6.2 Прогрессивные методы очистки природных вод

Существующие прогрессивные методы очистки природных вод предусматривают создание оптимальных условий для быстрого и полного разделения гетерогенной системы, которой являются природные воды. В практике водоочистки это сводится к получению легкооседающих крупных хлопьев с сильно развитой поверхностью и к сокращению времени их формирования.

К наиболее распространенным технологическим методам интенсификации процесса коагуляции при очистке воды относятся следующие:

1) способы интенсификации очистки, требующие внесения в воду дополнительных реагентов (флокулянтов, окислителей, замутнителей, регуляторов рН воды);

2) технологические способы (улучшение условий смешения реагента с водой и перемешивания в камерах хлопьеобразования, рациональный ввод реагента в воду);

3) физические способы воздействия на интенсивность процесса очистки (обработка воды ультразвуком, в магнитном и электрическом поле, радиационным облучением и т.д.);

4) улучшение гидравлических условий коагуляции.

Самым эффективным способом интенсификации очистки воды гидролизующими коагулянтами является флокуляция. Наиболее вероятной причиной флокуляции является адсорбция поверхностью молекул полимеров взвешенных твердых частиц. Вследствие удлиненной формы молекул отдельные звенья цепочки полимера адсорбируются в нескольких местах несколькими взвешенными гидрофобными твердыми частицами, связывая их между собой. Наряду с адсорбцией полимера происходит и непосредственное сцепление твердых частиц, приводящее к выделению сложных агрегатов из молекул полимера и твердых частиц. Оседание под действием силы тяжести образовавшихся крупных агрегатов происходит с большей скоростью и приводит к быстрому осветлению жидкости.

Установлено, что при очистке цветных вод, содержащих значительное количество гуминовых взвесей, для ускорения процесса обесцвечивания следует применять предварительное хлорирование, а затем коагуляцию. Опыты показали, что хлорирование большими дозами хлора резко снижает цветность воды и уменьшает расход коагулянта. Вследствие окисления гидроксильных групп при хлорировании образуются более гидрофобные карбонильные группы. Этим обусловливается снижение защитного действия гуминовых веществ, присутствующих в природных водах. В этом состоит положительная роль перехлорирования в процессах осветления и обесцвечивания коагулянтами.

К методам интенсификации коагуляции относится метод, связанный с внесением в обрабатываемую воду минеральных замутнителей. Частицы искусственных замутнителей выполняют роль дополнительных центров конденсации продуктов гидролиза, способствуя ускорению коагуляции примесей при очистке маломутных вод. Кроме того, при замутнении обрабатываемой воды происходит утяжеление хлопьев коагулированной взвеси, увеличение их гидравлической крупности. Частицы замутнителя могут сорбировать растворенные примеси, что способствует увеличению глубины очистки воды, или сорбировать ионы, определяющие степень устойчивости золей, что облегчает условия коагуляции. Наиболее распространенными являются замутнители-глины. Отрицательно заряженные частицы глин коагулируют под действием электролитов. Для образования хороших хлопьев доза глины составляет 10-15 мг/дм³. В качестве замутнителя используется также порошкообразный активированный уголь в количестве 2-5 мг/дм³, который обладает высокой адсорбционной способностью.

Важным фактором управления процессом коагулирования является регулирование рН, т.е. образование хлопьев тесно связано с концентрацией водородных ионов и с соотношением между катионами и анионами. Для регулирования величины рН наиболее широкое применение получили щелочные реагенты – известь, мел, доломиты. Известковое молоко, карбонат и оксид кальция используются при очистке маломутных вод. При этом добавление дисперсных материалов способствует ускорению коагуляции. Из кислотных реагентов для корректировки значений рН применяют серную кислоту, реже соляную и угольную кислоты. Подкислители целесообразно применять при обработке цветной воды. Подкисление приводит к повышению эффекта обесцвечивания и экономии коагулянта.

