Подготовка воды для систем горячего водоснабжения

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения

 высшего образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

в г. Смоленске

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Направление 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

профиль «Промышленная теплоэнергетика»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Физико-химические основы подготовки воды и топлива»

на тему

«Подготовка воды для систем горячего водоснабжения»

Cмоленск, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.     ВВЕДЕНИЕ2

2.     УМЯГЧЕНИЕ NA-КАТИОНИРОВАНИЕМ3

3.     ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ7

4.     ФТОРИРОВАНИЕ И ОБЕСФТОРИВАНИЕ ВОДЫ8

5.     ДЕГАЗАЦИЯ ВОДЫ11

6.     ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ13

7.     ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ14

8.     ЛИТЕРАТУРА19

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для обеспечения потребителей широко применяются системы централизованного теплоснабжения, которые подразделяются на:

·        теплосети с открытым водоразбором (открытая теплосеть)

·        закрытые теплосети с промежуточными теплообменниками, расположенными в абонентских районах.

В последние годы также получают распространение и децентрализованные, индивидуальные системы отопления и горячего водоснабжения.

Основными задачами водоподготовки и рациональной организации вводно-химического режима котлов, парогенераторов, тракта питательной воды и тепловых сетей являются:

·        предотвращение образования на поверхностях нагрева котлов, теплообменников и других частей теплофикационных систем отложений накипи, окислов железа и т.п.,

·        защита от коррозии конструкционных металлов основного и вспомогательного оборудования теплофикационных систем в условиях их контакта с водой и паром, а также при нахождении в резерве, длительном простое или на консервации.

      Все вышеперечисленные мероприятия желательно проводить при минимальных капитальных затратах и с минимальными эксплуатационными расходами.

Требования по качеству подпиточной и сетевой воды устанавливаются в зависимости от типа теплосети:

1)    Для теплосети с открытым водоразбором обработанная вода должна отвечать: требованиям для воды хозяйственно-питьевого назначения, качество которой регламентируется СанПИН 2.1.4.559-96., в частности ГОСТ «Вода питьевая». Величина общей жесткости не должна превышать 7 мг-экв/л, железа - 0,3 мг/л, значение щелочности pH 9,0.

2)    Качество воды для закрытой сети определяется видом применяемого теплофикационного оборудования (котла, бойлера и т.п.). К качеству воды для закрытой сети в связи с отсутствием непосредственного водоразбора на нужды населения предъявляются менее строгие требования, основной задачей является обеспечение безнакипного режима работы применяемого теплофикационного оборудования (котлы, бойлера) и нормативно допустимого уровня коррозионной активности. Так, может быть допустимым повышение значения рН до 10,5 при одновременном глубоком умягчении, определяющим показателем является значение карбонатного индекса (И к), который в свою очередь определяет допустимый уровень накипеобразования - не выше 0,1.

      Основным показателем безнакипного режима является величина карбонатного индекса - произведения общей щелочности на кальциевую жесткость, который имеет различные значения для данного температурного режима.

      Обычно, основными нормативными документами, определяющими требования к качеству воды, являются:

• РД 24.031.120-91, РД10-165-97, РД10-179-98 – для параметров качества подпиточной воды
• СНиП II-35-76 «Котельные установки. Нормы проектирования»
• СНиП 2-04-07-86 «Тепловые сети»
• ПТЭ для электростанций и тепловых сетей РФ РД 34.20.501- 2002 и др.

      Кроме этого, следует руководствоваться также рекомендациями производителей конкретного оборудования.

      В последнее время с приходом на рынок зарубежных производителей, российских компаний активно занимающихся продвижением новых технологий и материалов для водоподготовки, наметилась тенденция для данных целей считать основными, современными способами подготовки воды, следующие:

• умягчение Na - катионированием с применением современных методов ионного обмена, с использование новых типов фильтрующих материалов и соответствующих им конструкций фильтров;
• декарбонизация воды с применением современных новых типов фильтрующих материалов (слабокислотных катионитов) и соответствующих им конструкций фильтров взамен Н - катионированием с «голодной» регенерацией
• очистка воды с применением мембранных технологий подготовки воды;
• применение программ химической обработки подпиточной воды с помощью дозирования современных более эффективных реагентов (ингибиторов коррозии, дисперсантов и ингибиторов солеотложения)
• также комбинирование всех вышеупомянутых методов
• альтернативные способы - в основном различные так называемые «преобразователи солей жёсткости» основанные на физических методах обработки воды.

