Методы очистки воды

Л. Д. ТЕРЕХОВ, Г. И. ВОЛОВНИК, Е. Л. ТЕРЕХОВА







МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.16
ББК 38.761.1
     Т35


Рецензенты:
кафедра гидравлики, водоснабжения и канализации Хабаровского государственного технического университета (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор М. Н. Шевцов); кандидат технических наук, директор Дальневосточного предприятия «Росводоканал», почетный строитель РФ А. Д. Лернер





     Терехов, Л. Д.
Т35 Методы очистки воды : учебное пособие / Л. Д. Терехов, Г. И. Воловник, Е. Л. Терехова. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 320 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1280-3

           Содержится систематическое изложение физико-химических основ технологии очистки воды, принципов расчета и конструирования очистных установок. Подробно рассматриваются вопросы регенеративной и деструктивной очистки.
           Для студентов направления 08.04.01 «Строительство» специальности «Водоснабжение и водоотведение», изучающих дисциплины «Водоснабжение и водоотведение промышленных предприятий», «Реконструкция инженерных систем и сооружений». Может быть полезно специалистам, занимающимся вопросами интенсификации и реконструкции сооружений систем водоснабжения и водоотведения.


УДК628.16
ББК38.761.1











ISBN 978-5-9729-1280-3

     © Терехов Л.Д., Воловник Г.И., Терехова Е.Л., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ВВЕДЕНИЕ


   Качество воды определяется составом и концентрациями водных примесей. Если вода по качеству оказывается непригодной или малопригодной для использования и не отвечает требованиям потребителей, она нуждается в улучшении качества. С этой целью производится ее очистка путем удаления загрязняющих примесей и снижения их концентраций до уровней, которые приемлемы для потребителей, а в других случаях корректируют ее состав вводом недостающих ингредиентов или подвергают воду физической обработке, что способствует изменению ее структуры и свойств.
   В настоящем пособии изложены и разъяснены методы очистки воды любого происхождения (природные, сточные, атмосферные осадки) от примесей, различающихся дисперсностью частиц и составом веществ, а также обсуждаются правила конструирования технологических схем очистных сооружений.
   В первом разделе «Методы очистки воды» рассмотрены два направления очистки: регенеративный и деструктивный. Регенеративные методы заключаются в извлечении водных примесей и различны для частиц разной дисперсности. Деструктивная очистка направлена на частичное или полное разрушение вещества частиц водных примесей, что изменяет их свойства и вызывает обезвреживание. Способы деструкции относятся кхимическим, электрохимическим и биологическим.
   Осадки, образующиеся при очистке, как правило, токсичны и представляют опасность для окружающей среды. Приведены основные свойства осадков и технология их обработки, направленная на утилизацию, а при невозможности последней - на ликвидацию или на захоронение с соблюдением экологических требований.
   Содержащиеся в пособии вопросы являются базовыми для соответствующих разделов общих курсов водоснабжения и водоотведения промпредприятий, для курса эксплуатации коммунальных и промышленных систем водоснабжения и водоотведения.
   Главное внимание в пособии уделено объяснениям общих закономерностей процессов и технологий очистки, а расчетные зависимости, конструкции и справочные материалы приводятся только в случаях, когда это необходимо для иллюстрации материала.
   Учебный материал, содержащийся в пособии, предназначен для бакалавров, магистров и дипломированных инженеров, специализирующихся в области очистки воды.

