Умягчение и обессоливание воды. Умягчение можно

Умягчение и обессоливание воды.
Умягчение можно осуществить двумя способами: реагентным и ионообменным.
 Реагентный способ подразумевает введение определенных веществ (реагентов),
которые при взаимодействии с ионами Са2+ и Mg2+ образуют нерастворимые соединения.
Полученные соединения выделяются из воды путем её отстаивания или фильтрования.
Широко известен содово-известковый метод умягчения воды.
 При ионообменном способе, вода подвергается обработке на специализированных
загрузках (ионообменные смолы, сульфоуголь). В процессе ионообмена осуществляется
замещение находящихся в воде ионов Са2+ и Mg2+ на другие ионы, содержащиеся в
загрузке, например, ионы Na+, K+или Н+.
 В настоящее время, для очистки воды от солей жесткости широко применяются,
так называемые, устройства электромагнитного умягчения. Принцип действия данных
устройств базируется на эффекте изменения кристаллической структуры содержащихся в
воде солей жесткости при обработке ее потока электромагнитными импульсами
определенной частоты. Другими словами, переменное электромагнитное поле,
присутствующее в объеме стока, способствует частичному или полному удалению
молекул воды из кристаллической решетки гидратов солей жесткости, в связи с чем,
изменяются их свойства, в частности, предел их растворимости. Таким образом,
электромагнитное поле обеспечивает специфические условия при формировании
кристаллической структуры примесей, поэтому в воде образуются соединения (гидраты),
которые в естественных условиях в ней отсутствуют. Как правило, в воде содержится
гидрат СаSO4 • 2Н2О (гипс), предел растворимости которого равен ~ 2100 (мГ/л). После
обработки стока электромагнитными импульсами структура названного гидрата
изменяется за счет удаления из его кристаллической решетки 1,5 молекул воды и, таким
образом, образуется другой гидрат СаSO4 • ½ Н2О (бассанит), который в воде
практически не растворим. Преобразование, под воздействием переменного
электромагнитного поля, частично растворимого гипса в практически нерастворимый
бассанит влечет за собой снижение в обработанной воде концентраций ионов Са2+ и SO42-.
Кроме того, электромагнитная обработка способствует слипанию (коагуляции)
мелкодисперсных примесей, что в итоге приводит к уменьшению концентраций
перенасыщенных коллоидных растворов.
 Применение методов обратного осмоса, дистилляции и электродиализа
ограничивается возможностью выхода из растворенного состояния таких соединений, как
гипс (CaSO4•2H2O) и ландсфордит (MgСО3•5Н2О), за счет увеличения их концентраций
в процессе очистки воды на обратноосмотических мембранах, в дистилляторах или
электролизерах. Причем выделение данных веществ проистекает на поверхностях
мембран, термических элементов или электролитических пластин, что приводит к выходу
из строя названных устройств. Для поддерживания концентраций перечисленных
соединений ниже предела их растворимости, необходимо осуществлять непрерывный
дренаж на обратноосмотической установке или периодически продувать камеры
дистиллятора и электролизера. Объемы дренажных и продувочных вод могут
составлять свыше 50% от общего потока очищаемой воды, в зависимости от её
исходной жёсткости.
Таким образом, использование для умягчения воды обратноосмотических и
электродиализных установок, а также дистилляторов нецелесообразно.
Обессоливание.
Обессоливанием называется процесс полного или частичного удаления из воды катионов
Na+, К+, NH4+ и др. и анионов Cl-, SO42-, NO3- и т.д.

Существуют следующие методы обессоливания:
Дистилляция (переиспарение) – Применяется для источников с исходным
солесодержанием свыше 10 (г/л), требует предварительного умягчения воды, является
весьма энергозатратным способом, устройство имеет значительные габаритные размеры
(установка производительностью 1 (м3/ч) размещается в контейнере 9м х 2,5м х 2,56м).
Объем концентрата (рассола), не менее 15% от общего потока очищаемой воды (при
условии предварительного умягчения). После очистки необходимо охлаждение воды.

Обратный осмос – Применяется для источников с исходным солесодержанием до 10
(г/л), требует предварительного умягчения воды, объем дренажа (рассола) составляет не
менее 20% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного
умягчения). Необходима мощная предварительная очистка, т.к. оборудование очень
чувствительно к качеству исходной воды.

