Механическое, химическое и бактериальное загрязнение воды и основные способы очистки воды. Осветление, фильтрация и обеззараживание вод

Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы  при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами. [5]

2. Классификация способов очистки воды

 В реках и других  водоемах происходит естественный  процесс самоочищения воды. Однако  он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью  разрушения или удаления из них вредных  веществ. Освобождение сточных вод  от загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные  воды) и готовая продукция (очищенная вода). Очистка сточных вод - вынужденное и дорогостоящее мероприятие, представляющее собой довольно сложную задачу, связанную с большим разнообразием загрязняющих веществ и появлением в их составе новых соединений.

Методы очистки вод можно разделить на 2 большие группы: деструктивные и регенеративные.

В основе деструктивных методов лежат процессы разрушения загрязняющих веществ. Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов, осадков или остаются в воде, но уже в обезвреженном виде.

Регенеративные методы - это не только очистка сточных вод, но и утилизация ценных веществ, образующихся в отходах. [1]

Методы очистки вод  можно разделить на: механические, химические, гидрохимические, электрохимические, физико-химические и биологические. Когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примеси.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве. [2]

РФ.12.14.013

Лист

12

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.

Гидромеханические методы применяют для извлечения из сточных вод нерастворимых грубодисперсных примесей органических и неорганических веществ путем отстаивания, процеживания, фильтрования, центрифугирования. С этой целью используют различные конструктивные модификации сит, решеток, песколовок, отстойников, центрифуг и гидроциклонов.

Электрохимические методы очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей включают анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляцию, электродиализ. Процессы, лежащие в основе этих методов, протекают при пропускании через сточную воду электрического тока. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к катоду, а заряженные отрицательно - к аноду. В прикатодном пространстве происходят процессы восстановления, а в прианодном - процессы окисления.

Физико-химические методы очистки сточных вод многообразны. Это коагуляция, флотация, адсорбционная очистка, ионный обмен, экстракция, обратный осмос и ультрафикация. При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества.

Биохимические методы очистки сточных вод. Применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания, превращения их в воду, диоксид углерода, сульфат-фосфат-ион и др. и увеличивая свою биомассу. [2]

2.1. Осветление 

Осветление - удаление из воды взвешенных веществ. Реализуется фильтрацией воды через пористые фильтроэлементы (картриджи) или через слой фильтроматериала. Осветление воды путем осаждения взвешенных веществ. Эту функцию выполняют осветлители, отстойники и фильтры. В осветлителях и отстойниках вода движется с замедленной скоростью, вследствие чего происходит выпадение в осадок взвешенных частиц. В целях осаждения мельчайших коллоидных частиц, которые могут находиться во взвешенном состоянии неопределенно долгое время, к воде прибавляют раствор коагулянта (обычно сернокислый алюминий, железный купорос или хлорное железо). В результате реакции коагулянта с солями многовалентных металлов, содержащимися в воде, образуются хлопья, увлекающие при осаждении взвеси и коллоидные вещества. [4]

РФ.12.14.013

Лист

13

Осветлитель коридорного  типа (рис. 1) представляет собой прямоугольный резервуар. Коагулированная вода поступает в осветлитель по трубе 1 и через дырчатые трубы 2 распределяется в нижней (рабочей) части 3 осветлителя. Скорость движения воды в рабочей части должна быть такой, чтобы хлопья коагулянта находились во взвешенном состоянии. Этот слой способствует задержанию взвешенных частиц. Степень осветления воды при этом значительно выше, чем в обычном отстойнике.

Над рабочей частью находится защитная зона 4, где взвешенного слоя нет. Осветленная вода отводится лотком 5 и трубами 10 для последующей обработки. Избыточное количество осадка посредством отсоса в трубу 6 отводится через окна 7 в осадкоуплотнитель 8, где осадок уплотняется и периодически сбрасывается в канализацию по трубам 9.

Восходящую скорость потока в рабочей части осветлителя  принимают равной 1-1,2 мм/сек. [4]

1 - распределительные трубы; 2 - желоба с затопленными отверстиями; 3 - рабочая часть осветлителя; 4 - защитная зона; 5 - лоток отвода; 6 - труба для подсоса осадка; 7 - осадкоприемные окна; 8 - уплотнитель осадка; 9 - трубы для сброса осадка;

Рисунок 1. Осветлитель.

