Очистка на основе химической коагуляции является наиболее распространенным подходом к очистке поверхностных вод и почти всегда основана на следующих единичных процессах. Химические коагулянты, обычно соли алюминия или железа, дозируются в сырую воду в контролируемых условиях для образования твердого хлопьевидного гидроксида металла. Типичные дозы коагулянта составляют 2–5 мг/л в виде алюминия или 4–10 мг/л в виде железа. Осажденные хлопья удаляют взвешенные и растворенные загрязняющие вещества посредством механизмов нейтрализации заряда, адсорбции и улавливания. Эффективность процесса коагуляции зависит от качества сырой воды, используемого коагулянта или коагулянта и эксплуатационных факторов, включая условия смешивания, дозу коагуляции и рН. Хлопья удаляются из очищенной воды с помощью последующих процессов разделения твердой и жидкой фаз, таких как осаждение или флотация и/или быстрая или гравитационная фильтрация под давлением. Эффективность процесса коагуляции зависит от выбора оптимальной дозы коагулянта, а также значения рН. Требуемая доза и pH могут быть определены с помощью тестов на коагуляцию небольших партий, часто называемых «тестами в сосудах». Увеличивающие дозы коагулянта наносят на пробы сырой воды, которые перемешивают и дают отстояться. Оптимальная доза выбирается такой, при которой достигается адекватное удаление цвета и помутнения; аналогичным образом можно подобрать оптимальное значение рН. Эти тесты должны проводиться с достаточной частотой, чтобы соответствовать изменениям качества сырой воды и, следовательно, потребности в коагулянтах. Порошкообразный активированный уголь (ПАУ) можно дозировать во время коагуляции для адсорбции органических химикатов, таких как некоторые гидрофобные пестициды. PAC будет удаляться как неотъемлемая часть хлопьев и утилизироваться вместе с осадком водопроводных сооружений. Хлопья могут быть удалены седиментацией, чтобы уменьшить загрузку твердых частиц на последующих скорых самотечных фильтрах. Осаждение чаще всего достигается в отстойниках с горизонтальным потоком или в хлопьевидных осветлителях. В качестве альтернативы хлопья можно удалить флотацией растворенным воздухом, при которой твердые частицы контактируют с мелкими пузырьками воздуха, которые прикрепляются к хлопьям, заставляя их всплывать на поверхность резервуара, откуда они периодически удаляются в виде слоя ила. . Очищенная вода из любого процесса направляется на скорые гравитационные фильтры (см. раздел A5.1.4), где удаляются оставшиеся твердые частицы. Отфильтрованная вода может быть направлена ​​на дальнейшую стадию очистки, такую ​​как дополнительное окисление и фильтрация (для удаления марганца), озонирование и/или адсорбция ГАУ (для удаления пестицидов и других органических примесей), перед окончательной дезинфекцией перед очищенной водой. входит в поставку. Коагуляция подходит для удаления твердых частиц и связанных микроорганизмов, некоторых тяжелых металлов и малорастворимых органических химических веществ, таких как некоторые хлорорганические пестициды. Для других органических химических веществ коагуляция, как правило, неэффективна, за исключением случаев, когда химическое вещество связано с гуминовым материалом или адсорбируется на твердых частицах.