3

    ЧАСТЬ 1. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ воды



   1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КАЧЕСТВЕ ВОДЫ И СПОСОБАХ ЕЕ ОЧИСТКИ

   Вода - один из лучших растворителей, а водные потоки обладают транспортирующей способностью. Поэтому как природные, так и сточные воды всегда содержат разнообразные примеси.
   Состав примесей и их концентрации определяют качество воды и ее пригодность для использования в тех или других целях.
   Критерием удовлетворительного качества и пригодности является условие, согласно которому присутствующие в воде примеси по концентрациям не будут превышать нормируемых предельно-допустимых концентраций (ПДК). Поскольку значения ПДК данной примеси для разных потребителей воды различны, к ее качеству предъявляются не одинаковые требования и в одних случаях она оказывается пригодной, в других - непригодной.
   Питьевая вода является пищевым продуктом, она должна быть безопасной для человека и иметь привлекательный товарный вид. Нормы качества питьевой воды ограничивают содержание токсических примесей, ухудшающих органолептические свойства, содержат требования санитарно-гигиенического характера. Качество воды, используемой в промышленности, должно соответствовать условиям производственных процессов, не вызывать засорения и износа оборудования. Согласно этому вводятся ограничения в содержание грубодисперсных примесей, некоторых солей и газов [84].
   Качество сточных вод, поступающих в водные объекты, должно удовлетворять требованиям, исключающим нарушения экологической обстановки или приводящим к потере водными объектами своего хозяйственного значения (источники водоснабжения, рыбное хозяйство и т. д.) [95].
   Во всех случаях качество воды ограничивается значениями предельно допустимых концентраций (ПДК) тех или иных водных примесей.
   Загрязнением считается водная примесь, концентрация которой превышает установленное для нее предельно-допустимое значение.
   Ясно, что примесь для одних условий водопотребления может считаться загрязнением, а для других - нет. Например, для питьевой воды ПДК по мутности составляет 1,5 мг/л, для технической - 20 мг/л, а при фактической мутности - 10 мг/л в первом случае вода загрязнена, во втором - не считается загрязненной.
   Применение загрязненной воды возможно, если ее очистить, т. е. уменьшить концентрацию содержащихся в ней загрязнений до нор

4

мируемого максимума Cdon. Отсюда следует, что минимально необходимый эффект очистки Э % составляет:
С -(\
Э='е Сдоп 100%,                       (1.1)
Cen
где Cen - концентрация данного загрязнения в воде до ее очистки

   По тому, что происходит в процессе очистки с загрязнениями, ее способы могут быть разделены на две группы: регенеративные и деструктивные
   При регенеративной очистке загрязнения выделяются без изменения химического состава. Деструктивная очистка приводит к разрушению и изменению состава загрязняющих веществ. В результате образуются соединения, не являющиеся в данном случае загрязнениями или легче выделяющиеся из воды В том случае, когда возможны и деструктивная и регенеративная очистка, выбор обосновывается технико-экономическими соображениями



  1.1. Классификация водных загрязнений


   Отдельные технологии очистки воды обладают определенной степенью универсальности, т. е. пригодны для удаления различных водных загрязнений В середине 60-х годов украинский академик ЛА Кульский разработал классификацию водных примесей, объединив в общие группы те из них, которые могут удаляться одинаковыми методами [54].
   Признаком для классификации примесей послужило их фазоводисперсное (лат. dispergo - рассеиваю) состояние. Фазой называются однородные части системы, отделенные друг от друга поверхностями раздела. Если система однофазная (гомогенная), то частицы, входящие в ее состав не имеют поверхностей раздела, что затрудняет их удаление. В гетерогенных (многофазных) системах частицы загрязнений имеют поверхности раздела между фазами, а поэтому менее стабильны и легче удаляются при очистке.
   Если диаметр частиц примесей, условно принимаемых шарообразными, d см, и его можно выразить формулой


d =
10 ⁿ

(1.2)

то дисперсностью будет называться знаменатель, т. е. 10ⁿ. Так, при диаметре частиц 1 мм, т. е. 0,1 см, дисперсность равна 10, при диаметре 1 мкм - 10⁴, при диаметре 1 нм (нанометр равен 10⁻⁹ м) - 10⁷. Чем меньше размер частицы, тем больше дисперсность.


