Технология очистки воды: разновидности и особенности

Очистка воды – это удаление вредных веществ, загрязнений и ненужных примесей из ее исходного состава. Выбор той или иной технологии очистки среди большого разнообразия будет зависеть как от требований к качеству воды на выходе, так и от материальных возможностей. В данной статье пойдет речь о том, какая технология очистки воды является самой надежной.

Современные проблемы нехватки питьевой воды

Глобальные экологические проблемы, которые стоят перед нашей планетой, – это прямая угроза существованию всего живого на Земле, в том числе и человека. И нехватка пресной питьевой воды находится в числе первых нерешенных вопросов, вынуждающих людей употреблять непригодную и не соответствующую санитарно-гигиеническим нормам воду.

Антропогенный фактор воздействует на окружающую среду крайне негативно. Ведь, невзирая на то, что пресная вода заканчивается, люди продолжают нецелесообразно расходовать ее, не задумываясь о том, в какой экологической ситуации будут жить потомки. Выброс отходов промышленного производства и сельского хозяйства в водные артерии угрожает и человечеству, и животным. Пагубные последствия этого уже отразились на состоянии атмосферы, гидросферы, и, как следствие, здоровье людей в местном, региональном и глобальном масштабе.

Каждый год население Земли увеличивается примерно на 83 млн. человек. Исходя из такого стремительного прироста, потребность в питьевой воде возрастает на 64 млн. м³. При этом за то время, пока численность людей на планете выросла втрое, потребление пресной воды увеличилось в 17 раз. И за 20 ближайших лет этот показатель может быть увеличен еще в 3 раза.

По статистике каждый 6-й представитель homo sapiens уже испытывает дефицит пресной питьевой воды. И по мере развития прогресса, увеличения жителей Земли, расширения производственных мощностей и ускорения глобальных изменений в климате (опустынивание и снижение водообеспеченности) ситуация становится только хуже. Существующие мировые проблемы будут становиться все острее. А когда люди поймут, что дефицит воды перешел точку невозврата, это приведет к росту политических и военных конфликтов, экономических проблем в странах.

Невзирая на то, что уже сейчас существуют различные механизмы воздействия на данную проблему, в глобальном масштабе они все еще не запущены, и в этом направлении работают только государства, проживающие ситуацию с нехваткой пресной воды особенно остро. Они интенсивно разрабатывают технологии очистки питьевой воды, в то время как страны, где есть большие запасы водных ресурсов, продолжают игнорировать возможности получения выгод из своего положения.

Основные источники загрязнения

Среди основных источников загрязнения водных артерий эксперты выделяют три группы. Все они, даже при наличии современных очистительных сооружений, способны значительно усугубить состояние поверхностных и подземных вод (колодцы, скважины). Для каждой из таких групп присущи определенные виды загрязнений.

1. Населенные пункты.

В любом населенном пункте, даже с развитой инфраструктурой, значительная часть бытовых отходов сбрасывается через канализацию. Например, в мегаполисе объем потребляемой воды в сутки составляет 750 л/человека. Это вода для питья и приготовления пищи, для личной гигиены и комфортного проживания, а также для полива клумб, пожарных станций, мытья улиц, отопительных систем, бытовой техники. После использования эта вода поступает в муниципальные системы, где очищается и направляется в ближайшие водоемы или на повторное использование.

При этом какой бы современной ни была технология очистки сточных вод, существует высокая вероятность появления болезнетворных бактерий. Это приводит к вспышкам кишечных инфекций разной степени опасности (от дизентерии до полиомиелита, гепатита, холеры и тифа). И такая ситуация может возникнуть даже в развитых городах, где местные власти тщательно следят за качеством питьевой воды и очисткой стоков.

Развитие бактерий – не единственная проблема с потребляемой в населенных пунктах водой. В канализацию вместе с бытовыми стоками попадает значительная часть химических веществ, содержащихся в моющих и чистящих, дезинфицирующих и отбеливающих средствах. Туда же попадают остатки туалетной бумаги, пищевых отходов и прочего мусора, который вместо мусорного ведра отправляется в унитаз. Немалый процент загрязнений приносят и стоки дренажных систем городских улиц. В них попадают листья, песок, реагенты для ускорения таяния оледенений, пластик, полиэтилен и прочие загрязнения, которые встречаются на тротуарах и проезжей части в пределах любого населенного пункта.

2. Продукты промышленного происхождения.

В государствах и городах, делающих акцент на развитии промышленности, больше всего потребления и загрязнения воды приходится на предприятия разных сфер производства. Количество стоков, исходящих от промышленных предприятий, минимум в 3 раза превосходит число бытовых. Водные ресурсы на производстве могут применяться и как сырье, и как вспомогательный компонент (для охлаждения, обогрева, транспортировки, сортировки или промывки). При этом часть отходов выводится также при помощи воды. Этот подход распространен, например, в нефтеперерабатывающей промышленности, машиностроении, химических и пищевых предприятиях.

