XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

ВВЕДЕНИЕ

Способов, которыми можно очистить воду, несколько. Какие же из них мы должны использовать для того, чтобы эффективно очистить воду для питьевых целей?

Чтобы дать правильный ответ на этот вопрос, необходимо в каждом конкретном случае знать, от чего воду придется чистить. Это можно узнать с помощью химического и бактериологического анализов, однако, как правило, подобные анализы достаточно дороги, и в ряде случаев можно обойтись и без них. Рассмотрим наиболее распространенные способы очистки воды. Надо отметить, что в большинстве случаев доочистка воды фильтром осуществляется не одним способом, а их сочетанием. Именно такой комплексный подход дает наилучшие результаты.

Механическая фильтрация

Самый простой способ очистки воды. Механическая очистка воды обеспечивается улавливанием частиц нерастворенных веществ за счет разницы размеров самих частиц и каналов фильтра, по которым протекает очищаемая вода. Проще говоря, вода проходит через своеобразное «сито».

Размер частиц, задержанных фильтром, определяется диаметром каналов в материале водоочистителя, по которым протекает вода (то есть размерами отверстий в «сите»).

Например, колонки, заполненные гранулированным активированным углем с диаметром гранул 0,1 – 1 мм (100 - 1000 микрон), способны эффективно задерживать частицы примерно такого же размера. Большая часть нерастворенных в воде частиц имеет гораздо меньший - 0,1-20 микрон - размер. Правда, микроорганизмы не задерживаются при механической фильтрации, так как их размер - 0,4 - 3 микрона.

Механическая фильтрация широко применяется на муниципальных станциях водоочистки. Этот вид очистки особенно актуален при заборе воды из открытых источников: рек, озер, водохранилищ.

В городских квартирах механическая фильтрация представлена использованием предфильтров (фильтров предварительной очистки).

Ионный обмен

Ионный обмен - это специфический случай сорбции заряженных частиц (ионов), когда поглощение одного иона сопровождается выходом в раствор другого иона, входящего в состав сорбента. При этом ион, присутствие которого в воде нежелательно, фиксируется на сорбенте. Таким образом, происходит «замещение» одних ионов (назовем их «вредными») на другие (назовем их «безвредными»).

Сорбенты, работающие по такому механизму, называются ионообменными материалами или ионитами. Иониты способны извлекать из воды одни растворенные соли, замещая их другими солями (например, соли кальция и магния могут заменяться на соли натрия).

Чаще всего в процессе водоочистки ионный обмен используется для удаления из воды катионов тяжелых металлов (например, свинца), представляющих опасность для здоровья человека, а также для избавления от нитратов.

Еще одно из применений ионитов — умягчение жесткой воды, то есть удаление из воды избыточного содержания ионов кальция и магния.

Существенной характеристикой ионообменных смол является их обменная емкость, то есть способность «заместить» определенное количество «вредных» ионов. Одно из главных свойств ионообменных смол - это их способность к регенерации после исчерпания «ресурса».

Обратный осмос

Обратный осмос - это процесс фильтрования растворов через полунепроницаемую мембрану под давлением, превышающее осмотическое. Вода при таком способе очистки пропускается через мембрану (своеобразное «сито»), поры которой пропускают воду, но не пропускают растворенные в ней примеси (правда, установка не пропускает никакие примеси - ни вредные, ни полезные).

Система обратного осмоса позволяет получать воду очень высокой степени очистки (близкую к дистиллированной). Обратным осмосом можно удалять из воды даже одновалентные ионы, например, ионы натрия и хлора.

Обратноосмотические установки обязательно должны содержать активированный уголь, так как сама мембрана не задерживает низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа) и бактерии.

Качество воды, профильтрованной такой установкой, стабильно.

Однако этот способ имеет ряд минусов:

обратноосмотические установки очень дороги (стоимость — от 100 долларов и выше);

они имеют, как правило, низкую производительность (20-25 литров в сутки), а потому в ряде случаев требуют установки накопительной емкости;

вода перед обратноосмотической мембраной должна обязательно пройти тщательную механическую фильтрацию;

вода после такой обработки становится «слишком чистой» и не содержит необходимых организму микроэлементов, что требует их добавления в воду после фильтрации;

при работе системы обратного осмоса в дренаж сбрасывается до 50-75% очищаемой воды. На выходе пользователь получает лишь 25-30% воды. Правда, воды очень хорошо очищенной.

