Улучшение качества природных вод

    С. М. Чудновский










                УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА
                ПРИРОДНЫХ ВОД




2-е издание, исправленное и дополненное




Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование»









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 628.16
ББК 38.761.1
      4-84






Рецензенты:

А. Г. Гудков, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения Вологодского государственного университета;
О. Б. Волошина, директор ООО «Росэко»;
А. И. Дурягин, директор ООО «РАЦИО»







      Чудновский, С. М.
4-84    Улучшение качества природных вод : учебное пособие / С. М. 4уд-
      новский. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 184 с.
         ISBN 978-5-9729-0516-4

       Изложены рекомендации по проектированию водоочистных сооружений для подготовки питьевой и технической воды, приведены необходимые справочные материалы.
       Для использования в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов, расчетно-графических работ, проведении практических занятий для студентов направления подготовки 05.03.06 «Экология и природопользование».

                                                          УДК 628.16
                                                          ББК 38.761.1

ISBN 978-5-9729-0516-4  © 4удновский С. М., 2020
                         © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ВВЕДЕНИЕ
    Вода - это вещество, которое определяет жизнедеятельность человека во всех ее сферах. Антуан де Сент-Экзюпери посвятил воде ставшие знаменитыми строки: «Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты - сама жизнь... Ты самое большое богатство на свете».
    Требования к качеству воды, предъявляемые потребителями, весьма разнообразны и зависят от ее назначения. Так, например, вода, используемая для питьевых и хозяйственно-бытовых целей, должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу, иметь благоприятные органолептические свойства.
    С 1 января 2013 года в России вступил в силу Федеральный закон от 07.12.2011 N 416-ФЗ "О водоснабжении и водоотведении". В тексте этого закона изложена государственная политика в сфере водоснабжения и водоотведения, в частности, предусматривается достижение следующих целей:
    -     охрана здоровья и улучшение качества жизни населения путем обеспечения бесперебойного и качественного водоснабжения и водоотведения;
    -     повышение энергетической эффективности путем экономного потребления воды;
    -     снижение негативного воздействия на водные объекты путем повышения качества очистки сточных вод;
    -     обеспечение доступности водоснабжения и водоотведения для всех абонентов;
    -     обеспечение развития централизованных систем водоснабжения и водоотведения путем развития эффективных форм управления этими системами, привлечения инвестиций и развития кадрового потенциала.
    Целью изучения дисциплины «Улучшение качества природных и очистка сточных вод» является приобретение студентами знаний в области теоретических основ современных методов водоподготовки и очистки сточных вод, приобретение навыков проектирования очистных сооружений, получение навыков анализа работы и оценки достоинств и недостатков различных конструкций сооружений. Так как дисциплина носит прикладной характер, студенты одновременно с изучением теоретических вопросов, должны овладеть современными методами расчета водоочистных станций, станций очистки сточных вод, научиться выбирать оптимальные варианты технологических схем.
    В учебном пособии изложены основные теоретические вопросы, представлены сведения о новых разработках, выполненных за последние годы в ВоГТУ, содержится подробный материал по проектированию сооружений для улучшения качества природных вод. Пособие предназначено для использования в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов, практических работ, для самостоятельной подготовки студентов, обучающихся по специальностям 280302 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и 280402 «Природоохранное обустройство территорий» и направления бакалавриата 280100.62- «Природообустройство и водопользование».

