Осветление и обесцвечивание воды
Осветление воды. Осветление воды как уже отмечалось, проводится для удаления из воды взвешенных частиц (устранение мутности воды) при непрерывном движении ее при малых скоростях через специальные сооружения (отстойники, фильтры).
Мутность воды обусловлена наличием в ней механических взвешенных частиц: глинистых, песчаных, илистых и др. Мутность свойственна, в основном, поверхностным водам (как правило, речным). Чем мельче механические частицы, тем больше мутность воды; кроме того, чем больше скорость движения воды в реке, тем все более крупные частицы увлекаются водой. При определенных скоростях движения воды частицы грунта могут находиться во взвешенном состоянии. В этом случае возникает необходимость избавления от мутности воды с целью ее осветления.
Осветление воды может быть осуществлено путем ее отстаивания и последующего пропуска через специальные фильтры.
Отстаивание воды заключается в пропускании ее через отстойники при весьма малых скоростях. Заметим, что одним из простых способов отстаивания воды являются ковши; однако, полного избавления от механических взвесей в них, как правило, не достигается. При большой крупности механических частиц осветление воды может быть достигнуто прямым отстаиванием ее в специальных отстойниках довольно быстро (в течение нескольких часов). Если же в воде содержатся тонкодисперсные частицы (например, пылеватые или глинистые), то удаление их путем отстаивания в приемлемые сроки практически невозможно (время отстаивания воды может составить несколько месяцев). А санитарные требования весьма жестки: в воде не должно содержаться взвешенных частиц более 1мг/л.
Для ускорения осветления воды широко привлекается коагулирование отстаиваемой воды. Коллоидные глинистые частицы естественной мути имеют отрицательный электрический заряд и взаимно отталкиваются. При введении коагулянта в воде искусственно создается коллоидное вещество с положительно заряженными частицами. При взаимодействии с отрицательно заряженными частицами мути происходит нейтрализация их зарядов - частицы взаимно притягиваются, укрупняются и относительно быстро выпадают из воды в осадок.
В качестве коагулянтов наиболее часто используют сернокислый алюминий Al(SO4)3, иногда железный купорос FeSO4 и хлорное железо FeCl3. Так, при введении в воду Al(SO4)3 происходит ее диссоциация:
Al(SO4)3 ® 2Al3+ + 3SO42-
Далее происходит катионный обмен между Al3+ и катионами на глинистых частицах. Избыток же ионов Al3+ в результате гидролиза приводит к образованию выпадающего в осадок Al(OH)3:
Al3+ + 3H2O ®- Al(OH)3¯ + 3H+
Образовавшееся положительно заряженное коллоидное вещество Al(OH)3 и обусловливает процесс коагулирования. Процесс коагуляции требует определенной щелочности воды; если она мала, то воду специально подщелачивают путем добавления в нее извести или соды.
Из опыта осветления воды доза Al(SO4)3 для рек России составляет от 60мг/л (для северных рек) до 100-120 мг/л (для южных рек с большей мутностью).
Привлечение коагулирования требует устройства на очистной станции специальных отстойников.
Горизонтальныйотстойник используется на водозаборах с большой производительностью (более 50-60 тыс. м3/сут). Эти отстойники устраивают в виде заглубленных в землю железобетонных бассейнов (из 2-3 параллельных камер) с уклоном, обратным ходу воды; при этом скорость движения воды в них должна обеспечивать выпадение в пределах отстойника взвешенных частиц.
Обычно скорость выпадения частиц при коагулировании составляет 
= 0.5-0.6 мм/сек, а скорость движения воды в отстойнике принимается равной v = 5-6 мм/сек, т.е. примерно в 10 раз больше.
По заданной производительности отстойника и принятой величине v определяют габариты отстойника: площадь, ширину, длину. В практике подобных сооружений высоту зоны осаждения отстойника принимают равной H = 3-5 м [1].
Длину отстойника можно определить по формуле:
, (38)
С учетом соотношения скоростей потока v и осаждения , можно принять, что L/H ~ 10.
Площадь отстойника в плане:
(39)
Принимая во внимание, что площадь поперечного сечения отстойника будет 
, получим:
(40)
Нижняя часть отстойника - зона накопления и уплотнения осадка рассчитывается на прием осадка, выпадающего за период между чистками отстойника.
Вертикальные отстойники обычно применяют на водопроводах с производительностью менее 40 тыс.м3/сут и представляют собой резервуары цилиндрической формы; в них очищаемая вода движется вертикально снизу-вверх. Высота отстойника H принимается равной 4-5 м, отношение диаметра отстойника к его высоте составляет 1.5-2.
В практике хозяйственно-питьевого водоснабжения на базе речных вод после отстаивания воды обычно применяется ее фильтрование. Основная задача этого процесса заключается в доводке осветления воды до степени, соответствующей требованиям ГОСТа.
При фильтровании воду пропускают через слой фильтрующего материала, задерживающего взвешенные в ней вещества. В качестве фильтрующего материала чаще всего привлекают мелкий кварцевый (речной) песок, иногда - дробленый антрацит.