УМЯГЧЕНИЕ NA-КАТИОНИРОВАНИЕМ

Сегодня метод одноступенчатого параллельно-точного Na - катионирования применяется наиболее широко. Данный процесс реализуется в фильтрах (различной конструкции и размеров в зависимости от производительности, требований к проведению самого процесса и т.п.). Сам ионообменный процесс происходит при фильтровании воды через слой ионообменной смолы (представляющей собой сильнокислотный катионит в Na-форме), загруженный в фильтр и периодически, по истощению, регенерируемый раствором поваренной соли. При этом происходит замена солей кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) на натрий (Na⁺) по следующей схеме:

Таким образом, вместо кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), вводится эквивалентное количество натрия (Na⁺). В результате получается умягченная вода, но при этом щелочность исходной воды практически не меняется в ходе обработки, а в случае ее повышенного значения вода будет обладать усиленными коррозионными свойствами вследствие разложения щелочности при нагреве. В качестве фильтрующих загрузок обычно служат сильнокислотные катиониты типа смолы КУ2-8 или сульфоуголь, регенерируемые поваренной солью.

Недостатками данного метода является:

• повышенный (обычно трехкратный) расход реагента (соли NaCl) по отношению к необходимому объему
• повышенный расход воды на собственные нужды
• повышенное содержание в сбросных водах хлоридов и натрия зачастую превышающих нормы.
• для получения глубоко умягчённой воды требуется вторая ступень

Современные способы ионирования и использование новых типов катионитов позволяют существенно оптимизировать процесс Na - катиониования – снизить расход реагентов на регенерацию, уменьшить расход воды на собственные нужды, сократить количество задействованного оборудования (фильтров). К таким методам относится противоточное катионирование, при котором поток фильтрата и регенерационного потока имеют противоположные направления. В частности, используется практически весь объем фильтра под загрузку катионита.   Процент собственных нужд снижается до 3-4 %, расход соли уменьшается на 15-20 %. Появляется возможность получать фильтрат после первой ступени с качеством воды по жесткости не выше 10 –15 мкг-экв/л, то есть вторая ступень катионирования устраняется. Но стоит заметить, что данная технология требует высокой степени организации эксплуатации и желательна автоматизация технологических процессов.

Рисунок 1. Схема выполнения противоточного ионирования по технологии UPCORE

       Сегодня, кроме традиционно применяемых для умягчения в муниципальных котельных катионита КУ2-8 и сульфоугля, на рынке появились новые зарубежные материалы - более стабильные по качеству и поставляемые в Na-форме.

      Особо следует отметить, что перевод катионита из одной формы в другую непосредственно у потребителя приводит не только к повышенным трудозатратам и дополнительному расходу воды и реагентов, но и зачастую приводит к снижению эксплуатационных показателей, в первую очередь, динамической обменной ёмкости. Объяснением этому служит сама процедура перевода из Н-формы в Na-форму, при которой вначале необходимо «истощить» катионит, слив кислую воду в канализацию (что приводит не только к загрязнению сточных вод, но и к коррозии трубопроводов), а только затем дважды отрегенерировать раствором поваренной соли перевести в Na-форму. Следует отметить также, что сильнокислотный катионит в Н-форме при пропускании через него исходной воды до «истощения» кроме солей жёсткости захватывает из неё и другие ионы, в том числе ионы металлов (железа, алюминия и т.д.), которые при последующей регенерации раствором поваренной соли не удаляются. Следовательно, часть функциональных групп заблокирована, в результате чего обменная емкость катионита после таких процедур снижается. Этих негативных процессов не происходит в случае применения для процессов умягчения воды специально, в заводских условиях, изготовленных катионитов в Na-форме.

       Дальнейшим усовершенствованием противоточных процессов послужила разработка и поставка на рынок ионитов в виде моносфер, т.е. смол имеющих узкий фракционный эффективный состав гранул (количество частиц эффективного размера - около 05 - 0.6 мм достигает 95 %, тогда как у обычных ионитов оно составляет примерно 40 – 45 %).

      Однако, неплохих результатов можно достигнуть, если применить катиониты и с обычным грансоставом (0.3-1.2 мм), но изготавливаемыми и поставляемыми потребителям в Na-форме. Для умягчения воды в котельной № 2 г. Нефтегорска был впервые применён сильнокислотный катионит Тульсион Т-42 в Na-форме, с фракционным составом 0.3-1.2 мм.

      Катионит Тульсион Т-42 для процессов умягчения может поставляться сразу в Na-форме (в отличие от отечественных катионитов типа КУ2-8, обычно поставляемых в Н–форме), поэтому не требует трудоёмких и материалоёмких процессов по переводу из Н в Na- форму, т.к. эта процедура специальным образом выполняется во время производства катионита. Всё это позволяет производить фильтрование более эффективно и с более высокими скоростями.

      Основные характеристики сильнокислотного катионита ТУЛСИОН Т- 42 приведены в табл.1

Таблица 1.