3

    1. Основные термины и определения


Основные типы вод

Таблица 1.1

      Термин                                  Определение                           
Бойлерная вода      Вода определенного качества, находящаяся в котле при кипении    
                    или прошедшая через него                                        
Дождевые воды       Воды, образующиеся из атмосферных осадков и в которые еще не    
                    поступили растворимые вещества из почвы                         
Минеральная вода    Вода, в которой содержание минералов выше, чем в обычной        
                    питьевой воде                                                   
Мягкая вода         Вода с низкой общей жесткостью                                  
Необработанная вода Вода, которая не подверглась очистке, или вода, поступающая для 
                    дальнейшей очистки на очистные сооружения                       
Оросительная вода   Вода, подводимая к почвам или корням растений с целью повышения 
                    влажности почвы и обеспечения растений водой, необходимой для их
                    нормального роста или предотвращения накопления соли в почве    
Охлаждающая вода    Вода, используемая для поглощения и передачи тепла              
Питьевая вода       Вода, качество которой пригодно для питья                       
Поверхностные воды  Воды, которые текут или собираются на поверхности земли         
Промышленная вода   Вода, используемая в производственном процессе                  
Термальная вода     Вода горячего или теплого источника                             

Таблица 1.2

Качество и состав природных вод

      Термин                                  Определение                            
Бактерии           Большая группа микроскопических, метаболически активных, од-      
                   ноклеточных организмов с дисперсным ядром, в основном оби-        
                   тающих свободно и обычно размножающихся делением                  
Биомасса           Общая масса живого вещества в данном водоеме                      
Биота              Живые компоненты водной системы                                   
Биохимическое по-  Массовая концентрация растворенного кислорода, потребленного      
требление кислоро- при определенных условиях в процессе биологического окисления     
да (БПК)           органических и/или неорганических веществ, содержащихся в воде    
Взвешенные веще-   Вещества, выделенные путем фильтрации и центрифугирования         
ства               при определенных условиях                                         
Вирусы             Большая группа ультрамикроскопических организмов (от 20 до        
                   300 нм в диаметре), которые в основном состоят из нуклеино-       
                   вой кислоты, окруженной протеиновой оболочкой. Они репро-         
                   дуцируются только в живых клетках. Вирусы могут прохо-            
                   дить через фильтры, которые задерживают бактерии                  
Гуминовые          Аморфные комплексные полимерные органические вещества, об-        
кислоты            разующиеся при разложении растительных и животных остатков в      
                   почвах и осадках. Они придают характерную желто-кориченевую       
                   окраску многим поверхностным водам                                
Жесткость          Свойство воды, которое проявляется через ее способность образовы- 
                   вать пену при контакте с мылом. Термин «жесткость» является широ- 
                   ко применяемым термином для описания концентрации кальция и       
                   магния в воде. Существуют разные типы жесткости (общая жест-      
                   кость, карбонатная жесткость и др.), и соответствующие определения
                   в различных странах не всегда совпадают с этим определением       

4

Продолжение табл. 1.2

Жесткость            Жесткость, которая не исчезает после кипячения, она связана с   
нещелочная           присутствием сульфатов, хлоридов, нитратов кальция и магния     
(постоянная)                                                                         
 Канцероген          Вещество, способное вызвать злокачественную опухоль (рак) у че- 
                     ловека, животного или растений                                  
 Микрозагрязнитель   Вещество, которое загрязняет воду даже в минимальных концен-    
                     трациях                                                         
 Мутаген             Вещество, способное вызывать генетические изменения в живых     
                     организмах                                                      
 Общий хлор          Хлор в виде свободного хлора или сложного хлора, или в обоих    
                     видах сразу                                                     
 Олиготрофный        Определение, характеризующее водную массу, обедненную био-      
                     генными элементами и содержащую водные организмы, представ-     
                     ленные значительным разнообразием видов, но относительно ма-    
                     лой численностью. Эта водная масса характеризуется большой      
                     прозрачностью, высоким содержанием кислорода в ее верхнем       
                     слое и донными отложениями, окрашенными, как правило, в ко-     
                     ричневые оттенки и содержащими незначительное количество ор-    
                     ганического вещества                                            
 Органолептический   Определение, характеризующее свойства воды, такие как цвет,     
                     вкус, запах и внешний вид, которые воспринимаются органами      
                     чувств человека                                                 
 Патоген             Организм, способный вызывать заболевание у восприимчивых рас-   
                     тений или животных, а также у человека                          
 Планктон            Дрейфующие или взвешенные в воде организмы, состоящие в ос-     
                     новном из мелких растений или животных, но включающие также     
                     крупные формы, имеющие слабую способность к передвижению        
Поверхностно-        Химическое соединение, растворенное или диспергированное в      
активное веще-       жидкости, абсорбирует главным образом поверхностью контакта,    
ство (ПАВ)           что определяет совокупность его физико-химических или химиче-   
                     ских свойств, имеющих практический интерес                      
 Растворенные ве-    Вещества, оставшиеся после фильтрации пробы и выпаривания ее    
 щества              досуха при определенных условиях                                
 Токсикологический   Тест, в котором вещество заданной концентрации контактирует с   
 тест                определенными организмами с целью определения токсикологиче-    
                     ского воздействия вещества на эти организмы                     
 Химическое по-      Массовая концентрация кислорода, эквивалентная количеству би-   
 требление кислоро-  хромата, потребленного растворенными или взвешенными вещест-    
 да                  вами во время обработки пробы воды этим окислителем при опре-   
                     деленных условиях                                               
 Фульвокислоты       Часть гуминовых веществ, которые растворимы как в растворе ки-  
                     слоты, так и в щелочном растворе                                
 Щелочность          Способность водной среды количественно реагировать с ионами     
                     водорода                                                        
 Энтеровирусы;       Группа вирусов, которые могут размножаться в желудочно-         
 кишечные вирусы     кишечном тракте человека и животных                             

