильтра. Использова¬ ние сжатого воздуха интенсифицирует этот процесс и упрощает трудоем¬ кие операции очистки электролизера. Фильтры-электролизеры используются в конструкциях водоочистных установок на речных судах и в схемах кондицио¬ нирования на морских судах. 9.16. Контактные осветлители и фильтры Работа контактных осветлителей и контактных фильтров основана на ис¬ пользовании явления контактной коагу¬ ляции. Контактные осветлители целесооб¬ разно применять на станциях любой производительности при одноступен¬ чатых схемах очистки маломутных цвет¬ ных вод, когда общее содержание взве¬ шенных веществ в поступающей на кон¬ тактные осветлители воде, включая взвесь, образующуюся в результате вве¬ дения в воду реагентов, не превышает 120 мг/л при максимальной цветности 120 град. При большем содержании взвеси в воде резко возрастает расход на промывку контактных осветлителей. Наиболее эффективно применение кон¬ тактных осветлителей, если период мак¬ симальных цветности и мутности не пре¬ вышают 30—50 сут в год, а среднего¬ довая загрязненность воды составляет 20—30 мг/л по взвешенным веществам и 80—100 град, по цветности. Объем сооружений очистки воды с применением контактных осветлителей уменьшается в 4—5 раз по сравнению с объемом сооружений обычного типа (двухступенчатые схемы). На 15—20 % уменьшается также расход коагулянтов. Принцип действия контактных освет¬ лителей основан на том, что на поверх¬ ности зерен загрузки при движении во¬ ды, обработанной коагулянтом, снизу вверх сорбируются коллоидные и взве¬ шенные частички. Контактные осветлители являются своеобразной разновидностью скорых безнапорных фильтров, работающих по принципу пропускания обрабатываемой воды с добавлением коагулянта через слой зернистой загрузки снизу вверх, т. е. в направлении убывания крупности зерен в слое. Отстойников перед контакт¬ ными осветлителями не устраивают. В технологии очистки природных вод рекомендованы контактные осветлите¬ ли КО-1 и ко-з. Схема контактного осветлителя КО-1 приведена на рис. 9.22. Загружают его гравием и кварцевым песком с раз¬ мером зерен 0,7—5 мм; фракций меньше 0,5 мм не должно быть, поскольку они выносятся восходящим потоком воды. Общая высота поддерживающих гра¬ вийных слоев при трубчатом дренаже и их гранулометрический состав такие же, как и в обычных скорых фильтрах. При отсутствии данных технологиче¬ ских испытаний на модельных установ¬ ках общую высоту фильтрующего слоя принимают не менее 3 м при эквивалент¬ ном диаметре зерен 1—1,3 мм и коэф¬ фициенте неоднородности до 2,5. Ско¬ рость фильтрования даже при форсиро¬ ванном режиме (в случае ремонта од¬ ного из контактных осветлителей) не должна превышать 5,5—6 м/ч. Продол¬ жительность рабочего цикла должна быть не менее 6 ч; при нормальном ре¬ жиме она составляет 8—12 ч. Контактные осветлители могут ра¬ ботать в двух режимах: при постоянной скорости фильтрования в течение все¬ го рабочего цикла и со скоростью, по¬ степенно убывающей к концу цикла так, чтобы среднее ее значение равня¬ лось рекомендованному. В первом слу¬ чае предусматривается регулирование подачи воды на осветлители независимо от их количества. Во втором случае необходимо иметь в виду, что при выклю¬ чении одного из осветлителей на промыв¬ ку скорость фильтрования на осталь¬ ных не должна увеличиваться более Рис. 9.22. Схема контактного осветлителя КО-1 с БТРС: а — контактный осветлитель; 6 — схема БТРС; / —подача об¬ работанной и промывной воды; 2 — магистральный канал; 3 — трубы БТРС; 4 — загрузка; 5 — сборные желоба; 6 — отвод филь¬ трата; 7 — отвод промывной во¬ ды. 134
чем на 15 %; это возможно, если их на станции не менее 6. При меньшем числе осветлителей необходимо предусматри¬ вать ограниченную подачу воды в пе¬ риод промывки одного из них. Для промывки контактных осветли¬ телей можно использовать очищенную или неочищенную воду, если мутность последней не превышает 10 мг/л, а ко- ли-индекс — 1000. Промывают их вос¬ ходящим потоком воды, подаваемой с интенсивностью 15—18 л/ (с • м2) в те¬ чение 7—8 мин. Возможно также сов¬ местное применение воды и воздуха. Для равномерного распределения во¬ ды при промывке по всей площади в контактных осветлителях предусматри¬ вают распределительные системы: труб¬ чатую — большого сопротивления с гра¬ вийными поддерживающими слоями и безгравийную. В первом случае соотно¬ шение отверстий распределительной си¬ стемы и площади контактного осветли¬ теля должно составлять 0,20, во вто¬ ром — 0,25—0,27 %. Распределитель¬ ная система контактного осветлителя обязательно должна быть доступной для очистки от засорения. Поэтому ее ма¬ гистральные каналы выполняют такой высоты, чтобы обеспечить доступ к рас¬ пределительным трубам; эти каналы мо¬ гут располагаться у передней стенки и в центре осветлителя. Поскольку поток воды в контактных осветлителях как при работе, так и при промывке направлен всегда снизу вверх, они могут быть оборудованы распреде¬ лительными устройствами без поддержи¬ вающих слоев. В осветлителях с безгра- вийной трубчатой распределительной си¬ стемой (БТРС) под трубами ответвле¬ ний устраивают ячейки, охватывающие одно или два отверстия. Для этого вдоль боковых образующих этих труб прива¬ ривают вертикальные шторки с попереч¬ ными перегородками между ними. В контактных осветлителях КО-1 от¬ фильтрованная вода отводится через сборные желоба с треугольными водо¬ сливами высотой 40—60 мм, расположен¬ ными над поверхностью фильтрующего слоя таким образом, чтобы кромка (верх) сборного желоба была на 1,0— 1,1 м выше поверхности песка. Расстоя¬ ние между осями треугольных водосли¬ вов не должно превышать 100—150 мм. Рис. 9.23. Схемы контактного осветлителя типа КО-3 (а), излива воды при его промывке (б) и дренаж для водовоздушной промывки (в): / — фильтрат: 2 — сырая вода: 3 — подача воздуха; 4 — подача воды на промывку; 5 — отвод промыв¬ ной воды; 6 — отбойный щиток; 7 — перегородки Необходимый напор перед контакт¬ ными осветлителями (от уровня кромок переливных желобов) определяется сум¬ мой потерь напора в загрузке и в под¬ водящих коммуникациях с учетом мест¬ ных сопротивлений, в том числе в рас¬ ходомере для измерения скорости фильт¬ рации. На очистных сооружениях хозяйствен- но-питьевых водопроводов зеркало во¬ ды контактных осветлителей изолируют от коридора управления остекленными перегородками высотой не менее 2,5 м с глухой нижней панелью высотой 1,0— 1,2 м. Контактные осветлители КО-2 с от¬ бором осветленной воды внутри фильтру¬ ющей загрузки по типу фильтров АКХ не получили распространения. В контактных осветлителях КО-3 (рис. 9.23) применяется БТРС и водо¬ воздушная промывка с горизонтальным отводом промывной воды. Отбор освет¬ ленной воды производится без желобов. Нижняя кромка водосливной стенки устанавливается на 20—30 мм выше поверхности фильтрующей загрузки. Воздух подается через трубчатую рас¬ пределительную систему с интенсив¬ ностью 18—20 л/(с • м2) 1,0—2 мин; водовоздушная промывка 6—7 мин с интенсивностью подачи воды 3—3,5 л/(с • м2) и воздуха 18—20 л/(с • м2); последующая промывка водой 5—7 мин с интенсивностью 6—7 л/(с - м2). В контактных фильтрах, работаю¬ щих с использованием контактной коа¬ гуляции, вода с добавленными к ней реагентами (в отличие от контактных осветлителей) фильтруется через зер- 135
Рис. 9.24. Схема контактного фильтра КФ-5: ' — подача реагентов; 2 — распределительная си- втема: 3 — дренаж из пористого бетона нистые загрузки в направлении сверху вниз, т. е. как в обычных скорых фильт¬ рах. Для увеличения грязеемкости фи¬ льтрующей загрузки ее делают двух- или многослойной, а также применяют крупнозернистый материал. Контактные фильтры КФ-2 имеют двухслойную загрузку (антрацитовая крошка крупностью 0,8—1,8 мм, вы¬ сота слоя 0,7 м и кварцевый песок круп¬ ностью 0,5—1,2 мм, высота слоя 0,8 м). В контактных фильтрах КФ-3 загруз¬ ка однослойная крупнозернистая (квар¬ цевый песок крупностью 0,9—1,8 мм, высота слоя 2 м), в КФ-5 (рис. 9.24) — трехслойная (высота каждого слоя по 0,5 м, крупность загрузки керамзита 3—5, аглопорита 2—3, кварцевого пес¬ ка — 0,5—1 мм). Скорость фильтро¬ вания в контактных фильтрах КФ-5 до 20 м/ч, интенсивность промывки — 15 л/(с • м2) в течение 6—8 мин. В контактных фильтрах рекомендует¬ ся применять дренажи без поддержи¬ вающих слоев с распределительной си¬ стемой из керамических пористых пли¬ ток или винипластовых щелевых труб. Грязеемкость их загрузки примерно та¬ кая же, как и у контактных осветлите¬ лей, эксплуатационные затраты не¬ сколько ниже. При использовании кон¬ тактных фильтров отпадает необходи¬ мость в строительстве сооружений или установке специального оборудования для защиты распределительных систем от загрязнения. Рекомендуется применение контакт¬ ных фильтров для прямоточных односту¬ пенчатых схем очистки воды при общем содержании взвешенных веществ до 50— 60 мг/л. 9.17. Самопромывающиеся фильтры В практике водоснабжения применяют¬ ся самопромывающиеся фильтры с гид¬ равлической системой управления про¬ цессом промывки. Специальный об¬ служивающий персонал для их эксплу¬ атации не требуется. Фильтрующий слой в самопромывающихся фильтрах (рис. 9.25) может промываться периоди¬ чески или непрерывно. Осветляемая вода, пройдя распреде¬ литель и воздухоотделитель I, посту¬ В канализацию g канализацию Рис. 9.25. Схема самопромывающегося фильтра с плавающим клапаном (а) и с регулятором скорости про¬ мывки (б).
пает по трубопроводу 9 через гидравли¬ ческий затвор 7 и трубу 8 в напорный фильтр 5. Фильтрат по трубопроводу 3 поступает сначала в промывной бак 11, после наполнения которого вода через сборный трубопровод 4 направляется в резервуар чистой воды. Одновременно постепенно заполняется сифон 10, сво¬ бодный конец которого снабжен регу¬ лятором интенсивности промывки. При достижении определенной потери напора сифон саморазряжается и начинается промывка фильтра. Прекращается промывка после опо¬ рожнения бака 11 и разрыва струи в сифоне 6 вследствие поступления возду¬ ха по трубе 2. Фильтры выключаются на промывку по достижении предельных потерь на¬ пора, поскольку конструктивные осо¬ бенности их не позволяют производить промывку в зависимости от качества фильтрата. В этом их существенный недостаток. Как показывают исследо¬ вания и опыт эксплуатации, эти аппараты имеют недостатки и с технической, и с санитарно-гигиенической точек зре¬ ния. Так, в частности, в области хозяй¬ ственно-питьевого водоснабжения та¬ кие фильтры могут применяться только при очистке воды с весьма малым бак¬ териальным загрязнением, например, при обезжелезивании подземных вод. В самопромывающемся фильтре кон¬ струкции J1. А. Кульского и М. И. Мед¬ ведева (рис. 9.26) промывка осущест¬ вляется с учетом предельной потери напора в фильтрующем слое и качества фильтрата. Отличие данной конструк¬ ции состоит в том, что промывка фильтра осуществляется через сифон, который постоянно заполнен водой. Он включает¬ ся в работу задвижкой с электропри¬ водом. Управляют задвижкой поплав¬ ковыми датчиками потери напора и уров¬ ня в баке промывной воды. С этой целью также могут использоваться электрод¬ ные датчики, устанавливаемые в воздухо¬ отделителе. Непрерывно действующий песчаный фильтр с эрлифтом (рис. 9.27) диаметром 1,6 м и общей высотой 9 м построен на текстильной фабрике фирмы «Симонэко» (Великобритания). Его производитель¬ ность достигает 1350м3/сут и может быть значительно увеличена. Исходная реч- Рис. 9.26. Схема самопромывающегося фильтра кон¬ струкции J1. А. Кульского и М. И. Медведева: / — входная камера; 2 — датчик уровня воды; 3 *— промывной резервуар; 4 — гидравлический затвор; 5 — задвижка с электроприводом; 6 — сифон; 7 — корпус фильтра. Рис. 9.27. Схема непрерывно действующего фильтра с про¬ мывкой песка эрлифтом. ная вода с добавленным к ней коагулян¬ том (30—40 мг/л А12 (S04)3 ) по трубо¬ проводу 7 поступает в среднюю часть фильтра 3, распределяется по проме¬ жуткам между пластинами, проходит через медленно опускающийся слой пе¬ ска, собирается расположенными по пе¬ риферии вертикальными перфорирован¬ ными трубками 4, покрытыми фильтрую¬ щей тканью, после чего подается потре¬ бителю по трубопроводам 6. Загрязнен¬ ный песок забирается эрлифтом из ниж¬ ней части фильтра и по трубе 5 подается в его верхнюю часть 2, где отмывается и снова поступает в фильтр. Промывная вода отводится по трубе 1. Расход во¬ ды на промывку не превышает 2—3 % количества исходной воды. 9.18. Намывные фильтры Намывные фильтры (рис. 9.28) представ¬ ляют собой открытые напорные или ва¬ куумные резервуары, внутри которых 137
Рис. 9.28. Схема установки с намывным фильтром: / — насос для подачи исходной воды; 2 — сброс ис¬ пользованного порошка; 3, 6 — соответственно по¬ дача и отвод воды из фильтра; 4 — фильтрующие эле¬ менты; 5 — корпус фильтра; 7 — подача промывной воды; 8 — смотровой люк; 9 — бак для приготовле¬ ния суспензии фильтрующего порошка; 10 — миксер; 11 — бак для зарядки фильтра; 12 — насос для за¬ рядки; 13 — насос для дозирования суспензии в те¬ чение фильтроцикла. находятся фильтрующие элементы с раз¬ мером ячеек 100—150 мкм (пористые керамические, сетчатые, каркасно-на¬ витые), на которые предварительно на¬ мывают специальные фильтрующие по¬ рошки. В качестве фильтрующих по¬ рошков применяют диатомит, целлюлозу, бентонит, опилки и другие материалы с размером частичек 50—-70 мкм. Перед началом фильтроцикла фильт¬ рованием суспензии специального по¬ рошка через чистые фильтрующие эле¬ менты на их поверхность в течение 3— 5 мин наносится фильтрующий слой. Расход порошка составляет 300—400 г/м2 фильтрующей площади. На намывные фильтры рекомендует¬ ся подавать воду, содержащую до 40 мг/л взвешенных веществ при ее цвет¬ ности до 30 град. При этом примерно в 2 раза снижается содержание органи¬ ческих веществ, удаляются железо, мар¬ ганец, масла и микроорганизмы. За счет разности давлений в корпусе фильтра и внутри фильтрующего элемен¬ та на поверхности последнего удержи¬ вается равномерный слой порошка. Че¬ рез некоторое время на поверхности фи¬ льтрующего порошка может образовать¬ ся плотная пленка, приводящая к рез¬ ким потерям напора. Поэтому режим работы фильтров изменяют. После за¬ рядки фильтра в воду непрерывно или периодически добавляют 3—10 мг/л фильтрующего порошка. Этот прием по¬ могает значительно удлинить фильтро- цикл. Промывают намывные фильтры освет¬ ленной водопроводной водой в тече¬ ние 15 мин подачей ее через фильтру¬ ющие элементы в направлении, противо¬ положном движению воды при фильтро¬ вании. Расход воды на промывку составляет 0,5—0,7 % исходного ее коли¬ чества. 9.19. Эксплуатация фильтров Правильная эксплуатация фильтров должна обеспечивать очистку воды, чтобы ее органолептические показатели удов¬ летворяли требованиям ГОСТ 2874—82. В процессе эксплуатации фильтров сле¬ дует строго соблюдать правила промывки, контролировать состояние поддерживаю¬ щих и фильтрующих слоев, горизон¬ тальность кромок промывных желобов, уровень воды над загрузкой. В период промывки фильтров следят за интенсивностью подачи промывной воды, продолжительностью всего про¬ цесса промывки и отдельных операций, общим расходом воды, равномерностью распределения воды, ходом осветления промывной воды, работой отводящих желобов, расширением слоев фильтрую¬ щей загрузки, качеством их промывки. Поверхность загрузки фильтров как перед промывкой, так и после нее пе¬ риодически осматривают. Перед промыв¬ кой обращают внимание на общий вид загрязнений, толщину пленки, равно¬ мерность ее распределения по поверх¬ ности фильтра, наличие грязевых ско¬ плений, ям, воронок, трещин, отхода загрязнений от стенок. После промывки проверяют состояние фильтрующих ма¬ териалов, наличие недостаточно про¬ мытых мест, остаточного загрязнения, выброса гравийных слоев и др. Обна¬ руженные дефекты устраняют. Загрузку фильтров промывают водой из резервуаров чистой воды. Если при¬ нятым расходом воды необходимая пол¬ нота промывки загрузки фильтра не обес¬ печивается, применяют водовоздушную или поверхностную промывку. Поддерживающие и фильтрующие материалы при загрузке фильтров сле¬ дует укладывать слоями строго горизон¬ тально. Крупность зерен загрузки и вы¬ 138
сота слоя должны соответствовать про¬ екту. Отклонения отметок слоев на от¬ дельных участках не должны превышать 4—5 мм. Горизонтальность слоев можно проверять по уровню воды, напускаемой в фильтр после укладки каждого слоя. Несоблюдение этих требований мо¬ жет привести к смещению слоев загруз¬ ки при промывке фильтров, к утечке песка в резервуары чистой воды, к появ¬ лению воронок в песке, что приводит к необходимости укладки новой загрузки в фильтры. Фильтрующая способность загрузки фильтра может снижаться в результате отложения на поверхности песка органи¬ ческих соединений, частичек глины или микроорганизмов. Восстанавливают фильтрующую способность загрузки об¬ работкой ее 2—3 %-ным раствором кау¬ стической соды на глубину 7—10 см в течение 12—24 ч, после чего фильтр промывают. Одновременно загрузку фильтра обрабатывают хлорной водой с концентрацией хлора 3 г/л. Поскольку под заниженными участ- Глава 10 УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ВОДЫ МЕТОДОМ 10.1. Теоретические основы и классификация методов флотации Гетерофазные примеси из воды можно выделить, используя явление избира¬ тельного смачивания, лежащее в основе процесса флотации. Сущность этого про¬ цесса заключается в специфическом дей¬ ствии молекулярных сил, способствую¬ щих слипанию взвешенных веществ с пузырьками высокодиспергированного в воде воздуха и образованию на поверх¬ ности воды пенного слоя, насыщенного извлекаемым веществом. Элементарный акт пенной флотации состоит в том, что при сближении в воде газового пу¬ зырька с гидрофобной поверхностью ча¬ стички взвеси разделяющий их тонкий слой становится неустойчивым и разры¬ вается при достижении некоторого кри¬ тического значения. Вследствие кратковременности сопри¬ косновения пузырька и частички при их столкновении (0,001—0,002 с) вероят- ками желобов песок промывается более интенсивно, чем под завышенными, в фильтре могут образовываться непро¬ мытые уплотненные зоны с прогресси¬ рующим загрязнением песка. В зонах чистого песка в это время могут появля¬ ться воронки. Поэтому при нарушении горизонтальности кромок промывных же¬ лобов их необходимо выравнивать, до¬ водя до нормы + 2 мм. Необходимо постоянно следить, что¬ бы уровень воды в фильтрах не опус¬ кался ниже 2 м, поскольку возникающее при этом разрежение (по отношению к атмосферному давлению) будет восста¬ навливаться за счет выделяемых из во¬ ды газов. Накапливающиеся в процессе промывки газы могут смещать гравий¬ ную и песчаную загрузки. Эксплуатация напорных и безнапор¬ ных фильтров аналогична. Загружают их через люк, устроенный в корпусе. В процессе работы в корпусе фильтра собирается воздух, для автоматическо¬ го выпуска которого желательно уста¬ новить вантуз с обратным клапаном. ФЛОТАЦИИ ность слипания определяется кинетикой формирования краевого угла смачи¬ вания. Масса флотируемых частичек не долж¬ на превышать силы их прилипания к газовым пузырькам и подъемной силы последних. Оптимальная крупность из¬ влекаемых частичек находится в преде¬ лах 10_3 —10-1 см. Высокодисперсные примеси (частички диаметром менее 5— 10 мкм) флотируются очень плохо и ухудшают извлечение крупных частичек. Интенсификация процесса флотации до¬ стигается гидрофобизацией поверхности дисперсных примесей реагентами, ко¬ торые, избирательно сорбируясь на по¬ верхности частичек, понижают их сма¬ чиваемость, в результате чего улучшает¬ ся прилипание частичек примесей к пу¬ зырькам воздуха. В некоторых случаях флотационную очистку воды сочетают с обработкой ее растворами коагулянтов и флокулянтов. При этом выделяющиеся А1 (ОН)3 или Fe(OH)3 сорбируют загрязняющие во¬ 139
ду примеси, поверхность образующихся сверхмицеллярных агрегатов гидрофоби- зируется либо самими сорбированными веществами, например нефтями, либо добавлением поверхностно-активных веществ. После флотационного разделе¬ ния гидрофобный осадок отработанных гидроксидов занимает значительно ме¬ ньший объем и влажность его ниже, чем осадка, выделенного при отстаивании, что весьма важно, особенно при дезак¬ тивации воды. В качестве гидрофобизирующих фло- тореагентов применяют анионоактивные, катионоактивные и неионогенные по¬ верхностно-активные вещества. Они сор¬ бируются на границе раздела твердая фаза — вода так, что полярные группы обращены к поверхности частичек, а неполярные — в воду, вследствие чего взвешенные вещества гидрофобизи- руются. В случае флотации солей щелоч¬ но-земельных металлов и основных ми¬ нералов-оксидов обычно применяют выс¬ шие жирные кислоты и щелочные мыла, а также анионоактивные вещества — натриевые сульфаты высших спиртов, алкил- и алкиларилсульфонаты, содержа¬ щие углеводородные цепи с 12—18 ато¬ мами углерода. При флотации кварца и кислотных минералов используют ка- гионоактивные вещества — высшие али¬ фатические амины и соли четвертичных аммониевых оснований, содержащие цепи с 12 и более атомами углерода. Для флота¬ ции взвешенных веществ с аполярной поверхностью (уголь, графит и др.) применяют различные масла, в состав которых входят углеводороды. Реагентами-вспенивателями служат ве¬ щества, способные к адсорбции на гра¬ нице раздела вода — воздух и умеренно стабилизирующие пену. Для этих целей используют продукты, содержащие тер- пеновые спирты, одноатомные алифати¬ ческие спирты с 6—8 атомами углерода, крезолы и ксиленолы, монометиловые и монобутиловые эфиры полипропилен- гликолей и др. Для регулирования ще¬ лочности воды применяют известь, со¬ ду, серную или соляную кислоту. Флотацией воду можно освобождать не только от суспензированных твер¬ дых примесей, но и от нефтепродуктов, масел и других эмульгированных жид¬ ких веществ, а также от отдельных ионов растворенных в воде веществ, например радиоактивных. В последнем случае добавляемые реагенты должны образовывать поверхностно-активные комплексы с извлекаемыми ионами. При пропускании через такую систему инертного газа на поверхности в виде пены накапливаются образовавшиеся поверхностно-активные комплексные со¬ единения, содержащие извлекаемую при¬ месь. Если в растворе есть несколько растворенных веществ с различной по¬ верхностной активностью, то в проце¬ ссе флотации возникает перспектива фракционного их разделения. Исследователями установлена перспек¬ тивность дезактивации радиоактивных вод, содержащих Sr90, Y90, Nb95, Cs134, введением в них твердых носителей (гид¬ роксидов железа (III) и алюминия, ферроцианида меди) с последующей фло¬ тацией при добавлении соответствующих флотореагентов. В настоящее время применяется мно¬ жество методов насыщения жидкости пузырьками воздуха, среди которых по размерам пузырьков воздуха или газа можно выделить следующие: флотация с выделением воздуха из раствора — вакуумные, напорные и эрлифтные ус¬ тановки; флотация с механическим дис¬ пергированием воздуха — импеллерные, безнапорные и пневматические установки; флотация с подачей воздуха через по¬ ристые материалы, электрофлотация. 10.2. Флотационные установки Флотационные установки применяют для предварительного осветления и обес¬ цвечивания маломутных цветных вод поверхностных источников (рек, озер, водохранилищ) в хозяйственно-питьевом или при соответствующем обосновании в промышленном водоснабжении. Они устраиваются при строительстве новых и реконструкции действующих водо¬ очистных сооружений (переоборудова¬ ние отстойников, осветлителей со слоем взвешенной контактной среды, отдель¬ ных емкостей и т. д.). Возможность и це¬ лесообразность их устройства в каждом конкретном случае обосновывается тех¬ нологическими испытаниями или опытом работы установок в подобных условиях. 140
Содержание взвешенных веществ в воде, поступающей на флотационные ус¬ тановки (в расчете на высокодисперсную, труднооседающую взвесь), не должна превышать 150 мг/л, цветность — 200 град. В технологии очистки воды практиче¬ ское применение получили пневматиче¬ ские и механические флотационные ус¬ тановки. В пневматических установках насыщение воды воздухом и его диспер¬ гирование осуществляются воздухом, вы¬ деляющимся из воды в результате из¬ менения давления, в механических — турбиной насосного типа. Пневматические флотационные уста¬ новки могут быть напорными и вакуум¬ ными. Установка напорной флотации вклю¬ чает следующие основные технологи¬ ческие элементы: флотационную каме¬ ру, узел подготовки и распределения водовоздушной смеси, систему сбора и удаления флотационной пены. На рис. 10.1 представлена схема фло¬ тационной камеры. Поступающая на обработку исходная вода 1 с введенными в нее реагентами (коагулянт, флоку- лянт, первичный хлор, известковое мо¬ локо и т. д.), пройдя камеру хлопьеобра¬ зования, поступает на осветление во флотационную камеру 2, представляю¬ щую собой прямоугольный или круг¬ лый (в плане) железобетонный резер¬ вуар. Одновременно сюда же дырчатой распределительной системой 10 из напор¬ ного резервуара вводится водовоздуш¬ ная смесь. Мельчайшие пузырьки возду¬ ха прикрепляются к хлопьям скоагули¬ рованной взвеси и поднимают их вместе с загрязнениями на поверхность воды во флотационной камере, образуя слой пены 3. Для создания направленного движения потока воды и предотвращения циркуляции в зоне осветленной воды предусмотрено устройство под углом 60—70° струенаправляющей перегород¬ ки 9. Двигаясь вдоль нее, осветленная вода направляется под подвесную стен¬ ку 5 и через регулируемый водослив 6 отводится в канал осветленной воды 7, из которого по трубопроводу 8 поступает на фильтровальные установки. Для от¬ вода флотационной пены 3 предусмот¬ рены легкие подвесные лотки 4, в кото¬ рые она периодически или постоянно Рис. 10.2. Схема установки для подготовки водовоз¬ душного раствора: / — компрессор; 2, 10 — обратные клапаны; 3 — вентиль; 4, 8 — расходомеры; 5 — напорный резер¬ вуар; 6 — манометр; 7 — предохранительный клапан; 9 — регулирующий клапан; // — насос; 12 — уров¬ немер; 13 — отвод водовоздушной смеси; 14 — под¬ держивающая металлическая или деревянная ре¬ шетка сбрасывается при подъеме уровня воды во флотационной камере 2. Для удаления пены могут применяться также ленточ¬ ные или помещенные на подвижную те¬ лежку скребковые механизмы. Удельная нагрузка на 1 м2 площа¬ ди флотационной камеры составляет 6—8 м3/ч, длительность пребывания воды в ней — 20—30 мин, высота слоя воды — 1,5—2,5 м. Схема установки для подготовки во¬ довоздушной смеси представлена на рис. 10.2. Профильтрованная вода подво¬ дится к насосу, подается в верхнюю часть напорного резервуара, разбрыз¬ гивается дырчатой распределительной системой и стекает тонким пленочным слоем по загруженной в резервуар ке¬ рамической насадке в виде колец Рашига размером 25x25 или 50x50 мм. В ниж¬ нюю часть резервуара компрессором с ра¬ бочим давлением 0,6—0,8 МПа подается воздух, который, двигаясь навстречу стекающей воде, образует водовоздуш¬ ную смесь, поступающую во флотацион¬ ную камеру. Длительность контакта воды и воздуха составляет 2—3 мин. Устой- 141
1 2 J Рис. 10.3. Схема механической флотационной уста¬ новки с центробежным импеллером. чивый режим работы установки обеспе¬ чивается поддержанием постоянного уровня водовоздушной смеси в баке. Это достигается устройством системы ав¬ томатизации, которая координирует ра¬ боту уровнемера 12 и регулирующего клапана 9. Схема наиболее распространенной ме¬ ханической флотационной установки с центробежным импеллером приведена на рис. 10.3. Импеллер 1, представляющий собой диск с радиальными лопатками, укреплен на вертикальном валу 2, по¬ мещенном в обсадной трубе 3. Верхний конец обсадной трубы находится над уровнем пены, а нижний опирается на приемный колпак с присоединенной к нему надимпеллерной крышкой. При вращении импеллера в приемном кол¬ паке создается вакуум, вследствие чего в него засасывается обрабатываемая во¬ да и воздух. Водовоздушная смесь вы¬ брасывается в нижнюю часть камеры, а собирающийся на поверхности слой пены сгоняется в лоток. Очищенная вода отводится из нижней части камеры. Объем W и поверхность F флотацион¬ ных камер рассчитывают по формулам W 117 = 0,025Qt; F = — , h где Q — расход обрабатываемой воды, м3/ч; t — длительность флотации, мин; h — рабочий уровень слоя воды во фло¬ тационной камере, м. Общую высоту камеры принимают на 0,4—0,5 м выше рабочего уровня воды. Флотационные камеры с турбинами насосного типа принимают квадратными (в плане) с длиной стороны Ь, равной 6d (d — диаметр турбины, м). Поверхность /, обслуживаемая одной турбиной, не более 36d2, необходимое число турбин п = F/f. В одной большой камере можно размещать два-три блока флотомашин с самостоятельными воздушными тру¬ бами, отбойниками и приводами. Количества воздуха qB и воды qu2o, засасываемых турбиной, составляют <7в = 0,000278С, ?Нг0 = (хш V 2gH, где С — расход воздуха на единицу пло¬ щади флотационной камеры (принимает¬ ся 40—50 м3/ (м2 • ч)); р, — коэффициент расхода, равный 0,65; со — площадь отверстий, через которые обрабатываемая вода поступает к турбине (принимается 0,008—0,010 м2); g — ускорение сво¬ бодного падения; Н — напор, под ко¬ торым вода поступает к турбине (равен кажущейся плотности обрабатываемой воды, насыщенной воздухом, yh.b: Vb = °>67Vh20' где ун2о — плотность воды, МПа). Статический напор Нст, необходимый для преодоления сопротивления стол¬ ба жидкости над турбиной, составляет где ф — коэффициент напора, равный 0,2—0,3; U — окружная скорость, м/с. Мощность на валу флотационной ма¬ шины N при к. п. д. флотомашины т] = = 0,2...0,3 составляет .. ^н.в^ст ^Н2о) N — . 102г) Число оборотов «об и мощность элек¬ тродвигателя лгэл рассчитывают по фор¬ мулам поб = 60n/nd-, ыэл - KN/H]3JI, где d — диаметр турбины, м; К — коэф¬ фициент запаса, равный 1,1—1,4; т]эл— к. п. д. электродвигателя. Электродвигатель размещают над по¬ верхностью воды во флотационной ка¬ мере с пропуском вала по воздушной трубе. Пеносниматель снабжен отдель¬ ным электродвигателем с редуктором. Скорость вращения пеноснимателя 15 об/мин. Пеносборный резервуар рас¬ считан на полутора-двухчасовое пребы¬ вание обводненного флотируемого ве¬ щества. Объем и высоту камер при напорной флотации также рассчитывают по при¬ 142
веденным ранее зависимостям. Расход потребляемого воздуха составляет при¬ мерно 0,9—1,2 % общего количества об¬ рабатываемой воды. Флотационные установки при подаче воздуха через различные пористые ма¬ териалы по сравнению с рассмотренны¬ ми выше способами насыщения жидкости воздухом отличаются простотой кон¬ струкции флотационных камер, умень¬ шением энергозатрат, отсутствием слож¬ ных механизмов (насосы, импеллеры). Их недостаток — возможность зараста¬ ния и засорения пор и трудность под¬ бора мелкопористых материалов, обес¬ печивающих подачу мелких и близких по размерам пузырьков. В электрофлотационных установках обрабатываемую воду пропускают в по¬ ле между электродами, на поверхности которых образуются пузырьки газа (во¬ дород, кислород). Могут применяться нерастворимые и растворимые электроды. При использовании растворимых элект¬ родов процесс электрофлотации сопро¬ вождается процессом электрокоагуляции, что повышает эффективность флотации. 10.3. Пуск, наладка и эксплуатация флотационных установок Перед пуском флотационных установок должны быть произведены гидравличе¬ ские испытания всех систем и устранены обнаруженные недостатки. В напорных установках особое внимание уделяется испытанию узла подготовки и системы подачи водовоздушной смеси. При этом руководствуются нормативами «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» Госгортехнадзора СССР. Для проверки надежности работы узла подготовки во¬ довоздушной смеси флотационную ка¬ меру заполняют до рабочего уровня пред¬ варительно осветленной или хозяйствен¬ но-питьевой водой. Затем включают на¬ сос, компрессор и устанавливают рабо¬ чие давление и уровень водовоздушной смеси в напорном баке, давление в тру¬ бопроводах и расчетные расходы воды и воздуха. Проверяют визуально рабо¬ ту распределительной системы. Если устойчивая водовоздушная эмульсия (мо¬ лочного цвета) образуется равномерно по всей площади флотационной камеры, работу распределительной системы счи¬ тают нормальной. В период опытной эксплуатации фло¬ тационной установки наблюдают за рав¬ номерностью распределения водовоздуш¬ ной смеси в толще воды, степенью ее осветления, скоростью образования пены. Для осветления воды флотацией ре¬ комендуется использовать очищенные ко¬ агулянты (растворы неочищенных коа¬ гулянтов предварительно отстаивают в течение 20—30 мин). Дозы реагентов и расход водовоздушной смеси подби¬ рают таким образом, чтобы количество взвеси в воде, поступающей на фильтры, не превышало 8—15 мг/л, поскольку повышенное содержание приводит к за¬ грязнению последних воздухом, который собирается, как правило, на поверхно¬ сти взвешенных частичек. Эффективность хлопьеобразования повышают добавле¬ нием флокулянтов и продувкой воды воздухом в смесителях. Дозы флоку¬ лянтов выбирают с учетом конкретных условий и могут изменять по временам года. Во избежание разрушения пены во флотационной камере и исключения воз¬ можности вторичного загрязнения во¬ ды необходимо постоянно следить за равномерностью образования флота¬ ционной пены по всей поверхности ка¬ меры, корректировать периодичность и продолжительность ее удаления. Регулярно, не реже одного раза в три месяца, проверяют работу распредели¬ тельной системы во флотационной каме¬ ре. Поверхность воды при этом пол¬ ностью освобождают от пены. Полное опорожнение флотационной камеры от воды, ее промывку, осмотр и очистку отверстий распределительной системы во¬ довоздушной смеси производят не ре¬ же одного раза в шесть месяцев. При эксплуатации флотационных ус¬ тановок и их оборудования необходимо соблюдать общие правила эксплуата¬ ции водопроводных очистных сооруже¬ ний, санитарные правила и правила техники безопасности. 143
Раздел III УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ ГЕТЕРОФАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Глава 11 ХЛОРИРОВАНИЕ И ИОДИРОВАНИЕ ВОДЫ 11.1. Контроль процесса и методы обеззараживания воды Полное удаление болезнетворных микро¬ организмов при осветлении и обесцве¬ чивании воды Коагулированием с после¬ дующим отстаиванием и фильтрованием не обеспечивается даже при условии предварительного хлорирования воды. Примерно 1—10 % хлоррезистентных бактерий, среди которых могут оказать¬ ся и болезнетворные, сохраняют свою жизнеспособность. Процесс обеззараживания воды кон¬ тролируют, определяя общее число бак¬ терий в 1 см3 воды (микробное число) и количество бактерий группы кишеч¬ ной палочки в 1 л воды после ее обезза¬ раживания. Согласно ГОСТ 2874—82, общее количество бактерий в 1 см3 не¬ разбавленной воды должно быть не бо¬ лее 100, количество бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды (коли- индекс) — не более 3. Объем воды, в котором содержится одна кишечная па¬ лочка (коли-титр), должен быть не ме¬ нее 300 мл. Использование кишечной палочки в качестве контрольного микроор¬ ганизма при оценке эффективности процесса обеззараживания воды обус¬ ловлено тем, что: 1) кишечная палочка всегда присутствует в кишечнике чело¬ века и теплокровных животных; 2) ее наличие свидетельствует о загрязнении воды фекальными сточными водами; 3) она безвредна и является лишь ин¬ дикатором, характеризующим бактери¬ альную загрязненность воды; 4) хлор, озон и другие обеззараживающие сред¬ ства убивают кишечную палочку труд¬ нее, чем другие патогенные микроорга¬ низмы, вызывающие желудочно-кишеч¬ ные заболевания; 5) присутствие кишеч¬ ной палочки в воде определить значи¬ тельно проще, чем другие микроорга¬ низмы кишечной группы. Обеззараживание воды на коммуналь¬ ных и промышленных водопроводах мо¬ жет быть достигнуто применением окис¬ лителей (хлор и его соединения, озон, перманганат калия, иод и др.), термо¬ обработкой, действием ультрафиолето¬ вого и ионизирующего излучения, ультра¬ звука, фильтрованием. Метод обеззараживания воды следует выбирать с учетом: качества воды, эф¬ фективности ее очистки, надежности обеззараживания, технико-экономиче¬ ских соображений, возможности авто¬ матизации процесса, механизации тру¬ доемких работ, условий хранения реа¬ гентов. 11.2. Хлорирование воды. Общие сведения Впервые обработка больших количеств воды хлором была применена в Германии в 1894 г. А. Траубе, который использо¬ вал в качестве реагента хлорную известь. Благодаря хорошим результатам хло¬ рирование воды вскоре получило повсе¬ местное распространение. В 1910 г. в Англии, Германии и США, а затем и в других странах хлорная известь была заменена газообразным хлором. Хлорирование больших количеств во¬ ды в России было впервые осуществлено в 1910 г. как принудительная мера во время эпидемий холеры на Кронштадт¬ ском и брюшного тифа на Нижегородс¬ ком водопроводе. Таким образом, пе¬ риод с 1910 по 1913 г. является началом развития хлорирования питьевых вод в нашей стране. Вначале воду хлориро¬ вали раствором хлорной извести. Первые
опыты по применению газообразного хлора были осуществлены в 1917 г. на Петроградской водопроводной станции. Однако широкое использование газо¬ образного хлора для дезинфекции воды началось лишь в период социалистиче¬ ской индустриализации, когда в 1928— 1930 гг. появились первые аппараты- хлораторы отечественной конструкции. Хлорирование является наиболее рас¬ пространенным, а иногда и единствен¬ ным процессом, используемым на оте¬ чественных водопроводах с целью дез¬ инфекции воды. Хлорируют воду не только из открытых источников, но и почти из всех артезианских скважин. При хлорировании воду обрабатывают газообразным хлором или препаратами, содержащими активный хлор 1 — гипо¬ хлоритами кальция или натрия, хлор¬ ной известью, оксидом хлора (IV), хлор- аминами. 11.3. Хлор и его соединения Хлор — ядовитый газ, в 2,45 раза тя¬ желее воздуха. Может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При атмосфер¬ ном давлении (0,1 МПа) хлор представ¬ ляет собой газ зеленовато-желтого цве¬ та с резким, неприятным запахом. Жид¬ кий хлор (ГОСТ 6718—68) — подвиж¬ ная маслянистая жидкость с плотностью при температуре 15 °С 1,427 г/см3. С понижением температуры до —102 °С хлор твердеет, образуя мелкие кристал¬ лы темно-оранжевого цвета с плотно¬ стью 2,147 г/см3. Растворимость хлора в воде убывает с повышением температуры примерно так: Температура воды, °С 0 1 20 25 Растворимость хлора, г/л 14,60 9,97 7,29 6,40 При охлаждении хлорной воды до температуры замерзания она разделяет¬ ся на чистый лед, лишенный даже запаха хлора, и гидрат С12 • 8Н20. 1 Активный хлор — хлор, входящий в со¬ став хлорсодержащих веществ и способный при определенном значении pH выделять эквивалент¬ ные количества иода из водных растворов ио- дида калия. Жидкий хлор, согласно ГОСТ 5.1288— 72, содержит не менее 99,8 % С12, в воде растворяется плохо. Содержание воды в жидком хлоре составляет не более 0,06 мае. %. Ввиду плохой растворимости жидкого хлора в воде воду на водопро¬ водах хлорируют только газообразным хлором. Хлорная известь СаС120 представляет собой белый порошок с резким запахом и обладает сильными окислительными свойствами. Ее получают воздействием хлора на сухую гашеную известь: Са (ОН)2 -f- С12 -*■ СаС1аО + Н20. Во влажном воздухе под действием оксида углерода (IV) хлорная известь постепенно разлагается с выделением хлорноватистой кислоты: 2СаС1гО + С02 + Н20 -*■ СаС03 + СаС12 + + 2НСЮ. Хлорид кальция, входящий в состав хлорной извести, являясь гигроскопич¬ ным веществом, ухудшает качество ре¬ агента. Поэтому хлорную известь сле¬ дует хранить в затемненном, сухом, вентилируемом помещении в закрытой (но не герметически) таре. Содержание активного хлора в хлорной извести в зависимости от ее марки составляет 32—35 %. Гипохлорит натрия NaCIO • 5Н20 кристаллогидрат, легко переходит в NaCIO • Н20. Получают электролизом раствора NaCl без диафрагмы. При этом вначале выделяются С12 (на аноде) и NaOH (на катоде), которые, взаимо¬ действуя друг с другом, образуют NaClOi С1г + 2NaOH NaCIO + NaCl + Н20. Гипохлорит кальция Са(С10)2 — бе¬ лый порошок с содержанием Са(С10)2 до 90 %, стойкое вещество. Получают насыщением хлором водной суспензии гидроксида кальция при температуре 25—30 °С: 2Са (ОН)2 + 2С12 Са (С10)2 + СаС12 + 2Н30. Содержание активного хлора в гипо¬ хлорите кальция в зависимости от спо¬ соба его получения составляет 40—72 %. Хлорит натрия NaC102 — сильный окислитель. В твердом состоянии он негорюч и не самовоспламеняется, од¬ нако при соприкосновении с органиче¬ скими веществами (древесина, резина 145
и др.) может самовоспламениться. Ра¬ створимость хлорита натрия в воде при температуре 5 °С составляет 340, при 60 °С—550 г/л. При pH=2 хлорит натрия разлагается с образованием С102 и НС1, при pH » 4 разложение заметно за¬ медляется, а при pH « 7 он не разла¬ гается. В щелочных растворах устой¬ чив и может сохраняться длительное время без изменений, если не подвер¬ гается действию солнечного света. Ис¬ пользуют хлорит натрия для получения оксида хлора (IV). Оксид хлора (IV) представляет собой зеленовато-желтый ядовитый газ с бо¬ лее интенсивным запахом, чем у хлора. Оксид хлора (IV) легко взрывается от электрической искры, на прямом сол¬ нечном свету или при нагревании до температуры свыше 60 °С. При сопри¬ косновении со многими органическими веществами С102 взрывоопасен уже при обычной температуре. Окислительный потенциал С102 в кислой среде 1,5 В. Растворимость оксида хлора (IV) в во¬ де при температуре 25 °С 81,06, при 40 °С — 51,4 г/л. Водные растворы его по сравнению с хлорной водой имеют более интенсивную желто-зеленую ок¬ раску. Оксид хлора (IV) получают не¬ посредственно на водопроводных стан¬ циях в результате взаимодействия хло¬ рита натрия с хлором, разбавленной со¬ ляной кислотой или озоном: 2№С102 + С12 2СЮ2 -j- 2NaCl; 5NaC102 + 4НС1 -* 5NaCl + 4C102 + 2H20; 2NaC102 + 03 + H20 2C102 -f 2NaOH + 03. Оксид хлора (IV) имеет преимущества по сравнению с хлором. Он обладает значительно более высоким дезодорирую¬ щим и бактерицидным действием, на¬ личие аммиака в воде не влияет на его окислительные свойства. При обработке вод, содержащих фенолы, не появляют¬ ся хлорфенольные запахи, поскольку фенол практически полностью окисляется СЮ2 до хинона и малеиновой кислоты, которые в малых концентрациях не имеют ни запаха, ни вкуса. Большое значение в санитарной прак¬ тике очистки воды в полевых условиях приобретают органические и неорганиче¬ ские хлорамины. Органическими хлор- аминами называются производные ам¬ миака, у которых один атом водорода замещен органическим радикалом, а вто¬ рой или даже оба оставшиеся водородные атомы — хлором (i^NHCl или iRNCl2). Хлорамины жирного £яда в большин¬ стве случаев жидкости. Некоторые из них дымят на воздухе, легко отщепляют хлор, обладают ярко выраженными окис¬ лительными свойствами и могут быть использованы как хлорирующие реаген¬ ты в тех случаях, когда желательно из¬ бежать побочных реакций, протекающих при хлорировании свободным хлором. Большинство хлораминов жирного ряда растворимо в воде. Почти все хлорамины ароматического ряда являются твердыми кристалличе¬ скими веществами, легко отщепляющими хлор. Они обладают сильными окисли¬ тельными свойствами, в водных раство¬ рах гидролизуют на амид и НСЮ. К этому типу относятся хлорамины тех¬ нических марок Т и Б, представляют собой белые, очень стойкие, растворимые в воде вещества, содержащие соответст¬ венно 29 и 30 % активного хлора; ди- хлорамины Т и Б — белые порошки, содержащие до 52 % активного хлора и растворимые в уксусной кислоте и, наконец, пантосепт — белый порошок, содержащий 26,2 % активного хлора, растворим в водном растворе соды. К неорганическим хлораминам отно¬ сятся вещества, получающиеся в резуль¬ тате взаимодействия хлора с аммиаком или солями аммония. Они обладают окислительными свойствами и потому могут применяться для обеззараживания воды. В некоторых случаях на водоочистных станциях используют хлорирование сов¬ местно с аммонизацией, что также можно рассматривать как процесс обработки воды хлораминами. Из всех перечисленных реагентов в практике обеззараживания воды на оте¬ чественных водопроводах чаще всего применяют хлор и хлорную известь. 11.4. Химизм процесса хлорирования воды Хлор взаимодействует с водой (гидро¬ лиз хлора) по уравнению реакции С12 + Н20 НС1 + НСЮ; НСЮ Н+ +С10-. 146
Рис. 11.1. Формы соединений хлора при различных значениях pH среды: а — С12 — НСЮ — СЮ—; б — мо- нохлорамины — дихлорамины. =1: кг = ■■ 4,05 • 10' *д = 2,7 • 10“ При температуре 25 °С константы гид¬ ролиза К, и диссоциации Кл хлора соответственно равны [НСЮ] [H+J (С!"] IC1J [Н+] [СЮ- IHC10J Хлорноватистая кислота существует только в растворе. Равновесие процесса ее гидролиза зависит от pH среды. Гидролиз гипохлорита кальция (нат¬ рия) и хлорной извести также зависит от pH среды и происходит с образованием гипохлорит-ионов и хлорноватистой кис¬ лоты: NaCIO Na+ + С10~; С10-+Н+ <=> НСЮ. Соотношения между недиссоциирован- ной хлорноватистой кислотой НСЮ и гипохлорит-ионом СЮ- в воде при раз¬ личных значениях pH представлены на рис. 11.1, а. Из рисунка видно, что при pH = 7...8 главным дезинфицирующим соединением является хлорноватистая кислота. Процесс обеззараживания воды хло¬ ром протекает в две стадии: сначала хлор диффундирует через оболочку клетки микроорганизма, затем вступает в реак¬ цию с энзимами. Скорость процесса оп¬ ределяется кинетикой диффузии хлора внутрь клетки и интенсивностью отми¬ рания клеток вследствие нарушения ме¬ таболизма. С увеличением концентрации хлора в воде, повышением ее температу¬ ры и переводом хлора в сравнительно легко диффундирующую, недиссоцииро- ванную форму общая скорость процесса обеззараживания возрастает. С повышением значения pH бактери- цидность хлора в воде уменьшается. На¬ пример,,для снижения количества бак¬ j- pH боды терий в воде на 99 % при дозе свободно¬ го хлора 0,1 мг/л необходимое время контакта увеличивается с 6 до 180 мин при повышении значения pH соответ¬ ственно от 6 до 11. Отсюда вытекает, что воду следует обеззараживать хлором при возможно более низких значениях pH до введения в нее извести или дру¬ гих щелочных реагентов. Присутствующие в воде способные к окислению органические соединения, восстановители, а также коллоидные и взвешенные вещества, обволакивающие бактерии, замедляют процесс обеззара¬ живания воды. Хлор, гипохлоритная кислота и ги¬ похлориты взаимодействуют с присут¬ ствующими в воде аммиаком, аммоний¬ ными или органическими солями, со¬ держащими аминогруппы, образуя при этом моно- и дихлорамины, треххлорис¬ тый азот: НСЮ + NH3 г± NH2C1 + Н20; HC10 + NH2C1 NHC12 + H20; HC10 + NHC12 г± NC13 + H20. При гидролизе полученных соединений выделяется активный хлор, поэтому они также обладают бактерицидным действием. Различают хлор свободный (молекуляр¬ ный хлор, хлорноватистая кислота и гипохлорит-ионы) и связанный (хлор, входящий в состав хлораминов). Сво¬ бодный хлор в 20—25 раз более бакте¬ рициден, чем связанный. В зависимости от pH воды изменяется соотношение между моно- и дихлораминами при вве¬ дении в воду хлора в присутствии аммиа¬ ка (см. рис. 11.1, б). С увеличением pH воды уменьшается содержание связан¬ ного хлора в дихлораминах и увеличи¬ вается остаток его в монохлораминах, бактерицидное действие которых в 3— 20^ 401 60 § ! SO k <3 юо 6 8 10 12 а pH Mb 147
О 0,5 1,0 1,5 Доза введенного хлора, мг/л Рис. 11.2. Хлоропоглощаемость воды при отсутствии (/) и при наличии (2) в ней аммонийных солей: I — моно- и дихлорамины; II — свободный хлор. 5 раз слабее, чем дихлораминов. Бакте- рицидность хлораминов в 8—10 раз выше, чем хлорпроизводных органичес¬ ких аминов и нминов. Это объясняется большой скоростью гидролиза хлорами¬ нов, поэтому гипохлорит-ион выделя¬ ется быстрее. Если источник водоснабжения нена¬ дежен в санитарном отношении, воду из него необходимо обрабатывать таким количеством хлорсодержащего реаген¬ та, чтобы доза остаточного свободного хлора в воде составляла не менее 0,3 мг/л при минимальной длительности контак¬ та 30 мин, т. е. производят пробное хло¬ рирование воды. Для гарантии обеззараживающего дей¬ ствия в воде поддерживают остаточные концентрации свободного или связанного активного хлора. На рис. 11.2 приведе¬ ны зависимости между дозой введенного хлора и остаточным хлором при отсут¬ ствии и при наличии в воде аммиака или аммонийных солей. В первом случае наблюдается монотонно возрастающая кривая, во втором — хлор связывает содержащиеся в воде аммонийные соли в хлорамины и на кривой появляются максимум и минимум. В зависимости от pH воды, при молярном соотношении С12 : NH4" <1:1 будут образовываться моно- и дихлорамины. Поэтому на участ¬ ке кривой до точки А весь остаточный хлор связан в хлорамины. Увеличение дозы хлора приводит к тому, что моля¬ рное соотношение введенного хлора и со¬ держащегося в воде иона NH4" будет больше единицы, после чего начнется окисление моно- и дихлораминов хлор¬ новатистой кислотой по уравнениям NHC12 + NH2C1 + нею N20 + 4НС1; NHC12 + НСЮ ->■ NC13 + Н20; NHC12 + Н20 NH (ОН) Cl + НС1; NH (OH) Cl + 2HC10 -> HNO3 + 3HC1. Максимум на кривой остаточного хло¬ ра при наличии в воде аммиака отвечает образованию монохлорамина, минимум объясняется окислением последнего из¬ быточным хлором по уравнению 4NH2C1 + ЗС12 + Н20 = N2 + NsO + 10НС1. При доведении молярного соотноше¬ ния введенного в воду хлора и содержа¬ щихся в ней аммонийных солей до 2 (10 мг С12 на 1 мг N2 в виде NH4") все хлорамины будут окислены (точка Б) и содержание остаточного хлора умень¬ шится практически до нуля; эта точка называется точкой перелома. При даль¬ нейшем увеличении дозы хлора концен¬ трация остаточного хлора, который на¬ ходится уже в виде свободного активно¬ го хлора и имеет более высокую бакте- рицидность (точка В), начнет повышать¬ ся. Действие его на бактерии и вирусы аналогично действию активного хлора при отсутствии в воде аммиака и аммо¬ нийных солей. На бактерицидный эффект хлориро¬ вания значительно влияет начальная доза хлора и продолжительность сохра¬ нения в воде его некоторой остаточной концентрации. Даже в случае значитель¬ ного бактериального загрязнения доза хлора 1 мг/л обеспечивает удовлетвори¬ тельное качество воды при достаточном времени контакта. Полная дезинфекция при хлорировании такими дозами обычно не достигается. Время контакта колеб¬ лется от 15 с до нескольких часов. Счи¬ тают, что время контакта хлора с во¬ дой, необходимое для ее дезинфекции, составляет от 30 мин до 2 ч. Действие хлора особенно сильно проявляется в течение первого получаса. При этом из патогенных микроорганизмов наибо¬ лее чувствительными к хлору являются бациллы брюшного тифа, дизентерии и холерный вибрион. Паратиф В и мик¬ рококк более резистентны: на споровые формы хлор почти не действует. Количество хлора, поглощаемого при¬ месями, определяется как хлоропоглоща¬ емость воды, которая представляет со¬ бой разницу между количеством вве¬ денного в обеззараживаемую воду хло¬ ра и его концентрацией в воде через не¬ которое время (обычно 30 мин). От хлоропоглощаемости воды зависит необходимая бактерицидная концентра¬ 148
ция остаточного хлора, т. е. она нераз¬ рывно связана с общей хлоропотребнос- тью обеззараживаемой воды, которая представляет собой сумму хлоропогло- щаемости воды и заданной концентра¬ ции остаточного хлора в ней. Это ука¬ зывает на соизмеримость скоростей про¬ цессов дезинфекции и окисления орга¬ нических и неорганических веществ, содержащихся в природных водах. Уве¬ личение хлоропоглощаемости воды улуч¬ шает бактерицидный эффект хлорирова¬ ния ири равной концентрации остаточ¬ ного хлора, так как начальная доза хло¬ ра в этом случае всегда выше. Поскольку количество бактерий в при¬ родной воде не превышает коли-индекса 1000—10 ООО, концентрация остаточ¬ ного хлора 0,5 мг/л при времени контак¬ та 30 мин обеспечивает, как правило, санитарные требования, предъявляемые к воде по бактериологическим показа¬ телям ее качества. Однако при хлорировании с аммони- зацией и обработке воды хлорной из¬ вестью время контакта увеличивают до 1 ч, в случае хлорирования хлорной известью совместно с аммиаком — до I,5 ч. Приближенно необходимую дозу хло¬ ра для воды поверхностных источников принимают 2—3 мг/л, для подземных вод — 0,7—1,0 мг/л. Высокие результаты хлорирования могут быть достигнуты благодаря быстрому и полному переме¬ шиванию хлора с водой. Вводить хлорсодержащие реагенты для обеззараживания воды следует в трубо¬ провод отфильтрованной воды, а для подземных вод, не подвергаемых обра¬ ботке,— перед резервуарами чистой во¬ ды. II.5. Классификация методов хлорирования воды Хлорирование воды — постоянное ме¬ роприятие, осуществляемое на комму¬ нальных водопроводах и станциях по обработке технических и сточных вод. Кроме того, хлорирование проводится и как кратковременное или периодичес¬ кое мероприятие, необходимое для де¬ зинфекции вводимых в эксплуатацию участков водопроводной сети, фильтров, резервуаров чистой воды и т. п. При уточ¬ нении методики хлорирования необхо¬ димо учитывать назначение этого про¬ цесса, наличие и характер имеющихся в воде загрязнений, возможные колеба¬ ния в составе примесей воды и специ¬ фические особенности водоочистных со¬ оружений. Исходя из различных целей хлориро¬ вания существующие методы обработки воды хлором или солями, содержащими активный хлор, можно объединить в две основные группы: постхлорирование и прехлорирование воды. Постхлорирование — это процесс обез¬ зараживания воды, который применя¬ ется после всех других способов ее обра¬ ботки, т. е. является завершающим этапом очистки воды. Если вода не подвер¬ гается другой обработке, кроме обезза¬ раживания, то это будет постхлориро¬ вание, т. е. конечное хлорирование. Постхлорирование может производи¬ ться как небольшими (нормальное хлори¬ рование), так и повышенными дозами хлора (перехлорирование); оно может применяться и совместно с другими обез¬ зараживающими реагентами (комбини¬ рованное хлорирование). Нормальное хлорирование исполь¬ зуется в случае небольшого загрязне¬ ния воды. При этом дозы хлора устанав¬ ливаются такими, чтобы вкусовые ка¬ чества воды не снижались. Количество остаточного хлора после 30 мин контак¬ та воды с хлором допускается не более 0,5 мг/л. Перехлорирование применяется тог¬ да, когда нормальное хлорирование не дает требуемого бактерицидного эффек¬ та или приводит к ухудшению органо¬ лептических показателей воды, напри¬ мер при наличии в воде фенолов. Пере- хлорированием устраняют многие неприятные привкусы, запахи, уничто¬ жают бактерии, очищают воду от неко¬ торых отравляющих веществ (ОВ). Пе¬ рехлорирование питьевой воды не толь¬ ко вызывает гибель микроорганизмов, но и уничтожает некоторые органические вещества, которыми питаются бактерии. Доза остаточного хлора при перехло- рировании обычно устанавливается в пределах 1—10 мг/л. Известны случаи, когда перехлорирование производилось дозами 100 мг/л. Излишек хлора, пре¬ вышающий допустимую в воде норму, 14Э
удаляется дехлорированием. При неболь¬ шом избытке хлор удаляют аэрирова¬ нием, при большом —• химическими ме¬ тодами, например, обработкой воды гипосульфитом, сульфитом или дисуль¬ фитом натрия, аммиаком, дехлорирова¬ нием воды S02, фильтрованием через зе¬ рнистый активированный уголь. Количество гипосульфита натрия, не¬ обходимое для дехлорирования воды, колеблется в широких пределах в зави¬ симости от условий протекания реакции. При избытке гипосульфита натрия ре¬ акция протекает по уравнению 2Na2S203 -(- С12 = Na2S406 + 2NaCl. В этом случае на 1 мг хлора расходует¬ ся 7,1 мг Na2S203 • 5Н20. При недостатке гипосульфита нат¬ рия реакция протекает с образованием коллоидной серы Na2S203 + С12 + Н20 = Na2S04 + 2НС1 + S, причем на 1 мг хлора в этом случае рас¬ ходуется 3,5 мг Na2S203 ■ 5Н20. Используемые на практике соотноше¬ ния между хлором и гипосульфитом нат¬ рия колеблются в пределах 0,8—7,1 по массе. Необходимую дозу гипосульфита натрия обычно определяют пробным дех¬ лорированием. Реакция дехлорирования воды суль¬ фитом натрия описывается уравнением Na2S03 + С1а + Н20 = Na2S04 + 2НС1, причем на 1 мг хлора расходуется 3,5 мг Na2S03 • 7Н20. При использовании сжиженного окси¬ да серы (IV) для дехлорирования воды реакция протекает по уравнению S02 + С12 + 2Н30 = H2S04 + 2НС1. В данном случае на 1 мг хлора требу¬ ется 0,9 мг S02. Этот метод дехлорирования воды дос¬ таточно перспективен. Применение S02 в технике удобно благодаря дешевизне и возможности дозировать его непосред¬ ственно из баллонов или бочек обычной хлораторной аппаратурой. Эффективным является дехлорирова¬ ние воды обработкой ее дозами аммиака, соответствующими образованию и разру¬ шению хлораминов под влиянием избы¬ точного хлора. Соотношение хлора и аммиака в этом случае должно отвечать точке перелома, причем практически на 1 мг избыточного активного хлора необ¬ ходимо ввести 0,13 мг аммиака. Некоторые преимущества по сравне¬ нию с описанными способами имеет дех¬ лорирование воды фильтрованием ее через гранулированный активированный уголь. В этом случае в воду не вводятся дополнительные количества химических веществ. Уголь же поглощает не только избыточный хлор, но и многие другие примеси, благодаря чему органолепти¬ ческие показатели воды значительно улучшаются. Этот процесс протекает автоматически, и контроль за ним не сложен. Для регенерации угольных фильтров их промывают подогретым рас¬ твором щелочи, а затем водой. Прехлорирование воды производится перед другими методами ее обработки. Его можно использовать в качестве хи¬ мического средства, улучшающего не¬ которые процессы очистки воды (напри¬ мер, коагулирование, отстаивание, филь¬ трование, обесцвечивание), как эффек¬ тивный способ ее дезинфекции при зара¬ жении некоторыми ОВ и значительном бактериальном загрязнении. Как правило, прехлорирование осу¬ ществляется большими дозами хлора, но в отличие от перехлорирования оно не требует последующего дехлорирова¬ ния воды, поскольку избыточное коли¬ чество хлора обычно полностью удаля¬ ется при дальнейших процессах ее обра¬ ботки. Избыточный хлор расходуется на окисление различных примесей воды, сорбируется хлопьями коагулянта, окис¬ ляет микроорганизмы, развивающиеся на поверхности и в толще загрузки филь¬ тров, и т. д. Практическое использование процес¬ са хлорирования воды в основном охва¬ тывается пре- и постхлорированием. В практике очистки воды нередко приме¬ няется двойное хлорирование (как пре-, так и постхлорирование). В этом случае к каждому из процессов предъявляют различные требования: первичное хло¬ рирование проводят для подготовки во¬ ды к последующим этапам ее очистки, конечное — обеспечивает необходимую концентрацию остаточного хлора в воде, гарантирующую ее нужное санитарное качество. 150
При очистке малоцветных маломутных вод можно применять раздельную обра¬ ботку воды реагентами. Сущность ее за¬ ключается в том, что в нескольких бло¬ ках очистных сооружений воду обраба¬ тывают повышенными дозами хлора (5— 15 мг/л), а в остальных — оптимальными дозами коагулянта и хлора. При пода¬ че на фильтры 15—50 % хлорированной воды и 85—50 % очищенной по нормаль¬ ной технологической схеме фильтрат получается совершенно прозрачным: его цветность и мутность соответствуют стан¬ дарту. При раздельной обработке воды часто отпадает необходимость в ее под- щелачивании, так как подкисляющее действие повышенных доз хлора незна¬ чительно. 11.6. Типы установок для хлорирования воды В настоящее время эксплуатируются несколько типов установок для приго¬ товления и дозирования растворов, со¬ держащих активный хлор. К первому типу относятся установки по хлорированию воды хлорной известью или другими солями, содержащими ак¬ тивный хлор (типовые установки для хлорной извести, установки И. В. Ново¬ пашенного и др.). Принцип их действия сводится к приготовлению раствора тре¬ буемой концентрации и последующей подаче его в воду в виде отдозированной струи. Эти установки чрезвычайно прос¬ ты, но громоздки, эксплуатация их тру¬ доемка, поскольку требуется частая за¬ грузка реагентов, растворение их в воде и длительное отстаивание растворов перед введением в обрабатываемую воду. Для обеззараживания воды ранее при¬ готовленным раствором определенной концентрации работа установки сводится лишь к его дозированию. Такие установки применяются на очи¬ стных сооружениях производительнос¬ тью 5—10 тыс. м3/сут. Установки второго типа работают на сжиженном хлоре и называются хлора¬ торами. В этих установках последова¬ тельно осуществляется испарение хло¬ ра, его механическая очистка, дозиро¬ вание и растворение в воде. Хлорирова¬ ние производится выходящей из хлора¬ тора хлорной водой или газообразным хлором, смешиваемым с обрабатываемой водой в специальных устройствах. Хлораторы механизированы и компакт¬ ны; они бывают разных типов, мощнос¬ тей и имеют различное назначение. Отечественные хлораторы (конструк¬ ции Б. М. Ремесницкого, Л. А. Кульско¬ го, ЛОНИИ ВОДГЕО) по характеру ра¬ боты можно разделить на приборы не¬ прерывного и порционного дозирования реагентов; по условиям работы — на стационарные и переносные; по прин¬ ципу действия — на напорные и вакуум¬ ные. Хлораторы непрерывного дозирова¬ ния в основном являются стационарны¬ ми аппаратами, предназначенными для стационарных водоочистных установок. В зависимости от назначения их изго¬ товляют разной производительности(от 0,85 до 75 кг С12/ч и более). Хлораторы порционного дозирования обычно переносные, приспособленные для периодического использования. Они предназначены для отмеривания не¬ больших доз газа и приготовления от¬ дельных порций раствора для хлориро¬ вания небольших объемов воды (ведро, бак, цистерна). К третьему типу принадлежат установ¬ ки, приспособленные к работе на водо¬ проводах и предназначенные не только для приготовления дезинфицирующих растворов, но и для получения их из первичного сырья. К ним относятся электролитические установки для при¬ готовления растворов гипохлорита нат¬ рия и установки для получения газооб¬ разного хлора. Ниже рассмотрены наи¬ более совершенные установки всех трех типов. 11.7. Установки для хлорирования воды хлорной известью Установки для хлорирования воды хлор¬ ной известью в основном однотипны и от¬ личаются лишь некоторыми деталями и габаритами, обусловливающими их производительность. Одна из таких ус¬ тановок представлена на рис. 11.3. Конструктивное оформление ее доста¬ точно просто. Установка состоит из растворного бака А, двух расходных баков В и дозировочного бачка С, а в некоторых случаях (для предохране- 151
Рис. 11.3. Схема установки для приготовления рас¬ твора хлорной извести: / — рабочие баки для раствора; 2 — бак для затво- рения; 3 — дозировочный бачок; 4 — запорные вен¬ тили; 5 — резиновый шланг для подачи воды в сме¬ ситель на первичное хлорирование; 6 — то же, в трубопровод отфильтрованной воды (вторичное хло¬ рирование); 7 — напорная водопроводная труба; 8 — трубопровод для выпуска осадка; 9 — шаровой кла¬ пан. ния от попадания во всасывающую ли- нию воздуха) применяется регулирую¬ щий бачок. Баки в малых установках выполняют круглыми деревянными, в больших — прямоугольными железобе¬ тонными. В растворном баке вместимостью 150— 200 л приготовляется раствор хлорной извести; в расходных баках раствор раз¬ бавляют до заданной концентрации (0,5—1,0 %) и отстаивают. Растворный бак помещают над расходными для обес¬ печения поступления раствора самоте¬ ком. На каждые 100 л раствора расходу¬ ется 3—6 кг СаС120, содержащей до 35 % активного хлора. Полезная вместимость растворного ба¬ ка должна быть не меньше 24 л и состав¬ лять около 10 % вместимости расходного бака. Расходные отстойные баки имеют два крана. Один служит для отвода хлорной воды в дозирующий бачок, он расположен над днищем на расстоянии 1/3 общей высоты расходного бака для предотвращения попадания осадка в до¬ зировочный бачок, второй — находится в днище бака и используется для спуска шлама. Главной составной частью дозирующе¬ го бачка вместимостью 50—100 л явля¬ ется поплавковый клапан, предназна¬ ченный для регулирования уровня рас¬ твора. Поплавок изготовляется из дере¬ ва, винипласта или полиэтилена в виде полого цилиндра, шара. Для упрощения схемы установки, ра¬ ботающей на хлорной извести, и возмож¬ ности интенсификации работы расходных баков применяют плавающий или меха¬ нический перемещающийся выпускной шланг (рис. 11.4). С этой целью в рас¬ ходном баке укрепляют гибкий резино¬ вый шланг, соединенный со штуцером у дна бака. Верхнее отверстие шланга постепенно опускается задающими ме¬ ханизмами: часовым, метрономом и пр. Скорость опускания шланга регулиру¬ ется изменением массы гири часового механизма либо длины маятника. Такое устройство позволяет дозировать реагент без дозирующего бачка, сливать раство¬ ры из рабочих баков до уровня осадка, уменьшая производственные потери, ус¬ коряет использование растворов в про¬ изводстве (не нужно ожидать полного осаждения взвеси). Применение в ка¬ честве выпускной трубы шланга боль¬ шого диаметра гарантирует его от засо¬ рения, а наличие в схеме часового меха¬ низма позволяет автоматизировать про¬ цесс контроля и регулировки. В схеме с плавающим шлангом, как и в схеме обычной установки, при введении рас¬ твора во всасывающую линию необходи¬ мо наличие регулирующего бачка. Рис. 11.4. Схема устрой¬ ства, интенсифицирую¬ щего работу установки для хлорирования воды хлорной известью: / — метроном; 2 — вы¬ пускной шланг; 3 — бак с раствором хлорной из¬ вести. 152
Вместимость расходных баков W для приготовления раствора хлорной извес¬ ти определяют по формуле ЮОйсу где q — расчетный расход раствора, м3/ч; а — доза активного хлора, мг/л; b — концентрация раствора хлорной из¬ вести (принимают равной 0,5—1,0 %); с — содержание активного хлора в хлорной извести (принимают равным 32—35 %); п — период, на который заготовляют раствор (принимают рав¬ ным 12—24 ч); у — объемная масса хлорной извести (в расчетах принимают равной 1 т/м3). 11.8. Хлораторы Хлорируют воду сжиженным хлором в хлораторах, которые бывают двух систем: напорные и вакуумные. Независимо от системы и типа хлора¬ торы имеют общие детали: редукцион¬ ный клапан, фильтр, регулирующий вен¬ тиль, измеритель расхода газа, смеси¬ тель газа с водой. Хлор в баллонах и бочках находится в жидком и газообразном состоянии, причем газообразный хлор занимает пространство над жидким. В приведенной на рис. 11.5 схеме га¬ зообразный хлор по хлоропроводу посту¬ пает через промежуточный баллон и фильтр в редукционный клапан, пред¬ ставляющий собой устройство для под¬ держания в хлораторе постоянного дав¬ ления (0,01—0,02 МПа). Из редукцион- Рис. 11.5. Схема установки для хлорирования воды: / — весы; 2 — баллон с хлором; 3 — промежуточный баллон; 4 — фильтр; 5 — манометр высокого давле¬ ния о — редукционный клапан; 7 — манометр низ¬ кого давления; 8 — регулирующий вентиль; 9 — из¬ меритель расхода газа; 10 — газопровод; 11 — водо¬ провод: 12 — смеситель хлора с водой; 13 — трубо¬ провод в резервуар. клапана: /,5 — манометры соответственно высокого и низкого давлений: 2, 9 — соответственно верхняя и нижняя части корпуса; 3 — зажимной болт; 4 — пружина; 6 — хлоропровод к измерителю газа; 7, /0 — соответ¬ ственно бронзовая и серебряная пластины мембраны; 8 — конусообразный серебряный клапан; // — хло¬ ропровод от баллона; 12 — коробка фильтра ного клапана хлор через регулирующий вентиль поступает в измеритель расхода газа, а оттуда по хлоропроводу в смеси¬ тель, где смешивается с водой. Промежуточный баллон — это обыч¬ ный стандартный баллон, оборудован¬ ный двухпроходным (впускным и вы¬ пускным) вентилем. Предназначен для предохранения хлоратора от попадания жидкого хлора или каких-либо загряз¬ нений, поступающих с хлором. Фильтр представляет собой коробку, заполненную внутри стекловатой, смо¬ ченной серной кислотой. Газ, проходя через стекловату, очищается от загряз¬ нений и влаги, после чего поступает в редукционный клапан. Корпус редукционного клапана — ка¬ мера, состоящая из двух частей, стяги¬ ваемых болтами. Внутри камеры зажа¬ та мембрана из двух пластин — сереб¬ ряной и бронзовой. Мембрана своей нижней частью (серебряной пластиной) обращена к месту ввода хлора (рис. 11.6). В центре серебряной пластины снизу прикреплен конусообразный серебряный клапан, а со стороны бронзовой пласти¬ ны — пружина, отжимающая мембрану в горизонтальное положение. Хлор по¬ падает в нижнюю часть клапана, про¬ ходит через кольцевое отверстие вокруг конусообразного клапана под мембрану и начинает ее выдавливать вверх, сжи¬ мая пружину. Когда клапан, увлекае¬ мый мембраной вверх, закроет отверстие, хлор-газ отводится трубкой, давление в редукторе снижается и пружина оттяги¬ вает мембрану в первоначальное положе¬ ние; кольцевое отверстие вокруг кла¬ пана вновь открывается, и процесс
Рис. 11.7. Схемы ротационного (а) и маятнико¬ вого (б) измерителей с подвижным сопротивле¬ нием. Рис. 11.8. Схема водоструйного насоса. Рис. 11.9. Схемы хлораторов JIK-11 средней про¬ изводительности (а) и JIK-10 малой и средней про¬ изводительности (б). повторяется. Таким образом, независи¬ мо от давления, создаваемого хлором в баллоне, редукционный клапан понижа¬ ет и автоматически поддерживает давле¬ ние газа, поступающего в хлоратор. Манометры, устанавливаемые перед и за редукционным клапаном,— это обычные стандартные манометры на 1,2 и 0,2 МПа, снабженные серебряной мем¬ браной, предохраняющей их механизмы от вредного воздействия хлора. Регулировочный вентиль, смонтиро¬ ванный за редукционным клапаном, поз¬ воляет регулировкой от руки обеспечить постоянство течения через него газа. В технологии воды чаще всего приме¬ няют вакуумные хлораторы, в которых хлораторное устройство на большей части пути газа находится под вакуумом, обес¬ печиваемым эжектором, расположенным на водопроводном вводе. Отсасывая хлор- газ, последний одновременно выполняет роль смесителя. Подачу хлора в вакуумных хлораторах контролируют измерителями с подвиж¬ ным сопротивлением, изменяющим свое положение в потоке газообразного хлора в зависимости от его мощности (рис. 11.7). Струя хлора, поступая в измеритель с определенной скоростью, подхватывает пустотелый поплавок (см. рис. 11.7, а) или ударяется о подвижную эбонитовую пластину (см. рис. 11.7, б), отклоняя ее на некоторый угол. Высота подъема по¬ плавка или угол отклонения пластины служат мерилом часовой подачи хлора. В качестве смесительных устройств наиболее часто применяют водоструй¬ ные насосы (рис. 11.8). Вода поступает в насос по трубе 1 и насадок 2 с сечением Fx. Газ входит в окружающую насадок камеру всасывания 5 по патрубку 4 с выходным отверстием 3. Из камеры хлор засасывается струей воды в диффу¬ зор 6 через кольцевой зазор вокруг от¬ верстия насадки с сечением F2. В некоторых типах водоструйных на¬ сосов для более эффективного смешения газа с жидкостью на выходе из диффу¬ зора устанавливается шарообразная ка¬ мера 7, благодаря чему резко изменяется направление потока, отражающегося от стенок. Процесс поглощения хлора во¬ дой в водоструйных насосах интенсивнее всего протекает в диффузоре, где смесь сжимается. В настоящее время широко использу¬ ются вакуумные хлораторы непрерыв¬ ного действия системы Л. А. Кульского ЛК-Ю, ЛК-10У, ЛК-11, ЛК-12, ЛК-12М и ЛК-17, а также вакуумные хлорато¬ ры системы ЛОНИИ ВОДГЕО- Хлоратор ЛК-10 (рис. 11.9) применяют для хлорирования воды на водопровод¬ ных очистных станциях производитель¬ ностью до 100 тыс. м3/сут. Производи¬ тельность аппарата по хлору 2—20 кг/ч с концентрацией хлора в хлорной воде 1,5 г/л. Основными частями хлораторов систе¬ мы ЛК являются: микровентиль, рота¬ ционный измеритель, клапанная короб¬ ка и водоструйный насос. Микровентиль 1 служит для дозировки подаваемого 154
в воду хлора. Принцип его действия ос¬ нован на использовании разности шага двух резьб (правой и левой). Это позво¬ ляет при одном обороте маховика пере¬ мещать шпиндель вентиля на 0,25 мм, не применяя мелких резьб, что осо¬ бенно важно при работе с хлором. Ро¬ тационный измеритель 2 измеряет коли¬ чество проходящего через хлоратор хло¬ ра. По принципу действия он относится к измерителям с подвижным сопротивле¬ нием (см. рис. 11.7); состоит из коничес¬ кой эбонитовой трубки в бронзовой оп¬ раве, к которой снизу примыкает стек¬ лянная цилиндрическая трубка. В кони¬ ческой трубке находится конусообраз¬ ный эбонитовый пустотелый поплавок со свинцовым грузом-указателем, подве¬ шенный на серебряной проволоке, вы¬ ходящей в стеклянную трубку. Струя хлора, поступая снизу в коническую трубку измерителя со скоростью, зави¬ сящей от количества газа, проходящего в единицу времени, поднимает поплавок на определенную высоту. По величине подъема поплавка определяют расход хлора. При увеличении массы поплавка с проволокой диапазон измеряемых рас¬ ходов газа увеличивается. Например, для хлораторов ЛК-Ю малой производитель¬ ности принят поплавок массой 0,7, сред¬ ней производительности — 1,1 и боль¬ шой производительности — 2,0 г. Клапанная коробка включает водяной клапан 3, предохраняющий измеритель хлоратора от попадания воды, и воздуш¬ ный клапан 4 с винтом для регулирова¬ ния глубины вакуума. Водоструйный насос 5 совмещает функции всасывающего и абсорбирую¬ щего устройства. Он состоит из сопла и диффузора, выполненных из термосили¬ цида, винипласта или других хлоро¬ стойких материалов и соединенных флан- ■цами. Хлораторы этого типа работают по следующей схеме. Хлор поступает че¬ рез регулирующий микровентиль в из¬ меритель. Пройдя клапанную коробку, хлор-газ попадает в водоструйный на¬ сос, откуда получаемая хлорная вода отводится по резиновому шлангу к мес¬ ту смешения со всей обеззараживаемой водой. Хлоратор ЛК-ЮУ предназначен для хлорирования воды на водопроводах большой мощности. Производитель¬ ность хлоратора по хлору до 120 кг/ч. Хлоратор приспособлен для дистанцион¬ ного контроля за его работой и автома¬ тического регулирования расхода хлора. Хлоратор ЛК-11 (рис. 11.10) отлича¬ ется от хлоратора ЛК-10 лишь конструк¬ цией измерителя. Он оборудован маят¬ никовым измерителем, который по прин¬ ципу действия является также измери¬ телем с подвижным сопротивлением. Производительность аппарата по хлору от 0,5 до 5 кг/ч обеспечивает концентра¬ цию хлора в хлорной воде до 1,5 г/л. В некоторых случаях возникает не¬ обходимость подавать хлорную воду в напорную сеть или на сооружения, рас¬ положенные выше хлораторной, т. е. под давлением. Обычными вакуумными хлораторами это обеспечить невозможно. Для таких случаев разработан вакуум¬ ный хлоратор ЛК-12, обеспечивающий дозирование до 50 кг/ч хлора, смешение его с водой и подачу в напорный трубо¬ провод или на высоту до 20 м усиленным эжекторным устройством. Хлоратор ЛК-12М обеспечивает по¬ дачу 25 кг газообразного хлора в 1 ч на высоту 30 м (без учета потерь в трубо¬ проводах). Аппарат состоит из хлордо- зирующей установки /, эжектора II и хлоропровода III (рис. 11.11). Для 155
Рис. 11.11. Монтажная схема хлоратора ЛК-12М: / — водомер; 2 — насос; 3 — электрокон- тактный манометр; 4 — щит электрообору¬ дования; 5 — электромагнитный клапан; б — ротаметр; 7 — воздухозаборный кла¬ пан; 8 — водоотделитель; 9 — герметичный колодец с-гидравлическим затвором; 10 — регулировочный вентиль; 11 — хлоропро¬ вод; 12 — обратный клапан. подачи и регулирования расхода хлора аппарат имеет ротаметр, регулирующий вентиль и воздухозаборный клапан. Вода под давлением 0,8 МПа через во¬ домер подается на эжектор, где смеши¬ вается с газообразным хлором. Хлорная вода с концентрацией хлора до 1 г/л подается в трубопровод с обрабатывае¬ мой водой, где разбавляется до необхо¬ димой концентрации. При аварийной ситуации, если дав¬ ление в трубопроводе обрабатываемой воды поднимется выше нормы и обрат¬ ный клапан не сработает, а также при перебоях в работе насоса предусмотрен сброс хлорной воды через водоотдели¬ тель в герметический колодец с гидрав¬ лическим затвором, заполненный дега¬ зирующими хлор веществами. Для отключения подачи газообразного хлора при прекращении поступления во¬ ды на эжектор хлоратора устанавлива¬ ется электроконтактный манометр, ко¬ торый отключает электромагнитный кла¬ 156
пан и приводит в действие аварийную сигнализацию, смонтированную на щит¬ ке электрооборудования. Хлораторы ЛК-10, ЛК-11 и ЛК-12 изготовляются из хлоростойких матери¬ алов (бронзы, термосилицида, чугуна, за¬ щищенного пластмассовыми вставками, и антихлора), в эксплуатации они прос¬ ты и надежны. Схема хлоратора ЛОНИИ-ЮО приве¬ дена на рис. 11.12. Для измерения рас¬ хода хлора в хлораторах ЛОНИИ-ЮО применяется жидкостный измеритель или ротаметр. Производительность аппара¬ та с ротаметром РС-3 — до 10, с РС-5 — до 20 и с РС-7 — 85 кг С12/ч. 11.9. Электролитические установки В тех случаях, когда доставка хлор¬ ной извести и хлора или их хранение связаны с трудностями, а вопрос полу¬ чения электроэнергии и поваренной со¬ ли может быть легко разрешен, большое значение приобретает хлорирование растворами гипохлорита натрия, полу¬ чаемыми на водопроводных станциях в электролитических установках. Та¬ кие растворы наряду с очень высо¬ кой бактерицидностью обладают цен¬ ными техническими свойствами. Они устойчивее растворов других гипохло¬ ритов, в том числе и хлорной извести, следовательно, могут сохраняться более длительное время. Водные растворы ги¬ похлорита натрия не содержат взвесей и не нуждаются в отстаивании (в отли¬ чие от хлорной извести). Схема электролизера, применяемого для получения гипохлорита натрия элек¬ тролизом раствора поваренной соли, при¬ ведена на рис. 11.13. В электролизере анодное и катодное пространства не от¬ делены друг от друга. В процессе элек¬ тролиза концентрация NaOH у катода возрастает. Хлор, выделяющийся на аноде, растворяется в электролите. Ще- - -+- .И Рис. 11.13. Схема элект¬ ролизера для получения гипохлорита натрия. Рис. 11.14. Схема электролизера с засыпными маг- нетитовыми элек¬ тродами: 1,4 — токопрово¬ дящие электроды; 2, 6 — колонки; 3 — магнетитовая руда; 5 — отвод газов; 7 — эр¬ лифт. г и " i У_ 777// /// /// /// /// /// , лочь, вследствие электролитического пе¬ реноса, а главным образом в результате тепловой конвекции и перемешивания электролита газом, перемещается в анод¬ ное пространство и на некотором рас¬ стоянии от анода вступает в реакцию с хлором, образуя гипохлорит натрия: С12 + 2NaOH = NaCIO + NaCl + НгО. По мере накопления гипохлорит нат¬ рия начинает принимать участие в элек¬ тролизе. Разряд гипохлорит-ионов приводит к образованию хлората натрия и кисло¬ рода, вследствие чего содержание ги¬ похлорита натрия в электролите ограни¬ чивается определенной концентрацией. Поэтому процесс электролиза рацио¬ нально проводить лишь до достижения равновесной концентрации, которая мо¬ жет изменяться в зависимости от усло¬ вий электролиза (концентрации пова¬ ренной соли, плотности тока, темпера¬ туры и т. д.). Концентрация гипохлори¬ та натрия в растворе часто снижается в процессе электролиза за счет разложе¬ ния и «катодного восстановления» ги¬ похлорита натрия, а также в результате образования хлоратов в кислой среде околоанодного пространства. Большое значение для экономических и технологических показателей процес¬ са электролиза имеет удачный подбор ма¬ териалов электродов. Аноды обычно из- 157
11.10. Хранение хлора Рис. 11.15. Схема гипохлоритного электролизера с платино-титановыми электродами ЭПТ-1: 1 — защитная крышка; 2 — анод (платинированный титан); 3 — прокладки; 4 — фланцевая крышка из органического стекла; 5 — корпус электролизера (ка¬ тод) — титановый цилиндр; 6 — токопровод к катоду; 7 — стальной фланец; 8 — кронштейн крепления. готовляют из электрографита, пропи¬ танного для уменьшения пористости раз¬ личными веществами, а катоды — из железа, титана или магнетита. В АКХ разработаны электролизеры с засыпными электродами из дробленого природного магнетита и пластинчатыми графитовыми электродами, а в ИКХХВ АН УССР — электролизеры с анодом из платинированного титана. Электролизеры с магнетитовыми элек¬ тродами (рис. 11.14) позволяют обеззара¬ живать воду электролизом не только раствора поваренной соли, но и морской воды, а также подземной воды с высоким содержанием соли. Электролизеры с ано¬ дами из платинированного титана и ка¬ тодами из нержавеющей стали (рис. 11.15) по долговечности, надежнос¬ ти, удельному расходу электроэнергии и другим показателям превосходят ус¬ тановки, применяющиеся в настоящее время. Длительное хранение больших коли¬ честв хлора осуществляется на базисных складах, не соответствующих профилю коммунального хозяйства. На всех во¬ допроводно-канализационных предпри¬ ятиях, потребляющих хлор, необходи¬ мо предусматривать расходные склады, предназначенные для хранения хлора в таре, отпускаемой заводом-поставщи¬ ком, т. е. в баллонах или бочках. В со¬ ответствии с требованиями санитарных правил, утвержденных Минздравом СССР 24 июня 1965 г., расстояние между жи¬ лыми, общественными зданиями и во¬ доемами и расходными складами хлора должно быть не менее 300 м. Все отступ¬ ления от требований санитарных пра¬ вил подлежат дополнительному согла¬ сованию с местными органами санитар¬ ного надзора. Вместимость расходных складов хлора независимо от суточного потребления должна быть не более 100 т. Склады сле¬ дует располагать в отдельных, закрытых хорошо вентилируемых помещениях. Основной тарой для перевозки и хра¬ нения хлора в настоящее время служат стандартные стальные баллоны (ГОСТ 949—73), поставляемые Первоуральским новотрубным заводом, и бочки или цис- 158
терны различной вместимости (рис. 11.16—11.18). При расходе хлора на обеззаражива¬ ние питьевой воды до 50 кг/сут разре¬ шается использовать баллоны. При су¬ точном расходе хлора свыше 50 кг мо¬ гут использоваться баллоны и бочки. Баллоны для жидкого хлора изготов¬ ляют вместимостью от 25 до 55 л из стальных бесшовных труб. Баллоны с хлором, вновь поступив¬ шие на склад, нельзя смешивать с ранее находящимися на складе; последние должны подвергаться контрольному на¬ блюдению с целью выявления утечек. Поступившие на склад бочки с хлором следует размещать на деревянных под¬ ставках на полу склада в вертикальном положении вентилями вверх или в го¬ ризонтальном положении вентилями в проход. Между рядами бочек нужно оставлять продольные проходы шири¬ ной не менее длины бочек плюс 1 м, меж¬ ду рядами баллонов — не менее 1 м. Перед входом на расходный склад или хлораторную дежурный персонал обя¬ зан включить вентиляцию и, пользуясь индикаторными подкрахмаленными бу¬ мажками, смоченными в дистиллиро¬ ванной воде, убедиться в отсутствии хлора в помещении расходного склада или хлораторной. При наличии хлора в воздухе подкрахмаленные бумажки синеют. Наличие хлора можно обнару¬ жить также газоанализатором УГ-2. Предельно допустимая концентрация хлора в производственных помещениях составляет 1 мг/м3. Баллоны и бочки, наполненные хло¬ ром, следует перевозить с особой осто¬ рожностью. Категорически запрещается перекатывать баллоны от склада к ав¬ томашине по полу или по земле. Ручную погрузку выполняют двое рабочих, зна¬ ющих правила погрузки и транспорти¬ рования. Между баллонами, укладыва¬ емыми на специальные деревянные про¬ кладки с гнездами, должны быть мягкие прокладки, а на стандартные баллоны при транспортировании и хранении долж¬ ны быть навернуты предохранитель¬ ные колпаки. Чтобы прекратить утечку газообраз¬ ного хлора из баллонов или бочек, уста¬ навливают хомуты, заливают места утеч¬ ки водой или закладывают их мокрыми тряпками. При непрекращающейся утеч¬ ке газа из баллона его следует положить в аварийный футляр, который должен быть на расходном складе, или поместить Рис. 11.18. Цистерна для хра¬ нения жидкого хлора вмести¬ мостью 5 т: / — сифонная трубка; 2 — жидкий хлор; 3 — манометр; 4 — вентили; 5 — воздух; 6 — колпак предохранитель¬ ного клапана; 7 — газообраз¬ ный хлор; 8 — люк; 9 кор¬ пус; 10 « днище. 159
в ванну с 10 %-м раствором гипосульфита натрия или гашеной извести. При отсут¬ ствии подобной ванны аварийный баллон можно погружать в аварийный колодец с раствором известкового молока. Персонал, обслуживающий расход¬ ные склады и хлораторные, следует за¬ ранее обучить и натренировать для ра¬ боты в противогазах; он должен не реже одного раза в 6 месяцев проходить меди¬ цинский осмотр. У входа на расходный склад хлора должны быть вывешены плакаты и инструкции. Индивидуальные защитные средства хранятся в индиви¬ дуальных шкафах и проверяются в со¬ ответствии с требованиями правил тех¬ ники безопасности. Для оповещения окружающих об ава¬ риях на расходных складах или в хлора- торных предусматривают звуковые сиг¬ налы. Для работников водопроводно- канализационного хозяйства, занятых на данном объекте, в зависимости от ха¬ рактера возникших аварий объявляется тревога. Так, если на расходном складе хлор вытекает из баллона или бочки струей со свистом, а также при обнару¬ жении у склада стелющихся волн хлора, в соответствии с правилами эксплуата¬ ции складского хозяйства, объявляется малая тревога — редкие звуковые сиг¬ налы. При взрыве баллона или бочки с хлором в любом помещении или во дво¬ ре объявляется общая тревога — частые звуковые сигналы или сирена. При ма¬ лой тревоге хлораторщики надевают про¬ тивогазы и выполняют распоряжения мастера по устранению утечки и по дега¬ зации помещения. При повышении кон¬ центрации хлора в воздухе свыше 1 % рабочие удаляются на возвышенные уча¬ стки территории. При общей тревоге часть рабочих под руководством мастера производят дегазацию помещения, а ос¬ тальные рабочие в противогазах или, приложив к носу и рту тряпки, смочен¬ ные в растворе гипосульфита натрия и соды, уходят на возвышенное место. При опасности отравления хлором не следует поддаваться панике, бежать, так как стелющийся по земле хлор под воз¬ действием резких движений бегущих людей может подняться до уровня го¬ ловы человека, что усилит опасность от¬ равления. В случае аварий, вызванных повреж¬ дением бочек, баллонов с хлором или хлоропроводов, взрывом емкостей, пер¬ сонал, обслуживающий хлораторные и склады, должен уметь ликвидировать их. К обслуживанию хлораторных уста¬ новок допускаются только лица, хорошо усвоившие правила эксплуатации хлора¬ тор ного хозяйства и установок. 11.11. Комбинированные методы обеззараживания воды Хлорирование воды с аммонизацией. На обеззараживание воды расходуется лишь незначительное количество вводи¬ мого в нее хлора; основная масса этого реагента идет на окисление различных органических и неорганических примесей Для фиксации хлора в воде на более про¬ должительное время и одновременного снижения его расхода применяют хло¬ рирование с аммонизацией. При наличии в воде аммиака или солей аммония вво¬ димый в нее хлор образует хлорамины, окислительный потенциал которых зна¬ чительно ниже, чем свободного хлора. В результате этого резко снижается хло- ропоглощаемость воды. Установлено, что в случае хлорирования с аммонизацией москворецкой воды даже через 6 ч со¬ держится остаточного хлора примерно 50% введенной дозы, в то время как при хлорировании без аммонизации — всего 6—7 %. Хлораминный хлор органолеп¬ тически менее ощутим. Метод обеззараживания воды хлори¬ рованием с аммонизацией был применен на Винницком водопроводе еще в 1954 г. Об экономичности этого метода в ре¬ зультате снижения расхода хлора на обработку воды можно судить на осно¬ вании данных о средней дозе этого реа¬ гента; при хлорировании с аммонизаци¬ ей она составляла в среднем 2,75, а без аммонизации — 6,85 мг/л. Таким об¬ разом, уменьшение дозы хлора вслед¬ ствие применения хлорирования с ам¬ монизацией составляет 60 % его расхода на обеззараживание воды. Технико¬ экономические показатели не учитыва¬ ют уменьшения денатурации воды из¬ лишними дозами реагента и улучшения ее органолептических показателей. Результаты исследования бактерицид¬ ного эффекта хлорирования с аммониза¬ цией показывают, что хотя вначале хло¬ раминный хлор несколько уступает по 160
бактерицидному действию свободному хлору, но уже через 1—2 ч воздействие его на бактерии коли усиливается и в дальнейшем аммиак фиксирует бактери¬ цидное действие хлора. При молекулярном соотношении хлора и аммиака 1:1, соответствующем моно¬ хлорамину, бактерицидный эффект яв¬ ляется максимально, стабильным. Де¬ сятикратный и более избыток аммиака (в молекулярном соотношении) значи¬ тельно замедляет бактерицидное действие хлора. Менее чем пятикратные избытки аммиака на бактерицидный эффект влияют незначительно. Исследования¬ ми установлено, что при повышении тем¬ пературы, особенно в интервале 5—20 °С, заметно усиливается бактерицидность вводимых доз хлора при хлорировании с аммонизацией. В зависимости от целевого назначения аммонизацию производят перед хлори¬ рованием воды (преаммонизация) или после него (постаммонизация). В случае преаммонизации аммиак подается в во¬ доводы первого продъема или в другое место технологической схемы за 1—2 мин до первого ввода хлора. Этим предупреж¬ дается возникновение хлорфенольных запахов и привкусов в обрабатываемой воде. При постаммонизации аммиак по¬ дается в резервуары чистой воды, чем обусловливается фиксация хлора на более длительное время. Наиболее эффективной является смесь, содержа¬ щая аммиак и хлор в молекулярных со¬ отношениях 1:1 и 1:2, что примерно соответствует массовым соотношениям 1 : 4 и 1 : 10. Оптимальное соотношение этих реагентов для каждого конкретно¬ го образца воды следует устанавливать на основании пробных хлорирований, проводимых по сезонам года. Хлорирование с манганированием. Бактерицидный эффект хлора несколько усиливается при добавлении в обраба¬ тываемую воду перманганата калия (рис. 11.19). Этот реагент целесообразно при¬ менять при наличии в воде неприятных запахов и привкусов, обусловленных наличием органических веществ, водо¬ рослей, актиномицетов и др. При этом перманганат калия добавляется в воду до ввода хлора или после него; доза перман¬ ганата калия зависит от места его пода¬ чи в воду. В тех случаях, когда пер- Рис. 11.19. Бактерицид¬ ный эффект хлорирова¬ ния воды с добавлением перманганата калия: / — чистый хлор; II — хлор с добавлением пер¬ манганата калия; / — концентрация остаточного хлора — 0,05; 2 — 0,10; 3 — 0,20 мг/л. манганат калия добавляется до поступле¬ ния воды в отстойники, доза его может достигать 1 мг/л, поскольку избыточное, неизрасходованное на окисление при¬ месей количество реагента восстанавли¬ вается в природной воде до Мп02, кото¬ рый задерживается в технологических со¬ оружениях станции. При добавлении перманганата калия в очищенную воду, т. е. после фильтров, доза его, во избе¬ жание выпадания осадка Мп02, не должна превышать 0,08 мг/л. Комбинированные хлор-серебряный и хлор-медный методы обеззараживания воды заключаются в одновременном до¬ бавлении в нее активного хлора и ионов серебра или меди. Бактерицидное дей¬ ствие хлора и серебра в холодной воде находится в пределах суммарного эф¬ фекта доз хлора и серебра. Поскольку бактерицидность ионов серебра заметно возрастает с температурой, обеззара¬ живающий эффект хлор-серебряного ме¬ тода увеличивается в теплой воде. Это способствует успешному применению данного метода для дезинфекции воды в плавательных бассейнах, где очень важно уменьшить дозу вводимого в во¬ ду хлора. Необходимые дозы серебра обычно подают в виде «серебряной воды». Ее приготовляют электролитически в ио- наторах типа ЛК. 11.12. Обеззараживание воды иодом Данный метод применяют для обеззара¬ живания воды в плавательных бассейнах. Для этой цели используют насыщенный раствор иода в воде, концентрация ко¬ торого возрастает с повышением темпе¬ ратуры. Так, при 1 °С растворяется 100, при 20 °С — 300, при 50 °С — 750 мг/л. При значениях pH < 7 доза иода для обеззараживания воды природных ис¬ точников колеблется в пределах 0,3— 1,0 мг/л. При этом запах иода не обна¬ руживается, поскольку его можно ощу¬ тить при концентрациях 1,5 мг/л. Если в воде содержатся хлорамины, то иод- | 10 =1 5 <3 '*• ч \% Г /7 -S % Ф о ю 15 го Время контакта, мин 1; 2:—3 0 5-2398 16!
