Удаление органических загрязнений, дехлорирование воды, удаление из воды нитратов. Удаление органических загрязнений из воды.

Органические вещества присутствуют в воде в виде природных и техногенных соединений.
К природным относятся гуминовые и фульвокислоты и их соединения, в том числе их комплексы с железом.
Техногенные загрязнения воды образуются в результате действия человека. В их числе продукты, образующиеся при обработке воды активным хлором, включая наиболее токсичные и канцерогенные – диоксины.
Органические загрязнения воды имеют различные размеры и молекулярную массу. Органические загрязнения могут быть удалены из воды двумя способами:

• разрушением (окислением) до CO₂ и H₂O ;
• извлечением.

Разрушение производится сильными окислителями, такими как хлор, кислород, озон, а также жестким ультрафиолетом.
При дозировке в воду перманганата калия и ее фильтрации через каталитический материал Gr ее ns а nd эффективно удаляются многие органические соединения. Требуется подбор таких доз перманганата, при которых окисляются органические соединения, железо и марганец, но отсутствует проскок перманганата в очищенную воду.

Извлечение органических веществ из воды может быть осуществлено сорбцией, коагуляцией и мембранными методами.

При сорбционном извлечении молекулы органических веществ сорбируются на поверхности специально подготовленного сорбента, в качестве которого наибольшее распространение имеют активные угли различного типа, или поглощаются в объеме сорбента-органопогло­тителя «скавенжера». В качестве последнего используются слабоосновные аниониты с пористой структурой или гелевого типа с акриловой матрицей.

Угольный фильтр, неграмотно называемый некоторыми карбоновым, может быть установлен после механического или катионитного. Использование прочного гранулированного активного угля, например, АГ-3, допускающего частые взрыхления, позволяет совместить удаление органических веществ с механической фильтрацией воды. При этом емкость угля может снизиться из-за забивания его пор частицами взвесей. Поскольку в любом случае уголь требует периодической замены при исчерпании сорбционной емкости, в ряде случаев выгоднее поставить один фильтр с углем и чаще его заменять, чем устанавливать дополнительный механический фильтр. Ресурс работы угля зависит от параметров воды и типа использованного угля и определяется при практических испытаниях.

Уголь требует периодической замены. Поэтому фильтры должны быть снабжены специальными штуцерами для загрузки и выгрузки угля.

Поскольку при коагуляции механизм извлечения органики из воды состоит в ее сорбции на образующихся хлопьях, имеющих огромную поверхность, этот метод также может быть отнесен к сорбционному извлечению.

При пропускании воды через полупроницаемую мембрану на ней задерживаются органические вещества, имеющие молекулярную массу:

• при ультрафильтрации – более 10000;
• при нанофильтрации – более 200;
• при обратном осмосе – практически любую.

Как правило, очистку природной воды от органических загрязнений производят ее обработкой активированным углем. В тех случаях, когда вода имеет только сезонную, периодическую, повышенную концентрацию органики, обычно применяют «углевание», т. е. обработку пылевидным углем, вводимым при коагуляции или фильтрации. В других случаях очистку производят в напорных фильтрах со стационарным слоем угля. Применимость отечественных углей для этих процессов показана в таблице 2.21.

Наиболее современным способом удаления органики из воды является ультрафильтрационный. Метод ультрафильтрации позволяет одновременно дезинфицировать воду, удалить все взвеси и многие органические вещества (дезодорировать и обесцветить воду). Разработаны соответствующие типы ультрафильтрационных мембран и мембранных установок ультрафильтрации воды производительностью сотни кубометров в час.

Использование хлорированной водопроводной воды вызывает неприятные ощущения у многих людей и совершенно недопустимо для многих технологических процессов. Так, в пищевой промышленности возможно изменение цвета и резкое ухудшение вкуса продуктов, в производстве электронных компонентов возможно полное нарушение технологического процесса. В процессах водоподготовки там, где применяются установки обратного осмоса с современными обратноосмотическими мембранами, содержание активного хлора ограничено 0,1 мг/л.

Однако во многих таких производствах для дезинфекции воды ее обрабатывают большими дозами хлора, который затем необходимо извлечь.

Процесс удаления избыточного активного хлора называется дехлорированием и обязателен во всех рассмотренных выше случаях.

