Хлориране
Хлорирането може да се осъществява с помощта на втечнен хлор, разтвор на натриев хипохлорид или гранули калциев хипохлорит. Втечненият газообразен хлор се поставя в балони под налягане. Газът се изпуска от балона и се дозира във водата чрез хлоратор, който регулира разхода на газ. Разтворът на натриевия хипохлорит се дозира чрез обемнна помпа-дозатор. Калцевият хипохлорит се разтваря във вода, след което се смесва с основния поток.
Могат да се използват различни техники на хлориране, включващи хлориране до контролна точка, минимално хлориране и супер хлориране с последващо дехлориране на водата.
Хлорирането до контролна точка е метод, при който дозата на хлора е достатъчна за бързото окисляване на всичкия амонячен азот и остава достатъчно количество свободен хлор за защита от повторно заразяване.
Супер хлорирането с последващо дехлориране е добавяне на големи количества хлор за постигане на бърза дезинфекция с последващо отстраняване на излишния хлор. Отстраняването на остатъчния хлор е важно, защото касае вкусовите качества на водата. То се прилага в случаи, когато нивото на бактерийте е променливо или времето за престоя на водата в съда за съхранение е недостатъчно.
Минималното хлориране се прилага там, където водата общо взето е с добро качество и прибавянето на неголямо количество хлор осигурява достатъчна концентрация във водата.
Хлорирането се прилага основно за микробиологична дезинфекция. Но хлорът действа и като окислител и може да отстрани или да помогне да се отстранят някои химикали – например, да разложи лесно разтворимите пестициди; да окисли разтворимите вещества до неразтворима форма, която може да бъде отстранена при следваща филтрация; да окисли разтворените вещества до по-лесно отстраняема форма.
Недостатък на хлорирането е възможността хлорът да взаимодейства с органичните вещества, като при това се образуват канцерогенни отпадъчни продукти.
Озониране
Озонът е мощен окислител и има голямо приложение във водоподготовката, включително окисляване на органиката. Озонът може да се използва като основно дезинфекциращо средство. Газообразният озон се получава чрез продухване на сух въздух или кислород през силно електрическо поле. Получава се обогатен с озон въздух, който се пропуска непосредствено през водата от микро дюзи в основата на контактните контейнери. Контактните контейнери обикновено са с дълбочина 5 м и времето за обработка е 10~20 мин.
Ефективността на озонирането зависи от достигането на необходимата концентрация за даден контактен период. За окисляването на органични вещества, такива като някои окисляеми пестициди, обикновенно се използва концентрация 0,5 мг/л с контактен период 20 мин. За непречистена вода са необходими големи дози, тъй като озонът се изразходва и за органиката от природнен произход.
Озонът реагира с природната органика, увеличава нейната способност за биологично разлагане, измерващо се като асимилация на органичния въглерод. За предотвратяване размножаването на бактериите във водопровода, озонирането се съвместява с по-нататъшно пречистване, такова като филтрация или гранулиран активен въглен за отстраняване на органиката и последващо хлориране, тъй като озона не притежава продължително обеззаразяващо действие. Озонът е ефективен за разграждането на широк спектър пестициди и други органични вещества.
Други методи за дезинфекция
Останалите методи за дезинфекция са използването на хлорен диоксит и ултравиолетово излъчване.
Хлорамините (монохлорамин, дихлорамин и трихлорамин) се получават при реакция на разтворения хлор и амоняка. Монохлораминът е единствения пригоден за дезинфекция хлорамин. Монохлораминът е по-малко ефективен от хлора, но е устойчив, поради което е предпочитан като вторично средство за поддържка стабилността на водата във водопроводната мрежа.
Въпреки че в миналото хлордиокситът не е бил широко разпространен за дезинфекция на водата, той се използва в последно време във връзка с опасенията от получаването на трихолорметани при обработката на водата с хлор.
Използването на ултравиолетово излъчване за получаване на питейна вода обикновено е ограничено от малките възможности по отношение на количеството пречистена вода. Ултравиолетовото излъчване се извършва от живачни лампи с дължина на вълната от 180 до 320 нм. Може да се използва за унищожаване на бактерии, вируси, гъбички и водорасли. Мътността на водата може да възпрепятства ултравиолетовата дезинфекция. Ултравиолетовото излъчване може да действа и като силен катализатор при окисни реакции, когато се използва съвместно с озон.
Трябва да се отбележи, че обработката на водата с дезифектанти не е толкова безобиден процес, в процеса на обработка могат да се получат канцерогени, образуването на които е строго ограничено.
Филтрация
Някои вещества могат да бъдат отстранени от водата със самотечни, хоризонтални, напорни или бавни пясъчни филтри. Бавната пясъчна филтрация по същество е биохимичен процес, докато останалите процеси са физическо пречистване.
Самотечни филтри
Самотечните филтри обикновено се състоят от открит правоъгълен съд, съдържащ кварцов пясък (0,5 ~ 1 мм), с дълбочина 0,6 ~ 2 м. Водата преминава надолу и твърдите фракции остават в горните слоеве. Отфилтрираната вода се отлива през отвора в долната част на филтъра.
