Одной из ключевых проблем в области защиты здоровья человека и охраны окружающей среды в настоящее время является проблема водоочистки и водоподготовки.
Несмотря на определенные улучшения в обеспечении питьевой водой, на сегодняшний день значительная часть населения республики все еще не обеспечена водой соответствующего качества и в полном объеме. Существует ряд способов очистки воды от нитратов и нитритов, которые различаются своей сущностью, техническими средствами, стоимостью и степенью очистки.
Введение
Анализ эффективности работы водоочистных станций населенных пунктов Казахстана показал невозможность получения ими нормативного качества очищаемой воды существующими традиционными методами без применения методов глубокой очистки воды от загрязнений природного и антропогенного происхождения. Многие поверхностные водоисточники в Казахстане загрязнены антропогенными загрязнениями, в отношении которых барьерная роль существующих водоочистных сооружений чрезвычайно мала. Подземные воды по сравнению с поверхностными обладают большей защищенностью и стабильностью качества воды. Однако так как в последние годы усилилось загрязнение подземных водоисточников минеральными азотсодержащими соединениями, большинство колодцев (около 65 % и 7 % артезианских скважин) содержат избыточные количества нитрат- ионов, которые превышают в несколько раз предельно допустимую их концентрацию, предусмотренную для питьевых вод (45мг/л). Основным источником появления соединений азота в воде является сельское хозяйство, применяющее азотные удобрения. Присутствие азотсодержащих веществ в питьевой воде нежелательно, так как они влияют отрицательно на организм и здоровье человека. Под воздействием высоких концентраций нитратов возникает заболевание водно-нитратной метгемоглобинемией, так как нитраты под влиянием микрофлоры кишечника переходят в нитриты, последние, поступая в кровь, ведут к образованию метгемоглобина, что уменьшает снабжение тканей кислородом.
Существует ряд способов очистки воды от нитратов и нитритов, которые различаются своей сущностью, техническими средствами, стоимостью и степенью очистки.
Материалы и методы
Для удаления нитратов и нитритов из воды, как правило, применяют сорбционный метод, основанный на использовании высокоосновных анионитов.
Высокоосновные аниониты способны поглощать из воды нитрат_ионы в обмен на хлорид ионы. Технология очистки воды при этом достаточно проста. Нитрат содержащую воду пропускают через слой высокоосновного анионита в Сl_форме с последующей регенерацией его раствором натрия хлорида.
Опыт практической эксплуатации установок очистки воды от нитратов с использованием высокоосновных анионитов позволил сформулировать правила, способствующие их успешной эксплуатации /5 /:
- скорость пропускания воды через слой анионита должна составлять 30–50 об/об.ч либо линейная скорость – 20–30 м/ч;
- высота слоя анионита должна быть не меньше 60 см;
- уровень заполнения аппарата анионитом не должен превышать 60% общего объема аппарата; -
обратная промывка анионита при регенерации должна осуществляться при скорости подачи воды на 30–50% ниже, чем это принято при эксплуатации установок умягчения воды.
- если жесткость поступающей на установку воды выше 2 мг.экв/л, ее необходимо предварительно умягчать. В противном случае при регенерации анионита в его фазе будут образовываться труднорастворимые соединения, что, в свою очередь, будет способствовать снижению емкости анионита;
- при необходимости одновременного умягчения воды и очистки ее от нитратов умягчение обязательно должно предшествовать очистке от нитратов;
- недопустимо осуществлять умягчение воды и очистку ее от нитратов в одном аппарате, поскольку при этом в фазе катионита образуются трудно растворимые соединения на стадии регенерации, что обусловливает снижение его емкости.
Концентрация нитрат ионов при использовании этого метода может быть снижена более чем на 90%.
Еще одним наиболее популярным способом очистки воды от нитратов является использование ионообменных установок (рис.1). Он основан на последовательном фильтровании воды через водород-катионитный, а затем HCO3-, OH- или СО32- – анионитный фильтр.
