Управление качеством воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ВОДЫ

Владимир Медведский

Марун Бешара

Хабиб Набиль

Морис Бешара

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Основные физико-химические процессы при обработке воды

1.1 Коагуляция - флокуляция (хлопьеобразование)

2. Химическая преципитация

3. Отстаивание

4. Флотация

5. Фильтрация

6. Центрифугирование

7. Электоролиз

8. Сепарирование при помощи мембран

9. Адсорбция

10. Ионообмен

11. Обработка питьевой воды

11.1 Обычные методы

11.2 Хранение сырой воды

11.3 Забор воды

11.4 Очистка

11.5 Удаление органических веществ

11.6 Искусственный подзаряд водоносного слоя

11.7 Дезинфекция

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Вся вода, доставляемая потребителям посредством системы водоснабжения, должна быть обработана, даже если лишь небольшая её часть потребляется человеком и животными непосредственно. Это было бы катастрофой для общественного здоровья и экономически невыгодно устанавливать двойную систему водоснабжения, где одна часть работала бы на подачу воды для личного использования, а другая для использования в других целях. Вода должна обрабатываться всякий раз, когда при аналитическом измерении возникает вопрос о превышении стандартного, предусмотренного законодательством для этой страны уровня.

Химический состав поверхностной воды зависит от типа грунтов, через которые должна пройти вода, перед тем, как войти в зону стока. При прохождении, в воде растворяются разнообразные компоненты почвы. Обмен между водой и воздухом на поверхности вызывает растворение в воде газов (кислорода, азота, углекислого газа). Следующие вещества обнаруживаются в поверхностных водах:

Почти повсеместное присутствие растворенных газов, особенно кислорода.

Сильная концентрация твердых частиц во взвешенном состоянии, особенно в проточной воде. Эти взвешенные твердые частицы очень разнообразны, от коллоидальных частиц, до структурных элементов, попадающих в реку каждый раз при повышении уровня воды. Что касается воды, хранимой в резервуарах, крупные частицы имеют тенденцию к естественному оседанию, пока вода хранится; при этом сохраняющаяся мутность - коллоидальная.

Наличие естественных органических веществ, образующихся в результате декомпозиции растительных или животных организмов, живущих на поверхности в зоне стока или в реке. Такие организмы (животные, растения, разлагаются после смерти).

Наличие планктона: поверхностные воды создают условия для быстрого роста фитопланктона (водоросли и т.д.) и зоопланктона. При определенных условиях, развивается интенсивная водная жизнь: разрастается популяция растений, макрофитов и рыб. Дневные колебания (температура, количество дневного света), сезонные колебания, климатические изменения (температура, таяние снега), измененный растительный мир создают колебания в составе воды. Эти изменения могут быть опасными: внезапные штормы, наводнения, случайные загрязнения. На ограниченном пространстве поверхностных вод качество воды у поверхности отличается от качества воды придонных слоев по содержанию кислорода, железа, планктона. Каждый из этих элементов варьирует в зависимости от времени года.

Необработанная вода с поверхности редко может быть использована для питья. Кроме перечисленных выше частиц воду обычно загрязняют бактерии. Более того, возможны еще несколько типов загрязнения:

Муниципальное загрязнение: попадание сточных вод канализации (домашние отходы) в воду после ее очистки;

Промышленное загрязнение: органические загрязнители и микро загрязнители (углеводороды, растворители, синтетические продукты, фенолы) или неорганические (тяжелые металлы, аммоний, токсичные продукты);

Сельскохозяйственное загрязнение.

1. Основные физико-химические процессы при обработке воды

Вода содержит многие соединения, которые классифицируются по трем категориям:

Взвешенные твердые вещества

Это продукты минерального происхождения (песок, ил, глины и др.) или органические (продукты, образованные в результате разложения растительных или животных материалов). К этим соединениям можно добавить микроорганизмы такие как бактерии, планктон, водоросли и вирусы. Эти составляющие, отвечают за мутность и цвет воды.

- Коллоидальные частицы (менее 1 микрона)

Это взвешенные твердые частицы того же происхождения, что и выше перечисленные, но меньшего размера и с очень малой скоростью оседания. Они также отвечают за мутность и цвет.

Растворенные вещества (менее нескольких нанометров)

Это обычно катионы и анионы. Органические вещества также частично растворяются. Присутствуют таже растворенные газы: кислород, углекислый газ, сероводород и др.

Коагуляционно-флоккулятивные процессы облегчают удаление твердых взвешенных частиц и коллоидов. Это происходит в окончательной стадии разделения твердых и жидких фракций: отстаивании, флотации или фильтрации.

