12.3 Методи обробки природних вод 

Необхідність обробки води виникає тоді, коли якість води природних джерел не задовольняє необхідні вимоги. Така невідповідність може бути тимчасовою чи постійною. Характер і ступінь невідповідності якості води джерела вимогам користувача зумовлює вибір методів обробки. Якщо при цьому можуть бути використані різні методи очищення, то вибір їх проводиться на основі техніко-економічних розрахунків.

Розрізняють такі поняття: більш широке - водоочищення і вужче - водопідготування. Водоочищення - це комплекс технологічних процесів, які спрямовані на доведення якості води, що надходить у водопровід з джерела водопостачання, до встановлених показників. Водопідготування - це обробка води, яка надходить з природного джерела постачання для живлення парових котлів та інших технологічних цілей. Водопідготування проводиться на ТЕС, транспорті, у комунальному господарстві, на промислових підприємствах.

Усі домішки, що забруднюють водойми, поділяються на чотири групи (за класифікацією Л. А. Кульського).

До І групи домішок води належать завислі у воді речовини. Сюди слід віднести також бактеріальні завислі речовини та інші біологічні утворення. Вилучення цих домішок, тобто освітлення (збільшення прозорості) води, може бути досягнуто шляхом використання безагрегатних методів.

ІІ група домішок води - різні типи гідрофільних і гідрофобних систем, високомолекулярні речовини й детергенти - може вилучатися з води за допомогою різних методів і технологічних прийомів. Так, використовується обробка води хлором, озоном та іншими окисниками. При цьому знижується колірність води, знищуються мікроорганізми, руйнуються гідрофільні колоїди, що створює сприятливі умови для наступного коагулювання, прискорюється процес утворення пластівців та осаду.

Для ІІІ групи домішок, які є молекулярними розчинами, найбільш ефективними є такі процеси їх вилучення з води, як:  коригрування; окиснення; адсорбція.

До IV групи домішок, які є електролітами, технологія очистки води зводиться до зв'язування іонів у мало розчинні і мало дисоційовані сполуки за допомогою доданих у воду реагентів.

Технологія очищення води передбачає процеси, пов'язані з коригуванням її фізичних і хімічних властивостей, а також процеси знезараження (звільнення від патогенних бактерій і мікроорганізмів). Відповідно механічні, хімічні, фізичні та фізико-хімічні процеси, які використовуються для підготування води, можна поділити на дві групи.

До першої групи (пов’язаної з коригуванням фізичних і хімічних властивостей води) відносяться процеси, які дозволяють провести освітлення, усунути з води небажані присмаки і запахи, агресивні гази, залізо, марганець, кремнієву кислоту тощо.

Друга група об'єднує процеси знезараження води, які є обов'язковими за умови санітарної ненадійності джерела, що використовується для господарських цілей.

Для освітлення води у залежності від бажаного ступеня збільшення прозорості можуть використовуватись такі способи:

- відстоювання води у відстійниках;

-  центрифугування у гідроциклонах;

-  пропускання води через шар раніше утвореного завислого осаду;

- флотування у флотаторах. Флотація– процес молекулярного прилипання частинок забруднень до поверхні розподілу двох фаз ( вода – повітря, вода - тверда речовина). Процес очищення від поверхнево-активних речовин, нафтопродуктів, волокнистих матеріалів флотацією полягає в утворенні системи „частинки забруднень – бульбашки повітря”, що спливає на поверхню та утилізується. За принципом дії флотаційні установки класифікуються таким чином: флотація з мехнічним диспергуванням повітря; флотація з подачею повітря через пористі матеріали; електрофлотація; біологічна флотація;

- фільтрування води через шар зернистого або порошкоподібного фільтруючого матеріала у фільтрах або фільтруванням через сітки і тканини. Сучасні фільтри в залежності від фільтруючого матеріалу можна розподілити на дві групи: тонкостінні фільтри і зернисті фільтри.

Існує два види фільтрування – плівкове й об’ємне. У першому домішки затримуються на поверхні фільтруючого матеріалу. При об’ємному фільтруванні домішки затримуються усередині фільтруючого шару в порах матеріалу, за цим принципом працюють швидкісні і надшвидкісні зернисті фільтри. За певних умов у зернистих фільтрах має місце комбіноване фільтрування, коли частина домішок затримується на поверхні, частину – у порах. Зернисті фільтри широко застосовують для підготовки технічних і оборотних вод, вони незамінні на водоочисних станціях господарчо-питного призначення для освітлення і знебарвлення поверхневих вод, а також для знезалізення підземних вод;

- зворотний осмос (гіперфільтрація) – процес фільтрування питної води через напівпроникні мембрани під тиском;

- ультрафільтрація – мембраний процес розподілу розчинів, осмотичний тиск котрих малий. Застосовується для очищення питної води від високомалекулярних речовин, завислих частинок та колоїдів;

- електродіаліз - процес сепарації іонів солей в мембранному апараті, котрий здійснюється під впливом постійного електричного чтруму. Електродіаліз застосовується для демінералізації питної води. Основним обладнанням є електродіалізатори, що складаються з катіонітових та аніонітових мембран;

- хімічне очищення використовується як самостійний метод або як попередній фізико – хімічним та біологічним очищенням. Його використовують для зниження корозійної активності питної води, видалення з них важких металів, очищення стоків гальванічних дільниць, для окисненя сірководню та органічних речовин, для дизинфекції води та її знебарвлення;

- нейтралізація застосовується для очищення стоків гальванічних, травильних та інших виробництв, де застосовуються кислоти та луги.

