Основные методы обработки природных вод

Осветление воды. Ее целью является достижение прозрачности воды, т.е. снижение содержания в ней грубодисперсных примесей. Понятие "осветление" обычно трактуется шире и включает в себя выделение из воды частиц, укрупняющихся и образующих твердую фазу.

Естественным процессом осветления воды является ее отстаивание. С учетом скорости осаждения, зависящей от размера частиц, реализация процесса отстаивания связана со значительными трудностями. Так, для осаждения частиц глины размером 1 мкм в резервуаре с высотой слоя воды 1 м требуется семь суток.

Коллоидные частицы, обладая поверхностными силами, формируют на своей поверхности электрический заряд одного и того же знака для частиц одинаковой химической природы (рис. 3.3.5). Заряд препятствует сближению и слипанию частиц, вызывая действие сил отталкивания. Для полного устранения или существенного снижения заряда коллоидных частиц в технике водообработки прибегают к искусственному приему, связанному с созданием в обрабатываемой воде новой коллоидной системы с противооложным знаком заряда. Для этого используется ввод в воду коагулянтов (сульфата алюминия или железа) при совмещении процессов известкования и коагуляции.

Рис. 3.3.5. Схема строения коллоидной мицеллы (а), гранулы (б) и мицеллы, несущей отрицательный заряд (в): 1 - поверхность коллоидной частицы; 2 - адсорбированные ионы; 3 - противоионы; 4 - двойной электрический слой; 5 - диффузионный слой; 6 - адсорбционный слой

Сульфат алюминия в воде диссоциирует, ионы алюминия подвергаются гидролизу, а освободившиеся при этом ионы водорода взаимодействуют с бикарбонатионами, всегда присутствующими в природных водах:

Образующееся труднорастворимое вещество (гидроксид алюминия Al(OH)₃) при образовании твердой фазы проходит коллоидную стадию дисперсности, при этом частицы гидроксида алюминия заряжены положительно вследствие частичной диссоциации с переходом в раствор ионов гидроксила. По такой же схеме образуется гидроксид железа Fе(ОН)₃.

Таким образом, при дозировке коагулянтов образуется новая, искусственно созданная коллоидная система с положительным знаком заряда, поэтому между ней и природными коллоидными частицами, заряженными обычно отрицательно, возникают силы притяжения и образуются укрупненные агрегаты в виде хлопьев (рис. 3.3.6). Эти агрегаты быстро осаждаются в воде или могут быть отфильтрованы вследствие их относительно больших размеров, достигающих 1 мм и более.

Рис. 3.3.6. Схема процесса хлопьеобразования: 1 - цепочечные агрегаты первичных частиц; 2 - микрохлопья (1, 2 - "скрытая" коагуляция); 3 - хлопья ("явная" коагуляция); 4 - образование хлопьев с совершенной структурой; 5 - адсорбция; 6 - окклюзия; 7 - сокристализация (включение в структуру хлопьев одинакового радиуса)

Процесс коагуляции коллоидных примесей природных вод осуществляют в осветлителях (рис. 3.3.7). Исходная подогретая вода III после выделения из нее избытка растворенных газов в воздухоотделителе 1 подается в нижнюю часть осветлителя 2 через тангенциально расположенные сопла. Сюда же насосами-дозаторами закачиваются раствор коагулянта и известковое молоко для осуществления процесса известкования.

По мере подъема обрабатываемой воды в осветлителе ее вращательное движение, созданное для лучшего перемешивания с реагентами, гасится с помощью вертикальных 3 и горизонтальных 4, 5 перегородок с отверстиями.

Рис. 3.3.7. Движение обрабатываемой воды в осветлителе: 1 - воздухоотделитель; 2 - смеситель; 3 - вертикальные перегородки; 4,5 - горизонтальные перегородки; 6 - кольцевой сборный желоб; 7 - шламоприемные окна; 8 - шламоуплотнитель; 9 - сборник осветленной воды; I - выход воды; II - ввод реагентов; III - вход воды; IV - продувка шламоуплотнителя; V – дренаж

Восходящий поток обрабатываемой воды поддерживает хлопьевидный осадок во взвешенном состоянии, образуя шламовый слой - своеобразный фильтр, в котором содержание грубодисперсных примесей снижается до концентрации С < 10 мг/кг. Часть шламового слоя вместе с потоком воды отводится через окна 7 в шламоуплотнитель 8, в котором шлам отстаивается и удаляется в дренаж с небольшим количеством воды в виде продувки осветлителя IV.

Наличие в осветлителе взвешенного шлама ограничивает скорость восходящего потока воды величиной менее 1 мм/с, поэтому осветлитель имеет большие габаритные размеры и его располагают вне здания водоподготовительной установки. Осветленная вода собирается в кольцевом желобе 6 и удаляется из осветлителя I.

В ряде случаев при очистке воды от коллоидных и грубодисперсных частиц целесообразно объединить процессы коагуляции и известкования. Известкование относится к методам осаждения и основано на том, что при добавлении к воде раствора извести Са(ОН)₂ ионы кальция образуют труднорастворимые соединения с карбонатами, а ионы магния - с гидроксильными группами. Реакции, протекающие при известковании воды, могут быть выражены следующей схемой:

Очевидно, что при известковании происходит декарбонизация воды (удаление СО₂), некоторое снижение концентрации в ней иона НСО₃^- и общей жесткости Ж_о. Так как для современных котлов и реакторов требуется вода более высокого качества, чем получается при известковании, этот метод обычно рассматривается как метод предварительной очистки природной или сточных вод перед последующей более глубокой их обработкой.