Таблица 1 показывает ряд материалов и организмов с учетом их размеров и указанием времени, необходимого для их вертикального оседания в 1 метре воды, при температуре 20 градусов по Цельсию, только под воздействием силы тяжести.

Таблица 1

Чтобы дестабилизировать суспензию, необходимо преодолеть энергетический барьер Еs. Чтобы выполнить это, а значит способствовать агломерации коллоидов, необходимо уменьшить электростатические силы отталкивания. Такая дестабилизация достигается коагуляцией.

Процесс коагуляции можно объяснить теорией двойного слоя в сырой воде коллоиды неизбежно несут отрицательный заряд (недостатки кристаллической структуры). Чтобы нейтрализовать этот негативный поверхностный заряд, положительные ионы, присутствующие в сырой воде или введенные в нее, сближаются, образуя слой вокруг коллоидов. Выдвигаются различные теории:

Химическая теория

Поскольку ковалентные силы притяжения в 20-50 раз больше, чем электростатические силы, разработана химическая теория для объяснения дестабилизации коллоидальных суспензий. Эта теория предполагает, что первичный заряд, который несет коллоидальная частица, возникает вследствие прямой ионизации химических групп на ее поверхности. Дестабилизация достигается благодаря ковалентной реакции между этими группами и поливалентными металлическими ионами коагулянтов.

Имеется ряд последовательных или параллельных стадий агломерации частиц (Таблица 2).

Таблица 2

Стадии агломерации частиц

Коагуляция - это дестабилизация коллоидальных частиц, вызванная добавлением химического реагента, известного как коагулянт.

Флоккуляция - соединение дестабилизированных частиц в микрохлопья, затем в плотные хлопья, называемые флок, (сгусток) которые могут оседать. Интродукция другого реагента, называемого флоккулянтом, или вспомогательного флоккулянта, может способствовать формированию флока (сгустка).

Два транспортных фактора определяют флоккуляцию:

Перикинетическая флоккуляция связана с броуновской диффузией (термальное возбуждение)

Скорость флоккуляции описывается уравнением:

Более того, pH - важный фактор при удалении коллоидов. Оптимальный уровень pH- это компромисс между уровнем pH, необходимым для коагуляции, и уровнем pH необходимым для флоккуляции. Необходимый уровень pH может быть достигнут путем добавления кислоты или основания.

Основная реакция, когда в воду добавляется ион Al³⁺, это образование преципитата гидроокиси алюминия с высвобождением некоторого количества кислоты:

Al³⁺ + 3H2O Al(OH)3v + 3H⁺

Кислотность влияет на некоторые элементы раствора, особенно ионы бикарбоната:

HCO3^- + Н⁺ H2O + CO2

Такая кислотность может компенсироваться при добавлении коагулянта в сочетании с основанием все результирующие продукты растворимы за исключением Al(OH)3 и CaCO3.

Al³⁺ + 3OH- Al (OH)3

Полимеры алюминия применяются как для нейтрализации, так и для осаждения коллоидов, чтобы коагуляция проходила более эффективно.

Полимеризация гидроокиси алюминия в растворе приблизительно представляет собой ту же базовую структуру, что и кристаллы.

PCBA ( основной хлорид полиалюминия)

Преимущества PBCA по сравнению с обычной солью алюминия следующие:

1. Быстрая флоккуляция;

2. эффективное удаление органических субстанций;

3.Более низкая скорость обработки;

4. Меньшее количество мути;

5. Не требуется частое добавление флоккулянта.

- Активированный кремнезем (кварц).

Он дает хорошие результаты, особенно, когда применяется совместно с сульфатом алюминия в холодной воде. Добавляется он после коагулянта и приготавливается непосредственно перед использованием путем частичной нейтрализации щелочности раствора силиката натрия.

Несколько реже используются определенные виды глины, чистый преципированный карбонат кальция, мелкий песок. Крахмалы получают из картофеля, тапиоки или экстрактов растительных семян.

Альгинаты натрия получают из alginic кислоты, которую экстрагируют из морских водорослей.

Сa (OH)2 + Сa (HCO3)2 > 2 CaCO3 + 2H2O

Сa (OH)2 + Mg (HCO3)2 > 2 CaCO3 + MgCO3 + 2H2O

Поскольку карбонат магния относительно растворим (растворимость около 70 мг), избыток извести приведет к следующей реакции:

Сa (OH)2 + MgCO3 > CaCO3 + Mg(OH)2

Преципитация карбоната кальция сопровождается образованием карбоната натрия, который воздействует на постоянную жесткость в соответствии с реакциями (1) и (2), приведенными выше.

