Очистка природной воды для питьевого водоснабжения населения

Технология получения питьевой воды

Природная вода содержит ряд примесей природного и антропогенного происхождения, присутствие которых в питьевой воде нежелательно или опасно. Все указанные примеси можно условно разделить на несколько типов: взвешенные вещества, ионы тяжелых металлов, растворенные органические вещества, микроорганизмы, фито- и зоопланктон.

Технологии получения питьевой воды состоят в применении различных методов для очистки воды от примесей и ее обеззараживания. Основной стадией очистки является введение реагентов (коагулянтов) с целью удаления взвешенных веществ, микроорганизмов и других примесей. Коагулянты при введении в воду образуют хлопья, которые сорбируют разного рода примеси и оседают. Примеси удаляются с осадком.

Эффективность работы коагулянтов обычно оценивается по скорости образования и седементации хлопьев и степени удаления взвешенных веществ.

Уникальность титанового коагулянта в сравнении с традиционными (в основном алюминиевыми) состоит в образовании в воде полимерных структур (крупных хлопьев), имеющих на поверхности много адсорбционных центров и широкий набор микропор в объеме хлопьев. Адсорбционные центры и микропоры сорбируют разного рода примеси, а большой размер хлопьев способствует высокой скорости седиментации.

Изучение степени очистки природнвх вод с различной мутностью показало, что c повышением мутности воды степень очистки возрастает до 90-100%, скорость образования хлопьев составляет 20-30 секунд, скорость осаждения хлопьев возрастает (мутность = 0 достигается при отстое за 30-60 мин.).

Известно, что бактериальное загрязнение связано с присутствием в воде взвешенных частиц. Поэтому снижение мутности приводит к резкому уменьшению общего микробного числа, коли-индексу и полному удалению фито- и зоо планктона. Применение титанового коагулянта позволяет отказаться от предварительного хлорирования воды, которое, как известно, приводит к образованию канцерогенных хлорорганических соединений, плохо удаляемых на последующих стадиях очистки.

Очистка от тяжелых металлов происходит за счет адсорбции на активных адсорбционных центрах поверхности титанового коагулянта. Эффективность удаления тяжелых металлов зависит от их концентрации в природной воде, заряда иона и его ионного радиуса. Содержание железа снижается в 35 раз, хрома — в 10 раз, меди — в 15 раз, кремния — в 5 раз. При применении специальной марки титанового коагулянта содержание мышьяка в очищенной воде снижается в 100 раз.

В зависимости от состава исходной воды доза титанового коагулянта в 2-3 раза меньше доз традиционно применяемых алюминиевых коагулянтов.

Одной из проблем существующих технологий водоподготовки является высокая концентрация в очищенной воде остаточного алюминия (менее 500 мкг/дм³), присутствие которого отрицательно влияет на человека. В настоящее время предельное допустимое содержание (ПДК) остаточного алюминия определено санитарными органами в 200 мкг/дм³. Однако такой уровень трудно достижим при применении традиционных алюминиевых коагулянтов, особенно в пероид паводка.

При применении титанового коагулянта остаточное содержание алюминия не превышало 10-20 мкг/дм³. Остаточно содержание ионов титана при норме 100 мкг/дм³ составляло 8-10 мкг/дм³, что меньше уровня его в природных водах и продуктах питания. По данным Всемирной организации здравохранения титан является элементом безопасным для эдоровья человека и окружающей среды.

Одним из важных показателей качества очищенной воды является содержание в ней органических веществ (так называемый показатель перманганатной окисляемости и содержание органического углерода — ТОС). Природная вода,как известно, содержит большой набор различных органических соединений ионогенного и неионогенного типа.

Традиционные коагулянты очищают воду от органических соединений не более, чем на 60% и, в основном, ионогенного типа.

Уникальная способность титанового коагулянта состоит в глубокой очистке природной воды от органических загрязнений. Это связано с образованием активных адсорбционных центров на поверхности образующихся при коагуляции хлопьях, которые сорбируют органические соединения ионогенного типа, и микропор, способных сорбировать неионогенные органические соединения.

Очистка от органических соединений с применением титанового коагулянта возрастает до 90% по сравнению с сульфатом алюминия (60-80%) при дозах последнего в 2-3 раза выше. Эта пропорция сохраняется и при сезонных колебаниях исходного состава воды.

Мутность

Эффективность коагулянтов оценивается по разности между мутностью исходной и очищенной воды, отнесенной к мутности исходной воды и оценивается в процентах. Эффективность титанового коагулянта на высокомутных и высокоцветных водах (реки Днестр, Днепр) составляет 75-80%, высокоцветных водах и маломутных (реки Нева, Волга) — 75-97%, в то время, как сульфат алюминия (при дозеровках в 2 раз выше) — 45-65%. Это объясняется образованием при гидролизе титанового коагулянта более крупных и более тяжелых хлопьев. Скорость образования хлопьев титанового коагулянта в зависимость от условий (температура воды, содержание взвешенных веществ, замутнитель) колеблется от 0,5 до 3 минут.