Электродиализ – Наиболее целесообразно использовать для опреснения воды с
солесодержанием NaCl 5÷7 (г/л), при этом предельная остаточная концентрация NaCl в
очищенной воде составляет ~ 1 (г/л), т.е. обработанная вода требует дополнительного
обессоливания. Объем дренажа (рассола) составляет не менее 15% от общего потока
очищаемой воды (при условии предварительного умягчения).

Ионный обмен – Применяется для обессоливания источников с исходным общим
солесодержанием не более 3 - 3,5 (г/л), не требует предварительного умягчения воды, т.к.
сам является одним из способов удаления ионов Са2+ и Mg2+. Объем концентратов
(отходов) составляет ~ 2÷5% от общего объема очищаемой воды (при условии
использования метода экономичной регенерации).



Рассмотрим достоинства и недостатки перечисленных методов обессоливания:
Метод дистилляции, как было отмечено, отличается высокими энергозатратами,
поэтому используется для деминерализации воды, имеющей сухой остаток свыше 10 (г/л),
т.е. только в том случае, когда другие методы обессоливания не применимы.
После очистки воды электродиализным методом наблюдается высокая остаточная
концентрация солевых растворов, что, в нашем случае, потребует наличия
дополнительного блока обработки ионообменном или обратным осмосом. Таким образом,
система очистки значительно усложняется как в изготовлении, так и при эксплуатации.
При обессоливании с помощью мембран, необходимо обеспечить определенное
качество воды, подаваемой в обратноосмотическую установку, т.е. на этапе
предварительной очистки и осветления из стоков должны быть удалены все взвешенные
вещества, ионы тяжелых металлов, ПАВ, коллоидные растворы, а также ионы Са2+ и
Mg2+ и т.д. При выполнении названных условий обратноосмотическая установка работает
достаточно надежно и устойчиво с постоянным дренажом ~ 20% от общего расхода, вне
зависимости от периодического изменения солевого состава исходной воды. Другими
словами, если обеспечить отсутствие указанных загрязнений в воде подаваемой на
установку, то потребуется только ее разовая наладка (пуско-наладка), а далее процесс
обессоливания осуществляется автоматически и не требует дополнительной настройки
системы в случае изменения концентрации солевых растворов в исходной воде. Таким
образом, обратный осмос выделяется меньшими эксплуатационными затратами, при этом
нет необходимости в постоянном присутствии квалифицированного обслуживающего
персонала.
Однако перед обратноосмотической обработкой необходимо предусмотреть наличие
дополнительного устройства водоумягчения.
Наиболее оптимальным является использование Na-катионитовых фильтров для
полного замещения всех катионов, содержащихся в воде, на ионы натрия. При этом
регенерация данных загрузок производится раствором поваренной соли NaCl.