Рисунок 1- водород-катионитный и анионитный фильтр
Ионный обмен – это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой части ионита. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делятся на катионы (проявляют кислотные свойства) и аниониты (проявляют основные свойства).
Этот метод очистки воды от нитратов широко используется в промышленном и энергетическом секторе, поскольку демонстрирует высокое качество водоочистки. В зависимости от целей водоочистки процессы водород-катионирования и гидроксид- анионирования имеют разную степень сложности.
При водород-катионировании обменные ионы –катионы водорода Н+. По лиотропному ряду (ряду сродства ионов к ионитам) водород стоит перед кальцием, магнием, железом, натрием, калием и др. Поэтому при фильтровании воды через слой катионита, «заряженный» ионами Н+, катионит сорбирует из воды все содержащиеся в ней катионы, и в воду переходит эквивалентное количество ионов водорода. Кроме того, происходит разрушение бикарбонатов, определяющих карбонатную жесткость (щелочность) воды с образованием диоксида углерода.
Результаты и обсуждение
На первом этапе очистки воды от нитратов в водород-катионитных фильтрах катионы, которые содержатся в исходной воде, обмениваются на водород-катионы. При этом в отфильтрованной жидкости образуется эквивалентное количество кислоты из анионов, с которыми были связаны катионы, а СО2, образовавшийся в ходе разложения гидрокарбонатов удаляется в декарбонизаторах.
Второй этап очистки воды от нитратов связан с использованием анионитных фильтров (используются так же и при очистке воды от тяжелых металлов), где анионы образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН-, то есть задерживается фильтром. На этом очистка воды от нитратов завершается.
Независимо от вида ионообменного процесса, расчет включает следующие основные этапы: выбор скорости фильтрации, оптимальной для данного процесса; вычисление ориентировочной величины необходимой суммарной площади поперечного сечения ионитовых фильтров; выбор габарита фильтров и определение их числа; уточнение скорости фильтрации по фактической площади поперечного сечения фильтров; определение продолжительности рабочего периода фильтроцикла и, при необходимости, корректировка расчета; определение числа фильтров, отключаемых на регенерацию.
В зависимости от необходимой глубины очистки воды от нитратов специалисты используют одно-, двух- и трехступенчатые установки. Общим для всех их является применение сильнокислотных водород-катионитов. Так, для очистки воды от нитратов и очистки воды от фенолов на промышленных и энергетических предприятиях водоподготовка может осуществляться:
- по одноступенчатой схеме – один катионитный и один анионитный фильтры;
- по двухступенчатой схеме – по два катионитных и два анионитных фильтра;
- по трехступенчатой схеме, когда в ходе работ по очищению воды от нитратов используются отдельно катионитный и анионитный фильтры либо в одном фильтре совмещаются катионит и анионит.
Вывод
Результаты исследований показывают, что солесодержание после очистки воды от нитратов по одноступенчатой схеме составляет 2–10 мг/л;, по двухступенчатой - 0,1–0,3 мг/л; по трехступенчатой - до 0,05–0,1 мг/л. Поэтому для бытовой очистки воды от нитратов используется одноступенчатая схема.
Литература
- Тотанов Ж.С. Актуальные гигиенические проблемы водообеспечения и охраны здоровья сельского населения Республики Казахстан и пути их решения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук. Алматы, 2010г.
- Митченко Т.Е., Макарова Н.В., Федотова Л.П. Особенности процесса очистки питьевой воды от нитратов. Научный журнал. «Вода і водоочисні технології» №2/3, Киев, 2002г.
- Seongpil Joohan K. Juhyoun. Nitrate reduction catalyzed by nanocomposite layer of Ag and Pb on Au (III). // J. Electroanalyt. Chem. 2005, V.579, N 1, P.143-152.
- Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное. 1,2,3 томы - : Издательство ACB, 2003. - 1028 с.