Важным является также удаление кремния которое производят при помощи алюмината натрия.

Предпочтительно проводить эту обработку в холодном виде.

Количество алюминия, выраженное оксидом Al2O3 в растворе морской воды, составляет в пределах от 2,0 до 2,6 на мг осажденного кремния.

Для глубинной воды при умягчении посредством обработки известь-сода, условия удаления кремния и содержимое остатка, полученное для первоначальных уровней от 20 до 40 мг суммируются в данной ниже таблице 3:

Таблица 3

Преципитация металлов включает в себя преципитацию растворенных металлов, содержащихся в потоках возникающих в результате обработки поверхности.

Обычная процедура состоит в преципитации металлов в виде гидроокисей простой нейтрализацией кислотных потоков. Поскольку значения pH для максимальной преципитации всех металлов не совпадают, должна быть определена оптимальная зона реакции для значения pH, которое может варьировать от 7,0 до 10,5, в зависимости от минимальных величин, требуемых для наиболее вредных металлов.

Желательный остаточный уровень для некоторых металлов (Cd, Ag, Hg) становится все более и более ограниченными в некоторых странах и уменьшен до 100 нг/л.

Преципитация может, таким образом, иметь место в форме соединений серы, которые едва ли растворимы, и которые делают возможной преципитацию слабо халатированных металлов в небольшом диапазоне pH.

Такая преципитация имеет место:

С Na2S и в форме коллоидальной серы, при этом требуется наличие гидроокиси железа для флоккуляции.

С производными органических меркаптанов, которые способствуют флоккуляции.

Часто для преципитации используют сульфаты.

Сульфат должен быть удален из раствора или воды перед дистилляцией. Обычная процедура, применяемая в случае высокого уровня содержания SO4^2- включает холодную преципитацию гипса CaSO4?2H2O, путем добавления Ca²⁺ в виде извести (обычно делается с кислой водой) или CaCl2 (как в случае с солевым раствором морской воды):

SO4^2- + Ca²⁺ + 2H2O > CaSO4?2H2O

3. Отстаивание

Отстаивание - это техника сепарирования наиболее часто применяемая для взвешенных твердых частиц и коллоидов (собранных в виде флока после стадии коагуляции-флоккации).

Существуют различные виды веществ, подлежащих отстаиванию:

Дискретные частицы оседают независимо друг от друга с постоянной скоростью.

Флоккулятные частицы имеют разный размер и различную скорость оседания. При низкой концентрации, скорость оседания возрастает по мере возрастания размеров хлопьев как результат агломерации с другими частицами; это флоккулянтное отстаивание.

где: Ps,pl: плотность дискретных частиц и жидкости

s,v : диаметр, область и объем дискретной частицы

V: скорость частицы

g: ускорение силы тяжести

C: коэффициент торможения

Равновесие немедленно устанавливается и оседание частицы, подобно шару, проходит с постоянной скоростью V0:

V0 = 4 · ( ps - pl ) · g · d /3C1

Величина коэффициента торможения определяется по формуле:

C= a Re ^{- n}

где a и n - константы

Re: число Рейнольдса

Re = pl V d/ n

где n = абсолютная вязкость

Это основные формулы для расчета движения частиц в жидкости и используются для оседания (дискретных твердых частиц в жидкости, капель воды в воздухе), для потоков, движущихся вверх (воздушные пузырьки в воде, капли масла в воде), при центрифугировании.

Во время отстаивания, производится флоккуляция, и скорость оседания V0 частиц возрастает. Этот процесс происходит тогда, когда концентрация флоккулируемого вещества превышает примерно 50 мг/л.

Информация о такой скорости может быть получена из лаборатории и графиков.

Как только концентрация флоккулированных частиц становится значительной, взаимодействие между ними становится более важным. Оседание замедляется. Частицы приклеиваются друг к другу, и замедленное оседание вызывает взаимодействие между флоком и плавающей на поверхности жидкостью. Это характерно для активированной мути и флоккулированных химических суспензий, когда их концентрация превышает 500 мг.л. В случае замедленного отстаивания обычно наблюдаются три фазы: ( Рис. 3)

Рис. 3. Диаграмма замедленного отстаивания

b : Гомогенная зона суспензии, где раствор оказывается таким же, как в начале с явно выраженным a-b интерфейсом;

с: Переходная зона;

d: Зона утолщения мути, где уровень быстро поднимается перед тем, как медленно уменьшиться.

