Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод - файл n1.doc

приобрести
Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод
скачать (12651.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc12652kb.19.09.2012 18:34скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Глава IV.3

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ

Удаление из воды примесей биологического происхождения про­изводится реагентными и безреагентными методами.

Среди реагентных методов обеззараживания широко используется обработка воды хлором и другими окислителями. В отличие от про­цесса коагулирования, приводящего к выделению микроорганизмов в осадок, окислительные методы только прекращают их жизнедея­тельность и дальнейшее развитие. Одновременно происходит окисле­ние гумусовых веществ, молекулярных органических соединений, ио­нов металлов с переменной валентностью и т. д. Из этого следует, что окислительные методы могут использоваться при удалении из воды веществ, относящихся ко всем IV группам примесей.

Хлорирование является наиболее распространенным методом обез­зараживания воды на водопроводах как в Советском Союзе, так и за рубежом. Оно проводится во всех случаях забора воды из поверхност­ных водоемов (после обязательной предварительной очистки), а также при получении воды из подземных источников, бактериальные показа­тели которой не соответствуют ГОСТ 2874—73 «Вода питьевая».

Хлорирование воды проводится газообразным хлором или вещест­вами, содержащими активный хлор: хлорной известью, гипохлорита-ми, хлораминами, оксидом хлора (IV) и др. Под «активным хлором» хлорсодержащих соединений условно понимают количество газооб­разного хлора, соответствующее количеству кислорода, выделяемому этими соединениями при введении их в воду.

Наиболее распространены в практике обеззараживания воды га­зообразный хлор, хлорная известь (на станциях производитель­ностью до 3 тыс. м3/сутки), гипохлориты и хлорамины.

§ 1. ДЕЙСТВИЕ ХЛОРА НА БАКТЕРИИ, МИНЕРАЛЬНЫЕ И ОРГАНИЧЕСКИЕ ПРИМЕСИ ВОДЫ

Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в окис­лении и хлорировании веществ, входящих в состав цитоплазмы клеток бактерий, вследствие чего бактерии гибнут. Возбудители брюшного

тифа, паратифов, дизентерии, холеры очень чувствительны к хлору. Даже сильно зараженная бактериями вода в значительной мере де­зинфицируется сравнительно небольшими дозами хлора. Однако при хлорировании полная стерилизация воды не происходит, в ней остают­ся единичные, сохраняющие жизнеспособность хлоррезистентные особи.

Бактерицидный эффект10 хлора в значительной степени зависит от его начальной дозы и продолжительности контакта с водой. Обычно на разрушение бактериальных клеток расходуется лишь незначитель­ная часть вводимого в воду хлора. Большая же часть хлора идет на реакции с разнообразными органическими и минеральными примеся­ми, содержащимися в воде. К таким веществам относятся: гумус, про­дукты распада клетчатки и белков, соли двухвалентного железа, ни­триты, аммиак и соли аммония, сероводород и др. Реакции хлора с этими соединениями протекают с различной скоростью и в зависи­мости от концентрации хлора, рН и температуры воды, а также дру­гих факторов могут останавливаться на той или иной стадии. Коли­чество хлора, поглощенного в результате его взаимодействия с содер­жащимися в воде веществами, называется хлоропоглощаемостью воды.

Хлоропоглощаемость воды определяется количеством хлора (в мг/л), расходуемого при 30-минутном контакте его с исследуемой водой. Хлоропоглощаемость воды зависит от дозы вводимого хлора, а также содержания веществ, реагирующих с ним. Обычно хлоропо­глощаемость речных и озерных вод составляет 2—2,5 мг/л СЬ, в воде прудов и болот она повышается до 5 мг/л СЬ. Резкое увеличение ко­личества поглощенного хлора может свидетельствовать о загрязне­нии воды органическими веществами и ее санитарном неблагополу­чии.

Для сравнения хлоропоглощаемости различных вод можно поль­зоваться показателем хлорируемости воды, представляющим собой условную дробь, числителем которой является 1, а знаменателем— доза хлора, обеспечивающая после 30-минутного контакта 0,5 мг/л остаточного хлора.

На практике при определении необходимой дозы хлора исходят из общей хлоропотребности воды, включающей хлоропоглощаемость ее и некоторый избыток хлора, обеспечивающий в течение определенного отрезка времени бактерицидный эффект. Избыток хлора необходим для предотвращения возможности вторичного бактериального загряз­нения воды во время прохождения по сети. Содержание остаточного активного хлора в водопроводной воде как показатель эффективности хлорирования регламентируется ГОСТ 2874—73 и должно составлять не менее 0,3 и не более 0,5 мг/л после 30-минутного контакта хлора с водой. Оптимальную дозу хлора, необходимую для получения задан­ной величины остаточного хлора, устанавливают путем проведения пробного хлорирования, в результате которого строят кривую хлоро­поглощаемости воды за 30 мин.

Кривая «введенный хлор — остаточный хлор» для значительного большинства вод имеет вид, характеризующийся первоначальным подъемом величины остаточного хлора с увеличением дозы введенно-

го, затем спадом и, наконец, вторичным подъемом, который характе­ризуется пропорциональным увеличением концентрации остаточного хлора в зависимости от дозы введенного. Л. А. Кульский и затем К. Кальверт указали на тесную связь дозы хлора, необходимой для достижения минимума на кривой, с концентрацией свободного и свя­занного аммиака, присутствующего в воде.

