Как очищают воду реагентами

Химические методы очистки воды

По статистике, примерно 1/3 часть воды из подводных источников и более 70% жидкости из наземных источников загрязнены различными примесями. Для получения чистой воды, применяются различные технологии. Начиная от простых фильтров на основе угля, заканчивая многоступенчатыми обратноосмотическими установками. Химические методы очистки воды – эффективные способы для чистки загрязненных жидкостей, чтобы их повторно применять в различных промышленных процессах.

Общая информация

Суть химических методов очистки воды основывается на том, что возникает химическая реакция между добавляемыми в жидкость реагентами и сторонними примесями, которые уже содержатся в ней. Это приводит к тому, что опасные и токсичные элементы переходят в безвредную форму, или же превращаются в нерастворимые соединения, которые постепенно выпадают в осадок. Химические методы пользуются большой популярностью за счет того, что реакции между веществами проходят одинаково эффективно в любом объеме жидкости.

Одновременно с этим нужно понимать, что жидкость, которая прошла чистку с помощью химических методов, пригодна для применения в различных технических нуждах. Употреблять такую воду опасно для организма.

Важно! Необходимо учитывать тот момент, что химические методы чистки жидкости являются достаточно опасными для человека, который работает с реагентами. Из-за этого все работы должны выполняться под контролем экспертов в данной сфере.

Какие реагенты подходят для фильтрации

Если рассматривать все возможные активные нейтрализующие химические вещества, можно выделить три самых эффективных категории реагентов:

• Щелочи – сюда относится гидроксид натрия, сода, известь.
• Окислители – марганец, хлор, озон.
• Кислоты – серная, соляная.

При этом важно заранее изучить требования по количеству используемых химических веществ, чтобы достичь требуемого качества очищенной жидкости.

Химические методы

Независимо от того, что жидкость может быть засорена различными сторонними примесями, которые вредны для человеческого организма, негативно влияют на работу бытовых приборов, химические методы очистки сточных вод, жидкости из скважин, колодцев, основываются на 3-ех эффективных реакциях:

Каждый из данных способов имеет свои особенности, их необходимо рассмотреть по отдельности.

Окисление

Данная технология считается лучшей, если сравнивать ее с другими химическими методами очистки воды от различных сторонних примесей. Ее суть заключается в том, что в воду добавляются сильные окислители (например, бихромат калия, перманганат калия, перекись водорода, хлор и различные соединения на его основе). За счет этого, форма вредных целевых веществ изменяется на безопасную, все токсичные соединения преобразуются в безвредную форму. Одновременно с этим, сильные окислители уничтожают любую патогенную микрофлору.

Если подробно рассматривать сами окислители, большой популярностью пользуется метод добавления хлора. Он доступный, дешевый, эффективный в плане уничтожения различных болезнетворных бактерий. Однако, нельзя забывать о том, что очищенная жидкость не может использоваться в качестве питься, имеет неприятный запах.

Нейтрализация

Главная цель реакции нейтрализации в плане очистки воды – стабилизация кислотно-щелочного баланса. Это возможно за счет того, что происходит реакция между щелочной и кислой средой, в процессе которой образуются соли. Чаще всего технология очистки на основе нейтрализации применяется для обработки отработанной жидкости на различных предприятиях. Если же говорить о воде из колодцев, скважин, в большинстве случаев она имеет оптимальный кислотно-щелочной баланс, корректировать который нет необходимости.

Когда жидкость проходит процесс нейтрализации, ее можно повторно применять в производственном процессе, что удешевляет работу предприятия, делает ее менее разрушительной для окружающей среды.

Чтобы применять технологию нейтрализации, необходимо использовать специализированное оборудование. На предприятии нужно установить накопитель, осветлитель, отстойник.

Восстановление

Методика восстановления применяется достаточно редко, так как является не такой эффективной как окисление. Однако, с помощью данной технологии можно перевести окисленные формы токсичных мышьяка, ртути, хрома, тяжелых и переходных металлов в молекулярное состояние. Это нужно для их дальнейшего удаления из воды, при ее перекачке через фильтры химической очистки.