новатая кислота в силу меньшей окис¬ лительной способности консервируется до момента исчезновения более сильного окислителя. Это обстоятельство продле¬ вает срок бактерицидного действия йод¬ новатой кислоты. Для дезинфекции воды иод применяют также в виде органических соединений — иодофоров. 11.13. Эксплуатация хлораторных станций Всю аппаратуру заводского изготовле¬ ния для обеззараживания воды, смонти¬ рованную на водопроводной очистной станции, необходимо тщательно прове¬ рить на укомплектованность запасными частями и добавочными деталями. Пас¬ портная документация должна соответ¬ ствовать марке и номеру аппаратов. Эксплуатация установок по хлориро¬ ванию воды хлорной известью или рас¬ творами других солей, содержащих ак¬ тивный хлор, сводится к приготовлению раствора хлорной воды, регулировке его струи, пуску и выключению установ¬ ки из работы, очистке трубопроводов и баков. Хлорная известь засыпается в раствор¬ ный бак, куда при непрерывном переме¬ шивании подается вода до получения густой однородной смеси. После этого растворный бак наполняют водой довер¬ ху, а полученный раствор сливают в один из расходных баков для разбавле¬ ния и отстаивания. В это время исполь¬ зуют второй бак с раствором. В отстояв¬ шемся растворе определяют содержание активного хлора. Учитывая заданную дозу последнего и расход воды, обеспе¬ чивают соответствующую подачу рас¬ твора хлорной извести. Струя регулируется винтовым зажи¬ мом, а контролируется измерением объе- Тлава 12 ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДЫ 12.1. Общие сведения Озонирование — один из перспективных методов обработки воды с целью ее обез¬ зараживания и улучшения органолеп¬ тических показателей. Первые опыты по обеззараживанию воды озоном были вы- ма раствора, вытекающего в единицу времени. Дозировать раствор можно при помощи градуированного крана, снаб¬ женного шкалой с показателем расхода раствора, или калиброванными диафраг¬ мами. Перед каждой загрузкой раствор¬ ного бака его промывают от шлама. Ра¬ бота установки регулируется кранами дозировочного и регулирующего бачков. Помещения для хранения хлорсодер¬ жащих реагентов должны быть сухими, хорошо проветриваемыми и защищенны¬ ми от атмосферных осадков. Чтобы ис¬ ключить пыление реагентов, в баки сна¬ чала наливают немного воды, а затем загружают расчетное количество реа¬ гентов и перемешивают механической мешалкой. Реагенты необходимо обере¬ гать от загрязнения маслом и органичес¬ кими веществами, так как они могут взрываться. Следует периодически проверять пра¬ вильность и надежность работы хлора¬ торов, налаживать их согласно уста¬ новленному режиму. Пуск в работу, выключение и регулирование произво¬ дительности хлораторов в соответствии с режимом работы станции должен вы¬ полнять дежурный хлораторщик, ру¬ ководствуясь утвержденной инструкцией. При эксплуатации электролизных уста¬ новок обслуживающий персонал обя¬ зан строго соблюдать требования, из¬ ложенные в инструкции завода-изгото- вителя, поддерживать заданный режим работы установок и подачу рассчитан¬ ных доз гипохлорита, периодически ос¬ матривать и не реже одного раза в год ремонтировать элементы токоподводя¬ щей сети, станции управления и выпря¬ мительных агрегатов. Помещения электролизных установок необходимо систематически вентилиро¬ вать. полнены в 1886 г. во Франции де Мери- тенсом. С тех пор не прекращались ис¬ следования отечественных и зарубеж¬ ных ученых, направленные на изучение физико-химических, технологических и гигиенических вопросов, связанных с применением озона. 162
Интенсивность разложения, ч а Первая и самая крупная в мире филь- тро-озонная станция была введена в эксплуатацию в 1911 г. в Петербурге. Озонаторами трубчатой конструкции на ней обрабатывалось 44 500 м3 воды в сутки. В 1913 г. ее производительность была доведена до 56 ООО м3/сут. Однако первая мировая война, а затем интер¬ венция против Советской России поме¬ шали поддержанию станции на необхо¬ димом техническом уровне, оборудова¬ ние морально устарело и обеззаражива¬ ние воды начали производить хлором. В последние десятилетия как в СССР, так и за рубежом интерес к применению озона усилился. В настоящее время крупные озонаторные станции функцио¬ нируют в СССР, Франции, США, ФРГ, Канаде, Швейцарии, Польше и других странах. Значительные исследования по озони¬ рованию воды выполнены в нашей стра¬ не в АКХ, в НИИ ВОДГЕО, ИКХХВ АН УССР, ГИСИ им. Чкалова. Озонирование имеет существенные пре¬ имущества перед другими методами обез¬ зараживания воды, которые обеспечива¬ ют высокие эффект обработки воды и технико-экономические показатели: ком¬ пактность установок, удобство их эк¬ сплуатации, отсутствие громоздкого ре¬ агентного хозяйства, возможность пол¬ ной автоматизации процесса. Свойства, принцип действия и усло¬ вия применения озона. Озон является аллотропической модификацией кисло- Интенсивность разложения, мин 6 рода и при нормальных температуре и давлении представляет собой газ свет¬ ло-голубого цвета. При температуре — 111,9°Созон переходит в нестойкую жидкость темно-синего цвета. Температу¬ ра плавления озона —192,5 °С. В техноло¬ гии очистки воды применяется газооб¬ разный озон. При 0 °С и давлении 0,1 МПа растворимость чистого озона составляет 0,68 г/л, масса 1 л газа — 2,144 г. Молекула озона весьма неустойчива и легко разлагается (диссоциирует) на атом и молекулу кислорода: 03 04 О., оя 4~ О - 20а. 100,56 кДж; - 398,05 кДж; 203 302-(- 297,49 кДж. Скорость разложения озона возрастает при повышении значения pH, темпера¬ туры и степени минерализации воды (рис. 12.1). Озон — сильный окислитель. Соглас¬ но современным представлениям, ме¬ ханизм обеззараживания воды озоном основан на его способности инактивиро¬ вать энзимы (сложные органические вещества белковой природы), содержа¬ щиеся в животных и растительных ор¬ ганизмах. Патогенные микроорганизмы уничто¬ жаются озоном в 15—20 раз, а споровые формы бактерий — в 300—600 раз бы¬ стрее, чем хлором. Чистый озон взрывоопасен, поскольку при его разложении высвобождается значительное количество энергии. Озон 6* 163
не взрывается, если его концентрация в озоно-воздушной смеси не превышает 10 % (140 г/м3). Озон токсичен и может поражать ор¬ ганы дыхания. Предельно допустимое содержание озона в воздухе помещений, где работают люди, не более 0,0001 мг/л. Доза озона, необходимая для обеззара¬ живания воды, варьирует в зависимости от содержания в ней органических ве¬ ществ, температуры и pH воды. Согласно СНиП 2.04.02—84, для обез¬ зараживания воды подземных источни¬ ков рекомендуется доза озона 0,75—1, для отфильтрованной воды — 1—3 мг/л. Озонирование в ряде случаев являет¬ ся универсальным методом обработки воды, поскольку кроме обеззараживания вода дезодорируется и разлагаются ор¬ ганические вещества, вызывающие цвет¬ ность воды. Для удаления этих загряз¬ нений без применения озона потребова¬ лись бы хлорирование, коагулирование и углевание воды. При озонировании в обрабатываемую воду не вводятся посторонние примеси, а непрореагировавший озон через корот¬ кий интервал времени превращается в кислород, поэтому дозирование озона не требует особой точности. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой специфического запаха. Согласно ГОСТ 2874—82, содержание остаточного озона после выхода воды из камеры смешения должно быть 0,1 — 0,3 мг/л. 12.2. Условия электросинтеза озона В основе промышленного получения озо¬ на лежит реакция расщепления молеку¬ лы кислорода на атомы под действием ти¬ хого электрического разряда с последу¬ ющим присоединением к молекуле одного атома кислорода: 03 + 490,7 кДж 20; 202 + 20 203 + 206,8 кДж. На практике озон получают в специ¬ альных аппаратах — озонаторах, в ко¬ торых воздух с определенной скоростью пропускается между двумя электродами, соединенными с источником перемен¬ ного тока высокого напряжения (5— 20 кВ). Конструктивно электроды вы¬ полняются в виде двух концентрично расположенных цилиндров разного диа¬ метра (рис. 12.2) или в виде двух парал¬ лельных пластин (рис. 12.3). Для получения тихого разряда элек¬ троды озонаторов разделяются диэлек¬ триком с возможно большими удельным поверхностным сопротивлением и диэ¬ лектрической постоянной. Слой такого материала служит диэлектрическим барье¬ ром, исключающим образование искро¬ вого или дугового разряда и обусловли¬ вающим равномерную структуру тихого разряда. Одновременно он служит ре¬ активным буферным сопротивлением, ог¬ раничивающим ток в цепи разряда. В ка¬ честве диэлектриков используют обыч¬ ное или боросиликатное стекло, эмаль, пластмассы. Между противоположным электродом Э и диэлектриком Д (рис. 12.4, а), между обоими диэлектриками (см. рис. 12.4, б) либо диэлектриком посредине и электродами по бокам (см. рис. 12.4, в) оставляется воздушная прослойка Я. При подключении электродов к ис¬ точнику тока Т в воздушной прослойке П возникает тихий электрический раз¬ ряд, под воздействием которого кисло¬ род или воздух превращаются в озон. Охлаждающая бода Рис. 12.2. Размещение электродов и диэлектрика в трубчатом озонаторе: / — трубка из нержавеющей стали (электрод низкого напряжения): 2 — стек¬ лянная трубка: 3 — фольга (электрод высокого напряжения). Рис. 12.3. Размещение электродов и диэлектрика в пластинчатом озонаторе: / — пластинка из обычного стекла (диэлектрик): 2 — профилированные пла¬ стинки; 3 — полая пластинка из листового алюминия. 164
п п п а 5 6 Рис. 12.4. Различные способы расположения электро¬ дов и диэлектрика в озонаторах. Фактор N/q Рис. 12.5. Зависимость концентрации озона С от ве¬ личины фактора N/q: / — теоретическая зависимость содержания Оа от фактора N/q при температуре газа в разрядном про¬ странстве 20 °С; 2 — расход кислорода 3,0; 3 — 6,0; 4 — 10,0; 5 — 20,0; 6 — 30,0 л/ч. В связи с тем что 85—95 % потребля¬ емой озонатором электроэнергии затра¬ чивается на тепловыделение, электрод¬ ную систему необходимо охлаждать, по¬ скольку озон при повышенной темпера¬ туре быстро разлагается. Основной величиной, определяющей производи¬ тельность синтеза озона, служит мощ¬ ность разряда, отнесенная к расходу га¬ за, т. е. количество энергии, приходя¬ Рис. 12.6. Растворимость озо¬ на в воде в зависимости от температуры (а), концентра¬ ции его в воде (б) и давле¬ ния (в) при концентрации озона в воздухе: / — 15; 2—10; 3 — 5; 1 р/м3. щейся на объем пропущенного через озо¬ натор газа. Как видно из кинетических кривых синтеза озона (рис. 12.5), полученных при различных расходах (скоростях по¬ тока) газа q и изменяющейся мощности разряда N, концентрация озона с рос¬ том мощности озонатора увеличивается, проходит через максимум, а затем сни¬ жается. Это связано с тем, что при пос¬ тоянной температуре воды, охлаждаю¬ щей электроды, повышение мощности озо¬ натора приводит к росту температуры газа в разрядном пространстве, а следо¬ вательно, ускоряет разложение озона. Аналогичное явление наблюдается и при повышении частоты тока. Так, при повы¬ шении частоты тока от 50 до 200 Гц производительность озонатора удваи¬ вается. Дальнейшее ее повышение при¬ водит к увеличению мощности разряда и температуры газа, поэтому озонаторы, работающие на частоте до 500 Гц, не¬ обходимо охлаждать водой, а на частоте до 1000 Гц — рассолом. Токи более вы¬ сокой частоты (1000—10 000 Гц) можно применять в специальных генераторах озона, в которых предусматривается отвод теплоты не только от наружных, но и от внутренних высоковольтных электродов. Следует отметить наличие температур¬ ного перепада не только в стенках ох¬ лаждаемых электродов, но и в разряд¬ ном пространстве: он тем больше, чем больше это пространство. Поэтому озо¬ наторы с малыми разрядными простран¬ ствами более выгодны. Величина раз¬ рядного пространства в озонаторах на¬ ходится в пределах 1—3 мм. Температура, °С О 6 |——г—I j 5 / 3 / 2 J- О 10 20 30 12 10 8 6 4 2 О 0,10 0,13 0,16 0,19 Давление, МПа 6 Концентрация 03 6 газе, г/м3 5 165
Рис. 12.7. Влия¬ ние влажности воздуха на гене¬ рирование озона. 2 J 4 Влажность 1кг воздуха, г Растворимость озона в воде, как и всех малорастворимых газов, согласно зако¬ ну Генри, пропорциональна его парци¬ альному давлению или концентрации в газовой фазе. Она падает при повыше¬ нии температуры и возрастает при повы¬ шении давления (рис. 12.6). Исследованиями установлено, что оп¬ тимальное давление в озонаторах со¬ ставляет 0,1—0,2 МПа. При повышении давления до 0,4—0,5 МПа структура раз¬ ряда изменяется, появляются искровые дискретные разряды, снижаются кон¬ центрация озона и эффективность элект¬ росинтеза. Наиболее сильно на синтез озона влия¬ ет наличие в исходном газе водяного пара (рис. 12.7). Даже небольшая влаж¬ ность заметно понижает концентрацию озона. Особенно резкий спад наблюда¬ ется при большой влажности, когда из¬ меняется структура разряда. В этих условиях в разрядном пространстве на¬ ряду с озоном синтезируются оксиды азота, главным образом N205 и N20 (до 1 %). Последние, взаимодействуя с содержащейся в воздухе водой, образуют азотную кислоту, которая вызывает коррозию оборудования, арматуры и трубопроводов. N02, отлагаясь на стен¬ ках озонаторного котла, увеличивает электросопротивление разрядного про¬ странства и снижает эффективность син¬ теза озона. Производительность озонатора зна¬ чительно возрастает при обогащении воздуха кислородом. Например, добав¬ ление 10 % кислорода позволяет уве¬ личить производительность озонатора на 30 %. Для обогащения воздуха кисло¬ родом применяют цеолиты, селектив¬ но сорбирующие из него азот. При этом одновременно с обогащением 02 проис¬ ходит и глубокая осушка воздуха. Показателем эффективности работы озонатора является выход озона на 1 кВт • ч электроэнергии. В современ¬ ных установках промышленного типа этот показатель достигает 68 г/(кВт • ч) при использовании воздуха и 136 г/(кВт . ч) в случае применения кис¬ лорода; расход электроэнергии на синтез 1 кг озона при этом равен соответствен¬ но 14,7 и 7,35 кВт » ч. Количество обра¬ зующегося 03 составляет 0,5—2,0 мае. % пропускаемого воздуха, что соответ¬ ствует содержанию 5—20 г озона в 1 ms озонированного воздуха. При нормаль¬ ном атмосферном давлении и температу¬ ре 20 °G в среднем расход воздуха на по¬ лучение 1 кг озона составляет 70—80 м®. 12.3 Конструкции озонаторов Озонаторы промышленного типа отли¬ чаются друг от друга конструктивным оформлением, средствами охлаждения электродов и диэлектрика, а также ис¬ пользуемыми напряжением и частотой тока. Озонаторы небольшой производи¬ тельности обычно выполняь 'я с парой электродов и имеют трубчат о форму. Охлаждение их упрощено, поскольку теплота электрического разряда рассеи¬ вается от электродов в окружающую сре¬ ду. Относительно большое количество воздуха, проходящее через озонатор, также способствует отведению теплоты, но при этом концентрация озона в озоно¬ воздушной смеси понижается. Для полу¬ чения значительных количеств озониро¬ ванного воздуха с повышенной концен¬ трацией озона необходимы более совер¬ шенные охлаждающие устройства. Вмес¬ те с тем, увеличивая производительность озонаторов, не следует забывать о ком¬ пактности охлаждающих устройств. В технологии обработки воды приме¬ няются два основных типа озонаторов: трубчатые (горизонтальные и вертикаль¬ ные) и плоские пластинчатые ( с цен¬ тральным коллектором и с продольной циркуляцией). До пятидесятых годов XX ст. озон получали в основном в плоских пластин¬ чатых озонаторах, которыми было обо¬ рудовано большинство установок, по¬ строенных за рубежом. Аппараты трубчатого типа, созданные в конце сороковых годов, оказались более прогрессивными. Эти аппараты 166
Рис. 12.8. Схема трубчатого озонатора конструкции Велсбах: / — электрод низкого напряжения; 2 — диэлектрик; 3 — электрод высокого напряжения; 4 — стеклянная трубка. в настоящее время производят основное количество озона. Производительность наиболее совершенных трубчатых озо¬ наторов составляет 10—12 кг озона в час. Трубчатый озонатор с горизонтально расположенными электродами (рис. 12.8) представляет собой аппарат, состоящий из цилиндрического корпуса и съемных сферических днищ. Для закрепления размещаемого в корпусе озонатора паке¬ та электродов и разделения его на три секции в нем установлены вертикальные опорные решетки. В наиболее длинной средней секции расположены трубчатые электроды, меж¬ ду которыми циркулирует охлаждаю¬ щая вода. Через одну из двух крайних секций поступает сухой воздух, а через другую — выходит озонированный газ. Каждая разрядная трубка представ¬ ляет собой два коаксиально (соосно) расположенных электрода. Один из них — трубка из нержавеющей стали (за¬ земленный электрод) — является элек¬ тродом низкого напряжения, другой — стеклянная трубка с нанесенным на ее внутреннюю поверхность слоем токопро¬ водящего покрытия из графита или алю¬ миния — электродом высокого напря¬ жения. С помощью центрирующих ко¬ лец каждая стеклянная трубка устанав¬ ливается точно по оси стальной. В озо¬ наторе размещены 204 разрядные труб¬ ки. В кольцевом зазоре между электрода¬ ми, разделенном диэлектрическим ба¬ рьером и воздушной прослойкой в 2,5 мм, при напряжении 15 кВ возникает тихий разряд, под воздействием которого син¬ тезируется озон. Для отвода теплоты из зоны разряда внешние электроды охлаждаются водой с температурой 20 °С. Температура воды в озонаторах, как правило, повышается не более чем на 6—8 °С. Расход воды составляет 3—5 м3 на 1 кг озона. Пос¬ кольку качество охлаждающей воды не изменяется, ее можно многократно ис¬ пользовать для охлаждения озонаторов, а также применять для технологических целей и хозяйственно-питьевого водо¬ снабжения. Озонаторы с вертикально располо¬ женными трубчатыми электродами ана¬ логичны озонаторам с горизонтально расположенными электродами, однако они громоздки и из-за конструктивного несовершенства на крупных установках не применяются. Основной элемент озонаторов типа ПО — котлы из нержавеющей стали с ввальцованными в перегородки трубча- ! Воздух 167
тыми электродами, охлаждаемыми водой, циркулирующей в межтрубном простран¬ стве (рис. 12.9). Электрический разряд в них происходит в концентрическом зазоре в 2,5 мм, образованном стальной трубкой озонаторного котла (d = 44 мм) и стеклянной диэлектрической трубкой (d = 39 мм). На внутреннюю поверх¬ ность стеклянной трубки нанесено токо¬ проводящее графитово-медное покрытие, служащее высоковольтным электродом. Озонаторные котлы типа ПО поставля¬ ются в комплекте с адсорбционными осу¬ шительными установками, а также кон¬ трольно-измерительными приборами для определения влагосодержания и кон¬ центрации озона в газе. На рис. 12.10 приведена принципиаль¬ ная схема пластинчатого озонатора. Он выполнен из прямоугольных параллель¬ но размещенных пустотелых алюминие¬ вых или чугунных элементов 1, между которыми попарно установлены стеклян¬ ные пластины 2 на расстоянии 3 мм друг от друга. К внешней поверхности элементов плотно прилегает слой фоль¬ ги или металлической краски 3, выпол¬ няющий роль электрода. Элементы за¬ землены и охлаждаются циркулирующей в них водой. Элементы 1 я 4 являются высоковольтными электродами (20 ООО В, 500 Гц). Воздух поступает в кожух озо¬ натора, проходит через разрядные про¬ странства 5 и отводится выпускной тру¬ бой. Расход электроэнергии на образо¬ вание 1 кг озона составляет 18,1 кВт • ч. Французской фирмой «Трейлигаз» освоен выпуск озонаторов пластинчато¬ го типа с продольной циркуляцией. Уд- Рис. 12.10. Схема пластинчатого озонатора конструк¬ ции Отто. линенная прямоугольная форма элек¬ тродов и расположение каждого разряд¬ ного элемента в собственном коробчатом кожухе позволяют повысить произво¬ дительность озонатора по сравнению с озонаторами трубчатого типа на 50 %. 12.4. Технологические схемы озонирования воды Озонирование воды — сложный химико¬ технологический процесс, требующий объединения в одной установке устройств для: компрессирования и кондициони¬ рования воздуха, получения озона, сме¬ шения его с водой, рекуперации или раз¬ ложения непрореагировавшего озона. Принципиальная технологическая схе¬ ма современной озонирующей установ¬ ки с глубоким осушением воздуха ох¬ лаждением, вымораживанием и погло¬ щением оставшейся влаги адсорбентами приведена на рис. 12.11. Забираемый из незагрязненной зоны воздух (воздухо- забор располагают на 4 м выше конька крыши) проходит через кассетный воз¬ душный фильтр 1, где очищается от пыли, затем он сжимается поршневым или ротационным компрессором 2 и на¬ правляется во второй кассетный фильтр 3 (загруженный активированным углем или коксовым орешком), в котором очи¬ щается от капель масла, попавших в воз¬ дух в компрессоре. Часть воздуха при выходе из фильтра направляется в сме¬ ситель 7 фильтровальной станции для интенсификации смешения озона с во¬ дой, остальной воздух поступает на осушку в оросительный холодильник 4. Здесь происходит охлаждение воздуха, температура которого после компресси¬ рования повышается до 40—50 °С, и вы¬ деление из него влаги. Охлаждается воздух, движущийся по трубам холо¬ дильника, водой, орошающей их поверх¬ ность. Для озонаторных установок произво¬ дительностью более 6 кг/ч озона прини¬ мают двухступенчатую осушку воздуха. На первой ступени воздух охлаждают до температуры 7 °С в холодильной уста¬ новке, на второй — осушивают в ад¬ сорберах. Охлажденный воздух поступает в ко¬ жухотрубный теплообменник 11, где идет по трубам, охлаждаемым кипящим фре¬ 168
оном или аммиаком. Фреон подают из специальной установки 12. Влага из воздуха осаждается в виде инея на по¬ верхности труб и удаляется при останов¬ ке и отогревании теплообменников. В качестве хладоагента может использо¬ ваться артезианская или водопроводная вода. Применение артезианской воды предпочтительнее, так как она имеет в течение года постоянную температу¬ ру (10—12 °С). Глубокая осушка воздуха до влаго- содержания 0,1 г/м3 производится в адсорбере 10, заполненном силикагелем или активным оксидом алюминия, если требуется осушка до влагосодержания 0,001 г/м3. Для особо глубокой осушки применяют молекулярные сита. Адсорберов устанавливают не менее двух: в одном аппарате происходит ад¬ сорбция, в другом — регенерация ад¬ сорбента. Регенерируют адсорбенты воз¬ духом, нагретым до температуры 150— 280 °С в электрокалорифере 8 (см. рис. 12.11), или продувкой через слой увлажненного адсорбента чистого осу¬ шенного воздуха. Продолжительность защитного действия адсорбента прини¬ мают равной не более 8 ч. Остаточное содержание влаги в воздухе после ад¬ сорберов не должно превышать 0,05 г/м3. В процессе эксплуатации адсорбенты под воздействием капельной влаги и на¬ гревания при регенерации измельчают¬ ся. Для защиты коммуникаций и озо¬ наторов от пыли осушенный воздух обес¬ пыливается тканевыми фильтрами 9 и окончательно охлаждается в ороситель¬ ных холодильниках 5. Осушенный и охлажденный воздух поступает в озонаторы 6, где превра¬ щается в озон. Смесь воздуха и озона из озонаторов поступает в смеситель 7 для смешения с обрабатываемой водой. Рас¬ ход электроэнергии на синтез 1 кг озо¬ на, включая подсобное оборудование озонаторной, составляет 30—40 кВт • ч. 12.5. Смешение озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой Важным этапом в работе озонаторной установки является смешение озоно¬ воздушной смеси с обрабатываемой во¬ дой, которое должно обеспечить быстрое и эффективное использование озона. Для этого в современных установках приме¬ няют барботаж пористыми или перфори¬ рованными диффузорами, гидравличес¬ кое эмульсирование, механическую ин- жекцию и смешение в контактных бас¬ сейнах. На рис. 12.12 представлена схема бар- ботирования озоновоздушной смеси пер¬ форированными трубами-диффузорами. Компрессором 1 воздух подается в ад¬ сорбер 2, где осушивается, затем в озо¬ натор 3. По трубе 4 озонированный воз¬ дух направляется в контактную камеру 9 с размещенными на ее дне диффузора¬ ми 8 в виде перфорированных труб или пористых фильтросных пластин. По тру- 169
Рис. 12.12. Ввод озо¬ на в контакт с водой перфорированными трубками-диффузора- ми. I-to Рис. 12.13. Ввод озо¬ на в контакт с водой по системе Торичел¬ ли. бе 10 навстречу потоку рассеиваемых диффузорами мельчайших пузырьков озона поступает вода для обработки. Обработанная озоном вода по боковому карману 7 поднимается и переливается в сборный канал 6. Непрореагировав¬ шая часть озона отводится через вытяж¬ ную трубу 5. Барботирование озоновоздушной сме¬ си с водой может быть достигнуто исполь¬ зованием системы Торичелли (рис. 12.13). Отфильтрованная вода 1 подается в ка¬ меру по вертикальному каналу 3 высо¬ той 9,5 м. В состав камеры входит два смежных отделения 6 и 9, перекрытых на высоте 2—2,3 м от днища общим герметизированным покрытием, необхо¬ димым для создания в отделениях пос¬ тоянного гидравлического напора 72— 75 кПа. Озонированный воздух подает¬ ся в трубы-диффузоры 7, расположенные на дне первого отделения контактной камеры 6, где растворяется в противото¬ ке воды, которая переходит во второе отделение контактной камеры 9 под нижней кромкой разделительной перего¬ родки. Поскольку во втором отделении камеры отсутствуют завихрения потока, озон остается в растворенном состоянии, сохраняя высокую окислительную спо¬ собность. Непрореагировавший и накапливаю¬ щийся под верхним перекрытием каме¬ ры озон в виде слоя 8 отводится по трубе 5 и инжектором 4 вводится в вертикаль¬ ный канал 3. Таким образом, вода перед поступлением в контактную камеру 6 предварительно озонируется. Озониро¬ ванная вода, пройдя второе отделение контактной камеры 9, переливается через верхнюю кромку следующей пере¬ городки, движется снова вниз, входит в вертикальный канал 10, а из него по трубе 11 поступает в резервуары чистой воды. Предусмотрен отвод избыточного воздуха по стояку 2 в атмосферу. Продолжительность контакта озоно¬ воздушной смеси с водой составляет 5 мин (по 2,5 мин на каждое отделение ка¬ меры). Скорость движения воды во вход¬ ном канале составляет 4, в камере — 0,8 м/мин. Схема смешения озоновоздушной смеси с водой гидравлическим эмульсирова¬ нием приведена на рис. 12.14. Возду¬ ходувками 1 атмосферный воздух на¬ гнетается в адсорберы 2, где осушивается, и поступает в озонатор 3. Озонирован¬ ный воздух по трубе 4 и обрабатываемая Рис. 12.14. Ввод озона в контакт с водой гидравлическим эмульсато- ром. Рис. 12.15. Схема гид¬ равлического эмуль- сатора. i 70
вода по трубе 5 одновременно вводятся в эмульсатор 6, смешиваются и отводят¬ ся по вертикальной трубе 9 в камеру 10. Затем озонированная вода поднимается в верхнюю часть камеры и переливается через перегородку в боковой сборный канал 8. Непрореагировавшая часть озона отводится через вытяжной стояк 7. Продолжительность контакта озоно-воз- душной смеси с водой составляет около 5 мин. Гидравлический эмульсатор (рис. 12.15) представляет собой водяной насос-ин¬ жектор, в котором при прохождении об¬ рабатываемой воды возникает разреже¬ ние, вызывающее засасывание озониро¬ ванного воздуха. Это исключает возмож¬ ность утечки озона наружу. Способ механической инжекции (рис. 12.16) требует установки в контактной камере ротационного механического эмульсатора. Он выполняется в виде по¬ лого перфорированного цилиндра-ро¬ тора 2, вращающегося в воде вокруг оси 4 со скоростью 2900 об/мин. На верхнем перекрытии контактной камеры располагается электродвига¬ тель 3. За счет вакуума, создаваемого в результате быстрого вращения ци¬ линдра-ротора, озонированный воздух непрерывно всасывается трубой 1, вы¬ ходит через отверстия цилиндра в ради¬ альных направлениях и смешивается с окружающей ротор водой. Растворение в воде до 75—85 % озона происходит мгновенно за счет высокой степени дисперсности озоно-воздушной смеси. Широко распространен метод смеше¬ ния озоновоздушной смеси с водой в контактных бассейнах (рис. 12.17), пред¬ ставляющих собой железобетонные ре¬ зервуары, разделенные железобетон- Рис. 12.16. Схема механического ротационного эмуль*- сатора. Рис. 12.17. Схема контактного бассейна: /, II, III — соответственно первое, второе и третье отделения; 1 — водослив; 2 — озонированная вода: 3 — перегородки; 4 — диффузоры; 5 — турбина; 6 — вода на обработку: 7 — выпускной клапан; 8 — тур¬ бовентилятор Рис. 12.18. Схема подготовки водо¬ воздушной смеси: / — компрессор; 2 — обратный кла¬ пан; 3 — вен¬ тиль; 4 — расхо¬ домер; 5 — напор¬ ный бак; 6 — ма¬ нометр; 7 — пре¬ дохранительный клапан; 8 — ре гулирующий кла¬ пан; 9 — задвиж¬ ка; 10 — насос: 11 — уровнемер; 12 — трубопровод отвода водовоз¬ душной смеси; 13 — решетка ными перегородками на три отдельные последовательно соединенные камеры. Озон вводится во вторую и в третью по ходу движения воды камеры. Вода в ка¬ мерах движется сверху вниз, пузырьки озоновоздушной смеси — снизу вверх. Назначение первой камеры — реку¬ перация озона 1. Накапливающийся под перекрытием контактного бассейна не¬ прореагировавший озон отсасывается турбовентилятором и специальной тур¬ биной распределяется в виде мельчай¬ ших пузырьков в воде. Такой способ рекуперации озона позволяет дополни¬ тельно использовать 7—8 % его (рис. 12.18). Равновесие между количеством воз¬ духа, отсасываемого из бассейна, и ко¬ личеством поступающей в бассейн озо¬ новоздушной смеси поддерживается спе¬ циальным регулятором, который управ¬ ляется автоматически в зависимости от понижения давления во всасывающем трубопроводе. Под перекрытием контакт¬ ного бассейна находится специальный 1 Рекуперация озона — процесс улавливания непрореагировавшего озона, выходящего из верх¬ ней части камер контактного бассейна, и воз¬ вращение его в основное производство для пов¬ торного использования. 171
клапан, предназначенный для впуска воздуха при случайном понижении дав¬ ления. После рекуперации воздух вы¬ пускается в атмосферу. Равномерное распределение озоновоз¬ душной смеси в воде обеспечивается се¬ тью труб из пористой керамики или ме¬ таллокерамики, проложенных по дни¬ щам второй и третьей камер бассейна. Диаметр труб — до 100 мм, размер пор — 40—100 мкм. Объем контактного бассейна W опре¬ деляют по формуле где Q — расход воды, м3; t — продол¬ жительность контакта озоновоздушной смеси с водой (принимают равной 8— 12 мин), мин. Высоту слоя воды над диффузионной системой принимают 4,3—4,6 м, посколь¬ ку выпускаемые промышленностью га- зодувки развивают давление не более 0,06 МПа. Площадь контактного бассейна F можно рассчитать по формуле где 4,5 — высота слоя воды, м. Общую высоту контактного бассейна принимают равной 7 м. Производительность озонатора Q0 вы¬ числяют по формуле Qo — где С — концентрация озоновоздушной смеси, г/м3; QB — количество воздуха, прошедшего через озонатор, м3/ч. Производительность озонаторной уста¬ новки Qy определяют по уравнению Qy ДоУв’ где Да — доза озона, г/м3; qa — коли¬ чество обработанной воды, м3/ч. Определив требуемое количество озо¬ на и зная его эффективную концентра¬ цию, вычисляют расход воздуха и на¬ пряжение. Непрореагировавший озон рекупери¬ руют в первых барботажных камерах, куда поступает еще не обработанная озоном вода, специальными турбина¬ ми -эмульсаторами. Это позволяет прак¬ тически полностью использовать оста¬ точный озон. 12.6. Эксплуатация озонаторных установок Современные озонаторные установки от¬ носительно просты и надежны в эксплу¬ атации. Производственный процесс ха¬ рактеризуется непрерывностью и ком¬ плексной автоматизацией синтеза озона и введения его в воду. Озонаторная ус¬ тановка не требует специального ухода, однако своевременное устранение воз¬ можных неисправностей, правильная эк¬ сплуатация и соблюдение требований техники безопасности значительно удли¬ няют срок ее службы и повышают на¬ дежность. На поверхности стальных электродов и диэлектрических трубок озонаторов образуются налеты буро-черного цвета. Поэтому один-два раза в год их следует очищать влажной щеткой и протирать спиртом. В летнее время температура воды по¬ верхностных источников, используемой для охлаждения, достигает более 14— 15 °С. В этот период рекомендуется ох¬ лаждать озонаторы артезианской водой, очищенной от соединений железа. С уче¬ том колебаний температуры воды реко¬ мендуется также корректировать по се¬ зонам года ее расход, указанный в ин¬ струкции по эксплуатации озонаторов. Водяная рубашка озонатора может закупориться соединениями железа, об¬ разующимися из-за коррозии трубопро¬ водов, подающих охлаждающую воду. Во избежание этого рекомендуется пе¬ риодически промывать ее большим коли¬ чеством воды. Ротаметры от соединений железа очи¬ щают разбавленным раствором соляной кислоты. Электросиловое оборудование, озона¬ торы и контрольно-измерительную ап¬ паратуру эксплуатируют в соответствии с прилагаемой документацией, блоки осушки воздуха и маслоотделитель — в соответствии с инструкцией и с уче¬ том требований и норм действующих «Правил устройства и безопасной эк¬ сплуатации сосудов, работающих под давлением» и «Правил технической эк¬ сплуатации потребителей и правил тех¬ ники безопасности при эксплуатации установок-потребителей (ПТЭ и ПТБ)». Озон относится к газам первого класса 172
токсичности. Вдыхание воздуха с повы¬ шенной против ПДК дозой озона при¬ водит к поражению органов дыхания, раздражает слизистые оболочки глаз, снижает кровяное давление, поэтому не¬ обходимо строго соблюдать правила тех¬ ники безопасности. Технические сред¬ ства и устройства, предусматриваемые при проектировании озонаторных уста¬ новок, должны исключать попадание в воздух рабочей зоны и в окружа¬ ющую среду озона в концентрациях, превышающих ПДК. Озонаторы и озо- нопроводы должны быть тщательно гер¬ метизированы. Результаты пневматичес¬ кого испытания на герметичность счи¬ таются удовлетворительными, если па¬ дение давления в озонопроводе не пре¬ вышает 0,1 %/ч. Для устранения опасных концентра¬ ций озона, которые могут возникать в помещениях, в них необходимо уста¬ навливать общеобменную и аварийную дополнительную вентиляцию с шести¬ кратным обменом воздуха в час. В озонаторной должны быть индиви¬ дуальные средства защиты: фильтру¬ ющий противогаз с поглотителями из иодида калия и натронной извести, за¬ щитные перчатки. Все работы по ремонту озонаторов и озонных коммуникаций необходимо выполнять только после продувки их воздухом в течение получаса для уда¬ ления остатков озона. С целью предупреждения загрязнения окружающей среды озоном на водо¬ проводных очистных станциях следует предусматривать: рекуперацию озона, разбавление воздухом газовых выбро¬ сов, хемосорбцию и адсорбцию озона пористыми поглотителями, его катали¬ тическое разложение. Рациональная организация и правиль¬ ная эксплуатация химико-технологичес- кого процесса синтеза и использования озона обеспечивает надежное обеззара¬ живание воды при ее непрерывной под¬ готовке. Глава 13 ДРУГИЕ МЕТОДЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ 13.1. Обеззараживание воды ультрафиолетовыми (УФ) лучами Давно было замечено, что свет отрица¬ тельно влияет на развитие большинства бактерий. Это свойство приписывалось всему солнечному спектру, и природа его на протяжении многих лет остава¬ лась невыясненной. В результате тща¬ тельного изучения этого явления было установлено, что бактерицидным дей¬ ствием обладает в основном коротковол¬ новой свет. В конце XIX ст. русский ученый А. Н. Маклаков, изучая различные участки спектра, установил бактерицид¬ ное действие УФ-лучей с длинами волн 200—295 нм, причем оказалось, что максимально эффективными являются лучи с длиной волны 260 нм. Результаты работы свидетельствовали о том, что все виды бактерий и спор гибли уже через несколько минут после облучения. Бактерицидные свойства УФ-лучей объяснялись по-разному. Одни исследо¬ ватели указывали на возможность об¬ разования в воде под действием УФ- лучей озона, другие — пероксида водо¬ рода. В настоящее время наиболее вероятной считается гипотеза, согласно которой УФ-лучи, воздействуя на бел¬ ковые коллоиды цитоплазмы клеток, изменяют их структуру и дисперсность, что и приводит к гибели самой клетки. Установлено также, что вода под действием УФ-лучей в течение относи¬ тельно короткого времени полностью обез¬ зараживается. Быстрое обеззаражива¬ ние воды достигается при наличии всех видов бактерий, в том числе и споровых. Поскольку физические и химические свойства облученной воды не изменяют¬ ся, последняя совершенно безвредна. Обеззараживать УФ-лучами лучше все¬ го очищенную прозрачную воду, так как взвешенные и коллоидные примеси рассеивают свет и препятствуют проник¬ новению УФ-лучей в толщу воды. В качестве источников этих лучей применяются специальные ртутные лам¬ пы, принцип действия которых основан 173
\ Рис. 13.1. Схема бактерицидной лампы. на том, что пары ртути в разрядных трубках под влиянием электрического тока излучают ослепительный зеленова¬ то-белый свет, богатый УФ-лучами. Первая лампа была сконструирована в 1895 г., а опыты по обеззараживанию питьевой воды начали проводить в 1909 г. Вначале оболочки ртутных ламп изго¬ товляли из обычного стекла, но посколь¬ ку оно обладает способностью задержи¬ вать значительную часть УФ-лучей, пришлось заменить его кварцевым и увиолевымх. Бактерицидная лампа (рис. 13.1), соответствующая по внешнему виду, устройству, мощности, электрическим па¬ раметрам, схеме и приборам включения люминесцентной (лампе дневного света), состоит из разрядной цилиндрической трубки 1, изготовленной из увиолевого стекла (люминесцентная лампа изготов¬ лена из обычного стекла, непрозрачного для лучей с длиной волны 253,7 нм). Электрический разряд в бактерицидной лампе возникает в парах ртути 2 при низком давлении. Для ускорения вклю¬ чения лампы вместе с парами ртути вво¬ дится небольшое количество благород¬ ного газа аргона. В концы трубки впа¬ яны оксидные электроды 3. Катод вы¬ полнен из оксидированной вольфрамо¬ вой проволоки в виде спирали. Зажига¬ ется бактерицидная лампа автоматичес¬ ки от стартера. В настоящее время применяются лам¬ пы двух типов: ртутно-кварцевые высо¬ кого давления и аргоно-ртутные низ¬ кого давления. Ртутно-кварцевые лампы высокого дав¬ ления (0,05—1,10 МПа) типа ПРК и РКС излучают в широком диапазоне инфра¬ красной (ИК), видимой и УФ областей спектра. Это является серьезным недос¬ татком, поскольку в результате выход бактерицидной мощности не превышает 5 % потребляемой электроэнергии. Элек¬ трическая мощность ламп ПРК достигает 1000, а РКС —2500 Вт, поэтому бакте¬ рицидный эффект их довольно значите¬ лен. Аргоно-ртутные лампы низкого дав¬ ления (0,4—0,5 кПа) типа БУВ излучают свет, значительная часть которого обла¬ дает максимальным бактерицидным дей¬ ствием — 253,7 нм. Вследствие этого выход бактерицидной энергии увеличи¬ вается в несколько раз и составляет 11 %. Однако лампы БУВ (ДБ) изготов¬ ляются мощностью до 60 Вт и применя¬ ются лишь в установках небольшой про¬ изводительности. Существует два основных вида аппа¬ ратов для облучения: с погруженными и непогруженными источниками УФ-из- лучения. Первые имеют высокий коэф¬ фициент использования мощности ради¬ ации, но конструктивно весьма сложны, особенно при большой производитель¬ ности. Схема напорной установки типа ОВ- АКХ-1 с погруженными источниками УФ-излучения приведена на рис. 13.2. Каждая секция установки этого типа при производительности 150 м3/ч со¬ стоит из пяти камер, последовательно соединенных между собой. Интенсивное перемешивание воды внутри корпуса обеспечивают шесть радиальных пере¬ городок. Для доступа внутрь камер предусмотрены специальные окна. В 1 У виолевое стекло обладает повышенной прозрачностью в УФ-области спектра благодаря отсутствию в нем оксидов Fe203, Сг203, V2Os и сульфидов тяже¬ лых металлов, поглощающих УФ-лучи. Рис. 13.2. Схема установки типа ОВ-АКХ-1 с погруженными источни¬ ками излучения — лампами ПРК-7: / — трубопровод; 2 — переходные патрубки; 3 — корпуса камер; 4 — перегородки для смешения воды; 5 — ртутно-кварцевые лампы высо¬ кого давления ПРК-7; 6 — кварце¬ вые цилиндрические чехлы. Й _L idC Ж У Si 5 Ч 174
Рис. 13.3. Схема бактерицидной установки лоткового типа, оборудованной бактерицидными лампами ДБ-80 (БУВ-30). верхней крышке закреплено стекло для наблюдения за состоянием камеры и ра¬ ботой лампы. Лампа типа ДРТ-1000 (ПРК-7), помещенная в цилиндрический футляр, расположена в центре камеры. Напорные бактерицидные установки ук¬ репляют на напорных или всасывающих трубопроводах. Аппараты с непогруженными источни¬ ками конструктивно сравнительно прос¬ ты, но при их применении непроизводи¬ тельно расходуется часть бактерицид¬ ной мощности из-за рассеивания лучей, поглощения их отражательными поверх¬ ностями и т. д. Ниже приведено несколь¬ ко схем таких установок, разработанных в АКХ. На рис. 13.3 представлена схема уста¬ новки лоткового типа для обеззаражива¬ ния воды с непогруженным источником излучения. Вода поступает в аппарат через дырчатую перегородку и распре¬ деляется по лотку; в конце аппарата находится перелив; бактерицидная лам¬ па в алюминиевом рефлекторе разме¬ щается над поверхностью воды. При коли-индексе исходной воды, рав¬ ном 1000, и облучении ее до получения коли-индекса 1—2 в аппарате с длиной лотка 40 см и лампой мощностью 15 Вт производительность установки дости¬ гает 1 м3/ч воды. Безнапорные установки располагают на горизонтальных участках трубопро¬ водов или в специальных каналах. В установках струйного типа с непо¬ груженным источником излучения (рис. 13.4) вода облучается при падении струи из распределительной системы в сборный канал. При производительнос¬ ти установки 300 м3/ч, расстоянии между струями 12 см и количестве струй, рав¬ ном 100, необходимо 500—600 ламп мощностью по 30 Вт. Длина установки составляет 12 м. В настоящее время благодаря выпус¬ ку более мощных ламп типа ДРТ мож¬ но не только улучшить конструктивные элементы установок, увеличить их про¬ изводительность, но и значительно умень¬ шить массу новых установок марок ОВ-1П-РКС, ОВ-ЗП-РКС, ОВ-150 0В- АКХ-1 и других в основном за счет уменьшения расхода металла. В процессе эксплуатации сила свето¬ вого потока бактерицидных ламп сни¬ жается, поэтому периодически (через 4—5 мес) их необходимо заменять. На¬ блюдения за работой бактерицидных ламп ведут по показаниям амперметра на шкафу управления, визуально через смотровые окна камер и по сигнальным устройствам. Производительность напорной уста¬ новки ОВ-1П-РКС составляет 50—75 м3/ч воды. Кварцевый чехол очищается автомати¬ чески щетками, вращающимися от дви¬ жения протекающей через камеру обра¬ батываемой воды. Поток воды переме¬ шивается спиралью, установленной в ци¬ линдрической камере. В ее корпусе име¬ ются два смотровых окна для наблюдения за чистотой поверхности кварцевого чехла, работой щеток и режимом лам¬ пы. Камера устанавливается только в горизонтальном положении. Установка ОВ-150 производитель¬ ностью 150 м3/ч состоит из трех камер обеззараживания, соединенных после¬ довательно. О <4 Ф ф ф 1 Фрф <t> Ф ф ф щ ф !ф ф ф ф ф 1 ж ф Ф ф ф Л о ф ф ф 0 Ф V ф i ждор- мушм Рис. 13.4. Схема бактерицидной установки струйного типа: / — распределительная система для воды: 2 — бак¬ терицидные лампы. 175
Рис. 13.5. Кассета установки типа ОВ-ПК-РКС: / — металлическая рама; 2 — блоки кассеты с лампами ДРТ-2500; 3 — трубопровод; 4 — сопла, подающие воду на турбинки для очистки че¬ хлов; 5 — металлические пластины. В каждой камере установлена одна лампа типа ДРТ-2,5. Потери напора в одной камере — 0,6 м, рабочее давле¬ ние 1 МПа. Установка ОВ-ПК-РКС — безнапор¬ ная с погруженными источниками излучения имеет производительность 3000 м3/ч и предназначена для обеззара¬ живания воды УФ-лучами на крупных водопроводах. Конструктивно эта уста¬ новка решена в виде канала длиной до 7 м, глубиной около 1 м и шириной 1,35 м, по которому пропускают исход¬ ную воду. К стенкам канала вертикаль¬ но прикреплены металлические пласти¬ ны 5, между которыми установлено де¬ сять кассет в металлических рамах 1. В каждую кассету (рис. 13.5) в шахмат¬ ном порядке горизонтально вставлено 8 блоков. Каждый блок состоит из квар¬ цевого цилиндрического чехла, в кото¬ ром размещена ртутно-кварцевая лампа 2 высокого давления (ДРТ-2500). На середину чехла надета металлическая муфта с закрепленной на ней турбиной с лопастями. Поступающая под давле¬ нием по турбопроводам 3 вода, выбива¬ ясь струей из сопел 4, ударяется о ло¬ пасти турбинок, вращает их и прикреп¬ ленные вдоль чехла щетки, которые обес¬ печивают непрерывную очистку кварце¬ вых чехлов, что значительно улучшает условия эксплуатации установки. Такая установка с 1966 г. эксплуати¬ руется на южном водозаборе водопрово¬ да г. Уфы. В зависимости от заданного расхода воды одновременно может устанавли¬ ваться несколько бактерицидных уста¬ новок, однако их количество не должно превышать трех с учетом одной резерв¬ ной. Максимальное количество ламп в кассете установки —не более 12 шт., включая резервную. Размещают уста¬ новки, как правило, после резервуаров чистой воды непосредственно перед по¬ дачей ее в сеть. СНиП 2.04.02—84 рекомендуют обез¬ зараживать подземные воды бактери¬ цидным излучением при условии по¬ стоянного обеспечения требований стан¬ дарта на питьевую воду по мутности, цветности и другим показателям. Коли- индекс обрабатываемой воды не должен превышать 1000, содержание в ней же¬ леза— не более 0,3 мг/л. Коллоидные и взвешенные частички, соединения же¬ леза не только препятствуют проникно¬ вению лучей в толщу воды, но и являют¬ ся основным видом отложений на по¬ верхности кварцевых чехлов. При боль¬ шом интервале времени между чистками на поверхности кварцевых чехлов обра¬ зуется плотный, трудно удаляемый на¬ лет, значительно снижающий эффект обеззараживания воды. Дальнейшие исследования по созданию более мощных источников бактерицид¬ ного излучения и повышению его выхода на единицу потребляемой ими электро¬ энергии имеют особое значение для рас¬ ширения области применения метода обеззараживания воды облучением. Обеззараживание облучением не тре¬ бует введения в воду химических реа¬ гентов, не изменяет физико-химических свойств и не влияет на вкусовые качества воды. Однако применение этого метода 176 I
сопряжено со значительными матери¬ альными затратами и не исключает опасности повторного заражения воды. Бактерицидные установки экономически выгодно применять на водоочистных стан¬ циях небольшой производительности. 13.2. Обеззараживание воды ультразвуком Ультразвуком называют механические колебания, частота которых выше по¬ рога слышимости человеческого уха, т. е. более 20 ООО колебаний в секунду (>20 кГц). Представив волновой спектр графи¬ чески (рис. 13.6), увидим, что практи¬ чески полученные ультразвуковые коле¬ бания (см. рис. 13.6, а) охватывают лишь часть радиодиапазона, а теоретически возможная область ультразвуковых час¬ тот (см. рис. 13.6, б) достигает опти¬ ческого диапазона. Одна из особенностей ультразвука — большая интенсивность колебаний — обусловливает его физико-химическое и биологическое действие. Ультразвуковые колебания в технике получают пьезоэлектрическим и магни- тострикционным методами. Источником ультразвуковых колеба¬ ний, получаемых пьезоэлектрическим ме¬ тодом, являются пластинки из горного хрусталя, кварца, турмалина, титаната бария, цирконата свинца, обладающие свойством утолщаться и утоньшаться под действием переменного тока, генерируя ультразвук такой же частоты, какую имеет переменное электрическое поле. Толщина применяемых пластинок обыч¬ но колеблется от нескольких миллимет¬ ров до 1 см. Хотя кристаллы других ве¬ ществ (например, сегнетовой соли) и способны производить более мощные уль¬ тразвуковые колебания, чем кварцевые, применяются они реже из-за малой проч¬ ности. Рис. 13.7. Схемы уль¬ тразвуковых магнито- стрикционного (а) и пьезоэлектрического (б) генераторов: / — генераторы высо¬ кой частоты; 2 — ка¬ тушка возбуждения; 3 — пьезокристалл. С а Ультразвуковые колебания, получае¬ мые магнитострикционным методом, ос¬ нованы на свойстве никелевого или стального стержня быстро намагничи¬ ваться и размагничиваться и при этом периодически удлиняться или укорачи¬ ваться, издавая звук определенной час¬ тоты. Этот метод рентабельнее пьезо¬ электрического, но менее эффективен. На рис. 13.7 представлены принципи¬ альные схемы магнитострикционного и пьезоэлектрического ультразвуковых ге¬ нераторов. Единой теории, объясняющей бакте¬ рицидное действие ультразвука, пока не существует. Однако большинство ис¬ следователей придерживаются мнения, что в ультразвуковом поле происходит преимущественно механическое разру¬ шение бактерий в результате ультра¬ звуковой кавитации. Эту гипотезу под¬ тверждают данные электронной микро¬ скопии. На полученных снимках клеточная оболочка бактерий, подверг¬ нутых действию ультразвука, разрушена, чего не наблюдается у бактерий, убитых нагреванием. Этим методом в тонком слое жидкости в течение 1 —2 мин уничтожается до 95 % бактерий кишеч¬ ной палочки. Ультразвук разрушает также дизентерийные палочки, тифоз¬ ный вирус и другие микроорганизмы. Эффективность бактерицидного дей¬ ствия ультразвуковых колебаний зави¬ сит от формы микроорганизмов, проч¬ ности и химического состава клеточной Рис. 13.6. Схема волнового спектра с широковещательным (1), коротковолно¬ вым (2), видеочастотным (3), микро¬ волновым (4), инфракрасным (3) и уль¬ трафиолетовым (7) диапазонами; 6 — видимый свет; 8 — рентгеновское излу¬ чение; 9 — 7-излучение; а — практиче¬ ски полученный диапазон ультразвуко¬ вых частот; б — теоретически возмож¬ ный диапазон ультразвуковых частот. 177
для обез- стенки, наличия капсулы, возраста куль¬ туры, продолжительности и интенсив¬ ности озвучивания, частоты ультразву¬ ковых колебаний. Изменяя продолжительность и интен¬ сивность озвучивания, можно воздей¬ ствовать почти на все виды микроорга¬ низмов. В поле ультразвуковых волн подвергаются дезинтеграции грампо- ложительные и грамотрицательные, аэ¬ робные и анаэробные бактерии, палочко¬ видные, кокковые и другие формы мик¬ роорганизмов. Наиболее чувствительны к действию ультразвука нитчатые фор¬ мы микроорганизмов, наименее чувствите¬ льны —шарообразные, палочкообразные занимают промежуточное положение. Сильное губительное действие оказы¬ вает ультразвук с длиной волны, соиз¬ меримой с размерами озвучиваемых ми¬ кроорганизмов. Частоты 20, 26, 30 кГц по бактерицидному действию практи¬ чески равнозначны; основная масса бак¬ терий гибнет за 2—5 с. Толщина слоя воды при озвучивании (в определенных пределах) мало влияет на бактерицидный эффект, и процент гибели бактерий для слоев толщиной 10 см практически одинаков. Бактери¬ цидный эффект ультразвука не зависит от мутности (в пределах до 50 мг/л) и цветности озвучиваемой воды, влияет в одинаковой степени как на вегетатив¬ ные, так и на споровые формы микроор¬ ганизмов, сильно зависит от интенсив¬ ности озвучивания. Увеличение интен¬ сивности, как правило, приводит к уси¬ лению бактерицидного действия уль¬ Рис. 13.8. Схема ультразвукового устройства зараживания воды. тразвука, а озвучивание микроорга¬ низмов е малой интенсивностью может даже стимулировать их рост. На основа¬ нии опытных данных можно заключить, что для обеззараживания воды, отве¬ чающего требованиям ГОСТа, необхо¬ дима интенсивность ультразвука 2 Вт/см2 при частоте колебаний 46 кГц. Ориентировочные подсчеты, проведен¬ ные на основании лабораторных данных, показали, что при использовании су¬ ществующих ламповых генераторов и магнитострикционных вибраторов рас¬ ход электроэнергии на обеззараживание 1 м3 воды ультразвуком составляет 2— 2,5 кВт ■ ч. Расход электроэнергии, а следова¬ тельно, и стоимость обеззараживания воды ультразвуком могут быть снижены при применении в качестве источников тока высокой частоты машинных много¬ полюсных генераторов. На рис. 13.8 изображена схема уль¬ тразвукового устройства для обеззара¬ живания воды. В емкости 10 с выпуск¬ ными 8, 9 и впускным 11 электромаг¬ нитными клапанами установлен излуча¬ тель 2, выполненный из феррита в виде трубки со сферическим концентратором 7. Для охлаждения излучателя служит камера 1. Изолированные провода 3 и 5 от обмоток возбуждения и подмагничи- вания излучателя 2 выводятся наружу для присоединения к генератору ультра¬ звуковых колебаний. Излучатель прик¬ реплен к крышке 6 через упругий эле¬ мент 4. Обрабатываемая жидкость, про¬ ходя непрерывным потоком через ем¬ кость, подвергается озвучиванию по¬ груженным в жидкость концентратором. Описанное устройство позволяет повы¬ сить эффективность обработки воды и свести к минимуму потери на вихревые токи, гистерезис и внутреннее трение. Используя ультразвук, можно доби¬ ться не только самостоятельного бакте¬ рицидного эффекта, но и значительно повысить дезинфицирующее действие ма¬ лых доз химических (хлор, пероксид водорода, серебро) и физических (уль¬ трафиолетовое, бактерицидное излуче¬ ние) агентов. Например, ультразвуковая обработка воды магнитострикционным излучателем (частота колебаний 25 кГц, интенсивность озвучивания 2,5 Вт/см2) в сочетании с последующей обработкой 178
хлором дозой 1,5 мг/л позволяет обезза¬ раживать воду до требований стандар¬ та за 30—60 с, в то время как аналогич¬ ный эффект одним только хлорированием дозой 2—2,5 мг/л достигается лишь за 30 мин. Действие ультразвука на бактерии проявляется значительно интенсивнее в жидкостях, содержащих газы. С этой точки зрения представляет большой инте¬ рес не только хлорирование, но и озо¬ нирование в ультразвуковом поле. В последнем случае границы применения каждого из этих агентов в технологии обработки воды могут быть значительно расширены. Комбинированная обработка воды осо¬ бенно перспективна в случаях, когда требуется обеззараживать воду, прохо¬ дящую ненадежную предочистку. Для решения вопроса о целесообраз¬ ности применения ультразвука в водо¬ снабжении необходимы дальнейшие тео¬ ретические и экспериментальные иссле¬ дования для установления оптимальных параметров ультразвуковой обработки воды при ее очистке от отдельных хими¬ ческих соединений, биологических за¬ грязнений и гигиенической оценки дан¬ ного метода. Необходимо также разра¬ ботать мощные и экономичные ультра¬ звуковые установки, пригодные для обработки больших объемов воды. 13.3. Методы обеззараживания воды для небольших автономных объектов Обеззараживание воды ионами серебра. В 1930 г. Л. А. Кульский впервые раз¬ работал электрохимический метод обез¬ зараживания питьевой воды серебром. Через два года сходная методика была опубликована в Германии, а затем и в Англии. Сейчас этот метод применяется во многих странах мира. Серебро является высокоэффективным обеззараживающим реагентом в отноше¬ нии всех патогенных микроорганизмов. Оно обладает ценным свойством консер¬ вировать воду на длительное время. Вода, обработанная серебром (0,1 мг/л), сохраняет высокие санитарно-гигиени¬ ческие показатели в течение года и бо¬ лее. Для объяснения механизма бактери¬ цидного действия серебра выдвинуто ряд гипотез: гибель клетки из-за нару¬ шения процессов обмена под влиянием ионов серебра на ферменты бактерий; проникновение ионов серебра внутрь клетки, соединение их с цитоплазмой и разрушение клетки; адсорбция Ag+ на клетке, что катализирует процесс окисления цитоплазмы кислородом воз¬ духа. Вероятно, что при обеззаражива¬ нии воды ионами Ag+ в той или иной степени влияют все перечисленные фак¬ торы. Бактерицидное и консервирующее дей¬ ствие электролитических растворов се¬ ребра установлено в дозе 0,05 мг/л и выше при длительности контакта 30— 60 мин. При необходимости введения больших доз серебра в воду современные обеззараживающие и консервирующие установки снабжены аппаратурой для десеребрения ее. Обогащать воду Ag+ можно контакти¬ рованием воды с развитой поверхностью металла, непосредственным растворе¬ нием в воде солей серебра, электролити¬ чески. Последний метод имеет практи¬ ческое значение. Он основан на анодном растворении серебра, что обеспечивает получение нужных концентраций ме¬ талла в короткие сроки и позволяет электроизмерительными приборами точ¬ но дозировать реагенты и регулировать процесс. Для электролитического рас¬ творения серебра в воде используют ионаторы системы Л. А. Кульского. Основными частями ионаторов явля¬ ются электродозирующее устройство и серебряные электроды. Электродозиру¬ ющее устройство состоит из: понижаю¬ щего трансформатора; выпрямителя, пре¬ образующего переменный ток в постоян¬ ный; вольтметра, измеряющего напря¬ жение постоянного тока; миллиампермет¬ ра, измеряющего силу тока и соответ¬ ствующую ему скорость перехода ионов серебра в раствор; реостата, регулиру¬ ющего силу тока; переключателя по¬ лярности электродов; деталей, автома¬ тизирующих процесс. Серебряные элек¬ троды обычно помещены в сосуд, через который протекает вода. Количество ио¬ нов серебра Д., переходящих в раст¬ вор, определяется по показаниям миллиамперметра на основании зако- 179
220В Рис. 13.9. Принципиальная электриче¬ ская схема ионатора JIK-27: —j / — резисторы по 2,5—10 кОм; 2 — вы¬ прямитель (диод Д7Ж); 3 — серебря- ^|| I ные электроды. Т\2 If Рис. 13.10. Общий вид автоматизиро¬ ванного ионатора JIK-28 (ИЭМ-50). на Фарадея с внесением поправок на вы¬ ход по току в зависимости от солевого состава воды и условий электролиза Дс = Alt ■ Л 100 где А —электрохимический эквивалент серебра (равен 1,118 мг/(А • с)); / — сила тока, A; t — длительность электро¬ лиза, с; т] — выход серебра по току, %. В настоящее время выпускается два типа ионаторов —ЛК-27 и ЛК-28. Пер¬ вый предназначен для индивидуального пользования в бытовых условиях, вто¬ рой — для обеззараживания воды на мелких хозяйственно-питьевых во¬ допроводах, предприятиях пищевой про¬ мышленности и общественного питания, в плавательных бассейнах, при разливе минеральных вод и др. Ионатор ЛК-27 состоит из штепсель¬ ной вилки, в которую вмонтировано вы¬ прямительное устройство (два резистора и диод), и пластмассовой вилки с элек¬ тродами (анод — серебро, катод — не¬ ржавеющая сталь), защищенных перфо¬ рированным колпачком (рис. 13.9). По¬ скольку сопротивления, включаемые по¬ следовательно в сеть, значительно боль¬ ше сопротивления слоя воды между электродами, сила тока, проходящего через воду, определяется в основном напряжением переменного тока (220 В) и омическим сопротивлением резисторов. Отклонение в дозировке серебра при этом не превышает 5 %, что допустимо. Автоматический ионатор ЛК-28 напор¬ ного типа состоит из электропульта и гидравлической части (рис. 13.10). Элек¬ трическая схема ионатора преобразует переменный ток напряжением 220 или 127 В в постоянный напряжением 18 В, обеспечивает равномерный износ элек¬ тродных пластин и уменыпаёт их поля¬ ризацию изменением полярности; вык¬ лючает аппарат через определенное вре¬ мя. Основными узлами гидравлической части являются электролизер и резерву¬ ар-накопитель, связанный с водопро¬ водной магистралью системой труб. В ионаторе ЛК-28 можно растворять до 10 г/ч серебра, что обеспечивает обра¬ ботку от 50 до 200 м3/ч воды. Необхо¬ димое количество ионаторов рассчиты¬ вают исходя из производительности стан¬ ции и дозировки серебра, определяемой экспер иментально. Ионаторами ЛК-28 (ИЭМ-50) морского исполнения в настоящее время оснаще¬ но более 100 крупных морских судов Черноморского и Балтийского паро- ходств и Мурманского тралового флота. 66,65 Рис. 13.11. Давление на¬ сыщенного па¬ ра воды при различной тем¬ пературе (об¬ ласть вакуум¬ ного обеззара¬ живания за штрихована >. 53,32 39,99 26,66 13,33 40 60 Температура, °0 160
Это позволило сократить валютные за¬ траты на покупку питьевой воды в за¬ граничных портах, снизить заболевае¬ мость среди моряков и улучшить сани¬ тарно-гигиенические условия водообес- печения судов. Термическое обеззараживание воды. Термический метод, обычно применяе¬ мый для обеззараживания небольших количеств воды, используется в санато¬ риях, больницах, в учреждениях, на пароходах, в поездах и т. д. Полное обеззараживание воды, т. е. гибель всех находящихся в ней патоген¬ ных бактерий, достигается 5—10-минут¬ ным кипячением. Для получения кипя¬ ченой воды на практике обычно пользу¬ ются кипятильниками системы Бессо¬ нова, «Вулкан», «Титан» и др. Термический метод обеззараживания воды не нашел применения даже на малых водопроводах из-за его дорого¬ визны, связанной с большими расхода¬ ми топлива и малой пропускной способ¬ ностью аппаратов. Обеззараживание воды рентгеновским и радиоактивным излучением и токами высокой частоты. До настоящего вре¬ мени эти методы исследованы мало, а по¬ этому о перспективности их применения пока судить нельзя. В радиобиологии различают два ос¬ новных типа излучений —длинновол¬ новые (295—200 нм, в том числе и УФ- излучение) и коротковолновые (прежде всего рентгеновское) с длиной волны 60—100 нм. Бактерицидное действие пер¬ вого типа излучения подробно рассмот¬ рено выше. Коротковолновое излучение, глубоко проникая в ткани и клетки, вызывает значительные их изменения и иониза¬ цию. Процесс ионизации клетки состоит в том, что некоторые атомы, поглощая энергию, под влиянием излучения ис¬ пускают электроны и приобретают по¬ ложительные заряды. Образовавшийся свободный электрон присоединяется к незаряженному атому, а последний, по¬ лучая заряд, превращается в отрица¬ тельно заряженный ион. Так создаются пары ионов. Изменение электронной структуры атомов нарушает химические связи, вследствие чего разрушаются мо¬ лекулярные структуры клетки. Сильнее других повреждаются ядерные элементы клетки, особенно носители генетических свойств — нуклеиновые кислоты; пре¬ терпевает различные измерения также и цитоплазма. Результаты воздействия коротковолнового излучения на наслед¬ ственные свойства клеток стойки и не¬ обратимы. Обеззараживание воды вакуумирова- нием. Сущность метода заключается в инактивирующем действии процесса ки¬ пения в условиях пониженного давле¬ ния. Обеззараживание происходит под действием продуктов кавитационного раз¬ ложения воды при различных значениях давления и температуры в области ог¬ раниченной кривой давления насыщен¬ ных паров воды (рис. 13.11). Кавитационно-вакуумная обработка может осуществляться при низких тем¬ пературах, исключающих термические факторы обеззараживания, не вызываю¬ щих термодеструкции материалов и из¬ менения витаминозного состава и вку¬ совых качеств обрабатываемой жидкости. Наиболее рациональным в техническом отношении является режим обработки при температуре 20—60 °С и давлении 2,2—13,3 кПа, для установления кото¬ рого не требуются глубоковакуумные установки. Полный бактерицидный эффект в от¬ ношении основных микроорганизмов до¬ стигается в течение 15—20 мин. Метод может быть использован в технологии консервирования жидких пищевых про¬ дуктов.
Раздел IV РЕГУЛИРОВАНИЕ СОСТАВА ГОМОФАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ Глава 14 УСТРАНЕНИЕ ЗАПАХОВ, ПРИВКУСОВ И ТОКСИЧЕСКИХ МИКРОЗАГРЯЗНЕНИИ ВОДЫ 14.1. Общие сведения Для получения хозяйственно-питьевой воды с высокими органолептическими показателями (отсутствие цветности, мут¬ ности, привкусов и запахов, вредных химических веществ и др.) применяются различные способы очистки. Однако в отличие от процессов обесцвечивания и осветления воды, которые хорошо изу¬ чены и широко внедрены в практику удаления гетерофазных примесей, мето¬ ды дезодорации воды, т. е. улучшения ее вкусовых качеств, до настоящего времени применяются недостаточно. В то же время проблема улучшения вкусовых качеств воды приобретает осо¬ бое значение в связи с необходимостью использования поверхностных источ¬ ников водоснабжения, поскольку запа¬ сов подземных вод не хватает. Дезодора¬ ция такой воды чрезвычайно осложняет¬ ся из-за непрерывного загрязнения рек, озер и других водоемов сточными водами промышленных предприятий, часто со¬ держащими значительные количества гомофазных примесей. Пониженные вкусовые качества при¬ родных вод обычно обусловливаются особенностями их минерального и органического состава. Различают запахи и привкусы, вызываемые неорганичес¬ кими соединениями (минеральные соли, сероводород и др.) и органическими ве¬ ществами. К последним относят органи¬ ческие вещества как биологического про¬ исхождения, так и вносимые со сточными водами промышленных предприятий. Появление в воде растворенных ор¬ ганических веществ биологического про¬ исхождения является следствием тече¬ ния процессов интенсивного разложения и последующей трансформации остатков высших водных растений, а также боль¬ шого количества планктонных и бентос- ных организмов, различных грибов и бактерий. Наиболее интенсивно обога¬ щается природная вода органическими веществами в период «цветения» водо¬ емов, поскольку в это время вследствие массовой жизнедеятельности водорослей и других организмов в воду выделяется большое количество низкомолекулярных спиртов, альдегидов, кетонов, карбоно¬ вых кислот и оксикислот, фенолсодержа¬ щих и других веществ, имеющих силь¬ ный запах. Сброс промышленных сточных вод в природные водоемы приводит к за¬ грязнению воды различными по составу и свойствам органическими соединения¬ ми. Среди них наиболее распространены нефть и нефтепродукты, полифенолы, синтетические алифатические спирты и кислоты, поверхностно-активные веще¬ ства, пестициды и т. п. В некоторых случаях органолепти¬ ческие свойства воды могут ухудшать¬ ся в результате неправильной эксплу¬ атации очистных сооружений или при обработке ее большими дозами реаген¬ тов. Так, в процессе обесцвечивания во¬ ды коагулированием без последующей стабилизации органолептические пока¬ затели ухудшаются вследствие увели¬ чения коррозионной активности воды. При обеззараживании воды хлором пока¬ затели качества воды ухудшаются как при нарушении режима хлорирования, так и в случае образования соединений, имеющих запах при взаимодействии хло¬ ра с содержащимися в обрабатываемой воде веществами. Доведение органолептических пока¬ зателей воды до норм, установленных ГОСТом, в некоторых случаях достига¬ ется попутно при осветлении, обес¬ цвечивании или обеззараживании, а так¬ 182
же при нормализации технологического режима ее обработки и правильной эк¬ сплуатации очистных сооружений. Од¬ нако в большинстве случаев для устра¬ нения привкусов и запахов требуется проведение специальных мероприятий. Выбор последних зависит от характера примесей и состояния, в котором они находятся (истинные растворы, газы, кол¬ лоиды, взвеси). Хотя единых, универсальных методов устранения всех видов запахов и привку¬ сов не существует, однако некоторые из них сами по себе или в сочетании друг с другом обеспечивают требуемую сте¬ пень дезодорации. Когда вещества, про¬ дуцирующие неприятные запахи и при¬ вкусы, находятся в коллоидном и взве¬ шенном состоянии, их удаляют из воды коагулированием. Запахи и привкусы, обусловленные повышенным содержани¬ ем неорганических веществ, находя¬ щихся в молекулярном и ионном состоя¬ ниях, удаляют корректированием мине¬ рального состава воды (обессоливанием, обезжелезиванием, дегазацией и др.). Запахи и привкусы, вызываемые орга¬ ническими веществами (биологического происхождения либо вносимыми про¬ мышленными сточными водами) явля¬ ются наиболее стойкими. Удаляют их в большинстве случаев окислением, ад¬ сорбированием, иногда аэрированием. Методами окисления хорошо удаля¬ ются из воды вещества, обладающие сильными восстановительными свой¬ ствами. К ним относятся: поли- и одноа¬ томные фенолы, дубильные вещества и гумусовые кислоты, соли железа (II), сероводород, нитриты и т. п. Более ус¬ тойчивые соединения, например углево¬ дороды нефти и нефтепродуктов, карбо¬ новые кислоты, алифатические спирты ит. п., в условиях обработки питьевой воды активным хлором, оксидом хлора (IV), а иногда и озоном окисляются пло¬ хо. В некоторых случаях сильные окис¬ лители, взаимодействуя с перечислен¬ ными веществами, не только не устра¬ няют запахи и привкусы в воде, но зна¬ чительно их усиливают. В то же время действие окислителей на легкоокисляемые соединения приво¬ дит либо к полному их разложению, ли¬ бо к образованию промежуточных ве¬ ществ, не влияющих на органолептичес¬ кие показатели воды. В таких случаях окислением вода полностью дезодориру¬ ется и ее вкус улучшается. Адсорбирование по сравнению с окис¬ лением является более универсальным методом по отношению к удаляемым за¬ грязнениям воды. Однако и сорбенты проявляют избирательность при извле¬ чении из воды различных по составу и свойствам веществ. Так, в настоящее время установлено, что из водных рас¬ творов хорошо сорбируются активиро¬ ванным углем гидрофобные вещества, т. е. вещества, плохо растворимые в во¬ де и слабо гидратирующиеся в растворах. К таким веществам принадлежат многие молекулярно-растворимые соединения и слабые органические электролиты, на¬ пример фенолы. Более сильные органи¬ ческие электролиты и многие полярные органические ациклические соединения (спирты, альдегиды, кетоны, карбоно¬ вые кислоты) сорбируются углем из во¬ ды менее эффективно. Для их устране¬ ния требуются повышенные расходы уг¬ ля. В условиях интенсивного загрязнения водоемов дезодорировать воду следует, сочетая методы окисления и адсорбиро¬ вания, а также аэрированием, при кото¬ ром устраняются летучие соединения. 14.2. Аэрирование воды На протяжении нескольких десятилетий единственным методом устранения из природных вод привкусов и запахов, вызываемых органическими вещества¬ ми биологического происхождения, было аэрирование воды, основанное на лету¬ чести этих соединений. На практике аэрирование проводят в специальных установках — аэраторах барботажного, разбрызгивающего и кас¬ кадного типов. В аэраторах барботажного типа воз¬ дух, подаваемый воздуходувками, рас¬ пределяется в воде дырчатыми трубами, подвешенными в резервуаре (рис. 14.1), распылительными устройствами, рас¬ положенными на его дне. Преимущество первого способа заключается в простоте демонтажа установки. Распределение воздуха распылитель¬ ными устройствами часто применяется в аэраторах со спиральным движением 183
Рис. 14.1. Схема барботажного аэратора с распреде¬ лением воздуха дырчатыми трубами: / — воздушная линия; 2 — дырчатые трубы; 3 — направляющие перегородки. воды, которые применяются на крупных установках. Глубина слоя воды в аэраторах тако¬ го типа колеблется от 2,7 до 4,5 м. Ис¬ следования показывают, что поскольку равновесие между концентрациями ве¬ ществ, имеющих запах, в жидкой и га¬ зообразной фазах достигается мгновен¬ но, высота слоя воды при барботирова- нии не играет существенной роли и мо¬ жет быть уменьшена до 1—1,5 м. Макси¬ мальная ширина резервуара обычно в два раза больше, чем глубина. Площадь поверхности выбирают произвольно. Длительность продувания воздуха, как правило, не превышает 15 мин. Расход воздуха составляет 0,37—0,75 м3/мин на 1 м3 воды. Барботажные установки открытого ти¬ па могут работать при температуре ни¬ же 0 °С. Степень аэрирования легко регулируется изменением количества по¬ даваемого воздуха. Стоимость установок и их эксплуатации невысока. В разбрызгивающих аэраторах вода распыляется соплами на мелкие капли, при этом увеличивается поверхность ее контакта с воздухом. Основным факто¬ ром, определяющим работу аэратора, является форма сопла и его размеры. Продолжительность соприкосновения воды с воздухом, определяемая началь¬ ной скоростью струи и ее траекторией, обычно составляет 2 с (для вертикаль¬ ной струи, которая выбрасывается под напором 6 м). В аэраторах каскадного типа обраба¬ тываемая вода падает струями через не¬ сколько последовательно расположен¬ ных водосливов. Длительность контак¬ та в этих аэраторах может быть измене¬ на за счет увеличения количества ступе¬ ней. Потеря напора на аэраторах кас¬ кадного типа колеблется от 0,9 до 3 м. В аэраторах смешанного типа вода одновременно разбрызгивается и сте¬ кает тонкой струей с одной ступени на другую. Для увеличения площади со¬ прикосновения воды с воздухом приме¬ няют керамические шары или кокс. Общим недостатком аэраторов, пос¬ троенных на принципе контакта пленки воды с воздухом, является их неэкономич¬ ность из-за большой площади, невоз¬ можность использования в зимнее время, потребность в мощной вентиляции при установке их в помещениях и, наконец, склонность к обрастанию. Аэрирование воды в пенном слое осу¬ ществляется в инка-аэраторе (рис. 14.2), представляющем собой бетонный резер¬ вуар, на дне которого находится перфо¬ рированная пластина из нержавеющей стали 3. Вода равномерно распределя¬ ется по пластине распределительной трубой 4. Для стабилизации слоя пены применяется специальная перегородка 2. Аэрируют воду воздухом, подаваемым вентилятором 5. Вода, пройдя инка- аэратор, выпускается через водослив 1. Образование огромной пограничной поверхности между жидкой и газообраз¬ ной фазами обеспечивает высокую интенсивность процесса дезодорации. Нормальное соотношение воздуха и во¬ ды в инка-аэраторах колеблется в пре¬ делах 30 : 1 — 300 : 1. Несмотря на большой расход воздуха, интенсивное 184
аэрирование экономически оправдано (благодаря незначительной потере напо¬ ра воздух подается вентилятором). Однако аэрированием трудно или не¬ возможно устранить стойкие запахи и привкусы, обусловленные наличием при¬ месей, имеющих незначительную лету¬ честь. В практике зарубежных водопроводов аэрирование применяется на многих стан¬ циях. 14.3. Обработка воды окислителями Для дезодорации воды применяют силь¬ ные окислители: хлор и его соединения, перманганат калия, озон, пероксид во¬ дорода и др. Небольшие дозы хлора обычно уси¬ ливают запахи и привкусы, особенно при наличии в воде фенолов вследствие обра¬ зования моно-, ди- и трихлорфенолов, обладающих сильным неприятным за¬ пахом. Поэтому в данном случае либо увеличивают окислительно-восстанови¬ тельный потенциал системы «природная вода — хлор», применяя перехлорирова- ние, либо снижают его хлорированием с аммонизацией. Перехлорирование воды большими до¬ зами хлора (8—14 мг/л), когда соотно¬ шение концентраций (по массе) хлора и фенола превысит 6:1, обусловливает окисление фенолов до малеиновой и угольной кислот, не имеющих неприят¬ ного запаха. Перед подачей такой воды потребителю необходимо дехлорировать ее химическими (оксид серы (IV), гипо¬ сульфит или сульфит натрия) или адсор¬ бционным (активированный уголь) ме¬ тодами. Длительность контакта воды с большими дозами хлора при обработке должна быть не менее 2—3 ч. Хлориро¬ вать воду целесообразно в ковше или в насосной станции первого подъема, дех¬ лорировать — после резервуара чистой воды. При наличии в воде только одноатом¬ ных фенолов целесообразно обрабаты¬ вать ее оксидом хлора (IV), требуемая доза которого для дезодорации в этом случае примерно в четыре раза меньше, чем хлора, что объясняется образова¬ нием не хлорфенолов, а хинонов и хлори¬ рованных хинонов. Для устранения хлорфенольного за¬ паха и привкуса применяют хлорирова¬ ние с аммонизацией. Поскольку скорость взаимодействия хлора с аммиаком более чем в сто раз превышает скорость его взаимодействия с фенолом, преиму¬ щественно образуются хлорамины, а не хлорфенолы. Аммиак и аммонийные соли добавля¬ ют перед вводом в воду хлора из расчета 1:4 — 1 : 10 по отношению к дозе хлора. Метод хлорирования о аммонизацией применяется при содержании фенола в воде до 3 мг/л. Он не требует больших затрат и особых мер безопасности, не сопровождается образованием соедине¬ ний, вредных для организма человека. Однако возможность использования этого метода ограничена, поскольку привкусы и запахи, вызываемые органическими веществами биологического происхож¬ дения, в данном случае не устраняются. При хлорировании с аммонизацией во¬ доочистные станции оборудуют аммони- заторными установками. Применяемый для аммонизации технический сульфат аммония содержит значительное количе¬ ство загрязнений, поэтому его растворя¬ ют в аппаратуре, аналогичной используе¬ мой при растворении хлорной извести. Газообразный аммиак из баллонов до¬ зируют и растворяют в воде аммониза- торами, конструктивно сходными с хло¬ раторами типа JIK-10. Если аммониза- цию проводят аммиачной водой, приме¬ няют установку, состоящую из двух ра¬ ботающих попеременно баков, оборудо¬ ванных по типу сосуда Мариотта и со¬ единенных с мерником (рис. 14.3). Ам¬ миачную воду из газообразного аммиа¬ ка приготовляют в баке-абсорбере. Рис. 14.3. Схема установки для аммонизации воды раствором аммиака: 1 — баллон с аммиаком; 2 — бак-абсорбер; 3 — ра¬ бочий бак; 4 — мерник1. 185
Действие обычных доз хлора на ве¬ щества, придающие воде привкусы и за¬ пахи, можно усилить добавлением 0,3—0,5 мг/л перманганата калия перед или после введения хлора. В первом случае перманганат калия разрушает органические вещества, всту¬ пающие в реакцию с хлором и образу¬ ющие хлорпроизводные с резким непри¬ ятным запахом, во втором — он разла¬ гает образовавшиеся хлорпроизводные. Перманганат калия добавляют до вве¬ дения хлора при наличии в воде фенолов. Другие реагенты (коагулянт, активиро¬ ванный уголь) при этом следует вводить не ранее, чем через 10—15 мин после до¬ бавления перманганата. Для устранения привкусов и запахов перманганат калия можно применять самостоятельно. Его дозу в этом случае определяют по показателю перманганат- ной окисляемости воды, характеризую¬ щему загрязнение органическими веще¬ ствами: Окисляемость Н20, мг/л 8—10 10—15 15—25 Доза КМп04, мг/л 2—4 4—6 6—10 При наличии очень сильных запахов и привкусов допускается применение и больших доз реагента, однако они долж¬ ны быть обоснованы технологическими исследованиями. Для дезодорации воды перманганат калия применяют в виде 0,5—2,0 %-го раствора (в пересчете на товарный продукт). Готовят такой раст¬ вор в стальных или железобетонных ба¬ ках с наклоном стенок дна под углом 40—45° к горизонтали; перемешивают гидравлическим, механическим спосо¬ бом или аэрированием. Растворно-рас¬ ходных баков должно быть не менее двух. Дозируют отстоянный раствор в воду дозаторами (например, поплавковыми), транспортируют к месту его ввода по стальным или пластмассовым трубопро¬ водам. При расчете объема растворно¬ расходных баков длительность полного растворения товарного продукта при¬ нимают в зависимости от температуры воды: Температура воды, °С Длительность растворения, ч 4—6 Эффективным методом дезодорации воды является озонирование. Благодаря высокому окислительному потенциалу озон окисляет вещества, обусловливаю¬ щие привкусы и запахи, которые обыч¬ но не окисляются другими реагентами. Длительность контакта озона с водой не превышает 10—15 мин; дополнитель¬ ные соединения при этом не образуются. В связи с тем что озон поступает в воду с большим количеством воздуха, одно¬ временно происходит и аэрирование во¬ ды. В результате озонирования вода приобретает освежающий привкус и за¬ пах, характерный для поверхностных или ключевых вод наилучшего качества. Озон ограниченно растворим в воде, и его растворимость значительно умень¬ шается при повышении температуры. Поэтому, несмотря на сильные окисли¬ тельные свойства, при большом загряз¬ нении воды органическими веществами озон не дает хорошего дезодорирующего эффекта. Это можно проиллюстрировать таким примером. При загрязнении воды повышенными количествами углеводо¬ родов нефти и нефтепродуктов озониро¬ вание воды сопровождается реакциями: Rt— СН3 —- R]—СН2ОН -> R,-C \ н R—СООН; / О '1\ СН2 —- )СНОН «1 R-, со *ls R1—СООН R0—СООН. 20 40 2—3 Углеводороды нефти окисляются озо¬ ном в карбоновые кислоты ступенчато: в качестве промежуточных продуктов образуются альдегиды и кетоны, часто обладающие сильным и неприятным за¬ пахом и привкусом. Предельно допустимые концентрации альдегидов и кетонов в воде составля¬ ют 0,1—2,0, а низкомолекулярных кар¬ боновых кислот — 5—250 мг/л. Из этого следует, что высокий дезодорирующий эффект возможен лишь при окислении не только исходных веществ, но и про¬ межуточных продуктов реакции. Одна¬ ко за время обработки воды озоном это в ряде случаев не достигается. Реакция окисления прекращается на промежу¬ 186
точной стадии и обрабатываемая вода приобретает новый неприятный запах. Если же содержание альдегидов и ке- тонов в воде незначительно, то окисле¬ ние их озоном происходит с большей полнотой и концентрации промежуточ¬ ных продуктов снижаются ниже пре¬ дельно допустимых. При этом из воды практически устраняются запахи и при¬ вкусы. Все, что сказано по поводу окисления углеводородов нефти, касается и али¬ фатических спиртов, поскольку проме¬ жуточными продуктами их окисления также являются альдегиду и кетоны. Поэтому, как показывают исследования, алифатические спирты, концентрации ко¬ торых превышают предельно допусти¬ мые, даже в случае значительной про¬ должительности озонирования из воды не устраняются. Из этого следует, что применение озо¬ на наиболее эффективно для очистки мало загрязненных природных вод. При величине перманганатной окисляемости воды 8—10, 10—15, 15—20 мг 02/л дозу озона соответственно принимают 1—3, 3—5, 5—8 мг/л. Можно также использовать комбини¬ рованные методы — хлорировать воду на первичных стадиях ее очистки, а обрабатывать озоном при подаче по¬ требителю. В этом случае органолепти¬ ческие показатели озонированной воды не снижаются. Запахи и привкусы, вызываемые нали¬ чием в воде некоторых ядохимикатов, эффективно устраняются пероксидом во¬ дорода. Например, обработка раство¬ ров эптама исходной концентрацией 19 мг/л дозой пероксида водорода 68 мг/л снижает интенсивность запаха примерно в пять раз. Препятствием для широкого использования пероксида во¬ дорода в технологии очистки воды слу¬ жило отсутствие дешевого способа его получения. Внедрение разработанного метода синтеза пероксида водорода окис¬ лением вторичных спиртов позволит зна¬ чительно снизить его стоимость и расши¬ рить область применения для очистки воды от загрязнений. Из сказанного следует, что метод окисления примесей воды не является универсальным и санитарно надежным. Окислители не устраняют загрязнения, а превращают их в большинстве случаев в другие соединения, которые могут снижать органолептические показатели качества воды или являться токсичными. Поэтому применять окислители для де¬ зодорации воды рекомендуется в тех случаях, когда есть гарантия, что их действие не приведет к образованию но¬ вых нежелательных загрязнений. 14.4. Адсорбционные методы дезодорации воды Для адсорбционной очистки воды от примесей, ухудшающих органолепти¬ ческие показатели, применяются по¬ рошкообразный и гранулированный ак¬ тивированный уголь, углеродные волок¬ нистые материалы, активированный антрацит и неуглеродные адсорбенты (глинистые породы, цеолиты и др.). Наиболее перспективным адсорбен¬ том является активированный уголь. Первые попытки использования его на отечественных водопроводах относятся к 1930—1940 гг. Так, на Рублевском водопроводе в 1936—1939 гг. был при¬ менен торфяной активированный уголь для устранения из воды землистого запаха. Доза составляла 10—15 мг/л. Однако из-за низкого качества угля ре¬ зультаты опытов были неудовлетвори¬ тельными. Применение активированного угля позволяет устранить почти все при¬ вкусы и запахи из природной и обессо¬ ленной воды, значительно улучшить тех¬ нологические показатели обработки воды другими реагентами и, наконец, интен¬ сифицировать обеззараживание в ре¬ зультате сорбции простейших, бакте¬ рий, вирусов и других микроорганизмов. Активированный уголь изготовляют из углеродсодержащих материалов: уг¬ ля, антрацита, древесины, торфа, по¬ лимеров, отходов пищевой, целлюлоз¬ но-бумажной и других отраслей промыш¬ ленности. Размолотое до размеров 10—100 мкм и отсортированное сырье карбонизиру¬ ют обычно в барабанных печах без до¬ ступа воздуха при температуре 700— 800 °С, в результате чего из угля выде¬ ляются летучие соединения, он уплот¬ няется, приобретает прочность и макро¬ пористую структуру. 187
Активируют уголь газами (02, С02, S02) и солями (ZnCl2, К2С03, K2S и др.) при температуре 750—1000 °С. Чаще других применяют комбинированный па¬ рогазовый способ с использованием то¬ почных газов состава Н20 + С02 + 02. Неорганические активирующие добавки из угля вымывают. Размеры частичек гранулированного активированного угля составляют 0,07— 7,0, порошкообразного — 0,07—0,12 мм. Площадь их поверхности колеблется в пределах450—1800м2/г. Поспособу про¬ изводства активированные угли делятся на дробленые (БАУ, ДАК, КАД) и соб¬ ственно гранулированные (АГ-3, АГ-М, СКТ). Высокой сорбционной емкостью и повы¬ шенной по сравнению с активирован¬ ным углем удельной поверхностью (до 2000 м3/г) обладают разрабатываемые новые сорбенты — углеродные волокнис¬ тые материалы. Их получают из поли¬ мерных гидратцеллюлозных и полиак- рилонитриловых волокон термообработ¬ кой в потоке благородных газов при 600—1050 °С. Для увеличения сорбци¬ онной емкости в процессе обработки сырья к нему добавляют соли тяжелых и редкоземельных металлов. Все шире применяются для обесцвечи¬ вания воды, удаления из нее неоргани¬ ческих примесей и особо токсичных хлор- органических соединений и гербицидов неуглеродные сорбенты — глинистые по¬ роды, цеолиты и др. Увеличить порис¬ тость, улучшить прочность и водостой¬ кость этих материалов можно прокали¬ ванием их с хлоридом и карбонатом нат¬ рия при 1000 °С. Для дезодорации и обесцвечивания пи¬ тьевой воды на водопроводных очистных станциях применяется в основном ак¬ тивированный уголь, сорбционные свой¬ ства которого зависят от его пористости. По размерам поры подразделяются на микропоры, переходные поры и макро- поры. Адсорбционные свойства углей в основном обусловлены микропорами, составляющими примерно 90 % всей удельной поверхности активированного угля. На ней и протекают процессы ад¬ сорбции, в основе которых лежит вза¬ имодействие энергетически ненасыщен¬ ных атомов углерода с молекулами ад¬ сорбируемых веществ. Лучше сорбиру¬ ются вещества в молекулярной форме, хуже — в ионной. Способность органи¬ ческих веществ к сорбции возрастает в ряду: гликоли < спирты < кетоны < < сложные эфиры < альдегиды < недис- социированные кислоты <с ароматичес¬ кие соединения. Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы органических веществ, мицеллярной массы коллоидов и температуры сорбатов. В присутствии механических приме¬ сей сорбционная емкость активированно¬ го угля снижается. Поэтому поступаю¬ щая на обработку активированным уг¬ лем вода должна содержать не более 10 мг/л взвешенных веществ. Аналогично влияют продукты гидро¬ лиза А12 (S04)3. В концентрации 10— 50 мг/л они уменьшают сорбционную ем¬ кость гранулированного активированно¬ го угля на 20—35 %. Ухудшается кине¬ тика сорбции и снижается динамическая емкость также при насыщении активиро¬ ванного угля солями и оксидами желе¬ за. Последние, осаждаясь на угле, за¬ крывают поры и затрудняют процесс регенерации. По этой причине часто при добавлении угольной суспензии со¬ вместно с коагулянтом до отстойников ее требуется несколько больше, чем при добавлении перед фильтрами. Успешность применения адсорбци¬ онных методов зависит не только от со¬ блюдения оптимальных условий про¬ цесса, но и от наличия экономически вы¬ годных адсорбентов, обеспечивающих преимущественное извлечение из воды нежелательных органических веществ. В связи с широким внедрением комби¬ нированных методов дезодорации воды кроме активированного угля использу¬ ют различные окислители (озон, хлор, оксид хлора (IV), перманганат калия), что позволяет повысить эффект очистки воды и сократить расход сорбентов и реагентов (рис. 14.4). Порошкообразный активированный уголь применяют при углевании воды, гранулированный •— при фильтрова¬ нии через угольные фильтры. Углевание воды не требует больших капитальных затрат, но характеризует¬ ся повышенным расходом угля. Применение угольных фильтров поз¬ воляет снизить дозу расходуемого угля, саморегулировать процесс, улучшить ус- 188
I I §3 % it ■ I \ 1 А \ W V \\ \ Рис. 14.4. Дезодора¬ ция воды комбиниро¬ ванным методом (ус¬ транение гнилостного запаха): I, 2 — дозы хлора соответственно 4 и 2 мг/л; 3 — дезодора¬ ция углем. О SO 100 150 Да у, мг/л ловия труда, однако требует высоких ка¬ питальных затрат, тщательного осветле¬ ния воды, большого ее расхода на про¬ мывку и громоздкого реагентного хо¬ зяйства для регенерации угля. Для подготовки хозяйственно-питье¬ вой воды углеванием используют в ос¬ новном древесные угли марок БАУ, ДАК, ОУ, а также уголь АГ-3. Угольные фильтры чаще всего загружают углем марки КАД, АГ-3 и АГ-М. Доза порошкообразного активиро¬ ванного угля для углевания воды за¬ висит от местных условий, времени го¬ да, веществ, обусловливающих запахи и привкусы воды, качества угля, способа его приготовления и может колебаться от,О, I до 200 мг/л. Дозу порошкообраз¬ ного активированного угля перед филь¬ трами для устранения из воды запахов и привкусов следует принимать в зави¬ симости от их интенсивности до 5 мг/л. Место ввода порошкообразного акти¬ вированного угля в схеме обработки во¬ ды должно обеспечивать максимальную диффузию сорбируемых веществ к ак¬ тивной поверхности угля и небходимую длительность контакта. Обработка воды порошкообразным ак¬ тивированным углем включает такие процессы, как приготовление угольной суспензии и ее дозирование, смешение отдозированной суспензии с обраба¬ тываемой водой, поглощение из воды загрязнений, осаждение частичек угля в отстойнике. Одним из основных этапов обработки воды углем является подготовка уголь¬ ной суспензии необходимой концентра¬ ции. Подавать уголь в воду можно в ви¬ де сухого порошка (сухое дозирование) или в виде раствора или суспензии за¬ данной концентрации (мокрое дозиро¬ вание). Сухое дозирование обладает преиму¬ ществами перед мокрым, это: отсутствие растворных и расходных баков, уменьше¬ ние производственных площадей, эконо¬ мия реагентов, возможность улучшения условий автоматизации процесса, более высокие технико-экономические показа¬ тели. Недостатком способа является об¬ разование пыли и частое засорение до¬ зирующих устройств. Схема установки для сухого дозирова¬ ния порошкообразного активированного угля приведена на рис. 14.5. Дозатор порошкообразного активиро¬ ванного угля (рис. 14.6) состоит из бун¬ кера 3, который во избежание сводооб- разования встряхивается эксцентриком с частотой ЮОО колебаний в минуту. Приводом эксцентрика служит электро¬ двигатель 14 с кривошипно-шатунным механизмом. Бункер смонтирован на ра¬ ме 10 с помощью пружин 2 и соединен с корпусом зубчатого барабанного пита¬ теля 6 брезентовым мехом 4, предотвра¬ щающим его вибрацию. Расходный бун¬ кер может соединяться с запасными емкостями соединительным патрубком 1. Дозирование порошкообразного ак¬ тивированного угля регулируется изме- Рис. 14.5. Схема установки для сухого дозирования порошкообразного активированного угля: / — вакуум-насос; 2 — вакуум-линия; 3 ««• мешок с пылевидным АУ; 4 — гибкий шланг: 5 вакуум- бункер; 6 — расходный бункер; 7 — дозатор АУ; 8 — водопровод; 9 — гидроэлеватор; 10 =— подача угольной суспензии в воду. 189
Рис. 14.6. Схема дозато ра активированного угля конструкции НИКТИ ГХ МКХ УССР. .'100 Рис. 14.7. Схема гидроэле¬ ватора: / — гладкий резиновый рукав для подачи воды под напором в гидроэле¬ ватор; 2 — приемное ок¬ но; 3 — сопло; 4 — сме¬ сительная камера; 5 — диффузор; 6 — гладкий резиновый армированный рукав для подачи уголь¬ ной пульпы в баки. нением ширины щелей между корпусом и зубчатым барабанным питателем (в пределах 1—25 мм), перекрываемых зас¬ лонкой 5, и изменением количества обо¬ ротов барабанного питателя (в преде¬ лах 17,5—70 об/мин) с помощью цепного вариатора 13, соединенного с червячным редуктором 11. Приводом вариатора, ре¬ дуктора и питателя служит электродви¬ гатель 12. Отдозированный уголь ссыпается в смывное устройство 7, где смачивается водой, поступающей из водопровода 9 через сопла под давлением 0,07— 0,20 МПа, перемешивается, засыпается в гидроэлеватор 8, откуда подается в об¬ рабатываемую воду. При давлении перед гидроэлеватором не менее 0,4 МПа уголь¬ ная суспензия может подаваться на вы¬ соту до 6 м. Расчетная производительность доза¬ тора активированного угля составляет от 2,3 до 340 кг/ч. При мокром дозировании активиро¬ ванного угля его предварительно сме¬ шивают с водой барботированием возду¬ хом или механическими мешалками. Дозируют суспензию угля насосами- дозаторами типа НД, дозаторами типа ДИМБА и др. (см. п. 3.12). Транспор¬ тируют угольную суспензию гидроэле¬ ваторами (рис. 14.7). Основная масса введенного активи¬ рованного угля осаждается совместно с коагулянтом в отстойниках, однако не¬ которая часть его поступает на филь- Рис. 14.8. Схема установки для мокрого дозирования по¬ рошкообразного активиро¬ ванного угля: / — мешок с АУ; 2 — ваку¬ ум-насос; 3 — гибкий шланг; 4 — вакуум-линия; 5 — ва¬ куум-бункер; 6 — расходный бункер; 7 — дозатор А У; 8 — водопровод: 9 — гидроэле- ватор: 10 — пульпопровод; U — бак угольной суспен¬ зии; 12 — подача воздуха; 13 — насос-дозатор; 14 — по¬ дача угольной суспензии в воду.
