ВУЗ: Белорусский государственный медицинский университет
Категория: Ответы на вопросы
Дисциплина: Медицина
Добавлен: 17.02.2019
Просмотров: 19320
Скачиваний: 30
Метод электролиза основан на том, что при пропускании постоянного тока через воду положительно заряженные катионы растворенных в ней солей движутся к погруженному в опресняемую воду катоду, а отрицательно заряженные — к аноду. Если емкость, через которую пропускают ток, разделить селективно проницаемыми для катионов и анионов мембранами на 3 части: анодную, катодную и среднюю (рабочую), то постепенно большая часть катионов будет перенесена электрическим током в катодное, анионов — в анодное пространство, а вода в рабочем пространстве опреснится. Отечественная промышленность выпускает электродиализные установки производительностью от 12 до 1000 м3/сут.
Гиперфильтрацией называют процесс фильтрования воды через полупроницаемые мембраны, задерживающие гидратированные ионы солей и молекулы органических соединений. Гиперфильтрационная мембрана должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать значительную нагрузку при прохождении через нее воды. По форме мембраны бывают листовые и трубчатые. Гиперфильтрационный аппарат представляет собой набор мембранных элементов и приспособлений, обеспечивающих их работу. Блочная конструкция аппарата позволяет быстро производить монтаж и замену вышедших из строя элементов.
24.Безреагентные методы осветления питьевой воды. Виды установок, их устройство и принципы работы.
Осветление и обесцвечивание. Осветление является основным технологическим процессом улучшения органолептических свойств воды. Оно заключается в освобождении воды от взвешенных веществ, определяющих мутность воды. Взвешенные в воде вещества различаются по плотности и размерам составляющих их частиц, от которых зависит скорость их выпадения в осадок. Скорость выпадения частиц взвеси при температуре воды 10 °С носит название гидравлической постоянной частиц.
Большие различия гидравлической постоянной предполагают использование разных методов освобождения воды от тех или иных фракций взвеси. Традиционными методами осветления воды, механическим отстаиванием и фильтрацией, удается задержать взвешенные частицы более 0,001 мм. Для удаления из воды коллоидов необходимо предварительное разрушение их структуры методом коагуляции.
Коагуляцией называется процесс укрупнения, агрегации коллоидных и тонкодисперсных примесей воды вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения.
Коагуляция примесей воды позволяет ускорить осветление и обесцвечивание. Коагуляция происходит под влиянием химических реагентов - коагулянтов, которые либо нарушают агрегативную устойчивость примесей воды, либо образуют коллоиды, сорбирующие примеси воды. В качестве коагулянтов чаще всего используют соли алюминия или железа.
В практике водоподготовки известны два вида коагуляции — коагуляция в толще зернистой загрузки фильтра (контактная коагуляция) и коагуляция, происходящая в камерах хлопьеобразования (коагуляция в свободном объеме).
Механизм контактной коагуляции — нарушение агрегативной устойчивости коллоидных примесей воды в результате устранения или снижения до очень малых значений заряда мицеллы. При добавлении к обрабатываемой воде коагулянта, например сульфата алюминия, происходит его гидролиз с образованием трехвалентного иона алюминия:
A12(S04)3 + 6Н20 = 2AF + 3S042 + 6Н+ + 60Нˉ.
Ионы алюминия нейтрализуют заряд коллоидных частиц примесей воды и тем самым нарушают их агрегативную устойчивость. Лишенные устойчивости коллоидные частицы, проходя с потоком воды через фильтр (контактный осветлитель), адсорбируются на поверхности частиц зернистой загрузки фильтра под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. Это приводит к осветлению и обесцвечиванию воды.
Механизм коагуляции в свободном объеме имеет иной характер. Так же как и при контактной коагуляции, введение в обрабатываемую воду сульфата алюминия обусловливает нейтрализацию заряда природных коллоидов воды и снижение их агрегативной устойчивости. Этот процесс протекает очень быстро и заканчивается при установлении равновесия между катионами коагулянта и мицеллами природных коллоидов. После этого начинается образование гидроксида алюминия как в результате гидролиза:
А1 2(S04)3+ 6Н20 = 2А1(ОН)з + 3H2S04,
так и путем взаимодействия коагулянта с присутствующими в воде карбонатами и бикарбонатами (резервная щелочность воды):
A12(S04)j +ЗСа(НС03)2 = 2А1(ОН)з + 3CaS04+ 6С02.
Гидроксид алюминия имеет коллоидную структуру (золь), вследствие чего обладает развитой поверхностью, сорбирующей примеси воды, в том числе природные коллоиды, потерявшие агрегативную устойчивость.
Гидролиз коагулянта является обратимой реакцией, и на его полноту влияет активная реакция воды. Понижение pH подавляет гидролиз солей слабых оснований, каким является сульфат алюминия. При повышении pH образуется отрицательно заряженный алюминат- ион [А 102] , не приводящий к коагуляции. Приемлемое для гидролиза значение pH 4,3-7,6, оптимальное - 5,5-6,5.