При правильном применении химических реагентов, можно достичь требуемого качества во время очистки воды различного объема. За счет этого, подобные методы получили большую популярность среди крупных предприятий.

Источник

Химическая очистка воды

Качество воды из природных источников определяют по наличию в ней веществ органического и неорганического происхождения, микроорганизмов, и характеризуют различными физическими, химическими, бактериологическими и биологическими показателями. Ощутимое превышение даже одного показателя может стать причиной недомогания и даже серьезного расстройства здоровья человека. Для водоочистки применяют различные методы или их комбинацию. Выбор способа зависит от состава водного раствора, целей водоподготовки и конечного назначения воды. Химическая очистка воды позволяет удалить растворенные химические соединения из пресной воды путем образования труднорастворимых комплексов с электролитами.

Какие методы очистки воды существуют

Несоответствие качества воды источника требованиям потребителя определяет выбор методов обработки воды. Загрязняющие вещества присутствуют в воде в разных формах, принцип удаления каждой из которых имеет особенности.

Методы водоподготовки делят на основные четыре группы.

1. Химический способ очистки воды введением реагентов.
2. Физические фильтрация, отстаивание, процеживание или обработка ультрафиолетом.
3. Физико-химическое комплексное устранение загрязнителей.
4. Использование биоорганизмов для нейтрализации примесей.

В основу всех химических методов очистки воды положены процессы перевода растворенных и взвешенных примесей в нерастворимую форму либо их разрушение до безопасных составляющих с помощью вводимых веществ. Выпадающий в ходе химической реакции осадок загрязнителей удаляют фильтрованием или другим физическим способом.

Очистка воды физическими методами проводится на предварительных стадиях водоподготовки и предполагает освобождение водного раствора от крупных взвешенных включений, которые могут нарушить правильную работу фильтров тонкой очистки. Применение физических способов подготовки для более глубокой водоочистки возможно, но нецелесообразно ввиду малой производительности процессов.

Физико-химические методы являются самой большой группой способов водоочистки. Они совмещают процессы химической очистки воды с последующим удалением загрязнителей применением физических явлений. Множество технологий и комплексный подход позволяет удалять самые разные примеси в любом агрегатном состоянии, растворенные газы, коллоидные частицы органики, ионы тяжелых металлов.

Использование для очистки воды отдельных микроорганизмов — перспективное направление избавления водных растворов от примесей разной природы. Главной особенностью биологического варианта очистки можно указать возможность подбора бактерий, микроорганизмов и простейших под имеющийся химический состав водного раствора. Среда, в которой происходит эффективная очистка воды биоматериалом, носит название активный ил. Процессы биоочистки могут протекать аэробно и анаэробно. Все зависит от особенностей жизнедеятельности микроорганизмов.

В чем заключается химическая очистка воды

Химическая водоочистка основана на химических реакциях реагентов с загрязняющими веществами в водном растворе и их обезвреживании путем перевода в неопасные формы или связывании в нерастворимые комплексы. Химические процессы при очистке воды идут с одинаковой скоростью в любом объеме жидкости, потому этот метод считается эффективным и производительным. Химическая очистка воды на предприятиях лежит в основе обеспечения оборотного водоснабжения и обезвреживания промышленных вод.

Несмотря на великое разнообразие загрязняющих элементов, их соединений и формы присутствия в водном растворе очистка воды от химических загрязнений проводится на основании трех видов химических реакций с удаляемыми элементами:

• Нейтрализация кислотной или щелочной реакции водного раствора.
• Окисление загрязнителей и патогенных микроорганизмов.
• Восстановление ионов металлов и токсичных веществ.

Нейтрализация, как метод очистки воды

Нейтрализация основана на оптимизации кислотно-щелочного баланса за счет реакции нейтрализации между кислой и щелочной средой с образованием солей. Этот метод чаще всего находит применение при химической очистке отработанной воды на производстве, так как вода из скважины или природных источников обычно имеет нейтральную среду и корректировки рН не требует. После очистки воды химическими реакциями нейтрализации она становится пригодной для повторного запуска в технологическую схему и безопасной для природы.