тры, что приводит к сокращению меж- промывочных периодов на 15—20 %. Наиболее совершенная схема- дозиро¬ вания угольной суспензии представлена на рис. 14.8. Эффективным является применение ад¬ сорберов со взвешенным слоем непрерыв¬ но обновляющегося адсорбента. Конструкция адсорбера со взвешен¬ ным слоем активированного угля (рис. 14.9) принципиально не отличается от конструкции осветлителей. Установка снабжена выносным углеуплотнителем 1 с принудительным отсосом адсорбента. Последний подается в установку вместе со струей осветленной воды, поступаю¬ щей на очистку через центральную тру¬ бу 2 и диффузор 5. Пройдя распредели¬ тельные решетки 4, уголь задерживает¬ ся взвешенным слоем, а очищенная вода отводится из верхней части установки через дырчатую затопленную кольцевую трубу 3. Применение принципа взвешенного слоя для адсорбции загрязняющих воду органических веществ, имеющих запах, позволяет решить задачу непрерывной смены адсорбента в установке, упрощает регенерацию отработанного активиро¬ ванного угля. Кроме того, при этом мож¬ но избежать заиливания слоя адсорбен¬ та и применять мелкие фракции активи¬ рованного угля (0,2—0,5 мм), что зна¬ чительно сокращает время достижения адсорбционного равновесия. Адсорбция может осуществляться как в одном адсорбере, так и в блоке, состо¬ ящем из двух или трех последовательно включенных аппаратов. В этом случае активированный уголь переводится из одного адсорбера в другой против дви¬ жения воды. Уголь, выгруженный из углеуплотнителя первого (по движению воды) адсорбера, подвергается терми¬ ческой регенерации. Вместо блока адсорберов можно при¬ менять двухъярусный противоточный ад¬ сорбер (рис. 14.10). Суспензия активированного угля через центральную трубу 5 подается под рас¬ пределительную решетку второго яруса адсорбера, где смешивается с частично обработанной водой, выходящей из ка¬ меры первого яруса 2 через горловину 3. Над решеткой в камере 4 активирован¬ ный уголь образует взвешенный слой. Очищенная вода отводится из верхней части адсорбера через кольцевой желоб. Неочищенная вода поступает в нижнюю часть адсорбера через эжектор /, кото¬ рый подсасывает избыток активиро¬ ванного угля из камеры второго яруса по переливной трубе 6. Вода, смешанная в эжекторе с час¬ тично насыщенным загрязнениями уг¬ лем, проходит распределительную ре¬ шетку и образует нижний слой в камере первого яруса. Очистка воды в этом слу¬ чае происходит за счет разности концен¬ траций растворенных веществ в необра¬ ботанной и очищенной воде. Избыток взвешенного слоя отработанного акти¬ вированного угля попадает в выносной углеуплотнитель 9. Этот процесс уси¬ ливается эжектированием обработанной воды из углеуплотнителя через трубу 7, снабженную регулирующим вентилем 8, в переливную линию. Из углеуплотни¬ теля отработанный активированный уголь направляете^ на регенерацию. Основным препятствием к широкому внедрению адсорберов с обновляющимся и кипящим слоем адсорбента является дефицит, а иногда и отсутствие дешевых монодисперсных сорбентов с высокой механической прочностью. Подача неосветленной воды на уголь¬ ные фильтры приводит к быстрой коль- 191
матации верхнего слоя загрузки, сокра¬ щению интервала защитного действия фильтра и необходимости частых про¬ мывок. Уголь при этом измельчается, ис¬ тирается и выносится из фильтра при промывке или преждевременно засоряет дренажную систему при фильтровании. 14.5. Эксплуатация установок сорбционной очистки воды В процессе эксплуатации установок сор¬ бционной очистки воды необходим пос¬ тоянный контроль физико-механичес- ких, химических и физико-химических характеристик вновь получаемых, ис¬ пользуемых и регенерированных сор¬ бентов. Качество сорбентов контролиру¬ ют по насыпной плотности, фракцион¬ ному составу, механической прочности на истирание, влажности, пористости и сорбционной емкости. Насосы для пере¬ мешивания и перекачивания 8 %-го раствора пульпы должны быть абразивно¬ устойчивыми. Трубопроводы для тран¬ спортирования следует рассчитывать на скорость движения в них пульпы не ме¬ нее 1,5 м/с (с ревизиями для прочистки). Помещения с установками, в которых используется активированный уголь, от¬ носятся к категории взрывоопасных, по¬ этому в них должен быть обеспечен пя¬ тикратный обмен воздуха в 1 ч. Венти¬ ляция помещений должна быть обору¬ дована фильтрами для задержания вы¬ носа частичек угля. В таких помещениях запрещено курить и проводить работы с огнем. Сорбционная очистка воды должна обязательно включать узел регенерации сорбента, поскольку сорбенты, особен¬ но активированный уголь, относятся к весьма дорогостоящим материалам и ис¬ пользование их без регенерации эконо¬ мически невыгодно. Схема термической регенерации порошкообразного активи¬ рованного угля приведена на рис. 14.11. 14.6. Удаление из воды пестицидов Пестициды, попадая в водоемы в основ¬ ном со сточными водами, представляют большую опасность для здоровья людей, ухудшают органолептические показате¬ ли воды. В качестве ядохимикатов в последние годы широко применяются инсектициды, гербициды, акарициды, фунгициды и др. Несмотря на тщательное соблюдение зон санитарной охраны и условий ис¬ пользования ядохимикатов в народном хозяйстве СССР, они обнаружены в по¬ верхностных водах водоемов Молдавии, Казахстана, Таджикистана и других республик. Для очистки воды от ядохимикатов в настоящее время применяются окисли¬ тельные, адсорбционные, физико-хими- ческие и биологические методы. Наибо¬ лее распространенными окислителями являются хлор и озон. В некоторых слу¬ чаях используют перманганат калия и пероксид водорода. Схема установки для очистки сточных вод базисных складов от ядохимикатов приведена на рис. 14.12. Сточная вода, пройдя песколовку, подается в двухсек¬ ционный отстойник-накопитель. После наполнения водой одной из секций туда вводят коагулянт и подают сжатый воз¬ дух для перемешивания, используя от¬ работанную озоно-воздушную смесь. Ос¬ ветленную во второй секции отстойника Рис. 14.11. Схема термической регенерации порошкообразного активированного угля: / — подача отработанного угля; 2 — осад¬ коуплотнитель; 3 — регенерированный уголь; 4 — отработанные газы; 5 — зама¬ чивание угля в отстойнике; 6 — теплооб¬ менник; 7 — топливо; 8 — мокрый скруб¬ бер; 9 — воздух; 10 — печь для регенера¬ ции; 11 — шнековый питатель; 12 — филь¬ трат на повторное осветление; 13 — ваку¬ ум-фильтр; 14 — флокулятор; 15 — приго¬ товление флокулянта; 16 — хранилище от¬ работанного угля 192
воду забирают поплавковым водозабор¬ ным устройством и насосом подают в трехслойный фильтр высотой 1,6 м с загрузкой из керамзита, дробленого ан¬ трацита и кварцевого песка. Из фильтра вода поступает в контактную колонну, куда подается озон, а затем на фильтр, загруженный активированным углем. В качестве сорбентов могут использо¬ ваться активированный уголь (доза 15 мг/мг пестицида), коагулянты, ионо¬ обменные смолы. К физико-химическим методам уда¬ ления ядохимикатов относятся электро¬ химическая очистка, основанная на их анодном окислении, термическое окис¬ ление, основанное на интенсивном испа¬ рении жидкости в топочной камере, окис¬ лении и разложении загрязняющих ее примесей и др. Биологические методы удаления ядо¬ химикатов из воды основываются на спо¬ собности некоторых микроорганизмов (бактерий активного ила, бактерий-нит- рификаторов, грибов, простейших и др.) Рис. 14.12. Технологическая схема обработки сточных вод на базисных складах: / — фильтры; 2 — озоно-воздушная смесь; 3 — кон¬ тактная колонна; 4 — коагулянт; 5 — поплавок; 6 — отстойник-накопитель; 7 — сточная вода; 8 — насос. поглощать ядохимикаты, разлагая их до безвредных соединений. Наиболее перспективным из рассмот¬ ренных методов является окислитель¬ но-адсорбционный, обеспечивающий очи¬ стку воды в широком диапазоне состава примесей. Глава 15 ФТОРИРОВАНИЕ И ОБЕСФТОРИВАНИЕ ВОДЫ 15.1. Условия, определяющие необходимость фторирования воды Интерес к фтору начал проявляться с 1931 г., когда ученые независимо друг от друга доказали, что причиной забо¬ леваний флюорозом является повышен¬ ное содержание фторид-ионов в питьевой воде. Одновременно было установлено также, что и недостаток их (т. е. содер¬ жание ниже 0,1—0,2 мг/л) приводит к заболеванию кариесом. Эти данные позволили поставить вопрос о целесо¬ образности искусственного обогащения хозяйственно-питьевой воды фтором при его недостатке и обесфторивании — при избытке. Впервые воду начали фторировать в США в 1945 г., в настоящее время воду фторируют более, чем в 30 странах мира. Многолетний опыт фторирования воды в СССР дал положительные результаты, что позволило Министерству здравоох¬ ранения СССР рекомендовать повсемест¬ но применение этого способа. По пред¬ ложению Министерства здравоохранения СССР в 1964 г. было рекомендовано со¬ юзным республикам осуществлять кон¬ кретные планы перспективного введения фторирования воды на хозяйственно-пи- тьевых водопроводах. Госстрой СССР в 1965 г. утвердил изменения в СНиП, в соответствии с которыми фторирование воды на водопроводах хозяйственно-пи¬ тьевого назначения целесообразно в слу¬ чаях, когда содержание фторид-ионов в источниках водоснабжения не дости¬ гает 0,5 мг/л. Министерство здравоохранения СССР в 1968 г. издало «Указания по органи¬ зации органами санитарно-эпидемиоло¬ гической службы контроля за фториро¬ ванием воды на водопроводных стан¬ циях». В СНиП 2.04.02—84 «Водоснаб¬ жение. Наружные сети и сооружения» предусмотрено фторирование воды в со¬ ответствии с приведенными выше дирек¬ тивными материалами. XXII Всемирная ассамблея здраво¬ охранения в 1969 г. признала фториро¬ вание воды важнейшим и эффективней¬ шим мероприятием по профилактике ка¬ 7 5-2398 193
риеса и рекомендовала его внедрение. Согласно статистическим данным, опуб¬ ликованным в разных странах, этим забо¬ леванием поражено до 80—98 % насе¬ ления. Согласно ГОСТ 2874—82, концентра¬ ция в воде фторид-ионов не должна пре¬ вышать 1,5 мг/л. Концентрация фторид-ионов в при¬ родных водах нашей планеты варьиру¬ ет в широких пределах — от 0,01 до 50—100 мг/л (Кения), в природных во¬ дах Советского Союза от 0,01 до 12 мг/л (подземные воды Молдавской ССР). Низкие концентрации фторид-ионов встречаются в большинстве поверхност¬ ных источников водоснабжения. И лишь в открытых водоемах Казахской ССР концентрация фторид-ионов достигает 11, а в водоемах Азербайджанской ССР — 3,6 мг/л. Подземные воды (артезианские, коло¬ дезные) богаче фторид-ионами, чем по¬ верхностные, и среди них чаще встреча¬ ются источники с концентрацией фторид- ионов, превышающей предельно допус¬ тимую (1,5 мг/л). Однако и среди этих источников 67—97,6 % в Белорусской ССР, 68—89 % в РСФСР, 60—67 % в Ук¬ раинской ССР содержат менее 0,5 мл/л фторид-ионов. Свыше 85 % воды в города Советско¬ го Союза подается из рек, причем содер¬ жание фторид-ионов в воде этих источ¬ ников, превышающее 0,4 мг/л, встреча¬ ется в редких случаях, да и это коли¬ чество после обработки воды на очистных сооружениях снижается до предельно низкой величины. Поэтому вполне по¬ нятна та забота, которую проявляет наше государство по обеспечению населения качественной водой. 15.2. Гигиенические нормативы содержания фторид-ионов в хозяйственно-питьевой воде Исходя из данных экспериментальных исследований и материалов, полученных при изучении влияния воды с различной концентрацией фторид-ионов, Р. Д. Га- бович в 1952 г. предложил пользоваться следующей классификацией качества пи¬ тьевой воды по содержанию фторид-ио¬ нов: 1) до 0,3 мг/л — очень низкая концен¬ трация фторид-ионов; пораженность на¬ селения кариесом в 3—4 раза выше, чем при оптимальной концентрации, флюо¬ роз в слабой форме наблюдается у 1—3 % жителей; первоочередное про¬ филактическое мероприятие —• фтори¬ рование воды; 2) 0,3—0,7 мг/л — низкая концентра¬ ция фторид-ионов; пораженность насе¬ ления кариесом наблюдается в 1—3 ра¬ за чаще, чем у населения, употребляю¬ щего воду с оптимальной концентрацией фторид-ионов; флюороз в слабой форме бывает у 3—5 % населения; необходимо фторирование воды; 3) 0,7—1,1 мг/л — оптимальная кон¬ центрация фторид-ионов; пораженность населения кариесом близка к минималь¬ ной; развитие зубов и челюстей опти¬ мальное; флюороз в слабой форме на¬ блюдается не более чем у 3—10 % насе¬ ления; заболеваемость сердечно-сосу¬ дистыми и аллергическими заболева¬ ниями ниже средней; эта концентрация рекомендуется как норма при фториро¬ вании воды; 4) 1,1—1,5 мг/л — повышенная, но допустимая концентрация фторид-ионов при отсутствии других источников водо¬ снабжения; поражение населения карие¬ сом минимальное, однако процент лю¬ дей, болеющих флюорозом, возрастает до 15—20 %; такая концентрация допустима в условиях умеренного кли¬ мата; 5) 1,5—2,0 мг/л — концентрация фто- рнд-ионов выше предельно допустимой; заболеваемость населения флюорозом может достигать 30—40 %; пораженность населения кариесом несколько выше ми¬ нимальной; воду следует обесфторивать; 6) 2—6 мг/л — высокая концентрация фторнд-ионов; количество населения, по¬ раженного флюорозом, составляет 30— 100 %, наблюдаются тяжелые формы; заболеваемость населения кариесом не¬ сколько больше минимальной; обесфто- ривание воды обязательно; 7) 6—15 мг/л — очень высокая кон¬ центрация фторид-ионов; пораженность населения кариесом зачительно боль¬ ше минимальной; до 80—100 % населе¬ ния поражено флюорозом с превалиро¬ ванием тяжелых форм; обесфторива- ние воды обязательно. 194
15.3. Технология фторирования воды Целесообразность фторирования воды в каждом конкретном случае устанавлива¬ ется органами санитарно-эпидемиоло- гической службы. Показанием к фто¬ рированию воды является низкое содер¬ жание фторид-ионов в питьевой воде и значительная пораженность населения кариесом. В первую очередь фторируют воду, содержащую менее 0,3—0,5 мг/л фторид-ионов. В ряде зарубежных стран (Швейца¬ рии, ФРГ и др.) для обогащения орга¬ низма фтором используют таблетки, ко¬ ровье молоко, поваренную соль, чай, а также другие препараты и продукты, в которых содержится фторид натрия или другие фторсодержащие реагенты. Заболеваемость детей и взрослого на¬ селения кариесом при этом снижается. Практика показала, что индивидуаль¬ ный прием препаратов и продуктов, со¬ держащих фтор, является сложным ме¬ роприятием, требующим активного со¬ действия родителей, поддержания у на¬ селения интереса к этому мероприятию, повседневных настойчивых усилий ор¬ ганов здравоохранения в течение мно¬ гих лет. По сравнению с перечисленными методами фторирование воды требует меньших эксплуатационных затрат, поз¬ воляет охватить все население, дает на¬ ибольший и наиболее стабильный про- тивокариесный эффект и легче контро¬ лируется. Можно применять два метода фтори¬ рования воды: 1) круглогодичный одной дозой; 2) сезонный зимней и летней до¬ зами. В первом случае в воду в течение всего года добавляют постоянную дозу фтора, соответствующую климатическо¬ му району, в котором расположен на¬ селенный пункт. При меняющейся по се¬ зонам дозе в холодное время года, когда среднемесячная температура воздуха (в 13 ч) не превышает +17... 18 °С, воду можно фторировать дозой 1 мг/л, а в теп¬ лое время (например, в июне—августе) — меньшей дозой, зависящей от средней максимальной температуры (в 13 ч) за эти месяцы; например, при температуре +22...26 °С берут дозу 0,8, при +26... ...30 °С и более — 0,7 мг/л фторид-ио¬ нов. Посезонный метод фторирования воды более приемлем. По гигиеническим и технико-эконо¬ мическим требованиям фторсодержащий реагент, предназначенный для фториро¬ вания питьевой воды, должен: 1) об¬ ладать высоким противокариесным дей¬ ствием при возможно меньшей потен¬ циальной токсичности при передозиров¬ ке; 2) не содержать ядовитых примесей (солей тяжелых металлов, мышьяка и др.); 3) иметь большую растворимость при температуре 0...25 °С; 4) быть безо¬ пасным для персонала (образовывать меньше пыли, не обладать выраженным местным действием); 5) не оказывать от¬ рицательного влияния на другие про¬ цессы обработки воды; 6) обладать воз¬ можно меньшими коррозионными свой¬ ствами, не откладываться на стенках трубопроводов и аппаратуры; 7) быть доступным и недорогим. Фторсодержащий реагент для фтори¬ рования воды выбирают в зависимости от конкретных условий, так как практи¬ чески нет реагента, превосходящего дру¬ гие по всем перечисленным свойствам. Для фторирования воды можно ис¬ пользовать фториды натрия и кальция, кремнефториды натрия, аммония и маг¬ ния, фтористоводородную и кремнефто¬ ристую кислоты, флюрель и др. СНиП 2.04.02—84 для фторирования воды ре¬ комендуют применять кремнефториды натрия и аммония, фторид натрия и кремнефтористоводородную кислоту. Кремнефтсрид натрия Na2SiFe — бе¬ лый негигроскопичный кристалличе¬ ский порошок, является побочным про¬ дуктом суперфосфатного производства, отчего доступен и дешевле других. Кро¬ ме того, в техническом Na2SiF6 содер¬ жится больше основного вещества, чем в других реагентах (95—98 %), этим и объясняется широкое его применение. Растворимость Na2SiF6 в воде плохая и резко уменьшается с понижением тем¬ пературы, pH растворов кремнефторида натрия — 3,0—4,0. Фторид натрия NaF — белый поро¬ шок или небольшие кристаллы, негиг¬ роскопичный, содержание основного ве¬ щества в техническом продукте не менее 80 %. Реагент сравнительно хорошо рас¬ творим; обычно применяют 1—2 %-е растворы, pH которых составляет 7,5— 8,5. Приготовление концентрированных растворов фторида натрия на жесткой 7* 195
воде сопровождается образованием мало¬ растворимых солей, оседающих в раст¬ ворных баках и коммуникациях. Кремнефторид аммония (NH4)2SiFe — кристаллическое вещество белого цвета с розоватым или желтоватым оттенком, без запаха. Содержание основного ве¬ щества в техническом продукте не менее 86 %. При температуре 25 °С его раство¬ римость составляет 187,5 г/л. Недоста¬ ток этого реагента — слеживаемость. Стоимость его ниже стоимости NaF. Кремнефтористоводородная кислота H2SiF6—-обычно 20—35 %-й водный раствор. В Советском Союзе кремнефто¬ ристоводородная кислота является пре¬ имущественно побочным продуктом про¬ изводства и содержит от 3 до 8% H2SiF6, поэтому она имеет низкую стоимость. Это бесцветная, дымящая, с едким запахом жидкость, обладающая раз¬ дражающим действием на кожу и сли¬ зистые оболочки, 1 %-й водный раствор ее имеет pH = 1,2. Испаряясь, крем¬ нефтористоводородная кислота разлага¬ ется на фтористоводородную кислоту и тетрафторид кремния. При ее использо¬ вании нужно соблюдать особый режим и технику безопасности. Поэтому в СССР она применяется лишь на водопроводах, расположенных вблизи суперфосфатных заводов. Фторид-дифторид аммония — смесь двух реагентов: кислой соли фторида аммония NH4F • HF (73 %) и фторида аммония NH4F (19 %); представляет со¬ бой мелкие, немного влажные кристал¬ лы. Реагент не образует пыли, но силь¬ но гигроскопичен и поэтому на заводской таре необходимо точно указывать его массу. Растворимость кислой соли фто¬ рида аммония высокая. При разработке индивидуального про¬ екта или привязке типового проекта ус¬ тановки для фторирования питьевой во¬ ды после выбора реагента следует оп¬ ределить дозу фтора применительно к конкретным условиям. Дозу фторсодержащего реагента Дф определяют по формуле где т — коэффициент, зависящий от места ввода фтора в обрабатываемую во¬ ду (при вводе фтора после очистных со¬ оружений принимается равным 1, при вводе перед фильтрами или контактными осветлителями — 1,1); а — необходимое содержание фтора в обрабатываемой во¬ де в зависимости от климатических и се¬ зонных условий (принимается равным 0,7—1,2 г/м3, меньшие значения — для летнего сезона и жаркого климата); F~ — содержание фторид-ионов в ис¬ ходной воде, г/м3; К — содержание фто¬ ра в чистом реагенте (принимается для кремнефторида натрия 60, для фторида натрия — 45, для кремнефторида аммо¬ ния — 64 %); для кремнефтористоводо¬ родной кислоты — 79; Сф — содержание чистого реагента в техническом продук¬ те, %. Чтобы избежать потерь реагентов на образование осадков, фторсодержащие реагенты рекомендуется растворять в во¬ де, умягченной Ыа-катионированием, поскольку при большом содержании в воде кальция и магния часть фтора осаждается в виде фторидов или крем¬ нефторид ов кальция и магния. Кратковременные колебания концен¬ трации фтора в водопроводной воде не должны превышать ±0,1 мг/л, а сред¬ немесячные ±0,05 мг/л от установлен¬ ной дозы. В связи с этим дозирующая установка должна быть точной, надеж¬ ной, простой и удобной в эксплуатации. На водопроводах, в которых вода не обрабатывается коагулянтами, напри¬ мер на артезианских, реагент можно вво¬ дить во всасывающую трубу центробеж¬ ных насосов, а также в резервуар для хранения воды в том месте, где в него поступает вода. На речных водопроводах предпочтительно вводить фторсодержа¬ щие реагенты в воду, прошедшую коа¬ гуляцию, отстаивание и фильтрование, в трубопроводы, соединяющие фильтр и резервуар чистой воды, или непосред¬ ственно в резервуар. Если фторсодержа¬ щие реагенты содержат повышенные ко¬ личества нерастворимых примесей, ко¬ торые следует удалить из фторируемой воды, реагент можно вводить и до филь¬ трования. Если условия вынуждают вводить реагент в обрабатываемую воду до или совместно с коагулянтом (для улучшения растворимости реагента), не¬ обходимо, учитывая потери, добавлять избыток фторидов. Во всех случаях умягчения или обезжелезивания фтор¬ 196
содержащие реагенты следует вносить в воду после завершения этих процессов. Фторсодержащие реагенты, не содержа¬ щие аммония, на обеззараживание воды хлором отрицательного влияния не ока¬ зывают. 15.4. Технологические схемы, эксплуатация и контроль работы фтораторных установок В настоящее время в нашей стране и за рубежом для фторирования воды за¬ проектированы и построены фтораторные установки различных типов малой и большой производительности. Все уста¬ новки по технологии приготовления рас¬ творов фторсодержащих реагентов можно разделить на фтораторные установки: са¬ тураторного типа; с растворными бака¬ ми; с растворно-расходными баками; с применением кремнефтористоводородной кислоты. Выбор схемы фторирования воды оп¬ ределяется в основном производитель¬ ностью водопроводной станции, свой¬ ствами применяемого фторсодержащего реагента, экономическими соображе¬ ниями. Схема фтораторной установки сатура¬ торного типа представлена на рис. 15.1. Ее используют в случае применения малорастворимого кремнефторида нат¬ рия. Вода подается в сатуратор и про¬ ходит через слой находящегося здесь реагента. Пневмотранспортом под ва¬ куумом реагент один раз в 5—7 сут за¬ гружается в сатуратор. Ваку¬ умная система состоит из ва¬ куум-бункера, фильтра, ваку¬ ум-насоса и трубопроводов для подачи реагента и выпу¬ ска воздуха. Порошок Na2SiF6 в вакуум-бункере оседает вниз. Для предотвращения выноса частичек порошка в атмосферу при работе пнев¬ мотранспорта предусмотрен фильтр. Реагент из вакуум-бункера че¬ рез секторный питатель загружается в сатуратор, где приготовляется насыщен¬ ный раствор Na2SiF6. От системы внут¬ реннего водопровода вода через регули¬ рующий вентиль попадает в нижнюю часть сатуратора и вытесняет образо¬ вавшийся в нем раствор, близкий к насы¬ щенному. Для стабилизации расхода ре¬ агента вода поступает в сатуратор через бачок постоянного уровня. Регули¬ рующий вентиль автоматически поддер¬ живает количество подающейся в сатура¬ тор воды. Насыщенный раствор Na2SiFe через сборную систему из перфорирован¬ ных труб подводится к месту дозиров¬ ки. Отвод насыщенного раствора из са¬ туратора и количество поступающей в сатуратор воды контролируются рота¬ метром. Для обеспечения полного использова¬ ния порошка Na2SiFe в сатураторе пре¬ дусмотрен барботаж компрессором. Производительность сатуратора qc (по насыщенному раствору реагента) определяют по формуле Дф Q пр где Q — расход обрабатываемой воды, м3/ч; п — количество сатураторов, шт.; р — растворимость Na2SiFe (при О °С составляет 4,3; при 20 °С — 7,3; при 40° С — 10,3 г/л). При определении объема сатураторов длительность пребывания в них раствора принимается не менее 5 ч, скорость вое- Рис. 15.1. Схема фторирования воды кремнефторидом натрия: 1 — бачок постоянного уровня; 2 — ва¬ куум-бункер; 3 — фильтр; 4 — вакуум- насос; 5 — ввод раствора фторреагента; 6 — ротаметр; 7 — тара с реагентом; 8 — компрессор: 9 — штурвал для ре¬ гулировки количества загрузки реаген¬ та; 10 —■ секторный питатель; // — са¬ туратор; 12 •— регулирующий вентиль. 197
Рис. 15.2. Схема ав- j томатического дози¬ рования раствора фторидов: ) 1 — трубопровод; 2 — бак с раствором реагента; 3 — насос- дозатор; 4 — реле; 5 — записывающее устройство; 6 — рас¬ ходомер. ходящего потока воды в сатураторе — не более 0,1 мм/с. Общая схема автоматического дозиро¬ вания фторсодержащего реагента в за¬ висимости от колебаний расхода воды (рис. 15.2) состоит из: расположенного в водопроводе чувствительного датчика, определяющего расход воды, или при¬ бора, непрерывно определяющего кон¬ центрацию фтора во фторированной во¬ де; системы, передающей сигнал о не¬ обходимости изменения количества по¬ даваемого фторсодержащего реагента; ус¬ тройств, изменяющих расход реагента; дозатора (например, дозирующего насо¬ са НД). Наилучшим видом дозирования сле¬ дует считать автоматическое дозирова¬ ние в зависимости от концентрации фто¬ ра во фторированной воде. Строительство фтораторных устано¬ вок сатураторного типа целесообразно для станций производительностью до 50 тыс. м3/сут, так как они сравнительно компактны и позволяют обеспечить до¬ зирование даже без средств автоматиза¬ ции. В настоящее время большинство фтораторных установок, внедренных в СССР, сатураторного типа. На мощных станциях применяют фто- раторные установки с приготовлением фторсодержащего реагента в растворных баках, являющиеся наиболее универ¬ сальными и работающие на любом фтор¬ содержащем реагенте. Схема такой дей¬ ствующей в г. Карл-Маркс-Штадте фтораторной установки, являющейся од¬ ной из крупнейших и наиболее совер¬ шенной установкой в Европе, приведе¬ на на рис. 15.3. Кремнефторид натрия по конвейеру 2 поступает в питающий бункер 4, рас¬ считанный на хранение 15-суточного запаса реагента, откуда винтовым кон¬ вейером подается в установленную на весах емкость, в которую и дозируется для получения 0,45 %-го раствора. За¬ тем реагент поступает в растворный бак 5, где растворяется в 10 м3 водопроводной воды. В результате интенсивного пере¬ мешивания раствора в баке насосом 12 и барботированием воздуха через 3— 4 ч достигается полное растворение реа¬ гента. Приготовленный 0,45 %-й рас¬ твор Na2SiF6 насосом 11 перекачивается в расходный бак 13, из которого насосом- дозатором 10 подается по трубопроводу 9 в магистральный трубопровод 7 для смешения с обрабатываемой водой, на¬ правляющейся на фильтры. Раствор реагента дозируется автома¬ тически. Для этого в магистральный тру¬ бопровод вмонтирована специальная из¬ мерительная диафрагма 8. С увеличе¬ нием или уменьшением расхода воды изменяется разность давлений до и пос¬ ле диафрагмы. Эти изменения регистри¬ рует специальный прибор 6 с пьезоэле¬ ментами и трансформирует их в электри¬ ческую энергию, подаваемую по усили¬ вающей схеме датчиком импульсов к до¬ зирующему насосу 10. С увеличением расхода воды возрастают разница дав¬ лений, число импульсов тока, коли¬ чество ходов поршня насоса 2, следова¬ тельно, и расход раствора, подаваемо¬ го насосом в магистральный трубопро¬ вод. С уменьшением расхода воды рас¬ ход подаваемого раствора реагента уменьшается. Предусмотрено также руч- Рис. 15.3. Схема фтораторной установки с раствор¬ ными баками: / — циклон; 2 — конвейер; 3 — зонт вытяжной вен¬ тиляции; 4 — питающий бункер; 5 — растворный бак; 6 — регистратор; 7 — магистральный трубопро¬ вод; 8 — измерительная диафрагма; 9 — трубопро¬ вод подачи готового раствора; 10 — насос-дозатор; 11 — центробежный насос; 12 >= циркуляционный на¬ сос; 13 — расходный бак. 198
ное регулирование количества подавае¬ мого насосом раствора. Для предотвращения коррозии резер¬ вуар 5 изготовлен из бетона, его внут¬ ренние стенки штукатурят кислотоупор¬ ным цементом. Циркуляционный насос 12 изготовлен из кислотоупорного мате¬ риала. Для более полного смешения воды с раствором реагента его вводят перед резервуаром чистой воды или во всасы¬ вающий трубопровод насосов второго подъема. Концентрацию раствора реагента для приготовления ненасыщенных раство¬ ров в расходных баках принимают: кремнефторида натрия — 0,25 % при температуре раствора 0 °С и до 0,5 % при 25 °С, для фторида натрия — 2,5 % при 0 °С; кремнефторида аммония — 7 % при 0 °С, кремнефтористоводород¬ ной кислоты — 5 % при 0 °С. Интенсивность подачи воздуха для перемешивания раствора принимают рав¬ ной 8—10 л/(с • м2). Растворы фторсо¬ держащих реагентов отстаивают в те¬ чение 2 ч. При использовании в качестве реаген¬ тов кремнефторидов натрия и аммония следует предусмотреть мероприятия про¬ тив коррозии баков, трубопроводов и дозаторов. В состав фтораторных установок с растворно-расходными баками входят растворный и расходный баки, обору¬ дованные мешалками, системами для по¬ дачи воздуха или гидравлического пере¬ мешивания раствора, дозировочные уст¬ ройства. На некоторых станциях применяют го¬ товый раствор фторсодержащего реа¬ гента, например, кремнефтористоводо¬ родную кислоту, доводя ее концентра¬ цию до расчетной. На рис. 15.4 приве¬ дена схема фтораторной установки с использованием кремнефтористоводород¬ ной кислоты. Кислота из автоцистерны самотеком поступает в баки-хранилища. Концентрация различных партий кисло¬ ты может быть неодинаковой, поэтому предусмотрена возможность разбавле¬ ния до 10 %-й концентрации и пере¬ мешивания реагента посредством бар- ботажа сжатым воздухом от воздуходув¬ ки. Насос-дозатор, изготовленный из кислотоупорного материала, дозирует ее I — баки-хранилища; 2 — барботаж сжатым возду¬ хом; 3 — насос-дозатор; 4 — ввод реагента; 5 — воз¬ духодувка; 6 — компрессор. из баков-хранилищ пропорционально расходу обрабатываемой воды. Реагент транспортируется к месту ввода по по¬ лиэтиленовым трубам. При большой производительности станций соответственно увеличивается число и емкость баков-хранилищ, коли¬ чество насосов-дозаторов и т. д. По сра¬ внению с технологией фторирования во¬ ды твердыми соединениями фтора при обработке воды кремнефтористоводо¬ родной кислотой не требуется дорого¬ стоящее оборудование, необходимое для растворения фторсодержащих;! соедине¬ ний; кроме того, отпадает необходимость в установках, предназначенных для ула¬ вливания токсической пыли, неизбеж¬ ной при использовании порошкообраз¬ ных реагентов. Фактором, ограничиваю¬ щим применение этой кислоты, являет¬ ся высокая стоимость ее транспортиро¬ вания от завода-поставщика к месту по¬ требления (требуются гуммированные цистерны). Трубопроводы и арматура выполня¬ ются из фторопласта, полиэтилена, ви¬ нипласта и других кислотоупорных ма¬ териалов. Процесс фторирования воды требует постоянного строгого контроля. Прежде всего контролируется качест¬ во фторсодержащих реагентов. Из каж¬ дой партии реагента отбирается сред¬ няя проба, в которой определяют со- 199
держание чистого продукта, свободной угольной кислоты, нерастворимых при¬ месей, влажность. С целью предотвращения поступления в питьевую воду избытка фторид-ионов следует тщательно контролировать точ¬ ность дозирования реагента (по концен¬ трации и расходу фторсодержащих ре¬ агентов и по концентрации фторид-ио¬ нов в обработанной воде). Установленная экспериментально доза фтора контролируется фотоэлектроколо¬ риметром ФЭК не реже 2 раз в смену (реакция с ализаринциркониевым ла¬ ком); для этой же цели используются анализатор АФ-297 и фторселективные электроды. Установки для фторирования необ¬ ходимо оборудовать водомерами, а до¬ затор реагента должен легко регулиро¬ ваться с тем, чтобы отклонения факти¬ ческой дозы реагента от расчетной не превышали ±5 %. Производительность дозирующих устройств и расход обра¬ батываемой воды контролируют через каждый час, результаты замеров запи¬ сывают в журнал. Регистрируют также время начала и окончания использования раствора в рабочем баке. Одновременно отбирают пробы рабочего раствора для При избыточном содержании в питьевой определения концентрации фтора. 1 воде фторид-ионов кроме флюороза у Вода из распределительной сети ана- людей развиваются изменения в костях лизируется 2—4 раза в сутки. Пробы скелета, а у детей — малокровие и ра- отбираются в разных местах в разное , хит'.'Имеются данные о неблагоприятном обходимо изолировать от других слу¬ жебных помещений. Все технологичес¬ кие операции надежно герметизируют¬ ся во избежание попадания пыли реа¬ гентов в воздух. Транспортирование фтор¬ содержащих реагентов во избежание контакта с ними персонала механизи¬ руют. В рабочих помещениях фторатор- ной необходимо поддерживать темпера¬ туру не ниже 10 °С при ручном дозиро¬ вании и не ниже 5 °С при автоматичес¬ ком. Учитывая токсические свойства фтор¬ содержащих препаратов, кроме общих мероприятий по охране труда следует обеспечить обслуживающий персонал ин¬ дивидуальными средствами защиты: рес¬ пираторами, защитной одеждой, рези¬ новыми перчатками, защитными очками, сапогами, шлемами для защиты головы от пыли и др.; после работы обслуживаю¬ щий персонал должен принять душ. 15.5. Классификация методов обесфторивания воды и их санитарно-гигиеническая оценка время суток. Обязательным условием является смена мест отбора и анализ хотя бы одной пробы, отобранной в ут¬ ренние часы. Текущий санитарный надзор за фтори¬ рованием кроме перечисленных меро¬ приятий включает строгий контроль за хранением и расходованием фторсодер¬ жащих реагентов, контроль за осуществ¬ лением мероприятий по охране труда лиц, работающих с этими веществами. При фторировании воды необходимо влиянии повышенных концентраций фто- рид-ионов на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы и общее физическое состояние. ‘""-'В тех районах, где питьевая вода бед¬ на иодом, повышенное содержание в ней фторид-ионов может вызвать заболева¬ ние щитовидной железы (фтор вытесня¬ ет из тканей щитовидной железы иод). Неблагоприятно действует вода и с низ¬ ким содержанием фторид-ионов. . _ Из изложенного, следует, что рпти- строго соблюдать мероприятия по охра- малытойг Дозой фторид-ионов в воде не труда и технике безопасности. Со-, следует считать 0,7—1,5 мг/л. При со¬ держание фторсодержащих соединений держании в воде более 1,5 мг/л фторид- в воздухе производственных помещении не должно превышать 1 мг/м3, поэтому в помещениях следует обеспечить вен¬ тиляцию с 10—12-кратным обменом воз¬ духа, а также местные отсосы в местах образования пыли. Установку для фто¬ рирования и склад для реагентов не- ионов ее необходимо обесфторивать, хотя это и довольно сложная задача. До сих пор не разработаны простые и дешевые методы удаления из воды из¬ бытка фторид-ионов. Обычные методы осаждения фторид-ионов в виде осад¬ ков малорастворимых фторидов для 200
обесфторивания питьевой воды не могут быть применены, так как растворимость наименее растворимых фторидов во мно¬ го раз превышает допустимую концен¬ трацию фторид-ионов в питьевой воде. В настоящее время воду обесфторива- ют методами ионного обмена на селек¬ тивных в. отношении, фто'ра «ионитах: активированном оксиде алюминия, гидро- ксилапатите, сильноосновных аниони¬ тах, а также на специально обработан¬ ных активированном угле и оксиде маг¬ ния. Применяют также методы сорбции фторид-ионов свежеосаждёНными фосфа¬ том кальция, гидроксидами магния и длюминия. Для подземных вод, не требующих осветления перед подачей в сеть, наи¬ более перспективными и экономичными могут быть ионообменные методы обес¬ фторивания, для поверхностных вод, осветляемых перед подачей в сеть,— сорбционные, в частности сорбция фтора осадками основного хлорида алюминия или гидроксида алюминия в толще филь¬ трующей загрузки. 15.6. Ионообменные методы обесфторивания воды Наиболее эффективно фторид-ионы из подземных вод удаляются зернистым ак¬ тивированным оксидом алюминия (сор¬ бентом). Он действует как аннонит, об¬ менивающий ионы SOl~ на ионы F- по реакции [Ан]2 S04 + 2F- *± 2 [Ан] F В ионообмене одновремен¬ но участвуют гидрокарбонат- ионы и незначительно — ионы хлора [Ан]2 S04 + 2НСО^ ^ 2 [Ан] НС03 + SO^-. Рис. 15.5. Изменение pH, [F ], [НСОд ] г о 1 (щелочности) и LSO^ J в течение филь • троцикла: / — 4 — соответственно щелочность, pH, содержание [F ] и LSO^ ] в фильтрате (эти показатели в исходной воде соот¬ ветственно равны: Щ = 4 мг-экв/л, pH = 8, LF—J = 3 мг/л, [S0l“] = = 5 мг/л). ■ SOf- Активированный оксид алюминия об¬ ладает селективным действием по от¬ ношению к фторид-ионам, поэтому пре¬ имущественно поглощает их, хотя кон¬ центрация ионов НСОГ в воде значи¬ тельно больше. При проектировании обесфториваю- щих установок следует учитывать, что регенерируют активированный оксид алюминия сульфатом алюминия и в очи¬ щенную воду поступает большое коли¬ чество сульфатов, содержание которых в питьевой воде в соответствии с ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» не должно превышать 500 мг/л. Содержание взвешенных веществ в во¬ де, поступающей на фильтры, загружен¬ ные активированным оксидом алюминия, не должно превышать 8 мг/л, общее ко¬ личество солей — не более 1000 мг/л. Показатели качества воды в процессе обесфторивания изменяются (рис. 15.5). В начале фильтроцикла щелочность сни¬ жается с 4 до 2 мг-экв/л, а к концу по¬ стоянно возрастает до исходного значе¬ ния. Концентрация сульфат-ионов, на¬ оборот, в начале фильтроцикла повыша¬ ется в среднем на 2—2,4 мг-экв/л, а за¬ тем с ростом концентрации гидрокарбо¬ нат-ионов постепенно снижается. Со¬ держание ионов хлора, кальция и маг¬ ния в воде не изменяется. Схема установки для обесфторивания артезианской воды, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, приведена на рис. 15.6. При высоте слоя загрузки в фильтре 2 м и скорости фильтрования 5 м/ч дли¬ 201
Вода Рис. 15.6. Схема установки для фторирования воды: / — Н-катионитовые фильтры; 2 — бак для приготовления 8 — 10 %-го раствора Al2 (S04)3; 3 —» резервуар для повторного ис¬ пользования воды при взрыхле¬ нии загрузки; 4 — бак для хра¬ нения осветленного концентри¬ рованного раствора Al2 (S04)3; 5 — баки для приготовления 1 — 1,5 %-го раствора Al2 (S04)3. тельность фильтроцикла составляет 8 сут. Содержание фторидов в воде сни¬ жается с 3,1 до 0,2 мг/л и лишь на вось¬ мые сутки возрастает до 1,5 мг/л. Рабочая обменная емкость составляет 1,95 кг F2/t активированного оксида алюминия. Для обесфторивания воды можно ис¬ пользовать фильтры (открытые или на¬ порные) с трубчатым дренажем и на¬ резными щелями, выполненными из кор¬ розионностойких материалов (нержаве¬ ющая сталь, винипласт и др.) или с дренажем из щелевых колпачков (на¬ пример, фарфоровых). Воду через фильтры пропускают со скоростью 6 м/ч при нормальном режиме и не более 8 м/ч — при форсированном. Равномерную работу дренажа обеспе¬ чивают укладкой на него слоя кварце¬ вого песка с крупностью зерен 2—4 мм высотой 100—150 мм и активированного оксида алюминия с крупностью зерен 1—3 мм. Высоту слоя активированного оксида алюминия принимают: 2 м в напорных и открытых фильтрах при содержании фторид-ионов в исходной воде до 5 мг/л и соответственно 3 и 2,5 м при содержа¬ нии их 8—10 мг/л. Внутреннюю поверх¬ ность напорных фильтров для предот¬ вращения коррозии покрывают лаком. Открытые железобетонные фильтры шту¬ катурят кислотоупорным цементом или облицовывают метлахской плиткой. Продолжительность фильтроцикла Т определяют по формуле FHE С0 где F — площадь фильтра, м2; Я — вы¬ сота слоя сорбента, м; Е — рабочая об¬ менная емкость сорбента по фтору (при¬ нимается равной 900—1000 г/м® сор¬ бента); q — производительность фильт¬ ра, м3/ч; С0 — содержание фторидов в исходной воде, г/м3; Ск — содержание фтора в фильтрате в конце цикла (при¬ нимается равным 1,5 г/м®). Загрузку фильтра перед регенерацией взрыхляют последней четвертью отмы¬ вочной воды после регенерации сорбента, пропуская ее снизу вверх с интенсивно¬ стью 4—5 л/(с • м2) в течение 15—20 мин. Для хранения отмывочной воды пре¬ дусмотрен резервуар. Регенерируют сорбент 1—1,5%-м рас¬ твором сульфата алюминия, который по¬ лучают из 10—17 %-го раствора, при¬ готовляемого в растворных баках, сме¬ шением с водой в эжекторах перед по¬ дачей в фильтры. Скорость регенерации принимают равной 2—2,5 м/ч. Первые порции регенерационного раствора вы¬ пускают, последнюю порцию (25 % об¬ щего количества раствора) — повторно используют для регенерации сорбента. Начинают регенерацию использовавшим¬ ся ранее раствором. 202
Отмывают сорбент после регенерации током исходной воды снизу вверх с ин¬ тенсивностью 4—5 л/(с • м2), принимая расход воды 10 м3/м3 сорбента. Отмывку заканчивают, когда в отмывочной воде определяются лишь следы алюминия. Расход сульфата алюминия на одну регенерацию Р определяют по формуле Ск Р = <?Дк • 106 где q — производительность фильтра за один фильтроцикл, м3; Дк — доза суль¬ фата алюминия, г/г поглощенного фтора (принимается равной 40—50 г/г); Ь — содержание чистого Al2 (S04)3 в техни¬ ческом продукте, %. Рабочую обменную емкость поглоще¬ ния фтора £р^б активированным окси¬ дом алюминия приближенно рассчиты¬ вают по формуле ср— Я (Со ск) "раб ' FH Воду также обесфторивают фосфата¬ ми: гидроксилапатитом, трикальцийфос- фатом, гранулированным суперфосфа¬ том и др. Наиболее полно исследован метод обесфторивания воды гидроксила¬ патитом. По мнению ряда исследовате¬ лей, этот реагент действует как анионит, ионы ОН- которого замещаются в про¬ цессе анионного обмена ионами F~ с образованием малорастворимого фтор- апатита: [Са9 (Р04)в Са] (ОН), + 2F“ [Са9 (Р04)в Са] F2 + 20Н-. Регенерируют фторапатит 1 % -м рас¬ твором гидроксида натрия: [Са9 (P04)e Са] F2 + 20Н“ [Са9 (Р04)6 Са] (ОН), + 2F“ 3,6 Рис. 15.7. Изменение качества воды при фильтровании ее через гидроксилапа- тит: / — щелочность; 2 — окисляемость; 3 — содержание [Са2+]; 4 — pH; 5 ~ содержание [F~']. |2,й 1* рн 1,6 йи -10,8 I ол 7,6 7,2 6,8 6А 6,0 При регенерации фторапатита сначала гидроксидом натрия, а затем угольной кислотой его обменная емкость повыша¬ ется. Предполагают, что при такой об¬ работке фторапатит переходит в карбо¬ натную форму: [Са9 (Р04)6 Са] (ОН)2 + С02 ^ . [Са9 (Р04)6 Са] С08 + Н20. Процесс ионообмена при фильтрова¬ нии воды через этот материал протека¬ ет так: [Са9 (Р04)в Са] С03 + 2F“ ^ [Са9 (P04)e Са] F2 + COf~. Обменная емкость апатита в карбо¬ натной форме большая, чем гидроксил- апатита. Это связано с тем, что при пе¬ реходе в фильтрат ионов СОЦ~ pH фильт¬ рата повышается меньше, чем при посту¬ плении в него эквивалентного количест¬ ва ионов ОН-. При фильтровании воды через гидро- ксилапатит изменяются показатели ка¬ чества воды (рис. 15.7), поскольку в процессе ионообмена увеличивается кон¬ центрация ионов ОН- и, следовательно, гидратная щелочность фильтрата. В ре¬ зультате взаимодействия ионов ОН- с содержащимися в воде ионами НСОГ образуются ионы СОз~~, которые соеди¬ няются с присутствующими в воде ио¬ нами Са2+: Са2+ + СО|“ = СаСОз j . Осадок карбоната кальция задержи¬ вается в фильтрующей загрузке. Таким образом, щелочность и концентрация ио¬ нов кальция в обработанной воде сни¬ жаются. Рабочая обменная емкость гидроксил- апатита при фильтровании через него V 1 —-X- — <-х- ° 1— из Л— J п V 4 / 5 Хл \-rn-< * л / 4 О 4 5 12 16 го 24 га зг 36 40 44 43 52 Т,Ч 203
воды, содержащей 5—6 мг/л фторидов, получается наиболее высокой в первых циклах — 6 мг F2/r сорбента. В после¬ дующих циклах она несколько снижа¬ ется и после 4—5 циклов стабилизи¬ руется на уровне 3,5—4 мг F2/r сорбента. Некоторое уменьшение рабочей об¬ менной емкости гидроксилапатита на¬ блюдается при большом содержании в исходной воде хлоридов. Например, при содержании в исходной воде хлорид- ионов 6 мг/л рабочая емкость поглоще¬ ния сорбента по фторид-ионам составля¬ ет 4,18 мг/л, а при их содержании 115 мг/л — 3,4 мг/л. Для обесфторивания воды рекоменду¬ ется применять гранулированный гид- роксилапатит с крупностью зерен 1—3 мм при высоте слоя загрузки 2—3 м (плотность сорбента — 800 кг/м3). Ско¬ рости фильтрования и регенерации долж¬ ны составлять 5 м/ч. Расход гидроксил¬ апатита при регенерации 1 %-м раство¬ ром NaOH составляет 100 кг/кг погло¬ щенного фтора. Отмывку сорбента после регенерации производят исходной во¬ дой снизу вверх с интенсивностью 7—8 л/(с • м2) в течение 30—45 мин. Изучение возможности обесфторива¬ ния воды сильно- и слабоосновными анионитами Ан-2Ф, ЭДЭ-10П, «Амбер- лайт» и другими показало, что его нельзя рекомендовать как самостоятельный ме¬ тод по экономическим соображениям. Аниониты целесообразно использовать для удаления фторидов только при одно¬ временном обессоливании воды. Сточные воды после регенерации и от¬ мывки загрузки фильтра имеют pH = 4... ...5, содержат фтор и сульфат алюминия, поэтому в каждом конкретном случае вопрос возможности спуска сточных вод в водоемы необходимо согласовывать с органами санитарно-эпидемиологической службы. Если спуск сточных вод в во¬ доемы недопустим, их очищают в ре¬ зервуарах-накопителях (балки, трубы, искусственные емкости) или нейтрали¬ зуют известью до рН=7,2...7,5 с последу¬ ющим отстаиванием взвеси А1 (ОН)3 и сорбированного фтора в отстойниках. Затем осевшую взвесь обезвоживают на специальных площадках намораживания или отводят в накопители. Воду после отстаивания и уплотнения замороженно¬ го осадка можно спускать в водоем. Поскольку содержание фтора в фильт¬ рате в течение фильтроцикла изменя¬ ется, для поддержания концентрации фтора в подготовленной воде в оптималь¬ ных пределах в фильтрат необходимо постоянно добавлять исходную воду. Ко¬ личество воды для добавления дя зависит от содержания фтора в фильтрате; его можно определить (в процентах от общего расхода очищенной воды) по формуле где Ссмеш — оптимальная концентрация фтора в смешанной воде, мг/л; Сф — концентрация фтора в фильтрате, мг/л; Сисх — содержание фтора в исходной во¬ де, мг/л. Обесфторивание воды активированным углем марок «БАУ», «КАД», а также активированным углем СКТ, насыщен¬ ным солями алюминия, оказывает поло¬ жительное влияние только при подкис- лении воды до pH = 3...3,5. Сущест¬ венным недостатком метода является не¬ возможность полного восстановления сорбционной емкости угля при регене¬ рации. Магнийоксихлоридные и магнийси- ликатные сорбенты, представляющие со¬ бой оксид магния, сцементированный оксихлоридом или силикатом магния, удовлетворительно удаляют фториды из воды. Например, рабочая обменная ем¬ кость магнийоксихлорида составляет 0,9 мг F2/r сорбента. Однако обменная емкость сорбентов при регенерации пол¬ ностью не восстанавливается. Сорбент по исчерпании его сорбционной емкости необходимо заменять свежим, что зна¬ чительно удорожает процесс обесфтори¬ вания (для снижения концентрации фто¬ ра с 5 до 1 мг/л затраты составляют 20 к./м3 воды). Однократное применение магнийсодержащих сорбентов неэконо¬ мично, что ограничивает широкое при¬ менение данного метода в технологии очистки воды. 15.7. Сорбционные методы обесфторивания воды При необходимости одновременного умяг¬ чения воды фториды из воды целесо¬ образно удалять сорбцией свежеосаж- денным гидроксидом магния. Исследо¬ вания, проведенные во ВНИИ ВОДГЕО, 204
показали, что сорбция фторидов в этом случае протекает быстро и практически не зависит от температуры. Например, при содержании фторидов в воде 4—5 мг/л оптимальные значения достигают¬ ся при длительности процесса 8—10 мин. Образующийся в результате взаимо¬ действия фторид магния при избытке магния превращается в осадок оксифто- рида магния. Обесфториваемую воду рекомендуется пропускать через осветлитель со слоем взвешенной контактной среды, образу¬ емой гидроксидом магния. Его расход составляет окояо 2 мг:>экв/мг удаляемых из воды фторид-ионов. При небольшом содержании в воде солей магния для удаления фторидов рассматриваемым методом вместе с из- , вестью следует вводить сульфат или хлорид магния. Дозу 4соли магния опре¬ деляют по формуле' Дс = в{2([Г-]- l)-[Mg]}, где е — эквивалентная масса соли маг¬ ния (для MgCl2 е = 47,7, для MgCl2X- К 6Н20 — 101,65, для MgS04 — 60,2, для MgS04 • 7Н20— 123,25), мг/мг-экв; 2 — расход солей магния на удаление 1 мг фторид-ионов, мг-эка; [F-] — концентра¬ ция фторид-ионов в обрабатываемой воде, мг/л; [Mg] — содержание магния в воде, мг-экв/л. Дозу извести Ди, необходимую для осаждения гидроксида магния, рассчи¬ тывают по формулам fc°21 1 ■ 2 [Mg2+] + Щ + 1 Ди = 28 22 (при [Са2+] > Щ); Ди = 28 где [Са2+] мг/л; Щ [СОа] 22 + [Са2+] + 2 [Mg2+] + 1 (при [Са2+] < Щ), •содержание в воде кальция, общая щелочность воды, мг-экв/л; 28 — эквивалентная масса СаО, мг/л; [СОа] — содержание С02 в воде, мг/л; [Mg2+] — содержание магния в об¬ работанной воде, мг/л; 1 — необходимый избыток извести, мг-экв/л. Схема установки для обесфторивания воды свежеосажденным гидроксидом магния приведена щ рис. №св. Из ви- хревогЪ реактора J-; где исходная вода смешивается с известковым молоком, она направляется в осветлитель перед которым вводится раствор хлорида ийи сульфата магния. Осадок гидроксида магния отводится в осадкоуплотнитель, а затем спускается в водосток. ^Освет¬ ленная вода проходит через фильтры в резервуары чистой воды 4, откуда на¬ сосами, & подается потребителю. С целью предотвращения накаплива¬ ния отложений карбоната кальция в осветлителях при удалении фторид-ио¬ нов из воды осаждением гидроксидом магния их рекомендуется устраивать с коническими или пирамидальными дни¬ щами, а распределение воды произво¬ дить опускными трубами. Высоту слоя осадка принимают равной не менее 2 м, скорость восходящего потока воды в зоне осветления — 0,2—0,3 мм/с. Возможное накапливание осадка кар¬ боната кальция в верхнем слое загрузки фильтров устраняют системой верхней промывки. При обесфторивании воды гидроксидом алюминия в воду вводят сульфат алюми¬ ния, в результате гидролиза которого образуется коллоидный гидроксид А1 (ОН)3, сорбирующий фторид-ионы. Сорбция фторид-ионов из водй гид¬ роксидом алюминия в большой мере за¬ висит от pH воды (рис. Ш^гСнижение значения pH от 8 до 5 при одинаковой дозе введенного в воду сульфата алю¬ миния повышает эффект удаления из воды фторид-ионов, что можно объяс¬ Рис. 15.8. Схема установки для обесфторивания воды со¬ рбцией гидроксидом магния. Са(0Н)г МдС1г МдЩ- 205
Рис. 15.9. Зависимость ©статочного содержания СF ’] от pH воды (доза Al2 (S04)3 200 мг/л, начальное со¬ держание [F ] в воде * 5,6 мг/л. Рис. 15.10. Зависимость остаточного содержания [F—] в воде от удельного расхода А12 (S04)3. нить, вероятно, возрастанием содержа- ния основного сульфата алюминия А1 (ОН) S04, уменьшением pH воды, сор¬ бционная емкость которого по сравне¬ нию с гидроксидом алюминия значи¬ тельно выше. Это свидетельствует о том, что удаление фторид-ионов целесообраз¬ но вести при pH = 5...5,5. Расход суль¬ фата алюминия на снижение содержания фторид-ионов с 5 до 1 мг/л при этих зна¬ чениях pH составляет 40—50 мг/мг уда¬ ленных из воды фторид-ионов (рис. 15.10). Из-за больших расходов сульфата алю¬ миния, кислоты и извести, а также не¬ обходимости точного дозирования реа¬ гентов такой метод является сложным и невыгодным в эксплуатации. Для обесфторивания воды может при¬ меняться основный хлорид алюминия Al2 (020Н) С1, образующий осадок ос¬ новных солей алюминия в доволь¬ но широком диапазоне значений pH и обладающий высокой сорбционной ем¬ костью. В качестве сооружений для об¬ работки воды этим реагентом рекомен¬ дуется применять контактные осветли¬ тели. Предварительного подкисления воды не требуется. При введении 6—8 мг/л основного хлорида алюминия (в пересчете на А12Оа) хорошо коагулиру¬ ются примеси воды и удаляется от 1 до 2 мг/л фторид-ионов. Во ВНИИ ВОДГЕО разработан метод обесфторивания воды свежеосажденным тр ик ал ьци йфосфатом. При введении в известковую воду 1 % -го раствора ортофосфорной кислоты фторид-ионы связываются по реакции ЗСа3 (Р04)2 + Са (ОН)2 + 2F~ [Са9 (Р04)6 Са] F2 + 201Г. Расход трикальцийфосфата составля¬ ет 30 мг/мг удаленных из воды фто¬ рид-ионов. Обесфторивание воды три- кальцийфосфатом можно осуществить по одной из технологических схем, приве¬ денных на рис. 15.8, 15.11. Воду с введенным в нее трикальций- фосфатом из смесителя 1 подают в ос¬ ветлитель со слоем взвешенной контакт¬ ной среды 2. Скорость восходящего по¬ тока воды в нем во избежание выноса легкого осадка трикальцийфосфата при¬ нимают не более 0,6—0,7 мм/с. Мелкие хлопья, выносимые потоком воды из осветлителей, задерживаются фильтра¬ ми 3. Общая стоимость очистки 1 м3 воды, содержащей 5 г/м3 фторид-ионов, для станций средней производительности со¬ ставляет около 5 к. NazC03 или са(он)г Аф0<1 Вода Осадок Al(0H)3+AlF3 Рис. 15.11. Схема установки для фто* рирования воды сорбцией А1 (ОН)3. 206
15.8. Эксплуатация обесфторивающих установок На станциях подготовки хозяйственно¬ питьевой воды эксплуатация обесфтори¬ вающих установок осложняется разно¬ образием применяемых реагентов (из¬ вестковое молоко, сульфаты алюминия и магния, трикальцийфосфат и др.), ионо¬ обменных материалов (гранулирован¬ ный оксид алюминия, активированный уголь, иониты и др.), использованием сложного реагентного хозяйства (аппа¬ ратура и оборудование для приготовле¬ ния и дозирования растворов реаген¬ тов) и очистных сооружений разной кон¬ струкции (смесители, осветлители, фильт¬ ры и т. д.). Их эксплуатация в основ¬ ном аналогична эксплуатации установок для осветления и обесцвечивания воды, однако имеются и особенности. При использовании магнезиальных ре¬ агентов следует учитывать, что образу¬ ются легкие хлопья гидроксида магния, поэтому скорость восходящего потока в осветлителях со слоем взвешенной кон¬ тактной среды не должна превышать 0,2—0,3 мм/с. Дозы реагентов необходимо уточнять в период пуска, наладки и эксплуата¬ ции установок. Перед загрузкой ионообменных ма¬ териалов в фильтры следует определять их рабочую обменную емкость по фто¬ ру. В качестве фильтров допускается применять материалы, разрешенные Главным санитарно-эпидемиологическим управлением Министерства здравоохра¬ нения СССР в практике хозяйственно¬ питьевого водоснабжения и удовлетво¬ ряющие требованиям СНиП 2.04.02—84 и СНиП III-30-74. Глава 16 УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА 16.1. Примеси железа в природных водах Железо в природных водах встречается в виде ионов Fe2+ и Fe3+, а также в виде органических и неорганических со¬ единений (коллоиды и взвеси). В по¬ верхностных водах железо как примесь содержится главным образом в орга¬ нических комплексах (гуматы), а также образует коллоидные и высокодисперс¬ ные взвеси. В подземных водах при от¬ сутствии растворенного кислорода оно обычно находится в виде ионов Fe2+. На рис. 16.1 представлена диаграмма Пурбе, отражающая состояние системы железо — вода в координатах «окисли¬ тельно-восстановительный потенциал Eh — значение pH». Вертикальными пря¬ мыми показаны значения pH гидратооб- разования при реально устанавлива¬ ющемся равновесии в системе. Как следует из диаграммы, при зна¬ чениях pH < 4,5 железо находится в воде в виде ионов Fe3+, Fe2+ и Fe(OH)2+. При pH > 4,5 железо (II) окисляется в железо (III), которое и выпадает в осадок. В этих же условиях при Eh < < —0,2 В и наличии в воде сульфидов может осаждаться FeS. В восстанови¬ тельной среде в присутствии карбонатов и при pH > 8,4 возможно выделение FeC03, а при pH > 10,3 — Fe(OH)2. При наличии в обрабатываемой воде катализаторов — ионов Си2+, Мп2+, РС>4—, а также при контакте ее с окси¬ дами марганца или с ранее выпавшим Fe(OH)3 скорость окисления Fe2+ кис¬ лородом значительно возрастает (рис. 16.2, а). С повышением pH среды время, затрачиваемое на окисление сое¬ динений железа (II), значительно сокра¬ щается. Окисление Fe2+ кислородом воздуха происходит по реакции 4Fe2+ + 02 + 8НСО3- + 2НгО = = 4Fe (ОН)3 { + 8С02 f . £*8 + 1,0 +0,2 о -0,2 Рис. 16.1. Окислитель¬ но-восстановительный потенциал системы же- -0,6 лезо — вода в окисли¬ тельной (I) и восстано¬ вительной (II) средах. 0 2 4 6 8 10 pH среды 207
Продолжительность окисления, мин а Рис. 16.2. Влияние на процесс окисления Fe^H- кислородом катализаторов (а) и кине¬ тика его окисления кислородом, дихлор¬ амином и хлором (б) при различных зна¬ чениях pH среды: / — без катализатора; 2, 3 — соответствен¬ но с и Мп02 (по 0,02 мг/л); 4 — с гексаметафосфатом натрия (2 мг/л)'. 0 10 20 30 АО 50 60 Продолжительность окисления, мин 5 На окисление 1 мг железа (II) теорети¬ чески расходуется 0,143 мг растворен¬ ного в воде кислорода; щелочность воды при этом снижается на 0,036 мг-экв/л. Скорость окисления соединений же¬ леза (II) значительно возрастает при хлорировании воды (нормальный оки¬ слительно-восстановительный потенциал хлора Eh — 1,36 В). Соединения желе¬ за (II) в присутствии гидрокарбонатов природных вод полностью гидролизи¬ руют по реакции 2Fe2+ + С12 + 6HCOf = = 2Fe (ОН)3 \ + 2С1 + 6С02 f - На окисление 1 мг соединений железа (II) расходуется 0,64 мг хлора; щелоч¬ ность воды при этом снижается на 0,018 мг-экв/л. Как видно из рис. 16.2, б, при замене свободного хлора дихлорами¬ ном (Ен = 0,76 В при pH = 5) длитель¬ ность окисления соединений железа (II) значительно возрастает. При обработке воды перманганатом калия реакция окисления и последую¬ щего гидролиза протекает по уравнению 4Fe2+ + МпО^ + 8НСОГ + 2Н20 = = 4Fe (ОН)3 \ + МпО \ + 8С03 f . На окисление 1 мг железа (II) расходу¬ ется 0,71 мг перманганата калия; ще¬ лочность воды при этом уменьшается на 0,036 мг-экв/л. Значительно ускоряется окисление со¬ единений железа при озонировании во¬ ды, что обусловлено высоким окисли¬ тельно-восстановительным потенциалом озона (2,076 В). При небольшом содержании в воде сульфата железа (II) реакция с озоном и гидролиз протекают по уравнению 2Fe2+ -f 03 -f НСО“ -f 4Н20 = = Fe (ОН)3 | +3H+ + 02f + СОо f • На окисление 1 мг железа (II) расхо¬ дуется 0,2 мг озона. Озон весьма актив¬ но разрушает комплексные соединения железа, придающие воде повышенную цветность. 16.2. Методы обезжелезивания воды Железо из природных вод удаляют ме¬ тодами, которые Г. И. Николадзе пред¬ ложил разделить на безреагентные (фи¬ зические) и реагентные. К применяемым в настоящее время безреагентным методам относятся: упро¬ щенное аэрирование1 с последующим фильтрованием; аэрирование с последу¬ ющим отстаиванием и фильтрованием; «сухое» фильтрование; фильтрование на каркасных фильтрах; электрокоагуля¬ ция, двойное аэрирование, обработка в слое взвешенного осадка и фильтро¬ вание; фильтрование в подземных усло¬ виях с предварительной подачей в пласт окисленной воды (метод «Виредокс»). К реагентным методам относятся: упрощенное аэрирование, окисление, фильтрование; напорная флотация с из¬ весткованием и последующим фильтро¬ ванием; известкование, отстаивание в тонкослойном отстойнике, фильтрование; аэрация, окисление, известкование, ко¬ агулирование, флокулирование с по¬ следующим отстаиванием или обработ¬ кой в слое взвешенного осадка и фильт¬ рованием; фильтрование через модифи¬ цированную загрузку; катионирование. При обезжелезивании подземных вод чаще всего применяют аэрирование, поверхностных вод — коагулирование 1 При использовании этого метода обезже¬ лезивания вода, обогащенная кислородом в ре¬ зультате аэрирования, сразу направляется на фильтр, и железо (II) окисляется непосредственно в толще фильтрующего слоя. 208
сульфатом алюминия с предваритель¬ ным хлорированием, известкованием и отстаиванием. Метод обезжелезивания воды следует выбирать на основе результатов техно¬ логического анализа. Предварительно выполняется полный химический анализ воды в источнике водоснабжения. При значительных сезонных колебаниях ка¬ чества воды в водоеме анализы повторя¬ ют в различное время года. Наиболее рациональный метод обезжелезивания воды устанавливают технологическими исследованиями непосредственно у ис¬ точника водоснабжения: предваритель¬ но определяют мутность, цветность, со¬ держание железа (II) и железа (III), сероводорода, общую и карбонатную жесткость, pH, окисляемость, содержа¬ ние хлоридов и сульфатов. Необходимо учитывать также опыт эксплуатации станций обезжелезивания воды, рабо¬ тающих в аналогичных условиях. 16.3. Технологические исследования по обезжелезиванию воды Технологические исследования по обез¬ железиванию воды производят последо¬ вательно такими методами (к последу¬ ющему методу переходят, если предыду¬ щий не дал результата): упрощенным аэрированием и фильтрованием; аэриро¬ ванием, отстаиванием и фильтрованием после окисления железа (II); аэрирова¬ нием в сочетании с хлорированием или манганированием с последующим от¬ стаиванием и фильтрованием; коагули¬ рованием, отстаиванием и фильтровани¬ ем; коагулированием в сочетании с хло¬ рированием, манганированием и извест¬ кованием с последующим отстаиванием и фильтрованием. Метод упрощенного аэрирования и фильтрования осуществляется так: око¬ ло скважины устанавливают лаборатор¬ ный фильтр (рис. 16.3) и загружают его на высоту 1000 мм слоем кварцево¬ го песка с размером зерен 0,8—1,8 мм. На высоте 50—60 см над верхом фильт¬ ра укрепляют резиновый шланг, по ко¬ торому подают воду; скорость фильтро¬ вания 6—8 м/ч в течение 10 сут. Ежесу¬ точно отбирают пробы воды на анализ. Фильтрат выпускают в канализацию. Зерна песка на фильтре за этот период покрываются осадком гидроксида же¬ леза (III). Через 10 сут скорость фильт¬ рования снижают до 5 м/ч и продолжают фильтрование с этой скоростью в тече¬ ние 7 ч. Пробы фильтрата отбирают ежечасно и определяют в них содержа¬ ние железа (II), железа (III), значение pH, щелочность и содержание' кальция. Метод обезжелезивания упрощенным аэрированием применяют в том случае, когда содержание железа в 5-, 6- и 7-й пробах будет соответствовать требова¬ ниям потребителя и индекс стабильности воды по СаС03„ характеризующий кор¬ розионные свойства воды, будет положи¬ тельным. Если требуемая степень обезже¬ лезивания воды достигается ранее чем через 10 сут, опыт прекращают. Если содержание железа в фильтрате после окончания фильтрования будет превосхо¬ дить допустимое или индекс стабильно¬ сти получится отрицательным, произ¬ водят технологические исследования по обезжелезиванию воды аэрированием и фильтрованием. При обезжелезивании этим методом пробу воды объемом 5 л пропускают 2 раза через лабораторный аэрационный прибор (рис. 16.4), фильтрат собирают в стеклянный сосуд и отстаивают в нем в течение 45 мин. В состав аэрационного прибора входят два медных или сталь¬ ных луженых сосуда с дырчатыми дни- Рис. 16.3. Схема лабораторного фильтра для технологических исследований процесса обезже¬ лезивания воды: / — корпус фильтра (стеклян¬ ная трубка); 2 — песок; 3 —- гравий; 4 — пробка; 5 — шта¬ тив. |Й0Й7 209
Рис. 16.4. Схема аэраци- онного прибора для проб¬ ного обезжелезивания во¬ ды: / — аэрационные сосуды; 2 — капроновые нити; 3 — стеклянный сосуд. щами и приемный стеклянный сосуд объемом 6 л. В днищах верхнего раз¬ брызгивающего сосуда диаметром 150 мм просверливают соответственно 100 и 225 отверстий диаметром по 0,5 мм. В верхний сосуд струей наливают аэ¬ рируемую воду, которая проходит че¬ рез отверстия в дне его и стекает капля¬ ми в нижний разбрызгивающий, а за¬ тем в сборный стеклянный сосуд. Че¬ рез 45 мин воду пропускают через ла¬ бораторный песчаный фильтр (см. рис. 16.3) со скоростью 5 м/ч. Метод считают приемлемым, если об¬ щее содержание солей железа в фильт¬ рате и его индекс стабильности удовлет¬ воряют требованиям потребителя. Если нужное обезжелезивание воды не достигнуто, проводят технологические исследования по обезжелезиванию воды аэрированием в сочетании с обработкой хлором или перманганатом калия с по¬ следующим отстаиванием и фильтрова¬ нием. При хлорировании в пять стеклян¬ ных сосудов вместимостью по 1—3 л наливают анализируемую аэрированную (см. рис. 16.4), а затем хлорную воду с таким расчетом, чтобы доза хлора в первом сосуде была 3, во втором — 5 мг/л и т. д. После тщательного перемешивания и отстаивания в течение 45 мин содер¬ жимое сосудов пропускают через лабо¬ раторный песчаный фильтр. Если в фильтрате из сосуда, в который была введена наибольшая доза хлора, содер¬ жание железа превысит допустимое, до¬ зу хлора при обезжелезивании воды этим методом увеличивают. Технологические исследования по обезжелезиванию воды перманганатом калия проводят аналогично, вводя в со¬ суды вместо хлорной воды соответству¬ ющие количества 0,1 %-го раствора пер¬ манганата калия. Рекомендуемая до¬ за обеспечивает содержание не более 0,3 мг/л железа и не более 0,1 мг/л марганца. Для исследования обезжелезивания воды коагулированием, отстаиванием и фильтрованием в пять стеклянных со¬ судов вместимостью по 1—3 л помещают анализируемую воду и вносят в пер¬ вый сосуд 1 мл/л 1 %-го раствора коа¬ гулянта, во второй — 2, в третий — 3 мл/л и т. д. Содержимое сосудов тща¬ тельно перемешивают и после отстаи¬ вания в течение 2 ч пропускают через лабораторный песчаный фильтр. В филь¬ трате определяют общее содержание же¬ леза. Исследуя обезжелезивание воды коа¬ гулированием и хлорированием или ман- ганированием с последующим отстаива¬ нием и фильтрованием, в пять стеклян¬ ных сосудов вместимостью по 1—-3 л к исследуемой воде добавляют разные дозы хлорной воды или 0,1 %-го рас¬ твора перманганата калия, а через 10 мин — одинаковые оптимальные дозы коагулянта. Дозу хлора или перманга¬ ната калия определяют по графику «доза реагента — содержание остаточно¬ го железа» с учетом допустимых норм содержания последнего. Содержимое со¬ судов тщательно перемешивают, отста¬ ивают в течение 1 ч, пропускают через лабораторный песчаный фильтр и опре¬ деляют общее содержание железа и зна¬ чение pH. Рекомендуемая доза реагента должна обеспечивать содержание желе¬ за не менее 0,3 мг/л. Исследования по обезжелезиванию во¬ ды коагулированием и известкованием с последующим отстаиванием и фильтро¬ 210
ванием производят также в пяти стеклян¬ ных сосудах вместимостью по 1—3 л, наливая в них анализируемую воду и вводя кроме оптимальной дозы коагу¬ лянта рассчитанную дозу раствора из¬ вести. Дозу извести Дя для третьего сосуда рассчитывают по формуле где [С02] — количество свободной уголь¬ ной кислоты, мг/л; Дк — доза сульфата алюминия в расчете на A12(S04)3, мг/л (в первый сосуд вводят 50 % рассчи¬ танной дозы, во второй — 75, в четвер¬ тый — 125, в пятый — 150 %). Очистку воды от железа производят методом, при котором достигается наи¬ большая степень его извлечения. При одинаковом эффекте нескольких методов окончательно метод обезжелезивания данной воды выбирают технико-эконо¬ мическим сравнением. 16.4. Физико-химические основы процесса обезжелезивания природных вод Для предварительного выбора метода обезжелезивания подземных вод необ¬ ходимо руководствоваться следующим: обезжелезивание воды упрощенным аэри¬ рованием применяется для вод, содер¬ жащих до 10 мг/л общего железа (в том числе железа (II) не менее 70 %); pH — не менее 6,8; щелочность — более ^ 1 _(- j мг-экв/л; содержание серо¬ водорода — не более 2 мг/л. Присутствующий в воде сероводород H2S хорошо сорбируется образующейся на зернах фильтрующего материала пленкой гидроксида железа (III). Меж¬ ду адсорбированным H2S и Fe (ОН)3 происходит реакция: 3H2S + 2Fe (ОН)3 • 2НаО FeS | + S | + 10Н20. Выделяющийся FeS окисляется кис¬ лородом воздуха: 4FeS + 302 + 6НаО = 4Fe (ОН)3 j -f 4S |. Однако процесс протекает медленно и в воде могут содержаться повышенные количества FeS и S, которые уменьша¬ ют активность пленки катализатора и тормозят окисление Fe2+. Поскольку Fe(OH)3 активно сорби¬ рует кремниевую кислоту, при расчете установок необходимо учитывать ее со¬ держание в воде. В результате адсорб¬ ции H2Si03 активные участки на по¬ верхности пленки катализатора блоки¬ руются и активность его по отношению K'Fe2+ снижается. Если в фильтруемой воде находится кремниевая кислота и сероводород, то содержание сульфида железа, коллоид¬ ной серы и силикатов в пленке катали¬ затора может достигать 10 %. Аэрированием из воды удаляется гид¬ рокарбонат железа, который является непрочным, легко гидролизующимся в воде соединением: Fe (НС03)2 + 2Н20 г± Fe (ОН)2 + 2Н2С03; Н2С03 -* Н20 + С02. Образующийся Fe(OH)2 окисляется кислородом воздуха в Fe(OH)3: 4Fe (ОН)2 + 02 + 2Н20 = 4Fe (ОН)3. Кроме насыщения обрабатываемой во¬ ды кислородом аэрирование способст¬ вует удалению из нее свободной уголь¬ ной кислоты. В подземных водах гидрокарбонат же¬ леза со свободной угольной кислотой находится в динамическом равновесии: Fe (HC03)2 Fe2+ + 20Н~ + 2COf. Чем выше содержание С02, тем боль¬ ше гидрокарбоната железа находится в молекулярном виде и тем сильнее рав¬ новесие процесса смещено влево. Ад¬ сорбированные молекулы Fe(HC03)2 на поверхности пленки катализатора окис¬ ляются очень медленно, и через некото¬ рое время в фильтрат начинает попадать железо (II). При низком содержании С02 в воде равновесие сильно смещено вправо и железо находится в диссоции¬ рованном состоянии. В этом случае ио¬ ны Fe2+ адсорбируются на поверхности катализатора и быстро окисляются кис¬ лородом воздуха. Влияние содержания в воде С02 на процесс обезжелезивания показано на рис. 16.5. Поскольку процесс окисления желе¬ за (II), значительно замедляющийся при pH < 7, может вообще не закончиться на очистных сооружениях, удаление С02 является в ряде случаев необходимым 211
60 - 80 100 120 пО Содержание С02 , мг/л- Рис. 16.5. Зависимость остаточного содержания [Fe^+J в фильтрате от концентрации свободного С02 в ис¬ ходной воде. этапом обезжелезивания воды. Если рн воды после гидролиза не падает ниже 7, в воду вводят воздух в количестве, необходимом лишь для окисления желе¬ за (II). Подают его во всасывающий пат¬ рубок насоса или эжектируют в трубо¬ провод перед фильтрами. Если необ¬ ходимо повысить значение pH, применя¬ ют разбрызгивание воды в брызгальных бассейнах, аэрирование в контактных и вентиляторных градирнях. Количество С02 в воде, поступающей на обезжелезивающие установки, Свх определяют по формуле Свх = 1,57Сре + Снач, где 1,57 — количество С02, выделяюще¬ гося при гидролизе 1 мг железа, содер¬ жащегося в исходной воде, мг; Cfc— содержание железа в исходной воде, мг/л; Снач — начальная концентрация С02 в воде, мг/л. Ориентировочно Снач вычисляют по зависимости Снач = 0,268Ж3К, где Жк — карбонатная жесткость воды, мг-экв/л. Количество свободной угольной кис¬ лоты Су, которое необходимо удалить для повышения pH воды до 7,0—7,5, можно определить по формуле Су=1,57СРе + (Снач-С0ПТ), где Сопт — концентрация свободной угольной кислоты, соответствующая оптимальному значению pH при обезже- лезивании воды, мг/л. При известной щелочности исходной во¬ ды концентрацию свободной угольной кис¬ лоты в ней Сопт вычисляют по формуле где Сном — концентрация свободной угольной кислоты, определяемая при известной щелочности исходной воды по номограмме, мг/л; |3, у — поправки соответственно на солесодержание и тем¬ пературу воды (табл. 16.1, 16.2). При фильтровании воды через зер¬ нистые загрузки методом упрощенного аэрирования на поверхности зерен об¬ разуется пленка, состоящая в основном из Fe(OH)3, которая активно влияет на процесс окисления и сорбции железа (II) из воды и значительно его интенси¬ фицирует. Электронно-микроскопические иссле¬ дования показывают, что в состав плен¬ ки входит 2—30 % железа (II) и 70—■ 90 % железа (III). Ее состав можно охарактеризовать формулой \т Fe (ОН)3 -f- (1 — т) Fe (ОН)2] • 2НгО (,т — содержание железа (III) в пленке). Кинетика окисления железа (II) в свободном объеме воды и адсорбиро¬ ванного на поверхности зерен загрузки, покрытых пленкой гидроксида железа (III), разная (рис. 16.6). В свободном объеме воды железо (II) окисляется очень медленно, а адсорбированное на поверх¬ ности адсорбента — быстро. Следова¬ тельно, пленка Fe(OH)3 является не только адсорбентом, но и катализато¬ ром. Окислительно-восстановительный по¬ тенциал Eh при окислении железа (II) Таблица 16.1. Выбор коэффициента (3 в зависимости от солесодержания воды Солесодер¬ жание воды, мг/л 100 200 300 400 500 750 1000 Р 1,05 1,00 0,96 0,94 0,92 0,87 0,83 Таблица 16.2. Выбор коэффициента у в зависимости от температуры воды <Я Си >> йО Темпер, воды, 0 0 10 20 30 40 50 60 У 1,55 1,21 1,00 0,90 0,89 0,80 0,79 212
Рис. 16.6. Кинетика окис¬ ления Fe^"b в свободном объеме воды (а) и на по¬ верхности песка, покры¬ того пленкой Fe (ОН)3 (б). Рис 16.7. Влияние присут¬ ствия H2Si03 (а) и K2S (б) в воде на снижение активности катализатора. в свободном объеме воды определяют по формуле, предложенной Г. Ю. Ассом: Eh = 1,34 —0,177рН, где pH —- водородный показатель ис¬ ходной воды. Поскольку в процессе фильтрования воды по методу упрощенного аэрирова¬ ния сорбционная активность пленки Fe (ОН)3 по отношению к железу сни¬ жается из-за присутствия в воде серо¬ водорода и кремниевой кислоты, опреде¬ лить оптимальные условия обезжелезива¬ ния воды фильтрованием по приведенной формуле невозможно. Снижение активности катализатора А/А0 адсорбированными «ядами» можно описать линейной приближенной зави¬ симостью А/Л0 = 1 — а С, где А, А о — соответственно активности загрязненного и чистого катализаторов; а — коэффициент отравления; С — ко¬ личество «яда», адсорбированного ката¬ лизатором. Выразив коэффициент отравления ка¬ тализатора адсорбционными коэффици¬ ентами, а количество адсорбированного «яда» — содержанием сероводорода и кремниевой кислоты в воде, получим предложенное В. И. Станкявичюсом урав¬ нение для определения возможности обезжелезивания воды фильтрованием: А/А0 = 1 0,33CHjS 0,021CHjSiOj, где 0,33 и 0,021 — адсорбционные ко¬ эффициенты соответственно сероводоро¬ да и кремниевой кислоты; Ch2s и Ch2Siq,— соответственно содержание сероводоро¬ да и кремниевой кислоты в исходной воде, мг/л. При А/Aq ^ 0 обезжелезивание дан¬ ной воды фильтрованием невозможно, при А/А0 >0 и нахождении железа в данной воде в ионном состоянии — воз¬ можно. Зависимость активности катализатора от содержания в воде кремниевой кисло¬ ты и сероводорода представлена на рис. 16.7. Удаление железа из воды в загрузке, покрытой пленкой,— гетерогенный ав- токаталитический процесс, в результате которого пленка непрерывно обновляет¬ ся при работе фильтра. Пленка образу¬ ется и проявляет активность только при о 10 15 20 25 30 35 40 45 Содержание Si, мг/л а 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 /,4 1,6 Содержание HZS, мг/л б 213
наличии в воде некоторого количества кислорода. Для обеспечения нормаль¬ ной кинетики окисления железа (II) необходимо, чтобы содержание кислоро¬ да в воде в 4—6 раз превышало теоре¬ тический расход и составляло 0,6— 0,9 мг/мг железа (II). В самом начале работы фильтра одновременно с обра¬ зованием пленки происходит зарядка загрузки, продолжительность которой в зависимости от качества воды, пара¬ метров загрузки и скорости фильтрова¬ ния составляет от 30—40 ч до десяти и более суток. После окончания зарядки загрузки достигается полный и стабиль¬ ный эффект обезжелезивания. Примерную длительность образова¬ ния каталитической пленки на зернах загрузки фильтров можно определить по интенсивности окисления а (в пре¬ делах не ниже 0,3—0,5 мг/л), вычисля¬ емой по формуле lga„ — lgx а~ i > где а0 — начальная концентрация же¬ леза (II) в исходной воде, мг/л; х — концентрация железа (II) в данный мо¬ мент времени, мг/л; t — длительность окисления, ч. Например, при снижении а от 0,6 до 0,1 длительность окисления возраста¬ ет с 5 до 30, а длительность образования пленки — с 50 до 250 ч. Как указывалось ранее, природные воды, представляющие собой сложные многокомпонентные системы, можно ха¬ рактеризовать величиной окислительно¬ восстановительного потенциала Eh и зна¬ чением pH. Эти показатели наиболее полно отражают взаимодействие всех присутствующих окислителей и восста¬ новителей и равновесное состояние из¬ учаемого объекта. По значению Eh к моменту завершения процессов окисле¬ ния железосодержащие воды разделя¬ ют на три группы: первая — Ен > > +0,35 В (полное окисление железа (II) с одновременным образованием круп¬ ных, хорошо оседающих хлопьев про¬ ходит довольно быстро — за 5 — 20 ч); вторая — Eh > +0,30 В (окисление за¬ вершается быстро, но хлопья мелкие и осаждаются лишь после окончания про¬ цесса окисления через 30—80 ч); третья — Еь < +0,30 В (полное окис¬ ление железа (II) затягивается до 25— 45 ч, а осаждение железа (III)—до 100 ч). 16.5. Установки для обезжелезивания подземных вод Конструкции фильтров для обезжелези¬ вания воды аналогичны конструкциям фильтров для ее осветления и обесцве¬ чивания (см. рис. 9.6, 9.14). При упрощенной аэрации воду пода¬ ют в карман или центральный канал открытых фильтров с высоты — 0,5— 0,6 м над уровнем в них воды. Дополни¬ тельно высоту слоя воды над нормальным уровнем для возможности ее приема при выключении фильтра на промывку определяют, как и в фильтрах для освет¬ ления и обесцвечивания воды. Скорость фильтрования и интенсив¬ ность промывки скорых фильтров для обезжелезивания воды методом упро¬ щенной аэрации должны составлять со¬ ответственно 5—7 м/ч и 14—16 л/(сх X м2) при диаметре зерен загрузки 0,8— 1,8 мм (высота слоя 1000 мм); 7—10 м/ч и 16—18 л/(с • м2) при диаметре зерен 1,0—2,0 мм (высота слоя 1200 мм). Коэффициент неоднородности фильтру¬ ющего слоя составляет 1,5—2,0, дли¬ тельность промывки — 6—7 мин. Г. Г. Руденко с сотрудниками в отделе водоснабжения научно-исследовательс¬ кого и конструкторско-технологическо¬ го института городского хозяйства раз¬ работали и внедрили на многих водо¬ проводах метод обезжелезивания воды упрощенным аэрированием, фильтруя ее через гранитный щебень. При исполь¬ зовании щебеночной загрузки скорость фильтрования возрастает и фильтроцикл удлиняется в 3—6 раз по сравнению с фильтрованием через кварцевый песок. Это объясняется тем, что объем межпо- рового пространства в фильтрующем слое щебня значительно больше, чем в слое песка и, следовательно, больше его гря- зеемкость. В сварном корпусе фильтра (рис. 16.8) размещаются дренажные устройства, за¬ грузка, контролирующая аппаратура, арматура, площадки с лестницей для обслуживания, крыша с флюгером и жа¬ люзи. Вода на поверхность загрузки распы¬ 214
ляется аэратором, установленным на вы¬ соте 0,7—0,9 м над корпусом фильтра. Он состоит из системы перфорированных труб с отверстиями, расположенными в шахматном порядке в два ряда и направ¬ ленными вниз под углом 45° к вертикаль¬ ной оси. Крайние отверстия в перфори¬ рованных трубах во избежание выноса капель и струй воды за пределы фильтра направлены перпендикулярно к зеркалу воды в фильтре. Приток воздуха в зону аэрирования регулируется специальны¬ ми жалюзи, установленными по всему периметру фильтра. Загружают фильтры однородной, от¬ мытой и отсортированной фракцией щеб¬ ня диаметром 5—10 мм на высоту 2,1 м. Высота поддерживающего слоя (диаметр фракций 15—20 мм) составляет 0,4 м. Скорость фильтрования при нормальном режиме — 15—20, при форсированном — до 35 м/ч. Промывка фильтров водовоз¬ душная. Промывную воду подают с инте¬ нсивностью 16, воздух — 35—50 л/(с-м2). Расход воды на промывку состав¬ ляет 0,5—1,2 % производительности установки, фильтроцикл щебеночных фильтров — 2—5 сут. Все коммуникации в них могут находиться в подземных камерах, а сам фильтр допускается уста¬ навливать на открытом воздухе. Во избе¬ жание его замерзания трубу, подающую исходную воду, размещают внутри за¬ грузки, а фильтр устраивают так, чтобы днище его располагалось выше уровня воды в приемном резервуаре. В случае прекращения подачи воды на фильтр загрузка освобождается от воды, что исключает замерзание фильтра. В связи с тем что температура подземной воды ко¬ леблется в пределах 8—12 °С, при работе установок со скоростью фильтрования 25—35 м3/ч в зимний период при темпера¬ туре наружного воздуха до —30 °С фильтр работает бесперебойно. Иногда для обезжелезивания воды ис¬ пользуют напорные установки закрытого типа (рис. 16.9). В этом случае удаление С02 достигается не разбрызгиванием, а выдуванием воздухом. Воздух в напор¬ ный трубопровод можно вводить вспомо¬ гательным центробежным или вихревым насосом. При засасывании насосом исходной воды из бачка, в который она поступает через душевую насадку, образуется водо¬ воздушная эмульсия. Количество воз¬ духа, подаваемого насосом, должно со¬ ставлять около 2 м3 на каждый кило¬ грамм удаляемого из воды железа (II). Избыток растворенного кислорода при насыщении воды воздухом с целью ее обезжелезивания не должен превы¬ шать 0,6 мг/л, 02 на 1 мг Fe2+ с тем, что¬ бы часть железа окислялась в толще фильтрующей загрузки. Рис. 16.8. Схема высокопроизводительного фильтра для обезжелезивания воды: / — корпус; 2 — отвод промывной воды; 3 — пло¬ щадка для обслуживания; 4 — жалюзи для регули¬ рования степени аэрирования воды; 5 — аэратор; 6 — воздушный дренаж; 7 — водяной дренаж для отвода отфильтрованной и подачи промывной воды; 8 — пьезометры. Рис. 16.9. Схема установки для обезжелезива¬ ния подземных вод с введением воздуха цен¬ тробежным или вихревым насосом: / — напорный фильтр; 2 — насос; 3 — бачок. Вода изскЬажины 215
Рис. 16.10. Схема соп¬ ла для разбрызгивания воды. Желательно, чтобы в фильтрующую за¬ грузку поступали не хлопья Fe (ОН)3, а его положительно заряженный золь. Это позволяет увеличить длительность филь¬ троцикла, поскольку положительно за¬ ряженный золь Fe(OH)3 хорошо сорби¬ руется отрицательно заряженной по¬ верхностью зерен песка. На станциях производительностью до 20 м3/ч обезжелезивание воды, содержа¬ щей около 5—15 мг/л гидрокарбоната железа, рекомендуется проводить в брыз- гальных установках с душевым разбрызги¬ ванием или барботажем. Высоту слоя воды в контактном резервуаре принима¬ ют 2,5—5 м. Воздух распределяется фильтросными пластинами, системой дырчатых труб или соплами (рис. 16.10). Интенсивность аэрирования составля¬ ет 8,3—16,6 л/(с • м2). В благоприятных климатических условиях, где возможно размещение аэраторов на открытом воз¬ духе, используют брызгальные бассейны с контактными резервуарами и фильтро¬ вальными установками (рис. 16.11). В установках большой производитель¬ ности, когда брызгальные установки не могут обеспечить заданную степень уда¬ ления свободной угольной кислоты, воду аэрируют в контактных (при производи¬ тельности установок до 100 м3/ч) и венти¬ ляторных (при большей производитель¬ ности установок) градирнях. Нагрузка по воде для контактной градирни (рис. 16.12) составляет до 20, для вентилятор¬ ной (рис. 16.13) —до 60 м3/(ч • м2). Число слоев насадки в контактной градирне (три — пять) зависит от кон¬ центрации солей железа в воде. Высота одного слоя насадки принимается равной 0,3—0,4 м, расстояние между слоями — не менее 0,6 м, размер кусков насадки —■ 30—40 мм. В зависимости от содержания в воде свободной угольной кислоты в вентиля¬ торной градирне высоту слоя насадки из колец Рашига (размером 25 X 25 X X 3 мм) принимают от 3 до 5,7, деревян¬ ной хордовой насадки — от 4 до 7 м (мень¬ шая высота слоя при содержании свобод¬ ной угольной кислоты в воде до 50, большая —до 300 мг/л). Интенсивность аэрирования при частичном удалении С02 составляет 10 м3 на 1 м3 обрабатывае¬ мой воды. Остаточное содержание С02 после вентиляторной градирни при тем¬ пературе 5—8 °С можно принимать 3— 5 мг/л. Концентрация железа при аэри¬ ровании снижается до 0,1—0,3 мг/л. После аэрирования вода поступает в контактный резервуар \ рассчитанный на пребывание в нем воды в течение 30—- 40 мин, или на фильтры, загруженные кварцевым песком с размером зерен 0,5— 2 мм. Скорость фильтрования принимает¬ ся равной 5—10 м/ч, интенсивность про- 1 При аэрировании воды, содержащей до 10 мг/л железа (II), в контактных градирнях контактные резервуары не устраивают. / _ насос; 2 — контактный резервуар; 3 — контактная градирня; 4 — фильтр. Рис. 16.11. Схема установки для обезжелезивания воды с брызгальным бассейном: / — насос; 2 — брызгальный бассейн; 3 — разбрызги¬ вающие насадки; 4 — фильтр; 5 — контактный резер¬ вуар. В канализацию 216
мывки — 12—18 л/(с • м2) в течение 5— 6 мин. Дренажная система во избежание за¬ растания Fe (ОН)3 должна иметь боль¬ шие щели. Обезжелезивание подземных вод, со¬ держащих до 6 мг/л железа (II), дости¬ гается методом «сухого» фильтрования. Сущность метода заключается в фильтро¬ вании водовоздушной эмульсии через «сухую» (незатопленную) зернистую фильтрующую загрузку с образованием в ней вакуума или нагнетанием больших количеств воздуха с последующим подсо¬ сом из поддонного пространства. На зернах фильтрующей загрузки в течение 0,3— 2,0 ч формируется адсорбционно¬ каталитическая пленка, повышающая эф¬ фективность обезжелезивания. Характерная особенность процесса «сухого» фильтрования — образование дегидратированной пленки на зернах загрузки, состоящей из магнетита Fe304, гетита a-FeOOH, сидерита FeC03, гемати¬ та Fe,jC)3. Эти соединения имеют плотную структуру, а объем в 4—5 раз меньший, чем Fe (ОН)3. Поэтому потери напора в загрузке малы, а длительность фильтро¬ цикла велика — до года и более. Например, потери напора через 10 сут при фильтровании воды, содержащей 4,8 мг/л Fe2+, по методу упрощенного аэ¬ рирования составили 0,047, а по методу «сухого» фильтрования — 0,009 МПа. В процессе обезжелезивания воды этим методом повышается pH, снижается жесткость, почти отсутствуют промывные воды (загрузка отмывается 0,5—1 %-м раствором дитионовой кислоты или 5— 10 %-м раствором ингибированной НС1). Грязеемкость фильтра при методе «сухо¬ го» фильтрования в 15—-18 раз выше по сравнению с грязеемкостью фильтров других безреагентных методов обезжеле¬ зивания воды. Схема установки для обезжелезивания воды методом «сухого» фильтрования (рис. 16.14) состоит из напорных освет- лительных фильтров марок ФОВ или ХВ, компрессора и воздухоотделителя. Если аэрированием воды не обеспечи¬ вается необходимая степень обезжелези¬ вания, что обычно наблюдается при нали¬ чии в исходной воде солей железа с силь¬ ными минеральными кислотами или гуматов, то станции обработки воды до¬ Рис. 16.13. Схема установки для обезжелезивания воды с вентиляторной градирней: / — вентиляторная градирня; 2 — вентилятор; 3 — контактный резервуар; 4 — насос; 5 — напорный фильтр Рис. 16.14. Технологиче¬ ская схема установки для обезжелезивания воды ме¬ тодом «сухого» фильтро¬ вания: / — осветлительный на¬ порный фильтр; 2 — по¬ дача исходной воды; 3 — смесительная насадка с разбрызгивателем. 4 — подача сжатого воздуха; 5 — воздухоотделитель; 6 — отвод фильтрата. полняют установками для подачи в воду хлора или перманганата калия, преду- сматривая ввод их перед фильтрами в подводящий трубопровод. Эффективно обезжелезивается вода в каркасных фильтрах. Сущность метода заключается в том, что в подземную воду подается воздух, излишки которого перед фильтром удаляются через воздухоотде¬ литель. Вода, обогащенная кислородом, поступает на фильтры, где происходит окисление и гидролиз железа (II). При прохождении воды через слой Fe (ОН)3, предварительно сформированный на под¬ держивающей перегородке (керамиче¬ ском, сетчатом или щелевом каркасе), эти процессы завершаются и железо из¬ влекается из воды. Опыт эксплуатации каркасных фильт¬ ров по данной схеме (рис. 16.15) показал, что длительность фильтроцикла, опреде¬ ляемая предельной потерей напора 20 м, составляет 30—120 сут. Каркасы промы¬ вают сначала обратным потоком промыв¬ ной воды, а затем 10—20 %-м раствором ингибированной НС1 со скоростью 3 м/ч. Допускается трех-, четырехкратное ис¬ пользование каркасов, после чего их за¬ меняют новыми. 217
