Учебно-методический комплекс представляет собой комплект учебно-методических и контролирующих материалов по дисциплине «Водоочистка»

ТЕМА 2 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ Обработка воды с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных целей представляет собой комплекс физических, химических и биологических методов изменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только очистку ее от ряда нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами. Все многообразие методов обработки воды можно подразделить на следующие основные группы: улучшение органолептических свойств воды (осветление и обесцвечивание, дезодорация и др.); обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовая радиация и др.); кондиционирование минерального состава (фторирование и обесфторивание, извлечение ионов тяжелых металлов, обезжелезивание, деманганация, умягчение или обессоливание и др.). Метод обработки воды выбирают на основе предварительного изучения состава и свойств воды источника, намеченного к использованию, и их сопоставления с требованиями потребителя. Наиболее характерными и общими признаками примесей воды являются формы их нахождения в ней, т. е. фазовое состояние, которое характеризуется дисперсностью веществ. По Л. А. Кульскому фазово-дисперсное состояние примесей воды обусловливает их поведение в процессе водообработки. Каждому фазово-дисперсному состоянию примесей отвечает совокупность методов воздействия, позволяющая достичь требуемых качественных показателей воды изменением этого состояния или без изменения его. В основу технологии очистки воды от примесей каждой группы положены процессы, протекающие под воздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную дисперсную систему. Так, для удаления взвесей, являющихся кинетически неустойчивыми системами, используют гравитационные и адгезионные силы, для удаления коллоидных и высокомолекулярных веществ, агрегативно неустойчивых в водных растворах, - адгезионные и адсорбционные. Примеси, находящиеся в виде молекулярных растворов, удаляют путем ассоциации молекул под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия. Для удаления из воды электролитов используют силы химических связей, характерные для ионных процессов. Для удаления из воды гетерофазных примесей 1 группы рекомендуются следующие процессы: механическое разделение в гравитационном поле или под действием центробежных сил, а также фильтрование через пористые загрузки и мелкие сетки; адгезия на высокодисперсных и зернистых материалах, а также гидроксидах алюминия или железа и глинистых минералах; агрегация флокулянтами; флотация примесей и др.; для патогенных микроорганизмов – бактерицидное воздействие. Комплекс очистных сооружений, обеспечивающий протекание большинства перечисленных процессов, включает все необходимые типовые элементы, а именно: смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники (осветлители), фильтры – при двухступенчатой схеме очистки, контактные осветлители или контактные фильтры – при одноступенчатой схеме. Для устранения микрогетерофазных примесей II группы более эффективны процессы окисления органических коллоидных веществ и высокомолекулярных соединений, адгезия и адсорбция их на гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтами катионного типа и др.; для вирусов – вирулицидное воздействие. Как в случае примесей I группы, комплекс очистных сооружений, необходимых для осуществления этих процессов, состоит из типовых элементов, используемых в двух- или одноступенчатой схемах очистки воды. Для удаления молекулярно растворенных веществ, входящих в III группу, применяют следующие процессы: десорбцию летучих соединений; окисление органических веществ; адсорбцию на активированном угле и других сорбентах; экстракцию органическими растворителями; отгонку паром – эвапорацию и др. Методы удаления таких примесей специфичны и поэтому здесь используется аппаратура специального назначения. Для удаления электролитов лучше использовать ионные процессы: перевод в малодиссоциированные (нейтрализация, комплексообразование) или малорастворимые соединения; фиксация на твердой фазе ионитов (Н-Na-катионирование, ОН-анионирование); сепарация изменением фазового состояния воды с переводом ее в газообразное состояние (дистилляция) или в твердую фазу (вымораживание, гидратообразование); перераспределение ионов в жидкой фазе (экстракция, обратный осмос); подвижность ионов в электрическом поле и др. Установки, предназначенные для осуществления этих процессов, могут дополнять основные очистные сооружения. Иногда молекулярные и ионные примеси можно удалять параллельно с выделением гетерофазных загрязнений в типичной для них аппаратуре. В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02-84, метод обработки воды, состав и