Наименование	Характеристика
Характеристика	Высокоактивная гелевая смола
Тип	Сильнокислотный
Функциональная группа	Сульфоновая
Структура матрицы	Сополимер полистирола
Ионная форма	Na+/H+
Внешний вид	Сферические зерна янтарного цвета
Размер частиц, мм	0.3 - 1.2
Общая обменная емкость, мг.экв/мл	1.8 – Н + форма 2.0 – Na + форма
Влажность, % масс.	45% Na+ форма 52% H+ форма
Диапазон рН	0-14
Растворимость	Нерастворима в обычных растворителях
Плотность, г/л	830÷870 Na+ форма 800÷840 H+ форма

ДЕКАРБОНИЗАЦИЯ

      При подготовке подпиточной воды для систем ГВС, применяется также технология подготовки воды Н - катионированием с «голодной» регенерацией.

Технология Н-катионирования с «голодной» регенерацией позволяет существенно снизить карбонатную жесткость воды с частичным уменьшением некарбонатной. Все ионы водорода, вводимые в катионит с регенерационным раствором, полностью задерживаются, и вследствие этого в отработанных сточных водах кислота практически отсутствует. Расход регенерирующего реагента - серной кислоты является стехиометрическим, т.е. расчетным.        Недостатками данного метода при использовании сульфоугля или КУ2-8 в Н-форме (отечественные специальные слабокислотные катиониты широкого распространения не получили) является пониженные эксплутационные характеристики, в частности:

·        низкая скорость фильтрования (до 10 м/ч)

·        низкая обменная емкость (200-250 г-экв /м³), как следствие 
- большие затраты реагентов и воды на собственные нужды 
-увеличенное количество фильтров 
- трудность в управлении процессом (особенно в случае применения КУ2-8) и, как следствие, нестабильное качество воды

Сегодня, на рынке появились зарубежные слабокислотные катиониты, зачастую называемые карбоксильными катионитами которые специально созданы для удаления карбонатной жёсткости т.е. декарбонизации. К ним в частности относится слабокислотный катионит Тульсион СХО-12, от индийской компании «THERMAX Ltd».

При ионообменном способе декарбонизации воды на слабокислотном карбоксильном катионите к водородной форме (как наиболее экономичном) происходит замена солей кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) на водород (Н⁺) по следующей схеме:

Таким образом, вместо кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), вводится эквивалентное количество водорода (Н⁺). Далее анионы HCO₃- взаимодействуют с образующимися катионами Н⁺ по реакции:

HCO₃‑ + H⁺ - H₂O + CO₂ ↑

В результате происходит снижение концентрации бикарбонатов путём их «разрушения» и образование в результате углекислого газа. При этом, происходит снижение рН воды. Далее, для стабилизации рН воды требуется её отдувка на дегазаторе

      Tulsion CXO – 12 MP высшего качества макропористый слабокислотный катионит на основе акрилат-ДВБ, поставляемый в Н-форме.

      Tulsion CXO – 12 MP обладает превосходной физической и химической стабильностью, а также низкой набухаемостью гранул при ионных переходах.

      Основные характеристики приведены в табл.2

Таблица 2

1.     Тип 2.     Матрица 3.     Функциональная группа 4.     Внешняя форма 5.     Ионная форма при поставке 6.     Размер гранул 7.     Общая обменная ёмкость 8.     Водоудержание 9.     Набухание Н= -- Na = 10.                       макс. температура 11.                       Диапозон РН

Слабокислотный катионит Полиакриловый сополимер Карбоксильная Сферические гранулы H+/ Na+ 0.3 – 1.2 мм мин. 4.1 мг-экв / мл (Н+) прибл. 47% (Н+) прибл. 65% 100˚С 5 – 14

ФТОРИРОВАНИЕ И ОБЕСФТОРИВАНИЕ ВОДЫ

      Содержание фтора в питьевой воде согласно СанПиН в зависимости от климатических условии должно поддерживаться в пределах 0,7—1,5 мг/л. Недостаток фтора в питьевой воде приводит к кариесу зубов у населения, а избыток  к флюо­розу.

      В качестве фторсодержащих реагентов можно использовать: кремнефтористый натрий Na₂SiF₆,  кремнефтористоводородную кислоту H₂SiF₆, фтористый натрий NaF, кремнефтористый ам­моний (NH₄)₂SiF₆, фтористый кальций CaF₂, фтористоводород­ную кислоту HF, кремнефтористый калий K₂SiF₆, кремнефто­ристый алюминий Al₂(SiF₆)₃, фтористый алюминий AlF₃  и др. В отечественной практике широкое применение получил крем­нефтористый натрий. Это мелкий, сыпучий, негигроскопичес­кий кристаллический порошок белого цвета, без запаха, удобен в эксплуатации. Плотность его 2,7 г/см³, рН насыщенного ра­створа 3,5—4,0. В воде растворяется плохо. Самый дешевый из всех перечисленных реагентов — фтористый кальций, но он имеет крайне низкую растворимость в воде (0,0016 г на 100 мл при 25°С).

