Методы умягчения воды: эффективность, область применения, экономическая рентабельность (сравнительный анализ)

В их числе растворенные газы, тонкодисперсные жидкие или твердые частицы, ионы тяжелых металлов, а также различные вещества в растворенном состоянии. Физико-химические методы могут применяться как на стадии предварительной очистки, так и на поздних этапах для глубокой очистки.Разнообразие методов данной группы велико, поэтому ниже будут приведены наиболее распространенные из них:•флотация;•сорбция;•экстракция;•ионообмен;•электродиализ;•обратный осмос;•термические методы.Электродиализ представляет собой комплексный метод, сочетающий мембранный и электрический процессы. С его помощью можно удалять из воды различные ионы и проводить обессоливание. В отличие от обычных мембранных процессов, в электродиализе используются специальные ионоселективные мембраны, пропускающие ионы только определенного знака. Аппарат для проведения электродиализа называется электродиализатором и представляет собой ряд камер, разделенных чередующимися катионообменными и анионообменными мембранами, в которые поступает очищаемая вода. В крайних камерах расположены электроды, к которым подводится постоянный ток. Под действием возникшего электрического поля ионы начинаются двигаться к электродам согласно своему заряду, пока не встречают ионоселективную мембрану с совпадающим зарядом. Это приводит к тому, что в одних камерах происходит постоянный отток ионов (камеры обессоливания), а в других, наоборот, наблюдается их накопление (камера концентрирования). Разводя потоки из разных камер можно получить концентрированный и обессоленный растворы. Неоспоримые преимущества данного метода заключаются не только в очищении воды от ионов, но и в получении концентрированных растворов отделяемого вещества, что позволяет возвращать его назад в производство. Это делает электродиализ особенно востребованным на различных химических предприятиях, где вместе со стоками теряется часть ценных компонентов, и применение данного метода удешевляется за счет получения концентрата.Электродиализ используется преимущественно в промышленных масштаб, на предприятиях.2.4. Сравнение медов умягчения водыПеред непосредственной подачей на умягчение сточная вода попадает в усреднитель, где по необходимости разбавляется чистой водой. Это делается с целью выравнивания концентраций загрязняющих веществ в воде, чтобы предотвратить заторы на стадии механической очистки и не допустить чрезмерного разрастания активного ила в случае биологической очистки. Наличие пиковых нагрузок на очистное оборудование обуславливается неравномерностью поступления сточных вод на умягчение. Далее следует стадия механической очистки, которая может включать в себя такие аппараты как песколовки, жироловки, отстойники и решетки для улавливания крупного мусора.Таблица 1 – Сравнительный анализ методов умягчения водыПоказательТермическийРеагентныйИонообменныйДиализХарактеристик а процессаВоду нагревают до температуры выше 100°СВ воду добавляют известьУмягчаемая вода пропускается через катионито - вые фильтрыИсходная вода фильтруется через полупроницаему ю мембрануНазначение методаУстранение карбонатной жесткости из водыНеглубокое умягчение при одновременно м осветлении водыГлубокое умягчение водыГлубокое умягчение водыРасход воды на собственные нужды-Не более 10%До 30% и более пропорциональн о жесткости10Область примененияПромышленностьПромышленность,ВодоканалыПромышленность, в бытовых условияхПромышленностьУсловия эффективного применения: мутность исходной воды, мг/лДо 50До 500Не более 8До 2,0Жесткость воды, мг-экв/лКарбонатная жесткость, некарбонатна я жесткость5.30Не выше 15До 10,0Остаточная жесткость воды, мг-экв/лКарбонатная жесткость до 0,035, CaS04до 0,70До 0,700,03.0,05 прн 1-ступ. и до 0,01 при 2-ступ. ка - тионировании0,01 и нижеТемпература воды,°СДо 270До 90До 30(глауконит), до 60 (сульфоугли)До 60После того, как вода прошла предварительную очистку, она подается на основную очистку. В большинстве случаев для этих целей используется биологическая очистка в аэротенках с использованием активного ила.