Электрохимическая очистка

Данный способ очистки основан на сложных окислительно-восстановительных реакциях, которые происходят в воде при воздействии на нее сильного электрического тока и приводят к образованию так называемой «живой» и «мертвой» воды.

Этот способ экономичен, так как позволяет достигнуть высокой производительности при небольших затратах.

Электрохимическая очистка распространена в России, но не применяется в быту на Западе (используется только для промышленной очистки, но не для очистки питьевой воды).

Электрохимическая очистка действительно позволяет очистить воду от всех микроорганизмов. Но при этом разрушается также часть органических веществ. Кроме того, поскольку точный состав исходной воды неизвестен, никто не знает, как при воздействии на эту воду сильного электрического тока содержащиеся в ней вещества прореагируют между собой. В результате этих реакций могут получиться совсем «несъедобные» соединения.

Дистилляция

Менее распространенный вид очистки воды. В дистилляционных системах вода сначала испаряется, а затем конденсируется.

То есть, дистилляция – процесс очистки жидкостей, заключающийся в испарении жидкости с последующей конденсацией пара. При этом происходит разделение жидких многокомпонентных смесей на отличающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и конденсации образующихся паров.

Методом дистилляции можно отделить жидкость от растворенных в ней твердых веществ или жидкостей с сильно отличающимися температурами кипения. Дистиллированная вода относительно чистая, но процесс дистилляции достаточно дорог.

Дистилляционные системы также должны обязательно содержать активированный уголь, так как нет другого способа убрать низкомолекулярную высоколетучую органику (типа хлороформа).

Сорбция. Сорбенты. Сорбционные фильтры

Сорбцией называют поглощение примесей из газа или жидкости твердыми телами, которые называют сорбентами.

Процесс сорбционной очистки состоит в пропускании газа или жидкости через сосуд, заполненный сорбентом – сорбционный фильтр. Если режим фильтрации и сорбент выбраны правильно, то достигается желаемый результат – удаление из газа или жидкости вредных примесей. Именно так работают противогазы и фильтры для воды.

Не будет сильным преувеличением сказать, что сорбционные фильтры – это в первую очередь угольные фильтры. Активированные угли – наиболее широко используемые сорбенты, производимые миллионами тонн в год. Это универсальные сорбенты, применяемые для удаления примесей самой различной химической природы.

Активация позволяет получить сорбент с площадью пор около 1000-1500 квадратных метров на 1 грамм угля. Эти чрезвычайно высокие величины и объясняют необычайно высокую эффективность активированных углей.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Готовой продукцией является очищенная вода гальванического производства согласно требованиям 2 категория ГОСТ 9.314-90. Параметры воды приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п	Параметры воды	Норма для 2 категории
1	Водородный показатель, единицы рН	˂6,5-6,8
2	Общая минерализация (сухой остаток), мг/л, не более	312
3	Жесткость общая, мг-экв/л	˂3,0
4	Мутность по стандартной шкале, мг/л, не более	1,1
5	Сульфаты, мг/л, не более	50
6	Хлориды, мг/л, не более	33
7	Нитраты, мг/л, не более	2,8
8	Фосфаты, мг/л, не более	0,5
9	Аммиак, мг/л, не более	5
10	Нефтепродукты, суммарно, мг/л, не более	0,1
11	Химическое потребление кислорода, мг/л, не более	50
12	Поверхностно-активные вещества (ПАВ), мг/л, не более	0,5
13	В том числе железо (Fe, суммарно)	˂0,1
14	медь (Сu, суммарно)	˂0,3
15	никель (Ni,суммарно)	˂0,1
16	цинк (Zn2+, суммарно)	˂0,0002
17	хром (Cr3+, суммарно)	˂0,5
18	Удельная электропроводность, мкСм/см	˂10