      Установки фторирования по технологии приготовления ра­створов фторсодержащих реагентов можно классифицировать: на установки сатураторного типа; с растворными баками (с ме­ханической мешалкой или с барботированием сжатым возду­хом); с растворно-затворными баками; с применением кремнефтористоводородной кислоты.

      На установках сатураторного типа в качестве реагента при­меняют порошкообразный кремнефтористый натрий, который вводят в воду перед хлорированием. Предварительно реагент замачивают и размешивают в емкости, а затем выливают в са­туратор (примерно 1 раз в смену). В основу работы сатуратора положен принцип объемного вытеснения.

      Во фтораторных установках с растворными баками в каче­стве реагента используют кремнефтористый натрий. Для лучше­го растворения реагента баки снабжены мешалками с частотой вращения 50—60 мин^-1, возможно перемешивание сжатым воз­духом. Время перемешивания 2 ч, время отстаивания 2 ч. Кон­центрация раствора реагента в баках оставляет 0,05 % по фто­ру или 0,008 % по чистой соли.

      Фтораторные установки с затворно-растворными баками со­стоят из системы баков: затворного, двух растворных и дозиру­ющего бака, снабженного поплавковым клапаном. Затворный и растворные баки оборудованы электро-смесителями. Раство­ряют фтористый натрий в воде, нагретой до 75—80 °С.

      При применении 8%-ной кремнефтористоводородной кислоты она из автомобильной или железнодорожной цистерны, в кото­рой транспортируется, с помощью воздуходувок передавливает­ся в стационарные складские цистерны, а из них поступает в бак-мерник, откуда дозируется в воду.

      В зарубежной практике фтористые соединения вводятся в воду в сухом виде -непосредственно порошком, сухими до­заторами, через растворную камеру или в жидком виде — доза­торами для растворов. Первый способ обычно реализуют на во­доочистных комплексах большой производительности, вто­рой — на установках малой производительности.

      Для обесфторивания воды может быть использован ряд ме­тодов.

1.     Метод сорбции фтора осадком гидроксида алюминия или магния, а также фосфата кальция, который целесообразно при­менять при обработке поверх-ностных вод, когда кроме обес­фторивания требуется еще их осветление и обес-цвечивание. Вместе с тем метод используется для обработки подземных вод при необходимости одновременного умягчения воды реагентным методом (рис. 2).

      Исследования, выполненные в МГСУ (Г.И. Николадзе и др.), показали, что процесс сорбции фтора свежеобразованным гидроксидом магния при рН = 9 протекает быстро и интенсивно, практически не зависит от температуры и заканчивается за 8—12 мин, сорбционная способность гидроксида магния может быть использована более полно пропусканием обрабатываемой воды через его взвешенный слой.

     Рекомендуемая скорость восходящего движения воды в ос­ветлителях от 0,2 до 0,3 мм/с. Высота слоя осадка принимается 2 - 2,5 м. Время пребывания воды в слое контактного осадка не менее 1 ч. При этом расход магния на удаление 1 мг фтора - около 30 мг.

     Обесфторивание воды солями алюминия целесообразно про­водить при низких значениях рН = 4,3 - 5. В этом случае в осад­ке преимущественно находится основной сульфат алюминия — A1(OH)SO₄ и уменьшается содержание гидроксида алюминия А1(ОН)₃ который сорбирует фтор в меньшей степени, чем

Al(OH)SO₄. При таких рН требуются меньшие дозы сульфата алюминия: 25—30 мг на 1 мг удаляемого фтора.

Рисунок 2. Схема дефторирования воды сорбцией на свежеобразованном гидроксиде алюминия (а) и фильтрованием через зернистую загрузку, заряженную сульфат-ионами (б):

   1, 7 - подача исходной и отвод дефторированной воды;  2 — ввод раствора извести (соды) и сульфата алюминия;  3 — смеситель;  4 осветлитель со слоем взвешенного осадка;  5 — ввод кислоты для стаби­лизации воды;  6 — скорый фильтр;  8, 9 — зарядная и рабочая камеры смесителя; 10 - подача сульфата алюминия;  11 – контактный осветлитель;  12 — резервуар сбора первого фильтрата;  13 — отстойник промывной воды;  14 — ввод хлора;  15 — резервуар чистой воды;  16  – насос.

      Удаление фтора из воды с помощью трикальцийфосфата осно­вано на сорбции свежеобразованным трикальцийфосфатом, ко­торый связывает имеющийся в воде фтор в малорастворимое со­единение — [Са₉ (PO₄)₆Ca]F₂, выпадающее в осадок.   Расход три­кальцийфосфата на удаление 1 мг фтора составляет 23—30 мг. Связывание фтора описывается следующей реакцией:

ЗСа₃ (РO₄)₂ + NaF + Са(НСO₃)₂ → [Са₉ (PO₄)₆Ca]F₂ + 2NaHCO₃.