Проще говоря, вода на производстве нужна для добычи и переработки сырья, изготовления полуфабрикатов и конечных изделий, их фасовки и перемещения. А так как очищение и утилизация промышленных стоков требует значительных финансовых вложений, многие владельцы производств предпочитают (чаще всего незаконно) сбрасывать загрязненные стоки в ближайшие природные водоемы или городскую канализацию.

Количество органических и неорганических веществ в таких стоках просто зашкаливает. Основная их масса состоит из отходов черной и цветной металлургии, органического синтеза, нефтеперерабатывающих и целлюлозно-промышленных производств, что нарушает экологический баланс водоемов природного и искусственного происхождения. Поэтому необходимость разработки технологий очистки воды на промышленных предприятиях более чем очевидна.

3. Сельскохозяйственные отходы.

На втором месте после промышленности по количеству потребляемой воды стоит сельское хозяйство. В этой отрасли основная доля данного ресурса используется для орошения земельных угодий, а также обслуживания ферм. Стоки сельхозпредприятий имеют колоссальное количество химических компонентов, которые часто очень опасны для всего живого. Кроме того, в них содержатся частички грунта. В числе наиболее распространенных загрязнителей «сельскохозяйственной» воды – калий, фосфор, пестициды, гербициды, фунгициды, инсектициды, а также органические и неорганические удобрения. Все эти вещества могут вызвать отравление вплоть до летального исхода.

Помимо химии, часть сельхоз стоков составляют отходы мясомолочных ферм и птицефабрик, значительный процент которых составляют органические останки и фекальные массы. Основная проблема заключается в том, что отфильтровать воду, применяемую для орошения полей, через очистительные конструкции нереально из-за того, что вся она впитывается в почву и отправляется прямиком в подземные реки.

Иначе обстоят дела с очисткой сточных вод в животноводческом производстве. Ведь новые технологии очистки воды позволяют устанавливать фильтры непосредственно на предприятиях. Однако не каждый владелец такой структуры готов терять дополнительные финансы на монтаже очистительных установок, продолжая отводить стоки в специальные отстойники или водоемы поблизости.

Технологии очистки природных вод 

Современная технология очистки природных вод представляет собой специальные условия для разделения гетерогенной системы, которой и являются природные воды. Проще говоря, водоочистка проводится путем формирования легкооседающих крупных частиц с сильно развитой поверхностью за максимально короткий промежуток времени.

Самыми популярными приемами ускорения хлопьеобразования при очистке воды считаются такие:

Наиболее известной из них является интенсификация посредством гидролизующих коагулянтов – флокуляция. Главным условием для нее является адсорбция поверхностями молекул полимеров взвешенных жестких фрагментов. Из-за удлиненной формы, которой обладают молекулы, отдельные звенья цепи полимера адсорбируются в нескольких местах несколькими взвешенными гидрофобными жесткими фрагментами, соединяя их друг с другом. Одновременно с этим осуществляется и соединение жестких фрагментов, вызывающее выделение сложных агрегатов из молекул полимера и жестких частиц. Получившиеся крупные фрагменты оседают на большой скорости, поэтому жидкость быстро осветляется.

Известно, что во время очистки окрашенных вод, в которых присутствует большое число гуминовых примесей, ускорить процесс обесцвечивания можно путем предварительного хлорирования, после которого следует проводить коагуляцию.

В ходе экспериментов было доказано, что предварительное хлорирование с использованием больших доз Cl дает резкое снижение цветности воды с последующим уменьшением количества необходимого коагулянта. Окисление гидроксильных частиц во время хлорирования образует более гидрофобные карбонильные частицы, что в свою очередь снижает защитное действие гуминовых компонентов, которые содержатся в природных водах. Такова роль хлорирования в процессе осветления и обесцвечивания посредством коагулянтов.

Технология очистки сточных вод

Прежде чем говорить про современные технологии очистки воды в стоках, необходимо четко понять, что входит в понятие «сточные воды». Этот термин обозначает все воды и атмосферные осадки, которые направляются в водные артерии из территорий промышленных предприятий и населенных пунктов посредством канализации или самоотвода. Жизнедеятельность людей значительно ухудшает качество этих вод.