По принцип са еднослойни, но се използват и двуслойни и многослойни филтрации. Такива филтри съдържат различни материали със структура от груба до финна, през която преминава водата. Типичен пример на двуслойна филтрация е антрацито-пясъчния филтър, състоящ се от 0,2 – метров слой 1.5 мм антрацит и 0.6мм кварцов пясък. Въглена, пясъка и гранита могат да се използват в многослойните филтри.
Самотечните филтри обикновенно се използват за отстраняването на пяна от коагулираната вода. Така също те могат да се справят с мътността ( включително абсорбирането на химични вещества) и да оксидират желязото и мангана от водата.
Грубо филтриране
Грубото филтриране може да се използва като предварителна филтрация преди друга преработка, например с гравитационните пясъчни филтри.
Напорни филтри
Напорните филтри понякога се използват като крайни в системата на водоснабдяването. Самият филтър се поставя в цилиндрично тяло. Филтри с не големи размери, които могат да пречистят до 15 кубм/ч, се поставят в стъклопластика, а големите до 4м в диаметър - в стоманен корпус. Те действат на същия принцип като самотечните филтри и изискванията за поддръжка са същите.
Гравитациони пясъчни филтри
Те обикновено се състоят от съд с пясък (с диаметър на песъчинките 0.12 ~ 0.3 мм) с дълбочина 0.5 ~ 1.5 м. Водата преминава отгоре надолу, и малките частици и микроорганизми се утаяват в основата върху повърхността на пясъка. На повърхността на филтъра се образува особен биологичен слой, който може ефективно да отстранява микроорганизми. Горните няколко сантиметра от пясъка съдържат напластен филтрат и периодично се заменя с нов. Гравитационните пясъчни филтри имат сравнително ниска скорост на филтрация 0.1 ~ 0.3 кубм/ч.
Тези филтри са подходящи само за вода с ниска мътност или вода която вече е минала през предварителна филтрация. Те се използват за отстраняване на водорасли и микроорганизми, включително протозои и органика, някои пестициди и амоняк.
Аерация
Процесът на аерация е предназначен за отделяне на газове и други летливи компоненти. Преносът на кислород обикновено се прави с прости каскади или дифузия на въздух във водата. Но понякога за отделянето на газовете и летливите компоненти може да се наложи да се използва специализирано оборудване за осигуряване висока степен на пренос на течната маса от газообразната.
За пренос на кислорода чрез каскади водният поток се оформя на тънък слой, достатъчен за преноса на водата. Каскадната аерация може значително да понижи водния напор. Проектното изискване е от 1 до 3 м за осигуряване на разход 10 ~ 30 мкуб/ч.
Отстраняването на летливите вещества може да стане и чрез проветряване. Процесът на аерация за отстраняване на въздуха от водата изисква много по-голямо оборудване за осигуряване на необходимия контакт между въздуха и водата. Най-разпространената за това техника е каскадната аерация, която обикновено представлява кула в която водата може да се разлива на тънък слой и да се продухва с въздух противоположно на течението на водата. Необходимата височина на кулата и диаметърът й зависят от леталността и концентрацията на отделяните компоненти и от скоростта на потока.
Химическа коагулация
Химическата водоподготовка основаваща се на коагулацията е най-разпространения метод за пречистване на повърхностни води и почти винаги се базира на следните етапи на обработка.
Химическите коагуланти обикновено са соли на алуминий или желязо, които се дозират във водата, за да образуват неразтворими съединения - хидроокиси на метали. Типични дози на коагуланта – 2 ~ 5 мг/л за алуминий или 4 ~ 10 мг/л за желязо. Ефективността на коагулацията зависи от качествата на суровота вода, коагуланта и pH.
Поглъщане с активен въглен
Активният въглен се получава чрез управляема термообработка на въгленосъдържащи материали, обикновено дърва, въглища, кокос или торф. С тази обработка се получава материал с голама повърхност (500 ~ 1500 мкуб/г) и висока поглъщателна способност на органичните вещества. Обикновенно те се използват или в праховиден или в гранулиран вид. Когато абсорбционните свойства на активния въглен се изразходват, той може да се регенерира посредством изгаряне на органиката. Но често, особено гранулираният активен въглен се използва еднократно. Различните видове въглен имат различна поглъщателна способност за различните замърсявания.
Изборът между прахообразната и гранулираната форма на активния въглен зависи от честотата на използване и необходимата доза. Прахообразният в общи случаи може да бъде предпочетен при сезонно ползване или скокообразно замърсяване и малко количаство ползвана вода.
Прахообразният активен въглен се дозира във водата като течна смес и се отделя при следващите етапи на пречистване заедно с останалите замърсявания. Поради това негавото използване е ограничено при използване на системи за пречистване на водата с филтри. Гранулираният активен въглен, който е ограничен в неподвижен слой, се използва много по-ефективно, ефективният разход на въглен за определен обем вода за постигане на едно и също пречистване е значително по-малко от колкото при използването на прахообразен въглен.