Технологии метода применяют смешение сточных промышленных вод разных сред для взаимной нейтрализации либо введение реагентов для создания кислотной или щелочной реакции. В качестве химических агентов при нейтрализации кислотности среды применяют гидроокиси щелочных металлов K и Na, гидроксид аммония NH4OH, карбонат натрия или соду Na2CO3, известковое молоко или гидроксид кальция Ca(OH)2. Выбор реагента зависит от концентрации и кислотного состава отработанной воды: преобладания сильных или слабых кислот. Химические компоненты для очистки щелочных стоков представляют собой растворы кислот или газы с кислой реакцией NO2, SO2, CO2. Технология пропускания отработанных кислых газов через промышленные стоки выполняет сразу две функции: нейтрализацию воды и очистку газов.

Для реализации технологических схем водоочистки методом нейтрализации применяют специальное оборудование для химической водоподготовки: накопители, осветители, отстойники. Выбор схемы химической очистки воды нейтрализацией зависит от климатических условий, природной рН среды водоемов, длительности хранения отработанных вод.

Способ водоподготовки — окисление

Окисление занимает главенствующую позицию среди технологий химической очистки воды. Под действием сильных окислителей — хлора и его соединений, перманганата и бихромата калия, озона, перекиси водорода — меняется форма целевых веществ на неопасную, токсичные формы переходят в безвредные, погибает патогенная микрофлора. С помощью химической очистки воды окислением можно связать те соединения, которые проблематично извлечь любыми другими способами.

Обработка воды хлорсодержащими соединениями чаще всего встречается в технологических схемах химической водоподготовки на производстве и в потребительском водоснабжении. Бактерицидные свойства хлора гарантируют, что на качество воды не повлияет сложный транспортный путь доставки воды по трубопроводам от насосной станции до конечного потребителя. Хлорреагенты дешевы и всегда в наличии. Вместе с хлорирующими веществами часто вводят аммиак и аммонийные соли для предотвращения образования хлорфенольных соединений с неприятным запахом и привкусом.

Добавление перманганата калия способствует разрушению органических веществ, образующих хлорпроизводные с резким неприятным запахом. Однако химическая очистка питьевой воды хлором должна осуществлять под строгим контролем дозирования реагента, так как хлор ядовит и может образовывать токсичные соединения при взаимодействии с растворенными в воде веществами. Перед подачей такой воды потребителю ее дехлорируют SO2, гипосульфитом, сульфитом натрия или адсорбцией на активированном угле.

В последнее время на передовые позиции выходит озонирование, в несколько раз превышающее по эффективности химическую обработку воды хлорирующими веществами. Благодаря высокому окислительному потенциалу озон окисляет даже те вещества, которые обычно не окисляются другими реагентами. Длительность контакта озона с водой не превышает 10 — 15 минут, а дополнительные соединения при этом не образуются. Так как озон поступает в воду с большим количеством воздуха, одновременно происходит аэрирование воды. В результате очистки от химических загрязнений озонированием вода приобретает свежий привкус и запах, характерный для поверхностных или ключевых вод наилучшего качества. Взрывоопасность и сложность получения в необходимом количестве тормозят процесс повсеместного внедрения озона как химического реагента очистки воды. При озонировании необходимо строго соблюдать технику безопасности на очистных сооружениях во избежание негативных последствий.

Метод восстановления

На практике часто применяют комбинированные методы химической водоподготовки, сочетающие хлорирование воды на первичных стадиях очистки и обработку озоном при подаче потребителю.

Метод восстановления при химической очистке воды используют реже окисления, но он позволяет провести подготовительные процессы перевода окисленных форм токсичных хрома, ртути, мышьяка, переходных и тяжелых металлов никеля, свинца в молекулярное состояние для последующего отделения с помощью физико-химических методов флотации, коагуляции, отстаивания и связывания на фильтрах для химической очистки воды. Этот метод эффективен при высокой концентрации легко восстанавливаемых элементов в природном источнике или промышленной отработанной воде.