Для улучшения хлопьеобразования и качественных показателей обрабатываемой воды рекомендуется обрабатывать воду сульфатом алюминия с предварительным выделением его гидроксида. Сущность этого процесса состоит в том, что расчетная доза коагулянта и известкового молока вводится в промежуточный реактор, куда подается 1% обрабатываемой воды. В реакторе образуются мелкие хлопья гидроксидов и основных солей алюминия, которые обладают высокой адсорбционной способностью и хорошо агломерируются в крупные хлопья. Затем из реактора эта суспензия подается в поток воды, поступающий на стацию очистки.

Большое значение в повышении эффективности процесса коагуляции имеет выбор технологической схемы ввода реагентов в обрабатываемую воду. Существуют следующие методы коагулирования:

- концентрированное (раздельное) коагулирование, сущность которого сво-дится к введению всего количества сульфата алюминия, необходимого для обра-ботки воды. Преимущества метода концентрированного коагулирования заключаются в том, что ускоряется процесс хлопьеобразования, хлопья, образовавшиеся в условиях повышенной концентрации коагулянта, хорошо удаляют примеси; уменьшается расход коагулянта на 30%;

- фракционное (дробное) коагулирование, при котором коагулянт вводят не-сколькими порциями. Первые порции его образуют твердую фазу, которая высту-пает в роли центров хлопьеобразования. При этом скорость налипания мелких частиц на крупные значительно выше коагуляции мелких частиц.

Улучшение процесса очистки воды наблюдается при раздельном коагулировании, при котором коагулянт вводится только в 40-45% общего количества воды. При этом количество вводимого коагулянта составляет примерно 70-80% количества, необходимого для обработки воды обычным способом. В обработанной коагулянтом части воды происходит интенсивное хлопьеобразование, так как доза коагулянта оказывается здесь выше оптимальной. Обработанную воду с уже сформированными хлопьями смешивают с необработанной водой, причем смешивание происходит таким образом, чтобы хлопья не разрушались. Способ раздельного коагулирования позволяет снизить расход коагулянта, повысить грязевую нагрузку на фильтры, что увеличивает продолжительность фильтроцикла и т.д.

Метод электрокоагуляции обеспечивает высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей (минерального, органического и биологического происхождения), коллоидов (соединений железа, веществ, обусловливающих цветность воды, и т.д.), а также отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состоянии. Существенным преимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки воды является возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений, занимающих значительные производственные площади.

Анализ существующих методов улучшения физико-химических условий коагуляции примесей природных вод показывает, что актуальной является разработка новых, более эффективных как по капитальным так и по эксплуатационным затратам методов, интенсифицирующих процессы коагуляции при очистке воды. К их числу относится и метод магнитно-электрической активации растворов реагентов, который позволяет интенсифицировать процессы очистки воды, улучшить ее качество, снизить расход реагентов, уменьшить габариты отдельных сооружений реагентного хозяйства и снизить себестоимость осветленной воды.

Также большое значение имеет процесс самоочищения водных экосистем – это одно из свойств природной среды к саморегулированию. Поступление веществ из внешних источников есть воздействие, которому водная экосистема способна противостоять в определенных пределах посредством внутрисистемных механизмов. В экологическом смысле самоочищение является следствием процессов включения поступивших в водный объект веществ в биохимические круговороты с участием биоты и факторов неживой природы. Круговорот любого элемента слагается из двух основных фондов – резервного, образованного большой массой медленно изменяющихся компонент, и обменного (циркуляционного), который характеризуется быстрым обменом между организмами и средой обитания. Все биохимические круговороты можно разделить на два основных типа – с резервным фондом в атмосфере (например, азот) и с резервным фондом в земной коре (например, фосфор).

Самоочищение природных вод осуществляется благодаря вовлечению поступающих из внешних источников веществ в непрерывно происходящие процессы трансформации, в результате которых поступившие вещества возвращаются в свой резервный фонд. Трансформация веществ есть результат различных одновременно действующих процессов, среди которых можно выделить физические, химические и биологические механизмы.