Исследования Л. А. Кульского и О. К. Лебединцевой по изучению влияния аммиака на процесс хлорирования воды показали, что в пре­делах рН от 5 до 9 и при количественных соотношениях С12 и NH3 не более чем 4,1 : 1 образуется исключительно монохлорамин. При соот­ношении C12:NH3=7,31:1 монохлорамин полностью разлагается с образованием азота, его оксида и хлорид-иона по уравнению реакции



Обработка воды хлором в количествах, меньших дозы, соответ­ствующей образованию минимума на кривой, называется хлорирова­нием до точки перелома; обработка большими дозами называется хло­рированием за точкой перелома. Хлорирование дозами, соответствую­щими минимуму на кривой, называется хлорированием по точке перелома.

Двукратное хлорирование не увеличивает ощутимо бактерицидный эффект по сравнению с введением суммарной дозы единовременно.

Изменение температуры от 10 до 40 °С при постоянной концен­трации остаточного хлора оказывает сравнительно небольшое влия­ние на бактерицидный эффект хлорирования.

Наличие взвешенных в воде примесей органического и минераль­
ного происхождения значительно снижает бактерицидный эффект
хлорирования: их поверхность, сорбируя на себе хлор, извлекает его из воды. Кроме того, бактерии, находящиеся внутри хлопьев или комочков взвесей, в меньшей степени подвергаются влиянию хлора.
Обеззараживание богатых примесями вод требует увеличенных доз
хлора и продолжительного контакта его с водой. Гигиенические и вку­
совые качества воды при этом обычно снижаются. \

Хорошие результаты обеззараживания воды достигаются хлори­рованием повышенными дозами (перехлорирование) с последующим дехлорированием воды. Увеличение бактерицидного эффекта неболь­ших доз хлора может быть достигнуто применением комбинирован­ных мртодов хлорирования (прибавлением к хлорируемой воде пер-манганата калия или солей тяжелых металлов).

Хлор, как уже отмечалось, наряду с обеззараживанием окисляет и разрушает органические примеси воды, вследствие чего снижается цветность воды, ее привкусы, запахи, а также другие показатели, свя­занные с наличием в воде органических веществ (например, ее вспе-ниваемость). Разрушение при хлорировании гуминовых веществ, ста­билизирующих неорганические суспензии (гидроксид алюминия, ги-дроксид железа, глинистые частички) и препятствующих их слипанию и осаждению, способствует улучшению процессов очистки воды.

Известны однако случаи, когда хлорирование приводит к образо­ванию сильно пахнущих продуктов. Особенно устойчивыми и непри­ятными являются хлорфенольные привкусы и запахи, возникающие













Окислительный потенциал СlO2 в кислых средах составляет 1,5 В. Оксид хлора (IV) легко растворяется в воде, не гидролизуясь. Рас­творимость его в воде при температуре 25 °С составляет 81,06 г/л, при 40 °С —51,40 г/л.

Оксид хлора (IV) имеет перед хлором то преимущество, что при обработке вод, содержащих фенолы, не возникают хлорфенольные за­пахи, так как фенол практически окисляется С1О2 до хинона и малеи-новой кислоты, которые в малых концентрациях не придают воде за­паха и привкуса. Поэтому использование оксида хлора (IV) может быть рекомендовано для повышения эффективности обеззараживания и предупреждения возникновения специфических запахов в воде.

При очистке воды в полевых условиях большое значение имеют органические и неорганические хлорамины.

Органическими хлораминами называются производные NH3, у которых один атом водорода замещен на органический радикал, а второй или даже оба оставших­ся водородных атома замещены на хлор (типа RNHCl или RNСl2). Хлорамины обла­дают ярко выраженными окислительными свойствами и могут использоваться как хлорирующие агенты в тех случаях, когда желательно избежать побочных реакций, протекающих при хлорировании газообразным хлором.

Интенсивность бактерицидных свойств хлорсодержащих соедине­ний увеличивается в ряду хлорамин — хлорная известь — хлор — ок­сид хлора (IV).

§ 3. МЕТОДЫ ХЛОРИРОВАНИЯ ВОДЫ

Хлорирование воды является мероприятием, постоянно осуществ­ляемым на коммунальных водопроводах и на станциях по обработке бытовых и некоторых категорий производственных сточных вод. Кро­ме того, хлорирование проводится как кратковременное или периоди­ческое мероприятие, необходимое для дезинфекции вводимых в экс­плуатацию участков водопроводной сети, фильтров, резервуаров чис­той воды и т. п.

При уточнении методики хлорирования необходимо учитывать це­левое назначение этого процесса, наличие загрязнений, имеющихся в воде, и их характер, возможные колебания в составе примесей воды и специфические особенности очистных сооружений.

Исходя из различных целей хлорирования, существующие методы обработки воды хлором и веществами, содержащими активный хлор, можно объединить в две основные группы: постхлорирование и пре-хлорирование.

Постхлорирование — это процесс обеззараживания воды, который проводится после всех других способов ее обработки и явля­ется, таким образом, завершающим этапом очистки воды. Если вода не подвергается другой обработке, кроме обеззараживания, то и в та­ком случае это будет постхлорирование.

Постхлорирование может проводиться как небольшими (нормаль­ное хлорирование), так и повышенными дозами (перехлорирование). Применяется оно и совместно с другими обеззараживающими вещест­вами (комбинированное хлорирование).

Нормальное хлорирование применяется для обеззараживания во­ды, забираемой из надежных в санитарном отношении источников и обладающей хорошими физико-химическими показателями. Дозы хло­ра должны обеспечивать необходимый бактерицидный эффект без ухудшения органолептических показателей качества воды. Количест­во остаточного хлора после 30-минутного контакта воды с хлором до­пускается не выше 0,5 мг/л, так как в противном случае вода приобре­тает специфический привкус и запах.