Рис. 16.15. Схема установки с контактным патронным (каркасным) фильтром: / — трубчатый колодец; 2 — компрессоры с ресиве¬ рами; 3 — смеситель; 4 — дозатор; 5 — каркасный фильтр; 6 — отвод фильтрата; 7 — подача промывной воды; 8 — спуск в канализацию; 9 — выпуск реге¬ нерационного раствора. Содержание АС , мг/л Преимущество каркасных фильтров — возможность их эксплуатации без промы¬ вок в течение 30—120 сут и компактность (габариты каркасного фильтра в три-че- тыре раза меньше габаритов скорого фильтра такой же производительности). Обезжелезивание воды электрокоагу- ляцией основано на сорбции ионов, кол¬ лоидных и диспергированных соединений железа (II), (III) гидроксидами металлов (железа, алюминия, магния и др.), обра¬ зующимися в результате растворения электродов. С повышением значения pH и температуры воды, а также количества высокодисперсных частичек, обусловли¬ вающих мутность, эффект обезжелезива¬ ния воды возрастает. Наиболее эффектив¬ но процесс протекает в электролизерах с алюминиевым анодом и при неглубоком обезжелезивании воды, т. е. при сниже¬ нии концентрации железа на 60—80 %. В этом случае при небольших расходах алюминия и электроэнергии значительно снижается содержание железа в воде (рис. 16.16). При небольших количествах обрабаты¬ ваемой воды метод электрокоагуляции можно использовать и для глубокого ее обезжелезивания. Для этого требуются повышенные расходы алюминия и элект¬ роэнергии. Например, для полного обез¬ железивания воды, содержащей 25 мг/л железа при плотности тока 2 мА/см2 и pH = 6,8, расход алюминия составляет 25 мг/л, а электроэнергии — 0,4 кВт • ч/м3. Электрокоагуляция целесообразна лишь в случае комплексной очистки воды и удаления из нее не только соединений железа, но и других загрязнений (взве¬ шенных и органических веществ, водо¬ рослей, соединений кремния и др.). Воду с окисляемостью более 15 мг/л 02 и содержанием соединений железа более 10 мг/л можно обезжелезивать ме¬ тодом напорной флотации. Сущность его состоит в действии молекулярных сил, способствующих слипанию частичек Fe (ОН)2, Fe (ОН)3 и других примесей воды с пузырьками высокодиспертиро¬ ванного в воде воздуха, вследствие чего образующиеся агрегаты всплывают на поверхность воды. Опыты, проведенные кафедрой водо¬ снабжения МИСИ им. В. В. Куйбышева, показали, что в напорном флотаторе за 10—20 мин содержание железа в воде снижается с 17—20 до 3—4 мг/л, окис- ляемость —с 20—24 до 7—9 мг/л 02. Для повышения значения pH воды в нее вводили 50—120 мг/л извести (в пересче¬ те на товарный продукт). Технико-экономические расчеты пока¬ зывают, что применение флотатора как сооружения для предварительного освет¬ ления воды позволяет уменьшить капи¬ тальные затраты на 25—30 %, поскольку в этом случае не требуется коагулирова¬ ние и предварительное хлорирование, а достаточно одного известкования, отпа¬ дает необходимость в аэрировании всего объема воды в градирнях. Финской фирмой «Суомен Поракайво» и МИСИ им. В. В. Куйбышева предложен метод обезжелезивания воды фильтрова¬ нием в подземных условиях с предвари¬ тельной подачей в пласт аэрированной воды. Метод основан на создании в водо¬ носном горизонте «зоны осаждения» из соединений железа и последующем про¬ хождении через этот фильтр подземной 218
Рис. 16.17. Схема установки « Виредокс»: / — эксплуатационные ко¬ лодцы; 2 — окислительные колодцы; 3 — насос для по¬ дачи окисленной воды; 4 — резервуар обезжелезенной воды; 5 — окснгенератор. воды. Предварительно аэрированная (эжектированием) вода насосом закачи¬ вается в подземный пласт (рис. 16.17) через одну или несколько скважин. Про¬ исходит как бы зарядка во до вмещающей породы, которая связывает большое количество кислорода. После окончания процесса зарядки начинается откачка обезжелезенной воды из рабочей скважи¬ ны или скважин, расположенных на не¬ котором расстоянии от нагнетательной скважины. С течением времени в резуль¬ тате истощения запасов кислорода в ад¬ сорбционном слое в отбираемой воде возрастает содержание соединений желе¬ за. Это служит сигналом для повторения процесса зарядки, за которым вновь сле¬ дует рабочий цикл, и т. д. Для устранения FeS04 применяют из¬ весткование: FeS04 + Са (ОН)2 = CaS04 + Fe (ОН)2. Образующийся Fe (ОН)2 окисляется до Fe (ОН)з. Если количество кислорода, содержа¬ щегося в воде, недостаточно для окисле¬ ния, одновременно с известкованием про¬ водят хлорирование или аэрирование воды. / [Fe2+1 Дозу извести Ди [при 28 > Щ определяют по формуле [Fe2+] Дк Д„ = 28 [С02 22 28 [Fe2+], а дозу перманганата калия по формуле Дкмпо, = [Fe2+]. Схема установки для обезжелезивания воды известкованием приведена на рис. 16.18, а схема установки с предваритель¬ ным аэрированием воды в смесителе- аэраторе и последующей обработкой в осветлителе —на рис. 16.19. Аэратор представляет собой систему дырчатых днищ. Хлор вводится в верхнюю часть аэратора, а известь — перед вторым сни¬ зу днищем. Нагрузка по воде составляет 60 м3/ч на 1 м2 площади. Скорость восхо¬ дящего потока воды в осветлителе при¬ нимают равной 1,0 мм/с, высоту взвешен¬ ного слоя — 2 м, высоту защитного слоя над осадком — 1,5 м. Однако применять метод известкования только для обез¬ железивания воды экономически невы¬ годно; его целесообразно использовать, если одновременно требуется и частичное умягчение воды. В некоторых случаях для быстрого окисления железа (II), даже при низких значениях pH, применяют катализаторы, обычно дробленый пиролюзит, «черный песок» (песок, по¬ крытый пленкой оксидов марганца, ко¬ торые образуются в результате разложе¬ ния 1 %-го раствора перманганата калия, где [Fe2+] —содержание в воде железа (II), мг/л; ЩИСХ—щелочность исходной воды, мг-экв/л; [С02] —содержание в воде свободного С02, мг/л; Дк —доза коагулянта, мг/л; е —эквивалентная масса безводного вещества коагулянта, мг/мг-экв. Дозу хлора или хлорной извести Дакт.х определяют ПО формуле Дакт.х = 0,7 Рис. 16.18. Схема установки для обезжелезивания воды известкованием: / — гидравлическая мешалка для известкового моло¬ ка; 2 — дозатор; 3 — смеситель; 4 — осветлитель: 5 «— фильтр. бода В канализацию 219
Рис. 16.19. Схема установки для обезжелезивания воды со смесителем-аэратором и осветлителем: 1 — смеситель-аэратор; 2 — осветлитель; 3 — фильтр; 4 — осадкоуплотнитель. подщелоченного до pH = 8,5...9 водным раствором аммиака) и сульфоуголь, по¬ крытый пленкой оксидов марганца. Для получения последнего сульфоуголь обра¬ батывают 10 %-м раствором МпС12, а за¬ тем через слой образовавшегося Мп- катионита фильтруют 1 %-й раствор КМп04. Калий вытесняет марганец, ко¬ торый окисляется и осаждается на по¬ верхности угля в виде пленки оксидов марганца. В этом случае для окисления железа (II) воду фильтруют со скоростью 10 м/ч через слой катализатора толщиной 1000 мм. Процесс окисления железа (II) высши¬ ми оксидами марганца, которые при этом восстанавливаются, а затем вновь окисляются растворенным в воде кисло¬ родом, описывается уравнениями: 4Fe (НС03)2 + ЗМп02 + 2Н20 -*■ 4Fe (ОН)3 + МпО + Мп203 + 8С02 |; ЗМпО | - 2КМп04 -{- Н20 —*• 5Mn02 -f- 2КОН; ЗМп.,03 + 2КМп04 + Н20 8МпОа + 2КОН. .7 Рис. 16.20. Схема фильт¬ ра с пенополистирольно- шунгизитовой загрузкой: / — корпус фильтра; 2 — пенополистирол; 3 — раз¬ делительная сетка; 4 — шунгизит; 5 — подача ис¬ ходной воды; 6 — загру¬ зочный люк; 7 — распре¬ делитель; 8 — воздушная труба; 9 — дренаж; 10 — отвод фильтрата // — дырчатое днище; 12 — от¬ вод промывной веды г У Обезжелезивание воды катионировани- ем допускается применять при необходи¬ мости одновременного удаления солей железа и солей, обусловливающих жест¬ кость, и когда обрабатываемая вода по пути к катионитовому фильтру не обо¬ гащается кислородом. Воду пропускают через фильтры, загруженные Са-катио- нитом: Са [Кат]2 -f FeS04 <± Fe [Кат]2 -j- CaS04. Регенерируют катионит хлоридом каль¬ ция. Эффективным методом обезжелезива¬ ния воды, получающим распространение в последние годы, является ее фильтро¬ вание через плавающие гранулированные загрузки. Схема фильтра с пенополистирольно- шунгизитовой загрузкой представлена на рис. 16.20. Удерживающей сеткой 3 фильтр 1 разделяется на две части: верхнюю, 70 % объема которой через люк 6 загружают шунгизитом 4, и ниж¬ нюю, загружаемую пенополистиролом 2. Диаметр гранул шунгизита и верхнего слоя полистирола составляет 3—5 мм. Очищаемая вода, содержащая до 11,6 мг/л соединений железа (I I) и железа (III), подается на фильтр по трубе 5 через распределительную систему 7 и фильт¬ руется со скоростью 10 м/ч. Под воздей¬ ствием гидродинамического потока дви¬ жущейся сверху вниз воды шунгизит прижимается к сетке, образуя фильтрую¬ щий слой. Очищенная вода отводится трубой 10, в которую она поступает из дренажной системы 9, расположенной в 220
толще плавающей мелкогранульной пе- нополистирольной загрузки. Перед про¬ мывкой фильтра фильтрование воды пре¬ кращают, гранулы шунгизита всплывают и освобождаются от загрязнений. Затем открывают задвижки 5 и 12 и пропускают сверху вниз промывную воду. Шунгизит и пенополистирол очищаются от приме¬ сей, которые вместе с промывной водой через дырчатое днище И отводятся из фильтра. Накапливающиеся в фильтре газы выпускаются по трубе 8. Преимущества фильтров с пенополисти- рольно-шунгизитовой загрузкой по сравнению с песчаной — увеличение их грязеемкости, скорости фильтрования и допустимой концентрации загрязнений в исходной воде. Кроме того, упрощается промывка загрузки (нет необходимости в установке промывных насосов) и сни¬ жается расход промывной воды. Для установки производительностью 20 тыс. м3/сут экономия по капиталовложениям составляет 237 тыс. р., по эксплуатацион¬ ным затратам — 32 тыс. р./год. В настоя¬ щее время фильтры с плавающей за¬ грузкой внедрены в типовой проект очистной станции производительностью 100 тыс. м3/сут. Сточные воды, образующиеся вследст¬ вие промывки фильтров и отстойников в объеме до 4 % очищаемой воды, содержат значительное количество Fe (ОН)в, губи¬ тельно действующего на фауну и флору, поэтому спуск их в открытые водоемы без предварительной очистки категорически запрещен. Промывные воды рекомендуется на¬ правлять в отстойники для очистки сточ¬ ных вод, а осадки из них откачивать по¬ гружными насосами, устанавливаемыми в иловых приямках. Такими же насосами откачивают осветленную воду, исполь¬ зуемую повторно. Осушают удаляемый из отстойников осадок на иловых площадках или в ва¬ куум-фильтрах. Опыт эксплуатации ило¬ вых площадок показывает, что из-за коль- матации дренажного слоя гидроксидом железа (III) они могут выходить из строя. Объем осадка №Ve(OH)3, удаляемого из отстойников, при расчете иловых площадок определяют по формуле QCFe- 1,93 Fe(OH)3 104 (100 — р) ’ где Q —расход обрабатываемой воды, м3/сут; Сре — содержание железа в ис¬ ходной воде, г/м3; 1,93 —стехиометриче- ский коэффициент; р — влажность осад¬ ка, %. Определив объем осадка Fe (ОН)3, рас¬ считывают площадь иловых площадок F (с учетом площади на обвалование, осу¬ шительных и подводящих коммуника¬ ций): F_. rFe(OH)a- [-5 ^ q где q — нагрузка осадка на иловые пло¬ щадки, м3/м2 в год (принимается 2— 8 м3/м2). 16.6. Обезжелезивание поверхностных вод Поверхностные воды обезжелезивают при одновременном осветлении и обесцве¬ чивании. Железо, находящееся в воде в виде коллоидов, высокодисперсных взвесей и комплексных органических сое¬ динений, удаляется обработкой воды коагулянтами (сульфатом алюминия, хлоридом железа (III), смешанным коа¬ гулянтом). Для разрушения комплекс¬ ных органических соединений железа воду обрабатывают хлором, озоном или перманганатом калия. При использова¬ нии в качестве коагулянта Fe (ОН)3 обес¬ печивается более полное удаление железа из воды вследствие интенсивной адсорб¬ ции ионов железа на хлопьях Fe(OH)3. Оптимальный эффект адсорбции ионов железа наблюдается в интервале значе¬ ний pH воды 5,7—7,5. Неорганические и органические соеди¬ нения железа эффективно удаляются смешанным коагулянтом FeCl3 -f NaA102 (оптимальное молекулярное соотношение 1 : 1). При этом устраняются также кол¬ лоидная кремниевая кислота, марганец и взвеси. Дозы коагулянтов определяют экспериментально. Технологическая схе¬ ма обезжелезивания воды коагулирова¬ нием включает реагентное хозяйство, смесители, осветлители и фильтры. Разработан также метод удаления же¬ леза из воды пропусканием ее через взвешенный слой высокодисперсного мела и гидроксида алюминия. 4СаС03 + 4FeS04 + 02 + 6Н20 = = 4Fe (ОН)з + 4CaS04 + 4С02. 221
Оптимальное соотношение основных ком¬ понентов А1 (0Н)3/СаС03 = 16. Расчет¬ ная скорость восходящего потока через взвешенный слой мела достигает 0,48 мм/с. Концентрация мела во взве¬ шенном слое составляет 0,02—0,03 г/см3. Этим методом удаляется до 95 % общего железа, содержащегося в воде. Гидроксиды из воды наиболее эффек¬ тивно извлекаются в осветлителях со слоем взвешенной контактной среды. Благодаря гетерогенно-каталитическому процессу железо (II) в слое взвешенной контактной среды окисляется быстрее. На эффект обезжелезивания влияют pH, температура, исходная концентрация же¬ леза, высота слоя контактной среды и скорость восходящего потока воды. При коагуляции без известкования эту ско¬ рость принимают равной 0,8, с известко¬ ванием — 1,0 мм/с. Высоту слоя взве¬ шенной контактной среды в осветлителе принимают равной 2 м, высоту защитно¬ го слоя воды над осадком — 1,5 м. Объем осадкоуплотнителя в осветлителе должен обеспечивать пребывание в нем осадка в течение 6 ч. Количество отса¬ сываемой в осадкоуплотнитель воды со¬ ставляет 20—30 %. В составе обезжелезивающих устано¬ вок применяются скорые одно- или двух¬ слойные фильтры, рекомендуемые СНиП для осветления и обесцвечивания воды. 16.7. Эксплуатация станций обезжелезивания воды Надежная работа всех сооружений стан¬ ций обезжелезивания воды обеспечивает¬ ся соблюдением проектных решений. На основании проекта станции и правил тех¬ нической эксплуатации водопроводов и канализации применительно к конкрет¬ ному объекту должны быть разработаны инструкции по его эксплуатации. Во время эксплуатации сооружений, особенно предназначенных для обезже¬ лезивания подземных вод, необходимо следить за насыщением воды кислородом и полнотой удаления из нее свободной угольной кислоты. Периодически следует тщательно прочищать от загрязнений от¬ верстия труб-аэраторов. Фильтрующие материалы перед за¬ грузкой в фильтр должны быть отсорти¬ рованы и подвергнуты анализам: грану¬ лометрическому, на истираемость, из- мельчаемость и химическую стойкость. Поддерживающий и фильтрующий слои при загрузке фильтра необходимо укла¬ дывать строго горизонтально. Перед пуском фильтра в эксплуата¬ цию его обеззараживают, пропуская в течение 1 сут через загрузку раствор ре¬ агента, содержащего 50 мг/л активного хлора. После обеззараживания загруз¬ ку тщательно промывают. Улучшение промывки фильтрующего слоя может быть достигнуто продувкой его воздухом или поверхностной водяной промывкой. Необходимо следить за ско¬ ростным режимом работы фильтра, ин¬ тенсивностью подачи промывной воды и воздуха, за постоянством уровня воды в фильтре, соответствующем нормально¬ му рабочему уровню. Потери напора в фильтре не должны превышать 3—3,5 м. Если промывка фильтра производится один раз в сутки, ее необходимо осу¬ ществлять в ночное время, когда потреб¬ ление воды уменьшается. При работе контактных и вентилятор¬ ных градирен необходимо следить за рав¬ номерным распределением воды по их площади, высотой слоев насадки, их количеством и размерами, за состоянием накапливающихся загрязнений в за¬ грузке. В контактных и сборных резервуарах необходимо поддерживать расчетное вре¬ мя пребывания воды, составляющее 30— 60 мин; следить за уровнем воды, регули¬ руя его задвижками перед градирней и фильтрами; контролировать величину pH, обеспечивающую интенсивное проте¬ кание процессов гидролиза, окисления и адсорбции соединений железа. Эксплуатируют сооружения обезже¬ лезивания воды с применением реагентов аналогично сооружениям, предназначен¬ ным для осветления и обесцвечивания воды. 16.8. Удаление из воды марганца Удалить из воды марганец можно сле¬ дующими методами: аэрированием с под- щелачиванием; фильтрованием через «черный песок» или катионит; окислени¬ ем озоном, хлором или оксидом хлора (IV); коагулированием с подщелачивани- ем; биохимическим окислением. 222
Рис. 16.21. Схема установки для уда¬ ления марганца из подземных вод пер¬ манганатом калия: / — растворные ба¬ ки КМпО*; 2, 5 — насосы-дозаторы; 3 — ввод раствора КМп04; 4 — ввод А К; 6 — фильтры; 7 — растворный бак H2S04; 8 — раствор¬ ные баки А К; 9 — перфорированные трубы; 10 — воз¬ душная петля; 11 — компрессор; 12 — ре¬ зервуар для про¬ мывной воды; 13 — промывной насос. Удаление марганца обработкой пер¬ манганатом калия. Перманганат калия окисляет марганец (II) до оксида мар¬ ганца (IV): 3Mn2+ + 2MnOj" + 2НгО -*■ 5Мп02 | + 4Н+. На окисление 1 мг марганца (II) расхо¬ дуется 1,88 мг перманганата калия. Об¬ разующийся дисперсный осадок Mn02 X X 2Н20, или Мп (ОН)4, характеризуется большой удельной поверхностью и яв¬ ляется эффективным сорбентом. Удаление марганца перманганатом ка¬ лия из поверхностных вод осуществляют на фильтровальных станциях совместно с другими методами обработки воды (коагулирование, фильтрование, хлори¬ рование и др.). Для удаления марганца из подземных вод применяют открытые или напорные фильтры, загружаемые на высоту 0,7— 2 м кварцевым песком с диаметром зерен 0,5—2 мм (рис. 16.21). Раствор перман¬ ганата калия в этом случае подают на¬ сосами-дозаторами в трубопровод перед фильтрами, обеспечивая быстрое и пол¬ ное смешение раствора перманганата калия с водой. Перманганат калия плохо растворяет¬ ся в холодной воде (рис. 16.22), поэтому ее нагревают до 40—60 °С. Растворяют перманганат калия при перемешивании механическими мешалками или воздухом в течение 2—3 ч. Для обработки воды применяют 1—3 %-й рабочий раствор, расход q которого определяют по форму¬ ле я = ОДкмпо4 3600С где Q — количество воды, поступающей на очистные сооружения, м3/ч; Дкмпо, — доза перманганата калия, г/м3; С — кон¬ центрация перманганата калия в рабочем растворе, %. Длительность фильтроцикла при обра¬ ботке подземных вод можно увеличить введением в воду одновременно с перман¬ ганатом калия 3—4 г/м3 активированной кремниевой кислоты, что позволит по¬ лучить более крупные хлопья, медленнее проникающие в фильтрующую загрузку. В зависимости от технологической схе¬ мы станции раствор перманганата калия рекомендуется вводить в трубопровод на¬ сосной станции первого подъема или в подающий трубопровод перед фильтрами за 5—10 мин до введения коагулянтов и флокулянтов. Очистить воду от марганца перманга¬ натом калия можно на 95—99 %. Рис. 16.22. За- висимость рас¬ творимости КМп04 от тем¬ пературы во¬ ды. 223
Рис. 16.23. Зависимость скорости окисления марганца (II) от pH воды: — окисление кислородом воздуха; — — — окисление хлором; /—3 — остаточное содержание [Мп2+] со¬ ответственно через 15, 30 и 60 мин. Удаляют марганец аэрированием с под- щелачиванием обычно при обезжелезива- нии подземных вод. Метод основан на удалении из воды свободной угольной кислоты и насыщении ее кислородом. Вследствие удаления угольной кислоты повышается pH и ускоряется окисление марганца Мп2+ в Мп3+ и Мп4+, которые, гидролизуясь, осаждаются в виде гидро¬ ксидов. Для обеспечения полноты уда¬ ления марганца воду подщелачивают из¬ вестью или содой до pH = 9,5... 10 (рис. 16.23) и осветляют в осветлителях или отстойниках. Воду целесообразно подще¬ лачивать в том случае, когда одновремен¬ но с удалением марганца требуется ее умягчение. Содержание марганца в умяг¬ ченной воде после известкования не пре¬ вышает 0,02 мг/л. Для удаления марганца из поверхност¬ ных вод их обрабатывают сульфатом же¬ леза и подщелачивают известью до pH = = 9,5...10,5. Поскольку частички гидро¬ ксида марганца, поступающие на фильтры после отстойников или осветлителей, мо¬ гут проникать на большую глубину, вы¬ соту слоя песка в фильтрах принимают не менее 1,5 м. Окисление соединений марганца (II) в марганец (IV) резко ускоряется в при¬ сутствии катализаторов — высших ок¬ сидов марганца. Это наблюдается при фильтровании аэрированной воды через контактный фильтр, загруженный дроб¬ леным пиролюзитом Мп02 • хН20 или «черным песком» (рис. 16.24). Образова¬ ние пленки на поверхности зерен песка в период его подготовки к работе уско¬ ряется введением в подаваемую на фильтр воду 1—3 мг/л перманганата калия. Восстанавливают каталитическое дей¬ ствие «черного песка» (катионит) обработ¬ кой его 0,1—0,5%-м раствором перман¬ ганата калия из расчета 0,6 г на 1 г уда¬ ленного марганца. Содержание марганца в фильтрате снижается до 0,1 мг/л. Ионы марганца Мп2+ аналогично могут быть удалены из воды на Na-катионито- вых фильтрах. Марганцевый катионит получают обработкой любого катионита в натриевой форме с размерами зерен 0,5—1,2 мм последовательным пропуска¬ нием 0,5 %-х растворов МпС12 и КМп04: 2Na [Кат] + МпС12 Мп [Кат]2 + NaCI; Мп [Кат]2 + 2Ме+ + КМп04 ^ 2Me [Кат] -f- 2Мп02, где Ме+ — ион Na+ или К+. Из уравнений реакций видно, что мар¬ ганец (II) окисляется перманганатом ка¬ лия до оксида марганца (IV), который осаждается на поверхности зерен катио¬ нита в виде пленки. Удаление марганца окислением. Наибо¬ лее полно марганец удаляется при озо¬ нировании воды. В результате окисления образуется малорастворимый оксид мар¬ ганца (IV), который выделяется из воды при фильтровании последней через зер¬ нистые загрузки. При pH > 4 марганец (II) достаточно быстро окисляется хлором. Если в воде присутствуют аммиак и аммонийные со¬ ли, доза хлора должна обеспечивать окисление хлораминов и марганца. Для полного окисления хлораминов необхо¬ димо вводить около 6 мг С12/мг содержа¬ щегося в воде аммиака и, кроме того, Рис. 16.24. Влияние контакта воды с ок¬ сидами марганца на скорость его окисле¬ ния к и, с юродом воз¬ духа (выдержка пос¬ ле аэрирования 60 мин, фильтрова¬ ние): / — без применения катализатора; 2 — после контакта с Мп (ОН)4. 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 pH боды 224
1,3 мг хлора на окисление 1 мг Мп2+ в Мп3+. Оксид хлора (IV) и озон окисляют мар¬ ганец (II) при pH = 6,5...7,0 в течение 10—15 мин; расход оксида хлора (IV) составляет 1,35, озона — 1,45 мг/мг Мп2+. Марганец удаляют из воды также био¬ химическим окислением, пропуская ее че¬ рез напорные фильтры, загруженные пес¬ ком с крупностью зерен до 1 —3 мм, засе¬ янным небольшим количеством марган¬ цепотребляющих бактерий гипа Metallo- genium personatum, Caulococeus manga- nifer, Becteria manganicus. Высоту слоя загрузки принимают равной 1,5 м, ско¬ рость фильтрования — 30 м/ч. Отмирающие бактерии образуют на поверхности зерен песка биомассу, со¬ держащую оксиды марганца, катализи¬ рующие окисление. Глава 17 УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ (ДЕГАЗАЦИЯ ВОДЫ) 17.1. Общие сведения Во многих случаях низкое качество про¬ дукции и износ оборудования связаны с наличием газов в воде, используемой в технологическом процессе (например, в теплоэнергетике, в водоснабжении горя¬ чей водой и т. д.). Чаще всего приходится удалять из воды С02, Оа и H2S. Эти газы относятся к агрессивным, они обусловливают либо усиливают коррозию металлов. Кроме того, С02 агрессивен по отношению к бетону и отрицательно влияет на эффек¬ тивность работы анионитовых фильтров. При пропускании обрабатываемой во¬ ды через Н-катионитовый фильтр вслед¬ ствие разложения гидрокарбонатов в во¬ де может образоваться большое количест¬ во свободного С02. Между тем даже не¬ значительное содержание его в умягчен¬ ной воде, которая подается для питания паровых котлов, вызывает коррозию труб и оборудования. Удалять из воды свободный С02 приходится и при обез- железивании воды. Довольно часто не¬ обходимо удалять из воды растворенный в ней 03. Указанные свойства этих газов, а так¬ же способность H2S придавать воде не¬ приятный запах обусловливают необхо¬ димость возможно более полного удале¬ ния их из воды. Комплекс мероприятий, связанных с удалением из воды растворенных в ней газов, называется дегазацией воды. Су¬ ществуют физические и химические ме¬ тоды дегазации воды. 17.2. Физические методы дегазации воды Сущность физических методов дегазации заключается в следующем: вода, содер¬ жащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, если пар¬ циальное давление этого газа в воздухе близко к нулю; создаются условия, при которых растворимость газа в воде ста¬ новится ничтожно малой. Первым приемом, т. е. аэрированием воды, обычно удаляют свободный С02 и H2S, поскольку парциальные давления этих газов в атмосферном воздухе близки к нулю. Ко второму приему прибегают при обескислороживании воды (при кипении воды растворимость всех газов б ней па¬ дает до нуля). Для этого либо применя¬ ют нагревание воды (в термических деаэ¬ раторах), либо понижают давление до значения, при котором вода кипит без дополнительного подогрева. Последний процесс осуществляется в вакуумных дегазаторах. Для удаления из воды растворенных газов применяется несколько типов де¬ газаторов: пленочные с различного рода насадками, работающие в условиях про¬ тивотока дегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором; пленочные, работающие без принудительной пода¬ чи воздуха; струйно-пленочные (кон¬ тактные градирни); барботажные; ваку¬ умные. В водоподготовке для удаления газов (кроме 02) в основном применяют пленоч¬ 8 5 -2398 225
а Рис. 17.1. Схемы дегазаторов пленочного типа: а — с насадкой из колец Рашига; 5 — с деревянной хордовой насадкой. } ные дегазаторы, а для обескислорожива¬ ния воды — вакуумные дегазаторы или термические деаэраторы. Барботажные дегазаторы используются лишь в исклю¬ чительных случаях из-за их сравнитель¬ но высокой эксплуатационной стоимости (большой расход электроэнергии на ком¬ прессию воздуха). Для загрузки дегазаторов применяют¬ ся насадки: кусковая (гравий, кокс, дробленный кварц, андезит), шахматная (кирпич, поставленный на ребро); хор¬ довая (деревянные щиты из досок, укла¬ дываемых плашмя с зазорами между ними); керамическая сложной геометри¬ ческой формы; кольца Рашига. Качество насадок определяется сле¬ дующими основными показателями: 1) поверхностью единицы объема (боль¬ шая поверхность увеличивает скорость десорбции); 2) свободным объемом, ха¬ рактеризующим объем пустого прост¬ ранства между элементами насадки (с увеличением свободного объема сопро¬ тивление насадки уменьшается); 3) мас¬ сой единицы объема (тяжелые насадки требуют массивного фундамента и повы¬ шенной прочности стенок, что приводит к удорожанию всего аппарата); 4) коли¬ чеством жидкости, задерживаемой на¬ садкой (если насадка не задерживает значительное количество жидкости, воз¬ растает свободный объем и ускоряется обновление контакта между жидкой и газообразной фазами); 5) химической стойкостью к жидкостям и газам, сопри¬ касающимся с насадкой; 6) механической прочностью; 7) сопротивлением воздуху; 8) экономичностью. Самым совершенным типом дегазато¬ ра считается пленочный, загруженный кольцами Рашига. Он обеспечивает наи¬ более устойчивый эффект дегазации, дол¬ говечен, требует меньшей площади и вы¬ соты, а также меньшего расхода воздуха, чем дегазатор с деревянной хордовой насадкой. Строительная стоимость его практически близка к стоимости дегаза¬ 226
торов с деревянной насадкой, а эксплуа¬ тационная стоимость ниже, особенно для установок большой производительности. Наиболее целесообразно применять эти дегазаторы на крупных установках и при большом содержании свободного С02 в воде, поступающей в дегазатор. На рис. 17.1, а приведена схема пле¬ ночного дегазатора с насадкой из колец Рашига, размещаемой на промежуточной дырчатой перегородке на расстоянии 600 мм от дна. В поддон вентилятором подается воздух. Вода поступает в верх¬ нюю часть дегазатора и равномерно рас¬ пределяется по сечению плитой, имею¬ щей 48 патрубков для слива воды в на¬ садку и 8 патрубков с колпаками, предот¬ вращающими унос брызг воды, для вы¬ хода воздуха. Вода из поддонного прост¬ ранства отводится через гидравлический затвор, препятствующий засасыванию воздуха водой, прошедшей дегазатор. Высоту патрубков для слива воды над поверхностью плиты принимают равной 100, а патрубков для выпуска воздуха — 400 мм. Диаметры патрубков зависят от производительности дегазатора. На рис. 17.1, б приведена схема пле¬ ночного дегазатора с деревянной хордо¬ вой насадкой. Содержание СОа в воде после выхода ее из такого дегазатора составляет не более 1—2 мг/л. При уда¬ лении этим методом H2S воду следует подкислять до pH = 5 с последующим подщелачиванием ее, что значительно уменьшает расход воздуха. Пленочные дегазаторы с насадкой из колец Рашига применяют при любой производительности установки для глу¬ бокой очистки воды от С02 и H2S, а так¬ же для частичного удаления С02 из воды при обезжелезивании. Если производи¬ тельность установки не превышает 150м3/ч, используют такие же дегазаторы с деревянной хордовой насадкой. Схемы дегазаторов струйно-пленочного типа (контактные градирни) без прину¬ дительной подачи воздуха приведены на рис. 17.2. В качестве насадки в этих дегазаторах применяются куски гра¬ вия, кокса, шлака крупностью 30— 50 мм. Высота одного слоя принимается 300—400 мм; при большей расчетной вы¬ соте предусматривается 2, 3 и больше слоев с промежутками между ними 600 мм. Вода по поверхности насадки распределяется системой дырчатых труб. Применяются струйно-пленочные дега¬ заторы для частичного удаления из воды СОа в установках производительностью до 50 м3/ч. Остаточное содержание С02 после вен¬ тиляторной градирни при температуре 5—8 °С можно принимать 3—5, после контактной градирни — 5—8 мг/л. В зависимости от требуемой степени дегазации воды применяются барботаж- ные дегазаторы одно- и двухсекционные Распределитель В Рис. 17.2. Схе¬ мы дегазаторов струйно-пленоч¬ ного типа без принудительной подачи воздуха: а — с гравийной загрузкой; 6 — с коксовой за¬ грузкой. 8* 227
Рис. 17.3. Схе¬ ма двухсекци¬ онного барбо- тажного дега¬ затора. кой и газообразной фаз, в результате чего ускоряется выделение газа. Воздух подается компрессорами обычно через дырчатые трубы или пористые плиты. Разновидностью барботажных дегаза¬ торов являются дегазаторы пенного типа (рис. 17.4). Основным конструктивным элементом этих аппаратов служит перфо¬ рированная пластина (решетка). Вода тонким слоем протекает вдоль решетки и под действием поперечного тока возду¬ ха, подаваемого через ее отверстия, вспе¬ нивается. В пенном слое газы из воды десорбируются интенсивно. Для удаления С02 в установках произ¬ водительностью до 100 м3/ч дегазаторы пенного типа наиболее экономичны. При использовании аппаратов этого типа сте¬ пень десорбции целесообразно ограни¬ чить 96—97 % с тем, чтобы количество полок не превышало четырех-пяти. При этом подавать воздух можно центробеж¬ ными вентиляторами среднего давления. Вакуумные дегазаторы выполняют из стали круглыми (в плане), с конусным днищем (рис. 17.5). Над днищем распола¬ гается дырчатый лист (с отверстиями диа¬ метром 15—20 мм) или решетка, которые являются опорой для колец Рашига. Во¬ да внутрь дегазатора подается устройст¬ вом, обеспечивающим тонкое распыление и равномерное распределение ее по по¬ верхности насадки. с последовательным пропусканием воды. Они используются для глубокого удале¬ ния С02 в установках производитель¬ ностью не более 20 м3/ч. На рис. 17.3 приведена схема двухсек¬ ционного барботажного дегазатора. Об¬ рабатываемая вода подводится в верх¬ нюю часть верхней секции, заполняет ее до бокового перелива 1 и сливается в нижнюю секцию, заполняя ее также до бокового перелива. Сжатый воздух по трубе 2 подводится одновременно в верх¬ нюю и нижнюю секции под дырчатые днища 3. Отводится воздух по трубе 4. При дегазации воды барботированием воздуха через слой воды создается боль¬ шая поверхность соприкосновения жид¬ 228
Для наблюдения за уровнем воды в дегазаторе устанавливают водомерное стекло. Парогазовая смесь отводится из дегазатора вакуумным устройством (ва- куум-насосы, паро- и водоструйные эжек¬ торы). На рис. 17.6, а приведена схема уста¬ новки для дегазации в вакууме без по¬ догрева. Дегазируемая вода подается через воздухоотделитель 2 в котел 1, имеющий внутри приспособление для разбрызгивания. Разрежение создается отсасыванием дегазированной воды на¬ сосом 4. Выделяющиеся газы и воздух удаляются специальным вакуум-насосом 3. В таких установках содержание 02 может быть снижено до 0,1—0,2 мг/л. Наиболее полная дегазация достигает¬ ся разбрызгиванием в вакууме с одновре¬ менным подогревом воды (см. рис. 17.6, б). Вода в котле 1 нагревается паром, проходящим через змеевик 5, распо¬ ложенный в нижней части котла. Пар из змеевика попадает в теплообменник 6 и нагревает воду. Вакуум создается, как и в предыдущем случае, отсасыванием дегазированной воды насосом 4. Выде¬ ляющийся воздух и газы удаляются ва¬ куум-насосом 3. Вакуумные дегазаторы с насадкой из колец Рашига применяются для глубоко¬ го (до остаточной концентрации 0,01 — 0,05 мг/л) или частичного (0,3—0,5 мг/л) обескислороживания воды, а также для совместного удаления СОа и 02. Тип дегазатора выбирают в зависимо¬ сти от производительности установки, необходимой полноты дегазации, на¬ чальной концентрации удаляемого газа и др. При проектировании дегазаторов сле¬ дует определить: площадь поперечного сечения дегазатора; необходимый расход воздуха и необходимую поверхность на¬ садки для достижения требуемой степени дегазации. Площадь поперечного сечения дегаза¬ торов вычисляется по допустимой плот¬ ности орошения насадки, т. е. по расходу воды, приходящемуся на 1 м2 площади поперечного сечения дегазатора. По данным А. А. Кастальского, допус¬ тимая плотность орошения насадок и удельный расход воздуха соответствен¬ но составляют: при глубоком удалении из воды С02 (до 2—3 мг/л) на дегазато¬ рах, загруженных кольцами Рашига (25 X 25 X 3 мм), —60 м3/(м2 • ч) и 15 м3/м3, на дегазаторах с деревянной насадкой — 40 м3/(м2 • ч) и 20 м3/м3; при глубоком удалении из воды H2S на дега¬ заторах, загруженных кольцами Раши¬ га, —40 м3/(м2 • ч) и 20 м3/м3; при уда¬ лении из воды 02 на вакуумных дегаза¬ торах плотность орошения насадки равна 50 м3/(м2 • ч). Практически полное обескислорожива¬ ние воды может быть достигнуто мето¬ дом, предложенным П. А. Акользиным. Сущность его заключается в том, что эжектор, подающий воду, из которой необходимо удалить кислород, подсасы¬ вает предварительно обескислороженный воздух. Под влиянием разности концент- Рис. 17.5. Схема вакуумного дегазатора: / — подвод воды; 2 — патрубок для отсоса газов; 3 — распределитель¬ ная тарелка; 4 — разборная решетка; 5 — отвод дегазированной воды; 6 — патрубки для водомерного стекла. Рис. 17.6. Схемы установок для дегазации в вакууме: а — без подогрева; б — с по¬ догревом. 229
Рис. 17.7. Установка для очистки воды от H2S в реакторе био¬ химического окисле¬ ния: / — артезианская скважина; 2 — доза¬ тор биогенных компо¬ нентов (N, Р): 8 — ре¬ актор биохимическо¬ го окисления: 4 — дозатор раствора Al2 (S04)3; 5 — возду¬ ходувка; 6 — скорые фильтры; 7 — хлора¬ тор. рации растворенный в воде кислород переходит из жидкой фазы в газообраз¬ ную. Г аз отделяется от воды в специаль¬ ном десорбере и затем — в сепараторе. Обескислороживание воздуха происхо¬ дит в герметичном реакторе, загружен¬ ном древесным углем и омываемом то¬ почными газами с температурой 500— 800 °С. Необходимость котельной для получения топочных газов с высокой температурой ограничивает применение этого метода. Кроме того, в дегазаторе не удается одновременно с обескислоро¬ живанием воды обеспечить необходимую степень удаления из нее С02. Сероводород из воды можно удалить биохимическим методом, основанным на биохимическом окислении соединений се¬ роводорода тионовыми бактериями вида Thiobacillus thioparus. Биохимический процесс окисления серо¬ содержащих соединений тионовыми бак¬ териями схематически можно предста¬ вить так: HS“ - S„0: 2 3 -s2ot -SOf Схема установки для очистки воды от H2S в реакторе биохимического окисле¬ ния представлена на рис. 17.7. Из артезианской скважины 1 вода через систему дырчатых труб подается в реактор биохимического окисления 3, представляющий собой резервуар, за¬ груженный щебнем или гравием круп¬ ностью 5—30 мм на высоту 1 м. Слой воды над загрузкой должен составлять не менее 1 м. Воздуходувкой 5 через дырча¬ тые трубы в реактор подается 2—5 м3 воздуха на 1 м8 воды (при содержании H2S в воде до 20 мг/л). После пребывания воды в реакторе в течение 0,5—1 ч содер¬ жание H2S в ней составляет 0,1 —0,3 мг/л. При необходимости перед реактором в исходную воду дозатором 2 вводятся биогенные элементы (до 3 мг/л азота и фосфора, например, в виде нитрофоски). Перед фильтрами 6 (при необходимости) вводится коагулянт — 25—35 мг/л Al2 (S04)3. После фильтров вода обраба¬ тывается поступающим из хлоратора 7 хлором дозой 2—3 мг/л. Наиболее эф¬ фективно процесс биохимического окис¬ ления H2S протекает при pH = 6...9. 17.3. Химические методы дегазации воды Химические методы основаны на опреде¬ ленных реакциях, в результате которых растворенные газы связываются хими¬ чески. С02 удаляют из воды связыванием его известью в малорастворимый CaCOg: Са (ОН)2 + COj = CaCOg j + Н20. Осветляют воду в отстойниках или ос¬ ветлителях со слоем взвешенной контакт¬ ной среды и фильтрах. Необходимую дозу извести ДИ вычисляют по формуле п ос [СО.] ЮО Д„- 28 -22~-—, где [С02] — содержание в воде свободно¬ го С02, мг/л; Си — содержание СаО в извести, %. О2 из воды удаляют фильтрованием ее через легко окисляющиеся вещества, на¬ пример через стальные стружки, обра¬ боткой сульфитом натрия или оксидом серы (IV). При использовании стальных стру¬ жек их обезжиривают и загружают в специальный фильтр. Содержание мар¬ ганца в них не должно превышать 0,3 мае. %. 230
В процессе фильтрования железо, окисляясь, связывает кислород: 4Fe -(- 302 = 2Fe203. Оксид железа (III) и гидроксид железа (III), образовавшиеся в результате кор¬ розии стружек, удаляются обратной про¬ мывкой. Продолжительность контакта воды со стружками зависит от темпера¬ туры и уменьшается от 25 до 3 мин при повышении температуры от 20 до 80 °С. Чаще всего применяют обработку воды сульфитом натрия 2Na2S03 + Оа = 2Na2S04 или оксидом серы (IV) so2 + Н20 = H2S03. Образующаяся сернистая кислота окисляется кислородом, содержащимся в воде, до серной кислоты: 2H2S03 -}- 02 = 2H2S04. В качестве катализаторов применяют 0,01 %-е растворы солей меди (II) или кобальта (II). Для удаления 1 мг кис¬ лорода расходуется 4 мг S02 или 7,9 мг Na2S03. Необходимую дозу Др сульфита натрия или оксида серы (IV) рассчитывают по формуле Др= l.lpfOJ, где [02] — концентрация растворенного кислорода в воде, мг/л; [1 —теоретиче¬ ский расход реагента на связывание 1 мг растворенного кислорода, мг. Для удаления 02 воду обрабатывают гидразином N2H4, являющимся сильным обескислороживающим реагентом: 02 -{- N2H4 —»■ n2 -j- 2Н20. Эта реакция протекает значительно быстрее, чем окисление сульфита натрия. Катализаторами в данном случае яв¬ ляются металлическая мёдь, стекло и активированный уголь. Реакция обес¬ кислороживания воды гидразином ката¬ литически ускоряется материалом стенок котла. Теоретически на связывание 1 мг 02 расходуется 1 мг гидразина, однако обычно его дозируют с избытком 50 %. Гидразин применяют для обработки воды, идущей на питание прямоточных котлов, поскольку он не увеличивает ко¬ личества сухого остатка питательной во¬ ды и не образует вредных летучих про¬ дуктов разложения. Недостаток метода обескислороживания воды гидразином — высокая стоимость. Процесс связывания 02 восстановите¬ лями идет быстрее при температуре 95— 100 °С и заканчивается за 1—2 мин даже при минимальном против стехиометри- ческого избытке (5%) восстановителя. Удаление растворенного кислорода без подогрева воды может быть достигнуто фильтрованием ее через электронообмен¬ ные (ЭО) и электроноионообменные смолы (продукты конденсации пирогаллола, гидрохинона или пирокатехина с фе¬ нолом и формальдегидом). Восстановительная способность оте¬ чественных электронообменных смол сле¬ дующая: ЭО-6 —450; ЭО-7 —600—800; ЭО-11 —5000 г-экв/м3. Высота слоя смолы ЭО в фильтре для обескислороживания воды принимается равной 2 м, скорость фильтрования — 20 м/ч. Регенерируют загрузку фильт¬ ров — 1—2%-м раствором сульфита или гидросульфита натрия. Электроноионообменные смолы пред¬ ставляют собой катиониты или аниониты с введенными в них железом или медью. Выпускаемая промышленностью элект¬ роноионообменная смола ЭИ-12 имеет обменную способность по кальцию 500 г-экв/м3 и поглотительную способ¬ ность по кислороду — 45 кг 02/м3. Реге¬ нерируют смолу ЭИ-12 так же, как и смолы ЭО. Эффективное обескислороживание во¬ ды может быть достигнуто в электроли¬ зерах с растворимыми железными или алюминиевыми электродами. Обескисло¬ роживание происходит за счет катодной и анодной деполяризации, а также хими¬ ческого окисления железа или алюминия растворенным в воде кислородом. Для удаления из воды H2S химическими методами его окисляют кислородом возду¬ ха, газообразным С12 или СЮ2, раствором КМп04, 03, кроме того, можно использо¬ вать взаимодействие H3S с Fe (ОН)3. Для более полного удаления сероводо¬ рода кислородом воздуха при аэрировании воду подкисляют серной или соляной кислотой до pH = 5,5 2HaS + 02 = 2S | + 2НгО. 231
Дозу кислоты Дк для снижения pH определяют по формуле где Щ — щелочность исходной воды, мг-экв/л; е —эквивалентная масса кис¬ лоты; С — концентрация H2S04 или НС1 в техническом продукте, %. Очищенную воду необходимо стабили¬ зировать подщелачиванием для устране¬ ния коррозионных свойств. H2S окисляют хлором до свободной S или до H2S04 (в зависимости от дозы хлора). Малые дозы С12 (2,1 мг на 1 мг H2S) окисляют сероводород до коллоид¬ ной серы: С12 + H2S = 2НС1 + S |, которую затем необходимо удалять. В этом заключается недостаток метода. Большие дозы С12 (8,4 мг/мг) окисляют до серной кислоты: H2S + 4С1г + 4НгО = H2S04 -f 8НС1. Реакция протекает довольно медленно и имеет практическое значение лишь при окислении небольших количеств H2S. Применяется для удаления остаточного H2S, например, после аэрирования. Сероводород окисляется оксидом хлора (IV). Оптимальными условиями окис¬ ления сульфидов до сульфатов, по дан¬ ным А. Н. Белевцева, являются: доза СЮ2 3,5 мг на 1 мг S2-; pH = 10...11; продолжительность контакта — 10 мин. Для окисления сульфидных соединений применяется также перманганат калия: 3H2S -f 4КМп04 -V 2K2S04 + S | + + ЗМпО + Мп021 + ЗН20. С. Н. Линевичем предложен метод удаления H2S из воды озонированием. При расходе 0,5 мг 03 на 1 мг удаляемого H2S образуется коллоидная сера: 3H2s + 03 = 3S j + зн2о, при расходе 1,87 мг Оа на 1 мг H2S обра¬ зуются сульфаты: 3H2S + 40:1 = 3H2S04. Для воды, содержащей 15—20 мг/л H2S, продолжительность озонирования составляет 20 мин, расчетный расход 03— 30 мг/л. В 1946 г. Д. П. Козырев предложил метод удаления сероводорода гидроксидом железа (III) с последующей регенераци¬ ей образующегося сульфида железа (II): 3H2S + 2Fe (ОН)3 = Fe2S3 + 6Н20 (в ще¬ лочной среде); 3H2S -|- 2Fe (ОН)3 = 2FeS + S -|- 6Н20 (в ней¬ тральной среде). Практика показала, что свободный H2S удаляется этим методом довольно полно: вода теряет запах сероводорода и коррозионные свойства. Обработан¬ ная вода после 2—3 ч отстаивания счи¬ тается пригодной для технических нужд. Хозяйственно-питьевую воду после пред¬ варительной обработки известью (около 60 мг/л в пересчете на СаО) необходимо отфильтровать от взвешенных веществ. Принцип этого метода не новый. Ори¬ гинально в нем лишь получение Fe (ОН)3 электролитическим растворением метал¬ лического железа или чугуна и регенера¬ ция FeS, которая происходит при нали¬ чии кислорода и воды по уравнениям 2Fe2S3 + 302 + 6Н20 = 4Fe (ОН)3 + 6S; 4FeS + 302 + 6Н20 = 4Fe (ОН)3 + 4S. Естественная регенерация протекает медленно. Для ускорения процесса при¬ бегают к искусственной регенерации, ко¬ торая достигается аэрированием или обработкой веществами, быстро перево¬ дящими серосодержащие соединения в гидроксиды (серная или соляная кисло¬ ты). 17.4. Пуск, наладка и эксплуатация дегазаторов При пуско-наладочных работах произво¬ дится пробное испытание дегазаторов. В этот период выявляются технологиче¬ ские параметры работы дегазаторов в це¬ лом и отдельных его элементов. Прове¬ ряют высоту слоя загрузки и соответст¬ вие ее принятым в проекте размерам. Во избежание боя кольца Рашига загру¬ жают на решетку в залитый водой дега¬ затор ровным слоем, чтобы его сопротив¬ ление движению воды и воздуха было одинаковым по сечению. После загрузки дегазатора воду из него выпускают и производят опробование вентилятора. Тягомером или анемометром определяют его производительность, создаваемый на¬ пор и потребляемую мощность при пода¬ че в дегазатор воздуха без воды в нем и при расчетном ее расходе. Наблюдают за 232
выводом наружу газов через каплеулови- тель. После выполнения вышеприведенных операций определяют эффективность ра¬ боты дегазатора, т. е. глубину удаления газов при гидравлических нагрузках 60, 80, 100 и 120 % от проектной при макси¬ мальном расходе воздуха. Устанавлива¬ ют максимально допустимую нагрузку и сопротивление аппарата. Если наблю¬ дается сильный выброс из дегазатора вместе с воздухом воды или отсутствуют каплеуловители, закрытием заслонки на всасывании или нагнетании у вентилято¬ ра уменьшают подачу воздуха. Пуск вакуумных дегазаторов начина¬ ют с заполнения их водой. Затем подо¬ гревают и кипятят воду сначала при ат¬ мосферном, а потом при расчетном давле¬ нии в дегазаторе до полного удаления из нее 02. Во время пуска дегазаторов конт¬ ролируют содержание в дегазированной воде кислорода, солей жесткости, взве¬ шенных веществ, соединений железа и других загрязнений. Включать в работу дегазаторы, не ос¬ нащенные гидрозатворами, переливами, регуляторами давления и уровня или со¬ держащие последние в неисправном со¬ стоянии, запрещается. Эксплуатация дегазаторов должна пре¬ дусматривать оперативную связь между дежурными по дегазаторам, водоподго¬ товительным установкам и машинистами насосов. Перегрузка дегазаторов в пе¬ риод эксплуатации не должна превышать 120 %. Во избежание подсоса воздуха при кратковременных остановках в де¬ газаторе необходимо поддерживать избы¬ точное давление. Для предотвращения коррозии дегазаторы следует включать в работу сразу после ремонта. Глава 18 УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ 18.1. Выбор метода умягчения воды Умягчением воды называется процесс, приводящий к удалению из нее катионов жесткости, т. е. Са2+ и Mg2+. Согласно ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая», жест¬ кость воды, предназначенной для хозяй¬ ственно-питьевых целей, не должна пре¬ вышать 7 мг-экв/л. По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы эта норма может быть увеличена до 10 мг-экв/л. В большинстве случаев вода исполь¬ зуемых водоисточников имеет жесткость, отвечающую нормам для хозяйственно¬ питьевых вод, и в умягчении не нуждает¬ ся. Умягчение воды производится в ос¬ новном при ее подготовке для техниче¬ ских целей. Например, жесткость воды, используемой для барабанных котлов, не должна превышать 0,005 мг-экв/л. Для умягчения воды применяют сле¬ дующие методы: термические, основан¬ ные на нагревании воды, ее дистилляции или вымораживании; реагентные, при которых находящиеся в воде ионы Са2+ и Mg2+ связываются различными реаген¬ тами в практически нерастворимые со¬ единения; ионного обмена, основанные на фильтровании умягченной воды через специальные материалы, обменивающие входящие в их состав ионы Na+, Н+ на ионы Са2+ или Mg2+, содержащиеся в воде; комбинированные. Выбор того или иного метода сниже¬ ния жесткости определяется качеством исходной воды, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими со¬ ображениями. Для умягчения подземных вод СНиП 2.04.02—84 рекомендуют применять ио¬ нообменные методы; для умягчения по¬ верхностных вод, когда одновременно требуется и осветление воды,— известко¬ вый или известково-содовый метод, а при необходимости глубокого умягчения во¬ ды — последующее катионирование. Краткая характеристика и условия применения методов умягчения воды при¬ ведены в табл. 18.1. При получении воды, пригодной для хозяйственно-питьевых нужд, обычно умягчают лишь часть ее с последующим смешением с исходной водой. Необходи¬ мое количество воды для хозяйственно¬ питьевых нужд, подлежащее умягчению, qy определяют по формуле 233
Таблица 18.1. Характеристика и условия применения некоторых методов умягчения воды Показатель Метод умягчения воды Термический Реагентный Ионообменный Характеристика про¬ цесса Воду нагревают до тем¬ пературы выше 100 °С, при этом устраняется карбонатная и часть не¬ карбонатной жесткости (в виде карбоната каль¬ ция, гидроксида магния и гипса) В воду добавляют известь, устраняю¬ щую карбонатную и магниевую жест¬ кость, а также со¬ ду, устраняющую некарбонатную жест¬ кость Умягчаемая вода про¬ пускается через катиони- товые фильтры Назначение метода Устранение карбонат¬ ной жесткости из воды, употребляемой для пи¬ тания котлов низкого и среднего давления Неглубокое умягче¬ ние при одновремен¬ ном осветлении воды от взвешенных ве¬ ществ Глубокое умягчение во¬ ды, содержащей незна¬ чительное количество взвешенных веществ Расход воды на соб¬ ственные нужды — 20—30 % с уточне¬ нием расчетами 20—30 % с' уточнением расчетами Условия эффективно¬ го применения мутность воды, мг/л жесткость воды, г-экв/м3 остаточная жест¬ кость ВОДЫ, г-экв/м3 температура во¬ ды, °С До 50 Карбонатная жесткость с преобладанием Са (НС03)2, некарбонат¬ ная жесткость в виде гипса Карбонатная жесткость до 0,035, CaS04 до 0,7 До 105—120 200—270 До 400—500 5—35 До 0,5—1,0 До 35—40 Не более 5—8 Не выше 15 0,05—0,10 при односту¬ пенчатом и до 0,01 при двухступенчатом катио- нировании До 30 (глауконит), до 60 (сульфоугли), до 120— 130 (КУ-2-8) где Жо.исх — общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; Ж0.с — общая жесткость воды, поступающей в сеть, мг-экв/л; Жу — жесткость умягченной воды, мг-экв/л. 18.2.Термический метод умягчения воды Умягчение воды термическим методом (нагреванием) основано на смещении углекислотного равновесия в сторону об¬ разования карбоната кальция: Са (НС03)2 СаС03 | + С02 f + Н20. Равновесие смещается за счет пониже¬ ния растворимости С02, вызываемого по¬ вышением температуры и давления. Ки¬ пячением можно полностью удалить С02 и тем самым намного снизить карбонат¬ ную кальциевую жесткость. Однако пол¬ ностью устранить ее не удается, посколь¬ ку карбонат кальция, хотя и незначи¬ тельно (13 мг/л при 18 °С), но все же рас¬ творим в воде. При наличии в воде Mg(HC03)2 процесс его осаждения происходит следующим образом: вначале образуется сравнитель¬ но хорошо растворимый (110 мг/л при 18 °С) карбонат магния: Mg (HC03)2 MgC03 + со21 + Н20. Эта соль при продолжительном кипя¬ чении гидролизуется, в результате чего выпадает осадок малорастворимого (8,4 мг/л) гидроксида магния: MgC08 + Н20 Mg (ОН)21 + С03 |. 234
Таким образом, при кипячении воды жесткость, обусловленная наличием гид¬ рокарбонатов кальция и магния, значи¬ тельно снижается. Кипячением частично устраняется также жесткость, обуслов¬ ленная наличием CaS04, растворимость которого при 100 °С уменьшается до 0,65 г/л. Термоумягчитель конструкции Копье- ва изображен на рис. 18.1. Он состоит из пленочного смешивающего подогрева¬ теля 2, осветлителя 5 со слоем взвешен¬ ной контактной среды и наклонных се¬ парирующих перегородок 4. Обрабаты¬ ваемая вода поступает через эжектор 1, обеспечивающий циркуляцию воды в термоумягчителе. Попадая на розетку пленочного подогревателя, вода разбрыз¬ гивается над вертикально расположен¬ ными трубами, по поверхности которых она стекает навстречу горячему пару, а затем вместе с продувочной водой от кот¬ лов по центральной трубе 6 через лож¬ ные днища 7 попадает в осветлитель со взвешенной контактной средой. Выде¬ ляющиеся из воды газы (С02, 02) вместе с избытком пара отводятся в атмосферу. Образовавшиеся осадки задерживаются в контактной среде. Наклонные перего¬ родки вокруг сборника умягченной воды способствуют более полному ее осветле¬ нию и концентрированию шлама на пе¬ риферии осветлителя. Сползание шлама с них обусловливается нисходящим пото¬ ком воды, образующимся при охлажде¬ нии части ее кольцевой трубой 3, через которую обрабатываемая вода подается к эжектору. Длительность пребывания воды в термоумягчителе составляет 30— 45 мин, скорость ее в отверстиях ложных днищ принимается равной 0,1—0,25 м/с, в контактной среде осветлителя — 7— 10 м/ч. Этот метод применяется для умягчения воды преимущественно с карбонатной жесткостью, для питания котлов низкого и среднего давления, а также является вспомогательным при реагентных мето¬ дах умягчения воды. 18.3. Реагентные методы умягчения воды Умягчение воды реагентными методами основано на обработке ее реагентами, анионы которых образуют с катионами Рис. 18.1. Схе- ма термоумяг- чителя конст¬ рукции Копь- ева. Са2+ и Mg2+ малорастворимые соедине¬ ния: СаС03, Mg (ОН)2, Са3 (Р04)2, Mg3(P04)2 и другие с последующим их отделением в осветлителях и осветли- тельных фильтрах. В качестве реагентов для умягчения воды применяют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия, бария и другие вещества. Умягчение воды известкованием приме¬ няют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости воды, а также в случае, когда не требуется удаление из воды солей некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют раствор или суспензию (молоко) извести, которую вводят в предварительно подогретую об¬ рабатываемую воду. Растворяясь, из¬ весть обогащает воду ионами ОН- и Са2+: Са (ОН)2 = Са2+ + 20Н“. Обогащение воды ионами ОН- приво¬ дит к связыванию растворенного в воде свободного С02: С02 + 20Н- СО§- + Н20 и к переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные: НСО“ + ОН- -* СО^“ + Н20. Повышение концентрации ионов СОз- в обрабатываемой воде и наличие в ней ионов Са2+, как содержащихся в исход¬ ной воде, так и введенных с известью, приводит к повышению произведения растворимости и осаждению малораство- 235
римого CaC03: Са2+ + GOf~ -* СаСОз \ . При добавлении избытка извести осаж¬ дается также и гидроксид магния: Mg2++20H-->Mg(0H)2|. Для улучшения удаления низкодис¬ персных и коллоидных примесей и сни¬ жения щелочности воды одновременно с известкованием применяют коагуляцию этих примесей. В качестве коагулянта обычно используют FeS04 • 7НаО. Остаточная жесткость умягченной во¬ ды при декарбонизации может быть на 0,4—0,8 мг-экв/л больше некарбонатной жесткости, а щелочность 0,8—1,2 мг-экв/л. Доза извести Ди зависит от соотноше¬ ния концентрации в воде ионов кальция и карбонатной жесткости: гСа2+1 а) при соотношении ■ 2(у ■ < Жк Ли = 28 [С02] 2ЖК — 20 -0,5 ; (Са2-!-! б) при соотношении - > Ж„ 20 Д„ = 28 [С02 22 Жк- Лк ек ■0,3 , Са (ОН)2 + MgC03 = СаС03 | + Mg (ОН)2 |; Na2C03 + СаС12 = СаС03 \ + 2NaCl; Na2C03 -j- CaS04 = CaC03 j + Na2S04. Этим методом остаточная жесткость может быть доведена до 0,5—1,0, щелоч¬ ность — до 0,8—1,2 мг-экв/л. Дозу извести Д„ в пересчете на СаО при известково-содовом методе умягче¬ ния воды определяют по формуле Ли = 28 tc°2] , ж , —22- + Жк + + [Mg2+] 12 Дк ек + 0,5 дозу соды Дс в пересчете на Na2C03 по формуле Лс = 53('жн.к+^+1 где [С02] — концентрация в воде свобод¬ ного С02, мг/л; Жк — карбонатная жест¬ кость воды, мг-экв/л; [Са2+] — концент¬ рация ионов кальция, мг/л; Дк —доза коагулянта (FeS04 или FeCl3 в пересчете на безводные продукты), мг/л; ек — эк¬ вивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв (для FeS04 ек = 76, для FeCl3 — 54); 0,5 и 0,3 — избыток из¬ вести для обеспечения полноты реакции, мг-экв/л. Выражение Дк/ек берут со знаком ми¬ нус, если коагулянт вводится раньше из¬ вести, и со знаком плюс, если совместно или после. Сущность известково-содового метода умягчения воды сводится к следующим основным процессам: Са (ОН)2 + С02 = СаС03 \ + Н20; Са (ОН)2 + Са (НС03)2 = 2СаС03 | + 2Н20; Са (ОН)2 -|- Mg (НС03)2 *± СаС03 | -|- MgC03 + Н20; где [Mg2+] — концентрация ионов маг¬ ния, мг/л; Жн.к—некарбонатная жест¬ кость воды, мг-экв/л; Дс — доза соды, мг/л. При известково-содовом методе умяг¬ чения воды образующиеся СаС03 и Mg(OH)2 могут пересыщать растворы и долго оставаться в коллоидно-дисперс- ном состоянии. Переход их в низкодис¬ персный шлам длителен, особенно при низких температурах и наличии в воде органических примесей. Последние дей¬ ствуют как защитные коллоиды и при большом их количестве жесткость воды может снижаться всего на 15—20 %. В подобных случаях перед или в процессе умягчения из воды удаляют органические примеси коагулянтами. При известково¬ содовом методе умягчения воды часто процесс проводят в две стадии. Вначале удаляют из воды органические примеси и большую часть солей карбонатной жесткости, применяя соли алюминия или железа с известью и создавая при этом оптимальные условия для протекания процесса коагуляции. Затем, вводя соду и остальную часть извести, доумягчают воду. Если удаление органических при¬ месей производится совместно с умягче¬ нием воды, то в качестве коагулянтов применяют исключительно соли железа, поскольку при высоком значении pH воды, необходимом для устранения маг¬ ниевой жесткости, соли алюминия не образуют сорбционно-активного гид¬ роксида. 236
При отсутствии экспериментальных данных ориентировочно дозу коагулянта Дк рассчитывают по формуле Дк = З^С, где С — количество взвеси, образующей¬ ся при умягчении воды (в пересчете на сухое вещество), мг/л. Количество взвеси С определяют, ис¬ пользуя зависимости: при декарбонизации (известковании) воды С = :Л4„„у + 50(-ВМ +2ЖК) + —f 29 [Mg 2+i 12 Ди 100 100 при известково-содовом методе умяг¬ чения воды [С02] С = Мжх + 50 (Ж0 + Жк4 [Mg2+] 22 + 0,5 + 29 - 12 ■Ди 100 — т 100 где Мисх — содержание взвешенных ве¬ ществ в исходной воде, мг/л; т —содер¬ жание СаО в товарной извести, % ; Жс — общая жесткость воды, мг-экв/л; Дя — доза извести в пересчете на СаО, мг/л. Более глубокое умягчение воды может быть достигнуто подогревом воды, добав¬ лением избытка реагента-осадителя и созданием контакта умягчаемой воды с ранее образовавшимися осадками. Остаточная жесткость, близкая к тео¬ ретически возможной, получается только при значительном подогреве воды (рис. 18.2). Заметный эффект умягчения наблюдается при 35—40 °С, дальнейший подогрев менее эффективен. Глубокое умягчение ведут при температуре свыше 100 °С. Большой избыток реагента-осадителя при декарбонизации добавлять не реко¬ мендуется, поскольку повышается оста¬ точная жесткость из-за наличия непро¬ реагировавшей извести или вследствие перехода магниевой некарбонатной жест¬ кости в кальциевую: MgS04 + Са (ОН)2 = Mg (ОН)2 J + CaS04 j. В связи с этим избыток извести дол¬ жен составлять не более 0,5 мг-экв/л. При известково-содовом методе умяг¬ чения воды также не рекомендуется при¬ менять большие избытки извести, хотя в данном случае они не увеличивают оста¬ точную жесткость, поскольку нейтрали¬ зуются содой: Са (ОН)2 + Na2C03 = СаС03 | + 2NaOH, однако избыток извести приводит к не¬ рациональному перерасходованию соды, повышению стоимости обработки воды и увеличению гидратной щелочности (рис. 18.3). Достаточным является избы¬ ток соды около 1 мг-экв/л. Жесткость воды благодаря контакту ее с ранее выпавшим осадком понижается на 0,3—0,5 мг-экв/л по сравнению с про¬ цессом без контакта с осадком. Эксплуатационный контроль умягче¬ ния воды следует осуществлять, поддер¬ живая определенное значение pH умяг¬ ченной воды. Если это невозможно, умягчение контролируют по значению гидратной щелочности. При декарбони¬ зации воды гидратную щелочность под¬ держивают в пределах 0,1—0,2, при из¬ вестково-содовом умягчении — 0,3— 0,5 мг-экв/л. При умягчении воды содо-натровым методом ее обрабатывают содой и гидрок¬ сидом натрия: CaS04 + Na2C03 = CaC03 j -{- Na2S04; Са (HC03)2 + 2NaOH = = CaC03 j + Na?COs + 2Н20; Mg (HC03)2 -f- 2NaOH = = Mg (OH)2 j + Na2C03 J- C02 f + H20. Рис. 18.2. Влияние тем¬ пературы на эффект умяг¬ чения воды из¬ вестково-содо¬ вым методом. Температура, °С 1,5 S: 0,5 О t =20 °С ч60 0,5 1,0 1,5 2,0 Избыток соды, нг-экв/л Рис. 18.3. Влияние избытка соды на умягчение воды, содержащей СаС12: / — температура воды 20 °С; 2 *=* 60 °С. 237
Поскольку сода образуется при реак¬ ции NaOH с Са(НС03)2, требуемая доза ее значительно уменьшается. При высокой концентрации гидрокарбонатов в воде и низкой некарбонатной жесткости избы¬ ток Na2C03 может оставаться в умягчен¬ ной воде. Поэтому данный метод приме¬ няется лишь с учетом соотношения кар¬ бонатной и некарбонатной жесткости. Если карбонатная жесткость приблизи¬ тельно равна некарбонатной, соду можно совсем не добавлять, поскольку необхо¬ димое количество ее для умягчения такой воды образуется в результате взаимодей¬ ствия гидрокарбонатов с NaOH. Дозу кальцинированной соды увеличивают по мере повышения некарбонатной жестко¬ сти воды. Содо-натровый метод обычно приме¬ няется для умягчения воды, карбонатная жесткость которой немного больше не¬ карбонатной. Для умягчения воды, употребляемой для питания паровых котлов низкого давления, может использоваться содо¬ регенеративный метод, основанный на возобновлении соды в процессе умягче¬ ния: Са (НС03)2 + Na2C03 = СаС03 \ + 2NaHC03. NaHC03, попадая в котел с умягченной водой, разлагается под влиянием высокой температуры: 2NaHC03 = Na2C03 + С02 f + Н20. Образующаяся при разложении гидро¬ карбоната натрия сода вместе с избыточ¬ ной содой, введенной вначале в водо- умягчитель, тут же в котле гидролизует с образованием NaOH и С02. Последний с продувочной водой поступает в водо- умягчитель, где используется для удале¬ ния из умягчаемой воды гидрокарбона¬ тов кальция и магния. Недостаток этого метода состоит в том, что накопление большого количества С02 в процессе умягчения приводит к коррозии металла и повышению содержз»ия-сухого остатка в котловой воде,. Бариевыйjnefnod умягчения воды приме¬ няют в сочетании с другими методами. Вначале в воду вводят барийсодержащие реагенты (ВаС03, Ва (ОН)2, Ва(АЮ2)2) для устранения сульфатной жесткости, затем после осветления воды ее обрабаты¬ вают известью и содой для дальнейшего умягчения: CaS04 -f ВаС03 = CaC03 j + BaS04|; MgS04 + Ва (ОН)2 = Mg (ОН)2 \ + BaS04 | . Бариевый метод применяют очень ред¬ ко из-за высокой стоимости барийсодер¬ жащих реагентов. Для умягчения питье¬ вой воды он не пригоден, поскольку барийсодержащие реагенты токсичны. Оксалатный метод умягчения воды основан на малой растворимости в воде оксалата кальция (6,8 мг/л при 18 °С): Са (НС03)2 + Na2C204 = СаС204 \ + 2NaHC03; CaS04 + Na2C204 = CaC204 j + Na2S04. Метод отличается простотой техноло¬ гического и аппаратурного оформления, однако применяется для умягчения не¬ больших количеств воды из-за высокой стоимости реагента. 18.4. Технологические схемы и конструктивные особенности установок для реагентного умягчения воды В технологических схемах реагентного умягчения воды, как и в схемах осветле¬ ния и обесцвечивания, используется сле¬ дующее оборудование: аппаратура для приготовления и дозирования реагентов, смесители, отстойники или осветлители, фильтры и устройства для стабилиза¬ ционной обработки воды. Схема напорной водоумягчительной установки, состоящей из дозирующих устройств, вихревого реактора и напор¬ ного фильтра, представлена на рис. 18.4. В этой установке отсутствует камера хлопьеобразования, поскольку осадок СаС03 формируется в контактной массе. Воду перед подачей в вихревые реакторы предварительно осветляют. В связи с повышенной мутностью умяг¬ ченной воды после вихревого реактора эти установки снабжаются баками-от¬ стойниками для осветления и возврата воды после промывки фильтров (длитель¬ ность отстаивания 2—3 ч). Наиболее компактным устройством для умягчения воды известковым или извест- ково-содовым методами является вихре¬ вой реактор (спирактор или вирбос, рис. 18.5). Он представляет собой железо- 238
Рис. 18.4. Схема установки с вихревым реактором для умягчения воды известково-содовым методом: 1 — вихревой реактор; 2 — эжектор для подачи в реактор контактной массы; 3 — бак промывной воды; 4 — напорный фильтр; 5 — бак-отстойник для освет¬ ленной воды, поступающей после промывки фильтров; 6 — насос для перекачки осветленной воды, посту¬ пающей после промывки фильтров; 7 — отработан¬ ная контактная масса; 8 дозатор раствора соды; 9 — бак для раствора соды; 10 — бак для известко¬ вого молока; 11 — дозатор известкового молока, 12 — воздушная труба. бетонный или стальной резервуар, су¬ женный книзу и наполненный примерно до половины высоты контактной массой. В качестве контактной массы применяют молотый известняк, размолотую крупку СаС03, образовавшегося в вихревых реакторах, или мраморную крошку с раз¬ мером зерен 0,2—0,3 мм из расчета 10 кг на 1 м3 объема реактора. Вода поступает в нижнюю, суженную часть вихревого реактора через пат¬ рубок, приваренный по касательной к корпусу, благодаря чему в реакторе воз¬ никает винтовой восходящий поток жид¬ кости. Контактная масса взвешивается в восходящем потоке воды, песчинки стал¬ киваются друг с другом и на их поверх¬ ности интенсивно кристаллизуется СаС03; постепенно песчинки превра¬ щаются в шарики. Когда диаметр шари¬ ков увеличивается до 1,5—2 мм, круп¬ ную, наиболее тяжелую, контактную массу выпускают из нижней части реак¬ тора и догружают свежую. В вихревых реакторах осадок Mg(OH)2 не задержи¬ вается, поэтому их следует применять совместно с установленными за ними фильтрами только в тех случаях, когда количество образующегося осадка Mg(OH)2 соответствует грязеемкости фильтров. При обычной для песчаных фильтров грязеемкости, равной 1—1,5 кг/м3, и промывке фильтра через 6 чдопустимое количество Mg (ОН)2 составляет 25— 35 г/м3 (содержание магния в обрабаты¬ ваемой воде не должно превышать 10— 15 г/м3). Вихревые реакторы можно применять и при большем содержании Mg(OH)2, но при этом после них целесообразно устанавливать осветлители для его вы¬ деления. Скорость движения воды в нижней части вихревого реактора равна 0,8— 1 м/с; угол конусности 15—20°; скорость восходящего потока в верхней части на уровне водоотводящих устройств — 4— 6 мм/с. Их выполняют напорными или открытыми. Гидравлическое сопротивле¬ ние контактной массы составляет 0,3 м на 1 м высоты. Свежую контактную массу добавляют эжектором. Расход ее G определяют по формуле G = 0,045Ж<?, где Ж — устраняемая в реакторе жест¬ кость воды, мг-экв/л; q — производи¬ тельность установки, м3/ч. В технологических схемах реагентного умягчения воды с осветлителями вместо вихревых реакторов применяют верти¬ кальные камеры хлопьеобразования. В осветлителях следует поддерживать постоянную температуру, не допуская колебаний более 1 °С в течение часа, поскольку возникают ные токи, взмучивание вынос. Схема установки с ВНИИ ВОДГЕО для умягчения воды конвектив- осадка и его осветлителями Рис. 18.5. Схема устрой¬ ства вихревого реактора: / — подача воды в реак¬ тор; 2 — патрубки для подачи известкового мо¬ лока и раствора соды; 3 — воздушник; 4 — от¬ вод умягченной воды. 239
Рис. 18.6. Схема установки для реагентного умягчения воды с осветлителями: / — вертикальная камера хлопьеобразования; 2 — смеситель; 3 — дозаторы; 4 — расходные баки для реагентов; 5 — воздухоотделитель; 6 — осветли¬ тель; 7 — фильтр; 8 — бак для промывной воды; 9 — бак для воды после промывки фильтров; 10 — насос рециркуляции осадка. известково-содовым методом приведена на рис. 18.6. Эту схему применяют для умягчения мутных вод, содержащих большое коли¬ чество солей магния. Камеры хлопье¬ образования в этом случае контактной массой не загружают. Если в водоумяг- чительной установке используются освет¬ лители, разработанные ЦНИИ МПС (см. рис. 8.10), смесители и камеры хлопье¬ образования не предусматриваются, по¬ скольку смешение реагентов с водой и формирование хлопьев происходит в са¬ мих осветлителях. Большая высота при небольшом объеме осадкоуплотнителей позволяет применять их для умягчения воды без подогрева, а также при обескрем- нивании воды каустическим магнезитом. Тангенциальный подвод воды обуслов¬ ливает ее вращательное движение в ниж¬ ней части таких осветлителей, что повы¬ шает устойчивость взвешенной контакт¬ ной среды при колебаниях температуры воды и производительности установки. Вода с растворами реагентов проходит горизонтальную и вертикальную смеси¬ тельные перегородки и поступает в зону сорбционной сепарации и регулирования структуры осадка. Регулирование отбора осадка по высоте взвешенного слоя созда¬ ет условия для получения его оптималь¬ ной структуры, что улучшает эффект умягчения и осветления воды. Расчет осветлителей для реагентного умягчения воды ведут в соответствии с указаниями СНиП 2.04. 02—84. Для выделения осадков, образующих¬ ся при умягчении воды, используют так¬ же вертикальные отстойники. Особый интерес представляют отстойники, обору¬ дованные контактно-шламовым смесите¬ лем. В них твердая фаза СаС03 и Mg(OH)2 образуется в зоне уже накопленного осадка, что способствует достижению более полного умягчения и осветления обрабатываемой воды. При небольших расходах умягчаемой воды можно применять водоочистную установку типа «Струя». Обрабатываемая вода делится на три струи. Первая, ос¬ новная, струя поступает в подогрева¬ тель, а затем — в смесительный желоб ершового типа, где к ней добавляются реагенты. Вторая струя направляется в двухъярусный сатуратор, где насыщает¬ ся известью; третья — в дозаторы-смеси¬ тели, подающие в смесительный желоб раствор соды или, в случае необходи¬ мости, раствор коагулянта. Вода с добавленными к ней реагентами поступает в вертикальный отстойник, затем на фильтры. Длительность пребы¬ вания воды в отстойнике составляет 2— 4 ч в зависимости от температуры воды. Вместимость отстойников W определяют по формуле W = qi, где q — производительность установки, м3/ч; t — длительность пребывания воды в отстойнике, ч. 18.5. Термохимический метод умягчения воды Термохимическим методом воду умяг¬ чают обычно при температуре выше 100 °С. Более интенсивному умягчению воды при ее подогреве способствует: об¬ разование тяжелых и крупных хлопьев осадка и быстрейшее его осаждение вследствие снижения вязкости воды при нагревании. Расход извести сокращает¬ ся, так как свободный С02 удаляется при подогреве воды до введения реагентов. Термохимический метод может приме¬ няться с добавлением и без добавления коагулянта, поскольку большая плот- 240
Рис. 18.7. Влияние избытка соды на остаточную каль¬ циевую жесткость воды при термохимическом умяг¬ чении. Рис. 18.8. Влияние избытка соды на остаточную об¬ щую жесткость воды при термохимическом умягчении. ность осадка исключает необходимость в его утяжелении и осаждении. Применяют термохимический метод умягчения исключительно при подготов¬ ке воды для паровых котлов, так как в этом случае наиболее рационально ис¬ пользуется теплота, затраченная на подо¬ грев воды. При этом в качестве реагентов приме¬ няют в основном известь и соду с после¬ дующим добавлением фосфатов и реже гидроксид натрия и соду. При использо¬ вании гидроксида натрия вместо извести несколько упрощается конструкция установок для приготовления и дозиро¬ вания реагентов, однако экономически такая замена не оправдана в связи с высокой стоимостью реагента. Для устранения некарбонатной жест¬ кости воды соду добавляют с избытком. Влияние избытка соды на остаточную кальциевую и общую жесткость воды при термохимическом умягчении показа¬ но на рис. 18.7 и 18.8. Как видно из гра¬ фиков, при избытке соды около 0,8 мг-экв/л кальциевая жесткость воды может быть снижена до 0,2 мг-экв/л. При дальнейшем добавлении соды жест¬ кость понижается еще больше. Содержание в воде магния можно снизить до 0,05—0,10 мг-экв/л при из¬ бытке извести (гидратной щелочности) в пределах 0,10 мг-экв/л. Фосфатный метод умягчения воды как самостоятельный не применяют в связи с высокой стоимостью реагентов. Фосфа¬ ты (три- или динатрийфосфат) использу¬ ют для доумягчения воды после ее обра¬ ботки другими реагентами, например известью и содой. При добавлении этих реагентов к воде образуются малорастворимые фосфаты кальция и магния: ЗСа (НС03)2 + 2NasP04 = = Са3 (Р04)21 + 6NaHC03; 3Mg (НС03)2 + 2Na3P04 = = Mg3 (Р04)2 I + 6NaHC03; ЗСаС12 + 2Na3P04 = Са3 (Р04)2 | + 6NaCl; 3MgS04 + 2Na3P04 = Mg3 (P04)2 4, + 3Na2S04. Процесс фосфатного доумягчения воды проводят обычно при температуре свы¬ ше 100 °С. Остаточная жесткость при этом составляет 0,04—0,05 мг-экв/л. Схема установки для умягчения во¬ ды известково-содовым методом с фосфат¬ ным доумягчением приведена на рис. 18.9. Известково-доломитовый метод приме¬ няют для одновременного умягчения и Рис. 18.9. Схема установки для умягчения воды из- вестково-содовым методом с фосфатным доумягче¬ нием. «о % у оз I' §42 1 I 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 изЬыток соды, мг-экЬ/п РастЬор На Ж Оилшр Умягченная бода 241
Рис. 18.10. Схема установки для известкования и обес¬ кремнивания воды при тем¬ пературе 120 °С: / — исходная вода; 2 — по¬ верхностный подогреватель; 3 — греющий пар и его кон¬ денсат; 4 — поверхностный охладитель; 5 — осадкоу¬ плотнитель: 6 — разбрызги¬ вающее устройство: 7 — от¬ сек для возврата промыв¬ ной воды; 8 — ловушка сор¬ бента; 9 — бак с водой для промывки фильтров: 10 — осветлитель: // — насос; 12 — антрацитовый фильтр; 13 — Н, Na-кэтионитовые фильтры первой и второй ступеней; 14 — мешалка; 15 — насос-дозатор извест¬ ково-доломитового молока; 16 — обратный клапан: 17 — расходно-затворный бак; 18 — насос-дозатор раство¬ ра коагулянта. обескремнивания воды при температуре 120 °С. Метод разработан ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского. Вода обрабаты¬ вается известково-доломитовым молоком и осветляется в напорном осветлителе. После этого она проходит через напорные антрацитовые и Na-катионитовые фильт¬ ры первой и второй ступеней (рис. 18.10). Этим методом умягчения щелочность воды, обработанной известью или из¬ вестью и содой (без избытка), может быть снижена до 0,3 мг-экв/л при остаточной концентрации кальция 1,5 мг-экв/л и до 0,5 мг-экв/л при остаточной концентра¬ ции кальция 0,4 мг-экв/л. При проектировании осветлителей вы¬ соту зоны осветления принимают равной 1,5 м, скорость восходящего потока при известковании — не более 2 мм/с, дли¬ тельность пребывания воды в осветлите¬ ле — 0,75—1,5 ч (в зависимости от вида удаляемого загрязнения). Соли железа (III) рекомендуется добавлять в коли¬ честве 0,4 мг-экв/л. Метод высокотемпературного умягче¬ ния воды используют в основном для практически полного ее умягчения. Установки для термохимического умягчения воды обычно более компактны, чем при умягчении воды без подогре¬ ва. Они состоят из дозаторов реагентов, подогревателей, отстойников или освет¬ лителей и фильтров. Дозы извести ДИ и соды Дс при термо¬ химическом умягчении воды можно опре¬ делить по формулам Лнсоп Ди = 28 61 X 100 С„ Дс = 531 Ж0 - [Mg2+] \ 12 ) (без избытка); [НСО3 X ю,б х X 100 61 (с избытком 0,6 мг-экв/л), где Си и Сс — соответственно содержание СаО и Na2C03 в техническом продук¬ те, %. 18.6. Магнитная обработка воды В последнее время в отечественной и за¬ рубежной литературе появились сообще¬ ния об успешном применении магнитной обработки с целью интенсификации про¬ цессов очистки воды, для борьбы с наки- пеобразованием и инкрустацией. Механизм влияния магнитного поля на воду и ее примеси окончательно не выяснен, однако высказаны гипотезы, которые Е. Ф. Тебенихиным и Б. Т. Гу¬ севым классифицированы на три группы: первая, объединяющая большинство гипотез, объясняет действие магнитного поля его влиянием на ионы солей, при¬ сутствующих в воде (под влиянием маг¬ нитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающиеся уменьшением их гидратации, что повы¬ 242
шает вероятность их сближения и в ко¬ нечном итоге образование центров кри¬ сталлизации); вторая предполагает действие магнит¬ ного поля на примеси воды, находящиеся в коллоидном состоянии; третья группа объединяет представ¬ ления о возможном влиянии магнитного поля на структуру воды (это влияние, с одной стороны, может вызвать измене¬ ния в агрегации молекул воды, а с дру¬ гой — нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в молекулах Н20). Наиболее широко метод магнитной об¬ работки воды применяют для борьбы с накипеобразованием. Принцип метода заключается в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий накипеобразователи вы¬ деляются не на поверхности нагревания, а в массе воды. Образующиеся при этом рыхлые осадки (шлам) можно удалять при продувке. Метод эффективен не для всех вод. В большинстве случаев поло¬ жительные результаты получаются при обработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80 % вод всех водоемов нашей страны (85 % ее территории). Магнитная обработка во¬ ды получила широкое применение в борь¬ бе с накипеобразованием в конденсато¬ рах паровых турбин, в парогенераторах низкого давления и малой производи¬ тельности, в тепловых сетях и сетях горячего водоснабжения и различных теплообменных аппаратах, где использо¬ вание более совершенных методов обра¬ ботки воды экономически не выгодно. По сравнению с умягчением воды методами осаждения с применением ре¬ агентов, термохимическими методами и методами катионного обмена основными преимуществами магнитной обработки воды являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов. Магнитная обработка природных вод или растворов солей приводит к умень¬ шению интенсивности накипеобразова- ния на поверхностях нагревания только при условии перенасыщенности их как карбонатом, так и сульфатом кальция в момент воздействия магнитного поля и при условии, что концентрация сво¬ бодного С02 меньше его равновесной кон¬ центрации. Противонакипный эффект магнитной обработки воды Э определяют по форму¬ ле э = М”м™°- 100 %' где Ма и М0 — массы накипи, образовав¬ шейся на поверхности нагревания при кипячении в одинаковых условиях одно¬ го и того же количества соответственно неомагниченной и омагниченной воды, г. Противонакипный эффект зависит от состава воды, напряженности магнитного поля, скорости потока воды, продолжи¬ тельности пребывания воды в магнитном поле и от других факторов. В практике водообработки применяют¬ ся магнитные аппараты с постоянными стальными или феррито-бариевыми маг¬ нитами и электромагнитами. Аппараты с постоянными магнитами проще в изго¬ товлении и не требуют питания от элект¬ росети. В аппаратах с электромагнитом на сердечник (керн) наматываются ка¬ тушки проволоки, создающие магнитное поле. Процесс работы аппаратов может сопровождаться загрязнением зазора ме¬ ханическими примесями, главным обра¬ зом ферромагнитными. Аппараты с по¬ стоянными магнитами необходимо перио¬ дически выключать из работы, разбирать и чистить. Оксиды железа из аппаратов с электромагнитами удаляют, отключив их от сети. Схема аппарата магнитной обработки воды (АМОВ-5-1) \ серийно выпускае¬ мого Пугачевским заводом «Пугачев- птицемаш» и применяемого для пред¬ отвращения образования накипи на внут¬ ренних поверхностях котлов сельскохо¬ зяйственного назначения, приведена на рис. 18.11. Аппарат предназначен для омагничивания воды, имеющей общую жесткость до 8 мг-экв/л (с преобладанием карбонатной), содержание кислорода до 3 мг/л, железа до 0,3 мг/л и температуру не более 80 °С. В цилиндрическом корпусе аппарата установлена магнитная система (рис. 18.11). Вода проходит через отвер¬ стия в магнитопроводах со скоростью 1,5 м/с и пересекает магнитное поле 1 Строкач П. П., Климович Д. В., Жите- нев Б. Н. и др. Технология магнитной обра¬ ботки воды. Инф. листок № 09—84 БелНИИНТИ Госплана БССР, 1984. 243
Рис. 18.11. Общий вид (а) и магнитная система (б) аппарата с по¬ стоянными магнитами: 1 — корпус; 2 — магнитная система; 3 — крышка; 4 — гайка; 5 — шайба; 6 — шпилька; 7 — магнитопровод; 8 — магнит; 9 — полюс¬ ный наконечник. Рис. 18.12. Схема электромагнитного аппарата для обработки воды магнитным полем: / — вход воды; 2 — сетка; 3 — выход воды; 4 — клеммы; 5 — крыш¬ ка; 6 — корпус; 7 — сердечник (внутренний магнитопровод); 8 — намагничивающая катушка; 9 — кожух; /0 — рабочий зазор. напряженностью 168кА/м, возникающее в рабочем зазоре между корпусом и по¬ люсными наконечниками. Под воздействием магнитного поля накипеобразователи изменяют свою структуру, в потоке воды появляются центры кристаллизации и образуется высокодисперсный кристаллический шлам, не отлагающийся на стенках, а вы¬ падающий в осадок при дальнейшем на¬ гревании или кипячении воды в котлах. Аппарат монтируется в вертикальном положении в напорной части трубопро¬ вода питания котла водой. Электромагнитный аппарат (рис. 18.12) состоит из цилиндрического корпуса (на¬ ружный магнитопровод), сердечника (внутренний магнитопровод) и намагни¬ чивающих катушек в количестве от двух до шести штук. Концы катушек выведе¬ ны на клеммы, закрытые крышкой. Для защиты от воды катушки заключаются в кожух из немагнитного материала, ко¬ торый заполняется трансформаторным маслом с целью охлаждения и изоляции. Между корпусом и кожухом образуется рабочий кольцевой зазор шириной 7 мм, по которому протекает обрабатываемая вода. Стрелками показано направление магнитных силовых линий. Для защиты от грубых механических примесей на выходе установлена съемная сетка. Ка¬ тушки аппарата питаются постоянным током через выпрямитель. По данным ВТИ им. Дзержинского для воды с кар¬ бонатной жесткостью 5—7 мг-экв/л и со- лесодержанием 350—400 мг/л оптималь¬ ная напряженность магнитного поля должна составлять (9,6—12) • 194 А/м, что соответствует силе тока 6—7 А. В последние годы в конструкции элект¬ ромагнитных аппаратов вносится некото¬ рая модернизация. Например, распро¬ странение получают аппараты с внешни¬ ми намагничивающими катушками, более удобные при ремонте. Для обработки значительных количеств воды (1000 м3/'ч и более) проектируют аппараты с послой¬ ной обработкой воды. Анализ имеющейся литературы по маг¬ нитной обработке воды показывает, что в настоящее время наметилось несколько основных направлений использования этого метода в практике водоочистки: устранение накипеобразования при вы¬ соких температурах, борьба с инкруста¬ цией в аппаратах и трубопроводах, ин¬ тенсификация процессов коагуляции и Трансформаторное. масло ч / 244
кристаллизации, улучшение бактерицид¬ ного действия дезинфектантов, ускорение растворения реагентов, повышение эф¬ фективности использования ионообмен¬ ных смол. Несмотря на успешность применения магнитного поля в некоторых процессах водоподготовки, решение проблемы маг¬ нитной обработки воды требует: создания современной теории, объясняющей меха¬ низм воздействия магнитного поля на диамагнитные жидкие системы с фазо¬ выми превращениями; разработки на¬ дежных методов конструирования и рас¬ чета магнитных аппаратов; контроля процесса; дальнейшего исследования влияния ионного состава воды, органи¬ ческих и взвешенных веществ на резуль¬ таты магнитной обработки; изучения зависимости эффекта очистки воды от электрических, гидродинамических и других факторов. Схема установки для обработки доба¬ вочной питательной воды отопительных паровых котлов приведена на рис. 18.13. При проектировании магнитных аппа¬ ратов для обработки воды обычно за¬ даются такие данные: тип аппарата, его производительность, индукция магнит¬ ного поля в рабочем зазоре или соответ¬ ствующая ей напряженность магнитного поля, скорость движения воды в рабочем зазоре, длительность прохождения водой активной зоны аппарата, род тока и его напряжение для электромагнитного ап¬ парата, или магнитный сплав и раз¬ меры магнита для аппаратов с пос¬ тоянными магнитами. Некоторые теоретические предпосылки и методика инженерного расчета элект¬ ромагнитных аппаратов с постоянными магнитами приведены в специальной ли¬ тературе *. 18.7. Основы процесса умягчения воды катионированием Сущность ионного обмена основана на способности ионообменных материалов, или ионитов, поглощать из раствора 1 Тебенихин Е. Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках.— М. : Энер¬ гия, 1977. 191 с. электролита катионы в обмен на эквива¬ лентное количество ионов ионита. Процесс обработки воды методом ион¬ ного обмена, в результате которого про¬ исходит обмен катионов, называется ка¬ тионированием . Скорость ионного обмена зависит от валентности ионов, их заряда, степени гидратации, эффективного радиуса иона и др. По величине динамической актив¬ ности энергию вхождения различных катионов в катионит можно охарактери¬ зовать для одинаковых условий таким рядом: Na+ < NH+ < К+ < Ва2+ < Mg2+ < < Са2+ < А13+ < Fe3+, т. е. чем больше заряд катионов, тем больше их энергия вхождения в катио¬ нит. Эта закономерность изменяется при увеличении концентрации катионов (на¬ пример, при пропускании через катионит концентрированного раствора поварен¬ ной соли). Для катионов одинаковой валентности энергия вхождения в катионит зависит от степени их гидратации; энергия вхожде¬ ния Н+ в 17 раз больше, чем у Na+, и в 4 раза больше, чем у Са2+. Скорость ионного обмена зависит от скорости их диффузии к поверхности раздела катионит — вода и определяет¬ ся структурой катионита. При компакт¬ ной структуре катионита обмен происхо¬ дит быстро и в основном на наружных поверхностях — экстрамицеллярный об¬ мен, но при этом не полностью исполь¬ зуется сорбционная емкость катионита. В случае пористой структуры катио¬ нита, когда размеры капиллярных кана¬ лов больше диаметра гидратированных ионов, обмен совершается на внутренних Рис. 18.13. Прин¬ ципиальная схе¬ ма магнитной установки для обработки пита¬ тельной воды котлов: / — отвод осадка в отстойник; 2 — осадкоотделитель; 3—ме¬ сто забора шлама; 4 — котел; 5 — сырая вода; 6 — конденсат; 7 — ап¬ парат для магнитной об¬ работки воды; 8 — пита¬ тельный насос; 9 — пита¬ тельный бак; 10 — Дрос¬ сельная шайба. 245
/ й ш Рис. 18.14. Схема и график умягчения воды в катионитовом фильтре. поверхностях — интермицеллярный об¬ мен. Скорость его несколько меньше, а обменная емкость катионита больше. Скорости обмена ионов в катионитах и достижения полного равновесия весьма велики. По данным ВТИ им. Ф. Э. Дзер¬ жинского и ВНИИ ВОДГЕО даже в по¬ ристых катионитах обмен Са2+, Mg2+, Na+ на Н+ достигает 90—98 % в течение долей минуты, а равновесие устанавли¬ вается за 5—6 мин. Благодаря этому до¬ пустимы большие скорости фильтрования умягченной воды через катиониты. Каждый катионит обладает определен¬ ной обменной емкостью, которая выра¬ жается количеством катионов, которые катионит может обменять в течение цикла фильтрования. В технологии очистки воды обменную емкость катионита выражают в грамм- эквивалентах задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в набух¬ шем состоянии после пребывания в воде, т. е. в таком состоянии, в котором ка¬ тионит находится в фильтре. Различают полную и рабочую обмен¬ ную емкость катионита. Полной обменной емкостью катионита 1!а5ывается то количество грамм-эквива¬ лентов катионов, которое задерживает I м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жест¬ кость фильтрата сравнивается с жестко¬ стью исходной воды. Рабочей обменной емкостью катиони¬ та называется то количество грамм-экви¬ валентов катионов, которое задерживает I м3 катионита до момента «проскока» ка¬ тионов в фильтрат. Обменная емкость, отнесенная ко все¬ му объему катионита, загруженного в фильтр, называется емкостью поглощения фильтра. На рис. 18.14, иллюстрирующем про¬ цесс умягчения воды в катионитовом фильтре, точка Г характеризует жест¬ кость исходной воды, кривая АБД — за¬ висимость остаточной жесткости умяг¬ ченной воды от ее количества q, прошед¬ шего через фильтр. При фильтровании воды через слой ка¬ тионита происходит ее умягчение, закан¬ чивающееся на некоторой глубине. Слой катионита, умягчающий воду, называет¬ ся работающим слоем, или зоной умягче¬ ния (см. рис. 18.14, /). При дальнейшем фильтровании воды верхние слои катио¬ нита истощаются и теряют обменную спо¬ собность (см. рис. 18.14, //). В ионный обмен вступают нижние слои катионита и зона умягчения постепенно опускается. Через некоторое время образуются три зоны: истощенного 1, работающего 2 и свежего 3 катионита. Жесткость умягчен¬ ной воды будет постоянной до момента совмещения нижней границы зоны умяг¬ чения (а2, б2) с нижним слоем катионита (а3, б3). В момент совмещения (точка Б) начинается «проскок» катионов Са2+ и Mg2+ и увеличение остаточной жесткости умягченной воды до момента (точка Д), пока она не станет равной жесткости исходной воды, что свидетельствует о полном истощении катионита. Площадь АБВГ (см. рис. 18.14, III), эквивалентная количеству катионов, по¬ глощенных фильтром за рабочий цикл, называется рабочей емкостью поглощения фильтра. Пренебрегая жесткостью умяг¬ ченной воды, рабочую емкость поглоще¬ ния фильтра .Ёр.ф. можно выразить урав¬ нениями: ^р.ф = ^р.ф — £раб^к- Объем загруженного в фильтр катио¬ нита в набухшем состоянии VK будет = /ф^к-