Производительность обратноосмотической установки, объем дренажных вод, площадь и
селективность мембран взаимосвязаны, поэтому для снижения объема дренажных вод до
10% следует увеличить площадь мембраны ~ в 2 раза. Т.е. допустим, взять установку с
номинальной производительностью 4 (м3/ч) и эксплуатировать ее с расходом не более 2
(м3/ч), но при этом можно уменьшить дренаж до 10% от объема воды, подаваемой на
очистку (0,2 м3/ч).
Учитывая, что все катионы были замещены на катионы Na+ в ионообменном
фильтре, а их концентрация в дренаже возрастает в 10 раз, дренажные воды вполне
можно использовать в качестве реагента для восстановления ионообменных свойств
Na-катионитовой смолы. Кроме того, дренаж так же можно использовать для
обратной промывки загрузки контактного осветлителя и сорбента.Данные воды
представляют собой концентрированный ионный раствор, в котором полностью
отсутствуют взвешенные вещества, коллоиды и молекулярные растворы, поэтому дренаж
никак не может повредить указанным загрузкам.
Таким образом, для получения количества жидких отходов соответствующих
максимальной величине при ионообменном методе (5%), необходимо увеличить площадь
фильтрации в 4 раза, т.е. в нашем случае, требуется обратноосмотическая установка с
четырёхкратной номинальной производительностью. Но увеличение площади фильтрации
влечет за собой пропорциональное наращивание габаритных размеров установки, что
препятствует её размещению в помещении блочных модулей.
Обессоливание методом ионообмена не требует предварительного умягчения и
выделяется минимальным количеством отходов и малыми габаритными размерами самого
устройства. Обессоливание методом ионного обмена подразумевает последовательную
обработку воды сначала на сильнокислотном катионообменном фильтре (КАТ) со смолой
в Н-форме, затем на сильноосновном анионообменном фильтре (АН) со смолой в ОНформе. При этом проистекают следующие реакции:
КАТ – Н + MgSO4 → KAT – Mg + H2SO4
КАТ – Н + Ca(HCO3)2 → KAT – Ca + H2CO3
КАТ – Н + NaCl → KAT – Na + HCl
H2CO3 → H2O + CO2↑ - удаляется путем дегазации
AH – OH + H2SO4 → AH – SO4 + H2O
AH – OH + HCl → AH – Cl + H2O
Таким образом, из воды удаляются катионы Mg2+, Ca2+, Na+ и анионы NO3-, SO42-, Cl-, т.е.
производится полное обессоливание воды.
Регенерацию Н - катионовых фильтров производят раствором кислоты HCl, а ОН анионитовых – раствором щелочи NaOH.
Обычно цикл регенерации ионообменных смол заключается в следующем: встряхивание
загрузки, подача реагента, промывка загрузки после реагента, смыв. Причем, все
названные потоки объединяются в общей дренажной трубе. При этом при восстановлении
одного м3 загрузки образуется 5-8 м3 жидких отходов, представляющих собой
малоконцентрированные солевые растворы.
Для значительного снижения количества получаемых отходов используется, так
называемый, экономичный способ регенерации, который подразумевает разделение
потоков реагента и промывной воды. Названный способ регенерации ионообменных
загрузок заключается в следующем (см. рис.):
Подача стока
Сжатый воздух
КВ2
КО2
Промывная вода
К1
в емкостьусреднитель
(дренаж)
Сжатый
воздух
КН2
КН1
КВ1
Ф
Бак
подготовки
реагента
Промывное
устройство
К2
Смола
КР1
реагент
НД
КР2
Емкость
Отходов
КР3
Дозированная
подача на
сжигание или
вывоз на
спецполигон
К
К3
Чистая
водопроводная вода
КО1
Очищенный сток
- перекрываются краны подачи и отведения стока КО1, КО2;
- открываются краны К1 и К3, при этом на смолу подается обратный поток чистой воды с
большим расходом для осуществления, так называемого, встряхивания загрузки.
Отработанная вода поступает в общую дренажную систему и возвращается в голову
процесса, т.е. в емкость - усреднитель.
- закрываются К1 и К3 , открываются краны К2, затем КВ2 и производится выдавливание
сжатым воздухом остатков воды из корпуса фильтра в общую дренажную систему;
- закрываются КВ2, затем К2; открывается КН1, потом КР1 и из бака подается самотеком
порция раствора реагента в промывное устройство равная 1,1 •V смолы. Для 1м3
катионообменной смолы, объем порции составляет 1,1 • 1 = 1,1 (м3) 1,5М раствора HCl.
- закрывается КР1, затем КН1; открываются КР2 и КН2, после чего КВ1. Происходит
передавливание сжатым воздухом фиксированной порции реагента из промывного
устройства в объем смолы. Статическое восстановление обменной активности смолы
путем простого замачивания малоэффективно, поэтому на 10÷15 мин остается
малоинтенсивная подача сжатого воздуха для перемешивания раствора и смолы.
- через 10÷15 мин закрывается КВ1, затем КН2;открывается КН1, после чего КВ2, при этом
