Какие бывают методы очистки воды?

Способы очистки воды

При текущем состоянии экологии сказать, что качество природной воды и способы её очистки в городской сети делают её питьевой – никак нельзя. По представлению обывателей – если воду пропустить через фильтр, то можно сделать ее пригодной для питья и хозяйственных нужд. Но что происходит в фильтре? Точно не волшебство: фильтры работают на основе физических и химических законов. Так, крупные органические и неорганические частицы можно процедить, оставив их на мембране. Но различных видов загрязнений воды много и для каждого есть свой метод очистки воды.

Все способы очистки можно объединить в четыре группы:

1. Физические;
2. Химические;
3. Физико-химические;
4. Биологические. 

Однако эта классификация очень примерна. Она основана на общих принципах процесса водоподготовки. Так каждая из этих подгрупп включает множество методов фильтрации. Также нужно понимать, что загрязнение воды – это комплексный процесс. Чаще всего в неочищенной воде находятся сразу несколько видов органического и неорганического мусора. Поэтому способы фильтрации обычно комбинируются.  

Физические методы водоподготовки

Физические методы используются преимущественно как подготовительный этап очистки. Как можно понять из названия, физическая фильтрация основана на физических явлениях. Большие объемы воды очищают от крупных частиц: зоопланктонов, простейших ракообразных, песка, камней т.п. Так воду подготавливают на этапе грубой очистки для последующей химической, тонкой, очистки. Для глубокой подготовки воды физические способы применяют реже, так как эффективность их зачастую значительно ниже, чем у химических аналогов. 

Итак, каковы ключевые методы данной группы? Это:

1. Процеживание;
2. Отстаивание;
3. Фильтрование;
4. Ультрафиолетовая обработка.

Процеживание – всем знакомый метод очистки воды. Почти наверняка вы использовали его в быту. К примеру, когда, сварив компот, отделяли фрукты от напитка. В дуршлаге задерживалось то, что на предприятиях назвали бы «крупными частицами». Для очищения больших объемов воды таким способом используют разного вида и размера решетки и сита. Но принцип остается тот же, что и в домашнем применении метода. 

Процеживают воду затем, чтобы отсеять из нее крупные предметы, тем самым снизив нагрузку других очистных приборов. Без этого этапа подготовки воды снизится эффективность очищения на других установках, в частности на этапе химического воздействия. Более того, очищая вода процеживанием, специалисты продлевают эксплуатационный срок механизмов тонкой очистки, которые могут сломаться из-за попадания в них крупного мусора. 

С технологией процеживания все примерно просто и понятно. Но какие же физические явления способствуют успешному осуществлению отстаивания?

Отстаивание, в общем, тоже знакомый всем метод. Многие бабушки перед питьем советуют отстаивать воду, иногда добавляя туда серебряную ложку или монету. Если с эффективностью серебра можно поспорить, то отстаивание действительно полезно. Под действием гравитации все те же твердые крупные частицы выпадают в осадок. Это видно невооруженным глазом. К примеру, если мы добавим в бутылку воды песок, встряхнем смесь и поставим, то увидим, как крупинки песка незамедлительно стремятся на дно. 

Отстаивание, как и процеживание, используют как первую стадию очистки. При этом могут его включить и в середину цепочки разных этапов подготовки воды. Для осуществления этого метода в промышленных масштабах используют отстойники, специальные резервуары с механизмами удаления осадка. 

Следующий способ – фильтрование. Он тоже нам знаком: у многих дома есть кувшинный фильтр или встроенная под раковину система фильтрации. Но действие таких фильтров, конечно, несколько сложнее, чем у процеживания и отстаивания. Для начала проясним, что фильтр – это слой специального пористого материала. Когда вода проходит через него, то на очищающем слое остаются загрязняющие частицы. С первого взгляда фильтрация похожа на процеживание. Однако есть некоторая разница. Во-первых, этот способ позволяет удалять частицы более мелкие, чем способно процеживание. Во-вторых, фильтрация может стать полноценным способом тонкой очистки. И к тому же улучшить вкус и запах воды, что важно для питья. 

И последний физический способ очистки – это ультрафиолетовая обработка воды. Этот способ обычно стоит как заключительный этап водоподготовки, поскольку такого рода дезинфекция не будет эффективна без предварительного очищения от крупных загрязнителей. Воздействие ультрафиолета обеззараживает воду, уничтожая невидимые загрязнения. Под силой световых волн длиной 200-400 нм происходит разрушение молекул ДНК и РНК мельчайших организмов за счет фотохимических реакций. При этом состав воды после такой обработки не меняется. Как мы видим, ультрафиолетовое обеззараживание стоит на стыке между физическими и химическими методами водоподготовки. Поэтому теперь переходим к химическим способам. 

Химические методы водоподготовки

Химические способы очистки воды реализуются за счет реакций мельчайших загрязнителей и специальных химических составов. В результате такой очистки ряд органических и неорганических частиц, реагируя с химикатами, может разрушаться и переходить состояние неопасных частиц или же менять свою формы и, как пример, выпадать в осадок. 

В одной пробе воды могут находиться десятки различных загрязнителей. Однако каждый из них не требует индивидуального способа нейтрализации. Это позволяет выделить основные химические методы и успешно применить их в процессе водоподготовки. Перечислим химические способы:

1. Нейтрализация;
2. Окисление;
3. Восстановление.

В процессе нейтрализации в воду добавляют кислотную и щелочную среду или же определенные реагенты. Они образуют в очищаемой воде щелочную или кислотную среду в зависимости от потребности. Таким образом при взаимодействии кислот и щелочей происходит выравнивание кислотно-щелочного баланса. 

Если требуется провести нейтрализацию кислых вод, обычно это городские и промышленные стоки, то применяют аммиачную воду (NH4OH), гидроксиды натрия и калия (NaOH и KOH), кальцинированную соду (Na2CO3), известковое молоко (Ca(OH)2) и т.п. Если в стоке превышено количество щелочей, то прибегают к растворам кислот и кислых газов с различными оксидами, к примеру, CO2, SO2 или NO2. Что касается кислых газов, то применяют так называемые отходящие газы. При пропускании через воду такие газы сами очищаются от твердых частиц.

В процессе нейтрализации происходят также процессы окисления и восстановления. Однако в данном случае они не настолько сильны, чтобы говорить об их полноценной результативности в обработке воды. Это так, потому что концентрации окислителей и восстановителей оказывается недостаточно, а нейтрализаторы не способны обезвредить ряд загрязнителей. Поэтому специалисты отдельно используют окисление и восстановление как самостоятельные методы. При этом окисление применяется значительно чаще. 

Важное преимущество методов окисления и восстановления в том, что они могут сделать пригодной для использования воду, отравленную токсичными веществами. Окислительные реакции способны либо полностью обезвредить токсины, переведя их в нетоксичные формы, либо сделать вредные элементы менее токсичными. Кроме того, при применении сильных окислителей погибают микроорганизмы, так как происходит разрушение их клеток. 

Часто можно заметить, что вода из городского водопровода пахнет хлоркой. Это происходит из-за того, что преимущественно применяют хлорсодержащие окислители. Среди них газообразный хлор (CL2), диоксид хлора (CLO2), гипохлориды калия, натрия и кальция (KCLO; NaCLO; Ca(CLO)2). Также очищают воду перекисью водорода (H2O2), перманганатом калия (KMnO4), озоном (O3), кислородом (O2), дихроматом калия (K2Cr2O7) и т.п.

Применение хлорсодержащих соединений традиционно называют хлорированием. Этот способ является одним из самых популярных методов химической очистки воды. Хлор удобен, так как помимо свойства очищать воду от токсичных загрязнителей и микроорганизмов, он обладает пролонгированным антибактерицидным действием. Вода, обработанная методом хлорирования, вероятнее не загрязнится повторно в процессе перемещения по заржавелому или заилившемуся трубопроводу. Другое преимущество хлорирования – это сравнительная дешевизна.

Среди недостатков использования хлорсодержащих соединений – токсичность самого хлора. При несоблюдении концентрации этого вещества возможно отравление воды. Такая вода не может применяться для использования в пищу. Поэтому специалисты порой предпочитают альтернативы.

Самая популярная замена хлорированию – озонирование воды. Эффективность действия озона даже выше, чем хлорсодержащих соединений. Также озон не может стать опасным при несоблюдении дозировки, что делает его использование проще и безопаснее. Однако применение озона не выходит на первое место, поскольку требует большей технической оснащенности предприятия. Другой минус – экономический. Оснащение очистных сооружений при использовании озона стоит в разы дороже, чем при применении хлора. А также озон взрывоопасен, что создает ряд правил и норм безопасности, осложняющих рабочие процессы предприятия.

Физико-химические методы водоподготовки

Физико-химические способы очистки воды основаны на комбинировании физических и химических свойств. Именно поэтому таких способов гораздо больше, чем разобранных выше физических и химических отдельно. За счет двойного воздействия такие методы водоподготовки способны очищать от растворенных газов, тонкодисперсных жидких или твердых частиц, ионов тяжелых металлов и других веществ в растворенном виде. Применение физико-химической водоподготовки возможно и на первых, и на последних стадиях очистки.

Мы приведем и обсудим наиболее часто встречающиеся физико-химические методы, однако их значительно больше:

1. Флотация;
2. Сорбция;
3. Экстракция;
4. Ионообмен;
5. Электродиализ;
6. Обратный осмос;
7. Термические методы.

При флотации особым способом отделяют гидрофобные частицы. Для этого через воду проводят большое количество пузырьков газа, как правило, воздуха. Частицы органического или неорганического загрязнителя прикрепляются к поверхности раздела фаз пропускаемых пузырьков. А дальше вместе с ними выходят на поверхность. Визуально это выглядит как множество пузырьков, образующих пену на поверхности воды. Такой вспененных слой легко снимается. Если же частицы загрязнителя оказываются больше пузырьков, то образуется флотокомплекс. Он состоит из соединения этой частицы и пузырька. Флотацию часто сочетают с применением химических реагентов. Некоторые из них собираются на частицах загрязняющего вещества. Так снижается их смачиваемость, что приводит к более легкому выведению загрязнителя на поверхность. Применяют флотации при водоподготовке воды, загрязненной нефтепродуктами, маслами и разными твердыми примесями. 

Флотация имеет множество видов. В зависимости от вида загрязнения используют разные способы флотации. К примеру, выделяют такие:

1. Пенная;
2. Напорная;
3. Механическая;
4. Пневматическая;
5. Электрическая;
6. Химическая. 

Описывать каждый метод не станем, поскольку все они основаны на примерно одних и тех же принципах, в основе которых – выведение загрязнителя пузырьками газа. К примеру, при пневматической флотации стремящийся вверх поток пузырьков создается приборами на дне резервуара аэраторов. Как правило, аэраторы – это перфорированные трубы или же пластины. Воздух поддается под давлением так, что проходит через отверстия трубы и разделяется на мелкие пузырьки. А дальше происходит процесс очищения воды газом, что описано выше. 

Процесс напорной флотации несколько более сложный.  Поток загрязненной воды смешивается с потоком сильногазированной воды и под давлением попадает в камеру флотации. При переходе в камеру давление резко падает так, что растворенный газ переходит в состояние пузырьков. 

Если пневматическая и напорная флотации протекают частично на дне резервуара, то электрофлотация происходит исключительно на поверхности. Сверху воды размещают электроды, через которые проходит электрический ток. За счет этого образуются пузырьки, все так же выводящие загрязнитель.

При сорбции, то есть поглощении, загрязнители собираются адсорбентами и абсорбентами избирательно. Адсорбация и абсорбация – два процесса, похожих по результату, но разных с технологической точки зрения. Так, адсорбация протекает на поверхностном слое сорбента, а абсорбация – в его объеме. К тому же, метод адсорбации  может быть как физического, так химического характера. В зависимости от выбранного технологического процесса будут реализовываться разные способы удержания загрязняющих веществ: через молекулярное взаимодействие или через химические связи. 

Так как сорбция относится к физико-химическим методам очистки, то показывает высокую эффективность. Процесс поглощения сорбирующим веществом позволяет удалять минимальную концентрацию загрязнителя. С помощью сорбции из воды убирают такие вещества, как гербициды и пестициды, фенолы, поверхностно активные вещества и т.п. То есть сорбция наиболее актуально как способ доочистки, стоящий в конце цепочки водоподготовки. 

Для водоочистки методов сорбции применяют активированные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты. Структура этих веществ обладает способностью становиться пористой при контакте с водой. Это увеличивает их удельную площадь, которая приходится на единицу их же объема. Так повышается результативность очистки сорбцией.   

Процесс очистки может быть осуществлен двумя способами: или смешиванием загрязненной воды с очищающим веществом, или пропусканием воды через адсорбент, который играет роль фильтра. Что интересно, иногда при использовании особых сорбирующих веществ можно использовать адсорбент повторно. Это снижает затраты на водоочистку. 

При жидкостной экстракции прибегают к применению экстрагентов. Экстрагент – это тоже жидкость, как и вода, только гораздо сильнее растворяющая загрязняющие вещества. При смешивании воды и экстрагента специалисты создают большую поверхность контакта фаз в специальном абсорбере. Далее осуществляется перераспределение растворенных органических загрязнителей, к примеру, фенолов и органических кислот. В результате больший процент удаляемых веществ переходит в экстрагент. И фазы разделяются. После этого экстрагент, вобравший в себя удаляемые частицы, становится так называемым экстрактом, а теперь чистая вода – рафинатом. 

Экстракт могут утилизировать или же использовать повторно, это зависит от технологии конкретной процедуры. Иногда удаленное вещество может быть еще нужно. Тогда после извлечения из экстрагента оно может быть использовано специалистами. К примеру, такой метод извлечения загрязняющего вещества и повторного его использования применяют при очистке промышленных стоков, в водах которого оказываются и нужные производству вещества. 

Ионообмен применяют как способ умягчения жесткой воды. При этом из воды изымают соли жесткости. Происходит это в результате обмена ионами между ионитом, особым материалом, и водой. 

Иониты делятся на две группы: катиониты и аниониты. Деления проводят, исходя из типа обмениваемых ионов. Ионит выглядит как высокомолекулярное вещество, которое состоит из каркаса, или матрицы, со множеством функциональных групп, которые, в свою очередь, способны к ионообмену. 

Технологии водоочистки постоянно развиваются. Так, на первых этапах применяли иониты природного происхождения. Среди них были цеолиты и сульфоугли. Сегодня же применяют искусственные ионообменные смолы. Плюс неестественного материала в его высокой эффективности и воспроизводимости, которая зависит от человека, а не природы. 

Ионообмен применяется для очистки воды как в промышленных масштабах, так и в домашних условиях. Небольшие бытовые ионные фильтры устанавливают под раковинами. Так, очищаемая в фильтре вода вытекает из крана уже пригодная к питью и любому хозяйственному использованию. Так как бытовые фильтры не применяют для удаления крупных частиц или высокой концентрации загрязнителей, они служат достаточно долго. А после использования их выкидывают. В процессе промышленной водоподготовки ионообменный материал очищают с помощью растворов с ионами H+ или OH--.

Электродиализ всегда состоит из двух процессов: мембранного и электрического. Прибегая к электродиализу, специалисты очищают воду от разного вида ионов, а также обессоливают жидкость. Мембранных процессов очистки достаточно много. Электродиализ, как один из них, отличается видом самой мембраны. Она ионоселективные, то есть способна пропускать ионы конкретного знака. Электродиализ проводят в электродиализаторе. Эта установка из нескольких камер, которые отделены друг от друга катионообменными и анионообменными. Через них и проливают загрязненную воду. В конце цепочки камер устанавливают камеры с электродами под постоянным током. В следствие влияния электрического поля ионы движутся к электродам согласно своему заряду. В результате сталкиваются с ионоселективной мембраной, имеющей аналогичный заряд. Таким образом в камерах обессоливания происходит беспрестанный отток ионов, а в камерах концентрирования те же ионы накапливаются. Так, вода из разных камер становится концентрированным и обессоленным растворами. Концентрированный раствор по надобности обращают в новый производственный цикл, что повышает эффективность электродиализа. Как мы уже писали, на химических предприятия вместе со сточными водами уходит часть нужных компонентов. И их возврат, к тому же, в концентрированном виде, снижает затраты.

Обратный осмос – тоже мембранный процесс, но с иной спецификой процессов. В основе данного метода водоочистки лежит осмотическое давление. При таком сильном гидростатическом давлении не происходит диффузия чистого растворителя сквозь мембрану в раствор. Давление при этом происходит на сам раствор. А между раствором и растворителем находится полупроницаемая мембрана. Так при давлении больше, чем осмотическое, протекает переход растворителя из раствора. То есть обратный процесс. В результате концентрация растворенного вещества растет.

Прибегая к способу обратного осмоса, из воды удаляют растворенные газы, различные соли, в том числе и соли жесткости, коллоидные частицы и такие органические вещества, как бактерии и вирусы. Из этого можно сделать заключение, что обратный осмос способен превратить морскую воду и пресную. Эту особенность метода используют в бытовых и промышленных нуждах.

Термические способы очистки воды, как следует из названия, представляют собой воздействие температур на загрязненную воду. К примеру, очень эффективен метод выпаривания, однако он в то же время и достаточно дорог. В результате его применения степень очистки воды высока. А нелетучие загрязняющие вещества остаются в качестве высококонцентрированного раствора.

Помимо чрезмерного нагревания, выпаривания, применяют сильное охлаждение, вымораживание. В этом процессе тоже происходит концентрирование примесей. Оно получается за счет быстрой кристаллизации чистой воды. Загрязненная же часть кристаллизуется дольше. При кристаллизации загрязняющие вещества из раствора выпадают в осадок. Таким образом их легко отделить от чистой воды.

Другой вид термической обработки – термическое окисление. При нем загрязненную воду распыляют и подвергают воздействию высокотемпературных продуктов сгорания топлива. Так нейтрализуют токсичные и другие загрязняющие вещества. 

Наши специалисты сориентируют Вас в способах очистки воды и помогут выбрать эффективную систему водоподготовки:
Телефон +7 (953) 329-53-20 (WhatsApp, Telegram, Viber)
E-mail: sales@rsgkaluga.ru
248001, РФ, г. Калуга, ул. Плеханова, 42, офис 2, 4 
Часы работы: с 8.30 до 17.30 ПН-ПТ; выходные СБ, ВС