Преобразовав это выражение, получим формулу для определения рабочей обмен¬ ной емкости .Ераб катионита: р _ Ж о^2 раб~ /ухк ’ где Ж0 — жесткость исходной воды, г-экв/м3; /ф — площадь катионитового фильтра, м2; hK — высота слоя катиони¬ та, м; q2 — количество умягченной во¬ ды, м3. Обозначив скорость фильтрования во¬ ды в катионитовом фильтре vK, количест¬ во умягченной воды можно определить по формуле откуда найдем длительность работы ка¬ тионитового фильтра (межрегенеранион¬ ный период) Тк: Т — ^раб^к Ж0ик ■ Площадь треугольника БВД характе¬ ризует обменную емкость зоны, остаю¬ щуюся неиспользованной (остаточной, или хвостовой). В процессе эксплуатации фильтра час¬ то «проскок» катионов жесткости начи¬ нается преждевременно. Этому моменту на кривой АБД соответствует точка Б'. Емкость поглощения (площадь А Б'В'Г) уменьшается за счет возрастания оста¬ точной емкости (Б'БД). Количество про¬ пущенной через фильтр воды qx до момен¬ та проскока в фильтрат катионов жест¬ кости снизится. В этом случае необходи¬ мо производить ревизию фильтра с вы¬ грузкой истощенного катионита или его регенерацию. 1-8.8. Катиониты и их свойства Катиониты по составу бывают минераль¬ ными и органическими, которые, в свою очередь, разделяются на катиониты есте¬ ственного и искусственного происхожде¬ ния (см. схему). Минеральные катиониты естественного происхождения характеризуются отно¬ сительно малой обменной емкостью и недостаточной стойкостью, что привело к их постепенной замене искусственными катионитами. Минеральные катиониты искусствен¬ ного происхождения приготовляют сме¬ шением раствора сульфата алюминия с растворами соды и жидкого стекла. Осаждающийся алюмосиликагель Na20 - А1203 • nSi02 • mH20 обезвожи¬ вают на фильтр-прессе с последующим просушиванием отжатого геля током го¬ рячего воздуха. Высушенный гель дро¬ бят в крупку, из которой отсеивают пригодные для загрузки фильтров зерна размером 0,5—1,5 мм. Из органических катионитов естест¬ венного происхождения иногда исполь¬ зуются гумусовые угли, измельченные до зерен диаметром 0,7—1,0 мм. Перед загрузкой в фильтр их обрабатывают в течение 2—3 ч 15 %-м раствором NaCl, подкисленным НС1 до pH = 2,0. Однако природные катиониты по ряду свойств уступают искусственным. В технологии очистки воды в основном применяют органические катиониты ис¬ кусственного происхождения. Все катиониты содержат функциональ¬ ные химически активные группы, водород которых способен замещаться другими катионами. Чаще применяются катиони¬ ты, содержащие сульфогруппу —SO.H. 247
о 5 Рис. 18.15. Схема структуры молекулы катионита (а) и анионита (6): / — матрица; 2 — потенциалобразующие ионы; 3 — ионы диффузного слоя. карбоксильную группу — СООН и фенольную группу —ОН. В последние годы синтезированы катиониты с функ¬ циональными группами фосфорной —НР03 и фосфористой — Н2Р03 кислот. Катионит может одновременно содержать несколько функциональных групп. Ка¬ тиониты с однотипными функциональны¬ ми группами называются монофункцио¬ нальными, а имеющие две и более функ¬ циональных групп — полифункциональ- ными. Монофункциональные катиониты, со¬ держащие сульфогруппы, относятся к сильнокислотным. Они полностью диссо¬ циированы и могут осуществлять ионный обмен в щелочной, нейтральной и кислой средах. Катиониты, содержащие карбок¬ сильные и фенольные группы, являются слабокислотными. В нейтральной и кис¬ лой средах они диссоциируют лишь час¬ тично, поэтому активно осуществляют ионный обмен только в щелочной среде. Катиониты с фосфорсодержащими функ¬ циональными группами обладают сред- невыраженными кислотными свойствами. Упрощенная схема структуры молеку¬ лы ионита приведена на рис. 18.15. Если подвижные ионы функциональных групп имеют положительные заряды (см. рис. 18.15, а), ионит обладает катионо¬ обменными, если отрицательные (см. рис. 18.15, б) — анионообменными свой¬ ствами. Качество катионитов характеризуется их физическими свойствами, химической и термической стойкостью, рабочей об¬ менной емкостью и др. Физические свойства катионитов зави¬ сят от их фракционного состава, механи¬ ческой прочности и насыпной плотности (набухаемости). Фракционный состав характеризует эксплуатационные свойства катионитов. Он определяется ситовым анализом. При этом учитываются: средний размер зерен, степень однородности и количество пыле¬ видных частичек, непригодных к исполь¬ зованию. Мелкозернистый катионит, обладая бо¬ лее развитой поверхностью, имеет не¬ сколько большую обменную емкость, чем крупнозернистый. Однако с уменьше¬ нием зерен катионита гидравлическое сопротивление и расход электроэнергии на фильтрование воды увеличиваются. Оптимальные размеры зерен катионита, исходя из этих соображений, принимают в пределах 0,3—1,5 мм. Рекомендуется применять катиониты (для удобства экс¬ плуатации) с коэффициентом неоднород¬ ности Кн = 2. Механическая прочность имеет важное значение для установления процента из¬ носа катионитов в процессе эксплуатации и выбора их марки. Неправильный вы¬ бор марки катионита может привести к повышенному измельчению и истира¬ нию его в работающем фильтре. Несоблюдение химических и термиче¬ ских условий эксплуатации катионитов (повышенные значения кислотности или щелочности, высокая температура обра¬ батываемой воды) приводит к их пепти- зации (переходу из нерастворимого со¬ стояния в состояние коллоидного раство¬ ра), разрушению и потере обменных свойств. В воде катиониты набухают, увеличи¬ ваясь в объеме. Это свойство необходимо учитывать при загрузке ими фильтров. Степень набухания катионита опреде¬ ляется соотношением насыпных плотно¬ стей одной и той же массы катионита в воздушно-сухом и набухшем состояни¬ ях — коэффициентом набухания. Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида удаляемых из воды ка¬ тионов, соотношения солевых компонен¬ тов в обрабатываемой воде, значения pH воды, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации ка- тионитовых фильтров, удельного расхо¬ да регенерационного раствора и от дру¬ гих факторов. Полную обменную емкость катиони¬ тов определяют в динамических условиях технологическим анализом (табл. 18.2). На отечественных водопроводах наи¬ более широко применяются сульфоуголь 248
Таблица 18.2. Технологические характеристики катионитов Марка катионита Активная группа Насыпная плот! т/ товарного юсть продукта, м3 набухшего Размер зерен, мм Полная обменная емкость, г-экв/м3 Сульфоуголь (сорт СК-1 крупный) —S03H 0,67—0,70 0,42 0,50—1,20 500 КУ-1 -S03H 0,60—0,75 0,33 0,30—2,00 650 КУ-2-8 * —S03H 0,35—1,25 1700 КУ-2 —so3H 0,73 0,65 0,30—1,50 1700 КУ-2-8чС —S03H 0,70—0,90 0,33 0,40—1,50 1700 КБ-4-П2 —СООН 0,68—0,82 0,17—0,33 0,25—1,00 2800 Эмберлайт IRC-50 —СООН 0,50 0,42 0,30—1,00 2800 * Катиониту КУ-2-8 присвоен государственный Знак качества, он обладает хорошей кислото- и щелочестойкостью, применяется при температуре 120—130 °С. и катионит КУ-2. Наиболее дешевым ка- на тионитом является сульфоуголь. Изго¬ тавливают его из коксующихся углей, которые измельчают до размеров зерен 1—5 мм и смешивают в реакторе с олеу¬ мом или купоросным маслом при 180— 200 °С. После обработки смесь выдержи¬ вают в зрельнике в течение 6—12 ч, от¬ мывают от избытка кислоты, высушива¬ ют и рассеивают на фракции. Товарный сульфоуголь — крупка черного цвета с размером зерен 0,5—1,2 (крупный сорт) или 0,25—0,70 мм (мелкий сорт). Это полифункциональный катионит, со¬ держащий —S03H, —СООН и —ОН- группы. КУ-2 (сульфополистиролдивинилбен- зол) получают в результате сульфирова¬ ния сополимеров стирола с дивинилбен- золом. Обменная емкость КУ-2 почти в 3 раза выше, чем сульфоуглей. Он обла¬ дает повышенной стойкостью к кислотам и щелочам при температуре до 106 °С. 18.9. Натрий-катионитовый метод умягчения воды Натрий-катионитовый (Ыа-катионито- вый) метод применяют для умягчения подземных и поверхностных вод с содер¬ жанием взвешенных веществ не более 5— 8 мг/л и цветностью до 30 град. Жесткость воды может быть снижена при одноступенчатом Ыа-катионирова- ниидо0,05—0,1, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л. При фильтровании воды через слой Na-катионита происходят реакции обме- 2 Na [Кат] + Са (НС03)2 Са [Кат]2 + + 2NaHC03; 2 Na [Кат] + Mg (HC03)2 <2 Mg [Кат].г + + 2NaHC03; 2 Na [Кат] + CaS04 Са [Кат]2 + Na2S04; 2 Na [Кат] + MgS04 Mg [Кат]2 + Na2S04, где [Кат] — нерастворимая матрица по¬ лимера. Процесс обработки воды на катионито- вых фильтрах состоит из следующих по¬ следовательных операций: ^фильтрова¬ ния воды через слой катионита в катио- нитовых фильтрах первой или второй ступеней до момента достижения пре¬ дельно допустимой жесткости фильтрата; 2) взрыхления слоя катионита; 3) спуска водяной подушки во избежание разбав¬ ления регенерирующего раствора; 4) ре¬ генерации катионита фильтрованием че¬ рез него соответствующего раствора; 5) отмывки катионита. Необходимая глубина умягчения при фильтровании воды через катионитовые фильтры может быть достигнута только при правильно выбранных и точно рас¬ считанных параметрах его работы. Высоту слоя катионита в фильтрах первой ступени принимают в зависимо¬ сти от жесткости умягчаемой воды от 2 до 2,5 м. Большую высоту принимают при жесткости воды, превышающей 10 мг-экв/л. Объем катионита WK опре¬ деляют по формуле 249
где q — расход умягчаемой воды, м3/ч; Жо.исх — общая жесткость исходной во¬ ды, г-экв/м3; п — число регенераций каждого фильтра в течение суток (прини¬ мается равным 1—3). Рабочую обменную емкость катионита £раб при Ыа-катионировании вычисляют по зависимости £раб = “эаРК^п-0,5<7уЖо.исх, где а^а — коэффициент эффективности регенерации (зависит от удельного рас¬ хода регенерирующего раствора); |3Na — коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по ионам Са2+ и Mg2+ вследствие частичной сорб¬ ции ионов Na; Еп — полная обменная емкость катионита, определяемая по за¬ водским паспортным данным, г-экв/м3 (см. табл. 18.2); qy — удельный расход воды на отмывку катионита (принимается равным для сульфоугля — 4, для КУ-2 — 6 м3/м3 катионита). Площадь катионитовых фильтров пер¬ вой ступени FK определяют по формуле где Н — высота слоя катионита в фильт¬ ре, м. Скорость фильтрования воды через катионитовые фильтры первой ступени принимают в зависимости от жесткости исходной воды: Общая жесткость воды. Скорость фильтрования, мг-экв/л м/ч До 5 25 5—10 15 10—15 10 При выключении фильтров на регене¬ рацию или ремонт допускается кратко¬ временное увеличение скорости фильтро¬ вания на 10 м/ч по сравнению с указан¬ ными выше значениями. Количество катионитовых фильтров первой ступени принимают: рабочих — не менее двух, резервных — один. После истощения рабочей обменной емкости катионита его отключают на ре¬ генерацию. Длительность этого процесса составляет около 2 ч, из них взрыхле¬ ние — 20—30, фильтрование регенери¬ рующего раствора — 15—30, отмывка — 30—60 мин. Взрыхляют слой катионита перед реге¬ нерацией восходящим потоком неумяг¬ ченной воды, отработанным раствором после регенерации или отмывочной во¬ дой. Интенсивность подачи воды для взрыхления принимают 4 л/(с • м2) при крупности зерен катионита 0,5—1,1 мм и 5 л/(с • м2) при крупности 0,8—1,2 мм. Воду для взрыхления подают специаль¬ ным насосом или из бака. Насосных аг¬ регатов для взрыхления должно быть: рабочих — один или два, резервных — один. Объем бака рассчитывают на запас воды для обеспечения одной дополни¬ тельной промывки сверх расчетного чис¬ ла. Заполнение бака насосами должно обеспечиваться в период между взрыхле¬ ниями фильтров. После спуска водяной подушки катио¬ нит регенерируют фильтрованием через него раствора технической поваренной соли. Расход соли Р на одну регенерацию Ыа-катионитового фильтра первой ступе¬ ни определяют по формуле п /"О 1000 где / — площадь фильтра, м2; Н — высо¬ та слоя катионита в фильтре, м; а — удельный расход соли на 1 г-экв рабочей обменной емкости катионита (для фильт¬ ров первой ступени в двухступенчатой схеме принимается 120—150, в односту¬ пенчатой схеме — 150—200 г/г-экв). Концентрация регенерационного рас¬ твора соли, в соответствии с рекоменда¬ циями СНиП, принимается 5—8 %.. Скорость фильтрования раствора NaCl через катионит принимают равной 3— 4 м/ч. В процессе регенерации происходят реакции: Са [Кат|2 + 2NaCl 2Na [Кат] + СаС12; Mg |Кат) 2 + 2NaCl 2Na [Кат] MgCl2. Поваренная соль применяется для ре¬ генерации из-за ее доступности, а также вследствие того, что получающиеся при этом хорошо растворимые соли СаС12 и MgCl2 легко удаляются с регенерацион¬ ным раствором и отмывочной водой. При фильтровании сверху вниз в про¬ цессе регенерации полный обмен ионов Na+ на содержащиеся в катионите Са2+ и Mg2+ происходит в верхних слоях за¬ грузки фильтра. При пропускании рас¬ 250
твора NaCl сверху вниз в нем возрастает концентрация вытесняемых из катиони¬ тов ионов Са2+ и Mg2+ и снижается кон- цент рация ионов Na+. Увеличение концентрации противо- ионов (в данном случае Са2+ и Mg2+) в ре¬ генерационном растворе подавляет дис¬ социацию истощенного катионита и ос¬ лабляет процесс ионного обмена. Возни¬ кающий при этом противоионный эффект тормозит регенерацию, в результате чего по мере движения регенерирующего рас¬ твора в нижние слои катионита регенера¬ ция последнего происходит менее полно и некоторое количество ионов Са2+ и Mg2+ остается невытесненным из нижних слоев катионита. Для устранения этого явления можно пропускать через катио¬ нит свежие порции раствора реагента. Но это значительно увеличивает удельный расход NaCl и повышает стоимость обра¬ ботки воды. Поэтому ограничиваются однократным пропусканием соли при жесткости умягченной воды до 0,2 мг-экв/л или двухкратным — при жесткости ниже 0,05 мг-экв/л. Аналогично в результате возникнове¬ ния противоионного эффекта при фильт¬ ровании воды сверху вниз снижается глубина умягчения воды. В этом случае противоионами являются ионы Na+. Если же регенерационный раствор и умягчаемую воду пропустить в разных направлениях, последняя при выходе из фильтра соприкасается с лучше всего отрегенерированиыми слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение-воды. Такой метод умягчения воды называется методом про- тивоточного катионирования. Для повышения степени регенерации катионита этим методом приготовление раствора NaCl и отмывку катионита пос¬ ле регенерации производят умягченной водой. При этом значительно уменьшает¬ ся расход реагентов на регенерацию катионита без снижения глубины умяг¬ чения воды. Катионит после регенерации фильтров первой ступени отмывают неумягченной водой до тех пор, пока содержание хло¬ ридов в фильтрате не станет примерно равным содержанию их в отмывочной воде. Скорость фильтрования воды при отмывке принимают равной 6—8 м/ч. Половину отмывочной воды направляют Рис. 18.16. Схема водоумягчительной установки с ка- тиоиитовыми фильтрами. в водостоки, а вторую половину — в баки для использования при взрыхлении ка¬ тионита или для приготовления регене¬ рационного раствора. Удельный расход воды на отмывку принимают равным 5—6 м3/м3 катионита. Выбор методов катионирования воды и состава очистных сооружений опреде¬ ляется требованиями к умягченной воде, составом примесей, растворенных в ис¬ ходной воде, и технико-экономическими соображениями. Наиболее простой является схема од¬ ноступенчатой катионитовой установки (рис. 18.16). Вода, пройдя Na-катионито- вые фильтры /, поступает в сборный бак 6, откуда насосом 5 подается в производ¬ ство. Катионит перед регенерацией взрыхляют отмывочной водой, поступаю¬ щей из бака 2. Раствор NaCl подается из солерастворителя 4. Отмывают катионит после пропускания раствора соли не¬ умягченной водой из бака 3. При работе по этой схеме не образуются вода и рас¬ творы с кислой реакцией, нет необходи¬ мости в применении кислотостойких ар¬ матуры, труб и в защитных покрытиях фильтров. Кроме того, в канализацию не поступают растворы, требующие нейтра¬ лизации. В тех случаях, когда необходимо одно¬ временно с умягчением воды понизить ее щелочность, применяют Na-кэтиони- товые установки с предварительным из¬ весткованием воды и очисткой ее коагу¬ лянтом. Последние два процесса произ¬ водят в установке для реагентного умяг¬ чения воды. В ней снижают карбонатную жесткость воды до 1—1,5 мг-экв/л и после 251
Рис. 18.17. Схема двухсту¬ пенчатой установки для Na- катионирования воды: /, 5 — Na-кэтионитовые фильтры первой и второй ступеней; 2, 4 — баки с рас¬ твором соли для регенера¬ ции фильтров первой и вто¬ рой ступеней; 3 — бак с во¬ дой для взрыхления загруз¬ ки фильтров; 6 — насос; 7 — бак для умягченной воды. Na-катионирования щелочность ее не превышает 1,5 мг-экв/л. Аналогичных результатов достигают, нейтрализуя ще¬ лочь кислотой в обычной Ыа-катионито- вой установке. После катионитовых фильтров вода поступает в смеситель, в который из бачка добавляют раствор H2S04. Образующийся при реакции С02 удаляется из воды дегазатором. Остаточ¬ ная щелочность воды при этом составля¬ ет 0,5—1,0 мг-экв/л. Одноступенчатая схема Ыа-катиониро- вания имеет недостатки, ограничиваю¬ щие ее применение: невозможность глу¬ бокого умягчения воды (до 0,01 мг-экв/л); относительно высокий удельный расход соли на регенерацию; неполное использо¬ вание сорбционной емкости фильтра. Для более глубокого умягчения воды, а также в целях экономии соли и увеличения фильтроцикла применяется двухступенчатое Ыа-катионирование (рис. 18.17). В этом случае в фильтрах первой ступе¬ ни вода подвергается умягчению до оста¬ точной жесткости 0,1 мг-экв/л при обыч¬ ной скорости фильтрования 10—25 м/ч. Затем умягченная вода пропускается че¬ рез фильтры второй ступени катионито- вой установки, в которой жесткость пред¬ варительно умягченной воды удается снизить до 0,01 мг-экв/л. Поскольку количество солей жесткости, поступающих на фильтры второй ступе¬ ни, незначительное, высоту слоя катио¬ нита принимают 1,5 м, а скорость фильт- Таблица 18.3. Основные показатели работы напорных фильтров при Na-катионитовом методе умягчения воды Показатель Одноступенчатое Na-катионирование Двухступенчатое ^а-катионирование Первая ступень Вторая ступень Содержание взвешенных веществ в ис- ходной воде, мг/л <5—8 /А сл 1 ОО /А СЛ 1 ОО Цветность исходной воды, град <30 <30 <30 Жесткость воды, г-экв/м3 исходной До 15 До 15 0,1 умягченной 0,05—0,10 0,1 0,01 Высота слоя катионита, м 2,5 2,5 1,5 Скорость фильтрования умягчаемой во¬ ды, м/ч при регенерации или ремонте 20—35 До 50 фильтров 20—35 при нормальной работе 10—25 10—25 До 40 Количество фильтров, шт. Рабочих 2, Рабочих 2, Рабочих 2, резервный 1 резервный 1 резервный 1 252
Продолжение табл. 18.3 Показатель Одноступенчатое Двухступенчатое Na-катионирование Na-катионирование Первая ступень Вторая ступень Интенсивность взрыхления загрузки фильтра, л/(с • м2) 4—5 4—5 4—5 Продолжительность взрыхления, мин 20—30 20—30 20—30 Удельный расход NaCl на регенерацию, г/г-экв 150—200 120—150 300—400 Концентрация регенерационного рас¬ твора соли, % 5—8 5—8 8—12 Скорость фильтрования, м/ч раствора соли 3—4 3—4 3—4 воды при отмывке 6—8 6—8 6—8 Удельный расход воды на отмывку, м3/м3 5—6 5—6 5—6 Потеря напора в фильтре, м 4—7,5 4—7,5 13—15 Взрыхление загрузки фильтра Неумягченной и отмывочной водой Приготовление раствора NaCl На неумягченной воде Отмывка загрузки фильтра после ре¬ Неумягченной водой Фильтратом пер¬ генерации вой ступени рования увеличивают до 40 м/ч. Кроме того, наличие фильтров второй ступени создает своеобразный барьер, препятст¬ вующий проскоку удаляемых катионов при различного рода случайных отклоне¬ ниях в условиях работы фильтров первой ступени. Поэтому Ыа-катионитовые фильтры второй ступени часто называют барьерными. При их наличии упрощает¬ ся эксплуатация установки, поскольку катионитовые фильтры первой ступени отключаются на регенерацию не по про¬ скоку ионов Са2+ и Mg2+, требующему тщательного контроля жесткости воды после этих фильтров, а по количеству воды, пропущенной через них. Неболь¬ шое повышение количества солей жест¬ кости после фильтров первой ступени не опасно, поскольку они будут задержаны барьерными фильтрами. Сорбционная ем¬ кость фильтров и срок их полезной рабо¬ ты при двухступенчатом катионировании увеличиваются. В связи с тем что фильтры второй ступени несут небольшую нагрузку по снижению жесткости воды, период их рабогы до регенерации сравнительно большой — достигает 150—200 ч. Катионит в фильтрах второй ступе¬ ни отмывают фильтратом первой сту¬ пени. Удельный расход соли принимают равным 300—400 г/г-экв задержанных катионов жесткости. Показатели работы Na-катионитовых фильтров приведены в табл. 18.3. 18.10. Водород-натрий- катионитовый метод умягчения воды H-Na-штионитовый метод умягчения применяют для обработки подземных и поверхностных вод, содержащих не более 5—8 мг/л взвешенных веществ и имею¬ щих цветность не более 30 град. Обработка воды водород-катионирова- нием (Н-катионированием) основана на фильтровании ее через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода: 2Н fКат) -[- Са (HC03)2 Са [Кат|2 -f- + 2COat +2Н30; 2Н [Кат] + СаС12 <=> Са [Кат]2 + 2НС1; 2Н [Кат] -f CaS04 Са [Кат]2 + H2S04; 2Н [Кат] + MgS04 Mg [Кат|2 + H2S04. При Н-катионировании выделяется С02 и значительно снижается pH воды вследствие образования минеральных кислот. С02 при Н-катионировании удаляют в дегазаторах с загрузкой из колец Рашига или с деревянной хордовой насадкой из брусков. Из приведенных ранее реакций для Nа-катионитового метода умягчения воды видно, что щелочность воды в процес¬ се ионного обмена не изменяется. Таким образом, смешивая кислый фильтрат после Н-катионитовых фильтров со ще¬ лочным фильтратом после Na-кэтиони- товых фильтров, можно получить умяг- 4 253
г Рис. 18.18. Схемы установок для парал¬ лельного (а) и последовательного (б) Н- Na- катионирования: /— солерастворитель; 2, 4— Н- и Na-кэтио- нитовые фильтры; 3 — баки для раствора кислоты и воды для взрыхления загрузки фильтров; 5 — дегазатор; 6 — вентилятор; 7 — сборный бак; 8 — насос; 9 — проме¬ жуточный бак. воде не превышает 4, натрия — 2 мг-экв/л. Полезную производительность Н- и Na-кэтионитовых фильт¬ ров с/пОЛ и t/пол при параллельном Н-Ыа-катионировании воды вы¬ числяют по формулам н Щ — а Уаол кп + Щ JVa ^noj *'ПОЛ 7Н . ■'ПОЛ’ ченную воду с различной щелочностью. В этом заключается преимущество H-Na- катионитового метода умягчения воды. Применяется параллельное, последо¬ вательное и совместное H-Na-катиониро- вание воды. При параллельном Н-Ыи-ттионирова- нии (рис. 18.18, а) одну часть воды про¬ пускают через Н-катионитовый фильтр, другую — через Ыа-катионитовый фильтр, а затем оба потока смешивают. При этом происходят реакции: 4Н [Кат] + CaS04 + Са (НСОэ)2 2Са [Кат] + + H2S04 + 2С02 f + 2Н20 (Н-катионирование); 4Na [Кат] + CaS04 -f- Са (НС03)2 2Са [Кат]2 + Na2S04i+ 2NaHCO:l (Na-кэти- онирование); H2S04 + 2NaHC03 Na2S04 + 2С02 f + + 2Н20 (смешение фильтратов). Образующиеся кислые и щелочные фильтраты смешиваются в такой пропор¬ ции, чтобы остаточная щелочность их не превышала 0,4 мг-экв/л. Для получения устойчивого и глубокого умягчения (не более 0,01 мг-экв/л) воду после дегазато¬ ра пропускают через Na-катионитовый фильтр второй ступени. Схему параллельного H-Na-кэтиони- рования целесообразно использовать в тех случаях, когда суммарная концент¬ рация сульфатов и хлоридов в исходной где qпол — полезная производи¬ тельность H-Na-катионитового фильтра, м3/ч; Щ — щелочность исходной воды, мг-экв/л; а — тре¬ буемая щелочность умягченной воды, мг-экв/л; Ан — суммарное содержание в умягченной воде анионов сильных кислот, мг-экв/л. Объемы катионитов WH и Wua в Н- и Na-катионитовых фильтрах определяют из зависимостей U7H = 24(?пол (Жо + CNa) пЕраб 24 q W nFNa раб где Ж0 — общая жесткость умягченной воды, г-экв/м3; Cn3 — концентрация в воде натрия, г-экв/м3 число регенераций каждого фильтра в те¬ чение суток (принимается равным от од¬ ного до трех); £ра6 и £рааб — рабочие об¬ менные емкости соответственно Н- и Na- катионитов, г-экв/м3. Рабочую обменную емкость Н-катиони- та можно определить по формуле Ераб = «■ Н п ' - 0,5дуСк где ан — коэффициент эффективности ре¬ генерации Н-катионита, зависящий от удельного расхода кислоты; ЕП — пол¬ ная обменная емкость катионита (пас¬ портная) в нейтральной среде, г-экв/м3; qy — удельный расход воды на отмывку катионита после регенерации (прини- 254
мается равным 4—5 м3/м3 загруженного в фильтр объема катионита); Ск — общее содержание в воде ионов Са2+, Mg2+, Na+ и К+, мг-экв/м3. Площади Н- и N а-катион итовых фильт¬ ров FН и Рыа равны где Н — высота слоя катионита в фильт¬ ре (принимается равной 2—2,5 м). Регенерируют Н-катионитовые фильт¬ ры 1—-1,5 %-м раствором серной кисло¬ ты. Большую концентрацию H2S04 при¬ менять не рекомендуется, так как при этом на зернах катионита и в щелях дре¬ нажа возможно осаждение гипса. Скорость пропускания регенерацион¬ ного раствора H2S04 через слой катиони¬ та принимают не менее 10 м/ч с последую¬ щей отмывкой катионита неумягченной водой, пропускаемой через слой катио¬ нита сверху вниз со скоростью 10 м/ч. Отмывку производят до тех пор, пока кислотность фильтрата не будет равна сумме концентраций сульфатов и хлори¬ дов в поступающей на отмывку воде. Пер¬ вую половину отмывочной воды направ¬ ляют на нейтрализацию, в накопители и т. п., вторую — подают в бак для взрыхления катионита. Расход 100 %-го раствора H2S04 на ре¬ генерацию одного Н-катионитового фильтра рассчитывают по формуле jHE*6b н 1000 где / — площадь Н-катионитового фильт¬ ра, м2; b — удельный расход H2S04 на регенерацию Н-катионитового фильт¬ ра, г/г-экв поглощенных ионов Са2+, Mg2+ и Na+. При последовательном H-Na-штиони- ровании (см. рис. 18.18, б) часть во¬ ды пропускают через Н-катионитовые фильтры, затем смешивают ее с оста¬ льной водой и полученную смесь пропус¬ кают через дегазатор для удаления С02. После этого всю воду подают на Na-кэти- онитовые фильтры. Количество воды, подг вергающейся Н-катионированию, опреде¬ ляют, как и при параллельном H-Na-Ka- тионировании. Подобное включение ка- тионитовых фильтров позволяет более полно использовать обменную емкость Н- катионита и снизить расход кислоты на его регенерацию, поскольку отключение Н-катионитовых фильтров в данном слу¬ чае определяется не по проскоку катионов жесткости порядка 0,05 мг-экв/л, а по допустимому их содержанию — 1,0 мг-экв/л. При повышенных требова¬ ниях к умягчению воды схема дополняет¬ ся Na-катионитовыми фильтрами второй ступени. К недостатку схемы следует отнести большой расход электроэнергии на проталкивание воды через последова¬ тельно включенные фильтры. Схему последовательного Н-Ыа-катионирова- ния используют при умягчении воды с повышенными жесткостью и солесодер- жанием; остаточная щелочность при этом составляет примерно 0,7 мг-экв/л. Применяют также схему последова¬ тельного Н-Nа-катионирования воды при «голодном» режиме регенерации Н-катио- нитовых фильтров. В таких случаях весь поток умягчаемой воды последовательно пропускают через Н-катионитовые фильтры, регенерируемые стехиометри- ческим количеством кислоты, затем через дегазатор для удаления С02 и, наконец, через одну или две ступени Ыа-катиони- товых фильтров. Стехиометрический рас¬ чет режима регенерации Н-катионита предусматривает устранение из воды лишь карбонатной жесткости, некарбо¬ натная жесткость удаляется на Na-кэтио- ните. При использовании этой схемы не образуются кислые сточные воды и мож¬ но получить глубокоумягченную воду с остаточной жесткостью Ж = 0,01 и ще¬ лочностью Щ ^ 0,7 г-экв/м3. Ее можно применять для обработки вод, содержа¬ щих до 2000—3000 мг/л солей при раз¬ личной концентрации натрия, но карбо¬ натная жесткость должна быть не мень¬ ше 1 мг-экв/л. Совместное H-Na-катионирование про¬ изводится в одном фильтре, верхним слоем загрузки которого является Н- катионит, а нижним — Na-катионит. Схема установки (рис. 18.19) включает Н-Ыа-катионитовый фильтр, солераство- ритель, а также баки для раствора кисло¬ ты и раствора, используемого для взрых¬ ления катионита. Регенерируют катионит так: после взрыхления его обрабатывают сначала раствором кислоты, а затем рас¬ твором поваренной соли с последующей отмывкой. При умягчении воды по схеме совместного H-Na-катионирования оста¬ точная щелочность воды составляет 1,5— 255
Рис. 18.19. Схема установки для совместного Н- Na-катионирова- ния: / — солераствори- тель; 2 — бак для раствора кислоты; 3 — бак с водой для взрыхления загрузки фильт¬ ров; 4 — H-Na- катионитовый фильтр. 2 мг-экв/л, жесткость — порядка 0,1— 0,3 мг-экв/л. Жесткость исходной воды не должна превышать 6 мг-экв/л, содержать натрия до 1—1,5 мг-экв/л, характеризо¬ ваться соотношением карбонатной и не-- карбонатной жесткости, большим еди¬ ницы. Преимуществом данной схемы являет¬ ся отсутствие кислых сточных вод, не¬ достатком — сложность регенерации для получения верхнего слоя Н-катионита и нижнего слоя Na-катионита. Увеличение концентрации натрия в свежем регенерационном растворе обыч¬ но приводит к увеличению удельного расхода поваренной соли на регенера¬ цию. Поэтому с целью повышения эффек¬ тивности регенерации прибегают к уве¬ личению концентрации раствора NaCl только в конце регенерации. Эффектив¬ ность регенерации возрастает при повы¬ шении температуры регенерационного раствора до 35—40 °С за счет ускорения диффузионных процессов. Достаточный эффект регенерации и нужная глубина умягчения не обеспечиваются, если для регенерации применяются растворы соли с высокой жесткостью, поэтому нужно применять поваренную соль, не загряз¬ ненную солями жесткости. Во избежание взвешивания катионита в фильтре во вре¬ мя регенерации интенсивность подачи в фильтр регенерационного раствора и отмывочной воды не должна превышать рекомендуемых СНиП значений. При наличии на станциях резервных фильтров с целью сокращения расхода соли можно применять регенерацию с выдерживанием катионита в течение 30— 50 мин в рассоле. Если установка работает круглосуточ¬ но, Н- и Ыа-катионитовых фильтров должно быть не менее двух. При коли¬ честве фильтров на установке менее шести принимается один резервный Н- катионитовый фильтр, при большем их количестве — два. Резервные Na-кэтио- нитовые фильтры устанавливать не реко¬ мендуется. 18.11. Натрий-хлор-ионитовый метод умягчения воды Натрий-хлор-ионитовый (Na-Cl-ионито- вый) метод основан на умягчении воды с одновременным снижением щелочности и осуществляется последовательным фильтрованием обрабатываемой воды че¬ рез Na-катионитовый фильтр первой сту¬ пени, С1-анионитовый фильтр и затем Ыа-катионитовый фильтр второй ступе¬ ни. Метод рекомендуется применять при соотношении концентраций анионов в исходной воде [НСО3-1 ^ { [SO|-] -j- [NOJ-] + [МОП ■" Сумма анионов сильных кислот (кроме С1_) не должна превышать 3 мг-экв/л. Вторую ступень Na-катионирования рационально совмещать в одном фильтре с С1-анионированием, при этом снизу в фильтр на 1/3 загружается катионит (КУ-1, КУ-2 и др.), а сверху на 2/3 анио¬ нит, например АВ-17-8 (рис. 18.20). Иониты регенерируют 5 %-м раство¬ ром NaCl, в результате чего катионит переводится в Na-форму, а анионит — в Cl-форму. При загрязнении регенера¬ ционного раствора солями жесткости в слое анионита может осаждаться СаС03, в результате чего снижается его обменная емкость и нарушается гидродинамика фильтрующего слоя (сопротивление слоя может возрастать). Поэтому регенера¬ ционный раствор после С1-анионитовых фильтров можно использовать повторно только в случаях повышенной минерали¬ зации исходной воды. Отрицательно воз¬ действуют на обменную емкость аниони¬ та содержащиеся в воде соединения желе¬ за и органические вещества. Рис. 18.20. Схе- ма Na-Cl-иониро- вания: I — исходная во¬ да; 2 — Na-кэти- онитовый фильтр первой ступени; 3 — Na-Cl-ионито- вый фильтр; 4 — ионированная во¬ да. ТА г' 256
В N а-катионитовом фильтре ионы Са2+ и Mg2+ замещаются на Na+. В совме¬ щенном Na-Cl-ионитовом фильтре в слое анионита ионы S04~, NOF, N07, НСОГ, содержащиеся в обрабатываемой воде, обмениваются на ионы С1—, а в слое ка¬ тионита «проскочившие» ионы жесткости обмениваются на ионы Na+: 2Na [Кат] + Са (НС03)2 Са [Кат]2 + + 2NaHC03; 2 Na [Кат] -f MgS04 <=> Mg [Кат]2 + Na2S04; 2Na [Кат] + СаС12 Са [Кат]2 + 2NaCl; 2 | Ан] Cl -f- Na2S04 [Ah]2 S04 + 2NaCl; [Ан] Cl + NaN03 [Ah] N03 + NaCl; [Ah| Cl + NaHC03 |Ah] HC03 + NaCl. Удельный расход NaCl на регенерацию составляет 65 кг на 1 м3 объема ионитов в фильтре. Отмывают смесь катионита и анионита неумягченной водой. Расход воды на отмывку принимают 5 м3/м3 за¬ грузки фильтра. Для регенерации катио- нитовых фильтров первой ступени ис¬ пользуют отработанный раствор после регенерации фильтров второй ступени. Объем анионита Wдн в фильтрах второй ступени определяют по формуле 24QNa (Щ + [SO2-] - 0,7) U7 — w Ан — пЕНСОъ полн где QNa — производительность Na-кэтио- нитовых фильтров, м3/ч; Щ — щелочность умягченной воды, мг-экв/л; (SOf-1 — содержание сульфат-ионов в исходной воде, мг/л; п — число регенераций фильтра в течение суток (принимают 1 — 3); £Полн — полная обменная емкость анионита по ионам НСОГ и S04~ (прини¬ мают 500 г-экв/м3). Жесткость умягчен¬ ной воды составляет 0,01 мг-экв/л, ще¬ лочность — 0,2 мг-экв/л. На установках производительностью от 5 до 50 м3/ч Na-Cl-ионитовый метод умягчения воды имеет ряд преимуществ по сравнению с H-Na-катионитовым ме¬ тодом: расходуется только один ре¬ агент — NaCl, отпадает необходимость в кислотном хозяйстве, не требуется анти¬ коррозионной защиты оборудования, трубопроводов и специальной арматуры, уменьшается количество оборудования, упрощается контроль за работой и эксп¬ луатацией водоумягчительной установ¬ ки. Недостаток метода — повышение в умягченной воде количества хлоридов на величину, эквивалентную ее щелочности. 18.12. Конструкция катионитовых фильтров и защита их, аппаратуры и коммуникаций от коррозии Катионитовые фильтры бывают открыты¬ ми и напорными. Открытые катионитовые фильтры (18.21) применяются на станциях произ¬ водительностью свыше 500 м3/ч с односту- Рис. 18.21. Схема открытого катионитового фильтра: 1 — Na-кэтионит; 2 — подача 2 %-го раствора соли; 3 — подача 7 %-го раствора соли; 4 — подача умяг¬ чаемой воды: 5 — отвод воды после взрыхления катионита; 6 — отвод умягченной воды; 7 — отвод отрабо¬ танных отмывочных вод; 8 — резервуар для 2 %-го раствора соли; 9 — резервуар для 7 %-го раствора соли; 10 — подача воды для взрыхления катионита; 11 — трубопровод для опорожнения фильтра; 12 — всасы¬ вающие линии отмывочных вод. 9 5-2398 257
Рис. 18.22. Схема Na-катионитового фильгра: / — корпус; 2 — воронка; 3 — во¬ дяная подушка; 4 — катионит; 5 — дренажная систе¬ ма; 6 — бетонное днище; 7 — опо¬ ры. пенчатым катионированием. Наиболее широко применяются напорные катиони- товые фильтры (рис. 18.22). Они состоят из следующих основных конструктивных узлов: корпуса, верхней распредели¬ тельной и нижней дренажной систем и трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой и контрольно-измерительны¬ ми приборами. Корпус напорного фильтра представ¬ ляет собой цилиндрический стальной резервуар со сферическими днищем и крышкой. К днищу фильтра приварены опоры для установки аппарата на фунда¬ мент, к крышке — скобы для монтажа и транспортирования. В цилиндрической части корпуса имеются лазы для монта¬ жа, ремонта и осмотра внутренних эле¬ ментов фильтра и люки для гидравличе¬ ской загрузки и выгрузки фильтрующего материала. Верхняя распределительная система состоит из вертикального заглушенного на конце коллектора, к отверстиям кото¬ рого в одной горизонтальной плоскости присоединены перфорированные трубы с направленными вверх отверстиями. Че¬ рез верхнюю распределительную систему подается умягчаемая вода и регенера¬ ционный раствор, а также отводится вода после взрыхления загрузки. Дренажная система фильтра, распола¬ гаемая под слоем ионообменного мате¬ риала, состоит из центрального коллек¬ тора, к которому присоединены распре¬ делительные трубы. Предназначена она для равномерного отвода умягченной во¬ ды и распределения воды для взрыхления катионита. Все элементы верхней распределитель¬ ной и нижней дренажной систем изготов¬ ляют в основном из нержавеющей стали. Иногда трубы верхней распределитель¬ ной системы изготовляют из полиэти¬ лена. Пространство между дренажной систе¬ мой и днищем по окончании монтажных работ заливают бетоном. Выпускаемые серийно отечественной промышленностью напорные катионито- вые фильтры бывают шести типоразме¬ ров, различных диаметров и с различной высотой загрузки; рассчитаны они на рабочее давление 0,6 МПа и рабочую температуру до 60 °С. Каждый катионитовый фильтр обору¬ дуется необходимым количеством задви¬ жек и вентилей для управления работой фильтра, отбора проб воды. Кроме того, каждый фильтр снабжают следующей контрольно-измерительной аппаратурой: расходомером для измерения производи¬ тельности фильтра, счетчиком для заме¬ ра общего количества умягченной воды и двумя манометрами, один из которых фиксирует давление воды до фильтра, другой — после него. Вся аппаратура, как правило, размещается с одной сто¬ роны фильтра, называемой фронтом фильтра. В катионитовых фильтрах обычно под¬ держивающих слоев не устраивают, а применяют щелевые дренажи, не требую¬ щие поддонных слоев. Под всеми емкостями с серной кисло¬ той должны быть устроены поддоны, об¬ лицованные кислотостойким материа¬ лом. Транспортировать растворы кисло¬ ты и поваренной соли необходимо по коррозионностойким трубопроводам. 18.13. Вспомогательные устройства и расход воды на собственные нужды катионитовых водоумягчительных установок В состав катионитовых водоумягчитель¬ ных установок входят вспомогательные устройства для регенерации, взрыхления и отмывки фильтров в процессе их эксп¬ луатации. На водоумягчительных установках ма¬ лой производительности с расходом NaCl меньше 0,5 т/сут соль можно хра- 258
нить в сухом виде в неотапливаемых складах и растворять непосредственно перед регенерацией Ыа-катионитового фильтра. Для приготовления регенерационного 7—10 %-го раствора используют напор¬ ные солерастворители проточного типа. Они представляют собой металлические цилиндрические резервуары, рассчитан¬ ные на рабочее давление до 0,6 МПа (рис. 18.23). В нижней части солераство- рителя укреплено дренажное устройство, на котором располагается загрузка из песка, антрацита или гравия с уменьшаю¬ щимися снизу вверх размерами зерен. На загрузку помещается поваренная соль в количестве, необходимом для од¬ ной регенерации. Для загрузки соли ис¬ пользуется воронка, в которую при от¬ крытой задвижке вставляется стакан, в рабочем состоянии задвижка закрыта. Верхняя съемная крышка и лаз в сере¬ дине корпуса позволяют наблюдать за состоянием внутренних поверхностей. Концентрация раствора NaCl, выходя¬ щего из проточного солерастворителя, неблагоприятна для регенерации Na-Ka- тионитовых фильтров — вначале она большая, а по мере растворения соли падает. Поэтому иногда раствор соли из с ол^ерастворителя направляют в отдель¬ ный бак, где поддерживают концентра¬ цию рассола в пределах 7—10 %, затем при регенерации его разбавляют. При больших расходах соли применя¬ ют мокрое^ее хранение, при котором по¬ ступающий на водоумягчительную уста¬ новку NaCl засыпают в баки и заливают водой. Объем баков для мокрого хране¬ ния соли Wu x рассчитывают по формуле Рис. 18.23. Солерас- творитель: / воронка; 2 — за¬ порное устройство; 3 — водораспредели¬ тель; 4 — соль; 5 — зернистая загрузка; 6 — отвод раствора соли; 7 —выпуск в ка¬ нализацию; 8 — тру¬ ба для подачи воды в солерастворитель; 9 — манометры. В канализацию w — м.х дЖпта 104уй где q — расход воды на регенерацию Na- катионитовых фильтров, м3/сут; Ж0 — удаляемая при Ыа-катионировании об¬ щая жесткость воды, г-экв/м3; т — срок хранения запаса соли (обычно 20 40 сут); а — удельный расход соли на ре¬ генерацию катионита, г/г-экв поглощен¬ ной жесткости; у — плотность раствора соли, г/см3; b — концентрация раствора соли (обычно равна 20—25 %). Г1о приведенной формуле 1 т NaCl занимает 5—6 м3 вместимости бака. Для уменьшения его объема соль можно хра¬ нить не в виде раствора, а в замоченном 9* состоянии; при этом необходимая вмести¬ мость бака составляет 2—2,5 м3 на 1 т соли. Схема солевого хозяйства водоумягчи- тельной установки приведена на рис 18.24. Она состоит из резервуаров фильтров с песчаной загрузкой, мерни¬ ков для осветленного рассола и насосов Железобетонные баки-хранилища обыч¬ но располагают вне здания с некоторым заглублением в грунт и перекрывают дощатыми щитами. При однорядном рас¬ положении хранилищ мокрой соли их располагают параллельно стене водо- умягчительной станции, при двухряд¬ ном — между ними устраивается желез¬ нодорожная колея, а также оборудуется насосная станция с насосами и воздухо¬ дувками. Для ускорения растворения NaCl применяют перемешивание возду¬ хом, циркуляцию рассола или сочетают оба способа; при низкой температуре окружающей среды желательно приме¬ нять подогретую воду. На дне баков- хранилищ прокладывают лоток или сбор¬ ную дырчатую трубу и ограждают коро- 259
10% -й 5 растбор Насыщенный растбор Nad Рис. 18.24. Схема солевого хозяйства для регенерации Na-катионитовых фильтров: I — резервуар для соли и воды; 2 — насосы; 3 — кварцевый фильтр; 4 — расходомеры; 5 — смеситель. бом с отверстиями, который обсыпают гравием или щебнем крупностью от 3—4 до 30—40 мм, что позволяет освободить рассол от низкодисперсных примесей. Более полно раствор NaCl осветляется на кварцевых фильтрах. Рекомендуется применять открытые фильтры; скорость фильтрования — до 15 м/ч при высоте слоя песка 0,6—0,8 м (размер зерен 1— 1,5 мм). Осветленный концентрированный рас¬ твор NaCl собирается в бак с двумя от¬ делениями, используемыми в качестве мерников. Целесообразно подавать рас¬ сол на катионитовые фильтры эжектором, одновременно разбавляя его до нужной концентрации. При этом на трубопро¬ воде эжектирующей веды (давление не менее 0,40—0,45 МПа) устанавливается расходомер, а за эжектором автоматиче¬ ский концентратомер. При H-Na-катионитовом методе умяг¬ чения воды станция оборудуется также кислотным хозяйством, которое должно обеспечивать месячный запас реагента. Вместимость железнодорожных цистерн, в которых поставляется серная кислота, составляет до 50—60 т, поэтому объем хранилищ должен обеспечивать их опо¬ рожнение. Схема кислотного хозяйства приведена на рис. 18.25. Она состоит из цистерн-хранилищ, мерников для кон¬ центрированной кислоты и вакуум-насо- сов. Серную кислоту переливают из же¬ лезнодорожных цистерн в цистерны-хра¬ нилища сифоном, который заряжается вакуум-насосом. Под вакуумом кислота поступает в мерник и затем эжектором подается на Н-катионитовый фильтр с одновременным разбавлением до 1—- 1,5 %. Перед эжектором устанавливает¬ ся расходомер для воды, после эжекто¬ ра — концентратомер для кислоты. Объем цистерн для хранения серной кислоты Гц и полезную вместимость мер¬ ника WM определяют по формулам д„Ж0ат by q«>K-0ta 10 ibyn где qa — расход воды на Н-катионитовые фильтры, м3/ч; Ж0 — общая жесткость исходной воды, мг-экв/л; а — удельный расход кислоты на регенерацию катиони¬ та, г/г-экв; т — срок хранения запаса кислоты, сут; Ь — концентрация серной кислоты (принимается равной 90—92 %); у — плотность кислоты, г/см3; t — дли¬ тельность работы фильтров между реге¬ нерациями, ч; п — число рабочих фильт¬ ров, шт. При проектировании установок с при¬ менением H2S04 необходимо избегать схем, в которых кислота находится или транспортируется под давлением. Объём баков для регенерационного раствора поваренной соли Wn.c и серной кислоты WK (если предусмотрено их раз¬ бавление до фильтров) рассчитывают по формулам U7 : 20 1000 «7К = 65 1000 Рис. 18.25. Схема кислотного хозяйст¬ ва для регенерации Н-катионитовых фильтров: / — железнодорожная цистерна с ки¬ слотой; 2 — цистерна-хранилище; 3 — мерник кислоты; 4 — эжектор; 5 — расходомер для воды. 260
где Рпс и Рк — соответственно расходы поваренной соли и кислоты на регенера¬ цию, м3. Бак для воды, используемой для взрыхления слоя катионита, рассчиты¬ вают на последовательное проведение этой операции в двух фильтрах. Объем его W„ вычисляют так: Г„ = 2 60wftB 1000 = 0,l2wftB, где w —- интенсивность взрыхления ка¬ тионита, л/(с • м2); / — площадь одного фильтра, м2; tB — продолжительность взрыхления, мин. Бак располагают так, чтобы его дно было на 4 м выше сборной воронки фильтра. Общий расход воды на собственные нужды Н-1Ча-катионитовых установок со¬ стоит из доз воды, потребляемой на сле¬ дующие технологические операции: при¬ готовление регенерационных растворов соли и кислоты; взрыхление катионита в фильтрах перед регенерацией; отмывка катионита после регенерации. На эти цели используют осветленную, неумяг- ченную воду. На катионитовую установ¬ ку должно поступать Q м3/сут воды: Q = Qy + Qt + Q2 + где Qy — полезная производительность установки по умягчению воды; Qlt Q2, Q3 —• соответственно расходы воды на приготовление регенерационного раство¬ ра, взрыхление и отмывку катионита. При повторном использовании отмы¬ вочной воды для взрыхления фильтров расход воды на собственные нужды сок¬ ращается на Q2. Расчетный расход воды для приготов¬ ления растворов NaCl — и H2S04 — Qi равен: 100 nnJHE^a 1000 • 10006 ’ 100 nJHE^a, 1000 • lOOObj ’ где п и — соответственно число Na- и Н-катионитовых фильтров и регенера¬ ций каждого фильтра в течение суток; / и Я — площадь (м2) и высота (м) загруз¬ ки фильтра катионитом; Ер*б и £^аб — рабочая обменная емкость соответствен¬ но Na- и Н-катионита, г-экв/м3; а и ах — Qi = соответственно удельные расходы NaCl и H2S04, г/г-экв удаляемой жесткости; Ь, Ъх — средние концентрации регенера¬ ционного раствора NaCl (принимается в пределах 5—8 %) и H2S04 (в расчетах принимается равной 1—1,5 %). Расход воды на взрыхление катионита Q2 определяют по формуле Q2 — 0,06 nnjwt, где w — интенсивность взрыхления (в за¬ висимости от крупности зерен катионита принимается в пределах 4—5 л/(м2 • с); t — продолжительность взрыхления (принимается равной 20—30 мин). Расход воды на отмывку катионита Q3 рассчитывают по формуле Q3 = nriyfHc, где с — удельный расход отмывочной во¬ ды (принимается равным 4—6 м3/м3 кати¬ онита). При регенерации Н-катионитовых фильтров образуются кислые сточные воды. Нейтрализовать их можно извест¬ ковым молоком, доломитовой или магне¬ зитовой крошкой. Дозируют известковое молоко по показаниям рН-метра, элект¬ роды его устанавливают в лотке, по кото¬ рому отводятся сточные воды из бака- нейтрализатора. Более простая установ¬ ка получается, если бак-нейтрализатор загрузить доломитовой или магнезитовой крошкой с размером зерен 2,0 мм и вы¬ сотой слоя не менее 0,7 м. Кислые сточ¬ ные воды поступают через дренажную систему щелевых винипластовых труб и поднимаются вверх через крошку к сбор¬ ному лотку; скорость восходящего пото¬ ка воды не должна превышать 20 м/ч. 18.14. Пуск, наладка и эксплуатация катионитовых водоумягчительных установок Период пуска и наладки катионитовых водоумягчительных установок, пред¬ шествующий окончательному их вводу в эксплуатацию, требует от обслуживаю¬ щего персонала специальных знаний и навыков. Особое внимание следует уде¬ лять загрузке и наладке фильтров. Пуску катионитового фильтра после монтажа, ремонта или перегрузки долж¬ но предшествовать его испытание: осмотр наружного состояния дренажа; проверка 261
исправности колпачков и устойчивости их крепления к трубкам; проверка дейст¬ вия дренажной системы потоком воды, настройка автоматического регулятора интенсивности взрыхления фильтра. После испытания воду из фильтра вы¬ пускают и приступают к загрузке и под¬ готовке его к работе. Для этого строго горизонтально укладывают поддержи¬ вающие слои гравия (если они преду¬ смотрены), промывают их потоком воды, подаваемой снизу через дренаж, и засы¬ пают катионит слоями по 30—40 см с таким расчетом, чтобы общий его слой соответствовал размеру фильтра. Затем фильтр промывают водой, постепенно увеличивая интенсивность промывки с 1,5—2 до 4—5 л/(с • м2). Закончив про¬ мывку и осмотрев после нее фильтр, ка¬ тионит регенерируют. При наладке фильтра выявляют опти¬ мальные скорости фильтрования, про¬ должительность фильтроцикла, скорость взрыхления, режим и продолжитель¬ ность регенерации загрузки фильтра, расход соли и кислоты на регенерацию катионита. Расход соли в период наладки работы станции умягчения обычно устанавлива¬ ют методом пробных регенераций. Отмывку Na-катионитового фильтра производят до тех пор, пока жесткость отмывочной воды не снизится до 0,05 мг-экв/л, а содержание хлоридов в ней будет не более чем на 35—40 мг/л превышать их содержание в воде, посту¬ пающей на фильтр. Серную кислоту для регенерации от¬ меривают по объему, определяя плотно¬ мером или ареометром ее плотность. Все операции по эксплуатации катио- нитовой установки выполняет дежурный (оператор). Он должен уметь определять длительность регенерации катионитовых фильтров и всех связанных с нею опера¬ ций. Через каждые 15—20 мин он обязан проводить экспресс-анализ на жесткость умягченной воды. Перед регенерацией Na-катионитового фильтра устраняют уплотнение слежав¬ шейся массы промывкой и взрыхлением, ) чтобы обеспечить более свободный доступ регенерационного раствора к зернам ка¬ тионита; при этом из фильтра удаляются накапливающиеся в слое загрузки мел¬ кие частички, Затем спускают водяную подушку. Если же регенерация катиони¬ та производится при помощи солераство- рителя, водяную подушку из фильтра не спускают. По окончании взрыхления фильтр наполняют регенерационным раствором и осуществляют собственно регенерацию. Затем отмывают загрузку фильтра для удаления из катионитового материала оставшегося регенерационно¬ го раствора и продуктов регенерации, заполняющих поры между зернами ка¬ тионита. Раствор H2S04 при регенерации Н- катионитовых фильтров пропускают быстро и без остановок, загрузку отмы¬ вают сразу же по окончании регенера¬ ции. Это необходимо во избежание осаж¬ дения в фильтре гипса, поскольку в про¬ цессе регенерации концентрация Са2+ и S042~ может превысить произведение растворимости CaS04: Са [Кат]2 + H.2S04 ^ 2Н [Кат| + CaS04 \ . При установленном режиме умягчения воды периодически отбирают пробу из- под фильтра для экспресс-анализа на ще¬ лочность и жесткость; как только жест¬ кость умягченной воды снизится до зна¬ чения, близкого к установленной норме, переключают задвижки. Эти операции следует осуществлять одновременно и плавно, не допуская рывков. В результа¬ те будет восстановлен процесс нормаль¬ ной работы фильтра. Если в процессе эксплуатации катио¬ нитовых фильтров снижается обменная емкость поглощения, находят причины, вызывающие снижение эффекта умягче¬ ния воды. Чаще всего ими могут быть загрязнение загрузки фильтра взве¬ шенными и органическими веществами; сорбция катионитом ионов алюминия или железа в результате нарушения ре¬ жима коагуляции; разрушение катиони¬ та, его слеживание и засорение карбо¬ натными отложениями. 262
Глава 19 ОБЕССОЛИВАНИЕ И ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ 19.1. Методы обессоливания и опреснения воды Процесс удаления солей из воды в зави¬ симости от степени их извлечения назы¬ вается обессоливанием или опреснением. При обессоливании воды концентрация растворенных солей снижается до преде¬ ла, близкого к содержанию их в дистил¬ лированной воде; при опреснении — до концентрации, допустимой при исполь¬ зовании воды для хозяйственно-питьевых целей. Методы обессоливания и опреснения воды разделяют на две основные группы: с изменением и без изменения агрегатно¬ го состояния. К первой группе методов относятся дистилляция, нагревание воды сверх критической температуры (350 °С), замо¬ раживание, газогидратный метод; ко второй — ионообмен, электродиализ, об¬ ратный осмос (гиперфильтрация), ульт¬ рафильтрация, экстракция и др. Наиболее распространенными в прак¬ тике водообработки являются дистилля¬ ция и ионообмен. Выбор метода обусловливается качест¬ вом очищаемой воды, требованиями к ка¬ честву очищенной воды, производитель¬ ностью установки и технико-экономиче¬ скими соображениями. Стоимость обессоливания воды ионо- обменом сильно возрастает с увеличени¬ ем содержания соли в воде; одновременно снижается глубина обессоливания воды. Поэтому обессоливание • ионообменом предпочтительно для вод со степенью минерализации менее 1 500—2 ООО мг/л и суммарным содержанием хлоридов и сульфатов не более 5 мг-экв/л. Выбор метода обессоливания воды со степенью минерализации более 1000 мг/л должен производиться экономическим сравнени¬ ем ионообменного и дистилляционного или других методов с учетом местных условий. При содержании солей в воде до 1,5— 2 г/л рекомендуется использовать ионооб¬ менный метод обессоливания, более 10 г/л — дистилляцию,' замораживание или обратный осмос; 2,5—15 г/л — элект¬ родиализ или гиперфильтрацию. 19.2. Обессоливание и опреснение воды дистилляцией. Эксплуатация установок Метод опреснения и обессоливания воды дистилляцией относится к самым старым и широко распространенным. Он основан на выпаривании воды с последующей конденсацией паров. Для выпаривания используют теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива,теплоту конденсации пара, энергию солнечных лучей, атомных реакторов и т. д. Дистиллируют воду в испарителях различных конструкций. Простейшая од¬ ноступенчатая испарительная установка состоит из котла, где образуется пар при кипячении воды, испарителя со змееви¬ ком, конденсатора пара, сборника обес¬ соленной воды и насоса для подачи обес¬ соленной воды потребителю (рис. 19.1). Вода в котле 1 нагревается до кипения. Первичный пар из котла поступает в змеевик испарителя 2, где конденсирует¬ ся в практически обессоленную воду. За счет теплоты, отданной конденси¬ рующимся первичным паром, образуется вторичный пар из обессоливаемой воды. Вторичный пар, поступая в конденсатор 5, конденсируется и сливается в общий сборник обессоленной воды 5, откуда она насосом 4 подается по назначению. В зависимости от требований, предъяв¬ ляемых к обрабатываемой воде, получен¬ ный дистиллят может разбавляться ис¬ ходной водой до достижения заданного содержания солей. Объем испарителя по высоте разде¬ ляется на водяной и паровой объемы с Вторичный пар Пербичный пар К потребителю Рис. 19.1. Схема одноступенчатой испарительной ус¬ тановки. 263
Рис. 19.?. Схема четырехступенча¬ той испаритель¬ ной установки: /—4 — соответст¬ венно первая, вто¬ рая, третья и чет¬ вертая ступени испарительной ус¬ тановки; 5 — по¬ верхностный охла¬ дитель; 6 — насос для питания испа¬ рителей; 7 — на¬ сос для перекачки обессоленной во¬ ды; 8 — бак для сбора обессолен¬ ной воды. границей между ними, называемой зерка¬ лом испарения. Различают испарители с естественной и искусственной циркуляцией испаряе¬ мой воды, вертикальные и горизонталь¬ ные (в зависимости от положения корпу¬ са испарителя) испарители, работающие под давлением пара ниже (вакуумные ис¬ парители) и выше атмосферного. Чаще применяются многоступенчатые испарительные установки, преимущест¬ вом которых является то, что на единицу исходного первичного пара удается по¬ лучить значительно большее количество обессоленной воды. Так, при одноступен¬ чатом испарении на 1 т исходного первич¬ ного пара получается около 0,9 т обессо¬ ленной воды, при двухступенчатом — 1,7, при трехступенчатом — 2,4, при че¬ тырехступенчатом — около 3,1 т и т. д. Для установок, имеющих 50—60 сту¬ пеней, на 1 т греющего пара вырабаты¬ вается 15—20 т опресненной воды. Удель¬ ный расход электроэнергии в современ¬ ных дистилляционных установках со- ПерВитый тр Рис. 19.3. Одноступенчатая испарительная установка с термокомпрессором: / — котел; 2 — термокомпрессор; 3 — испаритель; 4 — конденсатор; 5 — насос для перекачки обессо¬ ленной воды; 6 — сборник обессоленной воды. ставляет 3,5—4,5 кВт • ч на 1 т дистил¬ лята. В четырехступенчатой испарительной установке (рис. 19.2) греющий острый пар поступает на первую ступень испари¬ тельной установки 1, конденсируется и в виде обессоленной воды сливается в сборный бак 6\ вторичный пар, образо¬ вавшийся на первой ступени испарителя, является греющим паром для второй ступени и, сконденсировавшись, также поступает в сборный бак обессоленной воды; пар, образующийся на второй сту¬ пени испарителя, является греющим па¬ ром для следующей ступени и т. д. При этом температура и давление пара от сту¬ пени к ступени понижаются. Температу¬ ра и давление пара, поступающего в гре¬ ющую секцию первой ступени испари¬ теля, определяются общим числом сту¬ пеней в испарителе. Температуру пара на выходе из последней ступени испари¬ теля принимают равной 102—104 °С, а снижение температуры на каждой ступе¬ ни испарения — 12—13 °С. Следова¬ тельно, температура первичного пара в четырехступенчатой испарительной уста¬ новке должна быть 165—167 °С. Экономичность испарительных устано¬ вок можно повышать применением в их схеме термокомпрессора (парокомпрессо- ра), предложенного русским инженером Бессоновым в 1904 г. Сущность действия термокомпрессора (рис. 19.3) заключается в том, что в него засасывается вторичный пар, давление и температура которого термокомпрессо¬ ром доводятся примерно до температуры и давления первичного пара. Преобразо¬ ванный таким образом вторичный пар вновь поступает на первую ступень испа¬ рителя. Термокомпрессором удается сни- 264
зить расход греющего пара на единицу выхода обессоленной воды и тем самым повысить экономичность работы опрес¬ нительных установок. В настоящее время термокомпрессоры применяются в много¬ ступенчатых схемах испарения воды. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике эксплуатируются термоопреснительные установки с ис¬ пользованием в основном кипящих, адиа¬ батных и тонкопленочных испарителей. Кипящий испаритель типа ИСВ (рис. 19.4) состоит из сварного вертикального цилиндрического корпуса 6, внутри кото¬ рого подвешена греющая секция 9. К ее торцам приварены трубные доски, в ко¬ торые завальцованы трубки, образующие поверхность нагревания. Центральная часть греющей секции свободна от грею¬ щих трубок. Сюда по трубе 3 поступает греющий пар. В греющей секции 9 на¬ ходится горизонтальная перегородка 8, которая не доходит до стенок секции, благодаря чему пар движется от центра греющей секции к ее периферии в верхней части. Далее он проходит через кольцеобразную щель между перегород¬ кой и стенкой греющей секции, опускает¬ ся в ее нижнюю часть и, двигаясь от пе¬ риферии к центру, омывает греющие трубки. Конденсат греющего пара отво¬ дится с нижней трубной доски по трубе 7. Испаряемая вода циркулирует по трубкам греющей секции. Уровень воды в корпусе испарителя поддерживается регулятором поплавкового типа, уро¬ вень конденсата первичного пара — по¬ плавковым конденсатоотводчиком. Уро¬ вень испаряемой воды в испарителе уста¬ навливают обычно на 300—500 мм выше верхней трубной доски греющей секции. Неиспарившаяся вода поступает на сле¬ дующую ступень испарения из верхней части водяного объема испарителя. Уро¬ вень воды и конденсата в испарителе контролирует водомер 11. Вторичный пар вследствие уноса ка¬ пель жидкости может загрязняться. В испарителях ИСВ загрязнение пара уст¬ раняют промывкой его в слое питатель¬ ной воды, находящейся над паропромы¬ вочным дырчатым листом 5, который устанавливают на определенном расстоя¬ нии от зеркала испарения. Пар, движу¬ щийся через отверстия диаметром 5— 6 мм со скоростью 10 м/с, препятствует 1 Рис. 19.4. Схема «кипящего» испарителя типа ИСВ: / — отвод вторичного пара; 2 — жалюзийный сепа¬ ратор; 3 — подача греющего пара; 4 — подача пита¬ тельной воды; 5 — паропромывочный дырчатый лист; 6 — корпус испарителя; 7 — отвод конденсата; 8 — горизонтальная перегородка; 9 — греющая секция; 10 — опускная труба; // — сливной борт; 12 — во¬ домер. стеканию поступающей по трубе 4 пита¬ тельной, химически очищенной воды. Не¬ обходимый ее уровень поддерживается определенным расположением опускных сливных труб 10, отводящих воду под зеркало испарения. Испарители типа ИСВ в СССР выпус¬ каются серийно. Поверхность нагрева¬ ния в них составляет от 120 до 965 м2. Производительность испарительной уста¬ новки, например ИСВ-120, составляет 7,5—10, ИСВ-585 — 18—20 м3/ч. Грею¬ щие элементы испарителей, предназна¬ ченных для опреснения высокоминера¬ лизованной или морской воды, должны быть коррозионностойкими. Дальнейшее усовершенствование кон¬ струкции трубчатых испарителей приве¬ ло к созданию водотрубных испарителей с вынесенной зоной кипения (рис. 19.5). Число греющих секций в одном корпусе таких испарителей может достигать шести. За счет гидростатического давле¬ ния столба жидкости температура испа¬ ряемой воды в греющих трубах несколь¬ ко ниже температуры ее кипения. 265
Рис. 19.5. Испаритель с вынесенной зоной кипе¬ ния: / — теплообменная каме¬ ра; 2 — опускная труба; 3 — сепаратор: 4 — се- парационное устройство; 5 — вторичный пар; 6 — продувка; 7 — питатель¬ ная вода: 8 — греющий пар; 9 — конденсат. Рис. 19.6. Одно¬ ступенчатый ади¬ абатный испари¬ тель. По мере подъема воды в вертикальных трубках и в расширителе гидростатиче¬ ское давление снижается на 0,03 МПа, т. е. на величину заглубления греющих труб под уровень воды в испарителе, со¬ ставляющую 0,3 м. В связи с этим вода закипает только в расширителе за преде¬ лами трубок, что облегчает борьбу с на- кипеобразованием. При введении затра¬ вок накипеобразователи выделяются в основном в виде шлама. В испарителях адиабатного типа, иногда называемых испарителями мгно¬ венного вскипания, вода испаряется как с поверхности капель при их поступлении в камеру через отверстие или сопло, так и с поверхности воды, заполняющей нижнюю часть камеры. Теплота через греющую поверхность труб не передает¬ ся. Давление в камере испарения под¬ держивается ниже давления, соответст¬ вующего температуре насыщения генери¬ руемого пара. Схема одноступенчатого адиабатного испарителя приведена на рис. 19.6. Ис¬ ходная соленая вода вначале подается в конденсатор 1, затем часть ее через регу¬ лятор уровня поступает в камеру испа¬ рения 3, из которой забирается циркуля¬ ционным насосом 5, прокачивается через располагаемый ниже уровня воды по¬ догреватель 6, обогреваемый паром, и возвращается в корпус испарителя через сопло 2. Неконденсирующиеся газы по¬ стоянно отсасываются паровым эжекто¬ ром 7, вследствие чего давление в камере испарения поддерживается ниже давле¬ ния насыщения пара и происходит испа¬ рение с поверхности капель и зеркала. Дистиллят из испарителя отбирают насо¬ сом 4. Коэффициент теплопередачи в испари¬ телях пленочного типа в 8—10 раз боль¬ ше, чем в испарителях с погружными трубками. Такой эффект испарения до¬ стигается за счет создания на внутренней поверхности обогреваемой трубки тонкой равномерной пленки. Схема пленочного испарителя приведе¬ на на рис. 19.7. В кожух 1 с установлен- Рис. 19.7. Схема элемента пленочною испарителе. 266
ной в нем теплопередающей гофрирован¬ ной снаружи трубой 2 подводится грею¬ щий пар, который конденсируется на по¬ верхности в виде пленки. Под влиянием сил поверхностного натяжения конден¬ сат стягивается в желобки и стекает вниз. По полому валу 3 распределительного вращающегося устройства 4, оборудо¬ ванного соплами для разбрызгивания во¬ ды и центробежными эксцентрическими стирателями 5, внутрь трубы подается соленая вода. При вращении вала со скоростью 200 об/мин к внутренней по¬ верхности теплопередающей трубы при¬ жимаются стиратели, снимая с нее сте¬ кающую вниз по кромке стирателя плен¬ ку рассола, который отводится из испа¬ рителя. Наиболее сложной проблемой в опрес¬ нении и обессоливании высокоминерали¬ зованных вод дистилляцией является предотвращение накипеобразования в ис¬ парителях. Для предварительного умягчения воды до подачи в испаритель необходимо со¬ оружение громоздких и дорогостоящих водоумягчительных установок реагент¬ ного типа, поскольку катионирование воды с высоким содержанием натрия не¬ экономично и не обеспечивает достаточ¬ ного умягчения воды. Ввиду этого вместо предварительного реагентного или ка- тионитового умягчения воды произво¬ дят внутрикотловую обработку воды с целью перевода накипеобразователей во¬ ды в шлам, легко удаляемый вместе с рассолом при продувке испарителя. Препятствуют отложению в испарите¬ ле твердой накипи хлорид железа (II), фосфаты, соли диаминтетрауксусной кис¬ лоты, поверхностно-активные вещества (ОП-Ю, ОС-20, сульфанол и др.). Вместо введения в опресняемую воду до поступления ее в испаритель FeCl2 целесообразно пропускать ее через элект¬ ролизер с растворимым железным ано¬ дом. FeCl2 будет образовываться в ре¬ зультате анодного растворения железа. Снизить интенсивность накипеобразо¬ вания можно также введением в обраба¬ тываемую воду зернистых присадок: из¬ вестняка, кварцевого песка, мела, гид¬ роксида магния и др. Безнакипный режим работы испарите¬ лей в современных условиях достигается также созданием достаточно глубокого вакуума в испарителях, что позволяет снизить температуру испаряемой воды до 50 °С и ниже. К физическим методам борьбы с наки- пеобразованием относится магнитная и ультразвуковая обработки. В 1973 г. в СССР в г. Шевченко вступи¬ ла в строй первая в мире двухцелевая промышленная атомная электростанция с реактором на быстрых нейтронах, кото¬ рая вырабатывает электроэнергию и с помощью вертикальных трубных испари¬ телей опресняет 200 тыс. т воды в сутки. Питьевую воду получают смешением трех частей опресненной воды с одной частью минерализованной из артезианской сква¬ жины. В процессе эксплуатации дистилля- ционных установок обслуживающий пер¬ сонал должен следить за качеством очи¬ щенной воды (солесодержанием, щелоч¬ ностью и т. д.), концентрата и пара, под¬ держивая их соответствующими установ¬ ленным нормам. Заданное качество концентрата регулируют непрерывной или периодической (при высоком солесодер- жании концентрата или малых объемах его спуска) продувкой. Необходимо постоянно контролиро¬ вать установленную в период испытаний производительность аппарата. От под¬ держания в требуемых пределах уровня и солесодержания концентрата во многом зависит качество дистиллята. Для контроля качества дистиллята и концентрата применяют солемеры или систему автоматики. Качество пара и конденсата может ухудшаться вследствие разрывов труб на поверхностях нагревания. Появляющие¬ ся повреждения труб необходимо устра¬ нять своевременно. Солнечное опреснение (хелиодистилля- ция) представляет интерес для районов с жарким климатом (например, для Ка¬ захстана, Туркмении и Узбекистана). Конструктивное оформление солнечных опреснителей различно. Существуют установки парникового типа («горячий ящик») и установки с концентрированием солнечных лучей оптическими методами. Установки первого типа представляют собой небольшие емкости со светопогло¬ щающим дном, заполняемые соленой во¬ дой. Над ними устанавливается наклон¬ ное перекрытие из стекла или прозрачной 267
пластмассы (рис. 19.8). Пары воды, ох¬ лаждаясь холодным атмосферным возду¬ хом, конденсируются на внутренней по¬ верхности установки: капли опреснен¬ ной воды"стекают в периферийные лотки. В зависимости от конструкции и исполь¬ зованных материалов производитель¬ ность опреснителей этого типа в усло¬ виях среднеазиатских республик дости¬ гает 10 л/(м3 • сут). Среди установок с концентрированием солнечной энергии интерес представляют конструкции опреснителей типа ЭНИН (Энергетический институт АН СССР), основной частью которых является пара¬ болический отражатель площадью 1 м2, изготовленный из электрополированного алюминия. Производительность такой установки составляет 5 л воды в сутки. Опреснение воды замораживанием осно¬ вано на разности температур замерзания соленой и пресной воды: соленая вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная. Поэтому при медленном охлаждении соленой воды ниже 0° С образуются кри¬ сталлы пресного льда, ко¬ торые затем смерзаются в агрегаты. Каждый агрегат представляет собой группу кристаллов пресного льда, между которыми имеются полости, заполненные рас¬ солом. Поэтому при растап¬ ливании таких агрегатов кристаллов льда получает¬ ся лишь частично опрес¬ ненная вода. Однако, если нагревать такой лед постепенно, за¬ мерзший между кристаллами пресно¬ го льда рассол перейдет в жидкое со¬ стояние и стечет раньше, чем начнут таять кристаллы пресного льда. Растаяв¬ ший рассол стекает, лед опресняется, и при дальнейшем таянии образуется прес¬ ная вода. Опреснение воды может быть осуществ¬ лено природным холодом или искусст¬ венным вымораживанием (рис. 19.9). 19.3. Газогидратный метод опреснения воды Газогидратный метод опреснения воды относится к методам с использованием искусственного холода и по аппаратур¬ ному оформлению подобен выморажива¬ нию со вторичным хладоагентом. Процесс заключается в получении кристаллов контактированием соленой воды с гид¬ ратообразующим веществом, последую¬ щей сепарацией их от рассола и плавле¬ нием. Установка для его осуществления Рис. 19.10. Схема опреснения морской воды газогид- ратным методом: / — реактор-кристаллизатор; 2 — конденсатор вспо¬ могательного цикла; 3 — главный компрессор; 4 — вспомогательный компрессор; 5 — конденсатор-пла~ витель; 6 — теплообменник; 7 ■-» сепаратор. Соленая Рис. 19.9. Установка для получения пресной воды вы¬ мораживанием: 1 — теплообменник-льдогенератор; 2 — устройство для разравнивания льда; 3 — плавитель; 4, 6 — сборник рассола с содержанием соли соответственно 24.2 и 42,3 г/л; 5 вспомогательный теплообменник. 268
должна включать такие основные аппара¬ ты: реактор-кристаллизатор, сепаратор кристаллов, конденсатор-плавитель и де¬ газаторы пресной воды и рассола (рис. 19.10). Наиболее перспективными для опрес¬ нения воды гидратообразователями яв¬ ляются пропан, хлор, фреон-40, этилен, фреон-31, циклопропан и др. Обладая всеми преимуществами пря¬ моконтактного вымораживания, газогид- ратный метод выгодно отличается более высокой температурой проведения про¬ цесса, что позволяет уменьшить потери холода в окружающую среду. При ис¬ пользовании газогидратного метода уст¬ раняется один из основных недостатков рпреснения воды вымораживанием — опасность замерзания промышленной во¬ ды в слое кристаллов льда. Исследования газогидратной техноло¬ гии в настоящее время ведутся как в СССР, так и в некоторых зарубежных странах, однако газогидратный процесс еще не вышел за рамки полупромышлен¬ ных испытаний. Для широкого внедре¬ ния газогидратной технологии в практи¬ ку требуются дальнейшие научные иссле¬ дования и практические разработки, на¬ правленные на изучение оптимальных условий опреснения воды, обеспечиваю¬ щих гидратообразование при более высо¬ кой температуре, чем температура окру¬ жающей среды и при небольшом давле¬ нии; высокую скорость и низкую теплоту гидратообразования; получение крупных и плотных кристаллов, их малую раство¬ римость в воде и высокую стабильность; коррозионную стойкость оборудования и аппаратуры и, безусловно, получение во¬ ды без токсических примесей. 19.4. Ионообменный метод опреснения и обессоливания воды Опреснение и обессоливание воды ионо¬ обменным методом рекомендуется при со¬ держании в исходной воде: солей до 1500—2000, хлоридов и сульфатов — не более 5. мг/л, взвешенных веществ не более 8 мг/л, цветности воды не выше 30 град, перманганатной окисляемости не более 7 мг/л 02. При большей окисляемости воды в тех¬ нологических схемах необходимо пре¬ дусматривать фильтры, загруженные ак- Рис. 19.11. Влия¬ нием солесодер- жания и анион¬ ного состава во¬ ды на рабочую обменную ем¬ кость Н-катио- нитов (удельный расход H2S04 на регенерацию 2,5— 3,0 г-экв/г-экв): /, 3, 5 — соответ¬ ственно катиони¬ ты КУ-2, КУ-1, сульфоуголь при солесодержании воды 1 мг-экв/л; 2, 4, 6 — то же, при солесодержа¬ нии воды 15 мг-экв/л. тивированным углем (АГ-3, АГ-М, БАУ, КАД) или микропористыми анионитами (АВ-17-8, АВ-17-8чс и др.). Метод основан на последовательном пропускании воды через Н-катионитовые и ОН-, СО,- или НС03-анионитовые фильтры, в результате чего подвижные ионы ионитов замещаются содержащими¬ ся в воде катионами и анионами: Н [Кат] + NaCl «± Na [Кат] + НС1; 2Н [Кат] + Na2S04 *± 2Na [Кат] + H2S04; 2Н [Кат]+Са (НС03)2 т± Са[Кат]2 + + 2С02 f + 2НгО. При Н-катионировании на рабочую обменную емкость катионитов, особенно сульфоугля, существенно влияют анион¬ ный состав воды и общее солесодержание, выражающееся отношением концентра¬ ции ионов НСОГ в воде к сумме концент¬ раций ионов НСОГ, SO42-, С1~ и NO3' (С„ггч_/2Сан (рис. 19.11). Как видно ж-°з из рисунка, при повышении солесодер- жания исходной воды с 1 до 15 мг-экв/л обменная емкость катионита КУ-2 сни¬ жается на 14, КУ-1 — на 27 %. Не ока¬ зывая заметного влияния на рабочую обменную емкость катионитов КУ-1 и КУ-2, соотношение С _^_/2Сан сильно влияет на рабочую обменную емкость сульфоугля. Так, при Сн _/2Сдн = 0 (гидрокарбонаты в исходной воде отсут¬ ствуют) рабочая обменная емкость суль¬ фоугля небольшая и уменьшается с уве¬ личением солесодержания воды; при Сцсоз^Сл" = 1 (в воде содержатся 269
Таблица 19.1. Технологические характеристики некоторых анионитов Плотность продукта. т/ма Марка анионита Активная группа товарного набухшего Размер зерен, мм емкость, г-экв/м3 по SO^“ АН-31 =N, =NH 0,72—0,75 0,31 0 V 1 ю 1500 АВ-17-8 -N+tf3 0,74 0,33 0,355—1,25 АВ-17-8гЭ -N+tf3 0,74 0,33 0,4—1,25 ЭДЭ-10П Эмберлайт =N, =NH 0,6 0,45 0,4—1,6 1200 1RA-400 -N+R3 0,71 0,45 0,3—0,85 — IRA-410 -N R3 0,75 0,46 0,3—0.85 — только гидрокарбонаты) рабочая обмен¬ ная емкость сульфоугля увеличивается более, чем в 2 раза, а солесодержание во¬ ды на рабочую обменную емкость суль¬ фоугля не влияет. При пропускании воды через аниони- товые фильтры анионы образующихся кислот и содержащиеся в исходной воде обмениваются на подвижные ионы анио¬ нитов: |Ан]2 С03 -j- H2S04 [Ан]2 S04 -}- Н20 -f- С02|: [Ан]НС03 + НС1 <=► [Ан] Cl -f Н20 + C02f; 2 [Ан] ОН -(- H2Si03 [ Ан]2 Si03 + 2Н20. Наиболее часто применяются аниони¬ ты, в состав которых входят амино- и аммониевые химически активные функ¬ циональные группы. Аниониты, содержа¬ щие первичные (—NH2), вторичные (=NH) и третичные (= N) аминогруп¬ пы, характеризуются слабоосновными, а четвертичные аммониевые группы (—N+/?3) — сильноосновными свойства¬ ми. Слабоосновные аниониты обладают реакционной способностью только в кис¬ лой среде, сильноосновные — в кислой, нейтральной и щелочной средах. Так же, как и катиониты, аниониты могут быть моно- и полифункциональными. Слабо¬ основные аниониты чаще бывают поли¬ функциональными . Энергию вхождения различных анио¬ нов в высокоосновный анионит по их динамической активности можно пред¬ ставить следующим рядом: ОН- < HSiOf < HCO-f < С1~ < Н2РО^ < < NOJ" < SO^-. Качество анионитов характеризуют те¬ ми же показателями, что и катионитов (см. п. 18.8). Однако рабочая обменная емкость анионитов, в отличие от катиони¬ тов, повышается с понижением pH среды. Краткая характеристика некоторых анионитов приведена в табл. 19.1. В зависимости от требуемой глубины опреснения воды проектируются одно-, двух- и трехступенчатые установки. Во всех случаях для удаления из воды конов металлов применяют сильнокислотные Н-катиониты с большой обменной ем¬ костью. Воду опресняют в одноступенчатых ионитовых установках, в которых ее последовательно пропускают через груп¬ пу фильтров с Н-катионитом и группу фильтров со слабоосновным анионитом (рис. 19.12, а). С02 удаляют в дегазаторе. При непрерывной работе установки в каждой группе должно быть не менее двух фильтров. Через ионитовую уста¬ новку пропускают лишь часть воды так, чтобы после смешения ее с остальной водой обеспечить в опресненной вод£ со¬ держание солей, отвечающее требовани¬ ям потребителя: для хозяйственно-питье¬ вых целей оно должно составлять 500— 1000 мг/л, при концентрации хлоридов не более 350 и сульфатов — до 500 мг/л. В расчетах остаточное содержание солей при одноступенчатой схеме ионирования можно принимать не более 20 мг/л (удельная электропроводимость 35— 45 мкОм/см), содержание кремния не сни¬ жается. Н-катионитовые фильтры первой ступени рассчитывают, как и при H-Na- катионировании воды. Площадь F анионитового фильтра пер¬ вой ступени определяют по формуле 270
Рис. 19.12. Схемы од¬ ноступенчатой (а), двухступенчатой (б) и трехступенчатой (в) установок для иони- тового обессоливания воды: 1.3, 5 — Н-катиони¬ товые фильтры соот¬ ветственно первой, второй и третьей сту¬ пеней; 2, 4, 6 — анио- нитовые фильтры со¬ ответственно первой, второй и третьей сту¬ пеней; 7 — дегазатор; 8 — вентилятор; 9 — промежуточный ре¬ зервуар; 10—15— ба¬ ки с водой для взрых¬ ления ионитов в филь¬ трах первой, второй и третьей ступеней; 16 — бак для повтор¬ ного использования раствора NaOH; 17 — насосы; 18 — буфер¬ ный Ыа-катионитовый фильтр в одноступен¬ чатой схеме. ю 11 12 % 1 I 17 **» ’(гТНгр] -сао-СН*3-. 16 где Q — производительность анионито- вых фильтров первой ступени, м3/сут; п — число регенераций анионитовых фильтров в течение суток (принимают равным 1—2); Т — период работы каж¬ дого фильтра между регенерациями, ч; ур —• расчетная скорость фильтрования (принимают 4 <; ир < 30), м/ч. Период работы фильтра Т определяют по формуле 24 Т •— ii ^2 * ^3’ п 271
где tlt /2 и /3 — соответственно длитель¬ ности взрыхления анионита (принимают равной 0,25 ч), пропускания через анио¬ нит регенерационного раствора щелочи (1,5 ч) и отмывки анионита после регене¬ рации (3.25 ч). Объем анионита в фильтрах первой ступени Wm вычисляют по формуле W А1 QCg пЕ, раб где С0 — суммарное содержание в исход¬ ной воде сульфат- и хлорид-ионов, мг-экв/л; £раб — рабочая обменная ем¬ кость анионита, г-экв/м3. Для регенерации анионитовых фильт¬ ров первой ступени чаще всего применя¬ ют кальцинированную соду; удельный расход — 100 г Na3C03 на 1 г-экв погло¬ щенных анионов; концентрация регене¬ рационного раствора, приготовленного на Н-катионированной воде,— 4 %. Отмывают анионитовые фильтры пер¬ вой ступени после регенерации Н-катио¬ нированной водой, расход ее составляет 10 м3 воды на 1 м3 анионита. Для получения воды с общим содержа¬ нием солей до 0,5 мг/л (удельная электро¬ проводимость 1,6—1,8 мкОм/см) и одно¬ временным обескремниванием ее до 0,1 мг/л применяют установки с двухсту¬ пенчатой схемой Н- и ОН-ионирования. Если же содержание солей в воде не¬ обходимо довести до 0,1, а содержание кремниевой кислоты — до 0,05 мг/л, ис¬ пользуют схему трехступенчатого Н- и ОН-ионирования. Установки с двухступенчатой схемой обессоливания воды состоят из Н-катио- нитовых фильтров первой ступени, анио¬ нитовых фильтров первой ступени со сла¬ боосновным анионитом, дегазатора, Н- катионитовых фильтров второй ступени, анионитовых фильтров второй ступени с сильноосновным анионитом (см. рис. 19.12,6). Н-катионитовые фильтры первой сту¬ пени отключают на регенерацию, если в фильтрате появляются ионы кальция и магния, второй ступени — ионы нат¬ рия; анионитовые фильтры первой сту¬ пени задерживают анионы сильных кис¬ лот, второй ступени — кремниевую кис¬ лоту и недесорбированный в дегазаторе С02. При расчете Н-катионитовых фильтров второй и третьей ступеней принимают: скорость фильтрования 50 м/ч высоту слоя катионита 1,5 м удельный расход 100 %-й 100 г на 1 г-экв H2S04 поглощенных ионов длительность регенерации и отмывки фильтров 2,5—3 ч расход воды на отмывку катионита 10 м3/м3 катионита Воду после отмывки Н-катионитовых фильтров второй ступени целесообразно использовать для взрыхления слоя ка¬ тионита в фильтрах первой ступени, а также для приготовления регенерацион¬ ного раствора кислоты. При проектировании анионитовых фильтров второй ступени высоту слоя сильноосновного анионита принимают равной 1,5 м, скорость фильтрования — 15—25 м/ч, кремнеемкость анионита оп¬ ределяют по паспортным данным или по таблице СНиП 2.04.02—84.- Регенериру¬ ют слой анионита 4% -м раствором NaOH, приготовленного на Н-катионированной воде, удельный расход 100 %-го NaOH принимают 120—140 кг/м3 анионита. При трехступенчатой схеме обессоли¬ вания воды вместо барьерного фильтра используют фильтр со смешенной загруз¬ кой катионита и анионита или Н-катио- нитовые фильтры третьей ступени и за ними анионитовые фильтры третьей сту¬ пени с сильноосновным анионитом (см. рис. 19.9, в). Третья ступень Н-катиони- рования предназначена для удаления из воды небольших количеств ионов натрия, попадающих в нее при плохой отмывке сильноосновного анионита, третья сту¬ пень анионирования используется для удаления из воды продуктов растворения и разрушения катионитов, а также для повышения степени использования анио¬ нита на фильтре второй ступени. Приготовляют регенерационный рас¬ твор NaOH и отмывают анионит в фильт¬ рах третьей ступени после регенерации обессоленной водой после анионитовых фильтров второй ступени. Удельный рас¬ ход NaOH равен 2000 г/г-экв поглощен¬ ной кремниевой кислоты, длительность регенерации — 3 ч. Солесодержание воды, обработанной по трехступенчатой схеме, не должно превышать 0,1 мг/л (удельная электро¬ проводимость 0,3—0,4 мкОм/см), содер¬ 272
жание кремниевой кислоты — не более 0,02 мг/л. Применяемый в схемах глубокого обес- соливания и обескремнивания воды фильтр смешанного действия ФСД (рис. 19.13) представляет собой множество как бы сдвоенных катионитовых и анионито- вых фильтров. Он отличается от обычно¬ го тем, что его дно оснащено системой для подвода сжатого воздуха и промежу¬ точной распределительной системой на границе раздела катионит — анионит. Для его загрузки используются хорошо отсортированные иониты (например, АВ-17-8 и КУ-2). Зерна катионита долж¬ ны быть несколько больше, чем аниони¬ та, чтобы при взрыхлении и последующем постепенном снижении интенсивности по¬ дачи воды катионит осаждался внизу, а слой анионита — сверху. При регенера¬ ции раствор кислоты подают через ниж¬ нее дренажное устройство и отводят через промежуточную распределитель¬ ную систему. Одновременно для того чтобы кислота не попала в анионит, через него сверху вниз пропускают обессолен¬ ную воду, отводя ее также через проме¬ жуточную систему. Отмывку катионита совмещают с регенерацией анионита, при этом раствор щелочи подают через верх¬ нее распределительное устройство, рас¬ положенное над слоем анионита, и отво¬ дят его через промежуточную распреде¬ лительную систему. Обессоленную воду для отмывки катионита подводят так же, как и раствор кислоты. Затем отмывают анионит, после чего иониты в фильтре Рис. 19.13. Конструкция обессоливающего фильт¬ ра смешанного действия: 1,2 — распределительные устройства соответствен¬ но для обессоливаемой воды и для щелочи; 3 — промежуточный коллек¬ тор; 4 — дренажное уст¬ ройство. Рис. 19.14. Схема едконатрового хозяйства обессоли¬ вающей установки: / — бак для растворения или приема раствора NaOH; 2 — воронка; 3 — подвод воды; 4, 12 — насосы; 5 — сифон; 6 — цистерна-хранилище концентрирован¬ ного раствора NaOH; 7 — расходный бак; 8 — мер¬ ник; 9 — водопровод для разбавления раствора NaOH; /0 — расходомер для воды; 11 — насос-доза¬ тор; 13 — вакуум-насос. перемешивают сжатым воздухом и окон- чательно отмывают. Скорость фильтро¬ вания на ФСД — 40—50 м/ч, высота слоев загрузки — по 0,6 м. Отличительной особенностью устано¬ вок с анионитовыми фильтрами является наличие оборудования для приготовле¬ ния растворов Na2C03, NaHC03, NaOH. Допускается использование отработан¬ ных растворов NaOH после регенерации анионитовых фильтров второй ступени для регенерации слоя анионита на фильт¬ рах первой ступени. При этом регенери¬ рующий раствор будет один — NaOH. На рис. 19.14 приведена примерная схе¬ ма едконатрового хозяйства обессоли¬ вающей установки с использованием как твердого продукта, так и его концентри¬ рованного раствора. 19.5. Опреснение воды электродиализом Электропроводимость растворов электро¬ литов (проводников второго рода), к ко¬ торым относятся и природные воды, обусловлена перемещением ионов. Оп¬ реснение воды электролизом (электро¬ химическое опреснение) основано на том, что при пропускании через нее постоян¬ ного тока катионы перемещаются к ка¬ тоду, а анионы—к аноду. Отделив анод¬ ное и катодное пространства от осталь¬ ного объема воды проницаемыми для ио¬ нов диафрагмами, в промежуточном про¬ странстве можно получить воду со значи¬ тельно меньшей степенью минерализа¬ ции, чем в исходной воде. Количество электричества на обессоли- вание воды Q определяют по закону Анионит Катионит 273
Рис. 19.15. Схема многокамерно¬ го электродиализатора: В — камеры для воды; Р — ка¬ меры для рассола; / — анод; 2 — катод; 3 — анионоактивная мембрана; 4 — катионоактивная мембрана. Фарадея: Q = 26,8 (Сн — Ск), где Сн и Ск — соответственно начальная и конечная концентрации солей в воде, г-экв/л. В обычных трехкамерных электродиа¬ лизаторах с пористыми диафрагмами вы¬ ход по току очень низкий вследствие бес¬ полезного переноса Н+- и ОН~-ионов, перемещения ионов растворенных солей из электродных камер через среднюю ка¬ меру, диффузии катионов и анионов в средний объем и др. Поэтому электро¬ диализ начали использовать для опрес¬ нения воды лишь с появлением селектив¬ ных мембран — анионо- и катионопрони¬ цаемых, обладающих хорошей электро¬ проводимостью и большим сопротивле¬ нием диффузии. Их применение позволи¬ ло создать многокамерные электродиали¬ заторы (до 100—200 камер в одной ванне) с приемлемым для практики расходом электроэнергии. Селективные мембраны изготовляют из ионитовых материалов — катионитов и анионитов. Такие мембраны могут быть гомогенными, гетерогенными и пропиточ¬ ными. Первые целиком состоят из иони- тового материала, вторые приготовляют из тонкоизмельченного ионита и пленко¬ образующего вещества, третьи получают пропиткой пористых листовых материа¬ лов веществами, способными образовы¬ вать ионообменные смолы. Электропро¬ водимость ионитовых мембран часто вы¬ ражают их поверхностной электропрово- В канализацию димостью (электропроводимостью мемб¬ раны при фактической ее толщине и площади 1 см2); в расчетах удобнее приме¬ нять обратную величину — удельное по¬ верхностное сопротивление. Селектив¬ ность мембран характеризуют числом пе¬ реноса; для идеально селективной мемб¬ раны оно равно 1. Отечественной про¬ мышленностью выпускаются катионито¬ вые мембраны МК-40, МК-ЮО, аниони- товые МА-40, МА-100 и др. Основным элементом электрохимиче¬ ской опреснительной установки является многокамерный электродиализатор, обычно фильтр-прессового типа (рис. 19.15). Каждая камера ограничена с одной стороны анионитовой, а с другой — ка- тионитовой мембранами, разделенными рамками из диэлектрика. Чередуясь, они используются для циркуляции опрес¬ няемой воды (диализата) и рассола, в ко¬ тором накапливаются извлекаемые из воды ионы. При протекании через такую ванну постоянного электрического тока катионы растворенных в воде солей, дви¬ гаясь в камерах В в направлении катода, проходят через катионопроницаемые мембраны в камеры рассола Р, находя¬ щиеся справа. Одновременно анионы, двигаясь в камерах В в направлении ано¬ да, проходят через анионопроницаемые мембраны в камеры Р, находящиеся сле¬ ва. Дальнейшему продвижению катионов препятствуют непроницаемые для них анионопроницаемые мембраны, продви- Рис. 19.16. Схема прямоточной элек- тродиализной установки: а — одноступенчатой; б — многосту¬ пенчатой. 274
Рис. 19.17. Схема циркуляцион¬ ной электродиализной установ¬ ки: а — порционной; б — непрерыв¬ ного действия; / — ванна; 2 — рабочие баки; 3 — баки для рас¬ сола; 4 — насосы для рассола и дилюата. Соленая бода Соленая бода I В канала- Пресная зацию 6ода fr f j | 1 \ / \ / 1 а / \ . & канат зсп/ию 1 1 1 жению анионов — катионопроницаемые мембраны. В результате ионы солей из воды, находящейся в камерах В, перено- сятся в рассольные камеры Р, где они и накапливаются. Разделяющие мембраны рамки изго¬ товляют из клингерита, паронита, рези¬ ны, полиэтилена, поливинилхлорида или других неэлектропроводимых и негигро¬ скопических материалов; они могут быть лабиринтового или прокладочного типа. В первых рамки снабжены извилистыми перегородками, создающими узкие кана¬ лы, по которым протекает между мембра¬ нами диализат или рассол, во вторых — рамки образуют наружные стенки каме¬ ры, а мембраны поддерживаются вклады¬ ваемыми в рамку гофрированными и про¬ странственного плетения стенками-про¬ кладками, которые изготовляют из ди¬ электриков. Электроды, устанавливаемые в торцо¬ вых плитах, которыми сжимаются рамки и мембраны опреснительных ванн, изго¬ товляют из материалов, стойких к окис¬ лению: платины, платинированного тита¬ на, графита, магнетита. Метод электродиализа целесообразно применять для опреснения воды с содер¬ жанием солей от 1,5 до 15 г/л; солесодер- жание получаемой воды не ни^ке 500 мг/л. В ванну можно подавать воду, содержа¬ щую не более 1,5 мг/л взвешенных ве¬ ществ, 0,05— железа и марганца, 3 — бо¬ ратов (в пересчете на В02), с цветностью 20 град и окисляемостью 5 мг/л Оа, брома не более 0,4 мг/л. Электродиализные опреснительные тановкк разделяются цЪтрямвтвчпБш и OJ , LD циркуляционные. В многоступенчатых одноступенчатых и прямоточных уста- новках (рис. 19.16) заданное опреснение воды происходит в процессе ее протека¬ ния через ячейки ванны. В циркуляцион¬ ных установках опресняемая вода про¬ пускается через ячейки ванны до тех пор, пока содержание солей в ней не сни¬ зится до заданного. Такие установки бы¬ вают порционного и непрерывного дейст¬ вия (рис. 19.17). На рис. 19.18 показана схема сборки одного пакета электродиализатора. Меж- ДУ двумя зажимными рамами с краев располагаются электродные камеры, а между ними — отделенные рамками ка- тионо- и анионообменные мембраны. Для Рис. 19.18. Схема сборки одного пакета электродиали¬ затора ЭДУ-50: / — рамные плиты; 2 — ре¬ шетки рамной плиты; 3 — трубопроводы; 4 — фиксирую¬ щие штыри: 5 ^икбртГ^Бная JMKa; мембрана; 7 сетка-сепара¬ тор; 8 — болты.