Универсален ли химический метод очистки воды

Химическая очистка воды не является универсальным и санитарно надежным методом водоподготовки. Устранение с помощью реагентов загрязнителей и выравнивание рН среды наиболее применимо в системах оборотного водоснабжения на промышленных производствах. Окислители не устраняют загрязнения, а переводят их в другие соединения, требующие применения физических или физико-химических методов для удаления осадков из водного раствора. Применяя химические реагенты для очистки воды нужно быть уверенным, что их действие не приведет к образованию новых нежелательных загрязнений, ухудшающих органолептические показатели воды. Только комплексный подход при выборе методов водоочистки, основанный на химическом анализе загрязнителей дает полноценную очистку воды от всех видов примесей и растворенных веществ.

Источник

Как речная вода становится питьевой?

Открыть кран и налить воду в чайник — что может быть проще? Взять речную воду, очистить её до состояния питьевой, а потом грязный канализационный сток превратить обратно в чистую воду — что может быть сложнее? И затратнее. Разбираемся, как вода из рек попадает к нам в кран и сколько приходится платить за её очистку.

Основные источники пресной воды

71% нашей планеты покрыт водой. В основном, солёной водой, абсолютно непригодной для питья. В общем количестве мировой воды всего 3% пресной. Если из этого скромного объёма убрать 68% льдов на полюсах и 30% подземных пресных источников, останется 0,8% в вечной мерзлоте, 0,2% в озёрах, 0,006% в реках и ещё чуть-чуть в атмосфере. То есть, количество легкодоступной пресной воды на планете мало, а та, что есть, чаще всего не подходит для питья без обработки. Так что примем за отправную точку тот факт, что питьевая вода — дорогой и дефицитный ресурс.

Россия лидирует по количеству поверхностной пресной воды, поэтому чаще всего воду для городского водоснабжения берут из крупных озёр и рек. Для небольших поселений используются артезианские скважины. Но даже в тех местностях, где протекают относительно чистые реки или прорыты скважины, вода требует подготовки перед тем, как её можно будет использовать для центрального водоснабжения, ведь в воде могут быть вирусы, опасные бактерии, тяжёлые металлы и прочие химические загрязнения. Так железистая вода бьёт по печени и сердечно-сосудистой системе, избыток фтора портит зубы и кости, диоксины, оставшиеся от сжигания мусора, вредят нервной системе и вызывают рак, слишком жёсткая вода провоцирует образование камней в почках, а свинец отрицательно влияет на развитие детей и вызывает анемию. А уж про бактерии и вирусы и так всё понятно — заболевания, аллергии и расстройства ЖКТ обеспечены. Да и использованную воду тоже хорошо бы очищать, а не просто сливать обратно в реку.

Городской цикл очистки воды состоит из двух этапов: забор воды из водоёмов и очистка для использования в водопроводах, а затем очистка получившихся канализационных стоков и сброс воды обратно в водоёмы. То есть водоснабжение и канализация.

Очистка воды для водопровода

Сперва на примере Москвы разберёмся, как вода попадает в водопровод. Как сообщает сайт Мосводоканала, «централизованное водоснабжение московского региона осуществляется, в основном, из поверхностных водоисточников. Ими являются Москворецко-Вазузская и Волжская водные системы, в которые входят 15 водохранилищ и тракты подачи воды — река Москва с притоками и канал им. Москвы.» Общая суточная водоотдача водозаборных станций столицы составляет 11 млн кубометров, что почти вчетверо превышает потребление.

Москвичи пьют воду из протекающей через весь город реки Москвы, хотя эта мысль сперва пугает. На самом деле, прежде чем содержимое судоходных рек попадёт в квартиры, вода проходит комплексную очистку на одной из четырёх станций водоподготовки. Места забора воды из рек закрыты и тщательно охраняются — это буквально стратегические объекты.

После грубой фильтрации воду озонируют, избавляясь от органики всех размеров, и смешивают с коагулянтами и флокулянтами. Эти реагенты «сбивают» оставшиеся загрязнения в хлопья, которые затем оседают. Смешивание воды с реагентами происходит в течение десяти минут — при меньшем времени хлопья не образуются, при более длительном смешивании уже начинают разрушаться. После отстоя осадка, воду вновь озонируют и отправляют фильтроваться.