Адсорбция активированным углем

Активированный уголь производится путем контролируемой термализации углеродистого материала, обычно древесины, угля, скорлупы кокосовых орехов или торфа. В результате такой активации образуется пористый материал с большой площадью поверхности (500–1500 м2/г) и высоким сродством к органическим соединениям. Обычно он используется либо в порошкообразной (PAC), либо в гранулированной (GAC) форме. Когда адсорбционная способность угля исчерпана, его можно реактивировать, сжигая органику контролируемым образом. Однако PAC (и некоторые GAC) обычно используются только один раз перед утилизацией. Различные типы активированного угля имеют разное сродство к типам загрязняющих веществ. Выбор между PAC и GAC будет зависеть от относительной экономической эффективности, частоты и требуемой дозы. PAC, как правило, предпочтительнее в случае сезонного или периодического загрязнения или когда требуются низкие дозировки. PAC дозируется в виде взвеси в воду и удаляется в ходе последующих процессов очистки вместе с осадком водопроводных сооружений. Поэтому его использование ограничивается работами по очистке поверхностных вод с помощью существующих фильтров. ГАУ в адсорберах с неподвижным слоем используется намного эффективнее, чем ПАУ, дозированно добавляемый в воду, и эффективное использование углерода на объем обрабатываемой воды будет намного ниже, чем доза ПАУ, необходимая для достижения такого же удаления. GAC используется для контроля вкуса и запаха. Обычно он используется в неподвижных слоях либо в специально созданных адсорберах для химикатов, либо в существующих корпусах фильтров путем замены песка на ГАУ с аналогичным размером частиц. Хотя на большинстве очистных сооружений было бы дешевле переоборудовать существующие фильтры, а не строить отдельные адсорберы, использование существующих фильтров обычно обеспечивает лишь короткое время контакта, и они не могут быть легко реактивированы. Поэтому общепринятой практикой является установка дополнительных адсорберов ГАУ (в некоторых случаях с предварительным озонированием) между скоростными гравитационными фильтрами и конечной дезинфекцией. Большинство источников подземных вод не имеют существующих фильтров, поэтому потребуются отдельные адсорберы.

Ионный обмен

Ионный обмен представляет собой процесс, при котором происходит обмен ионами с одинаковым зарядом между водной фазой и твердой фазой смолы. Умягчение воды достигается за счет катионного обмена. Вода проходит через слой катионной смолы, и ионы кальция и магния в воде замещаются ионами натрия. Когда ионообменная смола истощается (то есть, ионы натрия истощаются), ее регенерируют с помощью раствора хлорида натрия. Процесс «обесщелачивания» также может смягчить воду. Вода проходит через слой слабокислой смолы, и ионы кальция и магния замещаются ионами водорода. Ионы водорода реагируют с ионами карбоната и бикарбоната с образованием двуокиси углерода. Таким образом, жесткость воды снижается без повышения уровня натрия. Анионный обмен можно использовать для удаления загрязняющих веществ, таких как нитраты, фториды, арсенаты и уран (в виде уранил-аниона), которые заменяются на хлориды. Для этой цели имеется несколько подходящих смол. Ионообменная установка обычно состоит из двух или более слоев смолы, содержащихся в кожухах высокого давления с соответствующими насосами, трубопроводами и вспомогательным оборудованием для регенерации. Оболочки под давлением обычно имеют диаметр до 4 м и содержат смолу толщиной 0,6–1,5 м. Катионный обмен можно использовать для удаления некоторых тяжелых металлов. Потенциальное применение анионных смол, помимо удаления нитратов, заключается в удалении частиц мышьяка и селена.

Мембранные процессы

Мембранные процессы, имеющие наибольшее значение в очистке воды, это обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация и нанофильтрация. Эти процессы традиционно применялись для производства воды для промышленных или фармацевтических целей, но в настоящее время применяются для обработки питьевой воды.

Процессы высокого давления

Если два раствора разделены полупроницаемой мембраной (т. е. мембраной, которая пропускает растворитель, но не пропускает растворенное вещество), растворитель естественным образом переходит из раствора с более низкой концентрацией в раствор с более высокой концентрацией. Этот процесс известен как осмос. Однако можно заставить поток растворителя двигаться в противоположном направлении, от более высокой концентрации к более низкой, увеличивая давление на раствор с более высокой концентрацией. Необходимый перепад давления известен как осмотическое давление, а процесс известен как обратный осмос. Обратный осмос приводит к получению потока очищенной воды и потока относительно концентрированных отходов. Типичное рабочее давление находится в диапазоне 15–50 бар, в зависимости от применения. Обратный осмос задерживает одновалентные ионы и органические вещества с молекулярной массой более 50 дальтон (размер пор мембраны менее 0,002 мкм). Наиболее распространенным применением обратного осмоса является опреснение солоноватой и морской воды. В нанофильтрации используется мембрана со свойствами между мембранами обратного осмоса и ультрафильтрации; размеры пор обычно составляют 0,001–0,01 мкм. Нанофильтрационные мембраны пропускают одновалентные ионы, такие как натрий или калий, но задерживают большую часть двухвалентных ионов, таких как кальций и магний, а также некоторые органические вещества с более высокой молекулярной массой. Рабочее давление обычно составляет около 5 бар. Нанофильтрация может быть эффективной для удаления цветообразующих органических соединений.