пространственного разграничения мемб¬ ран и увеличения скорости потока меж¬ ду ними в электродиализатор заложены сепараторы-турбулизаторы. Все соединительные трубопроводы электродиализной опреснительной уста¬ новки выполняют из полиэтилена, а ар¬ матуру — из коррозионностойких мате¬ риалов. Вентиляцию в помещениях электродиализных установок проектиру¬ ют так же, как и в хлораторных. Если производительность установки превыша¬ ет 17 м3/ч, то электросиловое оборудова¬ ние и контрольно-измерительные прибо¬ ры размещают в отдельном изолирован¬ ном помещении. Метод опреснения и обессоливания во¬ ды электродиализом удобен и прост в эксплуатации, он легко поддается регу¬ лированию и автоматизации. В настоя¬ щее время в СССР эксплуатируются электродиализаторы, разработанные для установок малой и большой производи¬ тельности (3000 м3/сут и более). 19.6. Опреснение воды обратным осмосом Процесс разделения истинных растворов, заключающийся в фильтровании жидко¬ сти через полупроницаемые мембраны, которые пропускают растворитель (воду) и задерживают растворенные вещества (гидратированные ионы и молекулы, ор¬ ганические соединения), называется об¬ ратным осмосом. Частным случаем обратного осмоса яв¬ ляется ультрафильтрация, основанная на фильтровании водных растворов орга¬ нических веществ и коллоидных раство¬ ров через более крупнопористые полу¬ проницаемые мембраны. Схема обратного осмоса представлена на рис. 19.19. -_-М0 - Г ~Н,0 fiL ■- р>Н 1_ ~—н2о а 5 Рис. 19.19. Схема возникновения обратного осмоса (Н — осмотическое давление): а — осмос; б — равновесие; в — обратный осмос; / — полупроницаемая мембрана; 2 — вод#; 3 — раствор солей. Рис. 19.20. Механизм полупроницаемости мембраны (по гипотезе Сурираджана). Существует несколько гипотез, объяс¬ няющих процесс отделения солей от воды при ее фильтровании через полупрони¬ цаемые мембраны. Большинство экспери¬ ментальных данных свидетельствует о капиллярном течении жидкостей в набу¬ хающих мембранах. Селективность таких мембран объясняется особыми свойства¬ ми жидкостей в капиллярах. Капилляр¬ ная модель полупроницаемой мембраны хорошо объясняет снижение селектив¬ ности с ростом концентрации раствора, а также изменение задерживающей способ¬ ности ацетатцеллюлозных мембран в вод¬ ных растворах. Предполагают, например, что в водном растворе электролита на поверхности гидрофильной мембраны в результате от¬ рицательной адсорбции появляется слой чистой воды, поэтому если размер пор в мембране не превышает удвоенной тол¬ щины такого слоя (рис. 19.20), через них может проходить только чистая вода. Осмотическое давление растворов, близких по составу к природным водам, даже при небольшой степени минерали¬ зации их достаточно велико. Например, для морской воды, содержащей до 3,5 % солей, оно составляет примерно 2,5 МПа. Установки обратного осмоса просты в аппаратурном оформлении, надежны и экономичны. Основными узлами этих установок являются устройства для соз¬ дания давления (насосы) и разделитель¬ ные ячейки с полупроницаемыми мембра¬ нами. Отрицательно влияет на процессы об¬ ратного осмоса и ультрафильтрации об¬ разование в аппаратах осадков (соли кальция, гидроксиды железа и марганца, взвешенные вещества и высокомолеку¬ лярные соединения). Содержание взве¬ шенных веществ в воде, поступающей в мембранные аппараты, не должно превы¬ шать 0,5 мг/л. 276 Спой чистой боды Мембрана
И Пресная * вода Рис. 19.21. Схема аппарата с плоскокамерными эле¬ ментами: 1 — пористые пластины; 2 — мембраны. Соленая 1 вода рд 2 3 4 5 Фильтрат ^ Концент¬ рат Рис. 19.22. Схема аппарата рулонного типа: / — корпус, 2 — рулонный фильтрующий элемент; 3 уплотняющее кольцо; 4 — водоотводная трубка- 5 — муфта. Мембраны изготовляют из полимерных материалов, пористого стекла, графитов, металлической фольги и др. Отечественной промышленностью вы¬ пускаются мембраны УАМ (мембраны ультрафильтрационные ацетатные) и МГА (мембраны гиперфильтрационные ацетатные). Рядом зарубежных фирм вы¬ пускаются ацетатные мембраны типов R0-90, RO-95, RO-97, RO-98 (США), KR-94, KR-97 (Франция) и др. По виду мембранных элементов обрат¬ ноосмотический и ультрафильтрацион- ный аппараты делятся на плоскокамер¬ ные, рулонные, трубчатые, с полыми во¬ локнами. В аппаратах с плоскокамерными эле¬ ментами (рис. 19.21) соленая вода оп¬ ресняется при движении вдоль мембран параллельными потоками. Полезная по¬ верхность аппарата увеличивается мно¬ гокамерной укладкой мембран по типу фильтр-пресса. Аппараты рулонного типа (рис. 19.22) состоят из корпуса 1, представляющего собой трубу длиной до 9 м диаметром 7— 20 см, в которую вставляются рулонные фильтрующие элементы 2, соединенные между собой муфтами 5. Поступающая в корпус аппарата соленая вода попадает в напорные каналы фильтрующих эле¬ ментов, движется вдоль их образующих, опресняется и в виде концентрата отво¬ дится. Опресненная вода направляется по спиралевидным каналам к центру фильтрующего элемента и трубой 4 отво¬ дится из аппарата. Попадание соленой воды в зазор между фильтрующими эле¬ ментами 2 и корпусом аппарата 1 пред¬ отвращается установкой уплотняющих колец 3. На рис. 19.23 приведена схема аппара¬ та с трубчатыми мембранами, помещае¬ мыми внутри пористых труб из стекло¬ пластика и способными выдерживать давление 10 МПа. Установка состоит из 100 сборок труб диаметром 13 мм и дли¬ ной 2,5 м. На первой ступени установки концентрация солей снижается с 35 до 2 г/л (давление 5,6 МПа), на второй — с 2 до 0,2 г/л (давление 3,5 МПа). Расход электроэнергии с учетом работы ре- куперационной турбины составляет 5,4 кВт - ч/м3. Аппараты с мембранами из полых воло¬ кон (рис. 19.24) являются наиболее перс¬ пективными. Они представляют собой полимерные трубки диаметром 50— 200 мкм (отношение диаметра к толщине равно 4—5), которые способны выдержи¬ вать большое давление и поэтому не тре¬ буют монтажа поддерживающих дренаж¬ ных устройств. Такие волокна наматы¬ ваются слоями вокруг центральной по¬ ристой трубы диаметром 120—220 мм и помещаются в напорный цилиндрический контейнер. Концы волокон закрепляются в пробке из эпоксидной смолы, образуя в торце камеру фильтрата, а концентрат солей отводится из корпуса контейнера. Рис. 19.23. Схема аппарата с трубчатым креплением мембран: ' ~ насос: 2 — пористая труба; 3 — мембрана; 4 — турбина; 5 — сборник пресной воды. Рис. 19.24. Схема аппарата с полыми волокнами; / ~-подача исходной воды; 2 — распределительная трубка исходной воды; 3 — корпус; 4 — полое во¬ локно; 5 — перегородка камеры фильтрата: 6 — вы¬ ход фильтрата; 7 — выход концентрата. 277
Рис. 19.25. Принципиальная схема трехступенчатой обратноосмотической установки для глубокого обессо- лнвания воды: / — перекачивающий насос; 2 — хлоратор; 3 — фильтр механической очистки; 4 — подкислитель; 5 — пита¬ тельный насос; 6 — обратноосмотический аппарат; 7 — регулирующий клапан; 8, 9 — сборники пресной во¬ ды; 10 — ионитовый фильтр смешанного действия; 11 — сборник глубоко обессоленной воды; / — исходная вода; II — пресная вода; II' — обессоленная вода; II" — глубоко обессоленная вода; III — концентрат Плотность размещения мембран достига¬ ет 20 ООО м2/м3 камеры. На рис. 19.25 представлена принци¬ пиальная схема трехступенчатой обрат¬ ноосмотической установки для получения пресной и обессоленной воды. Исходный раствор, например соленая природная вода, хлорируется и подается в высокоскоростной самоочищающийся фильтр. Очищенный раствор насосом вы¬ сокого давления перекачивается в об¬ ратноосмотические аппараты первой сту¬ пени. Опресненная вода через расходо¬ мер и датчик солемера сливается в про¬ межуточный бак, откуда часть ее подает¬ ся потребителю, а другая часть направ¬ ляется на дальнейшее обессоливание на вторую ступень. Фильтрат второй ступе¬ ни сливается в емкость, откуда, как и после первой ступени, часть его подается потребителю, а другая часть поступает на третью ступень — фильтр смешанного действия, позволяющий получить глубо¬ ко обессоленную воду. Концентрирован¬ ный раствор, выходящий из аппаратов первой ступени, либо подается на испаре¬ ние, либо спускается в канализацию в зависимости от условий производства. Установка имеет узлы автоматического контроля и регулирования параметров процесса очистки. Анализ стоимости установок в зависи¬ мости от их производительности показы¬ вает, что обратный осмос по сравнению с дистилляцией наиболее экономичен на установках производительностью до 100 тыс. м3/сут, а по сравнению с электро¬ диализом — на установках производи¬ тельностью до 10 тыс. м3/сут. В ряде случаев весьма эффективным является сочетание обратного осмоса с другими процессами. Так, например, при содержании солей в исходной воде 0,9—■ 1,0 г/л установки обратного осмоса могут применяться как предварительная сту¬ пень перед ионообменными фильтрами. Применение такой схемы для обработки добавочной питательной воды позволяет снизить себестоимость обессоленной воды на 26, а осмос солевых растворов — на 50 %. Рабочее давление в установках по опреснению воды обратным осмосом ре¬ комендуется поддерживать 5 МПа при опреснении вод с солесодержанием до 15 и 10 МПа — до 40 г/л (морские и океанские воды). Ультрафильтрацию осуществляют при давлениях 0,1—0,6 МПа. 19.7. Опреснение воды экстракцией Экстракция из растворов представляет собой физический метод разделения жид¬ ких смесей, основанный на неодинаковом равновесном распределении компонентов раствора между двумя фазами, образую¬ щимися при введении добавочного ве¬ щества — экстрагента. Экстракционный процесс опреснения состоит из трех основных стадий: собст¬ венно экстракции, заключающейся в сме¬ шении исходной воды и экстрагента с последующим разделением водной и ор¬ ганической фаз; сепарации — отделения экстрагированной воды и рассола от растворителя предварительным расслаи¬ 278
ванием при изменении температуры экст¬ ракта и рафината; десорбции — извлече¬ ния остатков растворителя из опреснен¬ ной воды и рассола (способ десорбции за¬ висит от свойств используемого экстра¬ гента). В качестве экстрагентов, наиболее пол¬ но удовлетворяющих требованиям про¬ цесса экстракции воды, могут использо¬ ваться триэтиламин, диэтилметиламин, дипропиламин и другие жидкие, твердые и газообразные растворители. Принципиальная схема опреснения во¬ ды жидкими аминами приведена на рис. 19.26. Основой ее является узел экстракции — сепарация. Процесс про¬ текает в противоточном экстракционном аппарате 1, где соленая вода контакти¬ рует с растворителем, перемещающемся снизу вверх. Экстракт, содержащий прес¬ ную воду, направляется через систему теплообменников 2 и нагреватель 3 в се¬ паратор гравитационного типа 4, где в результате повышения температуры и изменения растворимости происходит разделение фаз. Отделенный раствори¬ тель через теплообменник 2 и холодиль¬ ник 7 возвращается в цикл, а опреснен¬ ная вода и рафинат с остатками раствори¬ теля направляются для его извлечения в десорбционные аппараты 5 и 6. С целью Рециркуляционный Растворитель Рис. 19.26. Схема опреснения воды экстракцией жидкими аминами. предотвращения концентрирования со¬ лей в экстрагенте при повышенном содер¬ жании солей в исходной воде рекомен¬ дуется циркуляция части экстракта, вы¬ деляемого в сепараторе промежуточным подогревом. Применение метода экстракции наибо¬ лее целесообразно для опреснения мало¬ жестких вод,загрязненных органически¬ ми примесями. Широкому промышленно¬ му внедрению метода препятствует от¬ сутствие экстрагентов, достаточно хорошо растворяющих соль и не смешиваю¬ щихся с водой, что не позволяет исполь¬ зовать их для экстрагирования из воды солевых растворов. Глава 20 ОБЕСКРЕМНИВАНИЕ ВОДЫ 20.1. Общие сведения В воде, используемой для производства некоторых сортов целлюлозы, в химико¬ фармацевтической промышленности, для питания паровых котлов и т. д. высокое содержание кремниевой кислоты недо¬ пустимо, так как она является основным компонентом силикатных накипей. Сложные силикатные накипи имеют разнообразный минеральный состав, по¬ скольку H2Si03 образует накипи не только с катионами Са2+ и Mg2+, но и с катионами Na+, Fe3+, А13+ и др. В состав сложных силикатных накипей входит до 40—50 % кремниевой кислоты, 25—30 % оксидов железа, меди и алюминия и 5— 10 % оксида натрия. Низкий коэффициент теплопроводно¬ сти силикатной накипи снижает тепло¬ технические показатели работы котлов и обменных аппаратов. Соединения кремния удаляют из воды осаждением, сорбцией, ионообменным, электрохимическим и другими мето¬ дами. В качестве реагентов применяют из¬ весть, соли железа и алюминия, гидро¬ ксид магния, обожженный доломит, кау¬ стический магнезит, аниониты, исполь¬ зуют электролизеры с растворимым анодом. Для выбора метода обескремнивания предварительно необходимо провести полный химический анализ воды в источ¬ нике водоснабжения, определить форму содержащихся в ней соединений кремния и выполнить технологические исследова¬ ния. Зная необходимую глубину удале¬ ния Si из воды, наиболее подходящий 279
Рис. 20.1. Схема установки для обескремнивания воды по методу Копецкого—Вонд- рушки: / — каскадный подогрева¬ тель; 2 — дегазатор; 3 — до- Q затор известкового молока; f 4 — сатуратор; 5 — механи- / ческий фильтр; 6 — скруб- f ^ бер; 7 — осветлитель; 8 — антрацитовый фильтр; 9 — Na-кэтионитовый фильтр. метод обескремнивания выбирают с уче¬ том технико-экономического сравнения вариантов. 20.2. Реагентные методы обескремнивания воды Обескремнивание воды известью. Обес- кремнивание известкованием основано на небольшой растворимости силиката каль¬ ция. При наличии в исходной воде 10— 12 мг/л H2Si03 остаточное содержание ее в обработанной воде составляет 6—8 мг/л. С избытком извести и повышением температуры глубина обескремнивания возрастает. Так, по методу Копецкого — Вондрушки, который распространен на электростанциях в Чехословакии, подле¬ жащая обескремниванию вода нагревает¬ ся в каскадном подогревателе до темпе¬ ратуры 80—90 °С и насыщается известью в сатураторе (рис. 20.1). При этом осаж¬ дается Mg (ОН)2, сорбирующий БЮз-, CaSi03 и СаС03. Вода обескремнивается и частично умягчается. Осветляют воду фильтрованием, избы¬ ток Са (ОН)2 удаляют декарбонизацией в скрубберах продувкой очищенными ды¬ мовыми газами. Образующийся при этом FeSOj, Избесть Осадок СаС0} осадок СаС03 удаляют в осветлителе, из которого вода для окончательного освет¬ ления поступает на антрацитовый фильтр и Ыа-катионитовый фильтр, загружен¬ ный термостойким катионитом. В очищенной воде содержится 0,35— 0,50 мг/л SiO-)-, солей жесткости — не более 0,01 мг-экв/л, щелочность не пре¬ вышает 0,3 мг-экв/л. Из воды удаляется С02 и частично разлагаются гидрокарбо¬ наты. Обескремнивание воды солями железа. Метод основан на способности хлопьев Fe (ОН)3, образующихся при введении в воду его солей, сорбировать молекуляр¬ но-дисперсную и коллоидную H2Si03. Установка, используемая для обес¬ кремнивания воды FeS04 или FeCl3 (рис. 20.2), состоит из смесителя /, дозаторов реагента и известкового молока, вихре¬ вой камеры реакции 2, осветлителя 4, фильтра 5 и насоса 3 для рециркуляции осадка. Благодаря рециркуляции осадка значительно снижается расход коагу¬ лянта. Дозы FeS04 и FeCl3 принимают 15 мг на 1 мг удаляемой H2SK)3 в виде Si05 . Процесс коагуляции лучше идет при pH = 7,8...8,3. Поэтому для подщелачи- Рис. 20.2. Схема установки для обес¬ кремнивания воды FeSO* или FeCI,. 280
вания воды добавляют известь. Метод применяют для частичного обескремнива- ния воды. Обескремнивание воды солями алюми¬ ния. На способности солей алюминия сорбировать H2Si03 из раствора основан метод обескремнивания с применением алюмината натрия и сульфата алюминия. Концентрация остаточной H2Si03 при использовании алюмината натрия состав¬ ляет 0,5—2 мг/л, расход алюмината — 150—200 мг/л. Применение вместо алю¬ мината натрия более дешевого Al2 (S04)3 уменьшает глубину обескремнивания и увеличивает содержание сульфатов, что нежелательно для вод, идущих на пита¬ ние паровых котлов. Высокой сорбционной способностью по SiOf обладают хлопья алюмината маг¬ ния, образующиеся при одновременном введении в воду солей магния и алюмина¬ та натрия при pH > 8,5. Для получения оптимального значения pH воду подще¬ лачивают. Расчетную дозу извести Ди (в пересчете на СаО) для подщелачивания воды до pH = 7,8...8,3 при обескремнивании ее солями железа и алюминия определяют по формуле где [С021 — содержание СОа в исходной воде, мг/л; Дк — доза коагулянта в перес¬ чете на безводный продукт, мг/л; ек — эквивалентная масса активного вещества коагулянта, мг/мг-экв. Схема сооружений для обескремнива¬ ния воды этим методом аналогична изоб¬ раженной на рис. 20.2. Если допускается содержание взвешенных веществ в воде до 15 мг/л, то вода из осветлителей мо¬ жет подаваться потребителю; при необ¬ ходимости более полного осветления воду пропускают через фильтры с антрацито¬ вой крошкой. Для снижения дозы коагу¬ лянта, расход которого обычно составля¬ ет 200—400 мг/л, применяют рециркуля¬ цию осадка в осветлителе. Высоту слоя взвешенной контактной среды принима¬ ют не менее 2,5 м, скорость восходящего потока в зоне осветления — 0,9—1 мм/с, отвод воды в зону отделения осадка — 20—25 %. Перечисленные методы имеют недостат¬ ки, среди которых наиболее значитель¬ ными являются большой расход и высо¬ кая стоимость реагентов, а также увели¬ чение количества сухого остатка обес- кремненной воды. Магнезиальный метод обескремнива¬ ния воды основан на способности соеди¬ нений магния (оксида магния, обожжен¬ ного доломита, каустического магнезита и др.) сорбировать из водных растворов коллоидную и молекулярно-дисперсную H2Si03. Остаточное содержание Si02 в очищенной воде не превышает 1— 1,5 мг/л. Для снижения расхода магне¬ зитовых реагентов (в три-четыре раза) применяют высокий подогрев и рецирку¬ ляцию шлама из отстойников в камеру реакции. Так, при подогреве воды до 35—45 °С остаточное содержание H2Si03 при обработке MgO не превышает 2, до 86—105 °С — 0,5 мг/л. Расход MgO в этом случае составляет 5—7 мг/мг Si02. Ввиду дефицитности и высокой стои¬ мости MgO в качестве магнезитовых ре¬ агентов часто применяют обожженный декарбонизованный доломит СаС03 X X MgC03, полуобожженный каустиче¬ ский доломит MgO • СаС03 и каустиче¬ ский магнезит MgC03. Обожженный до¬ ломит заливается водой и через 1,5—2 ч дозируется в обрабатываемую воду в виде 5%-го раствора (по сумме СаО и MgO). В осветлителе образуется осадок CaSi03 и MgO, который сорбирует H2Si03. Каустический магнезит представляет собой пыль, улавливаемую из отходящих газов при обжиге природного магнезита MgC03. Поскольку обожженный доломит про¬ мышленностью не выпускается и его не¬ обходимо получать на месте потребле¬ ния, при обескремнивании воды чаще всего применяют каустический магнезит. Его дозируют в виде суспензии или по¬ рошка. В воде он образует тяжелую быст- рооседающую взвесь. Эффект обескрем¬ нивания воды этой взвесью зависит от дозы реагента, длительности контакта его с водой и температуры последней. Установка для обескремнивания (рис. 20.3) состоит из подогревателя воды 1, напорного дозатора 2, осветлителя 3 с каскадным подогревателем, в котором вода нагревается острым паром до темпе¬ ратуры 105 °С, насоса 5 для рециркуля¬ ции осадка и фильтров 4, заполненных оксидом магния или антрацитом. 281
В канализацию V7y^7 7 Умягченная Вода Рис. 20.3. Схема установки для обескремнивания воды MgO при высокой температуре. Высоту слоя взвешенной контактной среды в осветлителе принимают 2—2,5 м, высоту зоны осветлителя — 2—2,5 м, скорость восходящего потока в зоне осветления — 0,5—1,2 мм/с, отвод воды в осадкоуплотнитель — 30—40 %. При щелочности воды более 2 мг-экв/л в нее добавляют известь, так как при больших количествах С02 и гидрокарбо¬ натов Mg(OH)2 растворяется и процесс обескремнивания ухудшается. Дозу каустического магнезита или обожженного доломита Да определяют по формуле 100 ■До = ([SiO| ] • 12- l,7[Mg2+]) С. JMgO где [SiOl 1 и [Mg'+J — соответственно концентрации ионов кремниевой кислоты и магния в исходной воде, мг/л; Смво — содержание MgO в каустическом магне¬ зите или обожженном доломите, %. Дозу извести Да определяют по форму¬ ле Ди — 28 Лк 22 12 + + - ■0,5- Л0С, о^СаО ек ' ' 100 где [С02] — содержание С02 в исходной воде, мг/л; Жк — карбонатная жесткость исходной воды, мг-экв/л; Д — доза коагу¬ лянта (FeCl3 или FeS04), мг/л; ек — экви¬ валентная масса активного вещества коа¬ гулянта, мг/мг-экв; Ссао — содержание СаО в каустическом магнезите или обож¬ женном доломите, %. Длительность контакта реагента с во¬ дой принимают 60—90 мин, температуру процесса обескремнивания — 40 °С. При температуре воды свыше 120—130 °С эф¬ фект обескремнивания повышается до 0,3—0,5 мг/л, а расход реагентов и пе¬ риод пребывания воды в осветлителе сокращаются. При эксплуатации обескремнивающих установок с применением реагентных ме¬ тодов необходимо строго следить за дозой добавляемых в воду реагентов, беспере¬ бойным их поступлением, поддержанием физико-химических условий процесса (температурный режим, активная реак¬ ция среды, щелочность и др.). В конической части осветлителей, а иногда и на дренажной решетке могут накапливаться крупные частички и отло¬ жения шлама. Для устранения этого ре¬ комендуется кроме непрерывной продув¬ ки практиковать периодические (с ин¬ тервалами от 2 до 20 сут) продувки освет¬ лителя и шламоотделителя. 20.3. Обескремнивание воды фильтрованием через активированные загрузки При фильтрационном методе обескрем¬ нивания воды фильтры загружаются маг¬ незиальными сорбентами (полуобожжен- ным доломитом, а также специальным сорбентом, получаемым обработкой из¬ мельченного каустического магнезита со¬ ляной кислотой), активированным окси¬ дом алюминия, бокситами. Получают магнезиальный сорбент так: смесь каустического магнезита с соляной кислотой или хлоридом магния, имею¬ щую консистенцию теста, высушивают при температуре 80—100 °С, измельчают и просеивают. Полученный магнезиаль¬ ный сорбент представляет собой зерна светло-серого цвета крупностью 0,5— 1,5 мм. Массовое соотношение Mg : Cl в сорбенте примерно составляет 1,5 : 1, а его насыпная плотность 0,75—0,85 т/м3. Сущность обескремнивания воды фильт¬ рованием через такой сорбент заключает¬ ся в образовании малорастворимого в воде MgSiO;,. При высоте слоя сорбента в фильтре 3,4—4,0 м, температуре воды 40—50 °С и скорости фильтрования до 10 м/ч содер¬ жание H2Si03 в воде снижается до 0,1— 282
Рис. 20.4. Схема установки для обес- Вода кремнивания воды фторидным методом * при ее обессоливании: / — бак для раствора NaF; 2 — насос- дозатор; 3 — Н-катионитовый фильтр; 4 — бак для раствора H2S04; 5 — эжек¬ тор; 6 — бак для раствора щелочи; 7 — . ОН-анионитовый фильтр; 8 — дегаза- тор; 9 — вентилятор. 0,3 мг/л. Один кубометр сорбента погло¬ щает до полного насыщения 90 кг Si02. Недостаток метода заключается в не¬ обходимости через каждые шесть месяцев (npta среднем содержании в исходной воде до 10 мг/л Si02) менять загрузку фильт¬ ра, поскольку сорбент не регенерирует¬ ся. Большой практический интерес пред¬ ставляет использование активи¬ рованного оксида алюминия и бок¬ ситов в качестве загрузки обес- кремнивающего фильтра. При ско¬ рости фильтрования 5—6 м/ч слой сорбента толщиной 1,5 м снижает содержание H2Si03 до 0,1—0,5 мг/л. Фильтр регенерируется 0,1%-м раство¬ ром щелочи. За один цикл 1 м3 активиро¬ ванного А1203 поглощает из воды 10— 12 кг БЮз~. Большое преимущество фильтрационного метода заключается в компактности установок и простоте их обслуживания. 20.4. Обескремнивание воды анионитами Анионитовый метод обескремнивания во¬ ды в цикле ионитового обессоливания с сильноосновными анионитами обеспечи¬ вает снижение концентрации SiO.4 до 0,02 мг/л (см. п. 19.4). К недостаткам этого метода следует отнести его сравнительно высокую стои¬ мость, что объясняется большим расхо¬ дом NaOH на регенерацию и быстрым уменьшением в процессе эксплуатации кремнеемкости сильноосновных аниони¬ тов. Это вынуждает заменять их через каждые 1,5—2 года. Фторидный метод обескремнивания во¬ ды специальными реагентами позволяет использовать слабоосновные аниониты. Дозируемые в обрабатываемую воду HF или NaF переводят H2Si03 в сильную H2SiFe, которая достаточно полно погло¬ щается слабоосновными анионитами: 6HF + H2Si03 = H2SiF„ + 3H20; 2 [Ан] ОН + H2SiF„ [Ан]3 SiF„ + 2НаО; 2 [Ан] НС03 + H2SiF6 -*■ | Ан]2 SiFe — + 2СОг + 2НгО. Схема установки для обескремнивания воды фторидным методом представлена на рис. 20.4. 20.5. Обескремнивание воды электрокоагуляцией Обескремнивание воды при электролизе с растворимым алюминиевым анодом ос¬ новано на способности образующегося в процессе электролиза А1 (ОН)3 сорби¬ ровать соединения кремния. Наиболее эффективно данный процесс протекает при неглубоком обескремнива¬ нии воды, т. е. при снижении концентра¬ ции Si02 на 60—80 %. В этом случае при расходе алюминия 2—3 г/м3 и потреб- Рис. 20.5. Схема водоочистной установки для подго товки воды на ТЭЦ: / — электропульт; 2 — электрокоагулятор; 3 — от¬ вод промывной воды; 4 — напорный взвесеулавливаю¬ щий фильтр; 5 — выпуск газов; 6 — обработанная вода: 7 — ротаметр: 8 — подача промывной воды; 9 — воздух, подаваемый компрессором. 283
лении электроэнергии 0,01—0,02 кВт X X ч/м3 концентрация Si02 уменьшается в 2 раза. Это открывает реальные перс¬ пективы использования данного метода при подготовке воды для глубокого обес¬ кремнивания и обессоливания ионооб¬ менными и сорбционными методами. При обработке небольших количеств воды метод может использоваться и для глубокого" обескремнивания, однако в этом случае требуются повышенные рас¬ ходы алюминия и электроэнергии. На¬ пример, для полного обескремнивания воды, содержащей 40 мг/л Si02, при плот¬ ности тока 2 мА/см2 расход алюминия составляет 50 г/м3, а расход электроэнер¬ гии — 0,6 кВт • ч/м3. На процесс обескремнивания воды электрохимическим методом влияют pH воды, ее солевой состав, плотность тока и другие факторы. Наиболее эффективно вода обескремнивается при pH = 6,5— 9,0, плотности тока 1—-2 мА/см2 и в гид- рокарбонатно-хлоридных средах с не¬ большим содержанием сульфатов. Схема установки с электрокоагулято¬ ром для подготовки технической воды к обессоливанию представлена на рис. 20.5. Глава 21 СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ 21.1. Радиационная очистка воды Ионизирующим (проникающим) излуче¬ нием, или радиацией, принято называть коротковолновое электромагнитное из¬ лучение — рентгеновские и 7-лучи, электроны, протоны, а-частицы и ядра отдачи, а также быстрые нейтроны. Наи¬ более удобным источником излучения является радиоактивный 60Со. Распад ра¬ диоактивного 60Со сопровождается вы¬ бросом р частицы с энергией 0,3 МэВ и двух у-лучей с энергией 1,17 и 1,33 МэВ. Благодаря самопоглощению р-частиц б0Со дает практически чистое 7-излучение. Его проникающая способ¬ ность очень высока. Период полураспада б0Со составляет 5,3 года, время использо¬ вания в промышленной установке обычно достигает 10 лет. Рис. 21.1. Радиационное обесцвечивание воды Клязь¬ минского водохранилища без барботирования (/) и с барбо! ированием (2) воздуха. Отечественной промышленностью в на¬ стоящее время изготовляются отдельные излучатели “Со в виде стержней диамет¬ ром 11 и длиной 80 мм с удельной актив¬ ностью 17—70 г-экв/г. В качестве других источников ионизи¬ рующего излучения могут использовать¬ ся 137Cs, тепловыделяющие элементы, радиационные контуры, смесь продуктов радиоактивного деления, извлеченных из отработанных тепловыделяющих элемен¬ тов, и ускорители электронов (линейные и циклические). Радиационная обработка обеспечивает окисление и осаждение органических соединений (например,трудноудаляемых фульвокислот), улучшает процессы коа¬ гуляции, дегельминтизации, дезодорации и обеззараживания воды. Исследованиями, проведенными в Ин¬ ституте электрохимии АН СССР с 7-из¬ лучением 60Со, было установлено, что под его действием обесцвечиваются раст¬ воры всех гумусовых веществ. Резкое падение цветности происходит с ростом дозы излучения. На процесс радиацион¬ ного обесцвечивания сильное влияние оказывает барботирование воды возду¬ хом (рис. 21.1). В последнем случае для получения воды с цветностью 20 град доза облуче¬ ния составляет меньше 1 Гй. Доза в 1 Гй достаточна для удаления из воды привкусов, запахов, бактерий и вирусов. Особенно эффективно радиа¬ ционное удаление запахов, вызываемых хлорфенолом. Хлорфенольный запах с 284
пороговым числом 250 дозой 1 Гй сни¬ мается полностью. Для окончательного выбора источни¬ ков ионизирующего излучения необходи¬ мы еще большая конструкторская работа и опытная проверка как технических, так и эксплуатационных их характери¬ стик. 21.2. Очистка воды от радиоактивных веществ Радиоактивные вещества, попадающие в поверхностные и подземные воды, бы¬ вают природного и искусственного проис¬ хождения. Наличие в воде природных радиоактивных веществ обусловлено со¬ прикосновением ее с минералами, содер¬ жащими радиоактивные изотопы 238U, 226Ra, 232Th, а также взаимодействием с атмосферой, из которой в воду попада¬ ют продукты «космического синтеза» эле¬ ментов (14С, |0Ве, 3Н). Степень радиоак¬ тивного загрязнения воды в этом случае обычно невелика. Сточные воды предприятий атомной промышленности, научно-исследователь¬ ских, медицинских и других учрежде¬ ний, использующих в своей работе радио¬ активные изотопы, являются причиной загрязнений природных вод искусствен¬ ными радиоактивными элементами. Нена¬ дежная изоляция твердых и полужид¬ ких радиоактивных отходов при их захо¬ ронении также может привести к зараже¬ нию подземных и поверхностных вод искусственными радиоактивными изото¬ пами. Поскольку распад радиоактивных ве¬ ществ, находящихся в воде, ускорить или замедлить практически невозможно, дезактивируют воду лишь двумя мето¬ дами: выдерживанием ее перед подачей потребителю в течение определенного вре¬ мени; удалением из нее взвешенных или растворенных радиоактивных веществ. Первый метод применим только в тех случаях, когда вода загрязнена изотопа¬ ми, имеющими малый период полурас¬ пада. Удаление радиоактивных веществ из воды может производиться отстаиванием, коагулированием, фильтрованием, ионо- обменом, адсорбцией, дистилляцией, электродиализом, флотацией или сочета¬ нием перечисленных методов. Отстаивание воды применяется как са¬ мостоятельный метод дезактивации в тех случаях, когда радиоактивные вещества взвешены в воде или имеют малый период полураспада. Необходимая степень дез¬ активации воды обычно достигается при длительности отстаивания, равной 10—20 периодам полураспада радиоактивного вещества. Коагулирование, проводимое на очист¬ ных станциях водопроводов для осветле¬ ния и обесцвечивания воды, дает большой и постоянный дезактивирующий эффект, если радиоактивные вещества находятся в коллоидном состоянии или адсорби¬ рованы на природных низкодисперсных примесях, обусловливающих мутность воды. Если же радиоактивные вещества находятся в растворенном состоянии, дезактивация воды коагулянтами не до¬ стигает цели. Эффективная очистка воды от радиоак¬ тивных загрязнений достигается повы¬ шенными по сравнению с обычными доза¬ ми коагулянтов или их смесей, при под- щелачивании воды, а иногда и при добав¬ лении к воде некоторого количества соот¬ ветствующего нерадиоактивного изотопа. Для удаления радиоактивных веществ применяются сульфаты алюминия и желе¬ за (III), хлорид железа (III), фосфаты натрия и калия и др. Фильтрование воды. Обычно фильтро¬ вание через песчаные фильтры не являет¬ ся эффективным средством удаления ра¬ диоактивных веществ, поскольку чистый кварцевый песок обладает ничтожной адсорбционной способностью. В основном дезактивирующее действие фильтров состоит в удалении радиоизотопов, захва¬ ченных хлопьями коагулянта. Кроме то¬ го, хлопья коагулянта, глина, органиче¬ ские вещества и микроорганизмы, отло¬ жившиеся в загрузке фильтра, дополни¬ тельно адсорбируют радиоактивные ве¬ щества из воды. В случае использования для дезактива¬ ции воды медленных фильтров большое значение имеет поглощение радиоактив¬ ных веществ планктоном и микроорга¬ низмами биологической пленки, которые концентрируют в своем теле радиоактив¬ ные вещества. Эффективность удаления-радиоактив¬ ных смесей фильтрующими материалами составляет для кварцевого песка — 72— 285
89 %, для активированного А1203 — 94, древесного угля — 86, активированного угля — 92 и глауконита — 83 %. Ионообмен, по литературным данным, относится к наиболее результативным методам дезактивации воды. Особенно эффективно совместное Н-ОН-ионирова- ние. Однако отсутствие селективных ионообменных материалов приводит к то¬ му, что практически ионообмен может быть использован лишь для вод с неболь¬ шим содержанием солей. Кроме того, вы¬ сокая стоимость ионитов, трудность их регенерации, большое количество радио¬ активных отходов усложняют процесс. В связи с этим ионообмен целесообразно применять на небольших водоочистных станциях, передвижных и индивиду¬ альных установках, а также в качестве заключительного этапа дезактивации (в дополнение к описанным методам). Очистка воды сорбентами. Извлечение радиоизотопов сорбентами — один из са¬ мых распространенных методов дезакти¬ вации воды. В качестве сорбентов при дезактивации воды используют природ¬ ные ионообменные материалы (глины, гидрослюды, почвы, природные цеолиты и др.); искусственные неорганические сорбенты (на основе труднорастворимых солей циркония, титана, гетерополикис¬ лот, синтетические цеолиты, силика¬ гель, порошки металлов); природные ор¬ ганические вещества и продукты их об¬ работки (торф, гумусовые вещества, дре¬ весину, целлюлозу, активированный уголь и т. п.). Окисленный азотной кислотой при 90—140 °С и термообработанный уголь марки СКТ эффективно сорбирует радио¬ активные изотопы 137Cs, 89Sr, 95Nd, 104Ku и 32P, находящиеся в воде в истин¬ но растворенном и коллоидном состоя¬ ниях. Дистилляция. В тех случаях, когда радиоактивные вещества не летучи, вода может быть освобождена от них выпари¬ ванием и последующей конденсацией. Если же вода содержит летучие радио¬ активные вещества, их необходимо перед дистилляцией осадить или перевести в связанное состояние. Сильно загрязненную воду перегоняют два раза. Дистилляция — один из наиболее на¬ дежных методов дезактивации воды. Од¬ нако ввиду высокой стоимости и относи¬ тельно низкой производительности дистилляционной аппаратуры этот метод применим преимущественно для очистки небольших количеств воды, например, в полевых условиях, для нужд детских уч¬ реждений, больниц и т. п. При очистке воды от радиоактивных веществ данным методом необходимо соблюдать следую¬ щие условия: через несколько часов ра¬ боты установки сливать радиоактивный остаток воды из котла-испарителя; пе¬ риодически очищать откладывающуюся на стенках и паропроводах котла радио¬ активную накипь; подвергать отходы захоронению. Электродиализ применяют для извле¬ чения из воды растворимых форм радио¬ активных элементов. Основной недоста¬ ток электродиализа — невозможность удаления коллоидных и псевдоколлоид- ных форм радиоактивных изотопов, кото¬ рые нужно предварительно устранять коагуляцией и фильтрованием. Несмотря на недостатки (высокая стои¬ мость и недостаточная прочность мемб¬ ран, большие энергетические затраты при электродиализе сильноминерализован¬ ных вод), электродиализные установки могут успешно применяться для дезакти¬ вации сравнительно небольших коли¬ честв пресных и слабоминерализованных вод. Флотация. Снизить влагосодержание и объем осадков, образующихся при дез¬ активации воды методом коагуляции, и тем самым облегчить задачу удаления и захоронения радиоактивных отходов можно флотацией гидроксидов различны¬ ми флотоагентами (нефтяные бензосуль¬ фокислоты, сульфатное мыло). Исследо¬ вания по удалению из воды 90Sr, 90U и 95Nb показали, что при одинаковой степе¬ ни очистки объем осадка гидроксида и длительность отделения его от раствора флотацией являются значительно мень¬ шими, чем при коагуляции с отстаива¬ нием. Еще большее концентрирование выде¬ ленных радиоактивных веществ дости¬ гается при пенной флотации. Объем ак¬ тивной пены после ее разрушения со¬ ставляет всего 0,01—0,10 % исходного объема раствора. Эффективность и высо¬ кая селективность действия флотоаген- тов, простота операций, концентрирова¬ 286
ние выделенных радиоактивных веществ в малом объеме делают этот метод одним из наиболее перспективных при дезакти¬ вации больших объемов воды, особенно с малым содержанием солей. Недостаток метода — возможная токсичность фло- тоагентов. Реагентное умягчение воды использует¬ ся при наличии в схеме водоочистки спе¬ циальных сооружений, приспособленных для известково-содового умягчения, или комплекса сооружений, который пред¬ назначен для обработки воды коагулян¬ тами, но после переоборудования мо¬ жет применяться для реагентного умяг¬ чения. Метод многоступенчатого осаждения примесей известью и содой является весь¬ ма эффективным средством удаления 90Sr, S9Sr, 140Ва, 140La, ll5Cd. Известково¬ содовое умягчение дает хорошие резуль¬ таты лишь при больших избытках реаген¬ тов. Комбинированная дезактивация воды коагулированием, отстаиванием и фильтрованием. Обычно на водопроводах применяется последовательно коагули¬ рование, отстаивание и фильтрование, причем, как уже отмечалось, каждый из этих процессов в отдельности снижает радиоактивность воды. Обычно исполь¬ зуемые на городских водопроводах мето¬ ды очистки обеспечивают снижение ра¬ диоактивности воды на 50—70 %. Эф¬ фективность дезактивации воды значи¬ тельно повышается вследствие примене¬ ния больших доз реагентов, выбора более эффективных коагулянтов, добавления к воде извести или соды. Описанные процессы представляют, не¬ сомненно, большой интерес, но не яв¬ ляются исчерпывающими для разработки рационального и экономически выгод¬ ного технологического метода дезактива¬ ции хозяйственно-питьевых вод. Остается также неразрешенной пробле¬ ма хранения выделенных из воды изото¬ пов. Рекомендуемые в настоящее время методы захоронения их (закапывание в землю, погружение в море и пр.) нельзя считать целесообразными. Поэтому даль¬ нейшее развитие исследований, связан¬ ных с разработкой новых методов дезак¬ тивации и хранения выделенных радио¬ изотопов, является важнейшей научно- исследовательской задачей. 21.3. Очистка воды от синтетических моющих средств Синтетические моющие средства (детер¬ генты) попадают в открытые водоемы со сточными водами. Одни из них — «мяг¬ кие» детергенты в виде алкилсульфатов в водоемах окисляются относительно быст¬ ро, другие — «жесткие» детергенты, из¬ готовленные на основе алкилбензолсуль- фоната (АБС) натрия, сохраняются в сточной воде длительное время и значи¬ тельно ухудшают ее органолептические свойства. АБС удаляют из воды озонированием, обработкой С102, коагулированием соля¬ ми алюминия или железа, сорбцией на бентоните или активированном угле. Для снижения содержания АБС в воде с 10 до 2,0—2,5 мг/л при ее осветлении отстаиванием и фильтрованием доза Ala (S04)3 или FeCl3 составляет 100— 120 мг/л. Эффективность очистки возра¬ стает при понижении pH до 5. Более глубокое удаление АБС дости¬ гается сорбцией порошкообразным или фильтрованием через слой гранулиро¬ ванного активированного угля. 21.4. Удаление из воды токсичных химических веществ Допустимые концентрации химических веществ, содержащихся в природных водах, добавляемых к воде в процессе ее обработки и попадающих в водоисточни¬ ки с бытовыми, промышленными и сель¬ скохозяйственными загрязнениями, не должны превышать пределов, установ¬ ленных ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» (см. второй форзац). К наиболее токсичным химическим ве¬ ществам относятся бериллий, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций, ртуть и др. Они вредно влияют на живой орга¬ низм даже при концентрациях 1 г/л. Не¬ которые металлы, например, цинк, желе¬ зо, титан для человека малотоксичны, однако в небольших концентрациях гу¬ бительно действуют на рыб и кормовые ресурсы, тормозят процессы самоочище¬ ния водоемов. Молибден, мышьяк, селен, медь, цинк, нитраты и нитриты можно удалить из воды фильтрованием через ионитовые фильтры. Для удаления меди и цинка 287
применяется обратный осмос. Содержа¬ ние меди в воде после обработки на об¬ ратноосмотических установках снижает¬ ся на 98—99 %. Для удаления из воды мышьяка, рту¬ ти, свинца, фенолов и других веществ используется активированный уголь. Сорбцией порошкообразным активиро¬ ванным углем (доза 2—7 г/л) из воды уда¬ ляется 10—75 % свинца и 80—90 % цин¬ ка. Полнота удаления зависит от pH раствора и состояния металла. В виде неорганических соединений мышьяк может удаляться также соосаж- дением при обработке воды Fe2 (S04)3 или FeCl3. Эффективное удаление из воды селена и стронция достигается в электролизерах с растворимыми железными электродами. 21.5. Доочистка сточных вод «Доочистка» сточных вод приобретает особую актуальность в связи с непрерыв¬ ным увеличением водопотребления и об¬ разованием сточных вод. Возрастает зна¬ чение повторного и многократного ис¬ пользования очищенных сточных вод тех¬ нического водоснабжения промышленно¬ сти. Очищенные сточные воды пополняют запасы подземных вод. Для доочистки городских сточных вод чаще всего применяют методы фильтрова¬ ния, флотации, сорбционный, окисления, комбинированный, доочистку воды в био¬ логических прудах и др. При этом при¬ ходится сталкиваться с необходимостью обработки больших количеств воды, по¬ этому предпочтительнее фильтровальные устройства и сооружения, которые не требуют создания больших давлений, на¬ пример, микрофильтры и самотечные фильтры с зернистой загрузкой. В основу конструкций микрофильтров для доочистки сточных вод положены мо¬ дернизированные сетчатые барабанные фильтры (см. гл. 9). Процесс фильтрования биологически очищенной воды (изъятие частичек актив¬ ного ила и накопление их в фильтрующей загрузке) близок к процессам, характер¬ ным для фильтров систем водоснабже¬ ния. Особенность доочистки сточных вод на фильтрах заключается в способности взвешенных частичек активного ила сое¬ диняться в прочные агрегаты на поверх¬ ности зерен загрузки и вызывать силь¬ ную кольматацию ее с образованием осадка (пленки) в верхнем фильтрующем слое. С учетом этой особенности разрабо¬ таны конструкции фильтров с восходя¬ щим потоком воды и водовоздушной про¬ мывкой, загружаемых гранитным щебнем крупностью 7,2—14,4 мм, аэрируемых песчаных и других фильтров, расчет и конструктивные особенности которых из¬ ложены в СНиП 2.04.02—84, СНиП П-32-74, а также в «Технических ука¬ заниях на проектирование и эксплуата¬ цию станций аэрации в комплексе с фильтровальными сооружениями» (ОНТИ АКХ, 1977). Эффективная доочистка сточных вод осуществляется в биологических прудах с естественным и искусственным аэриро¬ ванием. Устраивают их, как правило, проточными. В теплое время года ВПК очищенной в пруду воды достигает 5— 6 мг 02/л, содержание взвешенных ве¬ ществ — 15—30 мг/л. При бурном цве¬ тении воды эти показатели повышаются. В холодное время года в результате дли¬ тельного пребывания сточных вод в био¬ логическом пруду можно достичь сниже¬ ния ВПК до 3—4 мг 02/л и содержания взвешенных веществ до 40 мг/л. Метод флотации широко применяется при доочистке вод с целью выделения жиров, нефти, нефтепродуктов, бумаж¬ ного волокна и др. Для доочистки сточных вод применяют напорную флотацию и флотацию с меха¬ ническим диспергированием воздуха (раз¬ личные системы барботажа). Наиболее эффективным методом удале¬ ния из очищенных сточных вод остаточ¬ ных растворенных органических соеди¬ нений, в том числе биологически не окисляемых, является сорбция активи¬ рованным углем. Этот метод позволяет снизить концентрацию органических сое¬ динений на стадии доочистки сточных вод на 90—99 %. При доочистке сточных вод используют сильные окислители: 03, С12, С102, КМпО,, и др. Из них наиболее перспективным, ха¬ рактеризующимся высокой реакционной способностью и сильным бактерицидным действием, является 03. Так, исследова¬ ниями ВНИИ ВОДГЕО было установле¬ но, что при доочистке биологически очи¬ щенных сточных вод, с цветностью 250— 288
300 град и ХПК 200 мг/л, расход 03 для снижения цветности на 10 град составлял 1,5 мг/л, а для снижения ХПК на 1 мг — 0,9 мг/л. При снижении цветности до 30—40 град ХПК снижалось примерно на 20 %. Более глубокое окисление орга¬ нических веществ (снижение ХПК на 40 %) было достигнуто при расходе Оэ 2,25 мг/мг окисленного вещества. Полное восстановление качества исход¬ ной биологически очищенной сточной воды может быть достигнуто комбиниро¬ ванием описанных выше методов. В ближайшие десятилетия внимание научных работников и инженеров должно быть направлено не только на удаление загрязнений, но и на их переработку. 21.6. Подготовка воды для искусственного обогащения запасов подземных вод Возрастающая интенсивность эксплуа¬ тации источников подземных вод приво¬ дит к истощению естественных запасов глубоких водоносных горизонтов и к сни¬ жению уровня горизонтов безнапорных водных потоков. Одним из радикальных методов защиты подземных источников от истощения является систематическое искусственное пополнение водоносных горизонтов переводом поверхностного стока в подземный. Это позволяет уве¬ личить запасы намечаемого к эксплуата¬ ции и эксплуатируемого водоносных го¬ ризонтов и может пополнить ограничен¬ ные запасы подземной воды, если наме¬ тилась тенденция к истощению водонос¬ ного горизонта. В зависимости от типа подземных вод пополнение производят гравитационной инфильтрацией (рис. 21.2), фильтрацией поверхностной воды под напором (рис. 21.3) либо одновременно используют оба метода. Метод гравитационной инфильтрации как более простой и дешевый применяет¬ ся чаще. В качестве инфильтрационных сооружений используют каскад бассей¬ нов (обычно не менее двух), русла по¬ стоянных или временных потоков, кана¬ вы, борозды и естественные депрессии (понижения, балки, овраги), а также капитальные и облегченные бассейны. Подача неочищенной воды в инфильт- рационные бассейны приводит к быстро¬ /// /// /// У// /// /// /// /// /// /// /УУ УУУ УУУ УУУ УУУ //, Рис. 21.2. Схема иифильтрациоиного бассейна капи¬ тального типа: / — уровень грунтовых вод до пополнения; 2 — уро¬ вень инфильтрующейся воды; 3 — зона аэрирования (Н — глубина бассейна, h — толщина слоя песка); 4 — крепление откосов бетонными плитами. му заилению их дна, а закачка такой же воды в скважины вызывает механическую и биологическую кольматацию фильт¬ ров. Особенно нежелательно высокое со¬ держание в поверхностном водоисточни¬ ке взвешенных веществ, наличие кото¬ рых снижает эффективность работы си¬ стем искусственного пополнения водой. По этой причине основным видом обра¬ ботки воды на сооружениях пополнения запасов подземных вод обычно является ее осветление. Применяемая на сооруже¬ ниях пополнения запасов водоподготов- ка зависит от качества воды, требуемой степени ее осветления, характера соору¬ жений пополнения и местных гидрогеоло¬ гических условий. Возможны следующие виды предвари¬ тельной подготовки воды, идущей на по¬ полнение запасов: очистка по упрощен¬ ной схеме — аэрирование и естественное отстаивание; частичная очистка — есте¬ ственное отстаивание, фильтрование без- реагентное или реагентное с периодиче¬ ской коагуляцией; полная очистка — коагулирование, отстаивание с фильтро¬ ванием, известкование, углевание и даже хлорирование. Метод очистки воды, идущей на попол¬ нение ее запасов, должен удовлетворять двум требованиям: во избежание загряз¬ нения зоны аэрирования и водоносного горизонта поступающая на инфильтра¬ цию вода должна быть максимально чи- Рис. 21.3. Схема на¬ порной инфильтра¬ ции: / — уровень подзем¬ ной воды до попол¬ нения; 2 — водяной бугор; 3 — пьезомет¬ рическая линия. Ю 5-2398 289
стой и не содержать примесей, ухудшаю¬ щих ее качество в результате возможного химического загрязнения при прохожде¬ нии через грунт; с учетом специфики масштаба и технологии пополнения со¬ оружения водообработки должны быть предельно простыми, не нуждающимися в квалифицированном уходе и макси¬ мально дешевыми как в строительстве, так и в эксплуатации. Чтобы выполнить оба эти требования, при проектировании сооружений необхо¬ димо максимально использовать методы предварительной очистки. К ним отно¬ сятся, в первую очередь, естественное отстаивание и гидробиологическая очист¬ ка посевом в отстойниках-водохранили- щах дикого риса и камыша. Следует шире использовать методы аэрирования, без реагентного отстаивания и фильтрова¬ ния. При гравитационном методе пополнения запасов воды на дне бассейна укладыва¬ ют песчаный фильтр толщиной 0,5— 0,7 м. Иногда при благоприятных грун¬ товых условиях и хорошем качестве ис¬ ходной воды (что встречается довольно редко) для этой цели используют песча¬ ный фильтр толщиной 10 см. Работает такой фильтр по принципу медленного (пленочного) фильтрования. Его верх¬ ний слой толщиной 1—2 см задерживает около 80 % взвешенных веществ, а ос¬ тальные 20 % оседают в 8-сантиметровом слое. При напорной инфильтрации через скважины целесообразно применить без- реагентное фильтрование в напорных автоматически самопромывающихся фильтрах, конструкции которых разра¬ ботаны ВНИИ ВОДГЕО, УИИВХ и НИМИ. Первые два из них работают по принципу пленочного фильтрования, тре¬ тий — объемного. При необходимости ин¬ тенсификации процесса фильтрования применяют фильтры, функционирующие по принципу объемной адгезии (слипания частичек загрязнения и коагулянта). Эти фильтры работают при периодическом коагулировании или с добавкой малых доз коагулянта. Конструкции их разра¬ ботаны в НИМИ и ОИСИ. Чтобы инфильтрационные бассейны приходилось чистить не более двух раз в год, мутность подаваемой воды не долж¬ на превышать 10 мг/л для мелкозернисто¬ го песка крупностью 0,25—0,50 мм и 20 мг/л — для крупнозернистого крупно¬ стью 1—2 мм. Такая предельная норма мутности воды кроме удлинения фильтро¬ цикла предупреждает загрязнения грун¬ тов в зоне аэрирования и водоносной зоне. С целью улучшения качества инфильт- руемой воды по содержанию железа и марганца желательно подвергнуть ее максимальному аэрированию, чтобы до¬ стичь содержания 02 до 15 мг/л. Ин- фильтруемая вода должна содержать ми¬ нимальное количество СОа для предуп¬ реждения увеличения ее жесткости на пути инфильтрации через грунты, обыч¬ но содержащие карбонаты. Количество хлоридов, сульфатов и солей жесткости в водоисточнике должно быть таким, что¬ бы не ухудшить, а в благоприятных слу¬ чаях — улучшить качество подземной воды при ее смешении с инфильтруемой. Содержание в исходной воде свинца, мышьяка, ПАВ и нефтепродуктов не должно превышать норм, установленных ГОСТ 2874—82. При наличии в поверх¬ ностном водоисточнике повышенного ко¬ личества планктона (> 1000 кл./см3) пе¬ ред инфильтрацией нужно производить микрофильтрование воды. Коли-индекс воды, подаваемой на инфильтрацию через бассейны, не должен превышать 10 000, а воды, закачиваемой в скважины, огра-* ничен нормами ГОСТа. Технология пополнения запасов воды не должна ухудшать качественных пока¬ зателей воды в водоприемных сооруже¬ ниях.