РФ.12.14.013

Лист

14

2.2. Обеззараживание 

Обеззараживание - обработка воды окислителями и/или УФ-излучением для уничтожения микроорганизмов. Обеззараживание воды (удаление бактерий, спор, микробов и вирусов) является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции. Использование для питья подземной и поверхностной воды в большинстве случаев невозможно без обеззараживания. Обычными методами при очистке воды являются:

1. Хлорирование путем  добавления хлора, диоксида хлора,  гипохлорита натрия или кальция.

2. Озонирование. При применении  озона для подготовки питьевой  воды используются окислительные и дезинфицирующие свойства озона.

3. Ультрафиолетовое облучение.  Используется энергия ультрафиолетового  излучения для уничтожения микробиологических  загрязнений. Кишечная палочка,  бацилла дизентерии, возбудители  холеры и тифа, вирусы гепатита и гриппа, сальмонелла погибают при дозе облучения менее 10 мДж/см², а ультрафиолетовые стерилизаторы обеспечивают дозу облучения не менее 30 мДж/см2. [4]

В вакуумных хлораторах при помощи редукционного клапана  давление газа снижается до 0,1—0,2 ати, а при помощи инжектора создается вакуум (рис. 2).

1 - промежуточный баллон; 2 - фильтр со стекловатой; 3- редукционный клапан для снижения давления хлор-газа; 4 - манометр; 5 - измерительная диафрагма; 6 - ротаметр; 7 - смеситель; 8 - подача водопроводной воды; 9 - эжектор, создающий разряжение в хлораторе; 10 - отвод хлорной воды на дозирование; 11 - весы; 12 - баллон с хлором.

Рисунок 2. Вакуумный хлоратор.

Способ дезинфекции  путем бактерицидного облучения (ультрафиолетовыми  лучами) известен уже давно. Академией, коммунального хозяйства РСФСР разработаны методы расчета и конструкции аппаратов для дезинфекции воды ультрафиолетовыми лучами. [4]

РФ.12.14.013

Лист

15

1 – корпус; 2 – патрон; 3 - ультрафиолетовый источник; 4 - лампа (УФ ДЛР-400); 5 - параболический рефлектор; 6 - предохранительное стекло; 7- светофильтр; 8 - посеребренная пластина.

Рисунок 3. Аппарат для обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами.

В качестве источников излучения  применяют аргонортутные лампы  низкого давления или ртутно-кварцевые лампы высокого давления. Размещать источники бактерицидного излучения можно как над поверхностью воды, так и под водой в кварцевых чехлах, защищающих источники излучения от влияния температуры воды. Бактерицидные установки (рис. 3) работают уже в ряде городов и, очевидно, получат широкое распространение для обеззараживания хорошо осветленных вод с невысокой цветностью с небольшим количеством коллоидных загрязнений, снижающих эффективность бактерицидного излучения. [4]

2.3. Фильтрация 

Фильтрация - превращение растворённых соединений железа и марганца в нерастворимые и удаление тех и других путем фильтрования, как правило, через специальные фильтроматериалы. Решение проблемы очистки воды от железа представляется довольно сложной и комплексной задачей. К наиболее часто используемым методам можно отнести:

1.Аэрирование - окисление  кислородом воздуха с последующим  осаждением и фильтрацией. Расход  воздуха для насыщения воды  кислородом составляет около 30 л/м³. Это традиционный метод, применяемый уже много десятилетий. Реакция окисления железа требует довольно длительного времени и больших резервуаров, поэтому этот способ используется только на крупных муниципальных системах.

2.Каталитическое окисление с последующей фильтрацией. Наиболее распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления).

РФ.12.14.013

Лист

16

Наибольшее распространение  в современной водоподготовке нашли  фильтрующие среды на основе диоксида марганца (MnO₂). Железо в присутствии диоксида марганца быстро окисляется и оседает на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке.

Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители.

Умягчение - замена катионов кальция и магния в воде на эквивалентное количество катионов натрия или водорода. Реализуется фильтрованием воды через специальные ионообменные смолы. С жесткой водой сталкивался каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, в пивоварении, производстве водки. В ней хуже пенится стиральный порошок и мыло.

Высокая жесткость воды делает её непригодной и для питания  газовых и электрических паровых  котлов и бойлеров. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15%, а  слой толщиной 10 мм - уже на 50%. [4]

Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива или электроэнергии, что, в свою очередь, ведет к образованию прогаров, трещин на трубах и стенках котлов, выводя преждевременно из строя системы отопления и горячего водоснабжения. Наиболее эффективным способом борьбы с высокой жесткостью является применение автоматических фильтров - умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде жесткие соли заменяются на мягкие, которые не образуют твердых отложений.

