Подготовка воды артезианских скважин для питьевого водоснабжения

Г.М. Бейгельдруд
Эксперт Международной Академии наук по экологии и безопасности
человека и природы, г. Тула

Такая традиционная область науки, как водоподготовка, имеет многолетнюю историю. Тем не менее, и по настоящее время химия и технология обработки воды, как научно-техническое направление, все еще значительно отстает от запросов жизни и практики, рассматривает лишь отдельные аспекты проблемы очистки воды и до сих пор не может претендовать на универсальность.

Поэтому, создание научной системы, которая должна обобщить результаты проведенных исследований и накопленные практические сведения и заложить теоретически обоснованный единый принцип подхода к решению возникающих проблем, является первоочередной задачей водоподготовки.

Научная систематизация примесей воды и методов их извлечения возможна лишь на основе ясного представления о физико-химических свойствах водных растворов, установленного на большом экспериментальном материале закономерностей превращения примесей. В существующих гидрохимических системах классификация природных вод учитывается только химический состав примесей.

Более перспективное и отвечающее современным требованиям решение этой задачи предложила Академия Наук Украины. Это был простой и качественно новый подход к технологическим решениям и разработке методов очистки воды. Автором теории явился академик АН УССР Л.А. Кульский [1].

Исходя из анализа закономерностей, которым подчиняются процессы очистки воды, он сгруппировал загрязнения по признаку их физико-химического состояния в воде, он группировал загрязнения по признаку их физико-химического состояния в воде, которое в известной степени определяются дисперсностью вещества. Таким образом, при всем многообразии примесей принимается за основу, прежде всего, одно их качество – отношение к дисперсной среде, то есть к воде.

По этому признаку, частицы примесей не полностью смешиваются с водой, и 2 гомогенные, дающие с водой, так называемые истинные растворы. К первым относятся вещества, присутствующие в воде в воде взвесей, коллоидов и высокомолекулярных соединений, ко вторым – вещества, находящиеся в воде, в виде молекулярных и ионных растворов.

Такая система расположения групп с повышающей дисперсностью примесей целесообразна с точки зрения технологии, ибо очистка воды обычно начинается с удаления грубодисперсных примесей коллоидно-дисперсных веществ. Методы удаления этих веществ являются наиболее общепринятыми.

Способы извлечения из растворов молекулярных ионных примесей относятся к специальным и используются в необходимых случаях, как дополнительные к основному технологическому процессу водообработки.

В настоящее время существует большое разнообразие методов опреснения воды, но все эти методы можно разделить на несколько типов:

1. Дистиляционнные процессы;

2. Процессы с использованием льдообразования – естественные;

3. Химические процессы – ионный обмен, реагентные методы;

4. Экстракционные методы;

5. Процессы с применением мембран – гиперфильтрация, электродиализ.

6. Биологические методы.

Дистилляционные методы требуют значительных затрат, из методов второго типа наибольший интерес представляет газгидратное опреснение. Оно основано на способности некоторых газов (пропан, фреоны) образовывать с водой твердые комплексы в виде газгидратов или криталлогидратов льдоподобного типа.

Ионообменный метод применяют для умягчения и обессоливания пресных вод. Этот метод основан на свойствах ионитов обратно обменивать подвижные ионы своих функциональных групп (чаще всего водород или гидроксил), на ионные примеси воды. Однако, применение его ограничено невысокой емкостью ионитовых смол, частым их выходом из строя под воздействием небольших количеств взвешенных веществ, ионов железа, органических составляющих и других загрязнений. Кроме того, ионирование требует кислотной промывки для регенерации ионитовых фильтров, продувки, взрыхления, целого ряда технологических операций, не поддается полной автоматизации и не обеспечивает достаточной надежности в работе.

Из сравнительно новых методов стоит назвать магнитную обработку и электродиализ. Магнитная обработка представлена намагничиванием воды в магнитном поле соленоида, но не обеспечивает необходимых качественных показателей по жесткости обрабатываемой воды. В то время, как основным ограничительным фактором при эксплуатации водогрейных котлов является условие паспортной жесткости, то есть общая жесткость воды, поступающей в котел, должна составлять не более 0,1 мг-экв/л при полном отсутствии взвешенных веществ и органических примесей.