производится выдавливание реагента из объема смолы и его возвращение в промывное
устройство. Затем закрываются КВ2 и КН1, снова открываются КН2 и КВ1, реагент
возвращается в фильтр. Данные действия следует повторить 3÷5 раз, причем с разной
скоростью подачи-отвода реагента, которая, в свою очередь, определяется
интенсивностью подвода сжатого воздуха. По окончании, реагент выводится из объема
смолы и промывного устройства в емкость отходов, при этом открываются краны КР3,
КВ1 и КВ2; краны КН1, КН2 – закрыты.
- после осушения Ф и промывного устройства закрываются краны КВ1, КВ2 и КР2,
открываются краны КН1 и КН2, после чего открывается кран К и в промывное устройство
подается объем чистой воды равный 0,3 л; кран К закрывается.
- далее повторяются все те же действия, что и при обработке смолы реагентом, но с
поступившим объемом воды, тем самым производится промывка смолы от остатков
реагента. Промывная вода, по окончании данного процесса, также вытесняется из Ф и
объема устройства в емкость отходов, после чего краны КР3, КВ1 и КВ2, КН1 и КН2
закрываются.
- открываются краны К1 и К3 и производится смыв остатков промывной воды в общую
дренажную систему и затем возвращается в голову процесса. Объем смывной воды
составляет ~ 3 Vзагр., т.е. 3 м3. Некоторое количество солей, конечно же, попадает в
голову процесса со смывной водой, но их концентрация несоизмерима в сравнении с
обычной регенерацией и меньше в десятки тысяч раз, т.е. солесодержание объединенного
стока, при этом остается практически неизменным.
Таким образом, после введения экономичной регенерации количество отходов,
подлежащих утилизации, значительно снижается и составляет в нашем случае 1,4 м3
раствора концентрации 1,2 М с 1м3 ионообменной смолы.
В принципе дилемма проста:
- либо производить тщательную, экономную регенерацию смолы с минимизацией
получаемых отходов, а так же их аккумулирование с последующей регенерацией,
утилизацией, выделением ценных продуктов или термическим обезвреживанием,
- либо получить значительное увеличение солесодержания всего стока предприятия и
затрачивать стократно большие трудовые и финансовые усилия для его снижения и
возвращения в рамки ПДК.
Изложенный выше алгоритм экономичной регенерации, в общем-то, несложно
автоматизировать и сама система управления будет относительно недорогой, но обилие
исполнительных устройств (краны электромеханические, клапаны и т.д.) приводит к
значительному удорожанию комплекта в целом. Поэтому нами выбрано другое решение:
габаритные размеры фильтров выбираются с учетом получения периода регенерации до
0,5÷2 суток, а управление остается ручным. На очистных сооружениях все равно
необходимо постоянное присутствие оператора, ему нетрудно будет произвести
регенерацию загрузок с заданной периодичностью. Все фильтрационное оборудование
дублируется, следовательно, времени для осуществления перечисленных действий
вполне достаточно, а сам процесс очистки, в момент их реализации, не прерывается. Такое
решение проблемы выглядит более надежным. К тому же целесообразнее затрачивать
финансовые средства на приобретение основного технологического оборудования,
имеющего значительный запас по ресурсам, чем те же средства использовать для полной
автоматизации маломощной очистной системы без какого-либо коэффициента запаса, как
это принято, например, в Японии.
Примечание: Существует реагентный метод умягчения и обессоливания сточной воды
именуемый «десульфатация». В этом случае, производится введение в очищаемую воду
гидроксида бария (Ва(ОН)2), после чего проистекают следующие реакции:
Са SO4 + Ва(ОН)2 → Ва SO4↓ +Са(ОН)2
Na2 SO4 + Ва(ОН)2 → Ва SO4↓ + 2 NaОН
К2 SO4 + Ва(ОН)2 → Ва SO4↓ + 2КОН
Сульфат бария является нерастворимым веществом, поэтому выводится в осадок в виде
устойчивых хлопьев.
В принципе, гидроксидом бария можно заменить известь на этапе нейтрализации
исходной воды, поскольку в отличие от гипса, образующийся сульфат бария в воде
практически не растворим. Поэтому не потребуется дополнительная электромагнитная
обработка потока нейтрализованной воды с целью изменения кристаллической структуры
и, как следствие, предела растворимости, образующихся солей. Однако, данный вариант
нами не рассматривался, в связи со значительной стоимостью гидроксида бария (до 90 руб
за 1 кг). С учетом того, что при прочих равных условиях потребуется в ~ 2,3 раза больше
(по массе) гидроксида бария, чем извести, а стоимость извести составляет ~ 14 (руб/кг),
становится очевидным, что использование данного реагента (Ва(ОН)2) является
экономически крайне не целесообразным.