Процессы с более низким давлением

Ультрафильтрация в принципе аналогична обратному осмосу, но мембраны имеют гораздо больший размер пор (обычно 0,002–0,03 мкм) и работают при более низких давлениях. Ультрафильтрационные мембраны задерживают органические молекулы с молекулярной массой выше 800 дальтон и обычно работают при давлении менее 5 бар. Микрофильтрация является прямым расширением традиционной фильтрации в субмикрометровом диапазоне. Мембраны для микрофильтрации имеют размер пор обычно в диапазоне 0,01–12 мкм и не разделяют молекулы, а отбрасывают коллоидный и взвешенный материал при рабочем давлении 1–2 бар. Микрофильтрация способна отсеивать частицы размером более 0,05 мкм. Он использовался для обработки воды в сочетании с коагуляцией или ПАУ для удаления твердых частиц и некоторого количества растворенного органического углерода перед мембранами обратного осмоса и для улучшения потока пермеата.

Другие процессы водоподготовки

Процессы, направленные на образование гидроксильных радикалов, известны под общим названием усовершенствованные процессы окисления и могут быть эффективны для разрушения химических веществ, которые трудно обработать другими методами, например одним озоном. Перекись водорода с УФ также является источником гидроксильных радикалов. Химические вещества могут реагировать либо непосредственно с молекулярным озоном, либо с гидроксильным радикалом (HO·), который является продуктом разложения озона в воде и является чрезвычайно мощным неизбирательным окислителем, легко реагирующим с широким спектром органических химических веществ. Образование гидроксильных радикалов можно стимулировать, используя озон при высоком pH. Один из передовых процессов окисления с использованием озона или УФ-излучения плюс перекись водорода включает дозирование перекиси водорода одновременно с озоном из расчета примерно 0,4 мг перекиси водорода на литр на миллиграмм озона, дозируемого на литр (теоретическое оптимальное соотношение для образования гидроксильных радикалов) и бикарбонат. Другие процессы обработки, которые можно использовать в некоторых случаях, включают:

• умягчение осадков (добавление извести, извести плюс карбонат натрия или гидроксид натрия для повышения жесткости при высоком pH);
• ионообменное умягчение;
• биологическая денитрификация для удаления нитратов из поверхностных вод;
• биологическая нитрификация для удаления аммиака из поверхностных вод;
• активированный оксид алюминия (или другие адсорбенты) для специальных применений, таких как удаление фтора и мышьяка.

Эффективность обработки химических веществ, для которых установлены нормативные значения

Эффективность обработки химических веществ, для которых установлены нормативные значения, приведена в таблицах A5.1–A5.5.

Коррозия металлов, используемых при очистке и распределении воды

Основной коррозионной проблемой латуни является удаление цинка, то есть селективное растворение цинка из дуплексной латуни, при котором остается медь в виде пористой массы с низкой механической прочностью. Безе цинкование, при котором на поверхности латуни образуется объемистый продукт коррозии основного карбоната цинка, в значительной степени зависит от соотношения хлорида и щелочности. Обесцинкивание безе можно контролировать, поддерживая низкое соотношение цинка и меди (1:3 или ниже) и поддерживая рН ниже 8,3. Также может происходить общее растворение латуни с выделением в воду металлов, в том числе свинца. Ударная атака может произойти в условиях высокой скорости воды с водами, которые образуют плохо защищающие слои продуктов коррозии и которые содержат большое количество растворенного или увлеченного воздуха.