Перехлорирование применяется в тех случаях, когда наблюдаются резкие колебания бактериального загрязнения воды и когда нормаль­ное хлорирование не дает должного бактерицидного эффекта или приводит к ухудшению органолептических показателей качества воды (например, при наличии в воде фенолов). Перехлорирование устраня­ет многие неприятные привкусы, запахи и в некоторых случаях может применяться для очистки воды от токсических веществ.

Доза остаточного хлора при перехлорировании обычно устанавли­вается в пределах 1—10 мг/л. Известны случаи, когда перехлорирова­ние проводилось очень высокими дозами — до 100 мг/л (суперхлори­рование). Большие дозы хлора дают быстрый и надежный эффект.

Излишек хлора, превышающий допустимую в воде концентрацию, удаляется дехлорированием. При небольшом избытке хлор можно уда­лить аэрированием, а при высоких концентрациях остаточного хлора применяются химические методы. Из них наиболее распространены в практике дехлорирования обработка воды тиосульфатом (гипосуль­фитом), сульфитом натрия, аммиаком, сернистым газом (оксид серы (IV)) и активным углем.

Некоторые преимущества по сравнению с описанными способами имеет дехлори­рование воды путем фильтрования ее через фильтры, заполненные гранулированным активным углем. В этом случае в воду не вводятся никакие посторонние ве­щества, в то же время углем поглощается не только избыточный хлор, но и мно­гие другие примеси, ухудшающие органолептические свойства воды. Процесс де­хлорирования протекает автоматически, и контроль за ним не сложен.

Регенерация угольных фильтров достигается промывкой их подогретым раст­вором щелочи, а затем водой.

Комбинированные методы хлорирования, т. е. обработка воды хло­ром совместно с другими бактерицидными препаратами может приме­няться для усиления действия хлора или фиксации его в воде на более длительный срок. К комбинированным методам относятся: хлориро­вание с манганированием, хлорсеребряный и хлормедный способы, а также хлорирование с аммонизацией.

Комбинированные методы используются не только для обработки больших количеств воды на стационарных водопроводах, но и как индивидуальные средства обеззараживания воды.

Хлорирование с манганированием (добавление КМnО4) применя­ется при обработке вод с неприятными запахами и привкусами, вы­званными наличием органических веществ, водорослей, актиномице-тов и др. В некоторых случаях такая смесь действует более эффектив­но, чем перехлорирование. Введение перманганата калия может проводиться до хлорирования или после него, а доза зависит от места ввода его в обрабатываемую воду по ходу технологического процесса.

В тех случаях, когда обработке подвергается вода перед отстойника­ми, доза КМnО4 может доходить до 1 мг/л, так как избыточный, неиз­расходованный на окисление перманганат калия восстанавливается в воде до оксида марганца (IV) МnО2, который задерживается на филь­трах. Если перманганат калия вводится в очищенную воду, т. е. после фильтров, то концентрация его во избежание выпадения осадков МnО2 не должна превышать 0,08 мг/л.

Комбинированные хлорсеребряный и хлормедный способы осуще­ствляются путем одновременного введения в воду хлора и ионов се­ребра и меди. Усиление бактерицидного действия хлорирования нахо-. дится в пределах суммарного обеззараживающего действия хлора и ионов серебра или меди. Благодаря тому, что бактерицидность сереб­ра увеличивается при нагревании, бактерицидный эффект хлорсереб-ряпого способа возрастает в теплое время года.

Хлорсеребряный способ может использоваться не только для обез­зараживания питьевых вод, но и для предотвращения их повторного бактериального заражения, т. е. для консервирования воды.

Получение необходимой концентрации ионов серебра достигается введением нитрата серебра или серебряной воды (см. далее).

Одним из наиболее распространенных способов фиксации активно­го хлора в воде является хлорирование с амионизацией. Аммонизация осуществляется введением в обеззараживаемую воду аммиака или со­лей аммония. В зависимости от целевого назначения аммонизация должна производиться непосредственно перед хлорированием (пре-ампонизация) или после него (постаммонизация).

Длительность бактерицидного действия при хлорировании с аммо-низацией зависит от соотношения масс хлора и аммиака. Наиболее длительное действие достигается при соотношении хлора и аммиака, отвечающего образованию монохлорамина, окислительный потенциал которого ниже, чем у свободного хлора. В связи с этим на процессы окисления присутствующих в воде органических веществ, а также на процессы коррозии расходуется меньше монохлорамина. Поэтому осо­бенно большой эффект при комбинировании хлорирования с аммони-зацией наблюдается при обеззараживании вод, богатых органически­ми веществами, легко окисляющимися хлором. При обеззараживании вод с малой хлоропоглощаемостыо может наблюдаться обратное явление: концентрация активного хлора при хлорировании с аммони-зацией уменьшается более интенсивно, чем при обычном хлорирова­нии. Это явление объясняется окислением и разложением монохлор­амина, которое особенно интенсивно протекает при избытке активного хлора. Максимальная скорость окисления наблюдается при рН = 7—9. Разложение монохлорамина особенно интенсивно протекает при рН = 5—7.

Скорость процесса обеззараживания воды хлораминами меньше скорости обеззараживания хлором, поэтому контакт воды с хлором при преаммонизации должен быть более длительным (не меньше 2 ч).