Обоснование выбора сырья

Состав воды характеризуется предприятием. Исходя из этого, состав исходной воды, который представлен в таблице 2 будет следующим:

Таблица 2

№ п/п	Параметры воды	Результата исследования +/- характеристика погрешности
1	Мутность, мг/дм3	1,2±0,18
2	рН, ед. рН	7,85±0,447
3	Аммиак, мг/дм3	5,1±0,074
4	Нитраты, мг/дм3	3,26±0,391
5	Жесткость, мг-экв/л	4,9±0,735
6	Сухой остаток, мг/дм3	393±19,65
7	Хлориды, мг/дм3	34±3,74

№ п/п	Параметры воды	Результата исследования +/- характеристика погрешности
8	Сульфаты, мг/дм3	66,7±7,337
9	Железо, мг/дм3	3±0,042
10	Фосфаты, мг/дм3	3,5±0,007
11	Хром, мг/дм3	0,7
12	Никель, мг/дм3	1±0,002
13	Нефтепродукты, мг/дм3	0,3±0,024
14	Медь, мг/дм3	0,3±0,0015
15	Цинк, мг/дм3	1,5
16	ПАВ, мг/дм3	1
17	ХПК, мгО2/дм3	74,17±14,834
18	Удельная электропроводность, мкСм/см	10

Характеристика выбранного сырья

Цель очистки: удаление твердых и растворимых примесей, солей и ионов металлов. Превышение ПДК: сульфаты, хром трехвалентный, ХПК. Незначительное превышения ПДК: фосфаты, нефтепродукты.

Обоснование метода переработки

Учитывая состав исходной воды и требования, предъявляемые к очищенной воде, в настоящем проекте приняты следующие основные методы очистки:

насыщения исходной воды кислородом воздуха для окисления растворенного железа (II) до нерастворимого коллоидного железа (III) с помощью компрессора;

окисление растворенного железа (II) до нерастворимого коллоидного железа (III) кислородом воздуха, на каталитической фильтрующей загрузке;

фильтрация на фильтрах с зернистой каталитической загрузкой;

фильтрация на угольных фильтрах с целью удаления остаточного хлора;

тонкая механическая фильтрация;

приготовление рабочего раствора ингибитора осадкообразования и дозирование реагентов для предотвращения выпадения малорастворимых солей на поверхности мембранных элементов перед подачей на обратноосмотическую установку.

обессоливание воды баромембранным методом (обратный осмос).

Физико-химические основы технологического процесса

В стоках гальванического производства железо присутствует в виде двухвалентного катиона.

Аэрация — это метод очистки воды от различных нежелательных элементов (марганец, сероводород, железо и т.д.) за счёт химических процессов, происходящих при поступлении кислорода. Помимо непосредственной функции очистки состава, данная процедура предполагает устранение неприятных запахов. Спектр применения аэрации воды довольно широк. Она востребована в отношении сточных труб или, например, аквариумов. 

Системы аэрации работают за счет окисления растворенных веществ интенсивным насыщением воды кислородом воздуха. В результате растворенные железо окисляется и удаляется аммиак и другие содержащихся в воде газы. Осадок, образующийся в результате действия системы аэрации удаляется на следующих стадиях очистки, для этого используются скорые фильтры с каталитическим загрузками. Загрузки играют роль катализаторов реакции окисления соединений железа кислородом воздуха, которым вода насыщается при предварительной аэрации.

В результате данного процесса образуются нерастворимые соединения, которые в дальнейшем задерживаются слоем фильтрующей загрузки или их могут отфильтровать осадочные картриджи.

В аппарате идет окисление двухвалентного железа до трехвалентного. Пример реакции:

12FeSO₄+3O₂+6H₂O =4Fe₂(SO₄)₃+4Fe(OH)₃

Еще один важный этап очистки – обессоливание. Самый эффективный способ проведения данного процесса – обратный осмос.