5

   По классификации Л.А. Кульского к первой группе примесей относятся частицы с дисперсностью 10⁵ и менее, ко второй - от 10⁵ до 10⁶, к третьей -от10⁶ до10⁷, к четвертой - более 10⁷.
   При диспергировании (измельчении) вещества выполняется работа против действия молекулярных сил сцепления, что приводит к избытку энергии на поверхности по сравнению с энергией в объеме частицы. Величина поверхностной энергии обратно пропорциональна площади поверхности, на которой она накапливается.
   Поверхностная энергия определяется по зависимости

О0 = О eSyd,                     (1.3)

где оe - коэффициент поверхностного натяжения воды; Syd - удельная площадь поверхностей частиц - отношение площади межфазной поверхности к объему (табл. 1.1).
Таблица 1.1

Изменение удельной площади поверхности частиц условно кубической формы в объеме 1 см³

Размер ребра кубика, см Число частиц Syd, см2/см3 Дисперсность
           1                 1            6            1      
          0,1               103           60           10     
        0,0001              1012        6-104         104     
         10-6               1018        6-106         106     

   Существует естественная тенденция к уменьшению поверхностной энергии, в соответствии с которой частицы стремятся к слипанию (когезии). Образующаяся более крупная, чем первоначальные, частица имеет меньшую поверхностную энергию. Когезия происходит при сближении частиц на расстояния, находящиеся в пределахдействия молекулярных сил.
   Действительная форма частиц отличается от шарообразной и поверхностная энергия распределяется по поверхностям неравномерно, концентрируясь в отдельных точках (активных центрах). Считают, что активные центры образуются в местах выступов. При слипании силовое взаимодействие возникает между активными центрами контактирующих частиц.
   Примеси первой группы наиболее распространены и по массе часто составляют свыше 90 % всех водных загрязнений. Загрязнения представляют собой грубодисперсные примеси (ГДП), к которым относятся: суспензии, эмульсии, патогенные микроорганизмы, пузырьки газов и др.
   Загрязнения второй группы - коллоиды: среди них различные органические и минеральные вещества, в том числе гуминовые, придающие природным водам цветность. Сточные воды содержат в коллоидальном состоянии углеводы (клетчатка, целлюлоза, крахмал), белки, альбумин, 6

гемоглобин, казеин молока, животный и рыбий клей, мыла, красители, гидроксиды железа и алюминия, некоторые патогенные микроорганизмы, вирусы. Загрязнения первой и второй групп образуют гетерогенные системы, состоящие из нескольких фаз.
   К примесям третьей группы относятся молекулярно растворенные газы, фульво и гуминовые кислоты, фенолы, альдегиды, кетоны, амиды кислот, моносахариды, красители и др.
   К четвертой группе относятся ионы: катионы металлов, диссоциированные соли, кислоты, щелочи. Загрязнения третьей и четвертой групп образуют в воде однофазные (гомогенные) системы.
   Между состояниями веществ, четко определяющими их положение в каждой группе, существуют еще и промежуточные состояния. Это позволяет путем специальной обработки переводить вещества из одной группы в другую и этим упростить задачи очистки. Изменяя такие факторы, как pH, солевой состав, температуру, можно варьировать приемы очистки и оптимизировать технологические процессы улучшения качества воды.
   Деструктивная очистка (химическая, электрохимическая, биохимическая) проходит наиболее эффективно, если примеси имеют высокую дисперсность частиц (4иЗ группы).
   Как отмечалось, для удаления загрязнений, входящих в разные группы, применимы различные методы очистки (табл. 1.2).