Расход активного хлора в случае применения раствора хлорамина не меньше, чем при использовании растворов свободного хлора. По­этому проведение хлорирования с аммонизацией является эффектив­ным при содержании в воде большого количества органических при-

месей. В этом случае потери хлора за счет разложения хлорамина уже не могут играть существенную роль, так как они будут меньше того количества хлора, которое при отсутствии аммиака пошло бы на окис­ление органических примесей воды.

Прехлорирование воды можно использовать в качестве средства, улучшающего некоторые процессы очистки воды (например, коагулирование и обезжелезивание), а также как эффективный спо­соб обезвреживания некоторых токсических веществ.

Прехлорирование, как правило, осуществляется большими дозами хлора, но в отличие от перехлорирования оно не требует последующе­го дехлорирования воды, так как избыточное количество хлора обыч­но полностью удаляется при дальнейших процессах ее обработки. Из­быточный хлор расходуется на окисление различных примесей воды, сорбируется хлопьями коагулянта, окисляет организмы, развивающие­ся на поверхности и в толще загрузки фильтров и т. д.

Практическое использование процесса хлорирования воды в основ­ном охватывается пре- и постхлорированием. В практике очистки вод применяется также двойное хлорирование (пре- и постхло­рирование). В таком случае к каждому из этих процессов предъявля­ют различные требования: первичное хлорирование проводят для того, чтобы подготовить воду к последующим этапам очистки (хлор вво­дится во всасывающие водоводы); от конечного хлорирования требу­ется обеспечение необходимой концентрации остаточного хлора в воде, гарантирующей ее надлежащее санитарное качество (хлор вводится после фильтров). Двойное хлорирование используется при высокой цветности исходной воды, при повышенном содержании в ней органи­ческих веществ.

Для обработки воды газообразным хлором используют специаль­ные установки (хлораторы), в которых последовательно осуществля­ется испарение хлора, механическая очистка, дозирование и растворе­ние в воде. Хлорирование производится выходящей из хлоратора хлорной водой или газообразным хлором, который смешивается с обрабатываемой водой в специальных устройствах — диффузорах. Хлораторы механизированы и компактны; они бывают различных ти­пов, мощностей и имеют различное назначение.

§ 4. ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДЫ

Перспективным методом обеззараживания воды является обра­ботка ее озоном. Как известно, озон является аллотропической модн фикацией кислорода: молекулы его в отличие от молекул кислорода состоят не из двух, а из трех атомов кислорода.

При нормальной температуре и давлении озон представляет собой газ бледно голубого цвета с плотностью 1,678 (относительно воздуха). Он обладает характер­ным запахом, ощутимым уже при разбавлении в воздухе 1 : 500 000. Растворимое!і озона при температуре 0 °С и давлении 0,1 МПа составляет 980 мг/л. В воде озон быстро разлагается. Так, концентрация озона 2,5 мг/л через 20 мин уменьшается до 1,5 мг/л, а через 45 мнн до 1 мг/л.

Обеззараживающее действие озона основано на его высокой окис­лительной способности, объясняющейся легкостью отдачи им активно­го атома кислорода О3 = О2+О.













процесса смешения озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой. В современных установках для этого применяют барботирование или смешение в струйных насосах. Наиболее общая схема установки для озонирования, оснащенная бассейнами для барботирования озоновоздушной смеси через воду, представлена на рис. IV. 20, в.

§ 5. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ ИОНАМИ СЕРЕБРА

Ионы серебра, даже в самых малых концентрациях, обладают свойством уничтожать микроорганизмы, что объясняется их способно­стью разрушать и денатурировать цитоплазму клеток.

Степень активности ионов тем больше, чем выше их концентрация в растворе. Примеси, которые содержатся в воде, отрицательно влия­ют только в том случае, если они связывают ионы серебра в малодис-социированные или труднорастворимые соединения, выпадающие в осадок, либо восстанавливают их до металла.

Повышение температуры вызывает значительное усиление бакте­рицидного действия ионов серебра (рис. IV.21).

Обогащение воды ионами серебра достигается несколькими мето­дами: методом контактирования воды с развитой поверхностью ме­талла (посеребренные кольца Рашига, бусы и песок Г. Краузе, С. В. Мойсеева, а также оксидированные посеребренные препара­ты В. А. Углова), методом непосредственного растворения в воде пре­паратов серебра (аммарген П. Е. Ермолаева, олигодин и др.) и элек-





На рис. IV. 24 показана принципиальная схема получения сереб­ряной воды методом электролиза.

В природных водах, которые содержат различные неорганические вещества в ионном и коллоидном состояниях и имеют разное значение рН, бактерицидный эффект ионов серебра может значительно изме­няться. Это объясняется образованием комплексов и малораствори­мых соединений, изменением условий адсорбируемости серебра взве­сями и коллоидами воды, а также другими процессами, снижающими концентрацию ионов в растворе или ухудшающими условия кон­такта.

Оптимальными бактерицидными дозами серебра для обеззаражи­вания большинства прозрачных вод, не содержащих большого коли­чества хлоридов (до 25 мг/л), являются дозы 0,05—0,20 мг/л. Для по­лучения требуемого эффекта в водах с более высоким содержанием хлоридов дозу серебра приходится повышать. Применять серебро для обработки мутных вод вообще нецелесообразно, так как обеззаражи­вание воды в этом случае происходит крайне медленно, а эффект получается низким вследствие сорбции частичками мути ионов се­ребра.