Обесцвечивание воды.Цветность воды обусловлена присутствием в ней гумусовых веществ, находящихся в коллоидном состоянии и придающих воде желтоватый, коричневый или зеленый цвета. Цветностью обладают воды рек, вытекающих из болот и торфяников, а также воды ряда водохранилищ. Цветность питьевой воды (по ГОСТу) не должна превышать 20 градусов (по платинокобальтовой шкале).
В процессе осветления, как правило, достигается и обесцвечивание воды; если этого нет, то из положения выходят путем увеличения дозы того же коагулянта, который привлекается и для осветления воды.
Обеззараживание воды
Этот метод очистки проводится с целью уничтожения в воде болезнетворных бактерий, вызывающих такие опасные заболевания, как холера, паратиф, брюшной тиф, дизентерия и др. Обеззараживание воды осуществляется на всех очистных станциях, если имеется вероятность загрязнения природных вод поверхностными стоками. Проблема эта весьма актуальна для г. Санкт-Петербурга. Основной водозабор города находится ниже впадения в реку Неву ее притока Охты, которая весьма загрязнена химическими и органическими стоками.
Отстаивание и фильтрование воды не дают гарантий удаления микроорганизмов. Для окончательной очистки воды используют обеззараживание. Как правило, обеззараживанию подвергаются воды, уже прошедшие отстаивание и фильтрование. Для обеззараживания воды используют следующие методы: кипячение, обработка ультрафиолетовыми лучами, хлорирование и озонирование.
Кипячение воды (термическая обработка). Используется для обеззараживания малых количеств воды (обычно для индивидуального водоснабжения).
Ультрафиолетовые лучи. Бактерицидные лучи с длиной волны 2000-2950 А0 "убивают" болезнетворные бактерии. Источником бактерицидных лучей являются ртутно-кварцевые лампы высокого давления или ртутно-аргоновые лампы низкого давления.
Хлорирование воды. Хлорирование воды для обеззараживания получило наибольшее распространение. В большинстве случаев оно осуществляется жидким хлором или хлорной известью. При введении хлора в воду в результате гидролиза в ней образуется хлорноватистая и соляная кислоты:
Cl2 + H2O = HOCl + HСl
Хлороватистая кислота HOCl – вещество неустойчивое и диссоциирует с образованием гипохлоритного иона и водорода:
HOC lÞ H+ + OСl-
Образующиеся гипохлоритные ионы, наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты, оказывают окислительные (бактерицидные) действия на микроорганизмы.
Необходимую дозу активного хлора устанавливают опытным путем на основе лабораторных данных о хлоропоглощаемости воды. Ориентировочно ее принимают для профильтрованной воды 0.5–1 мг/л, а для исходной неочищенной воды из поверхностных источников – до 5 мг/л.
Продолжительность контакта хлора с водой должна быть не менее 30 минут при условии интенсивного предварительного перемешивания; после 30-ти минутного контакта такая вода может быть направлена потребителю.
Более правильно назначать дозу хлора по «остаточному» хлору, количество которого должно быть в пределах 0.3–0.5 мг/л. При такой величине «остаточного» хлора может быть гарантирована полная дезинфекция воды. Дозу хлора определяют из такого расчета, чтобы в 1 литре очищенной воды оставалось еще 0.3–0.5 мг хлора, не вступившего в реакцию. Это и является контролем над качеством дезинфекции воды.
Степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от pH воды, чем меньше pH – тем лучше результаты хлорирования.
Хлорирование воды хлорной известью (3 CaOCl2CaO×4H2O) используется на водопроводах небольшой производительности (до 3 тыс. м3/сут). Известь распадается на гипохлорит кальция Ca(OCl)2 и хлористый кальций. В результате реакции гипохлорита кальция с находящейся в воде углекислотой или бикарбонатом кальция образуется, как и при хлорировании воды жидким хлором, хлорноватистая кислота HOCl, которая диссоциирует с образованием гипохлоритного иона OСl-.
Озонирование воды. В последнее все более широкое распространение приобретает обеззараживания воды путем ее озонирования. Озонирование заключается в пропускании через воду озонированного воздуха, в котором кислород частично переведен в трехатомную форму (О3).
Озон является сильным окислителем и обладает прекрасными бактерицидными свойствами и обеспечивает надежную дезинфекцию воды.
Преимущество озонирования воды перед хлорированием заключается в том, что озон получается непосредственно на станции очистки воды, он не ухудшает видовых качеств воды, не ведет к появлению в воде запахов.
Кроме того, под действием озона одновременно с обеззараживанием происходит и обесцвечивание воды, а также устраняются нежелательные запахи и привкусы. Недостатком озонирования является то обстоятельство, что озон действует на воду мгновенно, и быстро из нее уходит, не обеспечивая обеззараживающего эффекта на всем пути от водопроводной станции до потребителя. Озон получают из атмосферного воздуха в специальных аппаратах, называемых озонаторами. Воздух предварительно охлаждается, пропускается через фильтры и обезвоживается.
При прохождении переменного электрического тока (напряжением 8000-10000 вольт) через разрядное пространство, заполненное воздухом, происходит разряд коронного типа, в результате которого и образуется озон.