расчетные параметры очистных сооружений и расчетные дозы реагентов устанавливают в зависимости от качества воды в источнике водоснабжения, ее назначения, производительности комплекса и местных условий, а также на основании данных технологических исследований и эксплуатации сооружений, работающих в аналогичных условиях. ТЕМА 3 Коагулирование примесей воды Коагуляция – это процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частичек дисперсной системы, происходящий в результате взаимодействия и объединения в агрегаты. Завершается процесс отделением агрегатов слипшихся частичек от жидкой фазы. Коллоидные и взвешенные частицы имеют заряды, что обуславливает их устойчивость. В технологии очистки воды стремятся снижать устойчивость. Это достигается добавлением к воде коагулянтов: Al2(SO4)3, FeSO4 , Fe2(SO4)3, AlCl3, FeCl3, NaAlO2. Коагулянты нарушают агрегативную устойчивость системы, а также образуют вследствие гидролиза коллоиды, сорбирующие примеси воды. Коллоидные частицы имеют высокую удельную поверхность и, поэтому, обладают высокой адсорбционной емкостью. Гидролиз Al2(SO4)3 протекает по трем ступеням: I. Al3+ + H2OAlOH2+ + H+ II. AlOH2+ + H2OAl(OH)2+ + H+ III. Al(OH)2+ + H2OAl(OH)3 + H+. Образующийся гидроксид алюминия образует коллоидные частицы, мицелла которых имеет строение: ЯДРО ПОТЕНЦИАЛОБРА- ПРОТИВОИОНЫ ДИФФУЗНЫЙ ЗУЮЩИЕ ИОНЫ СЛОЙ Гранула характеризуется двойным электрическим слоем, который образуетя из потенциалобразующих и противоионов. Если бы не было в растворе теплового движения, противоионы образовывали бы мономолекулярный слой. Возникающий потенциал между твердой фазой и жидкостью, называется термодинамический () (рис.1.1,б). На самом деле в результате теплового движения часть ионов отрывается и слой противоионов имеет диффузный характер. Возникающий скачок потенциала между частью жидкости, увлекаемой коллоидной частицей и остальным раствором, называется электрокинетическим () (рис. 1.1,а). Потенциал можно изменить добавлением к коллоидным частицам электролитов. При этом происходит сжатие диффузного слоя. Диффузный слой сжимается и =0, то есть устраняются причины, препятствующие сближению коллоидных частиц. Рис. 1.1. Строение мицеллы при движении (а) и в покое (б) Коагуляция под действие электролитов подчиняется правилу Шульца и Гарди: коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду частицы. Коагулирующие действие тем сильнее, чем выше заряд иона коагулятора. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух-, и трехвалентных ионов приблизительно равно 1:30:1000. С прибавлением электролитов концентрация ионов в диффузном слое увеличивается и для компенсации заряда на поверхности частицы требуется меньший объем диффузного слоя (т.е. происходит как бы сжатие). Сжатие может дойти до того, что диффузный слой не будет выходить за поверхность скольжения, при этом =0. Таким образом, устраняются причины, препятствующие сближению частиц. Образуются крупные агрегаты, которые осаждаются. Подобным образом объясняется коагуляция гидрофобных коллоидов. Гидрофильные коллоиды имеют развитую гидратную оболочку, которая образуется у полярных групп (OH-, CO32-, HCO3-). Они мало чувствительны к содержанию электролитов, удерживают значительное количество воды. Такие коллоиды могут оказывать защитное действие по отношению к глинистым коллоидам. Устойчивость их уменьшается при химической обработке, при этом полярные группы окисляются до карбонильных (гидрофобных). С этой целью применяют хлорирование. Большенство коллоидов природных вод являются гидрофобными или слабогидрофиьными. Коллоидные частицы образует кремниевая кислота, глинистые и почвенные частицы; гумусовые вещества. Поэтому необходимо учитывать все факторы, влияющие на устойчивость коллоидов. Оптимальные условия коагуляции Удаление из сферы реакции Al(OH)3. Более полному гидролизу подвергаются коагулянты, которые образуют гидроксиды с меньшим ПР. Гидролиз солей железа (III) протекает полнее, чем алюминия и железа (II). Повышение рН обеспечивает более полный гидролиз, т.к. при гидролизе образуются Н+. Для более полного протекания гидролиза необходим щелочной резерв воды, т.