Промышленное использование процесса обеззараживания воды ионами серебра требует экспериментального подбора необходимой до­зы серебра и продолжительности контакта его с водой. Особенно эф­фективен метод обеззараживания воды ионами серебра при необходи­мости ее длительного хранения, так как бактерицидное действие даже небольших доз серебра сохраняется на протяжении многих месяцев.

Интерес к методу обеззараживания воды электролитическими рас­творами серебра в настоящее время значительно возрос. Его рекомен­дуется применять для обеззараживания воды на небольших водопро­водах, в тех местах, где применение хлора нежелательно и требуется длительное хранение питьевой воды (например, на кораблях). Кроме того, серебро используют для дезинфекции небольших количеств воды (до 2 л/с) в санаториях, больницах и других учреждениях, а также для обеззараживания воды в плавательных бассейнах.

§ 6. ИОДИРОВАНИЕ ВОДЫ

Из галогенов, кроме хлора, для обеззараживания воды применяются еще иод и бром. Однако в практику водоснабжения вошло лишь иодирование воды. Иодиро­вание имеет ряд преимуществ перед хлорированием:

  1. меньшая длительность контакта с водой;

  2. более высокий бактерицидный эффект;

  3. расширение диапазона бактерицидного действия;

  4. иод не является элементом, чуждым человеческому организму;

  5. концентрация иода в обработанной воде нередко не превышает фоновых
    значений исходной воды.

§ 7. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМИ ЛУЧАМИ

Отрицательное действие света на развитие большинства бактерий было замечено давно и приписывалось солнечному спектру. Однако при более тщательном изучении этого явления оказалось, что бак­терицидным действием обладает в основном коротковолновая часть спектра (длина волн 200—295 нм), причем максимально эффектив­ными оказались ультрафиолетовые лучи с длиной волны около 260 нм.

Вода под действием ультрафиолетовых лучей в течение относитель­но непродолжительного времени полностью обеззараживается, не ме­няя физических и химических свойств, и, следовательно, оставаясь со­вершенно безвредной.

Обеззараживанию ультрафиолетовыми лучами лучше всего подвер­гать очищенную прозрачную воду, цветностью не выше 35 град и мут­ностью не более 3 мг/л, так как взвешенные и коллоидные примеси рассеивают свет и препятствуют проникновению ультрафиолетовых лучей.

Источниками ультрафиолетовых лучей служат ртутные лампы, из­готовляемые из кварцевого стекла (обычное стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи).

Существует два основных вида аппаратов для облучения: аппара­
ты с погруженными и непогруженными источниками ультрафиолето­
вых лучей. '

Аппараты с погруженными источниками отличаются высоким ко­эффициентом использования мощности радиации, но конструктивно они сложны, особенно при большой производительности (рис. IV.25).

Аппараты с непогруженными источниками в конструктивном отно­шении оформляются относительно просто (рис. IV.26), однако в них непроизводительно теряется часть бактерицидной мощности вследст-



Обеззараживание облучением осуществляется без введения в воду химических реагентов, не изменяет физико-химических свойств приме­сей и не оказывает влияния на вкусовые качества воды. Однако приме­нение метода ограничивается высокой стоимостью обработки воды и отсутствием последействия. Последнее исключает использование мето­да, если существует опасность повторного заражения воды.

§ 8. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ ВОЛНАМИ

Ультразвуком называют механические колебания, частота которых выше порога слышимости человеческого уха, т. е. более 20 000 колеба­ний в секунду (20 кГц и более).

Биологическое действие ультразвуковых волн известно давно. Было замечено, что вблизи источников ультразвука мелкие рыбы и лягушки погибают; крупные клетки, особенно нитеобразной формы, разрываются, у мелких клеток разрушается цитоплазма и хлоропласт; дрожжевые клетки утрачивают способность размножать­ся. Молоко становится стерильным.

При помощи ультразвука можно получать стойкие эмульсии, активизировать процессы окисления, вызывать коагуляцию коллоидов и глубокие молекулярные из­менения веществ.

Наиболее вероятна гипотеза, объясняющая действие ультразвука на находящиеся в воде бактерии, взвешенные и коллоидные вещества явлением ультразвуковой кавитации, т. е. образованием в жидкости полостей или пузырьков, мгновенное «захлопывание» которых создает местные повышения давления до десятков тысяч атмосфер. Ультразву-ковые колебания получают пьезоэлектрическим или магнитострикцион-ным способом.

Первый способ основан на способности пластинок из горного хрусталя или квар­ца, обладающих свойством утолщаться и утончаться под действием переменного тока, генерировать ультразвук той же частоты, что и частота переменного поля.

Магнитострикционный способ основан на свойстве металлического стержня (никелевого или стального), быстро намагничиваемого и размагничиваемого, пе­риодически удлиняться или укорачиваться, издавая при этом звук определенной частоты. Магнитострикционный способ дешевле пьезоэлектрического, но менее эф­фективен.

Биологическое действие ультразвука может быть использовано для обеззараживания питьевых и сточных вод, а также для борьбы с водорослями и биологическими обрастаниями на очистных сооруже­ниях.

Физико-химическое действие ультразвука можно применить для активизации процесса коагуляции коллоидов и взвешенных веществ, дегазации и дезодорации воды, интенсификации отстаивания суспен­зий, активизации окисления и распада неорганических и органических веществ, а также адсорбции, для приготовления растворов реагентов и смешения их с обрабатываемой водой.

§ 9. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ

Термический метод обычно применяется для обеззараживания не­больших количеств воды. Этим методом пользуются в бытовых усло­виях, в санаториях, больницах, на пароходах, в поездах и т. д. Обез­зараживание воды достигается 5—10-минутным кипячением.