Бетон и цемент

Бетон представляет собой композиционный материал, состоящий из цементного вяжущего вещества, в которое внедрен инертный заполнитель. Цемент в основном представляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция вместе с небольшим количеством свободной извести. Цементный раствор, заполнителем которого является мелкий песок, используется в качестве защитной прокладки в железных и стальных водопроводных трубах. В асбестоцементных трубах заполнитель представляет собой волокна асбеста, которые не представляют опасности для питьевой воды (см. также информационный бюллетень об асбесте в главе 12). Цемент подвержен разрушению при длительном воздействии агрессивной воды либо из-за растворения извести и других растворимых соединений, либо из-за химического воздействия агрессивных ионов, таких как хлорид или сульфат, что может привести к разрушению конструкции. Недавно установленные цементные материалы будут выщелачивать известь с последующим повышением pH, щелочности и жесткости. Цемент содержит различные металлы, которые могут выщелачиваться в воду. Агрессивность по отношению к цементу связана с «индексом агрессивности», который используется специально для оценки потенциала растворения бетона. pH 8,5 или выше может быть необходим для контроля коррозии цемента.

Медь

Коррозия медных трубопроводов и емкостей с горячей водой может вызвать голубую воду, синее или зеленое окрашивание сантехники, а иногда и проблемы со вкусом. Медные трубы могут подвергаться общей коррозии, ударной и точечной коррозии. Общая коррозия чаще всего связана с мягкими кислыми водами; воды с рН ниже 6,5 и жесткостью менее 60 мг карбоната кальция на литр очень агрессивны к меди. Медь, как и свинец, может попадать в воду при растворении продукта коррозии, основного карбоната меди. Растворимость в основном зависит от pH и общего содержания неорганического углерода. Растворимость уменьшается с увеличением pH, но увеличивается с увеличением концентрации карбонатных соединений. Повышение рН до 8-8,5 является обычной процедурой для преодоления этих трудностей. Ударная атака является результатом чрезмерных скоростей потока и усугубляется в мягкой воде при высокой температуре и низком рН. Питтинг меди обычно связан с жесткими грунтовыми водами с концентрацией углекислого газа выше 5 мг/л и высоким содержанием растворенного кислорода. В этих случаях для подавления коррозии меди использовались фосфаты. Поверхностные воды с органическим цветом также могут быть связаны с точечной коррозией. Медные трубы могут выйти из строя из-за точечной коррозии, которая включает в себя сильно локализованные повреждения, приводящие к перфорациям с незначительной потерей металла. Различают два основных типа атаки. Питтинг типа I поражает системы холодной воды (ниже 40 °C) и связан, в частности, с жесткой скважинной водой и наличием углеродистой пленки в канале трубы, образующейся в процессе производства. Трубки, из которых углерод был удален путем очистки, невосприимчивы к точечной коррозии Типа I. Точечная коррозия типа II возникает в системах горячего водоснабжения (выше 60 °C) и связана с мягкой водой. Высокая доля проблем общей и точечной коррозии связана с новыми трубами, в которых еще не сформировался защитный оксидный слой. Индексы осаждения карбоната кальция, такие как Langelier и Ryznar, не являются хорошими предикторами коррозии для медных систем.

Железо

Железо (литое или ковкое) часто используется в системах водоснабжения, и его коррозия вызывает беспокойство. Хотя структурные разрушения в результате коррозии железа случаются редко, проблемы с качеством воды (например, «красная вода») могут возникнуть в результате чрезмерной коррозии железных труб. Коррозия железа представляет собой сложный процесс, который включает окисление металла, обычно растворенным кислородом, в конечном итоге с образованием осадка железа (III). Это приводит к образованию бугорков на поверхности трубы. Основными факторами качества воды, которые определяют, образует ли осадок защитную накипь, являются рН и щелочность. Концентрации кальция, хлорида и сульфата также влияют на коррозию железа. Успешная борьба с коррозией железа была достигнута за счет регулирования рН в диапазоне 6,8–7,3, жесткости и щелочности не менее 40 мг/л (в пересчете на карбонат кальция), пересыщения карбонатом кальция 4–10 мг/л и соотношения щелочность по отношению к хлориду и сульфату не менее 5 (когда оба значения выражены в виде карбоната кальция). Силикаты и полифосфаты часто называют «ингибиторами коррозии», но нет гарантии, что они будут ингибировать коррозию в системах водоснабжения. Однако они могут образовывать комплексы с растворенным железом (в состоянии железа(II)) и предотвращать его осаждение в виде видимой красной «ржавчины». Эти соединения могут действовать, маскируя эффекты коррозии, а не предотвращая ее. Ортофосфат является возможным ингибитором коррозии и, как и полифосфаты, используется для предотвращения «красной воды».