Обессоливание - удаление из воды растворённых солей на ионообменных смолах или фильтрование воды через специальные плёнки (мембраны), пропускающие только молекулы воды.

Все большее значение в охране поверхностных вод от загрязнения и засорения приобретают  агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия. С их помощью можно предотвращать заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек. Выполнение этих работ позволит уменьшить загрязненный поверхностный сток и будет способствовать чистоте водоемов.

РФ.12.14.013

Лист

17

а - однослойный безнапорный фильтр с боковым каналом; б - двухслойный фильтр; в - двухпоточный фильтр; г- фильтр с центральным каналом.

Рисунок 4. Скоростные фильтры.

На скорый фильтр (рис. 4) вода поступает из отстойника или осветлителя по трубопроводу в водоподводящий лоток, а из него на фильтрующий материал посредством распределительных желобов. Вода проходит фильтрующий слой и поддерживающий его гравийный слой, уложенный на дырчатом днище, а далее проходит в дренаж и по трубопроводу отводится в резервуары чистой воды. Трубопровод служит для подачи промывной воды через фильтрующий слой снизу вверх до желобов, переливаясь через которые, загрязненная вода отводится по трубе в водосток.

Дренажным  устройством обеспечивается равномерный отвод фильтруемой воды, а также равномерное распределение воды для промывки фильтра. Имеется много различных конструкций дренажа. В настоящее время применяют так называемые дренажи большого сопротивления. Такие дренажи бывают колпачковые и трубчатые. [4]

Наиболее распространены трубчатые дренажи, представляющие собой систему дырчатых чугунных или стальных труб, укладываемых параллельно  на расстоянии 0,15—0,30 м друг от друга  в нижних слоях гравия и присоединяемые  к  коллектору   (трубе большого диаметpa), расположенному в середине днища фильтра параллельно его длинной стороне (рис.  5).   

РФ.12.14.013

Лист

18

1 - фильтрующий слой; 2 - поддерживающие слои гравия; 3 - распределительные трубы; 4 - напорный центральный канал.

Рисунок 5. Схема трубчатого дренажа большого сопротивления.

На станциях фильтрования воды для улучшения процесса промывки фильтрующего материала применяют  дополнительно поверхностную промывку (рис. 6) — смыв с фильтра.

Рисунок 6. Схема оборудования фильтра для поверхностной промывки.

Сверхскоростные фильтры (напорные) системы Г. Н. Никифорова бывают двух типов: камерные и батарейные. Камерные фильтры (рис. 7) разделены на камеры, которые при помощи специального устройства последовательно и автоматически подвергают промывке в порядке очередности. Каждый отсек выключается на промывку через 60 мин, а процесс промывки происходит за 9 мин. Автоматическая промывка позволяет увеличить скорость фильтрации до 26—60 м/ч и более. [4]

РФ.12.14.013

Лист

19

Такие фильтры применяют  в производственных водопроводах для  грубого осветления воды, содержащей до 300 мг/л взвешенных веществ при эффекте осветления 70—80%. Камерные фильтры или фильтры-одиночки производительностью не выше 150 м³/ч применяются для очистки воды на внутрицеховые технологические нужды. [4]

1 – подача исходной  воды; 2 – распределительное устройство; 3 – вращающийся потрубок; 4 – центральный стояк; 5,6 – отвод и подача промывной воды через поддон; 7 – щели подачи исходной воды; 8 – отверстия для сбора фильтрата; 9 – отвод фильтрированной воды.

Рисунок 7. Сверхскоростной фильтр системы Г. Н. Никифорова.

РФ.12.14.013

Лист

19

Список использованных источников

1. Водоотведение и очистка сточных вод. Автор: Воронов Ю.В., Яковлев С.В.      М. Ассоциация строительных ВУЗов. 2006. 704 с.

2. Методы очистки производственных сточных вод. Автор: Жуков А.И. Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. 1987. 204 с.

3. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию. Автор: Фелленберг, Г. М. Мир. 1997. 232 с.
4. Основные способы очистки воды. Интернет ресурс [http://ws-54.ru/page/vodosnabzhenie/23-osnovnie-sposobi-ochistki-vodi].
5. Загрязнение гидросферы. Интернет ресурс [http://ecology-portal.ru/publ/9-1-0-305]

РФ.12.14.013

Лист

20