Дехлорирование воды обычно осуществляется при пропускании воды через активированный уголь. На загрузке происходит восстановление активного (растворенного) хлора до аниона Cl – . Ресурс работы угля значительно выше, чем при сорбции органики, и может составлять несколько лет. Продолжительность работы зависит от концентрации хлора в воде и скорости фильтрования. На рисунке показана зависимость количества воды, в м³, которое м ожно пропустить через 1 литр угля в зависимости от условий работы.

Количество воды в м³ , которое можно пропустить через 1 литр угля АС-20, в зависимости от содержания свободного хлора и объемной скорости фильтрации V в м³ воды на м³ сорбента

При очистке природной воды на активном угле происходит, кроме того, окисление Fe²⁺ до Fe³⁺, а также задерживаются взвеси и коллоидные частицы Fe³⁺. При загрязнении фильтров они регенерируются путем обратной промывки исходной водой. На фильтрах устанавливаются блоки управления регенерацией по времени.

Дехлорирование воды производится либо в отдельном аппарате, либо совмещается с другими операциями (механической фильтрации воды, удаления органики).

В воде поверхностных источников, реже в подземных, присутствуют соединения азота в виде нитратов и нитритов. В настоящее время происходит постоянный рост их концентрации, связанный прежде всего с широким использованием нитратных удобрений, избыток которых с грунтовыми водами поступает в реки и озера. Установленные нормы на содержание нитратов составляют NO₃^– < 45 мг/л, нитритов – NO₂^– < 3 мг/л .

Существуют два пути удаления нитратов и нитритов – это обратный осмос и ионный обмен . В первом случае должно производиться обессоливание воды до такой степени, при которой концентрация нитратов будет соответствовать норме. Однако при обратном осмосе удаляются все соли с малой селективностью и в результате получается обессоленная вода. Вопрос об полезности такой воды для организма и вкусовых качествах является дискуссионным. Стоимость такой обработки воды достаточно высока. При высоком содержании нитратов вполне возможно использовать малогабаритные установки обратного осмоса для приготовления воды только для питьевых нужд. Все остальные потребители (стирка, мытье и т. п.) вполне могут использовать водопроводную воду.

Сильноосновный анионит в Cl -форме может, согласно ряду селективности, сорбировать ионы NO₃^– и обменивать их на ионы Cl^–. На анионите в Cl -форме сорбируются также и анионы SO₄^2– и HCO₃^–. Поэтому такой процесс может быть реализован, если суммарное содержание анионов сильных кислот Cl^–, SO₄^2–, NO₃^– и HCO₃^– не превышает ПДК по ионам Cl^–.

Поскольку в ряду селективности стандартных сильноосновных анионитов типа АВ-17-8 анион NO₃^– стоит левее SO₄^2–, т. е. сродство анионита к последнему выше, то он может вытеснять анион NO₃^– из анионита. Поэтому при наличии в воде значительного количества сульфатов возможен случай, показанный на рисунке ниже. Видно, что после насыщения смолы по нитрат-ионам, сульфат-ионы, имеющие большее сродство к аниониту, вытесняют нитрат-ионы в фильтрат в количестве большем, чем их исходное содержание. Соответственно необходим очень жесткий контроль работы фильтров. Кроме того, поскольку сорбируются и нитрат-, и сульфат-ионы, емкость такого анионита по нитратам оказывается незначительной.

Специально для процессов извлечения нитратов всеми ведущими производителями ионитов разработаны специальные аниониты, селективность которых к нитратам выше, чем к сульфатам. Например, анионит А-520Е фирмы Purolite , IMAK HP 555 фирмы Rohm & Haas . Ряд селективности для таких анионитов выглядит следующим образом:

HCO₃ < Cl < SO₄< NO₃.

а

б

Выходные кривые сорбции для обычных (а) и селективных
к нитрат-ионам (б) анионитов

Выходные кривые сорбции для обычных и селективных анионитов показаны на рисунке. Видно, что обменная емкость селективных анионитов по нитратам в присутствии сульфатов существенно выше. К сожалению, стоимость этих смол также в несколько раз больше. В работах автора книги было показано, что при содержании нитратов до 200 мг/л и сульфатов 50–100 мг/л, анионит АВ-17-8 не уступал по качеству очистки воды, эффективности регенерации и обменной емкости специальному аниониту А-520Е фирмы Purolite .