Термический метод обеззараживания воды не нашел применения даже на малых водопроводах, что объясняется большим расходом топ­лива и малой пропускной способностью аппаратов.

Глава IV.4 УСТРАНЕНИЕ ЗАПАХОВ И ПРИВКУСОВ ВОДЫ

Наличие в воде привкусов и запахов обусловливается особенностя­ми ее минерального и органического состава.

Источником органических веществ естественного происхождения являются атмосферные осадки, наземные растения, высшая водная растительность, актиномицеты, фитопланктон и т. д.

Вещества, продуцируемые высшей водной растительностью (роголистником, стрелолистом, ряской трехдольной, камышом и др.), обусловливают появление бо­лотного и рыбного запаха, а также запаха свежей и разложившейся зелени, мокрой соломы и т. д.

Причиной появления в воде затхлого, землистого запаха являются в основном актиномицеты (род лучистых грибов).

При развитии в воде бактерий наблюдаются гнилостные, землистые, затхлые, приятные ароматические запахи, кислые, сходные с запахом бензина, спирта, аммиа­ка и т. п.

Наибольшее ухудшение органолептических показателей качества воды наблюдается при массовом развитии в ней водорослей — «цве­тении» воды. Интенсивность и характеристика возникающих при этом запахов определяются видом водорослей, количеством клеток в 1 мл и их качеством.

Привкусы и запахи появляются также при попадании в природ­ные воды ряда органических веществ с производственными стоками, а также в результате смыва их с полей, обрабатываемых химика­тами.

Большое влияние на органолептические показатели качества воды оказывают фенолы, нефтепродукты и поверхностно-активные веще­ства.

Фенолы присутствуют в сточных водах многих предприятий (кок­сохимических заводов, газогенераторных станций, фабрик по произ­водству кинопленки и др.), но основным источником являются сточные воды, образующиеся при термической переработке твердого топлива. Предельно допустимая концентрация (ПДК) фенолов (образующих в воде хлорфенолы), установленная на основании органолептических по­казателей вредности, равняется 0,001 мг/л.

По распространенности и влиянию на водоемы после фенола идут нефть и нефтепродукты. Они растворяются в воде, но устойчивы к био­химическому окислению, что очень усиливает опасность загрязнения ими природных вод. Большие концентрации нефти (400—500 мг/л) придают воде сильный запах, повышают цветность, окисляемость, сни­жают содержание растворенного кислорода. Реальные в условиях за­грязняемых водоемов количества нефти (5—20 мг/л), не влияя замет­но на химический состав воды, изменяют ее органолептические пока­затели.

Пороговые концентрации по запаху для нефти и нефтепродуктов, находящихся в эмульгированном и растворенном состоянии, состав­ляют в большинстве случаев 0,2—0,3 мг/л.

Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) в послед­нее время широко применяются в целом ряде производств. ПДК неи-оногенных СПАВ в воде по органолептическому признаку составляют 0,45—1,8 мг/л, а для анионо-активных СПАВ — 0,5 мг/л. При наличии в воде СПАВ в количестве 0,2 мг/л и выше отмечается появление мыльного, керосинового, рыбного запахов и горького привкуса, кото­рые усиливаются при хлорировании.

Серьезную опасность для водоемов представляют широко исполь­зуемые в настоящее время пестициды. Попадая в водоемы, пестициды ухудшают органолептические свойства воды как непосредственно из-за привкусов и запахов, вызываемых самими веществами, так и косвен­но, являясь причиной гибели рыб. ПДК пестицидов в воде по органо­лептическому признаку составляет от 0,003 до 0,2 мг/л. Поскольку быстрого обезвреживания пестицидов в самих водоемах не происходит и нет возможности управлять количеством пестицидов, поступающих в воду, возникает необходимость разработки надежных методов очистки воды непосредственно на водопроводных станциях.

В ряде случаев снижение органолептических показателей воды может явиться следствием нарушения технологического процесса обработки воды. Например, при обеззараживании воды увели­ченные дозы хлора обусловливают появление в воде хлорного за­паха, а пониженные — могут привести к образованию промежуточ­ных продуктов хлорирования, обладающих специфическими запа­хами.

Методы устранения запахов и привкусов зависят от характера ве­ществ, вызывающих их появление, и состояния, в котором они нахо­дятся (ионные и молекулярные растворы, коллоиды, взвеси).

Как уже указывалось, некоторые методы обработки воды способст­вуют удалению из нее неприятных запахов и привкусов. Так, проду­цирующие запахи и привкусы вещества, находящиеся во взвешенном или коллоидном состоянии, устраняются из воды коагулированием. Привкусы и запахи, обусловленные повышенным содержанием неор­ганических веществ, находящихся в ионном или молекулярном состоя­нии, удаляются методами корректирования минерального состава во­ды (обессоливанием, обезжелезиванием, дегазацией и др.). Привкусы и запахи биологического происхождения, а также обусловленные ор­ганическими соединениями, вносимыми с производственными стоками, удаляются в основном с помощью окислителей, адсорбентов, а также аэрированием.

Достижению необходимых вкусовых качеств воды способствует также соблюдение оптимального технологического режима обработки воды и правил эксплуатации очистных сооружений. Однако очень час­то удаление привкусов и запахов требует осуществления специальных мероприятий.

Поскольку устранение запахов и привкусов (дезодорация воды) довольно сложно, большое значение приобретает профилакти­ка их появления, заключающаяся в защите водоемов от загрязнения сточными водами и проведении предупреждающих мер.