В качестве основного источника водоснабжения на локальных объектах используются артезианские скважины или поверхностные водоемы. Химический состав обрабатываемой воды в каждом последующем случае будет отличаться от предыдущего, что объясняется климатом местности, уровнем грунтовых вод, наличием стоков промышленных предприятий, глубиной артезианских скважин, наличием микрофлоры, многими другими переменными факторами, такими как время года и количество атмосферных осадков.

Это приводит к тому, что при паспортном сроке службы 7 лет котлы обычно выдерживают 1 – 2 сезона, что требует ежегодных капитальных ремонтов, стоимость каждого из которых превышает стоимость самого котла, снижает надежность эксплуатации котельных.

Целью проводимой работы является создание такого технологического процесса обработки воды, который при соответствующем аппаратурном оформлении позволил бы обеспечить необходимые качественные показатели котловой воды, достаточную степень надежности при эксплуатации в полном автоматическом режиме. Поставленная цель достигается применением безмембранной электрохимической реагентной обработки с применением в качестве реагента водорастворимого нитрита аммония.

При проведении безмембранной электрохимической обработки воды воздействию постоянного электрического тока подвергают электролит, представляющий собой водный раствор различных неорганических солей. Суть происходящего процесса можно описать двояко.

1. С точки зрения общепризнанной концепции электрически заряженных и независимых ионов, являющихся составляющими растворенного вещества в растворе электролита, изложенной в ионной теории гальванического элемента Аррениуса, Вант-Гоффа, Нернста, а позже в теории замедленного разряда.

Суть этой теории заключается в следующем: во время электрохимической реакции заряд переносится от реагирующей частицы вещества на электрод или обратно. Одновременно с этим изменяется физико-химическое и энергетическое состояние этой частицы. Ион H⁺, получая электрон, превращается из сольватированного протона в адсорбированный электродом атом водорода. Из теории следует, что перенапряжение водорода с ростом концентрации водородных ионов уменьшается.

2. Свойства гальванического элемента можно объяснить, не прибегая к концепции ионов, как электрически заряженных частиц. Так было сделано важнейшее обобщение, в результате которого стала очевидной глубокая и естественная взаимосвязь классических методов физической химии и результатов современных исследований растворов электролитов методом ЯМР-спектроскопии. Установление и раскрытие этой зависимости – заслуга профессора Герца.

Я воспользуюсь разделом из его теории, касающимся многокомпонентных растворов электролитов в отсутствии равновесия.

Он необходим при переходе от химических уравнений к математическим. Этому переходу предшествует термодинамические расчеты, имеющие целью из многообразия протекающих при электроумягчении реакций выбрать термодинамически наиболее вероятные и рассчитать для них константу скорости диссоциации.

Подготовка воды для использования в промышленных целях является одной из острейших проблем современных предприятий практически во всех отраслях промышленности. Традиционные способы водоподготовки , такие как ионирование и содо-известковое умягчение, отличаются низкой технологичностью, высоким расходом реагентов и громоздким оборудованием.

Имеются сведения об электрохимических методах подготовки воды и их практическом использовании.

Целью настоящей работы является обоснование выбора оптимального технологического решения водоподготовки для питания котельных локальных объектов.

Локальным обычно называют небольшой объект, значительно удаленный от центральных сетей водоснабжения и теплоснабжения.

Практика эксплуатации котлоагрегатов на локальных объектах выдвинула целый ряд противоречивых требований:

1. Качество обработанной воды должно удовлетворять паспортным требованиям котлоагрегатов, установленных на локальном объекте.

2. Качество обработанной воды должно быть стабильным и не зависеть от колебаний химического состава исходного сырья (артезианской воды или воды поверхностного водоема).

3. Технологический процесс не должен ядовитых или токсичных веществ или выделять их в воду.

4. Установка не должна выделять большого количества отходов, подлежащих переработке или утилизации.

5. Отходы установки не должны быть токсичными не должны образовывать токсичных или взрывоопасных соединений или их смесей с веществами, попадающими в промышленную или ливневую канализацию локального объекта.

Список литературы

1. Кульский Л.А. Химия и микробиология воды Киев, Техника, 1976 – 146 с.

2. Кульский Л.А., Строкач О.Л., Сметенко В.А., Сайгак Е.И. Очистка воды электрокоагуляцией. Киев, Будивельник, 1978.

3. Матов Б.М. Электрофлотационная очистка сточных вод. Кишинев, Картя Молдавеняску, 1982. 

Назад к списку