На эффективность коагуляции влияют также количество грубой взвеси, частицы которой служат своеобразными «ядрами коагуляции», интенсивность перемешивания, температура воды.
Очевидно, что для вод различного состава нужны разные дозы коагулянта. Предварительный расчет оптимальной дозы производят с учетом щелочности и цветности обрабатываемой воды. Однако сложность физико-химических процессов, приводящих к коагуляции, заставляет уточнять предварительно рассчитанную дозу опытным путем.
Для ускорения коагуляции и интенсификации работы очистных сооружений применяют так называемые флоккулянты — высокомолекулярные синтетические соединения. Различают флоккулянты анионного (полиакриламид, К-4, К-6, активированная кремниевая кислота) и катионного (например, ВА-2) типа. Применение флоккулянтов анионного типа требует предварительной обработки воды коагулянтом, использование катионных флоккулянтов — предварительного введения коагулянта не предполагает. Флоккулянты позволяют ускорить коагуляцию, увеличить скорость движения воды в отстойниках, уменьшить время отстаивания путем увеличения скорости осаждения хлопьев, повысить скорость фильтрования и продолжительность фильтроцикла.
Ассортимент веществ с флоккулирующими свойствами постоянно расширяется. Для применения в централизованном питьевом водоснабжении допускаются лишь флоккулянты, прошедшие гигиеническую апробацию и имеющие нормированные ПДК.
В составе сооружений для коагуляции в свободном объеме должны быть дозатор, смеситель и камера хлопьеобразования. Назначение сооружений ясно из их названия. Существует множество конструкций, различающихся материалоемкостью, сложностью монтажа и эксплуатации, эффективностью работы и производительностью.
Коагуляция только подготавливает воду для дальнейшей обработки — осветления и обесцвечивания и в этом смысле не является самостоятельным процессом. В ряде случаев в схеме подготовки питьевой воды коагуляцию не обозначают.
Первым этапом осветления водопроводной воды, прошедшей или не прошедшей коагуляцию, является осаждение взвешенных веществ в отстойниках. В отстойнике движение воды замедлено при увеличении сечения потока. Осаждением удается удалить из воды грубодисперсные примеси (частицы размером до 0,01 мм). В зависимости от направления движения воды различают горизонтальные и вертикальные отстойники.
Горизонтальный отстойник (рис. 2) представляет собой прямоугольный, вытянутый в направлении движения воды резервуар, снабженный приспособлениями для сообщения воде ламинарного течения. Дно горизонтального отстойника имеет наклон в сторону входной части, где находится приямок для сбора осадка. Осветляемая вода поступает через водосливной лоток и далее через дырчатую перегородку с одной из торцовых сторон отстойника, а выходит с другой торцовой стороны также через дырчатую перегородку и затем
Рис. 2. Горизонтальный отстойник.
U — гидравлическая постоянная, V — скорость потока.
через лоток. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельно работающих коридоров шириной не более 6 м. Горизонтальные отстойники применяют на станциях водоподготовки производительностью 30 ООО м3/сут и более.
Перспективным методом интенсификации осаждения примесей воды является отстаивание в тонком слое. Этот прием используют в отстойниках с тонкослойными модулями. Тонкослойный модуль представляет собой блок из металла, напоминающий пчелиные соты, размером 1x1,5 м. Соты имеют сечение 0,15x0,005 м, длина канала 1,2-1,5 м. Тонкослойный модуль помещается в зоне осаждения горизонтального отстойника под углом до 40° к горизонтали. Производительность отстойника с тонкослойным модулем возрастает пропорционально внесенной площади пластин модуля.
Вертикальный отстойник (рис. 3) — резервуар конической или пирамидальной формы. В центре резервуара помещается металлическая труба, в верхнюю часть которой поступает осветляемая вода. При включении в схему обработки воды процесса коагуляции центральная труба служит камерой хлопьеобразования. Пройдя ее сверху вниз, осветляемая вода поступает в зону осаждения, которую проходит по всему ее сечению снизу вверх с небольшой скоростью.
Рис. 3. Вертикальный отстойник.
1,2- соответственно подача сырой и отвод обработанной воды; 3 - сброс осадка, 4 — камера хлопьеобразования, 5 — кольцевой сборный лоток.
Осветленная вода переливается через борт отстойника в круговой желоб. Осадок, накапливающийся в нижней части отстойника, периодически (1-2 раза в сутки) удаляют без выключения отстойника из работы, открывая задвижку на выпускной трубе. Скорость восходящего потока воды в вертикальном отстойнике определяется по данным лабораторного эксперимента с водой источника или по данным эксплуатации отстойников, работающих в аналогичных условиях; обычно она составляет 0,4-0,6 мм/с. Преимуществом вертикальных отстойников является малая площадь; их рекомендуется применять на водопроводах небольшой производительности (до 3000 м3/сут).