      Скорость восходящего потока воды в слое взвешенного осадка принимают 0,6—0,8 мм/с. Содержание фтора снижается с 5 до 1 мг/л при расходе реагента 30 мг на 1 мг удаленного фтора.

2.     B.Л. Драгинский (НИИ КВОВ) и др. предложили обесфторивание воды методом контактно-сорбционной коагуляции. Коагулянт — сернокислый алюминий вводится в воду непо­средственно перед контактными осветлителями. Метод приме­ним при концентрации фтора до 5 мг/л, сероводорода до 2 мг/л, щелочности до 6 мг-экв/л. На 1 мг удаляемого фтора расходуется около 80 мг сульфата алюминия.

3.     Дефторирование воды активированным оксидом алюминия (дефлюоритом) обеспечивает высокий эффект удаления фтора из подземных вод. Зернистый активированный оксид алюми­ния (ЗАОА) является наиболее дешевым сорбентом, простым в изготовлении и емким по поглощению фтора. При фильтро­вании обрабатываемой воды со скоростью 5—7 м/ч через ЗАОА происходит поглощение фтора сорбентом в результате обмена сульфат-ионов на фтор-ионы. Регенерация сорбента произво­дится пропуском через него 1—1,5 % - ного раствора сульфата алюминия. Емкость поглощения 1 г ЗАОА составляет 2—2,5 мг фтор-ионов.

      Обесфторивание воды по данному методу характеризуется наибольшим технико-экономическим эффектом, так как себе­стоимость обработки воды здесь минимальная по сравнению со всеми ранее рассмотренными методами.

4.     Для подземных вод, не требующих осветления и обесцве­чивания, возможно обесфторивание с применением сильноосновных анионитов. По экономическим соображениям это целесо­образно при необходимости одновременного опреснения воды.

ДЕГАЗАЦИЯ ВОДЫ

      Дегазация воды — комплекс мероприятий, связанных с уда­лением из воды растворенных в ней газов. Различают физичес­кие (безреагентные), химические (реагентные) и комбиниро­ванные (биохимические, электрохимические, физико-химичес- кие) способы.

      Физические способы дегазации воды — это ее аэрация, пен­ная дегазация, кипячение, вакуумирование.

      Химические способы дегазации воды — это добавление в нее химических реагентов, вступающих в реакцию с растворенным в воде газом, в результате чего происходят связывание или окисление удаляемого газа и перевод его в менее активные со­единения с последующим удалением из воды.

      Комбинированные способы дегазации воды предусматрива­ют совместное использование физических и химических мето­дов, иногда с привлечением некоторых дополнительных факто­ров (микроорганизмов, электрического тока и др.)

      Физическими методами обычно удаляются СO₂, H₂S, а O₂ удаляют химическим путем.

      Аэрирование воды производится в специальных установках вакуумно-эжекционного, пенного, пленочного типов, а также используются брызгальные бассейны, аэраторы каскадного типа.

      Одним из наиболее совершенных аэраторов является дегаза­тор пленочного типа (рис. 3), загруженный керамическими или пластмассовыми кольцами для увеличения поверхности контакта аэрируемой воды и воздуха. Обрабатываемая вода сте­кает тонкой пленкой сверху вниз, а снизу под контактную мас­су вентилятором нагнетается воздух.

Рисунок 3. Аэрационный аппарат пленочного типа:

1 — вентилятор; 2 — отвод дегазированной воды; 3 — поддон; 4 — дре­нажная плита; 5 — насадка из кольца Рашига или пластмассовых ко­лец; 6 —оросительные патрубки; 7— подача исходной воды; 8 — рас­пределительная чаша; 9 — отвод выделившихся газов; 10 — патрубки отвода газовой смеси.

      Площадь поперечного сечения дегазатора, загруженного коль­цами Рашига, принимается исходя из удельного расхода воды 60 м³/(м² ∙ ч). Удельный расход воздуха составляет 15 м³/(м² ∙ ч).

      H₂S, O₂ и СO₂ удаляются также химическими методами при введении реагентов или фильтрованием через специальные за­грузки.

      O₂ может удаляться фильтрованием через легко окисляющие­ся вещества (стальные стружки), или при взаимодействии с сульфитом натрия Na₂SO₃, или оксидом серы S0₂, или, в ред­ких случаях, при применении гидразина N₂H₄.