Гранулираният въглен се използва при контролирането на вкуса и миризмата на водата. Обикновено той се използва в неподвижни слоеве или като специално конструиран поглъщател или се поставя във вече съществуващи филтри, като се замени съдържанието им например пясък с гранули с аналогичен размер.
Срокът на работа на гранулираният слой въглен зависи от възможностите на въглена и времето за контакт между него и водата, определящ се от потока на водата. Това време обикновено е 5 ~ 30 минути. Возможностите на гранулирания филтър много силно зависят от определени органични вещества, които могат да окажат много сериозно влияние на неговия срок за работа.
Активният въглен се използва за отстраняване на пестицидите и друга органика, отстраняване на миризмата и подобряване на вкуса, за отстраняване на токсините и синьо зелените водорасли и общия органичен въглерод.
Йонен обмен
Йоният обмен е процес, при който се извършва обмен на йоните с еднакви заряди между водата и специални смоли.
Омекотяването на водата се постига с обмен на катийони. Водата се пропуска през катионна смола и йоните на калция и магнезия във водата се заменят с йони на натрия. Когато йоннообменната смола се изчерпи (например обеднее на натрий), тя се регенерира с натриев хлорид.
Процесът за намаляване алкалността на водата също може да доведе до омекотяване на водата. Водата се пропуска през слой слабокисела смола и йоните на калция и магнезия се заменят с йони на водорода. Йоните на водорода реагират с йоните на карбонатите и бикарбонатите и се получава въглероден диоксид. Твърдостта на водата по този начин се намалява без увеличаване на натрия.
Анийонният обмен може да се използва за отстраняване на нитрати, които се заменят с хлориди. С използването на анийонни смоли, освен нитрати, могат да се отстранят арсен и селен. С катийонен обмен могат да се отстранят някои тежки метали.
Йоннообменната система обикновено се състои от два или повече слоя смола, намираща се в контейнери.
Мембранни процеси
Най-значимите мембранни процеси във водопречистването са обратната осмоза, ултрафилтрацията, микрофилтрацията и нанофилтрацията. Тези процеси традиционно са ориентирани за получаване на вода за производствени нужди и във фармацевтиката, но сега намират все по-голямо приложение и за получаване на питейна вода.
Високо напорни процеси
Ако два разтвора се разделят от полупропусклива мембрана (например мембрана позволяваща преминаването само на разтворителя, но не пропуска разтворените в него вещества) разтворителят по естествен път ще премине от нискоконцентрирания разтвор във висококонцентрирания. Това явление е известно като осмоза. Възможно е обаче принудително разтворителя да се придвижи в обратна посока, от по-високата към по-ниската концентрация, като се увеличава налягането във висококонцентрирания разтвор. Необходимата разлика в налягането е известна като осмотично налягане, а процесът е известен като обратна осмоза.
Обратна осмоза
Системата за обратна осмоза получава на изхода поток с подготвена (питейна) вода и относително концинтриран отработен поток. Типично работно налягане е 10 ~ 50 бара, в зависимост от приложението. Обратната осмоза отклонява моновалентните йони и органичните молекули с молекулно тегло повече от 50 далтона (размер на порите на мембраната по-малки от 0.002 мм). Най-разпространеното приложение на обратната осмоза – обезсоляване на солена и морска вода.
Нанофилтрация
Нанофилтрацията използва мембрани със свойства между обратноосмотичните и ултрафилтрационните; размер на порите 0.001~0.01 микрона. Нанофилтрационните мембрани позволяват преминаването на моновалентни йони, такива като натрий или калий, но не пропускат органични молеки с молекулно тегло повече от 200 далтона. Работното налягане е около 5 бара. Нанофилтрацията може да бъде ефективна за отделяне на цвета от органичните примеси.
Нисконапорни процеси
Ултрафилтрация
Ултрафилтрацията в основата си прилича на обратната осмоза, но мембраната има много голям размер на порите (0.002 ~ 0.03) микрона и работи с по-ниско налягане.
Ултрафилтрационната мембрана задържа органичните молекули с молекулно тегло повече от 800 далтона и обикновено работи при налягане по-малко от 5 бара.
Микрофилтрация
Микрофилтрацията е развитие на традиционната филтрация в субмикрометровия диапазон. Мембраните за микрофилтрация имат размер на порите 0.01 ~ 12 микрона и не разделят молекулите, но задържат колоидните и изхвърлените частици при работно налягане 1 ~ 2 бара. Микрофилтрацията е способна да отсейва частици по-големи от 0.05 микрона. Тя се използва за водопречистване заедно с коагулация или извличане с активен въглен за отстраняване на неразтворимия органичен въглерод.
Други методи за пречистване на водата
Други методи за пречистване на водата, които могат да бъдат използвани в определени случай включват:
- Утаечно омекотяване на водата (чрез добавяне на вар и натриев карбонат или хидрооксид на натрия за утаяване на твърдост при високи стойностти на рН);
- Биологична дезинфекция за отстраняване на нитрати от повърхността на водата;
- Активиран алуминиев оксид (или други абсорбенти) за специални приложения, такива като отстраняване на флуор и арсений.