Тонкие струйки воды после отстоя хлопьев. Источник: Мосводоканал

В качестве фильтра выступает двухметровый слой песка, сквозь который вода проходит естественным образом. Очищают такой фильтр примерно раз в сутки напором чистой воды с обратной стороны. Далее воду переливают в другой резервуар, где она так же, под собственным весом проходит через полутораметровый слой древесного угля.

Последним этапом очистки выступают мембраны, способные задержать частицы с размером всего 0,01 микрон (это не опечатка). Каждый час мембраны чистятся обратным потоком воды. С этого момента вода считается питьевой, то есть полностью безопасной для здоровья. Анализ воды на всех этапах производится каждые четыре часа, а в условиях повышенного риска (например, весеннее половодье) раз в час.

Мембранные модули и их содержимое. Источник: Мосводоканал

Кстати, хлором воду не чистят — его, вернее безопасный гипохлорит натрия, добавляют в самом конце, чтобы предупредить заражение воды во время прохождения по городским трубопроводам. По крайней мере в Москве холодная вода из-под крана официально считается полностью безопасной для питья без дополнительной очистки и кипячения.

Очистка канализационных стоков

Превратить речную воду в питьевую непросто, но ещё сложнее канализационный сток очистить до состояния чистой и безопасной для экологии воды. Столицу обслуживают четыре водоочистных станции, куда стекается сточная вода из канализаций. Самая крупная и современная из них, Курьяновская, после модернизации способна обрабатывать до 3,1 млн кубометров в сутки. Люберецкие сооружения при необходимости примут ещё 3 млн кубометров, Зеленоградские и Бутовские вместе — 220 тыс. кубометров. То есть запас мощности очистных сооружений, которые превращают московские стоки в чистую безопасную воду, вдвое превышает текущее потребление города.

Работают они так. Сперва по трубам сток поступает в приёмную камеру очистной станции — это большие резервуары, до недавних пор открытые, от которых невыносимый запах разносился на километры вокруг. К счастью, московские очистные сооружения накрыли специальными крышками, поэтому жители окрестных домов наконец смогли забыть о запахе канализации.

Невыносимо грязная вода с огромным количеством мусора, спущенного в канализацию, проходит грубую механическую очистку, в ходе которой удаляются все посторонние предметы, видимые глазом. Сухой остаток прессуется и вывозится на полигоны хранения.

Далее в отстойниках часть грязи оседает естественным образом, после чего воду, всё ещё грязную и дурно пахнущую, можно отправлять на аэрирование. В ходе этого процесса в аэротенках (это не опечатка!) воду смешивают со специальным илом и бактериями, которые «съедают» большую часть загрязнений и органики.

В тёплой, насыщенной кислородом воде бактерии быстрее очищают воду. Источник: Мосводоканал

Оседающий ил медленно убирается илососами. Вы, наверное, встречали фотографии очистных сооружений, где в круглых бассейнах от центра к краю построен мостик. Это и есть илосос, который медленно вращается, словно стрелка часов, и собирает со дна ил. К концу работы илососа вода становится визуальной чистой, но ещё не безопасной.

Отстойники с илососами — самая узнаваемая часть очистных сооружений. Источник: Мосводоканал

На последнем этапе воду на московских очистных сооружениях обеззараживают мощными кварцевыми лампами и затем сбрасывают в реку. Формально бывший канализационный сток чище, чем вода, забранная из реки для первичной очистки для водопровода. Кстати, ни хлорировать, ни озонировать канализационную воду нельзя, иначе остаточные следы газа и химикатов попадут в реку и заодно с бактериями уничтожат всё живое.

Наглядная схема современной очистки от Мосводоканала. Источник: Мосводоканал

Очиститель воды в кармане

Идея портативного средства для очистки любой воды до уровня питьевой была актуальна всегда. Во время Первой мировой солдаты изготавливали фильтры из песка, гравия и кирпича, для индивидуального использования предназначались таблетки с хлором и дехлорирующий агент. Сейчас в российские военные ИРП вкладывают таблетки для обеззараживания воды с натриевой солью дихлоризоциануровой кислоты.