      Для удаления сероводорода из воды химическими методами его окисляют кислородом воздуха, или хлором С1₂, или двухлора С1₂0, или перманганатом калия КМп04, или озоном 03. Также можно использовать взаимодействие H₂S с гидроокисью железа (III) Fe(OH)₃. Сероводород может окисляться серобак­териями до серы.

      Углекислый газ СO₂ химическим путем связывается извес­тью в практически нерастворимый карбонат кальция СаСO₃.

      Тот или иной способ и технологию дегазации воды выбира­ют на основании технико-экономических расчетов и с учетом местных конкретных условий объекта водоснабжения.

ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ

      Железо в природных водах может содержаться в виде двухва­лентного железа, неорганических и органических коллоидов, а также в форме комплексных соединений двух и трехвалентно­го железа или тонкодисперсной взвеси гидрата окиси железа.

      Обезжелезивание воды для хозяйственно-питьевых целей производится при содержании в ней железа более 0,3 мг/л. Многообразие форм и концентраций железа, встречающихся в природных водах, вызвало необходимость разработки ряда методов, технологических схем и сооружений обезжелезивания воды. Все методы обезжелезивания можно свести к двум основ­ным типам: безреагентные и реагентные.

      Обезжелезивание поверхностных вод можно осуществить лишь реагентными методами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение получили безреагентные методы.

      Из используемых безреагентных методов обезжелезивания воды перспектив-ными являются: вакуумно-эжекционная аэра­ция и фильтрование; упрощенная аэрация и филь­трование; «сухая» фильтрация; филь­трование на каркасных фильтрах; фильтрование в подземных условиях с предварительной подачей в пласт оксидированной воды или воздуха; аэрация и двухступенчатое фильтрование.

      К реагентным относят следующие методы: упрощенная аэрация, оксидация, фильтрование; напорная флотация с изве­сткованием и последующим фильтрованием; известкование, отстаивание в тонкослойном отстойнике и фильтрование; фильтрование через модифицированную загрузку; электро-коагуляция; катионирование.

      Безреагентные методы обезжелезивания могут быть приме­нены, когда исходная вода характеризуется: рН — не менее 6,6; щелочность — не менее 1,5 мг-экв/л; содержание угле­кислоты — до 80 мг/л и сероводорода — до 2 мг/л; перманганатная окисляемость — не более 9,5 мг О₂/л. При соблюде­нии этих условий при содержании железа (III) не более 10 % общего и концентрации железа (II) в бикарбонатной или карбонатной форме до 3 мг/л рекомендуется метод фильтро­вания на каркасных фильтрах без вспомогательных фильтру­ющих средств; до 5 мг/л — предпочтительно применять ме­тод «сухой» фильтрации; от 5 до 10 мг/л — следует использо­вать метод упрощенной аэрации с одноступенчатым фильтрованием; от 10 до 20 мг/л — аэрация и двухступенча­тое фильтрование; от 10 до 30 мг/л — рекомендуется вакуумно- эжекционная аэрация с фильтрованием через загрузку боль­шой грязеемкости. При содержании углекислого или карбо­натного железа (II) более 20 мг/л или при наличии сероводорода 1—5 мг/л и рН не ниже 6,4 рекомендуется ме­тод вакуумно-эжекционной аэрации с последующим отстаи­ванием в тонком слое воды или обработкой в слое взвешен­ного осадка и фильтрование.

      Реагентные методы обезжелезивания воды применяют при низких значениях рН, высокой окисляемости, нестабильности воды. При этом при содержании сернокислого или карбонатно­го железа либо комплексных железоорганических соединений до 10 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O₂/л ре­комендуется применять фильтрование через модифицирован­ную загрузку; до 15 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O₂/л предпочтителен метод, предусматривающий упро­щенную аэрацию, обработку сильным окислителем и фильтро­вание через зернистую загрузку большой грязеемкости; свыше 10 мг/л и перманганатной окисляемости более 15 мг O₂/л сле­дует применять напорную флотацию с предварительным изве­сткованием и последующим фильтрованием или метод, преду­сматривающий аэрацию, известкование, отстаивание в тонком слое и фильтрование; свыше 10 мг/л, перманганатной окисля­емости более 15 мг O₂/л при производительности установок до 200 м³/сут можно рекомендовать электрокоагуляцию с барботированием, отстаиванием в тонком слое и фильтрование. Обезжелезивание воды катионированием целесообразно лишь в тех случаях, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды, при этом ионным обменом могут быть извле­чены только ионы железа (II).

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ

      На заключительном этапе очистки воды для хозяйственно-питьевых нужд производится ее обеззараживание, так как приосветлении и обесцвечивании природной воды в ней еще оста­ются 5—10 % бактерий, среди которых могут оказаться и пато­генные бактерии и вирусы. Использование подземной воды в большинстве случаев возможно без обеззараживания. В тех­нологии водоподготовки известен ряд методов обеззаражива­ния: термический, химический, олигодинамия (с помощью благо­родных металлов), физический (с помощью ультразвука, радио­активного излучения, ультрафиолетовых лучей). Наиболее широко используется химический способ, предусматривающий применение сильных окислителей: хлора и его производных, озона, перекиси водорода, магранцевокислого калия, гипохлорита натрия и кальция. На практике предпочитают использо­вать хлор, хлорную известь, гипохлорит натрия, озон.