Рис. 1. Общая схема организации процесса умягчения сточных водОсновной метод может быть дополнен глубокой очисткой, где используются фильтры, установки обратного осмоса и т.д. На протяжении всех стадий из воды выделяются различные вещества, выдающие в виде осадка, которые необходимо утилизировать. Для этого они подвергаются ряду операций (отжим, сушка и т.д.), а дальнейшая их судьба зависит от ценности полученного обработанного осадка. Также обработке подвергается избыток активного ила, выводимого из цикла работы аэротенка, который затем используется как кормовая добавка. Очищенную до необходимого состояния воду затем обеззараживают хлорированием, озонированием или обработкой УФ излучением.Что касается затрат на эксплуатацию установок, то наибольшими они будут при использовании тех способов, в которых осуществляется расход материалов (реактивов), а также происходит износ частей установок.Произведёмрасчёт суммарных затрат ЗС с использованием формулыЗС = З·К1 + (1 – ВВ/100)·ЭК·ПС·К2,(2)где З – затраты на обработку, рассчитанные по формуле (1);ВВ – выход чистой воды, %;ПС – плата за сбросы, долл./м3;ЭК – воздействие на экологию (0 – нет воздействия; 1 – есть);К1, К2 – безразмерные весовые коэффициенты.Таблица 2 - Затраты при применении различных способов обработки водыСпособРЭ, кВт ч/м3П, м3/часРеактив (материал)Выход воды, %ДЗ, $ / м3Итого, $ / м3СбросХлорирование11000Cl: 0,60 $ на 1м3530,0160,645+Реагентный10200-1000,040,32-Ионообменный2,510-1000,0060,13-Кипячение2510-950,0150,7-Диализа2015-950,0150,6-Ионный обмен250,8$ на 1 м3900,0360,84+Логично предположить, что наиболее эффективным будет метод, обеспечивающий максимальную производительность при минимальных затратах.Исходя из таблицы, наиболее эффективный способ с точки зрения качества очистки является ионообменный способ. В то время как экономически наиболее выгодным является термическая обработка.ЗаключениеОбычная вода состоит не только из атомов водорода и кислорода, в ней так же присутствует большое количество различных примесей. Именно наличие примесей определяет жёсткость воды, а единицы измерения (°Ж – градус жёсткости) показывает, насколько этот показатель превышает допустимые нормы.Жёсткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния, которые поступают в воду из омываемых ею грунтов. Соли кальция и магния образуют твёрдые отложения (накипь, шлам, водный камень) на поверхности котлов и теплообменников, что снижает их срок службы. Накипь обладает малой теплопроводностью, и её наличие на нагревательных элементах обуславливает увеличение энергозатрат. Жёсткая вода негативно влияет на работу бытовой техники и оборудования, состояние волос, ногтей и кожи, провоцирует развитие хронических заболеваний органов ЖКТ и сердечно- сосудистой системы. Не секрет, что жёсткая вода негативно влияет на многие живые организмы и, как пример, многие аквариумисты не могут позволить себе использовать водопроводную воду для некоторых рыб без предварительного умягчения – они просто погибнут.Использование природной воды в технике и в быту требует её предварительной очистки. Процесс, приводящий к понижению жёсткости воды, называется умягчением воды, т.е. уменьшение концентрации ионов кальция и магния.Таким образом, наиболее эффективный метод – ионообменный. Основным преимуществом ионообменной обработки являются простота, дешевизна, безопасность и почти полное отсутствие эксплуатационных расходов.Список источниковВлияние материала электродов на физико-химические изменения жидкости при электроразряде/ В. Ф. Романовский, С.Ю. Макеев. В кн.: Физика импульсных разрядов в конденсированных средах// Тез.докл.V Научн. школы.- Николаев, 2017. - 322 с. Локтева Д.В., Попов А.М., Ганиев Р.И., Новоселов И.В. Методы борьбы с коррозией трубопроводов//Аллея науки. 2017. № 7. С. 176-186.Морозов Н.В., Морозов В.Н., Обессоливание природных и сточных вод организмами водных систем // Вестник Казанского государственного педагогического университета. – 2016. – №4. – с.141-157.Новоселов И.В., Костарева С.Н. Умягчение воды методом Na- катионирования//Уфа, 2016. – 422 с.Щербакова К.А., Умягчение жесткой воды // Научно – практический электронный журнал Аллея науки. – 2018. – №4. – с.312-315.