Раздел V ОБРАБОТКА ВОДЫ ПРИ ОБОРОТНОМ ВОДОСНАБЖЕНИИ. КОМПОНОВКА, ПУСК И НАЛАДКА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Глава 22 ОБРАБОТКА ВОДЫ ДЛЯ БОРЬБЫ С ЗАРАСТАНИЯМИ И КОРРОЗИЕИ ТРУБ И ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ 22.1. Причины и виды зарастания труб и оборудования На стенках водопроводных труб и обору¬ дования при их эксплуатации в ряде случаев образуются различного рода от¬ ложения, в результате чего снижается их пропускная способность. Это связано, как правило, со свойствами транспорти¬ руемой по ним воды. По видам и причинам, вызывающим отложения, они разделяются на донные, сплошные, бугристые отложения и био¬ логические обрастания. Донные отложения образуются в ниж¬ ней части труб в большинстве случаев при транспортировании неочищенной во¬ ды, содержащей низкодисперсную взвесь. Они характерны для труб, по которым вода движется с небольшими скоростями. Донные отложения может вызвать Fe(OH)3, который в перио¬ ды малого расхода воды отлагается в трубах, уплотняется и цементиру¬ ется. Сплошные отложения образуются в трубах, по которым движется вода, пере¬ сыщенная карбонатом кальция (с поло¬ жительным индексом насыщения). В этом случае отложения состоят в основном из СаС03 и прочно прикреплены к стенкам труб и оборудования; низкодисперсные взвеси цементируются СаС03. Отложения располагаются эксцентрично с утолще¬ нием в донной части трубы. Бугристые отложения образуются в стальных и чугунных трубах в связи с коррозионным действием воды и представ¬ ляют собой бугорки неправильной фор¬ мы, иногда сливающиеся друг с другом, высотой 20—30 мм. Бугристые отложе¬ ния отличаются прочностью и сильным сцеплением со стенками труб, значитель¬ ную роль в их образовании могут играть железобактерии, перерабатывающие FeO в Fe (ОН)3. Биологические обрастания возникают в результате попадания из водоемов в тру¬ бы микроорганизмов, водорослей и живых организмов, способных прикрепляться к их стенкам. Появление биологических обрастаний зависит от температуры во¬ ды, pH, содержания растворенного 02 и наличия в воде веществ, являющихся источником питания организмов. Биологические обрастания влияют на состав воды, в частности на содержание в ней С02 и 02. Увеличение содержания в воде С02 и 02 повышает ее коррозион¬ ное действие. Коррозия труб и оборудования может вызываться разнообразными агрессивны¬ ми средами, к которым относятся воздух, топочные газы, серосодержащие соедине¬ ния, реагенты, употребляемые для обра¬ ботки воды, и др. Усиление агрессивного действия воды при очистке объясняется нарушением в ней карбонатного равновесия, поскольку при добавлении в воду 1 мг Al2 (S04)3 или FeCl3 выделяется около 0,8 мг С02 вслед¬ ствие разложения гидрокарбонатов. Вода при этом становится нестабильной, т. е. способной растворять защитные пленки на внутренней поверхности трубопрово¬ дов в результате появления в ней агрес¬ сивной угольной кислоты. При оголении поверхности трубопроводов усиливается электрохимическая коррозия, которой благоприятствует присутствие раство¬ ренного в воде 02. Вода обогащается про¬ дуктами коррозии, ухудшающими ее вкусовые качества. Из металлов больше всего разрушается железо, коррозия которого в зависимости 10* 291
Рис. 22.1. Схема циркуля¬ ционной системы водяно¬ го охлаждения турбогене¬ ратора: / — конденсатор турбоге¬ нератора; 2 — градирня; 3 Добавочная вода; 4 — место установки аппара¬ та; 5 — циркуляционный насос. от покрытия протекает так: Fe -*■ Fe2+ + 2е; Fe2+ + 20Н~ -+■ Fe (ОН)2; 2Н+ + 2е Н2 (коррозия луженого железа); Zn -v Zn2+ + 2е; Zn2+ + 20Н~ Zn (ОН)2; 2Н+ -f- 2е Н2 (коррозия оцинкованного же¬ леза). Для защиты металлов от коррозии их покрывают коррозионно-стойкими ме¬ таллами (цинком, оловом, никелем и др.), в воду добавляют ингибиторы (например, соли фосфорной кислоты), жидкое стек¬ ло, сильные окислители (хромат натрия, гексаметафосфат натрия), применяют протекторную защиту, наносят на их по¬ верхности краски, эмали и другие защит¬ ные материалы. Для борьбы с коррозией труб можно использовать магнитную обработку воды. Предполагают, что под действием магнит¬ ного поля растворенный в воде 02 активи¬ руется и образует с железом ферромаг¬ нитные оксиды, предохраняющие поверх¬ ность металла от агрессивных сред. Кон¬ центрация 02 в воде при этом уменьша¬ ется. Применяют магнитные установки чаще всего в системах оборотного водоснабже¬ ния. На рис. 22.1 представлена схема циркуляционной системы водяного ох¬ лаждения турбогенератора с указанием возможного места монтажа магнитной установки. 22.2. Стабильность воды Стабильность воды является одним из основных показателей ее качества. Обесцвеченную и осветленную на очи¬ стных сооружениях воду нельзя считать удовлетворительной по качеству, если, проходя по водопроводной сети, она при¬ обретает окраску или образует осадок. Нарушение стабильности воды может быть вызвано наличием растворенных угольной кислоты или кислорода, низ¬ 292 ким значением pH, пересыщенностью ее СаС03 или Mg (ОН)2, повышенной кон¬ центрацией сульфатов либо хлоридов. Согласно ГОСТу, стабильной счита¬ ется вода, которая не выделяет и не рас¬ творяет осадка СаС03. Это свойство воды характеризуется показателем стабиль¬ ности. ГОСТ предусматривает два ме¬ тода его определения: основной и вспомо¬ гательный. По первому методу показа¬ тель стабильности Ci определяют из вы¬ ражения г _ где ЩИ — исходная фактическая щелоч¬ ность воды в естественном состоянии, мг-экв/л; ЩИ — щелочность воды после смешения (насыщения) ее с СаС03, мг-экв/л. При взбалтывании воды, содержащей агрессивную Н2С03, с СаС03 последний растворяется, переходя в Са (НС03)2, в результате чего щелочность и pH воды повышаются. Если же вода пересыщена СаС03, то он отлагается на зернах вве¬ денного в воду перед началом взбалтыва¬ ния СаС03; pH и щелочность воды при этом снижаются. По второму методу показатель ста¬ бильности Си вычисляют по формуле где рНи — значение pH исходной воды; рНн — значение pH воды, насыщенной СаС03. Показатель стабильности воды можно также определить по значению индекса стабильности I, согласно уравнению / = рНи — рНн. Значение рНн рассчитывают на основа¬ нии данных анализа воды по формуле РНн = h (t) - [Са2+] - /з (ДО + и (Р), где/! (t), /2 |Са2+], /3 (Щ), ft (Р) — функ¬ ции соответственно температуры воды, содержания ионов кальция, щелочности и общего содержания солей в воде; при вычислении значений этих парамет¬ ров пользуются номограммой СНиП 2.04.02—84. При значениях Ci и Сц, равных 1, а также при 1 = 0 вода стабильна. Если Ci и Сц меньше 1, а / имеет отрицатель¬ ное значение, вода агрессивна. В случа¬
ях, когда Ci или Сц больше 1, а / имеет положительное значение, вода склонна к отложению СаС03. При подсчете индекса стабильности для вод после обработки их минеральными коагулянтами значение pH воды после коагуляции определяют по номограмме СНиП 2.04.02—84 исходя из значений температуры, общего содержания солей и щелочности воды, а также концентра¬ ции в ней С02. Последние параметры можно вычислить по формулам Щ = Щ0-Л--, [С02] = [СОг]0 + 44 -ф- , где Щ0 и Щ — соответственно щелоч¬ ность воды до и после коагуляции, мг-экв/л; [СО2]0 и [СОа] — концентрация в воде С02 до и после коагуляции, мг/л; Дк — доза коагулянта в пересчете на безводный продукт, мг/л; е — эквива¬ лентная масса безводного коагулянта, мг/мг-экв. При одновременной обработке воды коагулянтом и хлором в приведенных формулах необходимо учесть также взаи¬ модействие хлора с гидрокарбонатами воды. Для этого в первой формуле из най¬ денного значения следует вычесть хло- ропоглощаемость (ХП) воды, а во второй формуле добавить 44 XII. 22.3. Стабилизация воды Стабилизационную обработку воды в соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02—84 необходимо производить при индексе стабильности менее 0,3 более трех месяцев в год. Стабилизационная обработка воды при отрицательном индексе стабильности за¬ ключается в подщелачивании воды, фильтровании ее через активные массы или удалении С02 аэрированием. При этом предусматривается также создание условий для образования защитной кар¬ бонатной пленки на внутренней поверх¬ ности труб. В качестве подщелачивающих реаген¬ тов используется известь или сода. Сода применяется только в том случае, если в воде содержатся ионы кальция в коли¬ честве, достаточном для образования за¬ щитной пленки СаС03. Щелочные реаген¬ ты следует подавать в очищенную воду перед вторичным хлорированием и по¬ ступлением ее в резервуары чистой воды, в связи с чем необходимо обеспечить хо¬ рошее осветление растворов реагентов. Допускается введение щелочных реаген¬ тов до отстойников или фильтров, если при этом не ухудшается технологический процесс очистки воды и не снижается эф¬ фективность ее стабилизационной обра¬ ботки. Эти реагенты связывают С02: СО + 2СОг + Н20 Са (НС03)2; Na2C03 + С02 + Н20 ->■ 2NaHC03. Воду, содержащую С02, стабилизиру¬ ют фильтрованием в открытых безнапор¬ ных фильтрах через мраморную крошку СаС03, полуобожженный доломит — магномассу СаС03 • MgO или обожжен¬ ный магнезит MgO. При контакте актив¬ ных масс с агрессивной водой в послед¬ ней самопроизвольно устанавливается карбонатное равновесие. Такой метод стабилизации воды особенно перспекти¬ вен для водопроводных станций неболь¬ шой производительности, так как не тре¬ буются контроль процесса и сложное оборудование известкового хозяйства. Однако замедление скорости реакции при низких температурах воды и невоз¬ можность получения воды с положитель¬ ным индексом стабильности (/ ^ + 0,7) для создания защитной карбонатной пленки на поверхности трубопроводов ограничивают применение данного ме¬ тода. Фильтры загружают крошкой перечис¬ ленных выше материалов с размером зе¬ рен 0,5—3 мм, высоту слоя принимают до 2 м, скорость фильтрования воды через мраморную крошку — до 10, через маг¬ номассу — 10—20 м/ч; скорость фильтро¬ вания зависит от температуры и щелоч¬ ности воды, а также от концентрации в ней агрессивной Н2С03. Для фильтров с магномассой скорость фильтрования можно определить по номограмме СНиП 2.04.02—84. Промывают фильтрующий слой восходящим потоком воды с интен¬ сивностью 15 л/(с • м2) в течение 10— 15 мин; при водовоздушной промывке интенсивность подачи воздуха 20— 25 л/(с • м2) в течение 5 мин с последую¬ щей промывкой водой с интенсивностью 3—4 л/(с • м2) в течение 2—3 мин. Содер¬ жание железа в поступающей на фильтры воде не должно превышать 0,5 мг/л, поскольку большие концентрации желе- 2'л
Ьода 7 //У /// / Рис. 22.2. Схема установки для подкисления воды. за приводят к цементированию зерен фильтрующей загрузки. Фильтры перио¬ дически догружают зернистым активным материалом, пополняя его расход на ста¬ билизационную обработку воды; для связывания 1 мг агрессивного С02 расхо¬ дуется 2,3 мг мрамора или 1,1 мг магно- массы. Для одновременного осветления воды и стабилизации ее состава применяют фильтры комбинированного действия. Их загружают смесью мраморной крошки или обожженного магнезита с песком. Щелочность и pH воды на фильтрах комбинированного действия возрастают почти в 2 раза по сравнению с известко¬ ванием, поэтому мраморной крошкой загружают лишь половину фильтров на водоочистной станции. Качество воды по pH в этих условиях соответствует требо¬ ваниям стандарта, поддерживается зна¬ чение pH автоматически. Для борьбы с карбонатной агрессивностью воды фильт¬ ры очистных сооружений, загруженные мраморной крошкой, переоборудуют на фильтры комбинированного действия. Стабилизация воды на малых водоочи¬ стных станциях при индексе стабиль¬ ности / < 0 может быть достигнута уда¬ лением из нее избыточного С02. С этой целью воду пропускают через вентиля¬ торную градирню с деревянной хордовой насадкой или насадкой из колец Рашига. Нагрузка на градирню в первом случае составляет 40, во втором — 60 м3/(м2 • ч), расход воздуха принимают равным 20 м3/м3 воды. Значение pH воды после градирни определяют по номограмме СНиП 2.04.02—84, принимая остаточное содержание С02 в воде равным 8 мг/л и щелочность воды равной исходной. При индексе стабильности / > 0 воду стабилизируют подкислением серной или соляной кислотой, обработкой гексамета¬ фосфатом или три полифосфатом натрия: Са (НСОз)2 + H2S04 = CaS04 + 2СОг + 2НаО; Са (НС03)2 + 2НС1 = СаС12 + 2С02 + 2Н20. При подкислении снижается содержа¬ ние в воде гидрокарбонатов и увеличи¬ вается концентрация С02, который, на¬ ходясь в равновесном состоянии с гидро¬ карбонатами, препятствует образованию СаС03 и зарастанию трубопроводов. Учитывая высокую коррозионную ак¬ тивность разбавленных растворов серной и соляной кислот, для их приготовления, транспортирования и хранения следует применять кислотостойкое оборудование и аппаратуру. Схема установки для подкисления во¬ ды представлена на рис. 22.2. Концентри¬ рованная кислота из цистерн 1 насосом 2 (или специальным вытеснителем) перека¬ чивается в мерный бак 3. Отсюда она поступает в растворные баки 4, где при¬ готовляется 5—10%-й рабочий раствор. Дозатором 5 кислота подается в смеси¬ тель 6, где смешивается с обрабатывае¬ мой водой, которая поступает в смеситель по трубе 7. Кислота может вводиться также во всасывающий или напорный трубопровод, что, однако, менее жела¬ тельно. Дозу кислоты Дк в пересчете на товар¬ ный продукт вычисляют по формуле Дк = а Щек 100 Ск где а — коэффициент, зависящий от pH среды (определяется по графику СНиП 2.04.02—84); Щ — щелочность воды до стабилизационной обработки, мг-экв/л; ек — эквивалентная масса кислоты, мг/мг-экв (для серной кислоты ек = 49, для соляной — 36,5); Ск — содержание активной кислоты в товарном продук¬ те, %. Для борьбы с коррозией стальных и чу¬ гунных труб в промышленном водоснаб¬ жении применяют гексаметафосфат или триполифосфат натрия (доза — 2— 4 мг/л). Их действие проявляется в обра¬ зовании защитных пленок на катодных и анодных участках поверхности металла и в торможении коррозионного процесса. При вводе в эксплуатацию новых участков трубопроводов предусматрива¬ ют заполнение их на 2—3 сут раствором 294
указанных реагентов с концентрацией 100 мг/л. При стабилизационной обработке фос¬ фатными реагентами воды, используемой Глава 23 ОБРАБОТКА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ 23.1. Зарастание труб и охлаждающих аппаратов Эксплуатация систем водяного охлажде¬ ния, технологических аппаратов в ряде случаев нарушается вследствие появле¬ ния на их стенках накипи, биологических обрастаний, коррозии и т. п. В состав накипи преимущественно вхо¬ дит СаС03, образующийся вследствие разложения содержащихся в охлаждаю¬ щей воде ионов НСОГ при ее нагрева¬ нии и разбрызгивании на градирнях и в брызгальных бассейнах. MgCOs вслед¬ ствие его большей растворимости в со¬ став накипи входит в незначительном ко¬ личестве (до 1 % общей массы накипи). При значениях pH > 10 в отложениях может содержаться Mg (ОН)2. Если в ох¬ лаждающей воде большое количество H2Si03, в состав накипи могут входить силикаты кальция и магния. CaS04 вследствие большой растворимости в на¬ кипи встречается редко. Наличие в воде взвешенных веществ и биологических обрастаний приводит к цементации их СаСОэ. На участках си¬ стем охлаждения с малыми скоростями движения воды образуются особенно опасные отложения. Органические ве¬ щества, наоборот, экранируют зародыши кристаллов и препятствуют их росту и отложению на стенках холодильни¬ ков. При наличии в используемой для по¬ полнения оборотной системы воде железа в трубах, холодильниках и охладитель¬ ных аппаратах может отлагаться Fe (ОН)3. Чаще всего это наблюдается при использовании для питания системы под¬ земных вод, содержащих Fe (НС03)2. В таких случаях либо не используют под¬ земную воду для пополнения оборотных систем, либо добавочную воду обезжеле- зивают. Развитие в охлаждающих системах бактерий и водорослей связано с нали- для питьевых целей, остаточное содер¬ жание фосфат-ионов, соответственно ГОСТ 2874—82, не должно превышать 3,5 мг/л. чием в воде питательных веществ и бла¬ гоприятных температурных условий. Трубы и холодильники могут зарастать зооглейными, нитчатыми, железистыми и сульфатвосстанавливающими бакте¬ риями. На открытых поверхностях охлаждаю¬ щих систем могут появляться водоросли, в трубопроводах — моллюск дрейссена. При использовании морской воды разви¬ ваются моллюски — мидии, митиластры, морские желуди — балянусы. Биологические обрастания нарушают условия теплопередачи, увеличивают по¬ терю напора в трубах и вызывают кор¬ розию труб и аппаратов. При относительно высокой температу¬ ре среды в охлаждающих аппаратах их стальные элементы подвергаются корро¬ зии растворенным в воде 02. Стимулиру¬ ют коррозию свободный оксид углерода (IV), нитраты, хлориды, кислая среда. Охлаждающая вода, имеющая высокое значение pH и содержащая активный хлор, способна вымывать из древесины градирен лигнин. Делигнификация при¬ водит к разрушению деревянных конст¬ рукций. 23.2. Водный режим систем оборотного водоснабжения Отработанную оборотную воду непосред¬ ственно или после предварительной очист¬ ки от загрязнений перед очередным ее использованием при необходимости ох¬ лаждают в специальных сооружениях: прудах-охладителях, брызгальных бас¬ сейнах, градирнях (башенных или вен¬ тиляторных). При охлаждении оборотной воды (рис. 23.1) часть ее теряется вследствие испа¬ рения, разбрызгивания, расхода на про¬ дувку, утечки через возможные неплот¬ ности на стыках трубопроводов, через трещины и поры бетонных сооружений и т. д. 295
% Рис. 23.1. Схема системы оборотного водоснабжения: / — охладитель (градирня); 2 — циркуляционный на¬ сос; 3 — холодильник (теплообменный аппарат). Баланс воды в системе расхода оборот¬ ной воды состоит из: Q — Qi + Qi + Q3. где Qx, Q2 — соответственно количества испарившейся и разбрызгавшейся воды, м3/ч; Q3 — расход воды на продувку и технологические нужды, м3/ч. Все эти потери воды являются произ¬ водственными и компенсируются в систе¬ ме добавкой воды из источника. Потерю воды вследствие испарения Qj ориентировочно можно определить по формуле Q , =k1AtQ0, где — коэффициент, который при ох¬ лаждении воды в брызгальных бассейнах и градирнях в зависимости от температу¬ ры воздуха t принимают равным: t, °С 0 10 20 30 кл ■ Ю-з 1 1,2 1,4 1,5 At — разность температур воды до и после охлаждения, °С; Q0 — расход ох¬ лаждаемой оборотной воды, м3/ч. Потеря воды вследствие разбрызгива¬ ния Q2 зависит от типа, конструкции и размеров охладителя, а для открытых охладителей — от скорости ветра. Ее можно вычислить по формуле Q2 = &2Q0, где k2 — коэффициент потери воды вслед¬ ствие разбрызгивания, равный для брыз¬ гальных бассейнов производительностью 500 м3/ч 0,02—0,03, производительностью свыше 500 м3/ч — 0,0075—0,02; для от¬ крытых и брызгальных градирен с жа¬ люзи — 0,010—0,015; для открытых гра¬ дирен, брызгальных градирен с решеткой вместо жалюзи, башенных градирен и отопительных теплообменных аппаратов 0,0005—0,01; для вентиляторных гради¬ рен с водоуловителями 0,0005—0,001 (меньшие значения для охладителей боль¬ шей производительности). Расход воды на продувку и технологи¬ ческие нужды Q3 определяется расчетом и может быть вычислен как разность меж¬ ду количествами подаваемой и отводимой воды. Баланс растворенных в воде солей, не осаждающихся и не отлагающихся в тру¬ бах и холодильниках, выражается урав¬ нением CflQ = С0 (Qa 4" Qa) = — Qi), где Сд и С0 — концентрация солей (или ионов) соответственно в добавочной и оборотной воде, г/м3. 23.3. Обработка воды для борьбы с накипеобразованием В охлаждающих системах оборотного (а иногда и прямоточного) водоснабже¬ ния образуются химические отложения. Они появляются в результате нарушения карбонатного равновесия в нагреваю¬ щейся воде и взаимодействия ионов НСОГ и СОз~ с содержащимися в этой воде ионами Са3"1-. На процесс разложения гидрокарбо¬ нат-ионов, изменение карбонатной жест¬ кости оборотной воды и интенсивность отложений СаС03 влияют концентрации ионов НСОГ, СОз-, Са2+ и Mg2+, темпе¬ ратура нагревания охлаждающей воды и температурный перепад, содержание в воде взвешенных веществ, концентрация нерастворенных и растворенных органи¬ ческих соединений, скорость движения воды, концентрация растворенных солей (сухой остаток). Чем больше концентрация гидро¬ карбонат-ионов превышает величину 2.5 мг-экв/л в поверхностных водах и 1.5 мг-экв/л в подземных, тем быстрее разлагаются НСОГ -ионы и интенсивнее снижается карбонатная жесткость с вы¬ делением из воды осадка. Для предотвращения образования от¬ ложений проводят следующие мероприя¬ тия: 1) непрерывное добавление в систему оборотного водоснабжения воды с мень¬ шей карбонатной жесткостью при спуске части воды из системы продувкой; 2) фос- фатирование; 3) подкисление; 4) совмест¬ ное подкисление и фосфатирование; 5)об¬ 296
работка воды дымовыми газами (рекар¬ бонизация воды). Спуск охлаждающей и добавка свежей воды целесообразны только тогда, когда карбонатная жесткость добавляемой во¬ ды меньше карбонатной жесткости воды, находящейся в оборотной системе. Количество непрерывно спускаемой из системы воды для освежения (продувки) Qc можно определить по формуле Ж & = ~Ж К-ж ’ Ql -+ Qs)’ ^к.о,тах ^к.д где Жк.д — карбонатная жесткость воды, добавляемой в систему, мг-экв/л; Жк.о.тах — максимально допустимая карбонатная жесткость оборотной воды, мг-экв/л. При фосфатировании воды на поверх¬ ности зародышей кристаллов образуются адсорбционно-химические соединения, препятствующие дальнейшему росту кри¬ сталлов СаСОэ, агломерации их и осаж¬ дению. Для обработки воды применяют Na6P6018 и Na5P3O10, иногда — Na3P04 X X 12Н20 и Са(Н2Р04)2. Гексаметафосфат натрия обладает по- верхностно-активными свойствами и ад¬ сорбируется на поверхности зародышей кристаллов СаС03 в виде пленки гексаме¬ тафосфата кальция и натрия: Na6Pe018 + 2СаС03 Na2Ca2P6018 + 2Na2C03. Изолируя частички, эта пленка пре¬ пятствует росту зародышей микрокри¬ сталлов. Растворимость мелких кристал¬ лов СаС03 очень велика. Применение триполифосфата натрия основано на его свойстве переводить на¬ кипь в шлам. Он образует в воде мало¬ растворимый ортофосфат кальция, кото¬ рый, откладываясь на гранях кристал¬ лов СаС03, изменяет их форму и препят¬ ствует агрегированию. В результате вместо накипи образуется рыхлый, легко удаляемый шлам. При фосфатировании воды фосфаты растворяются в специальном затворном баке (триполифосфат растворяют в горя¬ чей воде). После этого приготовленный раствор подается в растворные баки, снабженные мешалками, а из них в дози¬ ровочный бачок и через дозирующее устройство в трубопровод. Дозируют растворы, содержащие не более 1,5 % активного вещества по Р2Ов и не более 3 % по техническому продукту. Схема установки для фосфатирования циркуляционной воды приведена на рис. 23.2. На основании практических данных концентрация фосфатов в воде должна поддерживаться в пределах 1,5—2 мг/л (в пересчете на Р205). Подкисление воды считается универ¬ сальным методом предотвращения карбо¬ натных отложений. При обработке ох¬ лаждающей воды сильной кислотой сни¬ жается ее щелочность и выделяется С02: HCOf + Н+ С02| + Н20, который может частично возмещать поте¬ рю равновесной угольной кислоты при нагревании и разбрызгивании воды. В воду можно вводить концентриро¬ ванную кислоту или раствор. Для сниже¬ ния карбонатной жесткости воды до 1,5— 2,5 мг-экв/л применяют серную кислоту, как более дешевую, однако можно ис¬ пользовать и соляную. Схема установки с автоматическим до¬ зированием кислоты для подкисления воды в системе оборотного водоснабже¬ ния приведена на рис. 22.2. Дозу кислоты Дк для подкисления во¬ ды определяют по формуле Дк = 0,5аЩе . '-'К где а —■ коэффициент, определяемый гра¬ фически (СНиП 2.04.02—84); Щ — об¬ щая щелочность охлаждающей воды, Рис. 23.2. Схема фосфатирования обо¬ ротной воды: / — затворный бак; 2 — растворные баки; 3 — мешалки; 4 — дозировочный бачок; 5 — дозировочное устройство; 6 — ввод реагента; 7 — насос цирку¬ ляционной воды; 8 — холодильник; 9 — градирня; 10 — резервуар и канал охлажденной воды. 297
Рис. 23.3. Схемы рекарбониза¬ ции оборотной воды дымовыми газами: а — с газодувкой; б — с эжек¬ тором; / — котельная; 2 — ды¬ мосос; 3 — дымовая труба; 4 — золоуловитель; 5 — вентилятор; 6 — водопровод к золоуловите¬ лю; 7 — насос оборотной воды; 8 — барботажное устройство из дырчатых труб; 9 — холодиль¬ ник; 10— спуск части оборотной воды; U — охладитель воды; 12 — резервуар и канал охлаж¬ денной воды; 13 — подача доба¬ вочной воды; 14 — водяной эжек¬ тор; /5 — насос для подачи ра¬ бочей эжекционной воды; 16 — трубопровод насыщенной воды. мг-экв/л; е — эквивалентная масса кис¬ лоты, мг/мг-экв; Ск — содержание чисто¬ го продукта в технической кислоте, %. Недостаток метода подкисления во¬ ды — трудность точного дозирования кислоты в эксплуатационных условиях для сохранения защитной карбонатной пленки. Добавление к воде избытка кис¬ лоты может привести к коррозии обору¬ дования и труб. Совместное подкисление и фосфатиро- вание воды дороже, чем обработка одним из этих методов. Такой метод может ока¬ заться целесообразным в том случае, когда одно фосфатирование недостаточно эффективно для предотвращения образо¬ вания карбонатных отложений, а глубо¬ кое подкисление воды может вызвать коррозию. При контакте дымовых газов с водой в ней растворяются содержащиеся в дымо¬ вых газах С02 и S02. Увеличение содер¬ жания в воде С02 компенсирует потери оборотной водой угольной кислоты в охладительных аппаратах и тем самым предупреждает разложение гидрокарбо¬ натов: СаС03 + С02 -)- Н20 <± Са (НС03)2. Расход дымовых газов Q;i.r определяют по формуле Дсо.^о ■ 100 ■ 100 0л Сг jco2 Py где Дсог = 0,5 ([С02]ст — [С021„сх); [С02]ст — концентрация в воде С02, обес¬ печивающая стабильность воды, мг/л; [С02]исх — концентрация С02 в исходной воде, мг/л; Q0 — расход охлаждающей воды, м3/ч; Ссо2 — содержание СОа в ды¬ мовых газах; %; Р — степень использо¬ вания С02, %; у— плотность дымовых газов (0,1 МПа), г/м3. Эту формулу применяют в случае ис¬ пользования дымовых газов, не содержа¬ щих S02. При его наличии расход дымо¬ вых газов уменьшают. Схемы рекарбонизации оборотной во¬ ды с введением дымовых газов газодув¬ кой и эжектором приведены на рис. 23.3. Рекарбонизация оборотной воды может быть эффективной при наличии дешевого источника угольной кислоты (С02, дымо¬ вые газы). Кроме перечисленных методов обра¬ ботки охлаждающей воды можно ис¬ пользовать также известкование и умяг¬ чение части добавочной воды Na- или Н- катионированием. Целесообразность применения тех или иных методов в каж¬ дом конкретном случае определяют на основании технико-экономических рас¬ четов. 23.4. Обработка воды для предупреждения биологических обрастаний Для борьбы с развитием в системах водя¬ ного охлаждения биологических обраста¬ ний воду обрабатывают хлором, гипо¬ хлоритом кальция, медным купоросом, этилмеркурфосфатом и другими вещест¬ вами. Хлорируют охлаждающую воду в ос¬ новном периодически, исходя из скорости обрастания труб и аппаратов. Дозу хлора выбирают с таким расчетом, чтобы в воде, прошедшей через наиболее удаленный от 298
места ввода хлора теплообменный аппа¬ рат, концентрация активного хлора в течение 30—40 мин составляла около 1 мг/л. Устанавливают ее эксперимен¬ тальным определением хлоропоглощае- мости воды. Необходимый расход хлора q можно определить по формуле Qo^ci™ q ~ 60 • юоо ’ где Q0 — расход охлаждающей воды, м3/ч; Да — доза хлора, мг/л; т — про¬ должительность одноразового введения хлора, мин; п — количество периодов введения хлора в течение суток. Схема установки для периодического хлорирования охлаждающей воды при непрерывной работе хлоратора приведе¬ на на рис. 23.4. Купоросование охлаждающей воды производят для борьбы с «цветением» воды в прудах-охладителях и для устра¬ нения развития водорослей в градирнях, брызгальных бассейнах и на ороситель¬ ных холодильниках. Доза медного купо¬ роса для периодической обработки воды составляет 4—8 г/м3. Периодичность об¬ работки может колебаться от недели до месяца и зависит от интенсивности разви¬ тия водорослей. Продолжительность об¬ работки воды раствором медного купоро¬ са составляет 1—2 ч. При обрастании градирен, брызгаль¬ ных бассейнов и оросительных холодиль¬ ников помимо водорослей колониями бактерий после обработки воды медным купоросом рекомендуется в течение 1 ч обрабатывать воду хлором дозой 7— 10 мг/л непосредственно перед указанны¬ ми устройствам^ 23.5. Обработка воды для предупреждения коррозии трубопроводов и теплообменных аппаратов Системы оборотного водоснабжения под¬ вержены процессам электрохимической и биологической коррозии. Основное направление в решении зада¬ чи борьбы с коррозией — правильный вы¬ бор стойких против коррозии материа¬ лов. Наибольшее распространение в си¬ стемах оборотного водоснабжения полу- Рис. 23.4. Схема установки для хлорирования охлаж¬ дающей воды при непрерывной работе хлоратора: / — баллоны с жидким хлором; 2 — промежуточный баллон; 3 — хлоратор; 4 — эжектор; 5 — бак для хлорной воды; 6 — задвижка с электроприводом; 7 — пускатель электропривода задвижки; 8 — по¬ плавок; 9 — воздушник. чило покрытие поверхности металла теп- лообменных аппаратов бакелитовым ла¬ ком. Его наносят на предварительно очи¬ щенную поверхность металла в несколько слоев общей толщиной 150—200 мкм. Для защиты металла от коррозии на его поверхности создают неметалличе¬ скую пленку регулируемой толщины из неорганических веществ. На практике получают пленки карбонатную, мета- фосфорную, силикатную, хроматную или из смеси реагентов. Например, силикат¬ ная пленка образуется при растворении силиката натрия в воде и сопровождается гидролизом с образованием NaOH и Si02. Si02 сорбируется на поверхности ме¬ талла вместе с оксидами железа, образуя защитную пленку, препятствующую дальнейшей коррозии. Защитные пленки на теплообменной поверхности и стенках трубопроводов можно создавать, используя и другие ингибиторы, например, кремнефторид цинка, а также смесь полифосфатов и хроматов, динатрийфосфата и дихромата, фосфатнохроматной цинковой смеси и др. Однако предварительно в каждом кон¬ кретном случае необходимо провести предварительное исследование их эф¬ фективности и условий применения. В последнее время для предупрежде¬ ния коррозии применяются защитные покрытия на основе кремнийорганиче- ских лаков K0-08K и КО-921, наполнен¬ ных модифицированными палыгорскитом и монтмориллонитом. В прокатных цехах металлургических заводов применяется электролитическая защита металла от коррозии. 299
w 23.6. Очистка воды от механических примесей В замкнутых циклах водоснабжения за¬ грязненную воду очищают от механиче¬ ских примесей и железа перед ее охлаж¬ дением и дальнейшим использованием. В качестве водоочистных аппаратов применяют решетки с прозорами 50— 100 мм, сетки (наиболее удобны вращаю¬ щиеся сетки) с ячейками размером 3— 5 мм и фильтры. Рабочую площадь вра¬ щающейся сетки (часть сетки, погружен¬ ную в воду) можно определять по ско¬ рости фильтрования воды, принимаемой равной 0,8—1,2 м/с. В напорных самопромывающихся фильтрах-цедильниках располагают го¬ ризонтальные сетчатые звенья (ячейки сетки 0,2 X 0,2 мм), сетчатые, дырчатые или щелевые фильтрующие колпачки, через которые проходит вода, освобожда¬ ясь от механических примесей. В зависимости от характера содержа¬ щихся в исходной воде примесей и требо¬ ваний к качеству охлаждающей воды мо¬ жет применяться ее предварительная об¬ работка коагулянтами с использованием отстойников, осветлителей со слоем взве¬ шенной контактной среды, грубозерни¬ стых песчаных и двухъярусных напор¬ ных фильтров. Если вода для пополнения оборотной системы содержит железо, его лучше удалять до поступления воды в систему. Глава 24 ВОДОПРОВОДНЫЕ ОЧИСТНЫЕ СТАНЦИИ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 24.1. Место расположения водоочистных станций Водопроводные очистные станции хозяй¬ ственно-питьевого водоснабжения предна¬ значаются для обеспечения населения и промышленности водой, соответствую¬ щей ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая». Место расположения водоочистных станций должно быть удобным для водо¬ снабжения объектов. Их располагают в большинстве случаев вблизи источника водоснабжения. Площадка для строительства водопро¬ водных сооружений должна соответство¬ вать технологическим требованиям, гла¬ ве СНиП П-89-80 «Генеральных планов промышленных предприятий», а также главе СНиП 2.04.02—84 «Водоснабже¬ ние. Наружные сети и сооружения». В выборе площадки для строительства должны участвовать проектировщики. При выборе строительной площадки учитывают данные топографических, гид¬ рологических и гидрогеологических ис¬ следований. Нежелательно строительст¬ во водоочистной станции на площадках с высоким уровнем грунтовых вод. Строи¬ тельство крупных заглубленных участ¬ ков в таких условиях, особенно при уст¬ ройстве фильтров и отстойников, часто вызывает большие трудности при подго¬ товке котлованов. Из-за длительных сро¬ ков строительства и значительных объ¬ емов грунтовых работ требуются боль¬ шие затраты на водопонижение траншей, котлованов и водоотлив. Поэтому при вы¬ соких уровнях грунтовых вод высотная посадка емкостных сооружений и необ¬ ходимость выполнения водопонижающих мероприятий должны быть технико-эко- номически обоснованы. Если площадка водопроводных соору¬ жений располагается вблизи водоема, отметку земли (планировки) принимают не менее чем на 0,5 м выше гребня волны при максимальном уровне воды в водо¬ еме, обеспеченность которого принимает¬ ся по таблице СНиП 2.04.02—84 и 2.06.04—82. Строительная площадка должна обес¬ печить (с соблюдением строительных и противопожарных разрывов) размещение в непосредственной близости от основно¬ го здания проектируемых очистных со¬ оружений, трансформаторной подстан¬ ции, мастерской, котельной, складов фильтрующих материалов, оборудования и других необходимых вспомогательных цехов и сооружений. При этом необходимо обеспечить ми¬ нимальные затраты на строительство сооружений станции, трубопроводов для подвода и отвода исходной, очищенной и 300
промывной воды, трубопроводов канали¬ зации, линий электроснабжения, дорог и других коммуникаций. 24.2. Основные требования к расположению сооружений станции Следует добиваться наиболее рациональ¬ ного взаимного расположения всех эле¬ ментов водоочистных сооружений на генеральном плане строительной пло¬ щадки. Компоновка основных и вспомогатель¬ ных сооружений, оборудования и поме¬ щений должна предусматривать при наи¬ меньших капиталовложениях в строи¬ тельство бесперебойность работы, удоб¬ ство и экономичность эксплуатации, воз¬ можность планомерного расширения при росте водопотребления. Рациональное размещение технологи¬ ческих сооружений водоочистной стан¬ ции на строительной площадке дости¬ гается только при наличии сведений о рельефе местности, полученных в ре¬ зультате топографических изысканий. Если сооружения имеют высокие отметки заложения фундамента, их располагают в повышенных местах и, наоборот, если малые — в пониженных. Объем земля¬ ных работ по выемке грунта и обсыпке отдельных сооружений при этом сокра¬ щается . Для уменьшения строительных расхо¬ дов все элементы станций обработки воды необходимо располагать компактно в ви¬ де единого комплекса, состоящего из од¬ но-, двух- и трехэтажных зданий. Ком¬ пактность расположения оборудования в системах малых водоочистных станций, имеющих небольшую протяженность во¬ допроводной сети, обеспечивают разме¬ щением на одном участке или в одном здании очистных сооружений, насосных станций первого и второго подъема и се¬ тевой башни. Однако при этом нужно избегать тесноты, затрудняющей строи¬ тельство, монтаж, эксплуатацию и пла¬ новое расширение. При компоновке тех¬ нологических сооружений производи¬ тельностью более 10 ООО м3/сут прини¬ мается строительство отдельных зданий для оборудования с расстоянием между ними около 20 м. Очистные сооружения большой производительности часто вы¬ полняют в виде отдельных параллельно работающих групп с расстоянием между ними 150—200 м. Для уменьшения строительных затрат допускается использование несущей спо¬ собности конструктивных элементов ос¬ новных технологических сооружений. Стены здания станции могут опираться на стены отстойников и фильтров, а пе¬ рекрытия должны поддерживаться ко¬ лоннами, размещенными на конструкци¬ ях основных сооружений. При компоновке комплекса технологи¬ ческих сооружений предусматривают не¬ обходимые для эксплуатации служебные помещения, в том числе дозаторную реа¬ гентов, хлораторные, дехлораторную и аммонизаторную, а также мастерские и подсобные помещения (гардероб, душе¬ вую, санузел и др.). Очень важно пра¬ вильно расположить по отношению к ос¬ новным сооружениям помещения реа¬ гентного, пескового хозяйства, склады реагентов. На водоочистных станциях предусмат¬ ривают лаборатории, площади под кото¬ рые в соответствии со СНиП 2.04.02—84 отводятся с учетом производительности водоочистных станций и местных усло¬ вий. Местный диспетчерский пункт уст¬ раивают совмещенным с пунктом управ¬ ления насосными станциями первого и второго подъема. Для станций производительностью бо¬ лее 300 000 м3/сут комплекс помещений и их площади устанавливают в каждом отдельном случае в зависимости от мест¬ ных условий. На станциях небольшой производи¬ тельности рационально применять на¬ порные прямоточные системы очистки воды, что позволяет, с одной стороны, использовать типовое оборудование за¬ водского изготовления и, с другой, избе¬ жать заглубления отдельных элементов. В напорных установках многократная перекачка воды по технологической схе¬ ме допускается лишь в тех случаях, ког¬ да излишне большой напор требует зна¬ чительного утолщения стенок аппарату¬ ры. Следует учитывать также повышен¬ ный расход электроэнергии в напорных установках, что обусловливает увеличе¬ ние эксплуатационных затрат. Самотечный отвод сточных вод с объ¬ ектов в любое время года должен быть 301
обеспечен высотной схемой станции об¬ работки воды. Достигается это тем, что отметка труб для выпуска сточных вод из сооружений располагается выше за¬ ложения канализационной системы, а в случае отвода сточных вод в водоем — выше горизонта воды в нем в период паводка. Такое мероприятие особенно важно для обеспечения самотечного спус¬ ка сточных вод из скорых фильтров, под¬ вергающихся частой промывке. Для удобства эксплуатации технологических сооружений необходимо обеспечить со¬ ответствующие габариты проходов меж¬ ду отдельными агрегатами для доступно¬ сти при обслуживании, хорошую осве¬ щенность важнейших пунктов, мест и площадок, с которых осуществляется наблюдение или регулирование процес¬ сов, достаточную ширину и пологость лестниц между этажами и площадками, а также выполнение мероприятий по охране труда (ограждение подвижных частей механизмов, глубоких резервуа¬ ров и др.). Согласно рекомендациям СНиП 2.04.02—84, строительство отстойников, осветлителей, камер хлопьеобразования и контактных резервуаров без устройст¬ ва покрытий вне зданий допускается в тех климатических районах, где толщина льда на поверхности воды в зимний пе¬ риод не превышает 75 мм. Размещение открытых кварцевых и катионитовых фильтров вне зданий допускается, если за период между двумя последовательны¬ ми промывками (12 ч) толщина льда на поверхности воды не превышает 15 мм; галереи трубопроводов должны быть утеплены. В районах с отрицательными средними температурами отопительного сезона до¬ пускается использование открытых со¬ оружений при осветлении, умягчении и обезжелезивании подземной или подогре¬ той воды. Их устраивают, если обработке подлежат подземные воды с температурой 5—10 °С в пунктах, где средняя темпе¬ ратура воздуха в течение отопительного сезона не ниже —5 °С, а наиболее хо¬ лодной пятидневки —не ниже —17 °С. Для обработки подогретых вод эти со¬ оружения применимы при условии сле¬ дующих соотношений между минималь¬ ной температурой воды, поступающей зимой на сооружения (tB), абсолютной величиной средней отрицательной темпе¬ ратуры отопительного сезона (7\) и абсо¬ лютной величиной средней отрицатель¬ ной температуры наиболее холодной пя¬ тидневки (Т2): rf — 10 < tB > Г2 — 15. Рациональная компоновка технологи¬ ческих сооружений должна обеспечить бесперебойность работы станций водо- подготовки. С этой целью предусматри¬ вается устройство параллельно работаю¬ щих элементов одинакового назначения. Кроме того, должно быть предусмотрено устройство обводных коммуникаций, поз¬ воляющих в случае необходимости вы¬ ключать отдельные сооружения, пропус¬ кая воду в обвод их. При компоновке очистных сооружений необходимо предусматривать возмож¬ ность планомерного их расширения без прекращения работ. С этой целью коли¬ чество элементов станции, их взаимное расположение и соединяющие их комму¬ никации выбираются с учетом возмож¬ ности добавления дополнительных эле¬ ментов и строительства помещения для них. Так, например, на станциях освет¬ ления и обесцвечивания воды количество фильтров должно быть кратным числу отстойников. Предусматривая возможное форсиро¬ вание режима работы очистных сооруже¬ ний, трубы и каналы для всех установок необходимо рассчитывать на увеличен¬ ную производительность. Стороны зда¬ ния, в направлении которых намечено расширять станцию, не должны загро¬ мождаться постройками постоянного ти¬ па и подземными сооружениями. Рекомендуется составлять несколько вариантов компоновки сооружений и вы¬ бирать наиболее рациональный с учетом необходимых требований. Для обеспечения экономичности эксп¬ луатации станций обработки воды при компоновке их должны быть сведены к минимуму объемы трудоемких работ. В связи с этим необходимо сокращать путь перемещения реагентов, механизировать погрузочно-разгрузочные работы при до¬ ставке реагентов со склада и загрузки их в растворные баки, а также предусматри¬ вать механизмы или коммуникации для транспортирования сжиженных газов. Узел технологических сооружений сле¬ 302
дует решать с учетом возможности пол¬ ной автоматизации контроля и управле¬ ния производственными процессами, а также дальнейшего усовершенствования и интенсификации их работы. Технологи¬ ческая схема, расположение сооружений и коммуникаций между ними должны обеспечивать максимальную маневрен¬ ность их эксплуатации с вводом реаген¬ тов в различных местах. 24.3. Типы и классификация сооружений водоочистных станций Состав комплекса основных сооружений водопроводной очистной станции пред¬ определяется принятыми методами кор¬ ректирования состава гетерофазных при¬ месей воды, которые, в свою очередь, за¬ висят от качества воды и требований к ней потребителя. Для доведения качества воды до требо¬ ваний стандарта на питьевую воду ее об¬ рабатывают, включая при необходимости следующие процессы: предварительное осветление фильтрованием; реагентную обработку; хлопьеобразование; осветле¬ ние воды осаждением; фильтрование; обеззараживание; дезодорацию; фтори¬ рование. Для осуществления перечисленных технологических процессов на водоочист¬ ных станциях применяются специальные очистные сооружения: микрофильтры и барабанные сетки, префильтры, дозато¬ ры, смесители, камеры хлопьеобразова¬ ния, отстойники, осветлители со слоем взвешенной контактной среды, контакт¬ ные осветлители, фильтры, установки, для введения в воду хлора, фтора, амми¬ ака и других реагентов. Согласно указаниям СНиП 2.04.02— 84, метод обработки воды, состав, расчет¬ ные параметры очистных сооружений и расчетные дозы реагентов устанавливают в зависимости от качества воды в источ¬ нике водоснабжения, назначения водо¬ провода, производительности станции и местных условий, а также на основании данных технологических исследований и эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях. Несмотря на значительное отличие в ряде случаев природных условий и ка¬ чества воды в источниках водоснабже¬ ния, существующие водопроводные очи¬ стные станции можно разделить на два основных типа: станции с одноступенча¬ той схемой обработки воды, на которых в качестве основных сооружений приме¬ няются контактные осветлители, и стан¬ ции с двухступенчатой схемой обработки воды, включающей в качестве основных сооружений горизонтальные или верти¬ кальные отстойники, осветлители со сло¬ ем взвешенной контактной среды и ско¬ рые фильтры. Станции с трехступенчатой схемой об¬ работки воды, включающие сооружения для предварительного осветления, в практике подготовки воды встречаются редко. По наличию основных технологиче¬ ских сооружений станции второго типа можно подразделить на следующие три подтипа: с горизонтальными отстойни¬ ками и скорыми фильтрами, с осветли¬ телями со слоем взвешенной контактной среды и скорыми фильтрами, с верти¬ кальными отстойниками и скорыми фильтрами. Наиболее широко распространены в практике водоподготовки станции второ¬ го подтипа. Кроме основных очистных сооруже¬ ний в комплексы водоочистных станций входят еще три группы сооружений и зданий: сооружения второго подъема (резервуары для чистой воды, насосная станция второго подъема с электропод¬ станцией, сооружения для повторного использования промывной воды), под¬ собно-вспомогательные сооружения (кон¬ тора или блок административно-служеб¬ ных помещений с лабораторией, склады хлора, аммиака, песка, активированного угля, мастерские, гараж, котельная и т. п.) и общеплощадочные объекты (внут- риплощадочные коллекторы, дороги, ин¬ женерные сети, линии связи и электро¬ освещения, ограждение, благоустройст¬ во и озеленение станции). Функциональное назначение основных очистных сооружений — подготовка во¬ ды питьевого качества, сооружений вто¬ рого подъема — хранение и подача воды потребителям, подсобно-вспомогатель¬ ных сооружений и общеплощадочных объектов — обслуживание и обеспечение основных технологических процессов. 303
Рис. 24.1. Схема ти¬ повой водоочистной станции производи¬ тельностью 100 ООО м3/сут: / — насосная станция второго подъема; 2 — резервуар чистой во¬ ды; 3 — фильтры; 4 — камеры реакции и го¬ ризонтальные отстой¬ ники; 5 — расходный склад хлора; 6 — блок реагентного хозяйст¬ ва; 7 — площадка для топлива; 8 — площад¬ ка для озонаторной; 9 — песковое хозяй¬ ство; 10 — блок слу¬ жебных помещений; II — проходная; 12 — сооружения для по¬ вторного использова¬ ния промывной воды. Схема типовой водоочистной станции производительностью 100 ООО м3/сут при¬ ведена на рис. 24.1. 24.4. Применение сборных железобетонных конструкций, их унификация и типизация Длительное время конструкции емкост¬ ных сооружений из сборного железобето¬ на не применялись из-за опасения, что сборный железобетон не обеспечит тре¬ буемой водонепроницаемости. Первые попытки применить его в проектах ем¬ костных сооружений относятся к 1930 г., однако более широкое их применение на¬ чалось в послевоенные годы. В настоящее время индустриальные методы строительства водоочистных стан¬ ций из сварных конструкций применяют¬ ся в широких масштабах. Замена в водоочистных сооружениях монолитных конструкций сборными, изго¬ товляемыми на заводах или полигонах, позволяет значительно сократить сроки и стоимость строительства. Использова¬ ние высококачественных конструкций за¬ водского изготовления существенно по¬ вышает водонепроницаемость, моро¬ зостойкость и долговечность сооруже¬ ний. В зимний период, когда возведение сооружений из монолитного бетона весь¬ ма затруднительно или невозможно, при¬ менение сборных конструкций особенно ценно. Использование сборных железо¬ бетонных конструкций приводит к рез¬ кому росту производительности труда и сокращению сроков строительства соору¬ жений и объектов. Для повышения экономических пока¬ зателей конструкций серийного изготов¬ ления и усовершенствования технологи¬ ческих и организационных приемов мон¬ тажа сооружений из сборных железо¬ бетонных элементов большое значение имеет сквозная унификация и типизация сборных конструкций и деталей. Эта ра¬ бота была завершена в 1968 г. и позволи¬ ла полностью унифицировать сооруже¬ ния водоснабжения, канализации, водо¬ хозяйственного назначения и емкостей для хранения жидких продуктов, а так¬ же разработать номенклатуру сборных элементов и деталей. В 1968 г. Госстроем СССР введена в действие серия проектов 3.900—2 «Уни¬ фицированные сборные железобетонные конструкции водопроводных и канализа¬ ционных емкостных сооружений для ис¬ пользования всеми специализированны¬ ми проектными и строительными органи¬ зациями». Эта серия с некоторыми уточ¬ нениями и дополнениями действует и в настоящее время. Унификация и типизация сборных во¬ доочистных сооружений позволила раз¬ работать новые типовые проекты водо¬ очистных станций, обеспечивающие вы¬ сокий уровень технологии очистки питье¬ вой воды.
В настоящее время типовое проектиро¬ вание водопроводных очистных сооруже¬ ний и их комплексов (станций) ведут Союзводоканалпроект, Г ипрокоммунво- доканал МКХ РСФСР, ЦНИИЭП инже¬ нерного оборудования городов и частич¬ но Укргипрокоммунстрой МКХ УССР (г. Харьков). Гипрокоммунводоканал по заданию Госстроя СССР разработал серию типо¬ вых проектов водоочистных станций производительностью от 50 ООО до 500 ООО м3/сут. Изменением числа секций, ячеек и бло¬ ков сооружений можно обеспечить про¬ межуточную производительность стан¬ ций. В комплекс сооружений водоочист¬ ных станций входят: блок реагентного хозяйства со смесителем; блок отстойни¬ ков и фильтров с камерой хлопьеобразо¬ вания; сооружения для повторного ис¬ пользования промывной воды; резервуа¬ ры чистой воды; насосная станция второ¬ го подъема; складские помещения и др. Для компоновки всех зданий и сооруже¬ ний типовых станций используют одно¬ типные сборные элементы и детали. Номенклатура, габаритные размеры, масса унифицированных стеновых пане¬ лей и других сборных элементов, которые используются для монтажа прямоуголь¬ ных и цилиндрических емкостных соору¬ жений, указываются в серии проектов 3.900—2, выпускаемой Центральным институтом типовых проектов. 24.5. Автоматизация и технологический контроль Автоматизации на водоочистных станци¬ ях должны подвергаться как основные процессы, так и вспомогательные опера¬ ции, обеспечивающие надежную работу установок без дежурного персонала. Объем автоматизации в каждом кон¬ кретном случае определяется в зависи¬ мости от местных условий и обосновы¬ вается технико-экономическими расчета¬ ми. На сооружениях очистки воды и во- доподготовки рекомендуется следующий ее объем: автоматическое управление процессом приготовления растворов ре¬ агентов, промывки микрофильтров, фильтров и контактных осветлителей; полуавтоматическое управление процес¬ сом выпуска осадка из отстойников и ос¬ ветлителей; автоматическое или полуав¬ томатическое управление процессом ре¬ генерации ионитовых фильтров. Для насосных агрегатов и воздуходу¬ вок, применяемых при промывке меха¬ нических и ионитовых фильтров и кон¬ тактных осветлителей, рекомендуются автоматическое управление по командам устройств автоматизации промывки и ре¬ генерации, автоматическое включение резервного насосного агрегата, дистан¬ ционное управление из помещения фильтров или контактных осветлителей, автоматическое отключение при пониже¬ нии уровня в резервуаре запаса воды или баках и действии технологических и электрических защит. В установках для возврата промывной воды рекомендуется автоматическое управление насосами возврата в зависи¬ мости от уровня воды в резервуарах и про¬ цессом выпуска шлама из резервуаров. Контроль и изменение технологиче¬ ских параметров процесса на водоочист¬ ных сооружениях осуществляется конт¬ рольно-измерительными приборами. Тех¬ нические данные на выпускаемые типы контрольно-измерительной и регулирую¬ щей аппаратуры для измерения и регу¬ лирования расходов, уровней, темпера¬ туры, давления, pH, показателей качест¬ ва воды приводятся в каталогах и инст¬ рукциях заводов-изготовителей, в мате¬ риалах, издаваемых НИИТЭхим. В основу проектирования при разра¬ ботке проектов технологического контро¬ ля должны быть положены нормативные и информационные материалы по проек¬ тированию автоматизации процессов и использованы нормали и типовые конст¬ рукции, действующие в системах Глав- монтажавтоматики. Современная технология подготовки воды на родоочистных станциях требует решения задачи широкого внедрения автоматизированного оперативного конт¬ роля за процессами на всех стадиях ее обработки и оптимального дозирования вводимых реагентов совершенной аппа¬ ратурой. Эти задачи могут быть успешно решены использованием управляющих вычислительных машин, которые при создании автоматической системы управ¬ ления водопроводными сооружениями должны обрабатывать информацию, по¬ ступающую от первичных датчиков, и 305
корректировать работу локальных уст¬ ройств для оптимизации процесса водо- подготовки в целом. 24.6. Диспетчеризация и телемеханизация v В связи с возрастающими требованиями к качеству хозяйственно-питьевой воды встает задача полной диспетчеризации и телемеханизации системы водоснаб¬ жения. Диспетчерское управление автоматизи¬ рованной системой водоснабжения насе¬ ленных мест и промышленных предприя¬ тий, оснащенное средствами телемехани¬ ки, обеспечивает централизацию конт¬ роля и управления работой системы, по¬ вышение надежности и бесперебойности водоснабжения, оперативности управле¬ ния и контроля за работой сооружений и сетей системы, сокращение числа ава¬ рий и быстрейшее их устранение, частич¬ ное или полное сокращение численности обслуживающего персонала, сокращение расхода реагентов, электроэнергии, по¬ вышение качества очищенной воды и сни¬ жение ее стоимости. В каждом конкретном случае при ре¬ шении вопроса о целесообразности теле¬ механизации диспетчерского управления системой водоснабжения необходимо учи¬ тывать технический и экономический эффект. На водоочистных станциях преиму¬ щественно осуществляется одноступен¬ чатое диспетчерское управление систе¬ мами водоснабжения и лишь в отдельных случаях, когда в данной системе есть ор¬ ганизационно обособленные участки или развитые системы с несколькими голов¬ ными сооружениями, большими узлами и разветвленной сетью, допускается при¬ менение двух- и трехступенчатой системы диспетчеризации. Для связи между дежурным диспетчер¬ ским персоналом пункта управления и эксплуатационным персоналом контро¬ лируемых и дежурных пунктов, мастер¬ ских следует применять аппаратуру пря¬ мой диспетчерской связи (телефонный коммутатор или радио). Для диспетчеризации систем водоснаб¬ жения предусмотрены надежные средства телемеханики: устройства телеуправле¬ ния, телесигнализации, телеизмеритель¬ ная аппаратура, диспетчерские щиты и пульты, источники питания. Объем телемеханизации для систем во¬ доснабжения должен включать (в зави¬ симости от задач, поставленных перед диспетчерской службой, и уровня авто¬ матизации на данном предприятии): те¬ леуправление (насосами производствен¬ ного, хозяйственно-питьевого и противо¬ пожарного водопровода, коммуникацион¬ ными задвижками в сети, на автома¬ тизированных насосных станциях и во¬ доочистных установках, механизмами, установленными на вводах основных потребителей); телесигнализацию (теле¬ управляемых и отдельных нетелеуправ¬ ляемых объектов, контролируемого пункта, аварийного отключения насосов во время запуска или в процессе работы, затопления машинного зала, повышения уровня охлажденной воды в оборотных системах, максимального уровня воды в отстойниках, возникновения пожара и т. д.); телеизмерение (расхода и давле¬ ния воды в отдельных точках сети, уров¬ ня воды в резервуарах, температуры ох¬ лажденной и горячей воды на насосных станциях оборотного производственного водоснабжения и др.). 24.7.3оны санитарной охраны В целях обеспечения санитарно-эпиде- миологической надежности хозяйствен¬ но-питьевых водопроводов при их проек¬ тировании, строительстве и реконструк¬ ции предусматриваются зоны санитарной охраны. В соответствии с рекомендация¬ ми СНиП 2.04.02—84 они должны вклю¬ чать зону источника водоснабжения в месте забора воды (включая водозабор¬ ные сооружения), зону и санитарно-за¬ щитную полосу водопроводных сооруже¬ ний (насосных станций, станций подго¬ товки воды, емкостей) и санитарно-за- щитную полосу водопроводов. Зона источника водоснабжения в месте забора воды должна состоять из трех поясов: первого — строгого режима, вто¬ рого и третьего — режимов ограничения. Зона водопроводных сооружений должна состоять из первого пояса и полосы (при расположении водопроводных сооруже¬ 306
ний за пределами второго пояса зоны источника водоснабжения). Разработка проекта зон санитарной охраны должна предусматривать исполь¬ зование данных санитарно-топографиче¬ ского обследования территорий, намечен¬ ных к включению в зоны и полосы, а так¬ же соответствующих гидрологических, гидрогеологических, инженерно-геоло¬ гических и топографических материалов. Проект зон санитарной охраны водо¬ провода следует согласовывать с ис¬ полкомом местного Совета народных де¬ путатов, с органами санитарно-эпидемио¬ логической службы, геологии (при ис¬ пользовании подземных вод), а также с другими заинтересованными организа¬ циями, и утверждать их в установленном порядке. Границы зон санитарной охраны уста¬ навливаются отдельно для поверхност¬ ных и подземных источников водоснаб¬ жения, площадок водопроводных соору¬ жений и водопроводов. Для поверхностного источника водо¬ снабжения, в том числе водоподводящего канала, границы первого пояса зоны устанавливаются на следующих расстоя¬ ниях от водозабора: а) для водотоков (реки, каналы) — вверх по течению не менее 200 м; вниз по течению — не менее 100 м; по прилегаю¬ щему к водозабору берегу — не менее 100 м от уреза воды при летне-осенней межени; в направлении к противополож¬ ному берегу: при ширине водотока менее 100 м — вся акватория и противополож¬ ный берег шириной 50 м от уреза воды при летне-осенней межени и при ширине водотока более 100 м — полоса аквато¬ рии шириной не менее 100 м; на водозабо¬ рах ковшевого типа в границы первого пояса включается вся акватория ковша и территория вокруг него полосой не ме¬ нее 100 м; б) для водоемов (водохранилище, озе¬ ро) — по акватории во всех направлени¬ ях не менее 100 м; по прилегающему к во¬ дозабору берегу —не менее 100 м от уре¬ за воды при нормальном подпорном уров¬ не в водохранилище и летне-осенней ме¬ жени в озере. Границы второго пояса зоны водотока устанавливаются вверх по течению исхо¬ дя из скорости течения воды и времени ее протекания от границы пояса до водоза¬ бора при среднемесячном расходе воды летне-осенней межени 95 % обеспечен¬ ности не менее 5 сут для I А, Б, В, Г и II А климатических районов и не менее 3 сут для остальных климатических ра¬ йонов; вниз по течению не менее 250 м; боковые границы — на расстоянии от уреза воды при летне-осенней межени и равнинном рельефе — 500 м, при гори¬ стом рельефе местности ■—до вершины первого склона, обращенного в сторону водотока, но не более 750 м при пологом склоне и 1000 м при крутом. Границы третьего пояса зоны устанав¬ ливаются вверх и вниз по течению водо¬ тока или во все стороны по акватории та¬ кими же, как для второго пояса; боковые границы — по водоразделу, но не более 3—5 км от водотока или водоема. Для подземных источников водоснабже¬ ния границы первого пояса зоны уста¬ навливаются от одиночного водозабора или от крайних водозаборных сооруже¬ ний группового водозабора на расстоя¬ нии 30 м при использовании защищенных подземных вод и 50 м при использовании недостаточно защищенных подземных вод. Границы второго и третьего пояса зоны устанавливаются расчетом. Для площадки водопроводных сооруже¬ ний границы первого пояса зоны должны совпадать с ее ограждением и предусмат¬ риваться от стен резервуаров фильтро¬ ванной (питьевой) воды, фильтров (кроме напорных), контактных осветлителей с открытой поверхностью воды не менее 30 м; от стен остальных сооружений и стволов водонапорных башен не менее 15 м. Должны соблюдаться также опре¬ деленные требования к санитарно-защит- ной полосе вокруг водопроводных соору¬ жений, расположенных за пределами второго пояса источника водоснабжения, а также к санитарно-защитной зоне меж¬ ду промышленными и сельскохозяйст¬ венными предприятиями и сооружения¬ ми станции водоподготовки. Для водопроводов, проходящих по не¬ застроенной территории, ширину сани¬ тарно-защитной полосы от крайних водо¬ водов принимают при прокладке в сухих грунтах не менее 10 м (диаметр до 1000 мм) и не менее 20 м при больших диаметрах. В мокрых грунтах — не ме¬ нее 50 м независимо от диаметра. 307
На территории зон санитарной охраны ных сооружений и водоводов должны поверхностных и подземных источников соблюдаться предусмотренные СНиП водоснабжения, площадок водопровод- 2.04.02 —84 санитарные мероприятия. Глава 25 ПУСК И НАЛАДКА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ 25.1. Ввод в эксплуатацию очистных станций Для обеспечения бесперебойной и надеж¬ ной работы водопроводной станции при проектировании должен быть качествен¬ но выбран комплекс водоочистных соору¬ жений, предусмотрены обводные и соеди¬ нительные коммуникации и необходимое число резервных мощностей. Кроме то¬ го, проектировщикам следует учесть мак¬ симально возможное сокращение объема строительных и монтажных работ, широ¬ кое использование сборных железобе¬ тонных конструкций, экономичность и удобство эксплуатации станции, соот¬ ветствие проекта требованиям Государст¬ венного пожарного надзора СССР и воз¬ можность дальнейшего расширения очи¬ стных сооружений. Проект очистных сооружений должен учитывать программу производства пус¬ коналадочных работ. В первую очередь, это относится к разбивке проектируемого комплекса на отдельные очереди строи¬ тельства и пуска, к обеспечению возмож¬ ности производства ремонтных работ, к решению вопроса о сортировке и загруз¬ ке фильтрующих материалов и других задач пускового периода. Таблица 25.1. Минимально допустимое число фильтров и контактных осветлителей при нормативных скоростях фильтрования Сооружение Скорость фильтрования, м/ч п “н "Ф Фильтры скорые 5—6 6—7,5 4 однослойные с 6—8 7—9,5 4 различным соста¬ 7—10 10—12 4 вом загрузки двухслойные 7—10 8,5—12 4 двухпоточные сис¬ темы АКХ 12 15 4 Контактные осветлите¬ 4—5 5—5,5 4 ли 5—5,5 5,5—6 4 Период пуска и наладки комплекса очистных сооружений чрезвычайно тру¬ доемок, он требует от технического пер¬ сонала безукоризненной четкости дейст¬ вий, хорошего знания проекта станции и технологии очистки воды. Очень важно перед началом пускона¬ ладочных работ правильно разбить комп¬ лекс на очереди пуска. Как правило, пуск сооружений производится по мере их полной готовности и соответствует очередности строительства, предусмот¬ ренной проектом. В этих случаях осу¬ ществляется пуск станции в объеме одной очереди строительства. В ряде случаев возникает необходи¬ мость ввода в эксплуатацию лишь части сооружений этой очереди. Хотя такая необходимость создает известные труд¬ ности при пусковых работах, однако практика показывает, что подобные усло¬ вия возникают довольно часто. Качест¬ венный состав пусковых объектов опре¬ деляется в этих случаях предусмотрен¬ ными методами очистки: кроме сооруже¬ ний, составляющих ядро комплекса, сю¬ да включаются реагентное хозяйство, до¬ зирующие и смесительные устройства, система промывки фильтров и контакт¬ ных осветлителей и т. д. Минимально допустимое число вводи¬ мых в эксплуатацию технологических единиц п (табл. 25.1) рассчитывают по формуле где vn и Оф —соответственно скорости фильтрования воды на сооружении при нормальном и форсированном режимах водоочистки. После выбора числа и состава сооруже¬ ний обслуживающий персонал приступа¬ ет к пусконаладочным работам. 308
25.2. Проверка технической готовности сооружений к пуску, устранение недоделок и дефектов К проверочным работам относятся: де¬ тальный осмотр сооружений, проверка их характерных размеров и отметок; проверочный расчет сооружений, осно¬ ванный на фактических замерах; гидрав¬ лическое испытание сооружений; выяв¬ ление и ликвидация строительно-монтаж¬ ных и проектных дефектов и недоделок. В процессе строительства очистных сооружений часто обнаруживается не¬ соответствие натурного исполнения от¬ дельных сооружений рабочим чертежам проекта. Поэтому предпусковыми заме¬ рами следует определить: габариты очистных сооружений, размеры, отметки и уклоны важнейших коммуникаций станции, отметки всех характерных то¬ чек высотной технологической схемы и всех ее элементов в отдельности, гори¬ зонтальность расположения устройств для распределения и сбора воды, удале¬ ния осадка и т. д. Проверочный расчет должен преду¬ сматривать определение фактической мощности станции, скоростей протекания технологических процессов и сравнение этих скоростей с нормативными. Полезная производительность водо¬ очистной станции Qn выражается зависи¬ мостью Qn — Q — (Qo + Qnp + Qx). где Q — расчетное поступление воды на станцию; Q0 — расход осветленной воды при удалении осадка из отстойников и осветлителей со слоем взвешенной кон¬ тактной среды; Qnp — расход отфильтро¬ ванной воды на промывку фильтров и контактных осветлителей; Qx — расход отфильтрованной воды на хозяйственные нужды станции (промывка стен фильтров и осветлителей, полив территории и т. д.). После нахождения на основе проект¬ ных данных расчетных расходов воды на отдельных этапах ее очистки, руководст¬ вуясь расчетными формулами, выполня¬ ют поверочный расчет сооружений. В процессе гидравлического испытания сооружений проверяется водонепрони¬ цаемость бетонных и железобетонных сооружений и каналов, металлических баков и трубопроводов. Убыль воды за 1 сут (исключая испарение) не должна превышать 3 л/м2 смоченной поверхности стен и днища. Напорные и безнапорные трубопрово¬ ды испытывают на прочность и герметич¬ ность, трубы диаметром более 400 мм ис¬ пытывают также на утечки. Через распределительные системы фильтров и осветлителей, а также комму¬ никации для отбора воды, удаления осад¬ ка и другие подают максимальное расчет¬ ное количество воды под требуемым про¬ ектным напором и в ходе этих испытаний проверяют пропускную способность тру¬ бопроводов, качество соединений и креп¬ лений. При выявлении каких-либо строитель¬ но-монтажных дефектов и недоделок представитель заказчика совместно с ад¬ министрацией станции и представителя¬ ми строительных организаций составля¬ ют акт, содержащий перечень дефектов и недоделок, которые должны быть устра¬ нены до ввода станции в эксплуатацию. 25.3. Подготовка очистных сооружений к пуску Прием и подготовка обслуживающего персонала. Важнейшим условием пра¬ вильной подготовки станции к вводу в эксплуатацию является заблаговремен¬ ное укомплектование ее штата. Жела¬ тельно, чтобы обслуживающий персонал был набран на заключительном этапе строительства и монтажа очистных соору¬ жений: это позволит предварительно ознакомить работников с устройством сооружений и управлением ими. Зачисляемый персонал должен обла¬ дать достаточной технической подготов¬ кой. На должности начальника станции, начальников смен и ответственных де¬ журных по отдельным сооружениям на¬ значаются лица, имеющие законченное инженерно-техническое образование или большой стаж практической работы. За¬ ведующим лабораторией может быть только высококвалифицированный ин¬ женер-технолог с законченным высшим образованием. Для лучшего ознакомления с техноло¬ гией очистки воды обслуживающий пер¬ сонал должен пройти предварительную 309
стажировку на станции с аналогичным или подобным составом очистных соору¬ жений. За каждым специалистом нужно сразу же закрепить объект его будущей работы. Все работники очистных сооружений должны пройти медицинское обследо¬ вание. Загрузка фильтров и контактных осветлителей. Подготовительные работы предусматривают выбор и заготовку поддерживающих и фильтрующих мате¬ риалов, их загрузку, а также устройство временных или постоянных приспособле¬ ний для транспортирования материалов от места сортировки к очистным соору¬ жениям. В качестве поддерживающих материа¬ лов используют гальку, щебень, гравий химически стойких пород, отвечающих в наибольшей степени гранулометриче¬ скому составу, заданному проектом. Материалы, не отвечающие нужному гранулометрическому составу, измель¬ чают и рассеивают на отдельные фрак¬ ции. Рассеивать материалы следует ле¬ том, отмывая их чистой водой и избегая вторичного загрязнения. При выборе фильтрующего материала (кварцевый песок, антрацит, керамзит и др.) учитывают его плотность, химиче¬ скую стойкость, механическую прочность и гранулометрический состав, для антра¬ цита — также зольность и содержание в нем серы. После подготовки и сортировки под¬ держивающих и фильтрующих материа¬ лов на отдельные фракции их промывают и подают к месту загрузки. Гравий, щебень и другие поддержи¬ вающие материалы доставляют механиче¬ скими (тельферами, кранами, ленточны¬ ми конвейерами), фильтрующие мате¬ риалы — гидромеханическими приспо¬ соблениями. К загрузке фильтров или контактных осветлителей приступают лишь после того, как выполнены поверочные замеры, расчеты и гидравлические испытания, полностью ликвидированы недоделки и дефекты. Поддерживающий слой загружают тельфером или вручную, осторожно, что¬ бы не нарушить днище, колосниковую решетку, не повредить крепление рас¬ пределительной системы. Обязательно для всех фракций проверяют высоту, го¬ ризонтальность каждого нового слоя загрузки и производят его последующую промывку. По окончании загрузки составляют акт загрузки каждого сооружения. Мате¬ риалы акта заносят в паспорт соору¬ жения. Заказ и приемка реагентов. Реагенты, предназначенные для очистки воды, должны быть заказаны и получены забла¬ говременно, до пробного пуска станции в эксплуатацию. Каждая партия реагентов должна быть проанализирована лабораторией станции для выяснения соответствия их качества условиям заказа. Реагенты внутри склада размещают по возможности отдельными партиями. Дезинфекционная обработка сооруже¬ ний. Дезинфекции подвергают резервуа¬ ры чистой и промывной воды, фильтры, осветлители, отстойники, трубопроводы и каналы осветленной и профильтрован¬ ной воды, хозяйственно-питьевой водо¬ провод станции и водоводы, по которым очищенная вода подается потребителям после ликвидации выявленных дефектов и недоделок и окончания загрузки. Перед дезинфекцией сооружения и коммуникации очищают от строительно¬ го мусора и промывают чистой водой, за¬ тем трубопроводы и емкости заполняют водой, содержащей 20—30 мг/л активно¬ го хлора, и выдерживают в течение 24 ч. Промывку производят до тех пор, пока концентрация остаточного хлора в про¬ мывной воде не снизится до 0,2—0,3 мг/л. Дезинфекцию считают удовлетворитель¬ ной, если бактериологический анализ во¬ ды, взятой из различных мест, соответст¬ вует нормам ГОСТа. Особое внимание следует уделять уста¬ новке регулирующей и контрольно-регу- лирующей аппаратуры (дозаторов, уров¬ немеров, расходомеров, регуляторов рас¬ хода воды и др.), от правильности выбора и установки которой во многом зависит качество очистки воды. Создание зоны санитарной охраны. Санитарную зону создают с целью пред¬ отвращения бактериального заражения воды в источнике водоснабжения на всех этапах ее обработки. Территория очистных сооружений по возможности благоустраивается. 310
25.4. Организация лабораторно¬ производственного контроля Лабораторно-производственный конт¬ роль осуществляется химической и бак¬ териологической лабораториями. Кор¬ ректируют и проверяют работу лаборато¬ рий органы Государственной санитарной инспекции. Основная задача лабораторно-произ¬ водственного контроля — определять по¬ казатели физико-химического, бактерио¬ логического и гидробиологического со¬ става воды с целью выявления нужных доз вводимых реагентов и обеспечения стабильного эффекта очистки. Он пред¬ полагает контроль качества: 1) воды, по¬ ступающей на очистные сооружения; 2) воды на всех стадиях ее очистки, вклю¬ чая воду, подаваемую потребителям; 3) реагентов, поступающих на станцию; 4) затворения, растворения и дозирова¬ ния реагентов; 5) контроль технологиче¬ ских параметров загрузочных материа¬ лов. Ориентировочный график лаборатор¬ ного контроля разрабатывается заблаго¬ временно, до пуска станции и уточняется в процессе технологической наладки и эксплуатации. Под производственные лаборатории от¬ водятся светлые и сухие комнаты, обору¬ дованные центральным отоплением, водо¬ проводом и канализацией, приточной и вытяжной вентиляцией, осветительной и силовой электропроводкой. Лаборатории оборудуются мебелью и приборами, оснащаются посудой и хими¬ ческими реактивами. На все лаборатор¬ ное оборудование заводятся отчетные книги: материальная и инвентарная. 25.5. Порядок сдачи и приемки сооружений в эксплуатацию Сдача и приемка завершенного комплек¬ са водоочистной станции осуществляется в соответствии с общими правилами при¬ ема строительно-монтажных работ по отдельным объектам и по всему комплек¬ су в целом. Сооружения могут быть предъявлены к приему лишь в том случае, если выпол¬ нен весь объем строительно-монтажных работ, предусмотренный пусковым комп¬ лексом, и установлено, что возможна очистка воды до стандартного качества и нормальная эксплуатация пускового комплекса. Администрация строящейся станции обязана предъявить Государственной приемочной комиссии соответствующую документацию и передать ее управлению водопровода. Акт приемочной комиссии представ¬ ляется на утверждение органа, назначив¬ шего комиссию. Отказ по тем или иным причинам от приема станции в эксплуата¬ цию должен быть детально обоснован специальным заключением приемочной комиссии, которое также передается ор¬ гану, назначившему комиссию. 25.6. Подготовка к технологической наладке станции Данный этап работы включает проверку работы и тарировку показаний конт¬ рольно-измерительных приборов (дифма- нометры, пьезометры и др.), регулирую¬ щих и дозирующих устройств (регулято¬ ры расхода воды и дозаторы реагентов), пробную обработку воды реагентами, в результате которой устанавливают необ¬ ходимые дозы и последовательность вво¬ да реагентов для обеспечения необходи¬ мого эффекта осветления, обеззаражива¬ ния и дезодорации обрабатываемой воды. 25.7. Пробный пуск и технологическая наладка очистных сооружений Задача первого этапа наладки (пробного пуска) состоит в рабочем испытании пус¬ кового комплекса сооружений, коммуни¬ каций и оборудования, в оценке резуль¬ татов этого испытания применительно к принятой схеме очистки воды и в провер¬ ке взаимодействия отдельных элементов станции. Пробный пуск предусматривает следующие операции: 1) организацию бесперебойной подачи на станцию расчет¬ ного количества воды; 2) ввод в эксплуа¬ тацию сооружения реагентного хозяйст¬ ва и дозирование реагентов в обрабатыва- ваемую воду (дозы реагентов определяют по результатам лабораторных исследова¬ ний); 3) опробование в работе всех основ¬ ных (фильтры, отстойники и т. д.) и вспо¬ могательных сооружений. 311
В зависимости от производительности станции, комплекса ее сооружений, ста¬ бильности качества исходной воды, а также полноты устранения ранее выяв¬ ленных дефектов рабочее испытание стан¬ ции может длиться от 2—3 сут до недели и более. Обслуживающий персонал в этот период должен работать круглосуточно. В период пробного пуска станция по¬ дает воду только для тех промышленных нужд, где она может быть использована без доведения до требований ГОСТа, или спускает ее в канализацию. Выявляются технологические параметры работы очистных сооружений: допустимые ско¬ рости движения воды в отдельных соору¬ жениях, необходимые дозы реагентов, длительность контакта реагентов с обра¬ батываемой водой, расход воды на собст¬ венные нужды и др. Технологическая наладка предусмат¬ ривает кроме доведения качества обраба¬ тываемой воды до предъявляемых требо¬ ваний отыскание эффективных и эконо¬ мически рациональных приемов очистки воды. По мере окончания наладки отдельных звеньев технологической цепи выявляют¬ ся практически приемлемые параметры работы соответствующих сооружений, устанавливается периодичность лабора¬ торно-производственного их контроля и в ориентировочный график контроля вносятся необходимые изменения и уточ¬ нения. По результатам технологической на¬ ладки руководящий инженерно-техни¬ ческий персонал станции разрабатывает режимные инструкции по эксплуатации различных сооружений, которые утверж¬ даются администрацией станции и вы¬ даются сменным дежурным. 25.8. Окончательный пуск станции Пуск станции в постоянную эксплуата¬ цию производится после окончания тех¬ нологической наладки. Разрешение на окончательный пуск станции выдается Государственной санитарной инспекцией при положительных результатах анали¬ зов и оформляется соответствующим ак¬ том и приказом управления (треста) во¬ допровода. Персонал станции должен иметь в своем распоряжении: 1) оперативные схе¬ мы каждого технологического участка; 2) паспорта на оборудование; 3)инструк¬ ции по обслуживанию сооружений и обо¬ рудования; 4) должностные инструкции; 5) памятки по технике безопасности. В распоряжении начальника смены должны находиться генеральный план и комплект чертежей очистных сооруже¬ ний и коммуникаций станции. Для систематических записей регист¬ рируемых показателей качества воды, технологических и технико-экономиче¬ ских параметров работы сооружений за¬ водят специальные журналы. 25.9. Техника безопасности при пусконаладочных работах При проведении работ, предшествующих и связанных с технологической наладкой станции, требуется тщательное соблюде¬ ние правил техники безопасности. К про¬ верке размеров и отметок пускаемых сооружений могут быть допущены лишь те работники, которые прошли вводный инструктаж по технике безопасности. Ра¬ боты по устранению дефектов и недоде¬ лок производятся только рабочими в спецодежде. Во время гидравлических и пневмати¬ ческих испытаний вдоль испытуемого участка водовода выставляются посты, которые обязаны не допускать никого в опасную зону на расстояние менее 50 м от оси водовода. Помещения, где производятся работы по гуммированию, работы с винипластом, связанные с применением клеящих со¬ ставов и ^растворителей, измельчением и сортировкой антрацитовой крошки, необходимо оборудовать надежной при¬ точно-вытяжной вентиляцией. При ис¬ пользовании для противокоррозионной изоляции грунтов и лаков на полихлор- виниловой основе следует пользоваться специальными противогазами. В процессе загрузки фильтров и кон¬ тактных осветлителей, приемки и разме¬ щения реагентов внутри складов необхо¬ димо строго соблюдать правила безопас¬ ности погрузо-разгрузочных работ. Дезинфекцию коммуникаций и соору¬ жений осуществляют в соответствии с 312
правилами обращения с газообразным хлором или хлорной известью. При тарировке показаний дифманомет- ров и пьезометров объемным методом не разрешается стоять или наклоняться над бортом сооружений за пределами перил. Работы с ртутными дифманометрами не¬ обходимо производить в вентилируемом помещении. Пробы воды или осадка от¬ бирают только специальными батомет¬ рами. Места отбора проб должны быть безопасными и достаточно освещенными. Загрузку пылевидных реагентов в затворные баки необходимо механизиро¬ вать, эти помещения оборудуются вен¬ тиляцией. В помещении хлораторной концентра¬ ция хлора не должна превышать — 1, аммиака —20 мг/м3 воздуха. Хлоратор- щик во время дежурства должен иметь два исправных противогаза и резиновые перчатки. Администрация станции обязана орга¬ низовать обучение технике безопасности и провести инструктаж на отведенном участке работ всех принимаемых рабо¬ чих. Инструкции по технике безопасно¬ сти должны вывешиваться на видных местах и вручаться каждому рабочему под расписку. Администрация станции обязана так¬ же проверять знание правил техники бе¬ зопасности инженерно-техническим пер¬ соналом. Ответственность за состояние техники безопасности на станции возлагается на главного инженера или технических ру¬ ководителей станции (в отдельных це¬ хах — на начальников цехов). Сменные и дежурные мастера цехов не¬ сут ответственность за строгое соблюде¬ ние правил техники безопасности, пере¬ численных в инструкциях. Ответственность за соблюдение норм безопасности при выполнении физико¬ химических и бактериологических анали¬ зов возлагается на заведующего лабора¬ торией.
ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение I. Рекомендации к практическому использованию методов водообработки на основе характеристики примесей воды в соответствии с классификацией J1. А. Кульского (по четырем группам) Таблица 1. Методы удаления из воды примесей первой группы . о к ш X о <и о н о Я . Е С~ О со СО cf * « О 0) £ е . § як ш Я i-а ЕС М V - 2 § Используемые р генты и их pacxi на 1000 м3 воды, ►» о. о я я н Ч> Я _ п Ь и as 5 СО Q, * СО 3 Я 2 а Процесс 1*2 S 7 н £ = О S и о О О со а: ^ о. а о о CU а о Область пр* по удаляемь рязнениям о о а> 2 ж н (J 5 * 6 я я sr о л я <и с £ и 0.22 х 2 Ж 22 л Ss2 ^ н >»>» § * ?£ ■ 2 я» у 5 5 О Я Cl О ef >> = CQ О (- V CJ т £ СО н са 35 Механиче¬ Отстаива¬ Низко дис¬ _ Водозабор¬ 50—70 % 1, 2, 7, ское безреа- ние персные при¬ ные ковши, 24, 25 гентное раз¬ меси > 500 отстойники деление мг/л; цвет¬ ность до 50 град Фильтрова-; Взвеси до — Медленные 90—99 % 1, 9, 24, ние 1500 мг/л; цретность до 150 град фильтры микроорга¬ низмов; по мутности — до норм 25 Взвеси до стандарта — Предвари¬ 1000 мг/л; тельные цветность до фильтры 50 град 60—80 % — 1, 9 Микропро¬ Планктон — Микро¬ цеживание > 1000 кл/мл и взве¬ си фильтры 70—95 % 1, 9 Центрифу¬ Низко- и вы¬ — Непрерыв¬ гирование сокодисперс¬ ные примеси но действу¬ ющие цен¬ трифуги, гидроцик¬ лоны 80—90 о/о 1, 7 Адгезия Фильтровэ-, Высокодис¬ Диатомит, Диатомито- По мут¬ — 1, 9, 14, на высоко- ние через персные взве¬ трепел, ас¬ вые и дру¬ ности — до 16 дисперс¬ намывной си железа, бест, цел¬ гие намыв¬ норм стан¬ ных и зер¬ слой вспо¬ марганца люлоза, ак¬ ные фильт¬ дарта нистых ма¬ могательно¬ при необхо¬ тивирован¬ ры териалах го вещества димости их глубокого удаления ный уголь и др. 1—60 Фильтрова¬ Коагулиро¬ Флокулян- Скорые, То же 1—4, 9, ние скоагу- ванная ты: ПАА двухслой¬ 24, 25 лированной взвесь после 0,05—0,10; ные и гру¬ взвеси че¬ сооружений АК 0,2— бозернис¬ рез зернис¬ первой сту¬ 0,5 для ин¬ тые фильт¬ тые загруз¬ пени sg 8— тенсифика¬ ры, фильт¬ ки 15 мг/л ции процес¬ са ры АКХ, многослой¬ ные фильт¬ ры и др. 314 \
Продолжение табл. 1 . о к и X о <У о н о Я со « о * й> Й 9) * о о s =- m о; Процесс Рекомендуемый нологический сп обработки воды Область примет по удаляемым з рязнениям Используемые р генты и их расх на 1000 м3 воды, а 8 V о 3 X н CJ О х Степень очистки Стоимость реаге и электроэнерги: расходуемых на очистку 1000 м3 ды, р. Соответствующа глава учебника Фильтрова¬ Взвесь до Al2 (S04)3, Контакт¬ » » 2—12 1, 2, 4, ние с ис¬ 120 мг/л; FeCl3 27— ные освет¬ 9, 24, пользова¬ цветность до 36; полиак¬ лители, 25 нием явле¬ 120 град риламид контактные ния кон¬ 0,2—0,6; фильтры тактной ко¬ АК 1—3 агуляции на гидрок¬ Фильтрова¬ Взвеси орга¬ — Фильтры с До норм, — 1,2, 4, сидах алю¬ ние с ис¬ нической и вмонтиро¬ установлен¬ 9 миния или пользова¬ минераль¬ ванными ных стан¬ железа и нием филь¬ ной природы, электрода¬ дартом глинистых тров-элек¬ в том числе ми минералах тролизеров бактерии, споры, виру¬ сы Обработка Содержание Al2 (S04)g, Установки То же 5—25 1-9, коагулян¬ взвесей и FeCl3 или для приго¬ 14, 24, тами с по¬ цветность во¬ Fe2 (S04)3 товления и 25 следующим ды не огра¬ 25—80; дозирова¬ удалением ничены; па¬ электрохи¬ ния реаген¬ взвеси тогенные бактерии, споры мически по¬ лучаемые А1 (ОН)3 или Fe (ОН)3; реагенты для подще- лачивания (известь, сода) тов, каме¬ ры хлопье¬ образова¬ ния, элект¬ ролизеры с раствори¬ мым ано¬ дом, освет¬ лители или отстойники, фильтры; контактные осветлите¬ ли (мут¬ ность воды до 120 мг/л) Обработка Патогенные Минералы Установки 98,0— 1—9, высокодис¬ бактерии, (палыгор- для приго¬ 99,9 о/0 24, 25 персными споры и др. скит, монт¬ товления и глинисты¬ морилло¬ дозирова¬ ми минера¬ нит и др.) ния суспен¬ лами с по¬ 100—500 зий глинис¬ следующим тых мине¬ отстаивани¬ ралов, сме¬ ем и фильт¬ сители, от¬ рованием стойники, фильтры Агрегация Обработка Содержание Al2 (S04)g, Установки До норм, 5—25 То же флокулян¬ коагулян¬ взвесей и FeCl3 или для приго¬ установлен¬ та ми тами с при¬ цветность Fe2 (S04)3 товления и ных стан¬ менением воды не ог¬ 25—80; АК дозирова¬ дартом флокулян¬ раничены; 0,2—5 дозы ния реаген¬ тов и после¬ патогенные безводного тов, смеси¬ дующим от¬ бактерии, коагулян¬ тели, каме¬ стаиванием споры та; полиак¬ ры хлопье¬ * фильтро¬ риламид образова¬ ванием 0,05—1,5 ния, 315
Продолжение табл. 1 осветлите¬ ли или отстойни¬ ки, фильт¬ ры; контак¬ тные освет¬ лители и установки для приго¬ товления и дозирова¬ ния флоку¬ лянтов Флотация Безреагент- ная флота¬ ция Нефти и мас¬ ла (50—150 г/м®) Воздух (0,05— 0,5 м3/м3 очищаемой воды) Флотаторы и устройст¬ ва для дис¬ пергирова¬ ния возду¬ ха до пу¬ зырьков d = 15...30 мкм При содер¬ жании неф¬ ти ^ 10— 15 г/м3 — 95 % 10 Флотация с применени¬ ем реаген¬ тов То же при необходимос¬ ти глубокой очистки То же и до¬ бавка жир¬ ных спир¬ тов 10, Al2 (S04)3 или FeClg 25—50; А К 10 То же 95—99 о/о 10 Бактерицид¬ ное воздей¬ ствие на па¬ тогенные микроорга¬ низмы Обработка воды окис¬ лителями, хлорирова¬ ние Бактериаль¬ ное загряз¬ нение С12 0,7—20 или СЮо 1—5 Склады хлора, хло¬ раторы, смесители, контактные резервуа¬ ры; уста¬ новки для получения СЮ, Получение воды стан¬ дартного качества 1,0— 2,0 11 NaCl 10— 100 Склады NaCl, уста¬ новки для электроли¬ тического хлорирова¬ ния, смеси¬ тели, кон¬ тактные ре¬ зервуары То же 1,0— 2,0 3, 11, 18 316
Продолжение табл. 1 Процесс Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расход на 1000 м3 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очи¬ стку 1000 м3 во¬ ды, р. Соответствующая глава учебника Озонирова¬ То же Оз 0,75—3 Озонатор- » 0,5— 12 ние ные уста¬ 25,0 новки с це¬ хами подго¬ товки воз¬ духа и уст¬ ройствами для введе¬ ния 03 в обрабаты¬ ваемую во- Обеззара¬ То же при Металличе¬ ДУ живание и необходимос¬ ские Ag Ионаторы ,ь ъ 1,5— 13 консервиро¬ ти длитель¬ 0,05—0,5, типа Л К, 15,0 вание воды ного хране¬ Си 1,0 резервуары ионами Ag-*" ния для хране¬ и других ния воды тяжелых металлов Обработка Патогенные Ультразву¬ 95% — 1, 13 воды ульт¬ бактерии, ковые уста¬ развуком споры и др. новки Обработка То же при Бактери¬ 98—99,9 % 1,0— 1, 13 воды ульт¬ небольшом цидные ус¬ 2.0 рафиолето¬ содержании тановки с выми луча¬ взвеси лампами ми РКС, ПРК, БУВ и др. Таблица 2. Методы удаления из воды примесей второй группы Процесо Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расход на 1000 м3 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м3 во¬ ды. р Соответствующая глава учебника Мембранное разделение Ультра¬ фильтра¬ ция Высокомоле¬ кулярные, коллоидные примеси, ви¬ русы Ультра- фильтра- ционные установки До 100 % Зави¬ сит от соста¬ ва раз¬ деляе¬ мого раство¬ ра 1, 19 Окисление Хлориро¬ вание Повышено со¬ держание в во¬ де коллоид¬ ных и высо¬ комолекуляр¬ ных соедине¬ ний, С12 5—20 СЮг 1—5 f Склады хлора, хло¬ раторы, смесители, контактные резервуары; Вода стан¬ дартно¬ го каче¬ ства 1,0— 2,0 1, 11 317
Продолжение табл. 2 Процесс Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расход на 1000 мэ воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м3 во¬ ды, р. Соответствующая глава учебника обуслов¬ установки ливающих для получе¬ окисляемость ния СЮ2 и цветность воды 35—200 град Озонирова¬ То же 03 1—20 Озонатор- То же 0,5— 12 ние ные уста¬ 25,0 новки с це¬ хами подго¬ товки воз¬ духа и уст¬ ройствами для введе¬ ния 03 в об¬ рабатывае¬ мую воду Адсорбция Коагуля¬ Повышенное А1, (SOt)„ Устройства То же 2,0— 1—9, на гидрокси¬ ция в сво¬ содержание в FeCl3 30—80; для приго¬ 10,0 14 дах алю¬ бодном объ¬ воде коллоид¬ электрохими¬ товления миния или еме, ных и высоко¬ чески получа¬ растворов железа, а обработка молекуляр¬ емые А1 (ОН)3 реагентов и также на воды ко¬ ных веществ, или Fe (ОН)3; их дозиро¬ высокодис¬ агулянтами обусловлива¬ для подщела- вания, элек¬ персных с последую¬ ющих окис¬ чивания ис¬ тролизеры глинистых щим удале¬ ляемость и пользуют из¬ с раствори¬ минералах нием взве¬ цветность во¬ весть, соду мым анодом, си (см. ды 35—200 или NaOH смесители, табл. 1, п. 2 град камеры и 3 прило¬ хлопьеоб¬ жения I) разования, отстойники или освет¬ лители и фильтры Обработка То же при То же и до¬ Те же уст¬ Вода 2,0— 1—9 воды высо¬ низкой тем¬ бавки бенто¬ ройства стан¬ 10,0 кодисперс¬ пературе и нита, палы- для обра¬ дартно¬ ными замут- малой мут¬ горскита (50 ботки воды го каче¬ нителями и ности воды; —200) и дру¬ замутните- ства коагулян¬ при высокой гих глинис¬ лями тами загрязнен¬ тых минера¬ ности воды лов вирусами Контакт¬ Коллоидные А1, (S04)3 Смесители, То же 2,0— i-б, ная коагу¬ и высокомо¬ 27—36; по¬ контактные 10,0 24, 25 ляция лекулярные лиакриламид осветлите¬ вещества, обу¬ 0,2—0,6 или ли и кон¬ словливаю¬ АК 1—3 тактные щие цвет¬ фильтры ность воды 35—120 град при малой мутности во¬ ды 318
Продолжение табл. 2 Агрегация флокулян- тами кати¬ онного типа Вирулицид- ное воздей¬ ствие То же X О 0) О н о с <=w з «а — 2 а О о 5 со е? ° Я Я 3* Н 5*5 г to О О я я 5 а О) о VO И яо Я з сх S с £ зг к к {2 5 = ^ ef S 1^“ О с о. Я ^у <и о О.Й -* 2 йо g*“ "ГЕ J3 ® о °г§ о * k- (U я S и я Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м8 во¬ ды, р. Соответств ующая глава учебника Устройства Вода — 1—9 для приго¬ стан¬ товления дартно¬ растворов и го ка¬ их дозиро¬ чества вания; сме¬ сители, ка¬ меры хло¬ пьеобразо¬ вания Склады То же 1,0- 1, И, К хлора, хло¬ 2,0 раторы, смесители, контактные резервуа¬ ры; уста¬ новки для получения С102 Склады То же 1,0— 3, 11 NaCl, уста¬ 2,0 новки для элек¬ тролитиче¬ ского хло¬ рирования, смесители, контактные резервуары Озонатор- » 0,5- 1, 12 ные уста¬ 25,0 новки с це¬ хами под¬ готовки воздуха и устройства¬ ми для вве¬ дения 03 в обрабатыва¬ емую воду Ионаторы То же 1,5- 1, 13 типа JIK, 15,0 резервуары для хране¬ ния воды Ультразву¬ 95 о/о То же ковые уста¬ новки Бактери¬ 98— 1,0— » цидные 99,9 % 2,0 установки с лампами Р КС-2,5 и др. 31S Обработка воды кати- онитными флокулян- тами Обработка еоды окис¬ лителями, хлорирова¬ ние То же Озонирова¬ ние Обеззара¬ живание и консерви¬ рование во¬ ды ионами серебра и других тя¬ желых ме¬ таллов Обработка воды ульт¬ развуком Обработка воды ульт¬ рафиолето¬ выми луча¬ ми *i Загрязнение воды вируса¬ ми Высокомоле¬ кулярные по- лиэлектроли- ты катионно¬ го типа: ВА-2 ВА-3 и др. (2-15) С12 (5-20) или СЮ2 1— 10 NaCl 10—100 Загрязнение воды вируса¬ ми 03 1_3 Загрязнение воды вируса¬ ми при не¬ большом со¬ держании взвеси и дли¬ тельном хра¬ нении воды Загрязнение воды вируса¬ ми Загрязнение воды вируса¬ ми при не¬ большом со¬ держании взвеси Металличе¬ ские Ag 0,05—0,5, Си 0,2—1,0
Таблица 3. Методы удаления из воды примесей третьей группы О О <L> =Г о а а Десорбция газов и ле¬ тучих орга нических соединений Окисление Окисление Электролиз Адсорбция активиро¬ ванным уг¬ лем <=оз 2 = S О) = а ° я ? “s S uvo О О со я 5 а « оо О. X о а* *- О) ГО X « Sa — — as ^ CoS к к £ 5 Пя I Ч >»* So« Oca 5 о-а § х Я О п a J3 = со © 2 2 g£§ 5 « О я Я Я Я Р я Я _ ^ U I 5 Я a 2 o<U Хо 5 20 л 2 s2 Н Я Q> о нЬ>> . § * ? * a gSJOH 5 ч х ° . SmS5a и Я 0.0 « 3 “ Ра >»я ао Ь О о о* ft >» Аэрирова¬ Г азы и лету¬ Воздух Брызгал ь- С02 В зави¬ 1, 14, ние чие органиче¬ ные бассей¬ 65— симос¬ 17 ские соедине¬ ны, аэрато¬ 80 % ти от ния, придаю¬ ры и дега¬ H2S глуби¬ щие воде не¬ заторы раз¬ 0,3—0,5 ны де¬ приятные личных ти¬ мг/л газа¬ привкусы и пов ции запахи Хлорирова¬ H2S 0,3—0,5 На 1 кг H2S Хлораторы, Отсутст¬ 0,1 — 1, 11, ние мг/л; доочист¬ при окисле¬ 'смесители, вие H2S, 1,0 14, 17 ка после аэ¬ нии до S рас¬ установки умень¬ рирования; ходуется 2,1 для получе¬ шение нелетучие ор¬ кг С12, а до ния и дози¬ содержа¬ ганические сульфатов — рования ния ор¬ соединения, 8,4 кг С12; на С102 ганиче¬ придающие окисление 1 ских со¬ воде неприят- кг а-крезола едине¬ 'ные привку¬ или 1 кг фе¬ ний сы и запахи нола расхо¬ дуется 1,5— 10,0 С12, 0,5— 1,2 С102 Озонирова¬ Для удале¬ 03 2-4 Озонатор- В зави¬ 1,5— 12 ние ния привку¬ сов и запахов при не слиш¬ ком загряз¬ ненных водах и малой эф¬ фективности хлорирова¬ ния и углева- ния ные уста¬ новки, сме¬ сители 03 с водой симости от при¬ роды удаляе¬ мых за¬ грязне¬ ний 5,0 Обработка Удаление КМп04 2—10 Установки В зави¬ 1,5— 1, 3, 6, воды привкусов и для приго¬ симости 5,0 14, 22, КМп04 запахов при незначитель¬ ном загрязне¬ нии товления и дозирова¬ ния раство¬ ра КМп04 от при¬ роды удаляе¬ мых за¬ грязне¬ ний 23 Электрооб¬ Для удале¬ 1 кг А1 при Установка 80— — 2, 4, 9, работка во¬ ния 02 одновремен¬ для элек¬ 95 % 17 ды ном осветле¬ нии и обес¬ цвечивании воды трохимиче¬ ской очист¬ ки воды Углевание Неприятные Уголь марок Установки То же 3—5 3, 14, запахи и при¬ БАУ, АГ—3, для приго¬ 25 вкусы естест¬ ОУ сухой, товления, венного про¬ АГ—М, пы¬ дозирова¬ исхождения, левидный 5— ния и сме¬ а также вно¬ 20 шения с во¬ симые со сточ¬ дой уголь¬ ными водами ной суспен¬ зии 320
Продолжение табл. 3 Процесо Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расход на 1000 м3 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м3 во¬ ды, р. Соответствующая глава учебника Очистка во¬ Привкусы и Уголь грану¬ Угольные То же 1—3 1,2, 14 ды на уголь¬ запахи; аро¬ лированный; фильтры, ных фильт¬ матические для регенера¬ устройства рах и в ад¬ органические ции фильтров для приго¬ сорберах со вещества используют товления взвешенной NaOH либо регенера¬ контактной осуществля¬ ционных средой ют парогазо¬ растворов; вую регенера¬ адсорберы цию во взве¬ со взвешен¬ шенной кон¬ ной конта¬ тактной сре¬ ктной сре¬ де дой; печи для активи¬ рования и регенера¬ ции углей Экстракция Обесфено- Наличие в Б утил ацетат, Экстрак¬ — — И, 19 органически¬ ливание сточных во¬ этил ацетат, ционные ми раство¬ дах фенолов бензол и др. установки рами Эвапорация Пароцир¬ То же Пар Установки — — 19 куляцион¬ для разгон¬ ный метод ки Азеотроп- » » То же — — 14 ная отгонка Биохимиче¬ Разложе¬ ский распад ние микро¬ организма¬ ми аэробное Загрязнение Активный ил, Аэротенки, 90— 50 1, 7, 14 сточных вод биопленка, биофильт¬ 98 % воздух ры, отстой¬ ники анаэроб¬ Концентриро¬ Анаэробные Метантен- То же То же ное ванные сточ¬ микроорга¬ ки и др. ные воды, низмы осадки Таблица 4. Методы удаления из воды примесей четвертой группы Процесо Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расходы на 1000 м8 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м3 во¬ ды, р. Соответствующая глава учебника Разделение Обратный Общее соле- 5—10 кВт • ч Установки 90—99% 50— 1, 19 воды и ио¬ осмос содержание на 1 м? с полупро¬ 100 нов мембран¬ 3—35 г/л ницаемыми ными мето¬ мембрана¬ дами ми 11 5—239» 321
Продолжение табл. 4 Процесс Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расходы на 1000 м3 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов ' и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м3 во¬ ды, р Соответствующая глава учебника Перевод Подщела- Повышенная На 1 кг-экв Установки До необ¬ 3, 5, ионов в ма- чивание кислотность удаляемой для приго¬ ходимой 17, 18, лодиссоци- ированные соединения нейтрали¬ зация или под¬ кисление или щелоч¬ ность воды (6,5 < pH < О) кислотности или щелочно¬ сти один из реагентов СаО (28), Na2CO, (53), NaOH (40), H2S04 (49), НС1 (36,5), C02 (44) кг товления и дозирова¬ ния раство¬ ров реаген¬ тов, смеси¬ тели величи¬ ны 21, 22 образова¬ Стабилиза¬ Индекс насы¬ Один из реа¬ То же Предот¬ 1,5— 5, 17, ние комп¬ лексных ионов ция щения воды / > 0 гентов: гек¬ саметафосфат натрия, три- полифосфат натрия, три- натрийфос- фат (2—4 при / > 0,5, 10—20 при I > 0); гу- маты натрия (15 торфа и 0,7 едкого натра) враще¬ ние на- кипеоб- разова- ния и корро¬ зии 15,0 18, 22 образова¬ ние мало- раствори¬ мых солей Умягчение термиче¬ ское Жесткость с преоблада¬ нием Са (НС03)2, некарбонат¬ ная только в виде гипса; мутность 50 мл/л Термоумяг- чители (си¬ стемы Копь- ева и др.) Карбо¬ натная жест¬ кость до 0,035 мг-экв/л В зави¬ симос¬ ти от вида ис¬ пользу¬ емого топли¬ ва 1, 18 известко¬ Жесткость Na2C03 (53 кг Смесители, До 0,5— В зави¬ 1, 5, 7, во-содовое 5—30 мг- экв/л, мут¬ ность до 50 мг/л на 1 кг-экв некарбонат¬ ной жесткос¬ ти), СаО (28 кг на 1 кг-экв карбонатной жесткости) вихревые реакторы, установки типа «Струя», осветлите¬ ли и от¬ стойники специаль¬ ных конст¬ рукций 1,0 мг- экв/л симос¬ ти от исход¬ ной жест¬ кости 20— 120 8, 18 фосфатное После умяг¬ чения воды до 2 мг-экв/л Тринатрий- фосфат, ди- натрийфосфат (до 126,5 кг на 1 кг-экв удаляемой жесткости) То же До 0,04— 0,05 мг- экв/л То же 1, 5, 7, 8, 18, 22, 23 322
Продолжение табл. 4 Процесс Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расходы на 1000 м3 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м8 во¬ ды, р Соответствующая глава учебника образова¬ Удаление Содержание СаО (28), Установки До пре¬ Окупа¬ 1, 3, 7, ние мало- цветных и ионов метал¬ NaOH (40 кг для приго¬ делов ется 8, 21 раствори¬ тяжелых лов выше на 1 кг-экв товления и раство¬ возвра¬ мых гид¬ роксидов металлов, а также маг¬ ниевой жесткости норм, допусти¬ мых для сточных вод; умягчение воды, содер¬ жащей значи¬ тельное коли¬ чество маг¬ ния ионов) дозирова¬ ния рас¬ творов реа¬ гентов, смесители, отстойники или освет¬ лители, фильтр- прессы римости гидро¬ ксидов том цвет¬ ных ме¬ таллов Обескрем- нивание Повышенное для котловой воды содер¬ жание H2Si03 Каустический магнезит, магнезиаль¬ ный сорбент (10—15 кг на] 1 кг SiOa) Осветлите¬ ли, фильт¬ ры До 1,0— 1,5 0,5— 0,1 мг/л 1,8, 9, 20 Окисление Обезжеле- Fe (НС03)2 до 0,7 кг С12 на Брызгал fa- 0,1— 9, 11, металлов с низкими сте¬ пенями окис¬ ления с об¬ разованием гидроксидов зивание и удаление марганца аэрирова¬ ние или хлориро¬ вание 25 мг/л; ще¬ лочность до 2 мг-экв/л; окисляемость до 6 мг/л 02, повышенное содержание Мп 1 кг Fe (II) ные бассей¬ ны, градир¬ ни, кон¬ тактные ре¬ зервуары, осветли- тельные и контактные фильтры 0,3 мг/л Fe, 0,1— 0,2 мг/л Мп 14, 16, 17 Фиксация ионов на твердой фа¬ зе сорбентов окисление на ката- • лизаторах То же Фильтры с песчаной загрузкой, покрытой оксидами марганца или про¬ дуктами окисления железа (II) То же 9, 16 Н- Na-Ka- тионирова- ние Умягчение Жесткость до 15 мг-экв/л, взвеси до 5— 8 мг/л (при использова¬ нии непод¬ вижного слоя катионита) Сульфоуголь сорта «круп¬ ный», КУ-1, КУ-2, КБ-4; для регенера¬ ции исполь¬ зуется NaCl (120—400); H2S04 (72); НС1 (56 кг на 1 кг-экв солей удален¬ ной жесткос¬ ти) Катионито¬ вые фильт¬ ры, адсор¬ беры со взвешен¬ ным слоем катионита, установки для приго¬ товления и дозирова¬ ния регене¬ рационных растворов 0,01— [0,05 мг- экв/л В зави¬ симос¬ ти от исход¬ ной жест¬ кости 50— 200 1, 18 11* 323
Продолжение табл. 4 *•§ <i> а н о s« О <о я и ЬЗ s 5 «и гй |в| 2 u\o о О я я “ 0) ОХО Си X о X и <и са х « <и 2 2 я 3 0.2 с <и 2 . « R £ *5 53 о S* “5* ^ О к Оса . 3 и. « У о -г cj U3 2 « *=£ л си о 2 ш а> х >'S 2 т — ISi * >» 5 « О х я а 2 aS So Я JSO Sg-SL“ ! " 2 * d X ч X У Р ш О я н са з* 3 О Я 0.0 tt я- са Is о са U I- Извлечение Содержание То же, на 1 То же То же Окупа¬ 18, 19 ионов цвет¬ ионов метал¬ кг-экв удаля¬ ется 21 ных метал¬ лов выше емого металла возвра¬ лов норм для очи¬ щенных сточ¬ ных вод том цвет¬ ных ме¬ таллов Н-ОН-иони- Опреснение Общее соле- Катионито- Ионообмен¬ 75— В В зави¬ 17, 19 рование содержание вый сульфо- ные фильт¬ 90 о/о симос¬ 1,5—2 г/л, со¬ уголь, КУ-1, ры, дегаза¬ (до со- ти от держание КУ-2, КБ-4; торы, уста¬ лесодер- исход¬ взвеси до 8 для регенера¬ новки для жания ного со- мг/л, цвет¬ ции исполь¬ приготов¬ 20 мг/л) лесо- ность до 30 зуется H2S04 ления и до¬ держа- град (72); НС1 (56 кг на 1 кг- экв солей удаленной жесткости) зирования регенера¬ ционных растворов ния 300— 2500 Обессоли¬ То же Аниониты То же 99,5— 500— 3, 19 вание АН-2Ф, ЭДЭ- 10П, АВ-17, АВ-16; для ре¬ генерации используется NaOH (80); Na2S03 (90— 120); NaHC03 (140—170 кг на 1 кг-экв удаленных анионов) 99,9 % (до со- лесодер- жания 1—0,1 мг/л) 3000 Удаление Обесфтори- Содержание Al2 (S04)3 Фильтры, До норм, — 1, 15 ионов вание ионов фтора более 1,5 мг/л 40—50 кг на 1 кг фтора, для регенера¬ ции сорбента загружен¬ ные акти¬ вирован¬ ным А1203 установ¬ ленных стандар¬ том Сепарация Дистилля¬ Общее соле- Пар, топливо Испарите¬ 99,9 % В зави¬ 1, 19 ионов при ция содержание ли различ¬ (до со- симос¬ изменении 20—35 г/л ных типов, лесодер- ти от фазового со¬ термокомп¬ жания вида стояния во¬ рессорные 20—50 топли¬ ды агрегаты, мг/л) ва и перевод в гелиоопрес¬ схемы газообраз¬ нители, испа- | ное со¬ двухцеле¬ рителя стояние вые атом¬ ные уста¬ новки (400— 1000) перерасп¬ Экстракция Солесодержа- Вторичные и Экстракци¬ 95— Около 1, 19 ределение ние 2—10 г/л, третичные онные и 99 % 160— ионов в отсутствие амины (2—4) ректифика¬ 200 несмеши- солей каль¬ ционные вающихся ция и магния колонны жидкостях 324
Продолжение табл. 4 Процесо Рекомендуемый тех¬ нологический способ обработки воды Область применения по удаляемым заг¬ рязнениям Используемые реа¬ генты и их расходы на 1000 м3 воды, кг Очистные сооруже¬ ния Степень очистки Стоимость реагентов и электроэнергии, расходуемых на очистку 1000 м3 во¬ ды, р. Соответствующая глава учебника перевод Опреснение Солесодержа- Различные Установки 92— 300— То жз воды в твердую фазу выморажи¬ ванием ние до 35 г/л хладоагенты, естественный холод с использо¬ ванием ис¬ кусственно¬ го холода, площадки для вымора¬ живания 97 о/0 600 Г азогид- ратное опреснение То же Углеводы с числом ато¬ мов углерода 1—4, фреоны и др.; потери реагентов обу¬ словлены утечкой Г азогид- ратные ус¬ тановки, включаю¬ щие реак¬ тор, гидра- тообразова- тель и узел плавления гидратов До 99 % Около 130 19 Миграция ионов в элек¬ трическом поле Электр о ди¬ ализ Общее соле- содержание 1,5—7 г/л, мутность до 1,5 мг/л, со¬ держание же¬ леза до 0,05 мг/л Установки для элек¬ трохимиче¬ ского обес- соливания воды 500— 1000 мг/л В зави¬ симос¬ ти от исход¬ ного солесо- держа- ния 50 —200 расход элект¬ роэнер¬ гии 4— 20 кВтХ Хч на 1 м3 во¬ ды 19 Электрооб¬ работка Для частич¬ ного и глубо¬ кого обезже¬ лезивания воды 0,1—0,2 кг А1 на 1 кг Fe при частич¬ ном и 0,5 кг А1 на 1 кг Fe при полном обезжелези- вании воды Установка для элек¬ трохимиче¬ ской очист¬ ки воды 80— 90 % 4, 16 Электрохи¬ мическое обескрем¬ нивание Для предва¬ рительной подготовки воды перед ее обессолива- нием 0,25—0,50 кг А1 на 1 кг Si023~ 20 325
Приложение 11 Таблица 5. Характеристика реагентов и материалов, применяемых в технологии очистки воды Основное вещество Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или ТУ химическое обозначение содержание в марке или сорте, % Оптовая цена за 1 т, р. — к. Алюминия оксид активный оксид активный, осу¬ ГОСТ 8136—76 Марка А, сорт I Марка А, сорт II 830—00 800—00 шитель газов сульфат неочищен¬ ный сульфат технический ТУ 38-101190—80 Марка А, сорт I Марка А, сорт II 2200—00 2000—00 ТУ 113-08-531—83 А1203 Не менее 9,5 30—00 очищенный ГОСТ 12966—75 А1203 Не менее 17.0 (сорт высший) 16,3 (сорт I) 15.0 (сорт II) 79—00 73—00 63—00 фторид технический хлорид безводный ТУ 48-5-218—82 A1F3 Не менее 82.0 (сорт I) 78.0 (сорт II) 670—00 600—00 технический Аммиак водный технический ГОСТ 4452—66 AlCljj 99,0 (сорт I) 98,5 (сорт II) 360—00 340—00 для промышленности Аммония кремнефторид техни¬ ГОСТ 9—77 NH3 Не менее, марка А 25.0 (сорт высший) 25.0 (сорт I) 28—00 27—50 ческий ОСТ 6-08—2-75 (NH4)2SiF6 Не менее 92,0 (сорт I) 86,5 (сорт II) 220—00 190—00 роданид ГОСТ 19522—74 NH4CNS Не менее 93.0 (сорт I) 92.0 (сорт II) 750—00 710—00 сульфат очищенный Бария гидроксид техниче¬ ГОСТ 10873—73 N3 В пересчете на су¬ хое вещество Не менее 21 110—00 ский карбонат техниче¬ ский порошкообраз¬ ГОСТ 10848—79Е В a (OH)2 X X 8H20 Не менее 97.0 (сорт I) 95.0 (сорт II) 410—00 355—00 ный Водорода пероксид тех¬ ГОСТ 2149—75 BaC03 В пересчете на су¬ хое вещество Не менее 99,0 (сорт I) 97,5 (сорт II) 600—00 570—00 нический Гидразингидрат техниче¬ ГОСТ 177—77 ТУ 6-02-685—77 H2o2 Марка А 35.0—40,0 50 %-й раствор 50.0—52,0 475—00 680—00 ский Гидразинсульфат техни¬ ГОСТ 19503—74 n2h4 64,0—67,0 2500—00 ческий ТУ 6-02-930—74 n2h4h2so4 В пересчете на су¬ хое вещество Не менее 98,5 1400—00 326
Продолжение табл. 5 Реагент, материал Номер, ГОСТ, ОСТ или ТУ Основное вещество Оптовая цена за 1 т, р. — к химическое обозначение содержание в марке или сорте, % Гидроксиламина сульфат водный ТУ 6-03-406—76 h10ohn2s Не менее Марка А — 280 г/л 310—00 Марка Б — 140 г/л 300—00 Гравий для заполнения кон¬ тактных осветлителей ТУ 401-08-119—75 Фракция 2—5 мм 9—05 5—10 8—80 10—20 8—55 20—40 8—20 керамзитовый первой категории качества ГОСТ 9759—83 Фракция 5—10 мм, марка П-25 9—70 Фракция 10—20 мм, марка П-25 11—10 Фракция 20—40 мм. марка П-25 8—60 Ди хлорамин технический ГОСТ 24716—81 2020—00 ХБ (ДТХ-2) ТУ 6-01-398—76 52,0 1750—00 Железа сульфат (купорос железный техниче¬ ский) ГОСТ 6981—75 FeS04 Не менее 52,0 (сорт I) 30—00 47,0 (сорт II) 27—00 хлорид (водный раствор) ТУ 6-22-30—80 FeCl3 Не менее 40 (сорт I) 44—00 30 (сорт II) 33—00 хлорид шестиводный (кристаллогидрат) ТУ-6-01-1281—83 FeCl3 Не менее 56,0 (сорт I) 350—00 56,0 (сорт II) 330—00 хлорид технический ГОСТ 11159—76 FeCl3 Не менее 97,3 (сорт I) 153—00 95,0 (сорт II) 133—00 Известь белильная термо¬ стойкая ТУ-6-01 -589—76 Активный хлор не менее 35,0 (сорт высший) 5—00 32,0 (сорт I) 4—37 26,0 (сорт II) 4—23 20,0 (сорт III) 2—25 пушонка карбидная ТУ 6-02-936—74 CaO + В пересчете на су¬ + MgO хое вещество не менее 50 12—00 строительная воз¬ ГОСТ 9179—79 Сорт I 23—00 душная негашеная Сорт II 19—00 порошкообразная без добавок Сорт III 16—50 строительная воз¬ Сорт I 21—50 душная негашеная Сорт II 18—00 комовая Сорт III 15—70 хлорная ГОСТ 1692—58 Активный хлор не менее 35,0 (марка А) 175—00 35,0 (марка Б) 95—00 32,0 (марка В) 80—00 327
Продолжение табл. 5 Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или ТУ Оси химическое обозначение овное вещество содержание в марке или сорте, % Оптовая за 1 т, р цена — к. Ингибитор коррозии и накипе- образования ВНИТОЛ ТУ 38-101445—76 240- -00 коррозии марки «Донбасс» ТУ 14-6-180—80 480- -00 марки С—5 ТУ 14-6 УССР- 156—78 110- -00 летучий (нитрит ди- циклогексиламина (НДА)) ТУ 6-02-684—77 Не менее 96,0 (марка А) 4700- -00 68,0 (марка Б) 3200- -00 малорастворимый ТУ 6-02-834—78 МСДА-1 2000- -00 МСДА-1,5 %-й 1350- -00 раствор МСДА-2 2000- -00 МСДА-2,5 %-й 1350- -00 раствор малорастворимый ТУ 6-01-730—77 ПБ-5 700- -00 В пересчете на су¬ хое вещество Иониты ГОСТ 20301—74 аниониты АВ-16ГС 3850- -00 АВ-17-8 Высшей категории качества 3600- -00 Сорт I 3500- -00 АВ-17-8чс Высшей категории качества 7250- -00 Сорт I 7100- -00 АВ-29-12П 8000- -00 АН-1 1500- -00 АН-2ФН 1200- -00 АН-21 13 600- -00 АН-22-8 8400- -00 АН-31 2100- -00 АН-221 11 150- -00 ЭДЭ-10 П 2200- -00 амберлит ИРА-410 8000- -00 варион АД 8000- -00 дуолит А-101Д 3600- -00 дуолит А-102Д 8400- -00 катиониты КБ-2 ГОСТ 20298—74 В пересчете на су¬ 4450- -00 КБ-2-4 карбо¬ хое вещество ксильный 5000- -00 КБ-2-7П 6200- -00 КБ-2-10 П 6200- -00 КБ-4-10П 5800- -00 КБ-4 2600- -00 КБ-4П-2 карбо¬ ксильный 2650- -00 КУ-1 740- -00 К.У-2-8 Высшая категория 1550- -00 качества 1500- -00 КУ-23 Сорт I 3800- -00 КУ-2-8чс 3500- -00 КУ-2-8чСН ТУ 6-03-13-24—80 В Н-форме 4600- -00 КУ-2-20 8400- -00 328
Продолжение табл. 5 Основное вещество Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или Оптовая цена ТУ химическое обозначение содержание в марке или сорте, % за 1т, р.— к. сул ьфокатионит сил ьнокислотный марки КУ-2П ТУ 6-03-25-1—82 В пересчете на су¬ 1550—00 хое вещество сул ьфоу голь ГОСТ 5696—74 Крупный СК-1 239—00 225—00 204—00 183—00 (сорт I) Мелкий (сорт II) Крупный СК-2 (сорт II) Мелкий СК-2 (сорт II) Калия дихромат техниче¬ К2СГ2О7 ский ГОСТ 2652—78 Не менее 99.7 (сорт высший) 99.7 (сорт I) 325—00 310—00 гидроксид техниче¬ КОН ский жидкий ГОСТ 9285—78 Сумма едких щело¬ чей (NaOH + КОН) в пересчете на КОН не менее 54.0 (сорт высший) 52.0 (сорт I) 97—00 84—00 карбонат техниче¬ В пересчете на про¬ ский кальцинирован¬ каленное вещество ный (поташ) ГОСТ 10690—73 К2С03 не менее 98.0 (сорт I) 94.0 (сорт II) 92,5 (сорт III) 180—00 150—00 125—00 кремнефторид техни¬ K2SiFe ческий ТУ 6-08-320—80 В пересчете на су¬ хое вещество не менее 98,0 (сорт I) 96,5 (сорт II) 117—00 108—00 перманганат техниче¬ ский ГОСТ 5777—71 Не менее 99.0 (сорт I) 98.00 (сорт II) 1580—00 1550—00 фторид технический ТУ 95-183—73 2200—00 Кальция гидроксид ТУ 6-18-75—75 Са (ОН), Свободный СаО в пересчете на Са (ОН), не менее 96.0 (сорт I) 95.0 (сорт II) 91,5 (сорт III) 75—00 50—00 45—00 гипохлорит (кальций хлор новатистокис- лый) нейтральный ГОСТ 25263—82Е Марка А Активный хлор не менее 72.0 (сорт высший) 64.0 (сорт I) 52.0 (сорт II) 900—00 760—00 600—00 гипохлорит водораст¬ воримый (низкопро¬ центный) ТУ 6-01-1258—81 Активный хлор не менее 30.0 (сорт I) 24.0 (сорт II) 18.0 (сорт III) 200—00 110—00 45—00 329
Продолжение табл. 5 Основное вещество Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или ТУ химическое обозначение содержание в марке или сорте, % Оптовая цена за 1т, р. — к. гипохлорит санитар¬ но-технический фторид технический «НТ» ТУ 6-01-12-74—82 ТУ 95-297—79 CaF2 Активный хлор не менее 40,0 Не менее 400—00 хлорид технический ГОСТ 450—77 СаС12 98.5 (сорт высший) 97.5 (сорт 1) Не менее 5300—00 5000—00 Кислород газообразный и жидкий повышенной чистоты ТУ 6-21-8—78 о2 38.0 (сорт I) 35.0 (сорт II) газообразный, марка А не менее 13—30 11—90 жидкий газообразный техни¬ ческий ГОСТ 5583—78 о2 99,9 (сорт I) 99.8 (сорт II) 99.9 (сорт I) 99,8 (сорт II) 99,7 (сорт I) 0—13 за 1 м3 0—11 за 1 м3 115—00 70—00 0—44 Кислота адипиновая ГОСТ 10558—80 с6н10о4 99,5 (сорт II) 99,2 (сорт III) Не менее за 1 м3 0—40 за 1 м3 0—38 за 1 м3 ортофосфорная тех¬ ническая ГОСТ 10678—76 Н3Р04 99,7 (сорт высший) 99,6 (сорт I) Не менее 900—00 850—00 серная аккумулятор¬ ная ГОСТ 667—73 H2S04 73.0 (марка А) 73.0 (марка Б, сорт I) 73.0 (марка Б, сорт II) Не менее 92—94 343—00 299—00 292—00 (продукт с государ¬ ственным Знаком ка¬ чества) серная техническая башенная ГОСТ 2184—77 H2so4 сорт 1 сорт II Не менее 75,0 53—40 46—00 28—50 контактная техниче¬ ская улучшенная регенерированная олеум ГОСТ 2184—77 S03 сво¬ Не менее 92.5 (сорт I) 92.5 (сорт II) 92.5—94,0 (сорт высший) 92.5—94,0 (сорт I) Не менее 39—80 38—85 44—40 41—60 технический бодный 19,0 46—90 улучшенный высокопроцент¬ ный серная отработанная ингибированная ТУ 6-14-671—76 ТУ 6-02-954—79 S03 сво¬ бодный H2S04 h2so4 24.0 (сорт высший) 24.0 (сорт I) 65±1,5 114,62 .Не менее 44,0 56—90 52—00 112—30 4—40 330
Продолжение табл. 5 Основное вещество Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или Оптовая цена ТУ химическое обозначение содержание в марке или сорте, % за 1т, р.— к. соляная синтетиче¬ ГОСТ 857—78 НС1 Не менее ская техническая 35.0 (марка А) 33.0 (марка Б, сорт высший) 31,5 (марка Б, сорт I) 38—00 31—50 23—00 соляная техническая ТУ 6-ОМ 194—79 НС1 Не менее 27,5 20—00 соляная ингибиро¬ ТУ 6-01-714—77 НС1 22—23 (марка А) 23—00 ванная 20—22 (марка Б, сорт I) 20—22 (марка Б, сорт II) 12—00 10—00 уксусная синтети¬ ГОСТ 19814—74 СНзСООН Не менее ческая 99.5 (сорт высший) 99.5 (сорт I) 98.5 (сорт II) 80.5 (сорт III) 420—00 400—00 384—00 264—00 фосфорная экстрак¬ ТУ 6-08-342—76 н3Р04 В пересчете на Р205 ционная не менее 40 (подупаренная) 52 (упаренная) 81—00 118—00 фтористоводородная ТУ 6-08-397—77 HF Не менее 30 % -я техническая 30,0 (марка А) 400—00 30,0 (марка Б) 285—00 этилендиаминтетра- ТУ 6-01-393—75 QHleOsN2 В пересчете на су¬ уксусная техниче¬ хой продукт ская (с государствен¬ не менее 2700—00 ным Знаком качест¬ 98,0 ва) 95,0 2500—00 Лак бакелитовый ГОСТ 901—78 Массовая доля смо¬ лы ЛБС-2 60—75 470—00 ЛБС-4 50—60 480—00 ЛБС-180 40—45 675—00 ЛБС-1 50—60 (сорт выс¬ ший) 50—60 (сорт I) 450—00 435—00 Магния сульфат технический ТУ 6-18-153—82 MgS04 X Не менее X 7Н20 88.0 (марка Б, сорт I) 78.0 (марка Б, 28—00 ГОСТ 7759—73 сорт II) 20—00 хлорид технический MgCl2 X X 6Н20 Не менее 97 50—50 Меди сульфат (купорос медный) ГОСТ 19347—74 CuS04 X X 5Н20 Не менее 99.0 (марка А, сорт высший) 98.0 (марка А, сорт I) 415—00 400—00 Натрия алюминат сухой гра¬ нулированный ТУ 48-5-52—76 500—00 гидроксид ГОСТ 11078—78 NaOH Не менее 46.0 (сорт высший) 45.0 (сорт I) 43.0 (сорт II) 71—30 67—50 58—00 331
Продолжение табл. 5 Основное вещество Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или ТУ химическое обозначение содержание в марке или сорте, % Оптовая цена за 1 т, р.— к. гидроксид техниче¬ ский ГОСТ 2263—79 NaOH Не менее 42,0 (ртутный твер¬ дый марки РР) 98,5 (ртутный твер¬ дый марки ТР) 65—00 197—00 гипосульфид крис¬ ГОСТ 244—76 Na2S203 X Не менее таллический техни¬ X 5Н20 98,5 (сорт высший) 160—00 ческий 98,0 (сорт I) 155—00 гидрокарбонат ГОСТ 2156—76 NaHC03 В пересчете на су¬ хое вещество не менее 99,5 (сорт I) 99,0 (сорт II) 54—30 48—00 гидрофосфат двухза- ОСТ 6-25-21—80 Na2HP04 X Не менее мещенный техниче¬ X 12НгО 98,4 (сорт высший) 210—40 ский 98,2 (сорт I) 205—40 гипохлорит ТУ АрмССР 2432—81 Активный хлор не менее 90 г/л (марка А) 60 г/л (марка Б) 30—00 20—00 карбонат (сода тяжелая) ТУ 6-18-199—77 Na2C03 В прокаленном про¬ дукте в натуре 99,2/98,4 » 99,0/97,5 67—50 63—90 кремнефторид техниче¬ ГОСТ 87—77 Na2SiF6 Не менее ский 98.0 (сорт высший) 95.0 (сорт I) 196—00 162—00 нитрат (селитра натрие¬ В пересчете на су¬ вая) технический ГОСТ 828—77 NaN03 хое вещество не менее 99,8 (сорт высший) 99,5 (сорт I) 167—00 164—00 сульфат технический ГОСТ 6318—77 Na2S04 В пересчете на су¬ хое вещество не менее 99,4—99,1 98.0—97,0 97.0—93,1 94.0—87,4 40—00 37—00 33—00 29—00 сульфат технический ГОСТ 20434—75 Na2S04 X X 10H20 Не менее 96,0 18—00 сульфит безводный технический ГОСТ 5644—75 Na2SOo Не менее 93,0 223—00 хлорид технический очищенный ТУ 6-13-10—77 NaCl ' 98+1 4—10 фторид ГОСТ 2871—75 NaF не менее 97,0 (сорт I) 360—00 80,0 (сорт II) 225—00 Песок заполнитель водопро¬ ТУ 401-08-561—76 9—65 водных фильтроваль¬ ных сооружений кварцевый фракцио¬ ГОСТ 22551—71 ОВС-020-1 10—50 нированный для из¬ ПКФ-Ю 8—80 готовления фильтров ПКФ-2 9—60 водоочистных соору¬ ПКФ-0,63 9—90 жений и других це¬ лей Пиролюзит активирован¬ ный ТУ 6-22-19—78 570—00 Полиакриламид сухой ТУ 6-16-2531—81 Не менее 50 1112—50 332
Продолжение табл. 5 Основное вещество Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или ТУ химическое обозначение содержание в марке или сорте, % Оптовая цена за 1 т, р.— к Полиакриламид гель технический ТУ 6-01-1049—81 He менее т 7 (сорт высший) 119—00 известковый 7 (сорт I) 108—50 аммиачный 6 (сорт высший) 102—00 6 (сорт I) 93—00 5 (сорт II) 72—50 содовый ТУ 14-6-121—75 В пересчете на 100 % сухого ве¬ щества 1700—00 Серебра нитрат повышенной ТУ 48-1-700—76 AgN03 Не менее 99,8 133—00 чистоты промышлен¬ ного назначения Силикагель-индикатор ГОСТ 8984—75 1500—00 Смола эпоксидная марки УП-610 ТУ 6-05-1690—79 7450—00 Соль динатриевая этилен- Не менее диаминтетрауксусной ТУ 6-14-198—76 CioHuOg 98,0 (с государст¬ 2450—00 кислоты N2Na2 X венным Знаком ка¬ X 2Н20 чества) (трилон Б) техниче¬ ская 95,0 (сорт I) 2200—00 Спирт поливиниловый ГОСТ 10779—78 Сорт высший 6400—00 полностью омылен¬ ный ПВС 7/1 Сорт I 6000—00 Стекло натриевое жидкое ГОСТ 13078—67 NaaO X Модуль 2,65—3,00 52—40 X «Si02 Углерода оксид (IV) (газ угле¬ ГОСТ 8050—76 co2 Не менее кислый сжиженный) 99,8 (сорт высший) 90—00 пищевой 99,8 (сорт I) 80—00 Уголь активированный ГОСТ 23998—80 Марка А 750—00 АГ-2 Марка Б 750—00 АГ-3 ГОСТ 20464—75 660—00 АРД ТУ 6-16-2512—81 1445—00 древесный ГОСТ 6217—74 дробленый БАУ-А 1340—00 БАУ-Б 1260—00 БАУ-МФ 1360—00 ДАК 790—00 КАД-иодный ТУ 6-16-1917—74 485—00 КАД-молотый ТУ 6-16-2345—79 400—00 ОУ-А ГОСТ 4453—74 1010—00 ОУ-Б 1200—00 ОУ-В 620—00 ОУ-Г 580—00 рекуперационный ТУ 6-16-2489—81 Марка АРТ-1 1700—00 Марка АРТ-2 1700—00 скт ТУ 6-16-2477—81 860—00 CKT-2 ТУ 6-16-2725—84 Марка А 915—00 Марка Б 905—00 скт-з ТУ 6-16-2462—81 990—00 СКТ-4 ТУ 6-16-2352—79 1080—00 СКТ-6 ТУ 6-16-2333—79 Марка А 1205—00 Марка Б 1210—00 СКТ-10 ТУ 6-16-2266—78 710—00 У AM ТУ 6-16-2050—76 300—00 333
Продолжение табл. 5 Реагент, материал Номер ГОСТ, ОСТ или ТУ Ось химическое обозначение овное вещество содержание в марке или сорте, % Оптовая за 1 т, цена р. — к. Уротропин (гексаметилен- ГОСТ 1381—73 (СН2)6 N„ Суммарное содержа¬ тетраамин; ние аминов технический не менее 99,5 (м) 650- -00 98,0 (с) 350- -00 Флотореагент ВЖС ТУ 38-107103—76 380- -00 Формалин технический ГОСТ 1625—75 сн2о 37,0+0,5 Сорт высший 93- -00 Сорт 1( 90- -00 Хлор жидкий ГОСТ 6718—68 С12 Не менее 99,8 (сорт высший) 71- -00 99,6 (сорт I) 68- -00 Хлорамин Б технический ОСТ 6-01-76—79 Активный В пересчете на без¬ хлор водный продукт не хлорамина менее 30 (сорт высший) 580- -00 29 (сорт I) 530- -00 Цеолит синтетический NaA3M ТУ 38-103-125—77 1920- -00 СаА-5 ТУ 38-103-218—80 1570- -00 КА-ЗМ ТУ 38-103-100—77 1690- -00 NaA-2KX ТУ 38-101-468—76 2000- -00 Щебень аглопоритовый ГОСТ 11991—83 Фракция 5—10, первой категории качест¬ марка П-25 16- -20 ва Фракция 10—20, марка П-25 14- -80 Фракция 20—40, марка П-25 11- -50 Электронообменник ЭО-7 ТУ 6-05-1358—75 В пересчете на су¬ хое вещество 3250- -00 Электроноионообменник ТУ 6-05-50-92—77 В пересчете на су¬ ЭИ-21-50СН хое вещество 10 000- -00 ЗИ-21-75СН 13 650- -00 Примечание. Использованы прейскуранты № 05-01, 05-02, 05-11-45, 05-01-03, введенные в действие с 1 января 1982 г., и дополнения к ним, введенные в действие с 1 января 1985 г.
Список рекомендуемой литературы 1. Бабаев И. С. Безреагентные методы очист¬ ки высокомутных вод.— М. : Стройиздат, 1978.— 82 с. 2. Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулян¬ тами.— М. : Наука, 1977.— 356 с. 3. Басс Г. М., Белецкий Б. Ф., Владычен- ко Г. П. Строительство водопроводных очист¬ ных станций.— М. : Высш. шк., 1979.— 172 с. 4. Белан А. Е. Технология водоснабже¬ ния.— К. : Наук, думка, 1985,—264 с. 5. Блувштейн М. М. Повышение эффектив¬ ности работы очистных сооружений водопрово¬ да.—М. : Стройиздат, 1977.— 176 с. 6. Вейцер Ю. И., Минц Д. М. Высокомоле¬ кулярные флокулянты в процессах очистки при¬ родных и сточных вод.— М. : Стройиздат, 1984,—200 с. 7. Кульский Л. А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды.— К. : На¬ ук. думка, 1983.— 528 с. 8. Кульский Л. А., Накорчевская В. Ф. Хи¬ мия воды.— К. : Вища шк. Головное изд-во, 1983,—240 с. 9. Кургаев Е. Ф. Осветлители воды.— М. : Стройиздат, 1977.— 192 с. 10. Лукиных Н. А., Липман Б. Л., Криш- тул В. П. Методы доочистки сточных вод.— М. : Стройиздат, 1978.— 156 с. 11. Любарский В. М. Осадки природных вод и методы их обработки.— М. : Стройиздат, 1980,— 128 с. 12. Николадзе Г. И. Обезжелезивание при¬ родных и оборотных вод.— М. : Стройиздат, 1978.— 160 с. 13. Николадзе Г. И., Минц Д. М., Касталь¬ ский А. А Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения.— М. : Высш. шк., 1984.— 368 с. 14. Обработка воды обратным осмосом и ультрафильтрацией / А. А. Ясминов, А. К. Ор¬ лов, Ф. Н. Карелин, Я. Д. Рапопорт.— М. : Стройиздат, 1978.— 122 с. 15. Очистка вод атомных электростанций / Л. А. Кульский, Э. Б. Страхов, А. М. Волоши- нова, В. А. Близнякова.— К. : Наук, думка, 1979,— 207 с. 16. Очистка воды электрокоагуляцией / Л. А. Кульский, П. П. Строкач, В. А. Слипчен- ко и др.— К. : Буд1вельник, 1978.— 112 с. 17. Руденко Г. Г., Гороновский И. Т. Уда¬ ление примесей из природных вод на водопро¬ водных станциях.— К. : Буд1вельник, 1976,— 208 с. 18. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка во¬ ды.— Л. : Химия, 1982.— 168 с. 19. Справочник по свойствам, методам ана¬ лиза и очистке воды / Л. А. Кульский, И. М. Го¬ роновский, А. М. Когановский, М. А. Шевчен¬ ко.— К. : Наук, думка, 1980.— 1206 с. 20. Справочник монтажника. Оборудование водопроводно-канализационных сооружений / Под ред. А. С. Москвитина.— М. : Стройиздат, 1979.— 430 с. 21. Справочник по эксплуатации систем во¬ доснабжения, канализации и газоснабжения.— Л. : Стройиздат, 1981.— 272 с. 22. Справочник проектировщика. Водоснабже¬ ние населенных мест и промышленных предприя¬ тий / Под ред. И. А. Назарова.— М. : Стройиздат, 1977.— 288 с. 23. Станкявичюс В. Н. Обезжелезивание во¬ ды фильтрованием (основы теории и расчет уста¬ новок).— Вильнюс : Мокслас, 1978.— 120 с. 24. Строительные нормы и правила 2.04.02— 84. Водоснабжение. Наружные сети и сооруже¬ ния.— М. : Стройиздат, 1985.— 136 с. 25. Строительные нормы и правила: 1—2. Общие положения. Строительная терминоло¬ гия.— М. : Стройиздат, 1980.— 181 с. 26. Строкач П. П., Кульский Л. А. Прак¬ тикум по технологии очистки природных вод.— Минск : Вышэйш. шк., 1980.— 320 с.
Предметный указатель Агломерация 96 кристаллов 109 Аглопорит 118, 136 Агрегация 23, 86 Адгезия 23, 108, 115, 290 Адсорбер 191 двухъярусный 191 со взвешенным слоем угля 191 Адсорбция 22 коллоидов 61 на активированном угле 23 Азот 13 оксиды 166 растворимость в воде 13 соединения 17, 18 треххлористый 147 Акарициды 192 Акселатор 111 Активность 22, 77 анионов 270 катионов 245 Актиномицеты 14, 161 Алкиларилсульфонаты 140 Алкилсульфонаты 140 Альдегиды 182, 186 Алюминий гидроксид 73, 108, 139, 140, 218 — мицелла золя 55 — произведение растворимости 68 оксид активный 169, 279, 282 , 283, 285 оксихлорид 54, 63, 71 сульфат 30, 34, 36, 38, 54, 63 , 64 , 67, 72 , 86, 102, 137, 281, 285 — амфотерность 69 — неочищенный 63 — очищенный 64 хлорид 30, 54 Алюмосиликагель 247 Амилоза 66 Амилопектин 66 Амины алифатические 140, 148 Аммиак 17, 31, 47, 122, 146—148, 150, 161, 185, 203 Аммонизация воды 31, 161 постаммонизация 161 преаммонизация 161 Аммония сульфат 67, 185 Анализ бактериологический 310 катионитов 248 определение погрешности 15 реагентов 53 ситовой 117, 118 технологический 248 Анемометр 232 Анионирование 24 Аниониты 270, 279 микропористые 269 монофункциональные 270 полифункциональные 270 сильноосновные 270, 272 , 283 слабоосновные 270, 272, 283 технологические характеристики 270 функциональные группы 270 Анод(ы) активность 77 алюминиевые 218 железные 288 из платинированного титана 158 магнетитовые 158 растворение 75, 133, 145 серебряные 179 электрографитовые 158 Антибиотики 9 Антихлор 157 Антрацит 117, 259, 310 дробленый 118, 125, 132 Аппараты безотходного гашения извести 42 магнитной обработки воды 243, 245 — проектирование 245 — с внешними намагничивающими катуш¬ ками 244 — с послойной обработкой воды 244 — с постоянными магнитами 243 — с электромагнитами 243 Ареометр 262 Асбестоандезит 32 Аутогезия 115 Аэратор(ы) барботажные 183, 184 каскадные 184 пенные 184 разбрызгивающие 184 смешанного типа 184 со спиральным движением воды 183 Бак(и) активной кремниевой кислоты 38 жидкого стекла 38 — определение вместимости 39 известкового молока 41 коагулянта 32, 34, 35 — определение вместимости 37 поваренной соли 260 полиакриламида 40 с лопастной мешалкой 36 с пропеллерной мешалкой 36 сульфата алюминия 38 336
\ триполисульфата 297 хлорной извести 152, 153, 162 Баки-хранилища 259 Бактерии 9, 13, 18, 20, 148, 167, 284, 285 динитрифицирующие 13 коли 161 тионовые 230 хлоррезистентные 144 Бактериофаги 9 Балки 284 Баллон промежуточный 153 хлорный 153 Барий алюминат 238 гидроксид 238 карбонат 238 Бассейны брызгальные 295 Батометр 313 Бачок дозировочный 297 Бензосульфокислоты 286 Бентонит 138, 287 Бентос 18 Бериллий 287 Бокситы 63, 282 Боксы 53 Брандспойт 53 Бронза 157 Вакуум-фильтр Вантуз 132, 139 Весы торсионные 95 Вещества анионоактивные 140 взвешенные 13, 139 высокомолекулярные 22 гидрофобные 183 гуминовые 71—73 гумусовые 14 , 57, 58, 73 , 284, 286 катионоактивные 140 минеральные 9 неионогенные 140 отравляющие 6, 149, 150 органические 9, 14, 138, 139 поверхностно-активные 140, 182 радиоактивные 6, 18, 140 ядовитые 18, 33 Взвеси гранулометрический состав 94 монодисперсные 93 объемная масса 72 полидисперсные 93 Вибропитатель 49 Винипласт 129, 152, 155, 312 Вирусы 18, 23, 148, 284 Вода(ы) агрегация молекул 243 активная реакция (pH) 18 аммонизация см. Аммонизация воды атмосферные 8 аэрирование 32 — упрощенное 5 болотные 8 буферная емкость 10, 11 вкус 8, 16 водородный показатель 19 вспениваемость 15 высокоминерализованная 265 дегазация см. Дегазация воды дегельминтизация 284 дезактивация 140, 230, 285 дезинфекция 145, 150 дезодорация см. Дезодорация воды декарбонизация 280 денатурация 160 дистилляция 24, 263 доочистка 280 для заводнения нефтяных пластов 19, 21 — охлаждения 19, 20 — паросилового хозяйства 19, 20 — сельскохозяйственных целей 19, 20 — технологических целей промышлен¬ ности 19, 20 — хозяйственно-питьевых целей 19, 20 жесткость см. Жесткость воды. запах см. Запахи воды запасы 4, 8 известковая 80 иодирование 144 ионное произведение 60 кальциево-карбонатная 243 кристаллогидратная 57 купоросование 299 методы очистки 21 нейтрализация 261 обессоливание см. Обессоливание воды обесцвечивание см. Обесцвечивание воды обогащение запасов 289 озонирование 6, 162 опреснение см. Опреснение воды осветление см. Осветление воды окисляемость 8, 9, 18 очистка см. Очистка воды поверхностные 7, 8, 16 — открытых водоемов 7, 12 подземные 7, 16 — артезианские 7, 8, 10, 16 — верховодка 7 — грунтовые 7 — карстовые 7 — межпластовые 7 — трещинные 7 подкисление 297, 298 подщелачивание 293 показатели качества — бактериологические 18 — биологические 18 — физические 18 — химические 18 примеси см. Примеси воды природные 9, 15, 18 — гидрокарбонатные 15 — минерализованные 15 — пресные 15 — рассолы 15 — с морской соленостью 15 — сульфатные 15 — хлоридные 15 прозрачность 20 рекарбонизация 297, 298 самоочищение 9 стабилизация 293 стабильность 292 стандарты 19 степень минерализации 8, 12, 15, 20 сточные см. Сточные воды температура 7, 18, 20 углевание 30, 188 умягчение см. Умягчение воды 1 337
фосфатирование 297, 298 хлорирование см. Хлорирование воды хлорная 80, 139 хлоропоглощаемость 71, 72, 148, 160, 293, 299 цветение 14, 288 цветность 14, 18, 20 щелочность см. Щелочность воды электропроводимость 18, 272, 273 Водопотребление 4 Водорода пероксид 173, 178 Водоросли 12, 20, 71, 161, 295 диатомовые 119 сине-зеленые 12, 119 Водоснабжение оборотное 291, 295 хозяйственно-питьевое 300 Водохранилища 8, 140 искусственные 8 Воздействие бактерицидное 23 вирулицидное 23 Вымораживание 268 Выход по току 76 алюминия 75, 76 серебра 180 Вязкость динамическая 108 молярная 108 структурная 86 Газоанализатор 159 Газы 10 Галька 310 Гематит 217 Гетит 60, 127 Гербициды 192 Гидравлическая крупность 13 Гидратообразование 24 Гидроалюмосиликаты 57 Гидрозатвор 233 Гидрозоль 55 Гидрокарбонаты 86, 280 Гидроконвейер 123 Г идролиз железного купороса 60 коагулянтов 59, 61, 71 солей 58 сульфата алюминия 69 хлорида железа 60 Гидрослюда 286 Гидросфера 4 Гидроциклоны 42, 105 напорные 105 открытые 105 Гидроэлеватор 39, 98, 190 Гипс 16, 19 Гистерезис 178 Глауконит 286 Глина 63, 286 Глинозем 71 Гравий 118, 134, 259, 260, 262, 310 Гравитация 61, 86, 122 Градирни 295 башенные 295 вентиляторные 295 Графит 275, 277 Грибы 20 Гумус водный 73 почвенный 9, 14 торфяной 14 Давление 83, 278 осмотическое 276 пьезометрическое 83 Дегазаторы 252, 253, 255, 270, 272, 280 наладка 232 насадки 225 — керамические 226 — из колец Рашига 226 — кусковые 226 — хордовые 226 — шахматные 226 пуск 232, 233 Дегазация воды 183, 225 в дегазаторах — барботажных 225 двухсекционных 225 односекционных 225 — вакуумных 225 без подогрева 229 с подогревом — пенных 228 — струйно-пленочных 225, 227 гидразином 231 гидроксидом железа (III) 232 известкованием 230 кислородом 231 озоном 232 оксидом серы (IV) 230—232 перманганатом калия 232 сульфатом натрия 230, 231 фильтрованием 230, 231 Дезодорация воды 6, 181, 182, 186, 187, 284, 303, 311 аэрированием 184 в аэраторах 183 — барботажных 184 — каскадных 184 — смешанного типа 184 в пенном слое 184 — инка-аэратором 184 окислителями — комбинированным способом 187 —оксидом хлора 185 — перманганатом калия 185 — пероксидом водорода 185 — хлорированием с аммонизацией 185 — хлором 185 Делигнификация 295 Деполяризация 76 Десорберы 279 Десорбция 23, 279 Детергенты 22, 287 Дзета-потенциал 55, 71 Диаграмма Пурбе 207 Диаграммы треугольные 62 Диализат 274 Диаметр зерен песка эквивалентный 117, 118 Диатомит 117, 119, 138 Дивинилбензол 249 Динатрийфосфат 241 Дипропиламин 279 Диспергатор 40 Дифманометр 311, 313 Диффузия 34 Диффузор-осветлитель 107 Дихлорамины 146—148, 185 Диэлектрик 164, 274 338
Дозаторы автоматические 52 весовые 49 газов 49 ленточные 49 постоянного расхода 49 пропорционального расхода 49 суспензий 41, 49, 52 сухих реагентов 49 тарельчатые 49 шайбовые 51 шнековые 49 Дозы активированного угля 31 активной кремниевой кислоты 31 извести 59 коагулянта 30 реагентов — подщелачивающих 30 — хлорсодержащих 31 флокулянтов 143 Доломит 16 обожженный 279, 281 полуобожженный 281, 293 Дробилки 41 Емкость адсорбционная коллоидных частичек 54 катионов 61 Емкость обменная анионита 270, 272 — полная 270 — рабочая 272 катионита 246 — полная 246, 248—250, 254, 261 — рабочая 246, 248, 250, 254, 261 Емкость поглощения фильтра 246 Железо 74, 138 алюмосиликаты 247 гидрокарбонат 295 гидроксид 73, 139, 140, 218, 276, 295 — мицелла золя 55 — произведение растворимости 68 гуматы 217 коррозия 292 оксид 243, 279 соединения 18, 69 — гидролиз 69 сульфат 28, 30, 54, 64, 285 сульфид 211 удаление из воды 207 хлорид 34, 53, 64, 71, 285 — получение 64 Железобактерии 291 Жесткость воды 16 кальциевая 241 карбонатная 16, 20, 243, 251, 255 магниевая 65 некарбонатная 16, 17, 241, 285 общая 16, 241, 243, 249 Замутнители 70 Запахи воды 18, 20, 119 аптечный 15 болотный 15 гнилостный 15 землистый 15 камфорный 15 нефтепродуктов 15 рыбный 15 удаление 182 хлорфенольный 15,31,48, 146, 161,284 Зарастание труб 291 Защита коллоидная 57 протекторная 292 Зеркало испарения 264 Зоб эндемический 18 Золи гидрофильные 56 гидрофобные 56 Зольность антрацита 310 Зоопланктон 13, 29, 119, 120 Зрельник 249 Известегасилка 41 барабанная 42 бегунковая 42 лопастная 42 термомеханическая 42 фрезерная 42 Известняк 16, 118, 267 молотый 239 Известь 28 гашеная 160 комовая 41, 53 натронная 173 негашеная 53 пушонка 53 строительная 160 хлорная 53, 144, 145, 157, 162, 185 , 313 Излучение бактерицидное 6 ионизирующее 71, 72, 144, 284 ультрафиолетовое 144 Изолинии 63 Имины 148 Импеллер центробежный 142 Ингибиторы 292 Инка-аэратор 184 Инсектициды 192 Интегратор взвеси 95 Интенсивность промывки катионитовых фильтров 253 контактных осветлителей 135 контактных фильтров 136 крупнозернистых фильтров 124 скорых фильтров 128 — безнапорных 126, 128, 130 — напорных 132 — с двухслойной загрузкой 126 — фильтров АКХ 127 Инфильтрация 7, 290 гравитационная 289 напорная 290 Иод 18 Иодофоры 162 Ионаторы 179, 180 Иониты 201, 247, 269 хранение 33 Ионы 15, 16 гидратация 245 деформация 245 Ионы-депассиваторы 75 Ионы потенциалобразующие 54 Испарители 264—267 вакуумные 267 вертикальные 264 горизонтальные 264
с естественной циркуляцией 264 с искусственной циркуляцией 264 Кавитация ультразвуковая 177 Калий алюмосиликаты 247 иодид 173 перманганат 31, 161, 185, 217, 288 — место введения в воду 161, 217 — приготовление раствора 46 Кальций алюмосиликаты 247 гидроксид 145 гидрокарбонат 11 гипохлорит 145, 298 — гидролиз 147 — соединения 18 карбонат 10, 11 ортофосфат 297 растворимость в воде 16 силикат 280, 295 сульфат 16, 20 фосфат 241 хлорид 145, 250 Камеры хлопьеобразования 23, 27, 71, 85, 86, 88, 280, 302 вертикальные (вихревые) 88, 280, 302 — без слоя взвешенного осадка 90 — встроенные в вертикальные отстойники 90, 91 — встроенные в горизонтальные отстой¬ ники 91 — расчет 91 — со слоем взвешенного осадка 90 водоворотные 25, 87, 88, 103 — расчет 92 длительность пребывания воды 87 механические (флокуляторы) 92 — расчет 92 — с лопастными мешалками 92 примыкающие к отстойникам 86 с гидравлическим перемешиванием 87 с механическим перемешиванием 87 Карболит 106 Катионирование 24, 245 Катионитовые установки 258 наладка 261 пуск 261, 262 расход воды 258, 259 устройства вспомогательные 258, 259 хранение соли 258, 259 Катиониты коэффициент набухания 248 — неоднородности 248 минеральные 247 монофункциональные 248 обмен ионов 245 — интермицеллярный 246 — экстрамицеллярный 245 органические 247 пептизация 248 плотность насыпная 248 полифункциональные 248 прочность механическая 248 регенерация 247, 250, 251 свойства физические 248 сильнокислотные 248, 270 слабокислотные 248 стойкость термическая 248 структура молекулы 248 фракционный состав 248 характеристики технологические 249 эффект противоионный 251 Керамзит 117, 118, 133, 136, 310 Кетоны 182, 186 Кислород 230, 243 растворимость в воде 10 удаление из воды — оксидом серы (IV) 230, 231 — сульфитом натрия 230, 231 расчет дозы 231 — фильтрованием 230, 231 — электролизом 231 — электроноионообменными смолами 231 — электронообменными смолами 231 Кислоты азотная 122, 166, 286 акриловая 66 апокреновые (фульвокислоты) 14, 73 гуминовые 14, 58, 67, 73 гумусовые 183 диаминтетрауксусная 267 жирные 140 йодноватая 162 карбоновые 182, 183, 186 кремниевая 17, 57, 118, 119, 211, 221, 272, . 273, 279 — активная 5, 30 креновые 14, 73 малеиновая 146, 185 монокремниевая 39 муравьиная 73 нуклеиновая 186 ортофосфорная 206 серная 63, 67, 71, 140, 231, 232, 255, 260, 294, 297 сернистая 231 соляная 53, 140, 172, 213, 231, 232, 282, 294, 297 субкреновая 73 угольная 10, 185 — агрессивная 11 — полусвязанная 12 — равновесная 12 —свободная 11 — связанная 11 — формы 11 уксусная 73, 146 фосфористая 248 фосфорная 17, 248 хлорноватистая 147, 148 Клапан редукционный 153 Классификатор гидравлический 42 Клингерит 275 Коагулирование примесей воды 54 концентрированное 71 под током 72 пробное 29, 30 электрохимическое 72 Коагулянт алюможелезный смешанный 65 — получение 65 гидролиз 93 железосодержащий 64 — свойства 69 плотность растворов 63 получение 63 приготовление растворов 34, 35 растворимость 63 черный 70 340
Коагуляция интенсификация 68 контактная 74, 107, 112, 134, 135 концентрированная 47, 71, оптимальные условия 68 ортокинетическая 61, 70, 85 перикинетическая 70 примесей воды 54 частичек взаимная 57 Ковш 47 Коли-индекс 144, 175, 176, 290 Коли-титр 144 Коллоиды гидрофильные 58, 115 гидрофобные 58, 115 защитные 236 Колпачки пластмассовые 129 фарфоровые 129 Кольматация дренажа 221 загрузки 288, 289 Коммуникации обводные 302, 308 соединительные 308 Комплексообразование 23 Конвейер(ы) 49 ленточные 34 пневматические 34 скребковые 98 Конвекция 34 Конденсатор-плавитель 269 Константа гидролиза коагулянта 59 диссоциации — кремниевой кислоты 17 — сероводорода 13 — угольной кислоты 10 равновесия — гидроксида алюминия 60 — угольной кислоты 11 Концентратомер 260 Концентрация растворов массовая 63 объемно-массовая 63 электролитов — пороговая 56 Коррозия 291 бетона 12 оборудования 291 труб 12, 291 Коэффициент активности 22 неоднородности 117, 118 Крезолы 140 Кремний 17 гидроксид 67 дегидратация 67 полимеризация 67 Кривые выпадания взвеси 95 Крошка антрацитовая 126, 136, 312 асбестовая 117 доломитовая 261 керамическая 118 магнезитовая 261 мраморная 119, 239, 293 стеклянная 118 фарфоровая 118 Ксиленолы 140 Купорос железный 32, 36 медный 298 хлорированный 64 Лак бакелитовый 299 Лампы 174 аргоно-ртутные 174 бактерицидные 174 люминесцентные 174 ртутно-кварцевые 174 Латунь 120 Лен 120 Лигнин 295 Магнезит каустический 82 , 240, 281, 293 Магнетит 217, 275 Магний алюминат 281 алюмосиликаты 247 гидрокарбонат 234 — растворимость в воде 234 гидроксид 218, 267, 279, 295 — растворимость в воде 234 карбонат 20, 234 — растворимость в воде 16, 234 оксид 281 силикат 295 соединения 18 сульфат 20 — растворимость в воде 16 фосфат 241 хлорид 250, 282 Магномасса 117, 119, 293 Манометр электроконтактный 39 Марганец 74, 138 гидроксид 276 соединения 16 удаление из воды 222 — аэрированием с подщелачиванием 222, 224 —окислением 222 биохимическим 225 озоном 222, 224 оксидом хлора 222 хлором 222, 224 — перманганатом калия 223 длительность фильтроцикла 223 место ввода раствора 223 концентрация раствора 223 растворимость в воде 223 расход раствора 223 — — характеристика фильтров 223 — с использованием катализаторов 224 марганцевого катионита 224 пиролюзита 224 «черного песка» 224 — сульфатом железа с подщелачиванием 224 — фильтрованием через «черный песок» 224 Масла 138, 140 Масло купоросное 249 Масса контактная 239 Материал сеток 120 Машины вычислительные 303 Медь 120 оксид 279 ферроцианид 140 Мел 267 Мельница шаровая 42, 43 341
Мембраны ацетатные ультрафильтрационные 274 из полых волокон 277 рулонные 277 селективные 274 трубчатые 277 электропроводимость 274 Метаболизм 147 Метан 13 Метгемоглобинемия 17 Мешалки 40 лопастные 40 механические 40 пневматические 40 Микроорганизмы 9, 18, 138, 139 Микроэлементы 17 Молибден 287 Моллюски 295 Молоко известково-доломитовое 242 известковое 41, 59 , 71, 82, 141, 160, 207, 235, 261, 280 — приготовление суспензии 41 угольное 82 Монохлорамины 147, 148, 161, 185 Монтмориллонит 299 Мрамор 132 Мука диабазовая 35 древесная 117 Мультициклон 105, 106 Мутность водоемов 13 питьевой воды 14 рек 14 Мыла щелочные 140 Мышьяк 287, 290 Накипеобразование 266, 267 Накипеобразователи 243, 244, 266 Накипь силикатная 17, 279 Насосы винтовые 51 дозаторы 51 Натрий алюминаты 54, 63, 281 — получение 64 алюмосиликаты 247 гексаметафосфат 46, 292, 294, 297 — приготовление раствора 46 гидроксид 237, 279 гипосульфит 150 гипохлорит 6, 145, 147, 157 — гидролиз 147 дисульфит 150 кремнефторид 32, 35 оксид 279 силикат 37, 38 — активация 38, 67 сульфат 20 сульфит 150 тринатрийфосфат 297 триполифосфат 294, 297 хлорид 20 хлорит 145 хромат 292 Нейстон 18 Нефелины 63 Нефтепродукты 140, 182, 183, 288, 290 Нефть 14, 182, 183, 288 Ниобий 95, 140 Нитриты 17 Обеззараживание воды 144 вакуумированием 181 иодом 161 ионами серебра 179 — десеребрение 179 — ионаторы 179, 180 — механизм действия 179, 18! — расчет дозы 180 на автономных объектах 179 радиоактивным излучением 181 рентгеновским излучением 181 термическое 181 токами высокой частоты 181 ультразвуковыми волнами 177 — гипотезы i77 — интенсивность озвучивания 178 — источники излучения 177 — магнитострикционным методом 177 — продолжительность озвучивания 178 — пьезоэлектрическим методом 177 — расход электроэнергии 178 ультрафиолетовым излучением 173 ■— бактерицидные лампы 174 — виды аппаратов 174 —• типы установок 175 Обезжелезивание воды 114, 126, 207 аэрированием 208—210 — упрощенным 208, 209, 212 активность катализатора 213 влияние потенциала 207, 208, 214 зарядка загрузки фильтра 214 — — кинетика окисления железа 212 условия применения метода 211 формирование пленки 212—214 в брызгальных бассейнах 216 в вентиляторных градирнях 216 в контактных градирнях 216 в слое взвешенного осадка 208 в установках закрытого типа 215 — с барботажем 216 — с душевым разбрызгиванием 216 в фильтрах 214, 217, 220 — высокопроизводительных 214, 215 — каркасных — скорых безнапорных 214 — с плавающей загрузкой 220 выбор методов 209 двойным аэрированием 208 известкованием 219 катионированием 208, 220 коагулированием 210, 211 напорной флотацией 208, 218 окислением 208 — озоном 208, 221 — перманганатом калия 208, 210, 221 —хлором 208, 210, 221 основы процесса 211 «сухим» фильтрованием 208, 217 технологические исследования 209 фильтрованием в подземных услввиях 208, 218 — через «черный песок» 219 электрокоагуляцией 208, 218 Обескремнивание воды 207 анионитами 283 известью 280 342
магнезиальным методом 281 солями алюминия 281 солями железа 280 — расчет дозы извести 281 фильтрованием 282 фторидным методом 283 электрокоагуляцией 283 Обессоливание воды 6, 263 дистилляцией 263 замораживанием 268 ионным обменом 269 искусственным вымораживанием 268 Обесфторивание воды 193 активированным оксидом алюминия 200, 201, 207 активированным углем 204 анионитами 201, 204 гидроксидом алюминия 205 гидроксидом магния 204 гидроксилапатитом 203 магнийсиликатом 204 основным хлоридом алюминия 206 суперфосфатом 203 трикальцийфосфатом 203, 206, 207 Обесцвечивание воды 61, 72—74, 86 коагулированием 28 озоном 73 хлором 73 Обмен катионов интермицеллярный 246 экстрамицеллярный 245 Обработка воды внутрикотловая 267 для борьбы с накипеобразованием 396 магнитная 267 охлаждением 295 стабилизационная 295 ультразвуком 72 , 267 Обрастание(я) биологические 295 оборудования 295 труб 295 Озера 140 Озон 162, 173, 183, 288 диссоциация 163 доза для обеззараживания 164 механизм обеззараживания 163 получение 164, 168 принцип действия 163 разложение 168 рекуперация 168, 171 —173, 179 свойства 163 скорость разложения 163 смешение с водой 169—171 условия применения 163 условия электросинтеза 164 Озонаторы 164, 166—169 диэлектрики 164 конструкция 166 напряжение 164 охлаждение 165, 167—169 пластинчатые 166, 168 производительность 166, 167 расчет 172 трубчатые 166, 167 устройство разрядной трубки 167, 168 частота тока 165 электроды 164 Окисляемость перманганатная 31 Омагничивание воды 71, 72 , 242, 292 Опалесценция 69, 86 Опилки 138 Опреснение воды 6, 263 газогидратным методом 268 — гидратообразователями 269 ионным обменом 269 обратным осмосом 276 солнечное 267 ультрафильтрацией 276 экстракцией 279 электродиализом 273 Осадки атмосферные 7, 8 Осаждение взвесей 93 монодисперсных 93, 94 полидисперсных 93—96 стесненное 107 Осветление воды 61, 86, 114, 303 отстаиванием 93 тонкослойное 5, 102 Осветлители 109, 128, 134, 140, 282 , 302, 303, 310 контактные 5, 23, 25, 30, 74, 80, 118, 134— 136, 303, 310 моделирование 109 расчет 109, 112, 113 со слоем взвешенной контактной среды 107— 114 — без осадкоуплотнителя 109 — напорные 109 — с вертикальным осадкоуплотнителем 109 — с естественным отбором осадка 109 — с поддонным осадкоуплотнителем 109 — с принудительным отбором осадка 109 Осветлитель-рециркулятор 113 Осмос 276 Остаток сухой 15 Отложения примесей 291, 295 бугристые 291 донные 291 сплошные 291 Отстойники 23, 96—105, 302, 303, 310 вертикальные 25, 96, 99, 240 горизонтальные 25, 89, 96—98 многоярусные 101 моделирование 95 очистка 27, 104, 105 проектирование 95 радиальные 96, 100 расчет 98, 99, 109, 112, 113 спиральные 101 тонкослойные 101, 102 Очистка вод(ы) методы 21 от радиоактивных веществ 285, 286 — дистилляцией 286 — коагулированием 285 — комбинированным способом 287 —окислителями 221 перманганатом калия 221 озоном 221 хлором 221 — реагентным умягчением 287 — сорбцией 286 — фильтрованием 285 — флотацией 286 — электродиализом 286 от синтетических моющих средств 287 отстаиванием 285 от токсичных химических веществ 287 343
от фенолов 288 радиационная 284 Очистные сооружения дезинфекция 312 компоновка 27 Палочка кишечная 144 Палыгорскит 299 Пантосепт 146 Паронит 275 Пемза шлаковая 118 Пенополистирол 117, 290 Пеносниматель 142 Песок 117 гранулометрический состав 117, 118 кварцевый 117, 122, 124, 125, 132—134, 136, 259, 267, 285, 310 Пестициды 182, 292 удаление из воды 192 — акарицидов 193 — гербицидов 192 — инсектицидов 193 — фунгицидов 191 Пиролюзит 219 Питатели 49 Планктон 18, 26, 119, 285, 290 Платина 275 Плитки диабазовые 35 керамические 35 Плотномер 262 Плотность 76, 94 веществ 94 тока 76, 157, 284 Площадки иловые 221 Показатель осаждаемости взвеси 95 Поле 71 магнитное 71, 242, 243 напряженность 243, 244 электрическое 71 Полиакриламид 5, 30, 32, 67 аммиачный 67 гидролизованный 40 известковый 67 Поливинилхлорид 275 Полиизобутилен 32, 35 Полифенолы 182 Полиэтилен 152, 275, 276 Поляризация ионов 242 Полярность тока 76 Последовательность введения реагентов 46 аммонийсодержащих 47 дехлорирующих 47 коагулянтов 46 подщелачивающих 47 флокулянтов 47 фторсодержащих 47 хлорсодержащих 47 Постхлорирование 149 Потенциал 54, 55 анода 77 окислительно-восстановительный 72 термодинамический 54, 115 химический 115 электрокинетический 55 Потери напора 26 в измерительной аппаратуре 26 в соединительных коммуникациях 26 в сооружениях 26 Потеря массы при прокаливании 15 Пресипитатор 112 Привкус(ы) воды 16, 31, 119, 182, 284 Примеси воды 9 гетерофазные 54, 144 гомофазные 182 классификация 21—23 методы удаления 314 Прогноз расхода коагулянта 28 Произведение растворимости 22 Пропан 269 Простейшие 9, 18 Процессы ионные 23 Прочность механическая 124, 125 Пруды биологические 288 Пускатель реверсивный магнитный 52 Пьезометр 311 Равновесие 11 углекислотное 11, 12, 293 Радий-226 285 Радиобиология 181 Раствор известковый 41 — приготовление 41 ионная сила 22 молекулярный 22 Реактор 238 вихревой 238, 239 электрокоагулятор 78 Реакции 76 на аноде 75 на катоде 76, 140 Регулятор 137 давления 233 интенсивности промывки фильтров 137 уровня 233 Резерв щелочной 59 Резервуары 26 контактные 216, 302 чистой воды 25—27, 47, 310 Резистентность 148 Реки 8 минерализация 8 окисляемость 8 питание — поверхностное 8 — подземное 8 Рекуперация 168, 171, 179, 277 Реле времени 52 Рельеф местности 26 Ресурсы водные 4 Решетка колосниковая 35 Ротаметр 39 Ртуть 287 Ряд активности 270 анионов 77, 270 катионов 245 Сатуратор 43, 45, 280 двойного насыщения 43 одинарного насыщения 45 Свинец 287, 290 Связи 56 вандерваальсовские 56 водородные 56 комплексные 56 силоксановые 67 Седиментация 86, 95 Седиментометр 95 Селен 287 344
Сенсибилизация 57 Сепаратор 230 кристаллов 269 турбулизатор 276 Сепарация 24, 279 Сера коллоидная 211, 232 оксид 26 Серебро 178 Серобактерии 13 Сероводород 12, 182, 183, 211, 225 удаление из воды 231 — гидроксидом железа 232 — кислородом 231 — озоном 232 — оксидом хлора 232 — перманганатом калия 232 — хлором 232 Сетки барабанные 121, 303 Сидерит 217 Силикагель 169, 286 Силы 22 адгезионные 21 адсорбционные 22 гравитационные 21 межмолекулярные 22 молекулярные 139 химических связей 22 Системы 22, 26 гидрофильные 22 гидрофобные 22 коллоидные 9 напорные 26 самотечные 26 Сита молекулярные 169 Склады 27, 31, 53, 301 активированного угля 32, 33 аммиака 33 жидкого стекла 32, 33 ионитов 33 кальцинированной соды 32 кислот 33 коагулянтов 31 кремнефторида натрия 32 негашеной извести 41 перманганата калия 32, 33 поваренной соли 32, 33 полиакриламида 32, 33 хлора 33, 158, 159 хлорной извести 33 Скруббер 280 Слой 55, 107 двойной электрический 54, 55, 58, 61 диффузный 55 псевдоожиженный 107 Смесители 23, 25, 27, 47, 80—85 вихревые 80, 82 гидравлические 80 дырчатые 80 коридорные 81, 82 механические 80, 84 — с лопастными мешалками 80 — с пропеллерными мешалками 80 перегородчатые 80—82 струйные 39 шайбовые 80 Смесь озоно-воздушная 169 смешение с водой 169 — барботированием 169 — в контактных бассейнах 169, 171 — диффузорами 169 — инжекцией 169, 171 — системой Торичелли 170 — эмульсированием 169—172 Смола 245 ионообменная 274 эпоксидная 277 Сода кальцинированная 32, 59, 236—238, 272 приготовление раствора 46 расчет дозы 59 Соединения высокомолекулярные 23 Солемер 267, 278 Солерастворитель 259, 262 Соль поваренная 157 Состояние изоэлектрическое 56 Спектр волновой 177 Спецодежда 53 Спирты 14, 72, 182, 183 терпеновые 140 Среда дисперсионная 54 Стали 120 легированные 120 нержавеющие 120, 129 низкоуглеродистые 120 среднеуглеродистые 120 Станции водоподготовки 303 автоматизация 304 ввод в эксплуатацию 308 гидравлические испытания 309 дезинфекция 310 зоны санитарной охраны 24, 306, 310 лабораторно-производственный контроль 311 место расположения 300 окончательный пуск 312 подготовка к наладке 311 помещения подсобно-вспомогательные 311 прием в эксплуатацию 311 пробный пуск 308, 311 сдача в эксплуатацию 311 с двухступенчатой схемой 303 с одноступенчатой схемой 303 сооружения второго подъема 303 с трехступенчатой схемой 303 схемы — высотные 25, 26, 302 —технологические 21, 24 телемеханизация 306 телесигнализация 306 телеуправление 306 техническая готовность 309 технологический контроль 304 типовые проекты 305 типизация конструкций 304 устранение дефектов 309 устранение недоделок 309 насосные 25, 27 — второго подъема 25, 27, 47 — первого подъема 25, 27, 47, 48, 83 Стекло 32, 174 жидкое 32, 35, 39, 67, 247, 292 кварцевое 174 пористое 277 увиолевое 174 Стеклопластик 277 Стеклоткани 120 Степень набухания катионита 248 Стирол 249 Сточные воды очистка 204, 221, 261, 285 Стронций-90 140 345
Структура коагулянта сверхмицеллярная 67 Сульфанол 267 Сульфоуголь 219, 249, 269 Суспензия угольная 28 Тара гуммированная 65 Термокомпрессоры 264—266 адиабатные 265, 266 водотрубные 265 кипящие 265 пленочные 265, 266 Термосилицид 155, 157 Техника безопасности 52, 312, 313 Титан платинированный 275 Ткани 117 Торий-232 285 Торф 285 Точка изоэлектрическая 56 гидроксида железа (III) 60 перелома 148, 150 Тринатрийфосфат 297 Триэтиламин 279 Тягомер 232 Углеводороды 140 Углеводы 14 Углерод 10, 230 оксид 10 растворимость в воде 10 удаление из воды 230 Угли бурые 247 гумусовые 247 Уголь активированный 28, 31, 32, 53, 126,285—288 гранулированный 26 приготовление пульпы 45 Ультразвук 71, 144, 147 Умягчение воды методы 65, 111, 114, 126, 233 — бариевый 238 — водород-натрий-катионитовый 253 — выбор метода 233 — известкования 65, 235 глубина умягчения 236 расчет дозы извести 236 с коагуляцией 236 условия применения метода 235 — известково-доломитовый 241, 242 — известково-содовый 236 глубина умягчения 236, 237 расчет дозы извести 236 расчет дозы коагулянта 237 расчет количества взвеси 237 — известково-содовый с фосфатным до- умягчением 241 — нагревания 234, 235 в термоумягчителе 235 — натрий-катионитовый 245, 249, 255 — оксалатный — противоточного катионирования 251 — содо-натровый 237 условия применения 238 — содо-регенеративный 238 — термохимический 240 расчет дозы извести 242 — — расчет дозы соды 242 — фосфатный 241 Уран-238 285 Устойчивость коллоидных частичек 54, 86 Устройство сводообрушающее 49 Фильтрование воды 114 в порах 114 пленочное 114 Фильтр-пресс 274 Фильтры 114, 117 акустические сетчатые 121, 122 — регенерация 121 — скорость фильтрования 122 АКХ 127 — промывка 127 — скорость фильтрования 127 — фильтроцикл 127 анионитовые 269, 270 — взрыхление — объем 272 — отмывка 272 — площадь 270 — регенерация 272, 273 — скорость фильтрования 272 антрацитовые 118, 242, 280 барьерные 253, 272 водород-катионитовые 270, 272 — объем 254 — отмывка 255 — площадь 255 — регенерация 255 — скорость фильтрования 250 время защитного действия загрузки 119 высокопроизводительные 5, 215 — грязеемкость 214 — промывка 215 — скорость фильтрования 214 — фильтроцикл 214 грязеемкость 119, 123, 124, 126, 127 двухпоточные 118, 119, 125 — скорость фильтрования 126 — фильтроцикл 126 двухслойные 126 загрузка — гранулометрический состав 310 — механическая прочность 310 — плотность 310 — химическая стойкость 310 зернистые 117 каркасные 217 — промывка 217 — фильтроцикл 217 катионитовые 269, 302 кварцевые 260, 302 контактные 23, 134, 135 — промывка 136 — скорость фильтрования 136 крупнозернистые 124 — промывка 124 — расчет 124 — скорость фильтрования 124 — фильтроцикл 125 медленные 25, 114, 117, 122—124 — промывка 123 —скорость фильтрования 117, 123 мелкозернистые 117 микрофильтры 119^-121, 288, 303, 305 — промывка 121 — скорость фильтрования 121 многопоточные 119 многослойные 117 моделирование 116 намывные 117, 137 — промывка 138 — фильтроцикл 138 346
напорные скорые 119 — промывка 132 151 —скорость фильтрования 131, 132 напорные «сухой» фильтрации 217 — грязеемкость 217 — фильтроцикл 217 натрий-катионитовые 242, 254, 280 — взрыхление 250, 255, 258, 261 — конструкции 257 — объем 249 — отмывка 250, 251, 253, 255, 256, 258, 261, 262 — площадь 250 — противоионный эффект 251 — регенерация 249, 250, 255, 256, 258, 261, 262 — скорость фильтрования 250 — фильтроцикл 262 натрий-хлор-ионитовые 256, 257 — объем 257 — отмывка 257 — регенерация 256, 257 обесфторивающие 202, 204 — промывка 203, 204 — скорость фильтрования 201 — фильтроцикл 202, 204 однопоточные 119, 125 однослойные 117 песчаные 118 предварительные 124 — промывка 124 — скорость фильтрования 124 русские 5 самопромывающиеся 136 — промывка 137 сверхскоростные 117 — промывка 131, 132 — скорость фильтрования 132 — фильтроцикл 132 сетчатые 117 скорые безнапорные 5, 25, 114, 117, 118, 125 — грязеемкость 130 — промывка 126, 128—130, 214, 216, 217 —скорость фильтрования 117 — фильтроцикл 125 смешанного действия 272, 273, 278 с плавающей загрузкой 220 — промывка 221 — скорость фильтрования 220 — фильтроцикл 221 среднезернистые 117 с эрлифтом 137 — промывка 137 тканевые 117 угольные 26, 188 цедильники 300 электролизеры 133 — промывка Флотатор 218 Флотация 23, 139—143, 286, 288 наладка установок 143 Флюороз Фольга металлическая 277 Фосфора соединения 17 Фотосинтез 10 Фреон-31 269 Фреон-40 269 Фтор 17, 193, 194, 303 Фторирование воды 193 кремнефторидом аммония 196 кремнефторидом натрия 195 кремнефтористоводородной кислотой 196 фторид-дифторидом аммония 196 фторидом натрия 195 фтористоводородной кислотой 195 Фульвокислоты 284 Футеровка 105 Фунгициды 192 Фитопланктон 13, 14, 29, 119, 120, 126 Флокулянты 66, 117 активная кремнекислота 37, 67 катионные 5, 23, 66 неорганические 66 органические 39, 66 полиакриламид 66 природные 66 синтетические 66 Флокуляция 86 Флора 7, 221 Хинон 73, 146, 185 Хлопок 120 Хлопьеобразование 61, 71, 93, 143, 303 Хлор 145, 158, 269, 288, 298, 303, 313 активный 65, 145, 146, 151, 162, 299, 310 газообразный 144, 145 гидрат 145 жидкий 145 константа — гидролиза 146 — диссоциации 147 остаточный 148, 149, 310 свободный 147, 148, 161 связанный 147, 148 соединения 145 хранение 158 Хлорамины 31, 145, 160 ароматические 146 жирного ряда 146 неорганические 146 органические 146 Хлораторная 25, 27 Хлораторы 151 вакуумные 151, 153, 154 напорные 151 переносные 151 стационарные 151 Хлорин 120 Хлорирование воды 26, 73, 145 вторичное 26, 293 двойное 150 дехлорирование 26, 126, 150, 185 комбинированное 149 нормальное 149 первичное 26 перехлорирование 149, 185 постхлорирование 149 пробное 150 с аммонизацией 31, 146, 160, 185 с манганированием 161 хлорной известью 151 хлором 146, 149 Хлоропотребность воды 149 Хлорфенол 185, 284 Хозяйство реагентное 27, 41 Хранение реагентов 27 в виде растворов 27 в сухом виде 27 Хром алюмосиликаты 247 347
Цезий-134 140 Целлюлоза 138, 286 Цемент 12 коррозия 12 твердение 12 Цеолиты 286 Цинк 287 кремнефторид 299 Частички 13, 14 гидравлическая крупность 13, 14 дисперсность 61 изоэлектрическое состояние 54 подвижность Число микробное 144 Рейнольдса 94 Чугун 157 Шерсть 120 Шлак доменный 118 Шлакоситалл 105 Шунгизит 220 Щебень 118, 242, 254, 260, 310 Щелочность воды 11, 18, 294 гидрокарбонатная 11 гидратная 11, 237, 241 карбонатная 11 общая 11 Эвапорация 23 Эжектор 78, 260 Экстракция 23 Элементы радиоактивные 18 Электродвигатель реверсивный 49 Электродиализаторы 274, 275 Электроды 143 алюминиевые 72, 133 из нержавеющей стали 133 нерастворимые 143 пассивация 76, 79 растворимые 143 серебряные 179 фторселективные 200 Электролиз 75 Электрокоагуляция 75, 76, 143, 218 Электролизеры 77—79, 133 Электрофильтр 79 Электрофлотация 76, 143 Электрофорез 76 Эксплуатация 85 барабанных сеток 121 дегазаторов 232 камер хлопьеобразования 93 оборудования реагентного хозяйств* 52 смесителей 85 станций — обезжелезивания 222 — хлораторных 162 установок — бактерицидных 175, 176 — обескремнивающих 282 — обесфторивающих 207 — опреснения воды 203 — сорбционных 192 — флотационных 143 — электродиализных 276 фильтров — медленных 123 — микро- 121 — натрий-катионитовых 247, 261, 262 Энзимы 147 Эптам 187 Этилмеркурфосфат 298 Эфиры 14 Эффект противоионный 251 противонакипный 243 Ядохимикаты 6, 192, 193 методы удаления 193 Ямы-накопители 53
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие 3 Введение 4 Раздел I. Характеристика примесей воды Глава 1. Показатели и требования к каче¬ ству природных вод 7 1.1. Характеристика источников водо¬ снабжения 7 1.2. Состав примесей природных вод . . 9 1.3. Требования к качеству природных вод и их классификация 18 Глава 2. Методы и технологические схе¬ мы улучшения качества природ¬ ных вод . . 21 2.1. Выбор методов очистки воды на ос¬ нове классификации примесей по фазово-дисперсному состоянию 21 2.2. Методы обработки воды и очистные сооружения, рекомендуемые на ос¬ нове классификации 23 2.3. Технологические схемы, применяе¬ мые при обработке воды, и принци¬ пы их компоновки 24 и методов их удаления Глава 3. Реагентное хозяйство 27 3.1. Компоновка реагентного хозяйства 27 3.2. Прогноз расхода коагулянта ... 28 3.3. Расчетные дозы реагентов 29 3.4. Склады для хранения реагентов 31 3.5. Приготовление растворов коагулян¬ тов 34 3.6. Приготовление растворов флокулян¬ тов 37 3.7. Приготовление известкового молока и известкового раствора 41 3.8. Приготовление растворов фторсо¬ держащих реагентов 45 3.9. Приготовление пульпы активиро¬ ванного угля 45 3.10. Приготовление растворов соды, гек¬ саметафосфата натрия и перманга¬ ната калия 46 3.11. Последовательность введения реа¬ гентов 46 3.12. Дозирование реагентов 49 3.13. Техника безопасности при работе с реагентами и эксплуатация обо¬ рудования реагентного хозяйства 52 Раздел II. Удаление гетерофазных примесей воды Глава 4. Коагулирование примесей воды 54 5.6. Механические смесители 84 4.1. 5.7. Эксплуатация смесителей 85 Физико-химические основы процес¬ 54 4.2. са коагуляции Коагулянты, их получение и свойст¬ Глава 6. Камеры хлопьеобразования . . 85 ва 63 6.1. Хлопьеобразование 85 4.3. Получение и свойства флокулянтов 66 6.2. Камеры хлопьеобразования водово¬ 4.4. Оптимальные условия и интенсифи¬ 68 ротного типа, встроенные в верти¬ кация процесса коагуляции .... кальные отстойники 88 4.5. Применение окислителей для обес¬ 72 6.3. Перегородчатые камеры хлопьеобра¬ цвечивания воды зования 88 4.6. Контактная коагуляция 74 6.4. Вертикальные камеры хлопьеобра¬ 90 4.7. Электрохимическая коагуляция . . 75 зования 6.5. Механические камеры хлопьеобра¬ Глава 5. Смешение реагентов с водой . . . 80 зования 92 5.1. Технология смешения реагентов с 80 6.6. Эксплуатация камер хлопьеобразо¬ вания 93 водой 5.2. 5.3. Дырчатые смесители Перегородчатые и коридорные сме¬ 80 Глава 7. Осаждение примесей воды . . . 93 сители . . . . 81 7.1. Теоретические основы процесса осаж- 93 5.4. Вихревые смесители Tf2 5.5. Смешение реагентов в трубопроводе 83 7.2. Горизонтальные отстойники . . . 96 349
7.3. Вертикальные отстойники .... 99 7.4. Радиальные отстойники 100 7.5. Спиральные, многоярусные и тонко¬ слойные типы отстойников .... 101 7.6. Эксплуатация отстойников .... 104 7.7. Осветление воды в гидро- и мульти¬ циклонах 105 Глава 8. Осветление воды во взвешенной контактной среде 107 8.1. Принципы работы осветлителей . . 107 8.2. Свойства взвешенной контактной среды 108 8.3. Конструкции и расчет осветлителей 109 8.4. Эксплуатация осветлителей .... 113 Глава 9. Осветление воды фильтрованием 114 9.1. Теоретические основы очистки во¬ ды фильтрованием через зернистые материалы 114 9.2. Классификация фильтров, фильт¬ рующие материалы 117 9.3. Фильтрование воды через сетки и ткани 119 9.4. Акустические сетчатые фильтры 121 9.5. Медленные фильтры 122 9.6. Предварительные фильтры . . . 124 9.7. Крупнозернистые фильтры ... 124 9.8. Скорые безнапорные фильтры 125 9.9. Скорые фильтры с однослойной за¬ грузкой 125 9.10. Скорые фильтры с двухслойной за¬ грузкой 126 9.11. Фильтры АКХ 126 9.12. Промывка скорых безнапорных фильтров 128 9.13. Скорые напорные фильтры . . . 130 9.14. Сверхскорые напорные фильтры 132 9.15. Фильтры-электролизеры 133 9.16. Контактные осветлители и фильт¬ ры 134 9.17. Самопромывагощиеся фильтры . . 136 9.18. Намывные фильтры 137 9.19. Эксплуатация фильтров 138 Глава 10. Удаление примесей из воды ме¬ тодом флотации 139 10.1. Теоретические основы и классифи¬ кация методов флотации 139 10.2. Флотационные установки .... 140 10.3. Пуск, наладка и эксплуатация флотационных установок .... 143 Раздел III. Удаление из воды гетерофазных примесей биологического проис¬ хождения Глава 11. Хлорирование и иодирование во- ды 144 11.1. Контроль процесса и методы обез¬ 144 зараживания воды 11.2. Хлорирование воды. Общие све¬ дения 144 11.3. Хлор и его соединения 145 11.4. Химизм процесса хлорирования воды 146 11.5. Классификация методов хлориро¬ 149 вания воды 11.6. Типы установок для хлорирования воды 151 11.7. Установки для хлорирования воды 151 хлорной известью 11.8. Хлораторы 153 11.9. Электролитические установки 157 11.10. Хранение хлора 158 11.11. Комбинированные методы обезза¬ 160 раживания воды 11.12. Обеззараживание воды иодом . . 161 11.13. Эксплуатация хлораторных стан- ций 162 Глава 12. Озонирование воды 162 12.1. Общие сведения 162 12.2. Условия электросинтеза озона 164 12.3. Конструкции озонаторов .... 166 12.4. Технологические схемы озонирова¬ ния воды 168 12.5. Смешение озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой 169 12.6. Эксплуатация озонаторных устано¬ вок 172 Глава 13. Другие методы обеззараживания воды 173 13.1. Обеззараживание воды ультрафио¬ летовыми (УФ) лучами 173 13.2. Обеззараживание воды ультразву¬ ком 177 13.3. Методы обеззараживания воды для небольших автономных объектов 179 Раздел IV. Регулирование состава гомофазных примесей воды Глава 14. Устранение запахов, привкусов Глава 15. Фторирование и обесфторивание и токсических микрозагрязнений воды 193 воды ^ 15.1. Условия, определяющие необходи- 14.1. Общие сведения 182 мость фторирования воды .... 193 14.2. Аэрирование воды 183 15.2. Гигиенические нормативы содержа- 14.3. Обработка воды окислителями . . 185 ния фторид-ионов в хозяйственно¬ му. Адсорбционные методы дезодорации питьевой воде 194 воды 187 15.3. Технология фторирования воды 195 14.5. Эксплуатация установок сорбцион- 15.4. Технологические схемы, эксплуата- ной очистки воды 192 ция и контроль работы фторатор- 14.6. Удаление из воды пестицидов 192 ных установок 197 350
15.5. Классификация методов обесфтори¬ вания воды и их санитарно-гигие¬ ническая оценка 200 15.6. Ионообменные методы обесфторива¬ ния воды 201 15.7. Сорбционные методы обесфторива¬ ния воды 204 15.8. Эксплуатация обесфторивающих установок 207 Глава 16. Удаление из воды железа и мар¬ ганца 207 16.1. Примеси железа в природных водах 207 16.2. Методы обезжелезивания воды 208 16.3. Технологические исследования по обезжелезиванию воды 209 16.4. Физико-химические основы процес¬ са обезжелезивания подземных вод 211 16.5. Установки для обезжелезивания подземных вод 214 16.6. Обезжелезивание поверхностных вод 221 16.7. Эксплуатация станций обезжелези¬ вания воды 222 16.8. Удаление из воды марганца . . . 222 Глава 17. Удаление из воды растворенных газов (дегазация воды) .... 225 17.1. Общие сведения 225 17.2. Физические методы дегазации воды 225 17.3. Химические методы дегазации воды 230 17.4. Пуск, наладка и эксплуатация де¬ газаторов 232 Глава 18. Умягчение воды 233 18.1. Выбор метода умягчения воды 233 18.2. Термический метод умягчения во¬ ды 234 18.3. Реагентные методы умягчения во¬ ды 235 18.4. Технологические схемы и конст¬ руктивные особенности установок для реагентного умягчения воды 238 18.5. Термохимический метод умягчения воды 240 18.6. Магнитная обработка воды 242 18.7. Основы процесса умягчения воды катионированием 245 18.8. Катиониты и их свойства .... 247 18.9. Натрий-катионитовый метод умяг¬ чения воды 249 18.10. Водород-натрий-катионитовый ме¬ тод умягчения воды 253 18.11. Натрий-хлор-ионитовый метод умягчения воды 256 18.12. Конструкция катионитовых фильт¬ ров и защита их, аппаратуры и коммуникаций от коррозии . . . 257 18.13. Вспомогательные устройства и рас¬ ход воды на собственные нужды катионитовых водоумягчительных установок 258 18.14. Пуск, наладка и эксплуатация ка¬ тионитовых водоумягчительных ус¬ тановок 261 Г лава 19. Обессоливание и опреснение во¬ ды 263 19.1. Методы обессоливания и опресне¬ ния воды 263 19.2. Обессоливание и опреснение воды дистилляцией. Эксплуатация уста¬ новок 263 19.3. Газогидратный метод опреснения воды 268 19.4. Ионообменный метод опреснения и обессоливания воды 269 19.5. Опреснение воды электродиализом 273 19.6. Опреснение воды обратным осмосом 276 19.7. Опреснение воды экстракцией . . 278 Г лава 20. Обескремнивание воды .... 279 20.1. Общие сведения 279 20.2. Реагентные методы обескремнива¬ ния воды 280 20.3. Обескремнивание воды фильтрова¬ нием через активированные загруз¬ ки 282 20.4. Обескремнивание воды анионитами 283 20.5. Обескремнивание воды электрокоа¬ гуляцией 283 Глава 21. Специальные методы очистки во¬ ды 284 21.1. Радиационная очистка воды . . . 284 21.2. Очистка воды от радиоактивных ве¬ ществ 285 21.3. Очистка воды от синтетических мо¬ ющих средств 287 21.4. Удаление из воды токсичных хими¬ ческих веществ 287 21.5. Доочистка сточных вод 288 21.6. Подготовка воды для искусствен¬ ного обогащения запасов подземных вод 289 Раздел V. Обработка воды при оборотном водоснабжении. Компоновка, пуск и наладка очистных сооруже ний Глава 22. Обработка воды для борьбы с за¬ растаниями и коррозией труб и оборудования систем водоснаб¬ жения 291 22.1. Причины и виды зарастания труб и оборудования 291 22.2. Стабильность воды 292 22.3. Стабилизация воды 293 Г лава 23. Обработка охлаждающей воды 295 23.1. Зарастание труб и охлаждающих аппаратов 295 23.2. Водный режим систем оборотного водоснабжения 295 23.3. Обработка воды для борьбы с наки- пеобразованием 296 351
23.4. Обработка воды для предупрежде¬ ния биологических обрастаний 298 23.5. Обработка воды для предупрежде¬ ния коррозии трубопроводов и теп¬ лообменных аппаратов 299 23.6. Очистка воды от механических при¬ месей 300 Глава 24. Водопроводные очистные стан¬ ции хозяйственно-питьевого во¬ доснабжения 300 24.1. Место расположения водоочистных станций 300 24.2. Основные требования к расположе¬ нию сооружений станции .... 301 24.3. Типы и классификация сооружений водоочистных станций 303 24.4. Применение сборных железобетон¬ ных конструкций, их унификация и типизация 304 24.5. Автоматизация и технологический контроль 305 24.6. Диспетчеризация и телемеханиза¬ ция 306 24.7. Зоны санитарной охраны .... 306 Глава 25. Пуск и наладка очистных соору¬ жений 308 25.1. Ввод в эксплуатацию очистных станций 308 25.2. Проверка технической готовности сооружений к пуску, устранение недоделок и дефектов 309 25.3. Подготовка очистных сооружений к пуску 309 25.4. Организация лабораторно-произ¬ водственного контроля 311 25.5. Порядок сдачи и приемки сооруже¬ ний в эксплуатацию 311 25.6. Подготовка к технологической на¬ ладке станции 311 25.7. Пробный пуск и технологическая наладка очистных сооружений 311 25.8. Окончательный пуск станции . . 312 25.9. Техника безопасности при пускона¬ ладочных работах 312 Приложения 314 Список рекомендуемой ли¬ тературы 335 Предметный указатель 336 Леонид Адольфович Кульский, Петр Павлович Строкач ТЕХНОЛОГИЯ очистки ПРИРОДНЫХ вод ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ. ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Редактор Н. А. Микитюк Переплет художника В. В. Котова Художественный редактор С. П. Цухленко •Технический редактор Г. Б. Верник Корректор Т. А. Ремезовская Информ. бланк № 11403 Сдано в набор 22.03.85. Подп. в печать 27.03.85. БФ 02561. Формат 70x100/,,. Бумага типогр. № 1. Лит. гарн. Выс. печать. Уел. печ. л. 28,38+0,32 форз Усл.кр.-отт 29,1.,Уч.-изд. л. 33,48+0,54 форз. Тираж 6000 экз. Изд. № 7103. Зак. 5—2398. Цена 1 р. 40 к. Головное издательство издательского объединения «Вища школа», 252054, Киев-54, ул. Гоголевская, 7 Головное предприятие республиканского производственного объединения «Полиграфкнига», 252057, Киев, ул. Дов¬ женко, 3.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ 1. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Наименование показателя Норма, шт., не более Число микроорганизмов в 1 см3 Число бактерий группы кишечных палочек в 1 л воды (коли-индекс) 100 3 2. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Наименование химического вещества Норма, мг/л, не более Наименование химического вещества Норма, мг/л, не более Алюминий остаточный (А*3+) 0,5 Селен (Ses+) 0,001 Бериллий (Ве2+) 0,0002 Стронций (Sr2+) 7,0 Молибден (Мо2+) 0,25 Фтор (F-) Мышьяк (As3+,?As5+) 0,05 для климатических районов Нитраты (в пересчете на N0^") 45 I и II 1,5 Полиакриламид 2,0 III 1,2 Свинец (РЬ2+) 0,03 IV 0,7- 3. ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ Наименование показателя Норма, мг/л, не более Наименование показателя Норма, мг/л, не более Сухой остаток 1000 Медь (Си2+) 1,0 Хлориды (С1 ) 350 Цинк (Zn2+),J 5,0 Сульфаты (SO2-) 500 ^ Полифосфаты остаточные (РО^—) 3,5 Железо (Fe2+, Fe3-*-) 0,3 Жесткость общая, мг-экв/л 7,0 Марганец (Мп2+) 0,1 Примечания: 1. Содержание сухого остатка в воде, подаваемой водопроводом без специальной обработки, по согласо¬ ванию с органами санитарно-эпидемиологической службы допускается до 1500, общая жесткость — до 10 мг-экв/л, железа — до 1 мг/л, марганца — до 0,5 мг/л. b : 2. Сумма концентраций сульфатов и хлоридов, выраженных в долях предельно допустимых концентраций каждого из этих веществ в отдельности, не должна превышать 1. 3. Водородный показатель pH = 6,0—9.0.
(по ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством») ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ Наименование показателя Норма, не более Запах при 20 °С и при нагревании до 60 °С, балл 2 Вкус и привкус при 20 °С, балл 2 • Цветность, град 20 Мутность по стандартной шкале, мг/л 1,5 % Примечания: 1. По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы допускается увеличение цветности до 35 град, мутности (в паводковый период) — до 2 мг/л. 2. Вода не должна содержать различные микроорганизмы и иметь^на поверхности пленку. 3. Концентрация других веществ, не указанных в ГОСТе, не должна превышать ПДК, утвержденных Ми¬ нистерством здравоохранения СССР для воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового во¬ допользования по органолептическому и санитарно-токсикологическому признаку, а также по радиацион¬ ной безопасности НРБ-76. СОДЕРЖАНИЕ ОСТАТОЧНОГО ХЛОРА И ОЗОНА В ВОДЕ Вид реагента Остаточная концентрация, мг/л Длительность контакта реагента с водой, мин, не менее Хлор свободный после РЧВ 1 0,3—0,5 30 Хлор связанный после РЧВ 0,8—1,2 60 Озон после камеры смешения 0,1—0,3 12 1 РЧВ — резервуары чистой воды.