Свинец

Особую озабоченность вызывает коррозия свинца (плюмборастворимость). Свинцовые трубы до сих пор используются в старых домах в некоторых странах, свинцовые припои широко используются для соединения медных труб, а латунные фитинги могут содержать значительное количество свинца. Сантехнические трубы из оцинкованного железа могут накапливать поступающий свинец и впоследствии выделять его в виде твердых частиц. Растворимость свинца определяется образованием карбонатов свинца в виде отложений на трубах. Везде, где это практически возможно, следует заменить свинцовые трубы. Свинец также может выделяться из припоев на основе свинца и фитингов из латуни и бронзы. Растворимость солей свинца, связанных с коррозией, заметно возрастает при увеличении рН выше или ниже 8,3 из-за существенного снижения равновесной концентрации карбоната. Таким образом, плюмборастворимость, как правило, максимальна в водах с низким pH и низкой щелочностью, и полезной промежуточной процедурой контроля до замены трубы является повышение pH до 8,0–8,5 после хлорирования перед распределением. Ортофосфат и другие фосфаты эффективно подавляют растворение свинца. Концентрация свинца увеличивается с увеличением времени стояния воды в свинцовой трубе. Промывка трубопровода перед забором воды для потребления может использоваться в качестве временной меры для снижения воздействия свинца. Для промывки системы можно использовать душ, купание и смыв в туалете. Свинец может подвергаться коррозии быстрее, когда он соединен с медью. Скорость такой гальванической коррозии выше, чем простой окислительной коррозии, а концентрации свинца не ограничиваются растворимостью продуктов коррозии. На скорость гальванической коррозии в основном влияет концентрация хлоридов. Гальваническую коррозию труднее контролировать, но ее можно уменьшить, добавляя цинк в сочетании с ортофосфатом и регулируя рН. Лечение для снижения плюмборастворимости обычно включает корректировку рН. При очень мягкой воде (концентрация карбоната кальция менее 50 мг/л) оптимальное значение рН составляет около 8,0–8,5. В качестве альтернативы, дозирование ортофосфорной кислоты или ортофосфата натрия может быть более эффективным, особенно когда растворимость свинца возникает в некислых водах. Индексы осаждения карбоната кальция, такие как Ланжелье и Рызнар, не считаются обязательно хорошими предикторами коррозии для свинца.

Никель

Никель в воде может образоваться из-за выщелачивания никеля из новых никелированных/хромированных кранов. Низкие концентрации могут также возникать в трубах и фитингах из нержавеющей стали. Выщелачивание никеля со временем уменьшается. Увеличение pH для контроля коррозии других материалов также должно уменьшить выщелачивание никеля.

Цинк

Оцинкованные трубы выделяют цинк (из гальванического слоя), а также могут выделять кадмий и свинец. Коррозия может быть особой проблемой, когда трубы из оцинкованной стали или железа соединяются с разнородными материалами, такими как латунь, в кранах и фитингах. Растворимость цинка в воде зависит от pH и общей концентрации неорганического углерода; растворимость основного карбоната цинка снижается с увеличением рН и концентраций карбонатных соединений. Для низкощелочных вод повышение рН до 8,5 должно быть достаточным для контроля растворения цинка. В случае с оцинкованным железом слой цинка первоначально защищает сталь от коррозии. В долгосрочной перспективе образуется защитный слой основного карбоната цинка; однако оцинкованные трубы также склонны к неконтролируемому отложению и засорению. Недавние исследования показали, что свинец может аккумулироваться на частицах оцинкованных труб и повторно взвешиваться при физическом разрушении, таком как гидравлический удар. Защитные отложения не образуются в мягких водах с щелочностью менее 50 мг/л в виде карбоната кальция или в водах с высоким содержанием углекислого газа (> 25 мг/л), а оцинкованная сталь для этих вод непригодна. Электролитическая коррозия может возникнуть, когда трубы или фитинги из оцинкованной стали или железа соединяются с медными трубами или латунными фитингами.