Обратный осмос - это процесс перехода растворителя (воды) из раствора через полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. В этом процессе из-за разницы концентрации растворенных веществ, создается давление, которое называется осмотическим. Прохождение через мембрану становится возможным при условии создания давления более высокого, чем разница давлений, возникающем при осмосе. В результате, через мембрану проходит растворитель, в данном случае вода, а растворенные вещества не просачиваются. Обратный осмос обеспечивает самый тонкий уровень фильтрации. 

Обратноосмотическая мембрана действует как барьер для всех растворимых солей, неорганических молекул, органических молекул с молекулярной массой более 100, а также для микроорганизмов и пирогенных веществ. В среднем, содержание растворенных веществ после стадии обратного осмоса снижается до 1-9%, органических веществ – до 5%, коллоидные частицы, микроорганизмы, пирогены отсутствуют. Вода, получаемая обратным осмосом, содержит минимальное количество общего органического углерода.

Описание технологической схемы производства.

Исходная вода на входе проходит через фильтр сетчатый ФС, задерживающий крупные механические примеси, которые отправляются на свалку отходов ТБО.

После фильтра установлен водомерный счетчик.

Далее одним из насосов подачи Н1 через гидроаккумулятор вода подается на фильтры. На входе насосов установлен датчик давления для защиты от работы по «сухому ходу».

Насосы поддерживают давление на выходе по сигналам датчика давления.

Затем компрессор КП нагнетает в воду кислород воздуха для окисления растворенного железа.

В аэрационной колонне АК происходит растворение кислорода воздуха в воде.

Избыточный воздух отделяется через клапан воздухоотделительный КВ.

Далее вода проходит через фильтры обезжелезивания ФО.

В рабочем режиме работы фильтров вода проходит через слой загрузки в направлении сверху вниз.

Далее вода проходит через фильтры сорбционные угольные ФСУ, которые очищают воду от органических веществ.

В рабочем режиме работы фильтров вода проходит через слой загрузки в направлении сверху вниз.

Вода после промывки фильтров обезжелезивания и угольных собирается в емкости ЕН1. Емкость оборудована поплавковыми выключателями (при верхнем уровне включается звуковая сигнализация и при нижнем уровне выключаются насосы перекачивания).

Из емкостей промывная вода перекачивается из насоса Н2 в канализацию. При работе в «тупик» насосы выключаются по сигналу реле давления.

Очищенная вода после угольных фильтра проходит через фильтр барьерный Фб с рейтингом фильтрации 5 мкм.

После фильтра барьерного расположены кран шаровой с электроприводом, узел корректировки рН и узел дозирования ингибитора.

Кран шаровой с электроприводом KU1 открывается на время работы насоса модуля.

Гидроксид натрия дозируется насосом Нд1 из емкости Ер1 для снижения электропроводности фильтрата. Дозирующий насос работает пропорционально показаниям датчика рН до рН=8,0-8,2. Датчик рН располагается в проточной ячейке. Вода после ячейки возвращается в емкость ЕН1. В емкости Ер1 готовится 20% раствор гидроксида натрия
(200 г/л). Дозирующий насос выключается при нижнем уровне раствора в емкости по сигналу поплавкового выключателя.

Ингибитор «Аминат К» дозируется насосом Нд2 из емкости Ер2. Ингибитор предотвращает осадкообразование малорастворимых солей на поверхности мембранных элементов. Дозирующий насос Нд2 выключается при нижнем уровне раствора в емкости по сигналу поплавкового выключателя.

Далее насос модуля НМ подает воду на мембранную установку УМ.

На входе насосов модуля установлено реле давления, по сигналу которого насос выключается в автоматическом режиме по «сухому ходу».

В установке УМ располагается обратноосмотический мембранный элемент «ESPA2 MAX».

В процессе обратного осмоса исходная вода разделяется на фильтрат – обессоленную воду, и концентрат – воду, насыщенную солями.

Концентрат с расходом не менее 8,1 м³/ч сливается в канализацию (контроль по ротаметру). На трубопроводе концентрата установлено реле давления, по сигналу которого насос модуля выключается при превышении давления в трубопроводе более 14 атм.

Поток фильтрата составляет 15 м³/ч (контроль по ротаметру). На трубопроводе фильтрата установлено реле давления, по сигналу которого насос модуля выключается при превышении давления в трубопроводе более 2 атм.