Норматив по мутности в 1,5 мг/дм³ для различного типа вод достигается через 10-30 минут отстоя, полное осветление – через 20-60 мин.

Очистка от бактериального загрязнения

Известно, что бактериальное загрязнение связано с содержанием взвешенных веществ в воде. При испытаниях (Москва, Волга) было установлени, что при 30-минутном отстое и конечной мутности 0,1-0,3 мг/дм³ бактериальное заражение снижалось: по коли- индесу с 25000 до 40-80 кол./дм³, а общее микробное число с170 до 0-1 кол./мл. Аналогичные испытания на р.Днепр показали снижение коли-индекса с 930 до 40 кол/дм³ и общего микробного числа с 900 до 11 кол/мл, на реке Днестр: ОМЧ с с 900 до 18 кол./мл. Фито-планктон с 110 тыс. шт/дм³ до 0, Зоопланктон с 5 до 0 шт/дм³.

Наблюдаемое нами пролонгирование эффекта обеззараживания (р. Днепр) — снижение коли-индекса в среднем в 10 раз в течение 4 часов связано, по-видимому, с продолжительностю отстоя и снижением мутность до 0.

Специальные исследования по снижению бактериального загрязнения при применении титанового коагулянта будут представлены в отдельном разделе.

Загрязнения хлорорганическими соединениями

Многочисленными исследованиями показано, что при первичном хлорировании природной воды с большим содержанием различных органических соединений, в очищенной воде образуются канцерогенные органические соединения.

Щелкните по картинке, что бы увеличить или уменьшить

Специально проведенные исследования на природной воде реки Нева подтвердили эти результаты (см график).

При хлорировании исходной воды образуется большое количество хлорорганических соединений. Последующая реагентная обработка сульфатом алюминия лишь частично удаляет эти соединения. При использовании титанового коагулянта достигнуто полное удаление хлорорганических соединений.

Однако, на наш взгляд, более целесообразно на первой стадии коагуляционной очистки с применением титанового коагулянта максимально удалять органические соединения и микрорганизмы, а затем проводить контрольное хлорирование. Это позволит экономно расходовать обеззараживающие реагенты и избежать образования вредных хлорорганических соединений.

Очистка от тяжелых металлов

Титановый коагулянт является хорошим сорбентом для ионов тяжелых металлов.Изучение сорбции нормирунмых тяжелых металлов для разных водных объектов показало, что с помощью титанового коагулянта очистка от тяжелых металлов проходит эффективно с достижением показателей СанПин 2.1.4.1074-01 и международных норм.

Остаточное содержание титана и алюминия

Одной из проблем существующей технологии очистки воды является остаточный алюминий, который, как показано опираясь на международный опыт, отрицательно влияет на здоровье человека. Применение больших доз сульфата алюминия, особенно в паводковый период, вызывает увеличение содержания остаточного алюминия (при дозах выше 7 мг/дм³) выше 500 мкг/дм³. Норматив по России, заложенный в Сан Пин 2.1.4.1074-01, составляет 500 мкг/дм³. Европейский стандарт предусматривает содержание остаточного алюминия не более 200 мкг/дм³. Такую же норму предполагается принять и в России.

Поскольку в некоторые марки титанового коагулянта с целью его удешевления входит и алюминий, то были поставлены специальные исследования по изучению содержания остаточного алюминия после обработки титановым коагулянтом, в состав которого входил сульфат или хлорид алюминия.

Остаточное содержание титана во всех пробах очищенной воды не превышало 0,005 мг/дм³.

Очистка от органических примесей

Изучение процесса очистки воды с применением титанового коагулянта в сравнении с сульфатом алюминия проведено с определением основных классов органических веществ. Определение состава органических соединений выполнено методом масс-хроматоспектроскопии. Поскольку в состав многих органических соединений входят ионы железа и кремния, в таблице так же приведены данные по уменьшению содержания этих элементов в очищенных водах.

Пилотные испытания титанового коагулянта при получении питьевой воды

В процессе разработки технологии очистки воды для питьевого водоснабжения были проведены пилотные испытания на различных установках: на природной воде р. Днепр (установка реагентной обработки с отстаиванием воды) и р. Нева (установка контактной коагуляции).

Результаты испытаний приведены в таблицах.

Сравнение разного типа коагулянтов (исходная вода р. Нева, температура  4-6°С)

Дополнительная информация:

Чем титановый коагулянт превосходит сульфат алюминия?

Эффективность титанового коагулянта.