Таблица 1.2

Методы очистки воды от загрязнений

 Группа                Специфические методы очистки             
          1. Седиментация безреагентная                         
          и с применением флокулянтов                           
Первая    2. Выделение ГДП в поле центробежных сил              
          З. Процеживание (фильтрация) и микрофлотация          
          4. Деструкция (химическая, биохимическая)             
          1. Коагуляционные методы                              
Вторая    (коагуляция в объеме и контактная)                    
          2. Ультрафильтрация                                   
          З. Деструкция (химическая и биохимическая)            
          1. Диффузионная очистка                               
Третья    2. Деструкция (химическая, электрохимическая, радиаци-
          онная, биохимическая)                                 
          1. Гиперфильтрация и нанофильтрация                   
Четвертая 2. Ионообменные методы                                
          З. Электродиализ                                      
          4. Перевод ионов в недиссоциированное состояние       

7

   В большинстве случаев очистка воды сопровождается этапом укрупнения частиц водных загрязнений, которые слипаются (когезия) либо закрепляются на поверхностях значительно более крупных частиц (адгезия). Этот естественный процесс связан со стремлением микрочастиц снизить свою поверхностную энергию.
   Процесс укрупнения является проявлением массообмена, характеристикой которого служит количество переносимой массы
G = kF Дет,
где F - площадь контактной поверхности, на которую направлен перенос; Дc - движущая сила процесса, равная среднему значению разности концентраций вещества компонента в области, из которой осуществляется перенос, и области, куда он направлен; с - продолжительность процесса; K - коэффициент массообмена определяемый экспериментально в зависимости от особенностей происходящих явлений (коэффициент адсорбации, экстракции и т. д.).

   Механизм переноса зависит от дисперсности частиц: для грубодисперсных перемещение частиц происходит под влиянием инерционных сил, для коллоидов - за счет теплового броуновского движения, причина перемещения молекул и ионов - диффузия. Как перемещения коллоидов, так и молекул (ионов) вызывается неравномерным распределением вещества компонента в объеме воды.
   Закрепление частиц на поверхностях и их слипание требует преодоления энергетического порога (двойного электрического слоя), возникающего у заряженных (полярных) частиц. Если поверхности гидрофильны, они смачиваются водой и покрыты слоем ее молекул, что препятствует контакту.
   Слипание или прилипание частиц требует сближения на расстояние действия межмолекулярных сил, примерно на 20-50 нм.
   Оптимизация условий укрупнения требует: максимального сближения частиц, что достигается перемешиванием либо расчленением потока на тонкие струйки при фильтрации; увеличения площади контактной поверхности, перемешивания с целью поддержания по всей площади одинаковых условий, при которых Дс = const. _______________
   1.2. Технологическая характеристика водных примесеи

   Состояние водных примесей обусловлено совместным влиянием двух групп факторов: стабилизирующих и дестабилизирующих. Стратегия очистки заключается в подавлении влияния первых и усилении влияния вторых. Технологическая характеристика водных примесей включает оценку этих факторов и указывает способы влияния на них.


8

   Загрязнения первой группы ГДП находятся под влиянием двух сил: стабилизирующих, которые зависят от турбулентности потока воды и дестабилизирующих, массовых, к которым относятся силы тяжести и центробежные силы. В неподвижной воде, имеющей постоянную температуру во всем объеме, полностью устраняется влияние турбулентности, и примеси либо оседают, либо всплывают в зависимости от плотности вещества частиц. Таким образом, ГДП кинетически неустойчивы. Очистка от ГДП седиментацией, т. е. отстаиванием, возможна при уменьшении турбулентности потока за счет снижения его скорости и особенно - при ламинарном режиме движения.
   Специфическим видом ГДП являются эмульсии, капли неполярных гидрофобных жидкостей, например нефтепродуктов или масел. Эмульсии образуются в результате механического, акустического или электрического диспергирования и являются кинетически неустойчивыми. В результате коалесценции, т. е. самоукрупнения частиц, эмульсии разрушаются и примеси отделяются от воды. Кинетическую устойчивость эмульсиям придают эмульгаторы, образующие на поверхностях капель гидрофильные пленки, препятствующие слиянию при контакте. К эмульгаторам относятся некоторые поверхностно-активные вещества, высокомолекулярные соединения (белки, искусственные полимеры), а также высокодиспергированные твердые частицы (глины и другие). Для очистки от устойчивых эмульсий необходима предварительная деэмульгация, т. е. разрушение защитных пленок из эмульгаторов.
   Частицы малоконцентрированных эмульсий имеют дисперсность 10⁵ и по своим свойствам приближаются к примесям второй группы. Коллоиды, которыми представлены примеси второй группы, обладают кинетической и агрегативной устойчивостью. Кинетическая устойчивость проявляется в том, что под действием броуновского движения коллоидальные частицы равномерно распределяются во всем объеме воды, в то время как ГДП распределены неравномерно. Причина кинетической устойчивости - в малых размерах коллоидальных частиц, а их само-укрупнение ограничено агрегативной устойчивостью, т. е. свойством сохранять во времени свою дисперсность и не слипаться. Коллоидальные частицы полярны, а их заряды - одноименны. Дестабилизация и коагуляция коллоидов требует специальной обработки воды, при этом коллоиды становятся неустойчивыми, и коагулируются с образованием укрупненных частиц уже относящихся к ГДП.
   Загрязнения первой и второй групп дисперсности, как отмечалось, имеют поверхности раздела, в которых формируется поверхностный слой толщиною в несколько молекулярных диаметров, состоящий из атомов и молекул вещества примеси.
   Укрупнение (агрегация) частиц примесей особенно интенсивно при коагуляции коллоидов, но наблюдается и у ГДП, главным образом высокодисперсных.