Доза озона для обеззараживания фильтрованной воды составляет 1-3 мг/л, для очистки подземных вод - 0.75-1.0 мг/л. Если требуется еще и обесцвечивание воды, то доза озона увеличивается до 4 мг/л. Время контакта воды с озоном составляет 5-10 минут.
Умягчение воды
Процесс умягчения связан с понижением жесткости воды, обусловленной присутствием в ней солей кальция и магния. Обычно повышенная жесткость воды характерна для подземных вод; поверхностные же воды, как правило, характеризуются малой жесткостью. Различают карбонатную жесткость (соли Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2) и некарбонатную жесткость ( соли CaCl2, MgCl2, CaSO4 и MgSO4). Суммарная жесткость называется общей жесткостью. По ГОСТу общая жесткость воды, используемой для хозпитьевого водоснабжения, не должна превышать 7 мг-экв/л [7]. В то же время для некоторых производственных нужд требуется очень мягкая вода; например, вода для питания паровых котлов не должна превышать 0.1-0.07 мг-экв/л.
На водопроводных станциях используются различные способы уменьшения жесткости воды; привлечение их диктуется требованиями к мягкости воды и экономическими соображениями. Наиболее распространенными являются реагентные методы и метод катионного умягчения воды.
Реагентные методы (методы осаждения) Суть этих методов заключается в том, что в воду вводятся определенные химические вещества, которые переводят ионы кальция и магния в малорастворимые и легко удаляемые соединения (например, в карбонат кальция (СаСО3) или гидроксид магния (MgO)).
Из реагентных методов наиболее широко используется известково-содовый способ умягчения воды. Суть его заключается в том, что первоначально в воду вводится известь, которая вызывает протекание следующих реакций:
Са(ОН)2 + Ca(HCO3)2 ® 2СаСО3 + 2Н2О
Са(ОН)2 + MgSO4 ® Mg(OH)2 +CaSO4
Са(ОН)2 + MgCl2 ® Mg(OH)2 + CaCl2,,
т.е происходит перевод солей из магниевой жесткости в кальциевую. Заметим, что на этой стадии очистки воды величина жесткости практически не меняется. Поэтому для окончательного снижения жесткости воды на втором этапе в воду вводится сода и химическая реакция протекает уже по схеме:
CaSO4 + Na2CO3 ® СаСО3¯ + Na2SO4
СаCl2 + Na2CO3 ® СаСО3¯ + 2NaCl
Са(НCO3)2 + Na2CO3 ® СаСО3¯ + 2NaHCO3.
Известково-содовым способом жесткость воды может быть снижена до величины 1 мг-экв/л. Заметим, что скорость процесса умягчения воды заметно возрастает при попутном ее подогреве.
Катионное умягчение воды. Метод основан на способности некоторых веществ (катионитов) обменивать катионы, содержащиеся в них (Na+ и Н+) на катионы солей жесткости, находящихся в воде (Са2+ и Мg2+). Процесс управляется законами диффузии и действия масс (эквивалентный обмен).
В качестве катионитов на станциях очистки воды используются только искусственно полученные материалы – сульфоуголь и ионнообменные смолы. Хотя, в принципе, могут быть и природные материалы, такие, как глауконитовые пески.
Сульфоуголь получается путем обработки концентрированной серной кислотой коксующихся плавких углей. По виду сульфоуголь - гранулы неправильной формы размером 0.25 – 1.25 мм. Обменная способность сульфоугля составляет до 200 – 300 мг-экв/л.
Синтетические ионнообменные смолы – иониты - представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из молекул-гигантов с огромной молекулярной массой. Ионит – твердое, практически нерастворимое в воде вещество, прочное и химически устойчивое. Обменная способность их составляет 800 - 900 мг-экв/л. С помощью смол жесткость может быть снижена до 0.01 мг-экв/л.
Так как в процессе своей работы ионит постепенно расходует содержащиеся в нем катионы Na+ (или Н+) и теряет способность умягчать воду, то требуется периодически проводить регенерацию катионного фильтра. Для восстановления катионов натрия через фильтр (сульфоуголь или ионит) пропускают раствор поваренной соли, а для восстановления ионов водорода – раствор серной кислоты.
Длительность операций по регенерации некоторых катионных фильтров приблизительно 1.5 – 2 часа. Скорость фильтрования при катионном умягчении воды зависит от ее жесткости и определяется расчетом (обычно 5 – 15 м/час).
6. ОСУШИТЕЛЬНАЯ МЕЛИОРАЦИЯ
Слово «мелиорация» происходит от латинского слова melioratiо, что в переводе на русский язык означает улучшение. Мелиорация - это комплекс инженерных мероприятий, направленных на улучшение водно-солевого режима почв и пород территорий, на которых проводятся сельскохозяйственные или строительные работ. Различают осушительную и оросительную мелиорацию
В рамках осушительной мелиорации рассмотрим вопросы, связанные с дренажем городских и промышленных территорий, а также с осушением заболоченных и избыточно увлажненных сельскохозяйственных территорий.