Надежными профилактическими методами борьбы с привкусами и запахами воды являются охрана прибрежной полосы от загрязнений, очистка дна и берегов реки от илистой загнивающей растительности, а также очистка и дезинфекция очистных сооружений, обеспечивающая уничтожение сине-зеленых водорослей и других организмов, вызываю­щих появление привкусов и запахов.

К наиболее распространенным методам борьбы с ухудшением ор-ганолептических показателей воды, вызванных массовым развитием водорослей в водоемах, следует отнести купоросование. Мед­ный купорос не устраняет привкусы и запахи, но задерживает размно­жение водорослей или уничтожает их, снижая тем самым возможность появления в воде пахнущих веществ. Эффективной дозой медного ку­пороса для большинства типов водорослей является 1—4 мг/л. В на­стоящее время испытываются новые альгициды — вещества, уничто­жающие водоросли.

Одним из первых и в течение нескольких десятилетий единствен­ным методом устранения из природных вод привкусов и запахов слу­жил процесс аэрирования воды, основанный на летучести вызывающих их соединений.

В ряде случаев при удалении запахов и привкусов биологического происхождения аэрирование обеспечивает достаточную полную дезодорацию воды. Однако аэрированием трудно или совсем не устра­няются стойкие привкусы и запахи, вызванные разложением водной растительности и имеющие незначительную летучесть, а также загряз­нением природных вод производственными стоками. Поэтому, как пра­вило, этот способ применяется в комбинировании с другими методами

дезодорации воды. Процесс осуществляется в специальных установ­ках — аэраторах разбрызгивающего, каскадного или барботажного типов.

Несмотря на появление более совершенных методов улучшения органолептических качеств воды, аэрирование и в настоящее время применяется на многих зарубежных водопроводах.

Окислительный метод устранения из воды запахов и при­вкусов основан на применении сильных окислителей: хлора, оксида хлора (IV), озона, перманганата калия и др.

Как уже указывалось, при хлорировании воды наличие фенола в количествах, превышающих 0,001 мг/л, приводит к появлению стойких хлорфенольных запахов. Характер взаимодействия хлора с фенолами зависит от величины рН, соотношения между количествами хлора и фенола, от вида фенола'.

Взаимодействие одноатомных фенолов (карболовой кислоты) с небольшими количествами хлора приводит к образованию моно-, ди-и трихлорпроизводных, обладающих неприятным запахом. При из­бытке хлора эти продукты преобразуются в почти лишенный запаха 2,6-дихлорбензохинон, при дальнейшем хлорировании которого разру­шается бензольное ядро и образуется малеиновая кислота и другие непахнущие продукты окисления. Поэтому такие воды обрабатывают повышенными дозами хлора — 6—9 мг на 1 мг фенола при достаточ­ном контакте хлора с водой (от 1 до 4 ч). Перед подачей такой воды потребителю необходимо провести ее дехлорирование (см. главу IV.3, §3).

При обеззараживании хлором воды, содержащей двух- и трехатом­ные фенолы, неприятные запахи не появляются, но процесс сопровож­дается повышением цветности воды на 5—10 град. В результате этого увеличивается расход хлора на обеззараживание и расход реагентов для дополнительного обесцвечивания воды.

В качестве профилактической меры борьбы с хлорфенольным за­пахом применяется хлорирование с аммонизацией.

Хлорирование с аммонизацией не устраняет хлорфенольного запа­ха, а предупреждает его возникновение, так как хлор гораздо энергич­нее реагирует с аммиаком, чем с фенолом, образуя хлорамины. Вслед­ствие этого при введении в воду вначале аммиака или его соли, а за­тем хлора не образуются хлорфенольные соединения, являющиеся причиной ухудшения органолептических показателей воды. Однако это возможно лишь при небольших концентрациях фенола в воде — до 0,1 мг/л. При больших количествах фенола предварительная аммо-низация неэффективна. Иногда при концентрациях фенолов до 0,5 (реже 1,0 мг/л) возможно предупреждение возникновения запахов за счет введения больших количеств аммиака, однако и это не помогает при содержании фенолов более 1,0 мг/л. На практике чаще всего при­нимают соотношение количества хлора и аммиака 3 : 1 или 4:1.

Обработка воды оксидом хлора (IV) с целью дезодорации является одним из сравнительно новых методов. Обработка фенолсодержащей воды оксидом хлора (IV) эффективна лишь в том случае, когда она проводится дозами более 1 мг на 1 мг фенола.

Для достижения равного эффекта в улучшении вкуса и запаха во-

ды, загрязненной одноатомными фенолами, оксида хлора (IV) требу­ется в 8—10 раз меньше, чем хлора. Одной из причин этого является, по-видимому, способность оксида хлора (IV) избирательно реагиро­вать с органическими примесями воды. Для окисления двухатомных и трехатомных фенолов требуются небольшие количества оксида хлора (IV), что является положительным фактором, так как в результате этою при дезодорации воды, содержащей одноатомные фенолы, оксид хлора (IV) не будет в больших количествах расходоваться на окисле­ние соединений, не обусловливающих запахов.

Наличие аммиака в воде, содержащей фенолы, не требует увеличе­ния количества оксида хлора (IV) для дезодорации.

Ни хлор, ни оксид хлора (IV) неприменимы для дезодорации вод, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

При дезодорации воды действие хлора можно усилить введением перманганата калия до или после хлорирования, а также самостоя­тельно. Обычные дозы перманганата калия составляют 0,1—0,25 мг/л.