Применяется также ламельное отстаивание.

Использование такого метода состоит в увеличении поверхности сепарирования водной мути. Поэтому, размещая ламели (параллельные трубки или пластины) в зоне отстаивания, создается большое количество ячеек элементарного разделения. Для эвакуации мути необходимо наклонить ламель под углом к горизонту.

Для практического применения в начале выбирается тип ламелей для отстаивания.

Противопоточное отстаивание - муть и вода циркулируют в инверсивном потоке, используют как более простую и более жизнеспособную гидравлическую систему. Сонаправленное отстаивание (муть и вода циркулируют сверху вниз) имеет большие проблемы с восстановлением очищенной воды. При перекрестно-направленном отстаивание (муть и вода циркулируют в перпендикулярном направлении), одинаково воздействуя на гидравлический поток.

Выбор ламелей.

Имеется много моделей:

Рифленые пластины, круглые трубы, квадратные трубы, шестиугольные модули.

В противоположность отстаиванию, флотация - процесс сепарирования твердого вещества от жидкости и жидкости от твердых материалов - процедура, применяемая для частиц, плотность которых меньше плотности жидкости, в которой они находятся.

Если разница в плотности является естественно достаточной для разделения, то такая флотация является естественной.

Вспомогательная флотация происходит в случае если применяются, наружные меры чтобы способствовать сепарации частиц, обладающих естественной плавучестью.

Индуцированная флотация имеет место, когда плотность частиц изначально выше плотности жидкости и искусственно занижается, что основано на способности определенных твердых и жидких частиц связываться с газовыми пузырьками (обычно с воздухом), образуя композиты “частица-газ”, плотность которых меньше плотности жидкости, в которой они находятся в дисперсной стадии.

С целью разделения хлопьев используются микропузырьки.

Процесс использования больших пузырьков применяется для отделения частиц, которые массивнее хлопьев и легче, чем жидкость.

Например, если появляются жирные пятна в жидкости.

Минимальный объем газа рассчитывают по формуле:

Vg/S=(ps-pg)/Pg (P1-Pg)

Естественная флотация применяется во всех предварительных процессах по отделению масла.

Используется также вспомогательная флотация. Эта естественная флотация, улучшенная вдуванием пузырьков воздуха в массу жидкости. Эта процедура в частности применяется для отделения жира, рассеянного в мутной жидкости. Две отдельные зоны обычно предусмотрены в системе; одна для смешивания, а другая, более спокойная, собственно для флотации.

На стадии грубого отделения масла, среднего размера пузырьковые диффузеры применяются таким образом, чтобы вызывать местную турбулентность, предназначенную для отделения тяжелых частиц, как органических, так и неорганических, прилипших к растекшемуся маслу.

Для вспомогательной флотации необходимо продуцирование микропузырьков.

Наиболее распространенная техника по производству микропузырьков - это накачка воздуха под давлением. Пузырьки получаются при расширении раствора, который обогащается растворенным воздухом под давлением в несколько бар. Тип системы накачки давления имеет решающее значение для количества произведенных пузырьков.

При электрофлотации - используется другая техника, при которой пузырьки (H2 и O2) продуцируются электролизом воды, при применении соответствующих электродов.

5. Фильтрация

Фильтрация - процесс разделения, состоящий в прохождении смеси “твердое вещество- жидкость” через пористый материал (фильтр), который удерживает твердую фракцию и позволяет жидкой (фильтрат) пройти через него.

Поскольку фильтрация - это прохождение жидкости через пористую среду, то она управляется законом Дарси:

V= (K · ДP) х (з · ДH) = (R · з · ДH)

где V:скорость фильтрации

K : проницаемость фильтрующего слоя

ДP: Head…потеря через фильтрующий слой

ДH: глубина обрабатываемого слоя

з : динамическая вязкость воды

R : резистентность фильтрующего слоя к фильтрации

Рассмотрим фильтрацию замутненной жидкости с образованием отложений на фильтре (рис.).

В соответствии с законом Дарси, R состоит из двух последовательных сопротивлений Rg отложений на фильтре и изначальная резистентность Rm мембраны:

R=Rg+Rm при Rg= r М/S= rWv/S,

где M- общий вес образовавшихся отложений на фильтре;

W- вес взвешенных частиц, отлагающихся на единицу объема фильтрата;

v- объем фильтрата за какое-то время t;

S- зона фильтрования;

r- специфическая резистентность к фильтрации отложений на фильтре под давлением P.

Есть три типа фильтрационных процессов, в зависимости от используемых методов:

фильтрация на подложке;