      Выбор метода зависит от расхода и качества обрабатываемой воды, эффективности ее очистки, условий поставки и хранения реагентов, возможности автоматизации и механизации трудо­емких работ.

      Хлорирование воды является надежным санитарно-гигиеническим приемом предотвращения распространения эпидемий, так как большинство патогенных бактерий (бациллы брюшно­го тифа, туберкулеза и дизентерии, вибрионы холеры, вирусы полиомиелита и энцефалита и др.) весьма нестойки по отно­шению к хлору. Спорообразующих бактерий хлор не уничто­жает, что является одним из недостатков этого метода обезза­раживания.

      Дозу активного хлора для обеззараживания устанавливают на основании данных технологических изысканий. При их от­сутствии для предварительных расчетов дозу принимают для поверхностных вод после фильтрования 2—3 мг/л, для подзем­ных — 0,7—1,0 мг/л.

      Хлорсодержащие реагенты вводят в трубопровод фильтро­ванной воды, а для подземных вод, не требующих очистки, — перед резервуарами чистой воды. Концентрация остаточного свободного хлора в воде, забираемой из резервуара чистой воды, должна быть в пределах 0,3-0,5 мг/л, а связанного хло­ра — 0,8—1,2 мг/л при минимальной продолжительности кон­такта соответственно 30 и 60 мин. Для качественного хлориро­вания необходимо также хорошее перемешивание.

      Хлорирование воды осуществляют жидким (газообразным) хлором. На водоочистных комплексах с расходом до 3000 м³/сут допускается применение хлорной извести.

      При плюсовых температурах и атмосферном давлении хлор представляет собой газ зеленовато-желтого цвета с удушливым запахом и плотностью, значительно большей, чем плотность воз­духа. При повышении давления хлор переходит в жидкое состо­яние, в таком виде его перевозят и хранят в специальных сталь­ных емкостях (при давлении 0,6—1,0 МПа). Хлор поставляется в баллонах двух типов вместимостью до 25—30 кг и 100 кг жидко­го хлора. На крупные водоочистные комплексы производитель­ностью более 100 тыс. м³/сут хлор доставляют обычно в желез­нодорожных цистернах вместимостью до 48 т жидкого хлора, а хранят его в бочках, которые в зависимости от размеров вме­щают от 700 до 3000 кг жидкого хлора. Хлорное хозяйство дол­жно обеспечивать прием, хранение, испарение жидкого хлора, дозирование газообразного хлора с получением хлорной воды.

     Гидролиз хлора происходит по реакции:

Сl₂ + Н₂O ↔ НС1 + НОС1.

      Хлорноватистая кислота диссоциирует с образованием гипохлоритного иона (ОС1^-), при этом оксидирующее воздей­ствие на микроорганизмы оказывают как сама хлорноватистая кислота, так и главным образом гипохлоритный ион. Степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от рН. При использовании вместо хлора хлорной извести протека­ет реакция

2СаОС1₂ + 2Н₂O ↔ СаС1₂ + Са (ОН) ₂ + 2НОС1.

      Доза вводимого хлора должна быть больше величины хлоропоглощаемости на величину остаточного хлора, присутствие которого является гарантией того, что оксидация бактерий и органических веществ в воде практически завершена.

     На практике в зависимости от качества исходной воды дела­ют предварительное хлорирование, вводя хлор перед смесите­лями дозой 5 мг/л, что способствует оксидации органических защитных коллоидов, препятствующих коагуляции, а также гуминовых веществ, обусловливающих цветность. При этом улуч­шается санитарное состояние очистных сооружений, снижает­ся общий расход хлора.

Для обеспечения более длительного бактерицидного дей­ствия хлора и предотвращения появления в воде хлорфенольных запахов и привкусов применяют предварительную аммонизацию, т. е. вводят аммиак в воду раньше хлора. При этом об­разуются монохлорамины:

HCl + NH₃  ↔ NH₂C1 + Н₂O,

которые, гидролизуясь, образуют гипохлоритный ион:

NH₂C1 + H₂0 → NH₄⁺ + ОС1^-.

      Гидролиз хлораминов протекает медленно, и длительность бактерицидного действия увеличивается, хотя окисляющая спо­собность хлораминов ниже, чем хлора.

      Аммиак хранят на расходном складе в баллонах или контей­нерах. Ввод аммиака производят в фильтрат, при наличии фе­нолов — за 2—3 мин до ввода хлора.