9

   Процесс агрегации зависит от характера взаимодействия частиц с водой.
   Материал частицы может обладать гидрофильностью, или гидрофобностью. В первом случае вся поверхность частиц гидрагирована, т. е. покрыта слоем молекул воды, препятствующих агрегации, во втором - поверхность свободна. К гидрофильным материалам относятся, например, глины, крахмал, желатин; к гидрофобным - уголь, масла, нефтепродукты.
   Агрегация частиц загрязнений первой и второй группы (после коагуляции последних) положительно влияет на процесс очистки, так как при этом образуются ГДП малой дисперсности.
   Примеси молекулярной дисперсности, относящиеся к третьей группе, образуют однофазную систему. Под влиянием диффузии молекулы загрязнений равномерно распределяется во всем объеме воды.
   Молекулярные примеси обладают кинетической и агрегационной устойчивостью, т. е. самопроизвольно не выделяются из воды и не меняют со временем дисперсность. Исключение составляют те молекулы, которые вступают в химическое взаимодействие и образуют новые вещества в виде коллоидов или ГДП, а также молекулы, меняющие дисперсность и образующие нерастворимые соединения под влиянием внешних условий (изменение солевого состава воды, pH и др.).
   Механизмом, нарушающим устойчивость загрязнений третьей группы, является диффузия (лат. распространение). Примеси переходят из воды в другие фазы: на поверхность твердых тел, в не растворяющиеся в воде жидкости и газы. При удалении из воды этих поглотителей одновременно удаляются и молекулярные загрязнители.
   К молекулярным загрязнениям относятся растворенные в воде газы. Растворимость газа зависит от пропорционального давления (давления данного газа в газовой среде над раствором) и от температуры. Понижая давления газовой среды над раствором и повышая температуру воды, создают условия для уменьшения растворимости газа, который выделяется в виде грубодисперсных пузырьков.
   В четвертую группу входят примеси, диссоциирующиеся в воде на ионы. Как и молекулы, ионы образуют истинные растворы, обладают кинетической и агрегационной устойчивостью, способностью кдиффузии.
   Особенность ионов заключается в их гидратации, т. е. образовании агрегата, в котором ион связан с несколькими молекулами воды. Гидратированные ионы ведут себя как самостоятельные частицы, имеющие размеры, близкие или превышающие размеры молекул. Это обстоятельство используется при гиперфильтрации, когда под влиянием искусственно созданных для возникновения обратного осмоса условий, через полупроницаемые перегородки проходят молекулы воды, но задерживаются гидратированные ионы. Для очистки используется способность ионов вступать в реакции двойного обмена и замещать в ионообменных

10