Потрібний ефект збільшення прозорості води у відстійниках, освітлювачах і на фільтрувальних апаратах із зернистим фільтрувальним матеріалом може бути досягнутий коагулюванням домішок води у цілях інтенсифікації процесу, тобто впливом солей багатовалентних металів. При цьому одночасно відбувається значне знебарвлення води.

Знебарвлення води – вилучення забарвлених колоїдів або справжніх розчинених речовин – досягають коагулюванням, флокуляцією, напірною флотацією, застосуванням різних окислювачів (хлору та його похідних, озону, перманганату калію) та сорбентів (активного вугілля).

Коагуляція - процес з’єднання дрібних частинок забруднювачів в більші за допомогою коагулянтів. Для позитивно заряджаних частинок коагулюючими іонами є аніони, а для негативно заряджених – катіони. Коагулянтами є вапняне молоко, солі алюмінію, заліза, магнію, цинку, сірчанокислого газу тощо. Коагулююча здатність солей тривалентних металів в десятки разів вища, ніж двовалентих і в тисячу разів більша, ніж одновалентних.

Флокуляція – процес агрегації дрібних частинок забруднювачів у воді за рахунок утворення містків між ними та малекулами флокулянтів. Флокулянтами є активна кремнієва кислота, ефіри, крохмаль, целюлоза, синтетичні органічні полімери.

Для освітлення води одночасно використовуються кроагулянти та флокулянти, наприклад, сірчанокислий алюміній та поліакриламід. Коагуляція та флокуляція здіснюється у спеціальних ємностях та камерах.

При очищенні води використовується і електрокоагуляція – процес укрупнення частинок забруднювачів під дією постійного електричного струму.

Сорбція - процес поглинання забруднень твердими та рідкими сорбентами (активованим вугілям, золою, дрібним коксом, торфом, селікагелем, активною глиною тощо). Адсорбційні властивості сорбентів залежить від структури пор, їхньої велечини, розподілу за розмірами, природи утворення.

Після механічних, хімічних та фізико – хімічних методів очищення у питної води можуть знаходитись різноманітні віруси та бактерії (дизентирійні бактерії, холерний вібріон, збудники черевного тифу, вірус поліоміеліту, вірус гепатиту, цитпатогенний вірус, аденовірус, віруси, що викликають захворювання очей ). Тому з метою запобігання захворюванням питну воду перед використанням для побутових потреб піддають знезаражуванню.

Для знезараження води застосовують хімічні (хлорування, озонування, використання олігодинамічної дії срібла) і фізичні (кип’ятіння, ультрафіолетове опромінення) методи.

Найбільш простим, надійним і широко розповсюдженим методом знезаражування води є її хлорування, у нашій країні хлорування води почали застосовувати з 1908 року.

Хлорування води відбувається газоподібним Cl, або ж речовинами, що містять активний Cl: хлорне вапно, хлорит, діоксид хлору. Бактерицидний ефект хлорування визначається в основному впливом на протоплазму бактерій недиссоційованої молекули хлорноватістой кислоти. Однак, незважаючи на ефективність у відношенні патогенних бактерій, хлорування не забезпечує епідемічної безпеки у відношенні вірусів. Також негативною властивістю даного методу є утворення хлорорганичних сполучень і хлорамінів.

В результаті проведених за останні 10 років досліджень було встановлено, що у воді можуть бути присутніми токсичні легкі галогенорганічні сполуки (ЛГС). Це в основному сполуки, що відносяться до групи тригалогенметанів (ТГМ): хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан, бромоформ та інші, які мають канцерогенну і мутагенну активність.

Медиками виявлено взаємозв'язок між кількістю онкологічних захворювань і споживанням населенням хлорованої води, яка містила галогенорганічні сполуки.

У концепції поліпшення якості питної води в Україні, яку було створено згідно з прийнятою Урядом в 1991 р. науково-соціальною програмою «Питна вода», передбачено розробку і впровадження сучасних технологій отримання якісної питної води з використанням N₂, H₂O₂, що виключає застосування хлору в технології очистки і запобігає утворенню високотоксичних хлорорганічних сполук.