Осветление коагулированной воды происходит значительно интенсивнее, если осветляемая вода проходит через слой ранее образованного осадка, находящегося во взвешенном состоянии. Контакт воды с осадком способствует получению более крупных и плотных хлопьев, чем в отстойниках, резко улучшает гидравлическую характеристику взвеси. Это свойство взвешенного осадка было использовано отечественными инженерами для разработки принципиально новых типов водоочистных сооружений — осветлителей с взвешенным осадком. В таких осветлителях процесс осветления происходит значительно быстрее, снижается расход коагулянта. Осветлители в настоящее время успешно вытесняют отстойники, особенно при осветлении мутных вод с концентрацией взвешенных веществ от 500 до 5000 мг/л. Известно несколько конструкций осветлителей с взвешенным осадком, но все они дают примерно одинаковое качество осветляемой воды. При правильно выбранных сооружениях для осаждения взвешенных веществ их содержание в обработанной воде составляет 8—12 мг/л.
Остаточная взвесь представлена в основном тонкодисперсными суспензиями минеральных веществ, бактериями и вирусами.
Несмотря на высокую техническую эффективность осаждения (процент удаления взвеси), такая вода не соответствует гигиеническим требованиям или, другими словами, отстойники и осветлители не могут дать достаточно гигиенически эффективную очистку (достижение уровня гигиенических требований). В связи с этим следующим этапом осветления воды на водопроводе становится ее фильтрование через фильтры с зернистой загрузкой. Фильтры разделяют по скорости фильтрования на медленные (0,1-0,3 м/ч) и скорые (5-10 м/ч), по направлению фильтрующего потока — на одно- и двухпоточные, по числу фильтрующих слоев — на одно- и двухслойные.
Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя (поддерживающий и фильтрующий). Фильтрующий слой выполняют из отсортированного материала достаточной механической прочности (кварцевый песок, антрацитовая крошка, керамзит, шунгизит, дробленый мрамор). Новые фильтрующие материалы проходят санитарную экспертизу, в ходе которой устанавливаются их состав, а также скорость и степень вымываемости отдельных элементов, особенно тяжелых металлов.
Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм. Распределительная система фильтра состоит из труб с отверстиями разной формы и размера. Ее назначение - сбор и отвод профильтрованной воды без выноса зерен фильтрующего материала, а также равномерное распределение воды по площади фильтра при его промывке.
Фильтрование воды осуществляют двумя принципиально разными методами. Пленочное фильтрование предполагает образование пленки из ранее задержанных примесей воды в верхнем слое фильтрующей загрузки. Вследствие механического осаждения частиц взвеси и их прилипания к поверхности зерен загрузки уменьшается размер пор. Затем на поверхности песка развиваются водоросли, бактерии и пр., дающие начало илистому осадку, состоящему из минеральных и органических веществ (биологическая пленка). Образованию пленки способствуют малая скорость фильтрации, большая мутность воды, значительное содержание фитопланктона. Толщина пленки достигает 0,5-1 мм и более.
Биологическая пленка играет решающую роль в работе так называемых медленных фильтров. Помимо задерживания мельчайшей взвеси, пленка задерживает бактерии (уменьшая их количество на 95— 99%), обеспечивает снижение окисляемости (на 20—45%) и цветности (на 20%). Постепенное утолщение пленки вызывает сопротивление фильтрованию - так называемую потерю напора, что требует периодической чистки медленного фильтра (снятие с его поверхности пленки и верхнего слоя песка). Медленные фильтры, простые в устройстве и эксплуатации, были первыми очистными сооружениями городских водопроводов в начале XIX века. В дальнейшем в связи с ростом водопотребления и мощностей водопроводов они уступили место скорым фильтрам, преимуществами которых являются большая производительность и меньшая площадь. С развитием централизованного водоснабжения в сельской местности роль медленных фильтров как простых и надежных сооружений для подготовки питьевой воды возрастает. Медленные фильтры сооружают с фильтрующим слоем кварцевого песка высотой 800—850 мм и поддерживающим слоем гравия или щебня высотой 400-450 мм. Фильтр вручную очищают через 10-30 сут, снимая верхний слой песка толщиной 15-20 мм и подсыпая свежий. В течение нескольких дней после очистки фильтра до образования биологической пленки фильтрат идет на сброс.
Объемное фильтрование, осуществляемое на скорых фильтрах, является физико-химическим процессом. При объемном фильтровании механические примеси проникают в толщу фильтрующей загрузки и адсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на поверхности ее зерен и ранее прилипших частиц. Чем больше скорость фильтрования и чем крупнее зерна загрузки, тем глубже проникают в ее толщу загрязнения и тем равномернее они распределяются.