е. наличие HCO3- и ОН-. Благодаря наличию в воде HCO3- и H2CO3 рН воды при гидролизе изменяется незначительно. Когда концентрация ОН- и HCO3- недостаточна, то щелочность воды повышают введением известкового молока (подщелачивание). Зная щелочность и дозу коагулянта можно вычислить дозу извести или соды, необходимую для обеспечения гидролиза и остаточной щелочности 1 мэкв/л. Гидроксид алюминия начинает осаждаться при рН=3 и становится полным при рН=7, повышение рН приводит к растворению осадка. При рН  3,4 образуются основные соли, а при рН  8,5 гидроксид растворяется. Для мягких цветных вод (более 50) и щелочностью до 1,5 мэкв/л рекомендуется рН = 5-6, для малоцветных (до 40) средней жесткости и щелочностью 2-4 рН рекомендуют 6-7,2. Размеры и структура частичек гидроксидов металлов. В течение 30-180 минут происходит гидролиз, образуются гидроксиды, имеющие огромные поверхности. Далее при адсорбции протекает два процесса: адсорбция и фиксация коллоидов на поверхности. Анионный состав. Так как коллоиды Fe(OH)3 и Al(OH)3 заряжены положительно, коагулирующими ионами будут анионы. В природных водах содержатся гидрокарбонат-, хлорид-, сульфат-анионы, но концентрация их обычно ниже для обеспечения оптимальной коагуляции. При солесодержании до 100 мг/л коагуляция протекает слабо. Добавление гидрокарбонат-, хлорид-, гидроксид-, сульфат-анионов ускоряет коагуляцию. Правильный выбор дозы коагулянта. Наглядно можно представить по коагуляционной кривой (рис. 1.2). Кривая состоит из трех зон. Эффект осветления незначительный. Во второй зоне происходит резкое обесцвечивание. Точка а – порог коагуляции. В третьей зоне увеличение дозы коагулянта не дает никаких эффектов. Точка б – оптимальная дозы. Рис. 1.2. Коагуляционная кривая: а – порог коагуляции; б –оптимальная доза Влияние температуры. Процесс коагуляции состоит из двух фаз: перекинетическая и ортокинетическая. Первая фаза непродолжительная и заключается в том, что после введения коагулянта и нарушения устойчивости наступает соединение частиц. Вероятность соударения частиц и их соединение зависит от скорости теплового движения. Для ортокинетической фазы (процесс хлопьеобразования) теплового движения недостаточно, поэтому в зимнее время неудовлетворительно протекает процесс хлопьеобразования. Влияние условий перемешивания. Укрупнение агрегатов путем перемешивания происходит на ортокинетической фазе, поэтому необходимо создать оптимальные условия перемешивания таким образом, чтобы создать контакт и не разрушить хлопья. Влияние смешения коагулянта с водой и равномерность его распределения. При и равномерном введении создаются предпосылки для одновременного начала перекинетической фазы во всем объеме. Равномерность распределения имеет значение для протекания коагуляции, т.е. для ортокинетической фазы. Обработка окислителями необходима для разрушения гидрофильных коллоидов. Обработка смесью коагулянтов способствует более полной коагуляции. Физические методы: аэрирование, наложение электрических и магнитных полей, воздействие ультразвука, ионизирующего излучения. Влияние примесей исходной воды Грубодисперсные примеси являются центрами коагуляции, влияют на интенсификацию коагуляции и формирование более крупных хлопьев. Флокуляция Флокуляцией называют процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. Флокулянты используют для расширения оптимальных диапазонов коагуляции (по рН и по температуре), а также для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода коагулянтов, в результате чего повышается надежность работы и пропускная способность очистных сооружений. Флокулянты могут быть классифицированы в зависимости от полярных групп, входящих в их состав на следующие: неионогенные – полимеры, содержащие неионогенные группы: -ОН, = СО (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др-); анионные – полимеры, содержащие анионные группы-СООН, -SO3H, -OSO3H (активная кремневая кислота, полиакрилатнатрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.); катионные – полимеры, содержащие катионные группы-NH2, = NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина и др.); амфотерные – полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид (-СН2-СН-CONH2)n,белки и др. Эффективность действия любого флокулянта может бытьрассчитана по следующей формуле: η = (Wсф-W)/W∙q, где W и W – ъскорость осаждения сфлокулированных и неосфлокулированных загрязнений, мм/с; q – расход флокулянта на 1 т твердого вещества, г. Технология коагуляционной и флокуляционной очистки сточных вод и используемое оборудование Количество коагулянта, необходимого для очистки сточных вод, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально. Эффективность процесса флокуляции и его скорость зависят от следующих факторов: состава сточных вод и их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Процесс очистки сточных вод указанными методами состоит из следующих технологических операций: приготовление водных растворов коагулянтов или флокулянтов, дозирование, смешение с объемом сточной воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из сточной воды. Коагулянты используют в виде 1-10 % растворов, а флокулянты – в виде 0,1 – 1 % растворов. Для смешивания коагулянтов с обрабатываемой сточной водой используют смесители различной конструкции: перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные. Продолжительность пребывания воды в смесителях обычно составляет 1-2 мин. Из смесителей вода, обработанная коагулянтами, поступает в камеры хлопьеобразования, в которых и происходит процесс образования хлопьев. По конструкции камеры хлопьеобразования делятся на водоворотные, перегородчатые, вихревые и с механическим перемешиванием. На рис. 1.3 представлена перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным движением сточной воды. Скорость движения сточной воды в коридорах лежит в пределах 0,1-0,3 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20-30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м. Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках. Двухступенчатая схема отстаивания сточных вод является наиболее эффективной. На первой стадии сточная вода отстаивается без коагулянта, а на второй она обрабатывается коагулянтами и флокулянтами. Рис. 1.3. Камера хлопьеобразования При концентрации в сточных водах взвешенных веществ, способных к агрегации, до 4 г/л используют осветлители со взвешенным слоем осадка, в которых последовательно осуществляют три основные процесса: смешение, коагуляцию и осветление сточных вод. Рис. 1.4. Осветлитель со взвешенным слоем осадка Устройство осветлителя с взвешенным слоем осадка представлено на рис. 1.4. Принцип работы этого осветлителя основан на пропускании восходящего потока сточной воды через слой ранее выделившегося шлама, причем скорость потока регулируется таким образом, чтобы частицы шлама не уносились из зоны выделившегося осадка. Для повышения эффективности осветления сточная вода, смешанная с коагулянтами, предварительно проходит через воздухоотделитель, в котором она освобождается от пузырьков воздуха. Реагенты, используемые для коагуляции Сульфат алюминия Al2(SО4)3∙18Н2О – неочищенный технический продукт, представляющий собой куски серовато-зеленоватого цвета, получаемые путем обработки бокситов, нефелинов или глин серной кислотой. Очищенный сульфат алюминия получают в виде плит серовато-перламутрового цвета из неочищенного продукта или из глинозема растворением в серной кислоте. В России для обработки воды выпускается также 23-25%-ный раствор сульфата алюминия. При его применении отпадает необходимость в специальном оборудовании для растворения коагулянта, а также упрощаются и удешевляются погрузочно-разгрузочные работы и транспортирование. Оксихлорид алюминия А12(ОН)5Сl∙6Н2О представляет собой зеленоватые кристаллы, получаемые растворением свежеосажденного гидроксида алюминия в соляной кислоты. Выпускается в виде 35 %-ного раствора. При его применении минерализация воды возрастает, а ее щелочность снижается в меньшей степени, чем при введении сульфата алюминия, что особенно важно при обработке мягких вод. Алюминат натрия NaAlО2 представляет собой твердые куски белого цвета с перламутровым блеском на изломе, получаемые растворением гидроксида или оксида алюминия в растворе гидроксида натрия. Хлорид железа (III) FeCl3∙6H2О представляет собой темные с металлическим блеском кристаллы, очень гигроскопичные, поэтому транспортируют его в железных герметичных бочках. Сульфат железа (II) FeSО4∙7H2О представляет собой прозрачные зеленовато-голубые кристаллы, легко буреющие на воздухе в результате окисления железа (II). Промышленность выпускает также и 30%-ный раствор сульфата железа (II). Окисление гидроксида железа (II), образующегося при гидролизе железного купороса при рН воды менее 8, протекает медленно, что приводит к неполному его осаждению и неудовлетворительному коагулированию. Поэтому перед вводом железного купороса в воду добавляют известь или хлор либо оба реагента вместе, усложняя и удорожая тем самым водообработку. В связи с этим железный купорос используют главным образом в технологии известкового и известково-содового умягчения воды, когда при устранении магниевой жесткости значение рН поддерживают в пределах 10,2... 13,2 и, следовательно, соли алюминия не применимы. Сульфат железа (Ш) Fe2(SО4)3∙2H2О получают растворением оксида железа в серной кислоте. Продукт кристаллический, очень гигроскопичный, хорошо растворяется в воде. Использование солей железа (III) в качестве коагулянта предпочтительнее по сравнению с сульфатом алюминия. При их применении улучшается коагуляция при низких температурах воды, на процесс мало влияет рН среды, ускоряется декантация скоагулированных примесей и уменьшается время отстаивания (плотность хлопьев гидроксида железа (Ш) в 1,5 раза больше, чем гидроксида алюминия). К числу недостатков солей железа (III) относится необходимость их точной дозировки, так как ее нарушение приводит к проникновению железа в фильтрат. Хлопья гидроксида железа (III) осаждаются неравномерно, в связи с чем в воде остается большое количество мелких хлопьев, поступающих на фильтры. Эти недостатки в значительной мере устраняются при добавлении сульфата алюминия. Хлорированный железный купорос Fe2(SО4)3 + FeCl3 получают