Окислення застосовується для знезараження питної води від токсичних домішок (мідь, цинк, сірководень, сульфіди), а також від органічних сполук. Окиснювачами є хлор, азот, кисень, хлорне вапно, гіпохлорид кальцію тощо.

Однією з альтернатив процесу хлорування води є її знезаражування за допомогою озону. Озон є універсальним реагентом, оскільки може бути використаний для знезаражування, знебарвлення, дезодорації води, для видалення заліза і марганцю. Озон руйнує сполуки, що не підкоряються впливу хлору (феноли), не додає воді запаху і присмаку. З позиції гігієни озонування є одним з найкращих способів знезараження води. Вода при цьому не збагачується додатковими домішками. Залишковий невикористаний озон через короткий проміжок часу розпадається і перетворюється на кисень.

Але в даного методу також існують мінуси: побічні продукти озонування – альдегіди (формальдегіди) і кетони, а також складність і дорожнеча виробництва озону і постійний контроль з боку людини за виробництвом озону. Треба зазначити, що озонування води є відповідальним технологічним процесом, який вимагає великих витрат електроенергії, застосування складних приладів і висококваліфікованого технагляду, оскільки концентрований озон - отруйний газ. Це до певної міри є стримуючим фактором для його широкого застосування.

Знезараження води іонами срібла навіть у малих концентраціях має властивість знищувати мікроорганізми, що пояснюється властивістю його іонів руйнувати протоплазму мікроорганізмів.

«Срібна вода», яка готується електролітичним розчиненням, має високі бактерицидні властивості і з успіхом може бути використана для очищення води від шкідливих мікроорганізмів, дезинфекції та консервування продуктів харчування, для лікувальних цілей тощо. Завдяки мізерним дозам срібла вона є зовсім не шкідливою.

Одним з найбільш ефективних методів знезаражування (мікробіологічного очищення) води є ультрафіолетове (УФ) опромінення. Ультрафіолетове проміння впливає на білкові молекули і ферменти цитоплазми клітин. Знезараженню ультрафіолетовим промінням краще за все піддається очищена прозора вода, колірність якої не перевищує 20°, оскільки завислі та колоїдні частинки розсіюють світло і заважають проникненню ультрафіолетового проміння.

Джерелами ультрафіолетового проміння є ртутні лампи, виготовлені з кварцового скла (оскільки звичайне скло не пропускає ультрафіолетову радіацію). Під дією електричного струму ртутні пари дають яскраве зеленувато-біле світло, багате на ультрафіолетове проміння. Існують два основні види апаратів для опромінення: апарати із зануреними і незануреними джерелами ультрафіолетових променів.

Ультрафіолетове опромінення діє миттєво, у той же час випромінювання не додає воді залишкових бактерицидних властивостей, а також запаху і присмаку. Обробка води УФ – випромінюванням не приводить до утворення шкідливих побічних хімічних сполук (на відміну від обробки хімічними реагентами, у т.ч. хлором, хлораміном, озоном). УФ – знезаражування високоефективне протягом усіх періодів року, у т. ч. у паводок і, особливо, узимку, коли ефективність хлорування різко знижується. Бактерицидна установка не має потреби в реагентах.

Дані великого числа досліджень показують, що дози УФ для знищення бактерій і вірусів відрізняються незначно, у той час як при знезаражуванні хлором ці дози розрізняються до 50 разів, а фільтри для вірусів, як правило, просто "прозорі".

Знезараження води ультразвуковими хвилями. Єдиної теорії, яка б пояснювала досконалу бактерицидну дію ультразвуку, на даний час немає. Найбільш вірогідною є гіпотеза, що пояснює дію ультразвуку на бактерії у воді явищем кавітації, тобто утворенням у рідині порожнини та бульбашок, миттєве «закривання» яких підвищує тиск до десятків тисяч атмосфер. До сьогоднішнього часу дослідження ультразвукових хвиль з метою використання їх в практиці на вітчизняних водопроводах не вийшло із стадії експериментів. За кордоном існують промислові установки.

Термічне знезараження. Термічний метод знезараження застосовується для невеликих об'ємів води. Цим методом користуються в побутових умовах, в санаторіях, в лікарнях, на суднах, у потягах. Знезараження досягається 5-10 хвилинним кип'ятінням. Термічний метод знезараження води не знайшов застосування навіть на малих водопроводах через його високу вартість, пов'язану з великими витратами палива, та через малу продуктивність установок.

Для водопостачання підприємств застосовують специфічні заходи; наприклад, для водопостачання електростанцій, підприємств хімічної промисловості, текстильної та інших застосовують пом’якшення води, тобто знижують її жорсткість. Для водопостачання підприємств радіохімічної та хімічної промисловості воду піддають глибокому знесоленню і знижують окислюваність (вилучають органічні речовини). При використанні для цілей водопостачання солоної (морської) води її опріснюють, а інколи і знесолюють.