5

Таблица 1.3

Технологические термины

 Термин                                         Определение                            
 Аэрация              Введение воздуха в жидкость                                      
 Дезинфекция          Обработка воды с целью удаления патогенных микроорганизмов       
 (обеззараживание)                                                                     
 Диализ               Процесс, при котором небольшие молекулы или ионы проходят        
                      через мембрану, в результате чего происходит их отделение от     
                      более крупных молекул в растворе и от суспензированных частиц    
 Дистилляция          Процесс выпаривания и конденсации, используемый для получе-      
                      ния воды высокой степени чистоты                                 
 Загрязнение          Ухудшение свойств природных вод, необходимых для использо-       
                      вания в определенных целях (определение,                         
                      данное Международной организацией здравоохранения)               
 Минерализация        Распад органического вещества до образования двуокиси углеро-    
                      да, воды и углеводородов, окисей или минеральных солей любых     
                      других присутствующих элементов                                  
 Многослойное         Процесс очистки воды, при котором вода проходит сверху вниз      
 фильтрование         или снизу вверх через два или более слоев. Верхний слой состоит  
                      из крупных частиц с малой плотностью. В каждом из последую-      
                      щих слоев размер частиц уменьшается, но возрастает их плотность  
 Озонирование         Добавление озона к воде или сточным водам, например, с целью     
                      дезинфекции, окисления органического вещества или удаления       
                      неприятного вкуса и запаха                                       
 Осветление           Процесс, при котором происходит оседание частиц в большом        
                      резервуаре, в результате чего вода становится более светлой, чем 
                      при поступлении в резервуар                                      
 Самоочистка          Естественные процессы очистки загрязненной водной массы          
 Седиментация         Процесс осаждения и отложения под действием силы тяжести         
                      взвешенного вещества в воде или в сточных водах                  
 Стерилизация         Процесс обезвреживания или уничтожения всех живых организ-       
                      мов (включая вегетативные и споровые формы), а также вирусов     
 Физико-химичес-      Сочетание физической и химической обработки с целью дости-       
 кая обработка        жения требуемых результатов                                      
 Фильтрация           Удаление взвешенного вещества из массы воды путем прохожде-      
                      ния через слой пористого материала или через сетки с подходя-    
                      щим размером отверстий                                           
 Флотация             Всплывание взвешенного в воде вещества на поверхность, на-       
                      пример, с помощью улавливания газа                               
 Фторирование         Добавление к питьевой воде соединения, содержащего фтор, для     
                      сохранения концентраций ионов фтористых соединений в уста-       
                      новленных пределах                                               
 Химическая           Процесс, связанный с добавлением химических реагентов с це-      
 (реагентная) очистка лью достижения требуемых результатов                             
 Хлорирование         Процесс добавления в воду газообразного хлора или других ком-    
                      понентов, с помощью которых образуются хлорноватистая кисло-     
                      та или гипохлоритные ионы, которые необходимы, например, для     
                      прекращения роста бактерий, окисления органических веществ,      
                      для стимулирования коагуляции или уменьшения запаха. Основ-      
                      ная цель этого процесса - обеззараживание вод                    

6

    2. Методы и технологические схемы улучшения качества природных вод

     Возможны два метода осветления воды: естественный и искусственный.
     При первом методе вода в естественном виде очищается без применения каких либо химикатов.
     При искусственном методе вода подвергается химической обработке, которая в определенной степени изменяет ее химический состав.
     Основными производственными операциями по удалению из воды взвесей являются осаждение и фильтрование (естественный метод).
     Осветление воды по искусственному методу осуществляется тремя этапами:
     I Подготовительный этап. Вода подвергается обработке различными химическими реагентами, что приводит к увеличению эффективности последующих приемов осветления;
     Второй этап осветления заключается в осаждении из воды взвешенных частиц
     III этап - с помощью фильтрации удаляются из воды мелкие частицы взвеси, не задержанные осаждением.
     Рассмотрим общую схему сооружений осветления и обеззараживания воды.
     Возможны другие схемы осветления.

2.1. Теоретические основы процессов коагуляции воды
    В водах открытых водоисточников взвешенные вещества обычно представляют собой частицы песка, глины, ила, планктонные организмы, продукты разрушения растений и т.д.
    Взвешенные частицы, удельный вес которых больше единицы, стремятся осаждаться. Однако, мелкие частицы, имеющие размеры от 3—4 до 0,1 мм и коллоидные частицы с размерами от 0,1 и до 0,001 мм практически не осаждаются, находясь в воде во взвешенном состоянии. Обычно в процессе очистки воды могут за относительно короткий срок оседать частицы, имеющие радиус более 30 микрон. Остальные частицы без специальных мер выделить отстаиванием невозможно. Именно для их осаждения и применяют добавление к воде коагулянтов - веществ, образующих относительно крупные, быстро оседающие хлопья, которые увлекают за собой при осаждении мелкодисперсную взвесь.
    Частицы глины, ила и другие загрязнения природных вод по преимуществу образуют коллоидные системы. Коллоиды - это совокупности большого количества молекул данного вещества, содержащегося в воде в диспергированном состоянии.


7

    Коллоидные частицы постоянно находятся в броуновском движении и перемещаясь, эти частицы увлекают за собой определенный покрывающий их тонкий слой воды. Обладая большой удельной поверхностью, частицы абсорбируют находящиеся в воде ионы одного знака. Эти ионы, непосредственно прилегающие к ядру коллоидной частицы, образуют так называемый абсорбционный слой. В связи с тем, что на границе абсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг него создается еще один диффузный слой с ионами, компенсирующими заряд абсорбционного слоя. Потенциал на границе абсорбционного слоя носит название электрокинетического потенциала, или дзета-потенциала (т - потенциал). Таким образом, наличие у частиц электрических зарядов одного знака, вызывающих их взаимное отталкивание, мешает слипанию частиц.
    Одновременно между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, называемые силами Ван-дер-Ваальса. Эти силы проявляются лишь при небольшом расстоянии между частицами и быстро убывают с увеличением расстояния.
    Если показать зависимость между силами притяжения и силами отталкивания от расстояния между частицами, то график такой зависимости будет выглядеть примерно так.
    Построим кривую, суммирующую влияние сил притяжения и отталкивания. Таким образом, для того чтобы частицы эффективно притягивались друг к другу, им необходимо преодолеть некоторый силовой барьер, соответствующий максимуму отталкивания. После преодоления этого барьера резко увеличиваются силы притяжения, и частицы слипаются. Следовательно, необходимо понизить величину дзета-потенциала. Экспериментально установлено, что дзета-потенциал коллоидных частиц в природных водах обычно находится в пределах 35-70 мВ. Для того чтобы молекулярные силы преобладали над электрокинетическими, дзета-потенциал должен быть ниже 30 мВ. С максимальной интенсивностью будет проходить коагуляция при дзета-потенциале, близком к нулю.
    Одним из методов снижения дзета-потенциала частиц является увеличение концентрации электролита в воде, т.е. введение в воду раствора коагулянта. При этом увеличивается количество ионов, входящих в диффузный слой, и, следовательно, уменьшается разность потенциалов между диффузным и абсорбционным слоями.
    Следовательно, основным назначением коагуляции воды является снижение дзета-потенциала загрязняющих ее частиц.
    Электрофорез - это направленное движение коллоидных частиц или макроионов под действием внешнего электрического поля. Электрофорез был открыт Ф. Ф. Рейссом в 1807 году и считается важнейшей разновидностью электрокинетических явлений.

8

   Скорость V движущихся частиц приближённо связана с напряжённостью электрического поля Е уравнением Смолуховского:


            v₌DEL
            Алц



где р - вязкость среды, D - диэлектрическая проницаемость, £ - электрокине-тический потенциал.
    Электрокинетический потенциал (^-потенциал) - это часть общего скачка потенциала на границе двух фаз, определяющая относительное перемещение этих фаз при электрокинетических явлениях. Общий скачок потенциала при пересечении межфазной границы в дисперсных системах обусловлен существованием двойного электрического слоя. Электрокинетический потенциал — перепад потенциала по той части диффузного слоя, в пределах которой жидкость может быть вовлечена в тангенциальное движение относительно межфазной поверхности при внешнем воздействии на систему.
    Электрокинетические явления обусловлены существованием на границе фаз избыточных зарядов, располагающихся в виде двух противоположно заряженных слоев, называемых двойным электрическим слоем. Внешнее электрическое поле, направленное вдоль границы фаз, вызывает смещение одного ионного слоя по отношению к другому, что приводит к относительному перемещению фаз, т. е. к электроосмосу или электрофорезу [3].
    Строение двойного электрического слоя оказывает большое влияние на электрические свойства межфазных границ и на протекающие на них процессы - прежде всего, на механизм и кинетику электрохимических реакций, электрокинетические явления и на устойчивость коллоидных систем.
    Процесс электрофореза основан на движении коллоидных частиц - мицелл (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема строения коллоидной мицеллы

9

    Мицелла - отдельная частица дисперсной фазы высокодисперсной коллоидной системы с жидкой дисперсионной средой. Она состоит из ядра кристаллической или аморфной структуры и поверхностного слоя, включающего связанные молекулы окружающей жидкости. Ядро мицеллы окружено двумя слоями противоположно заряженных ионов (двойным электрическим слоем). С точки зрения теории, если мицелла неподвижна, то число положительных и отрицательных зарядов в ней одинаково, следовательно, в неподвижном состоянии мицелла электронейтральна.
    Непосредственно у поверхности ядра расположены ионы адсорбционного слоя. В него входят все ионы одного знака и часть ионов другого знака. Остальные противоионы образуют диффузный слой; он окружает мицеллу в виде ионного "облака", плотность которого падает по мере удаления от ядра. Диффузный слой препятствует сближению и агрегированию частиц в процессе броуновского движения.
    Диффузный слой ионов мицеллы непрочен, при перемещении мицеллы происходит его частичное разделение, при этом дисперсная фаза и дисперсионная среда приобретают противоположные заряды. В электрическом поле гранула перемещается к одному полюсу, а часть противоионов диффузного

слоя отрывается от мицеллы и передвигается к противоположному полюсу (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема электрофореза

    Однако, в результате Броуновского (теплового) движения теряется часть ионов диффузного слоя. Именно такие потери приводят к возникновению разности потенциалов между слоями.
    Электрофорез является одним из наиболее важных методов для разделения и анализа компонентов веществ в химии, биохимии и молекулярной биологии [4].


10