Электропроводность фильтрата оценивается датчиком электропроводности и составляет менее 10 мкСм/см.

На линии фильтрата установлены 2 шаровых крана с электроприводом KU2, KU3. Если электропроводность фильтрата более 10 мкСм/см, то через кран KU2 фильтрат поступает в емкость промывных вод ЕН1. Если электропроводность фильтрата менее 10 мкСм/см, то через кран KU3 фильтрат поступает в накопительную емкость ЕН2.

В автоматическом режиме при верхнем уровне воды в емкости ЕН2 по сигналу датчика давления выключаются насосы Н1, Нд1, Нд2, НМ, компрессор КП и закрывается кран KU1. При среднем уровне воды в емкости ЕН2 по сигналу датчика давления открывается кран KU1, включаются компрессор КП и насосы Н1 (Н2), Нд1, Нд2, НМ1.

Из накопительной емкости ЕН2 насосом раздачи Н3 подает обессоленную воду через гидроаккумулятор на потребление. Контроль давления на выходе насосов ведется по сигналам датчика давления.

Насосы выключаются при нижнем уровне воды в емкости ЕН2 по сигналу датчика давления.

Система может эксплуатироваться и в ручном режиме (режиме наладки). В ручном режиме проводятся первый запуск в работу, химическая мойка и консервация мембранных элементов.

Нормы технологического режима и контроль производства

Во избежание проявления коррозии оборудования, а также загрязнения фильтруемой воды ее продуктами, все трубопроводы и оборудование, контактирующие с рабочей средой, выполнены из нержавеющей стали и полимерных материалов.

Требование по обслуживанию фильтра обезжелезивания: регенерация фильтров происходит автоматически 1 раз в 3 суток и включает в себя два режима: обратную и прямую промывки. Обратная промывка осуществляется в направлении снизу вверх, при этом происходит взрыхление загрузки и ее отмывка от загрязнений. Продолжительность обратной промывки составляет 10 мин. Прямая промывка осуществляется в направлении сверху вниз и предназначена для уплотнения слоя загрузки перед выходом на рабочий режим. Продолжительность прямой промывки составляет 5 мин.

Требование по обслуживанию сорбционного угольного фильтра: регенерация фильтров происходит автоматически 1 раз в 5 суток и включает в себя два режима: обратную и прямую промывки. Обратная промывка осуществляется в направлении снизу вверх, при этом происходит взрыхление загрузки и ее отмывка от загрязнений. Продолжительность обратной промывки составляет 10 мин. Прямая промывка осуществляется в направлении сверху вниз и предназначена для уплотнения слоя загрузки перед выходом на рабочий режим. Продолжительность прямой промывки составляет 5 мин.

Требования по обслуживанию барьерного фильтра: Замена картриджей в барьерном фильтре осуществляется при перепаде давления на фильтрах более 1 атм., но не реже 1 раза в 3 месяца.

Условия при использовании мембранной установки:

концентрат с расходом не менее 8,1 м³/ч, давление в трубопроводе не более 14 атм;

поток фильтрата составляет 15 м³/ч, давление в трубопроводе не более 2 атм.

В процессе работы мембранной установки часть загрязнений оседает на поверхности мембранных элементов, что приводит к падению производительности по очищенной воде и снижению селективности (ухудшению качества фильтрата). Для предотвращения этих процессов необходимо не реже 1 раза в месяц проводить химическую мойку мембранных элементов.

Моющий раствор готовится в емкости ЕМ на основе фильтрата и циркулирует в контуре: емкость ЕМ – насос промывки Нпр – установка УМ- емкость ЕМ. Для кислотной мойки используется моющий состав «Аминат ДМ-56» с дозой 40 мл/л. Для щелочной мойки используется моющий состав «Аминат ДМ-50» с дозой 50 мл/л.

После химической мойки вода из емкости ЕМ сливается в приямок, откуда дренажный насос Ндр2 перекачивает ее в коллектор сточных вод.