Это не рекламный трюк — портативный фильтр LifeStraw действительно позволяет пить воду из любых источников. Ну, или почти из любых… Источник: Vestergaard

В 2008 году настоящим прорывом стал трубчатый фильтр LifeStraw от швейцарской компании Vestergaard, через который можно пить воду буквально из любого водоёма, хоть из лужи. Отличием LifeStraw от типичных угольных фильтров стало применение трубчатой мембраны с порами в 0,2 микрона, которая справлялась с бактериями и паразитами лучше угля. Ранние версии LifeStraw не защищали от тяжёлых металлов и вирусов, но обновлённый LifeStraw Flex смог отфильтровать и их. Разные версии LifeStraw имеют ресурс от 1800 до 4000 литров и стоимость от $19,95.

Пучок тонких трубочек — это и есть мембранная фильтрующая система LifeStraw. Точно такая же, как на мембранных фильтрах московских очистных сооружений. Источник: YouTube

Сейчас в продаже можно найти множество туристических бутылок и трубок с фильтрами, однако, стоит обращать внимание на фильтрующий элемент. Если в описании упоминается только уголь, не стоит рисковать, набирая воду из луж и стоячих водоёмов — ограничьтесь водопроводной водой. Уголь дезодорирует воду, убирает тяжёлые металлы и хлор, но пропускает вирусы и бактерии.

Сколько стоит очистка воды

Научно-техническая магия по превращению миллионов тонн отходов в воду звучит здорово, но сколько стоит такой сложный процесс? В открытом бюджете Москвы на сбор, удаление отходов и очистку сточных вод выделено около 900 млн. рублей в год, и это только обеспечение работы уже действующей инфраструктуры. А затраты на обновление и строительство новых сооружений могут исчисляться миллиардами.

Это при том, что меры эффективного использования и экономии позволили снизить траты воды даже в Москве, хотя население столицы за 20 лет выросло на треть. По данным всё того же Мосводоканала, в 2018 году москвичи тратили около 3 млн кубометров воды. Если в 1995 году каждый житель города сливал в канализацию порядка 450 литров в день, то теперь около 202 литров.

Важен и тот факт, что немалые деньги при очистке воды уходят на энергоснабжение. В США, к примеру, это 4% всей потребляемой электроэнергии.

Можно ли дешевле?

Если под рукой у предприятий водоснабжения нет дешёвых и экологически безопасных (редкое сочетание) источников энергии, то придётся обходиться тем, что есть, то есть использовать местные энергокомпании и платить им по установленным тарифам. Некоторую экономию в перспективе может дать обновление оборудования станции, но для этого требуются серьёзные инвестиции. Остаётся один путь: повысить эффективность энергопотребления, не снижая качества очистки.

Для Японии энергозатратность очистки воды тоже стала проблемой — на это уходит 0,7% электроэнергии страны, а электричество на острове значительно дороже российского. Юкио Хираока, главный специалист подразделения Water & Environmental Systems в Toshiba Infrastructure Systems & Solutions Corporation, предложил идею динамического изменения воздушного потока для аэрации воды в течение суток. На аэрацию, необходимую для жизнедеятельности бактерий, приходится до 60% электроэнергии очистных сооружений, однако поток стоков меняется в зависимости от времени дня — в утренние и вечерние часы больше, ночью новых стоков почти нет, излишняя аэрация уже очищенной воды ничего не даст. А значит, вместо постоянного аэрирования на одной мощности, можно менять подачу воздуха, сохраняя эффективность очистки воды.

Система аэрации с надстройкой от Toshiba. Источник: Toshiba

Для определения качества воды используется маркер NH4-N, количество которого говорит о готовности стоков к дальнейшей очистке. Основываясь на этом факте, Toshiba создала сенсор, который проверяет концентрацию NH4-N и количество растворенного в воде кислорода. Специальный софт считывает показания датчика и при необходимости «подкручивает вентиль», прекращая бессмысленную избыточную аэрацию.

Разработка Toshiba снизила воздушный поток на 10,3%, что позволило окупить её чуть больше, чем за два года и впоследствии снизить затраты на очистку воды за счёт уменьшения потребления электричества воздушными насосами. Решение Toshiba не требует переоснащения очистных сооружений — это лишь сенсор, компьютер и ПО, но в случае применения решения в масштабах целой страны, например, России, экономия на очистке воды будет исчисляться миллиардами рублей.

Источник