В практике водообработки в последнее время начали применять озон, который является весьма перспективным реагентом. Благодаря высокому окислительному потенциалу озон окисляет и те, обусловли­вающие наличие привкусов и запахов вещества, которые обычно не поддаются окислению другими реагентами. Время контакта озона с водой не превышает 10—15 мин; дополнительные соединения при этом не образуются. Поскольку озон поступает в воду с большим количест-' вом воздуха, одновременно происходит и аэрирование воды, в резуль­тате чего вода приобретает освежающий привкус и запах. Таким обра­зом, озонирование является единственным методом обработки воды, при котором одновременно улучшаются бактериологические и физи­ческие показатели качества воды. Однако в связи с небольшой раство­римостью и невозможностью создать необходимые для полноты реак­ции концентрации озона применение его ограничивается очисткой ма-лозагрязненных вод.

В настоящее время из наиболее распространенных способов дезо­дорации воды является обработка ее активным углем. Объяс­няется это высокой эффективностью угля, его универсальностью, воз­можностью успешного применения в любой технологической схеме обработки воды, отсутствием денатурации воды, улучшением техноло-, гических показателей обработки воды другими реагентами и т. п.

Активные угли отличаются развитой пористостью и обладают вследствие этого огромной внутренней поверхностью. На такой по­верхности возникают интенсивные силы межмолекулярного взаимо- действия (силы Ван дер Ваальса), благодаря которым удерживаются молекулы газов, паров или растворенных веществ. В результате этого концентрация молекул в газах или растворах уменьшается.

Из числа активных углей, производимых в Советском Союзе, для дезодорации наиболее часто применяют угли марок БАУ, КАД, ОУ-А щелочной, активированный антрацит.

На водоочистных сооружениях уголь применяют в виде угольного порошка (углевание воды) либо в виде гранул, служащих для загруз­ки фильтров.



угля, большим расходом воды на промывку фильтров.

Разработан также метод применения активного угля в адсорбе­рах со взвешенным (кипящим), непрерывно обновляющимся слоем адсорбента (рис. IV.27). Применение принципа взвешенного слоя для адсорбции органических веществ дает возможность решить задачу не­прерывной смены адсорбента в установке, упрощает регенерацию от­работанного активного угля, позволяет избежать заиливания слоя адсорбента, а также применять мелкие фракции активного угля, что значительно сокращает время достижения адсорбционного равнове­сия.

Адсорбция может осуществляться как в одном адсорбере, так и в блоке, состоя­щем из двух или трех последовательно включенных установок В этом случае ак­тивный уголь переводится из одного адсорбера в другой навстречу движению воды Это движение осуществляется при помощи углеуплотнителей, из которых концент­рированная суспензия угля транспортируется потоком воды, поступающей в преды­дущий по ходу процесса адсорбер Уголь, выгруженный из углеуплотнителя первого (по движению воды) адсорбера, подвергается термической регенерации паром

Вместо блока адсорберов может применяться двухъярусный противоточный ад­сорбер.

В качестве адсорбентов можно использовать любые активные угли с размером частичек 0,2—0,5 мм. Особенно пригоден для этого актив­ный антрацит, который отличается механической прочностью, доста­точной для предотвращения существенного истирания его частичек во взвешенном слое

Преимуществом углевания воды являются небольшие капитальные затраты на организацию процесса, к числу недостатков относится не­производительный расход угля и сложные условия эксплуатации уста­новок из-за пыления порошкообразного угля.

Из отечественных марок углей рационально использовать порош­кообразный осветляющий древесный уголь марки А — уголь освет­ляющий сухой— щелочной (ОУ-А сухой — щелочной), обеспечиваю-

щий быстрое достижение адсорбционного равновесия и обладающий относительно высокой адсорбционной емкостью по отношению к боль­шинству органических веществ, ухудшающих вкусовые показатели во­ды. Расход активного угля зависит от степени его активности и интен­сивности загрязнения воды. Наиболее употребительная доза угля на зарубежных водопроводах 3—4 мг/л. По данным отечественных иссле­дований снижение концентрации фенола от 0,1 мг/л до нуля обеспечи­вается при дозе угля ОУ-А сухой — щелочной до 10 мг/л. Дезодора­ция воды, загрязненной нефтью до 100 мг/л, требует обычно расхода угля 10—15 мг/л при условии предварительного коагулирования воды. Практически полное устранение привкусов и запахов биологического происхождения достигается при расходе угля марки ОУ-А сухой — щелочной 10—12 мг/л.

Место ввода угля в схеме обработки воды должно обеспечивать максимальную диффузию сорбируемых веществ к поверхности угля и требуемое время контакта. Уголь обычно добавляют за 10—15 мин до введения других реагентов. Поэтому целесообразными местами ввода являются ковши и станции первого подъема.

При использовании активного угля и хлора порядок их ввода опре­деляется следующим: если хлор переводит вещества, обусловливаю­щие вкус и запах воды, в более трудноадсорбируемую форму, то уголь вводят до хлора; если же обработка воды хлором улучшает вкус и запах — после хлора.

Широкому использованию углей для улучшения вкусовых качеств воды препятствует отсутствие специальных сортов активных углей, обладающих высокой адсорбционной емкостью в отношении веществ, обусловливающих привкусы и запахи. Применение производимых на­шей промышленностью, предназначаемых для других целей, сортов углей, приводит к увеличению доз и удорожанию процесса очистки. В связи с этим разработка высокоэффективных отечественных углей для дезодорации воды является одной из актуальных исследователь­ских задач.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Глава IV.3 ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации