3.8.2. Хімічні методи очищення води

Для внутрішнього використання воду необхідно очищувати з метою видалення небажаних речовин перед розподілом. Тип очищення залежить від видалення небажаних компонентів у воді (осад, залізо, манган, твердість (кальцій і магній), патогенні бактерії).

Найдорожчий процес в очищенні води – аерація, під час якої крізь воду прокачують повітря, щоб видалити небажані гази і леткі сполуки. На цій стадії також осаджуються залізо і манган. Додавання вапна веде до осадження кальцію та магнію. Коагулянти часто використовуються для видалення колоїдів, морських водоростей і подальшого очищення води.

Вуглекислота використовується для доведення водневого показника до значення 7. Остаточне очищення часто включає додавання хлору для дезінфікування води, знищення патогенних бактерій.

3.8.3. Очищення стічних вод

Очищення стічних вод – складніше завдання, ніж очищення поверхневих чи криничних вод. Стічні води містять усі продукти су-часної цивілізації, які ми зливаємо в каналізацію. Основні категорії компонентів стічних вод: 1) біомаса (CH₂O); 2) нутрієнти (нітрати і фосфати); 3) солі (кальцій, магній, натрій, калій, хлорид, сульфат); 4) важкі метали (свинець, ртуть, кадмій) і (5) хвороботворні організми (бактерії й віруси). Завдання оператора станції очищення стічних вод – видалити ці речовини так, щоб воду можна було повернути в навколишнє середовище для повторного використання.

Очищення стічних вод було простішим, коли кількість людей була меншою і цивілізація менше залежала від хімікатів, що виконують так багато різних функцій. Відходи від людської життєдіяльності розкладаються в навколишньому середовищі в результаті природних процесів, як наслідок утворюючи вуглекислий газ і воду. Природний розпад потребує часу. Суть очищення стічних вод полягає у прискоренні природних процесів розпаду.

Методи очищення стічних вод включають:

очищення стічних вод у приватній квартирі:

1. Відкриті стічні труби.

2. Убиральня.

3. Відстійник.

Комунальне очищення стічних вод:

1. Відстійники.

2. Піщані фільтри.

3. Обертові біофільтри.

3.8.3.1. Видалення важких металів

Метою очищення стічних вод є видалення небажаних компонентів для безпечного повернення води в навколишнє середовище. Біомасу необхідно вилучити, щоб не позбавити поверхневі води розчиненого кисню. Азот і фосфор треба вилучити, аби запобігти надмірному росту водоростей, що може прискорити евтрофікацію. Важкі метали і патогенні бактерії вилучають зі стічних вод, з метою зменшення ризику для здоров'я організмів, які увійдуть у контакт із водою. Часто воду очищують від надлишку солей, щоб зробити її невідповідною для багатьох індустріальних чи сільськогосподарських потреб.

Для сучасного очищення стічних вод перевагу віддають мікробним реакціям, які природно усувають небажані компоненти. Якщо оптимізувати умови для збільшення та метаболізму бактерій, то час, необхідний для очищення забрудненої води, буде значно скорочений. Усі форми очищення стічних вод спрямовані на те, щоб допомогти Природі підтримувати нашу воду чистою.

Активний мул — найефективніший спосіб зменшення біохімічної потреби в кисні.

Існує два способи видалення вуглецю:

1. Окиснення органічної речовини (споживає приблизно 40 % біомаси та відбувається з виділенням енергії):

CH₂O + O₂ → CO₂ + H₂O + Q.

2. Формування нових бактеріальних клітин (споживає приблизно

60 % біомаси):

Органічна речовина + N + P + мікроелементні метали = нові клітини.

Значну кількість азоту і фосфору та багато важких металів задіяно в біомасі нових бактеріальних клітин. Це – ефективний спосіб видалити їх із води. Установка для очищення стічної води роз-роблена так, щоб усунути небажані елементи у воді через серію хімічних і мікробних реакцій. Бактеріальні реакції нітрифікації/денітрифікації і відгін аміаку сприятиме видаленню азотовмісних сполук, що залишаються. Фосфат, що залишається, видаляється осадженням з високим pН (10,5–11,0). Більшість важких металів, що залишаються, також осаджується при високому pН, що використовується для видалення фосфату.

Реакції нітрифікації для видалення від аміаку і нітрату.

2 NH₄⁺ + 3 O₂ → 4H⁺ + 2 NO₂⁻ + 2 H₂O;

2 NO₂⁻ + O₂ → 2 NO₃⁻.

Із застосуванням денітрифікувальних бактерій відбувається така реакція:

4 NO₃⁻ + 5{CH₂O} + 4 H⁺ → 2 N_2(г) + 2 CO_2(г) + 7 H₂O.

Повітряний відгін аміаку – спосіб, який використовується для виведення аміаку зі стічних вод з високим рН (приблизно 11), коли повітря проходить крізь них. У цих умовах іон амонію перетворюється в аміак і випаровується в атмосферу під час перекачування крізь розчин повітря.

Азотофіксація (потребує біомаси):

2N₂ + 3 CH₂O + 2H₂O + 4 H⁺ → CO₂ + 4NH₄⁺.

Аеробна нітрифікація:

¼ О₂ + ¹/_­­8 NH₄⁺ → ¹/_­­8 NH₄ ⁺ ¼ H⁺ + ¹/_­­8 H₂O.

Фосфат, що залишається після обробки активним мулом, вилучають осадженням. Це відбувається, коли до стічної води додають вапно при pН 10,5–11,5:

5Ca ²⁺ + OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅OH(PO₄)₃.

Видалення кальцію

Висока концентрація у воді (твердій) кальцію призводить до відкладень карбонату кальцію в системах гарячого водопостачання, створюючи проблеми для промисловості і домовласників, які використовують цю воду. Наведено реакцію, що робить кальцій небажаним у воді.

Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ → CaCO₃ + CO_{2 (г)} + H₂O.

У воді з високим вмістом бікарбонату кальцій може бути вилучений додаванням вапна:

Ca²⁺ + 2HCO₃²⁻ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O.

Кальцій іноді видаляють додаванням карбонату натрію Na₂CO₃ ,

Mg²⁺ сполучається при цьому з Na₂CO₃ :

Mg²⁺ + 2CO₃²⁻+ 2H₂O → Mg(OH)₂ + 2HCO₃⁻.

Кальцій також може бути вилучений додаванням ортофосфату:

5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻ = Ca₅OH(PO₄)_3(тв) .

Видалення Fe³⁺, Mn²⁺ (і багатьох інших металів)

Ці метали осаджуються в процесі видалення фосфату, коли додане вапно і повітря перекачують крізь стічні води. Умови – окисні та лужні сприяють формуванню нерозчинних гідроксидів металів чи карбонатів: Fe(OH)₃, Mn(OH)₄, Fe₂(CO₃)₃, Mn(CO₃)₂.

Після вапнування стічні води насичують вуглекислим газом, щоб знизити водневий показник до значення приблизно від 11 до 7. Стічні води пропускають крізь шар активованого вугілля, щоб видалити залишки органіки адсорбцією, а потім дезінфікують, щоб знищити хвороботворні організми.