При простоях в работе установки более 7 дней для предотвращения биопоражения мембранных элементов проводится консервация составом «Аминат ДМ-К» с дозой 25 мл/л.

Принцип работы системы обратного осмоса заключается в прохождении молекул воды через полунепроницаемую мембрану под давлением. Корпус мембраны обратного осмоса состоит из прижатых друг к другу и обвернутых вокруг полой центральной трубки листов. Подобная конфигурация обычно называется спиральной или модульной. Доступна она в различных размерах, от которых и зависит производительность системы.

Строение обратноосмотической мембраны

Помещаются подобные мембраны в специальные контейнеры, называемые корпусами мембран обратного осмоса, они позволяют поддерживать необходимое давление по всей поверхности. Именно оно является движущей силой, заставляющей жидкость проходить через мембрану, отделяющую нежелательные примеси.

Вспомогательное оборудование

1. Латунный автоматический сетчатый фильтр ПВО-ASF-AF-202. Фильтр предназначен для фильтрации воды от механических загрязнений (песок, галька, окалина, муть, глина). Характеристика фильтра представлена в таблице 3.

Таблица 3

Технические характеристики фильтра ПВО-ASF-AF-202

Параметр	Значение
Максимальная производительность, м3/час	30
Минимальное рабочее давление, бар	2
Максимальное рабочее давление, бар	10
Потери давления чистого фильтра, бар	0.1
Максимальная температура воды, оС	65
Диапазон фильтрации, мкм	50-3000

2. Аэрационная колонна WC-2472. Компрессорная аэрация предназначена для насыщения воды кислородом и частичного удаления растворенных в воде газов – сероводорода, аммиака, углекислого газа, метана и других загрязнений, обусловливающих ухудшение органолептических свойств воды. Способствует окислению железа, марганца, увеличению срока службы каталитических фильтрующих материалов. Характеристика компрессорной аэрации представлена в таблице 4.

Таблица 4

Технические характеристики компрессорной аэрации WC-2472

Параметр	Значение
Производительность, м3/час	7,0 - 8,0
Потребляемая мощность, Вт	190
Производительность компрессора при 3,4 бар, л/мин	5,4
Давление воды, атм	2,5-6,0
Влажность воздуха,%	˂70
Напряжение сети, В, Гц	~220 В, 50Гц + 5%
Температура воды, ºС	+2/+37
Температура воздуха в помещении, ºС	+1/+50

3. Фильтр обезжелезивания WC–3672 предназначен дляокисления растворенного железа до трехвалентной нерастворенной формы, которая задерживается в толще фильтрующего материала. Характеристика фильтра обезжелезиванияпредставлена в таблице 5.

Таблица 5

Технические характеристики фильтра обезжелезивания WC–3672  

Параметр	Значение
Расход, м3 /ч	10
Объем материала, л	550
Подача на промывку, м3 /ч	16,8
Воды на промывку, м3	3,37

4. Фильтр сорбционный предназначен для глубокой очистки сточных вод от нефтепродуктов, взвешенных веществ, тяжелых металлов, снижения уровня БПК и ХПК. Характеристика фильтра сорбционногопредставлена в таблице 6.

Таблица 6

Технические характеристики фильтра сорбционного WC–3672  

Корпус	WC–3672
Блок управления	V2RR
Загрузка: песок кварцевый 2-5 мм (ρ = 1,5 кг/л) уголь активированный «NWC 12*40» (ρ = 0,5 кг/л)	130 л (195 кг) 600 л (300 кг)
Периодичность регенераций	5 суток
Поток на обратную промывку, не менее	16 м3/ч
Ограничитель дренажной линии	70 gpm
Продолжительность промывок: обратная прямая	10 мин. 5 мин.
Объем промывной воды	4 м3

6. Фильтр барьерный предназначен для очистки воды от механических примесей размером более 5 мкм. Характеристика многоступенчатого насосапредставлена в таблице 7.

Таблица 7

Технические характеристики многоступенчатого насоса 22SV05

Картридж	DFG005PP2С
Производительность, м3/ч	7,5
Площадь фильтрации, дм2	62
Максимальный перепад, атм	1,5

Код для цитирования: Скопировать