непосредственно на водоочистных комплексах обработкой раствора железного купороса хлором. Смешанный алюможелезный коагулянт приготовляют из растворов сульфата алюминия и хлорного железа в пропорции 1:1 (по массе). Рекомендуемое соотношение может изменяться в конкретных условиях работы очистных сооружений. Максимальное отношение FeCl3 к A12(SО4)3 при применении смешанного коагулянта по массе равно 2: 1. Вода, обработанная смешанным коагулянтом, как правило, не дает отложений даже при низкой температуре, так как формирование и седиментация хлопьев заканчиваются в основном до фильтров; хлопья осаждаются равномерно, и в сооружениях I ступени достигается более полное осветление воды. Применение смешанного коагулянта позволяет существенно сократить расход реагентов. Составные части смешанного коагулянта можно вводить как раздельно, так и предварительно смешав растворы. Первый способ более гибок при переходе от одного оптимального соотношения реагентов к другому, однако, при втором проще осуществлять дозирование. Электрокоагуляция Можно вместо коагулянтов получать ионы Al3+ и Fe3+ электролизом, при котором анодом является Al или Fe. Электрохимическое растворение состоит их двух стадий: - анодное растворение, Al3+ +3H2O = Al(OH)3↓ + 3H+ - химическое растворение. Контролировать дозу можно по закону Фарадея: mAl3+ = η ∙ A ∙ I ∙ t n F, где A- атомная масса; η – коэффициент выхода металла по току; n – валентность; I – сила тока; F – число Фарадея. На процесс растворения влияют реакция среды, солевой состав, t0, плотность тока. Плотность тока – наибольшая эффективность при высоких плотностях тока (но при этом возрастают поляризационные явления и пассивация электродов оксидная пленка). Рекомендуемая плотность – 0,5-20 mA/cм2. Из всех анионов наибольшее влияние оказывает Сl из-за небольших размеры и легкости проникновения через пленку.SO42- – угнетают активизирующее действие хлорид-ионов. Повышение t0 препятствует формированию осадков на электродах, повышают скорость растворения пассивной пленки. Метод электрокоагуляции обеспечивает высокий эффект удаления коллоидов. Установки более компактны (возможны автономные установки). Электрохимически получаемыйAl(OH)3 обладает высокой сорбционной емкостью. Недостатки: повышенный расход электроэнергии. МОДУЛЬ 2

Похожие:

	Учебно-методических материалов по курсу "Оценка земли" в соответствии... В соответствии с программой курса в комплект учебно-методических материалов включены		Учебно-методических материалов по курсу "Макроэкономика" в соответствии... В соответствии с программой курса в комплект учебно-методических материалов включены
	Учебно-методических материалов курса «Инвестиции в эколого-экономические... Комплект учебно-методических материалов курса «Инвестиции в эколого-экономические проекты»		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Конституционное право зарубежных стран» Учебно-методический комплекс дисциплины является частью образовательной программы высшего учебного заведения, разрабатываемый по...
	Учебно-методических материалов курса «Экологическое страхование и... Комплект учебно-методических материалов курса «Экологическое страхование и оценка риска»		Учебно-методический комплекс Направление подготовки 030900 Юриспруденция квалификация «бакалавр» Банковское право: комплекс учебно-методических материалов для студентов заочного обучения – Калининград: 2013. 37с
	3. Учебно-методический комплекс: состав и структура Мгоу, университет и представляет собой совокупность материалов, регламентирующих содержание учебной и методической работы по организации...		Учебно-методический комплекс материалов по дисциплине «Философия» Учебно-методический комплекс включает учебную программу курса, планы проведения семинарских занятий, список основной и дополнительной...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Теория физической культуры» представляет собой совокупность учебно-методических материалов, способствующих эффективному освоению...		Учебно-методический комплекс предназначен для студентов I курса факультета... Учебно-методический комплекс предназначен для студентов I курса факультета естественных наук, направление подготовки 020201 «Биология...
	Учебно-методический комплекс материалов по дисциплине «Физиология центральной нервной системы» Комплекс включает учебно-тематический план изучения дисциплины, учебную программу курса, планы проведения семинарских занятий, структуру...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Медиапсихология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «Искусствоведение» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «судебная медицина» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оптимальных решений» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных, практических и лабораторных...