      Для ввода в воду хлора, аммиака и сернистого газа (при де­хлорировании) применяют вакуумные газодозаторы системы ЛОНИИ-100 (рис.4) и системы JI.A. Кульского. Из исход­ных баллонов жидкий хлор перетекает в промежуточный бал­лон, где происходит его испарение и отделение загрязнений.     Далее газообразный хлор проходит через фильтр со стекловатой и затем через понижающий давление редуктор. Степень пони­жения давления фиксируется двумя манометрами, установлен­ными до и после редукционного клапана. С помощью диафраг­мы создается перепад давления, который служит импульсом для работы измерителя расхода хлора. Затем хлор поступает в смеситель, смешивается с водопроводной водой, образуя хлорную воду, которая подсасывается эжектором и таким обра­зом дозируется в обрабатываемую воду.

      С одного стандартного баллона при комнатной температуре можно получить не более 0,5—0,7 кг хлоргаза. Для увеличения съема хлора прибегают к специальному обогреву баллонов теп­лой водой или подогретым воздухом при температуре 10—30 °С.

      Дехлорирование воды, т. е. удаление при необходимости избытка остаточного хлора, можно осуществлять при неболь­шом избытке — аэрированием, при большом — химическими методами (обработка воды гипосульфитом или сульфитом на­трия, аммиаком), фильтрацией через активированный или сульфоуголь.

Рисунок 4. Хлоратор ЛОНИИ-100:

7 — промежуточный баллон с хлором; 2 — фильтр со стекловатой; 3 — редукционный клапан для снижения давления хлоргаза; 4 — маномет­ры; 5 — ротаметр; 6 — измерительная диафрагма; 7 — смеситель; 8 — подача водопроводной воды; 9 — слив в канализацию; 10 — эжектор, создающий разряжение в хлораторе; 11 — отвод хлорной воды.

      Воду можно обеззараживать и с помощью гипохлорита на­трия, получаемого электролитическим способом (в электроли­зерах) на месте применения путем разложения раствора пова­ренной соли постоянным электрическим током.

      Озонирование воды основано на применении озона, который легко разлагается с образованием атомарного кислорода, явля­ющегося одним из наиболее сильных окислителей. Он уничто­жает бактерии, споры, вирусы, обесцвечивает и дезодорирует воду, окисляя органические загрязнения.

      Озон не изменяет природные свойства воды, так как его из­быток быстро разлагается, превращаясь в кислород.

      Озон получают из атмосферного воздуха в аппаратах, назы­ваемых озонаторами. Предварительно осушенный, очищенный и охлажденный воздух поступает в озонатор, в котором проис­ходит разряд коронного типа, в результате чего образуется озон. Доза озона принимается при введении его в фильт­рованную воду с целью обеззараживания  1—3 мг/л, а для под­земной воды, не требующей очистки, 0,75—1 мг/л.

      Обеззараживание воды можно проводить путем ее обработ­ки ультрфиоле-товыми лучами. Обеззараживание воды бактери­цидными лучами имеет преимущества перед хлорированием, так как природные вкусовые качества и химические свойства воды не изменяются. Бактерицидное действие лучей протекает во много раз быстрее, чем хлора; после облучения воду сразу можно подавать потребителям. Бактерицидные лучи уничтожа­ют не только вегетативные виды бактерий, но и спорообразу- ющие. Эксплуатация установок для обеззараживания воды бак­терицидными лучами проще хлорного хозяйства.

      Наибольшим бактерицидным эффектом обладают ультрафи­олетовые лучи с длиной волны 200—295 мкм. Эту область ульт­рафиолетового излучения называют бактерицидной. Источни­ками бактерицидного излучения служат выпускаемые отече­ственной промышленностью аргонортутные лампы низкого давления и ртутно-кварцевые лампы высокого давления.

      Недостатком рассматриваемого метода является невозмож­ность оперативного контроля за эффектом обеззараживания в отличие от хлорирования (по остаточному хлору).

ЛИТЕРАТУРА

1.     Современные технологии подготовки воды для систем горячего водоснабжения (ГВС). Доклад к семинару «Современные материалы и технологии реконструкции цехов химводоподготовки котельной» 3 ноября 2005 г. в г. Нефтегорск Самарской области.

2.     Сомов М.А., Квитка Л.А. «Водоснабжение» -  ИНФРА-М, 2007. Раздел 5. Водоподготовка.

3.     Статья из журнала  «Водоснабжение и санитарная техника», 2012,  №1

«Очистка геотермальных систем отопления и горячего водоснабжения от карбонаных отложений», к.т.н., старший научный сотрудник «Института Проблем Геотермии Дегестанского Научного Центра РАН» - Г.Я. Ахмедов.