В числе наиболее популярных методов фильтрации стоков – отстойники разных типов и конструкций. В таких сооружениях производится предварительная очистка сточных вод. К ним относятся и самостоятельные конструкции, позволяющие легко отделять механические составляющие. Они могут устанавливаться перед сооружениями по биоочистке или за ними, исходя из их предназначения. Отстойники – самый простой и оптимальный с точки зрения энергозатрат способ очистки сточных вод. Такие объекты могут быть использованы не только на производствах, но и в индивидуальном строительстве

Для очистки стоков от взвешенных веществ путем отстаивания используются системы непрерывного или периодического воздействия. Второй вариант более рентабелен в отношении небольших объемов или периодического поступления сточных вод. Чаще всего такие отстойники представлены металлическими или ж/б резервуарами, из которых отбирается вода через сифоны или желоб. Осадочные вещества из таких систем чаще всего удаляются ручным способом.

Технологии очистки питьевой воды

При очищении воды посредством специальных мер удаляются всевозможные загрязнения и примеси. Процедура фильтрации может осуществляться и на специальных очистительных сооружениях, и в домашних условиях.

Перед тем как попасть в водопровод, вода проходит предварительное обеззараживание при помощи хлора или специальных ультрафиолетовых излучателей, а также комплекс очистных сооружений на коммунальных станциях.

Среди самых известных способов очищения питьевой воды, в зависимости от характера загрязнений, можно отметить технологии:

• осаждения;
• осветления;
• адсорбции;
• обезжелезивания;
• смягчения;
• обессоливания;
• кондиционирования;
• окисления химическими реагентами;
• обеззараживания;
• биоочистки;
• дехлорирования;
• упразднения нитратов;
• а также мембранные технологии очистки воды от твердых частиц.

Все эти способы можно объединить в несколько групп:

Последняя группа методов отличается наибольшей эффективностью. К ней относится и адсорбция, предполагающая избирательное вбирание твердыми поглотителями с большей удельной поверхностью более мелких составляющих жидкости. Для этих целей используются химические или природные пористые вещества: активная глина, торф и зола, силикагель, активированный уголь и тому подобное.

Чтобы осуществить полное очищение и обеззараживание воды, проводятся такие мероприятия, как:

• Хлорирование.
• Ультрафильтрация.
• Излучение ультрафиолетом.
• Очистка воды озоном.
• Обезжелезивание без реагентов.

Разработка технологий очистки воды

По экспертным данным достаточное количество обычной питьевой воды получают только 9 из 10 жителей на Земле. Чтобы избавить человечество от этой проблемы, инженеры по всему миру создают широкое разнообразие очистного оборудования разного масштаба действия. И с каждым годом число инновационных разработок в этой области стремительно увеличивается, помогая упростить и удешевить процессы очистки, получить более компактные и доступные устройства.

Чтобы получить пресную воду, используются разнообразные технологии. Например, конденсация жидкости из разряженного воздуха, опреснение воды из мирового океана и даже специальные чипы с ультрафиолетовым очистителем, которые можно использовать в быту. Способов получения чистой пресной воды, используемых в мире, намного меньше, чем существует в лабораторных разработках. Однако даже это сравнительно небольшое количество приемов позволило получить миллиарды кубометров питьевой воды.

Рассмотрим парочку примеров разработок технологий очистки воды:

1. Вышка для сбора питьевой воды Warka Water, на создание которой у инженеров и конструкторов ушло несколько лет. Принцип ее работы основан на получении чистой воды непосредственно из воздуха (а точнее, из тумана).

Это чудо гидротехники возникло в эфиопской провинции в 2017 году. Оно представляет собой исполинский цилиндр из переплетенных прутьев бамбука. Внутри них натянута сетка с ячейками, по которым конденсат стекает в специальную емкость у основания башни. Вокруг конструкции натянут полупрозрачный навес, под которым можно отдохнуть в знойный день. Масштабный запуск сооружения запланирован на 2019 год.

2. Водный нано-чип.

Это изобретение, возникшее благодаря совместным трудам ученых из Техасского и Марбургского университетов, позволило решить проблему непомерной дороговизны внедрения водоочистных технологий для населения в государствах с засушливым климатом. Принцип работы чипа, питающегося от обычных батареек, основан на подаче слабых электроимпульсов, позволяющих опреснять морскую воду. Результаты первичных экспериментов уже доказали большой потенциал устройства в решении проблем потребления питьевой воды.

Современные технологии очистки воды

Очищение воды от вредных компонентов требует прогона ее сквозь специальные фильтры. И в зависимости от типа этих фильтров выводятся и конечные свойства воды. Важно также содержать фильтры в оптимальной работоспособности, предотвращая полное исчерпание их ресурса работы. Необходимость замены фильтров возникает в зависимости от объемов и степени загрязнения воды. Среди их широкого разнообразия самыми популярными являются:

1. Фильтры с обратным осмосом– наиболее современные очистители, в которых располагаются тонкие мембраны. Размер ячеек в них не превышает величину молекул воды. Поэтому данный фильтр способен удалить из жидкости почти все химические и органические примеси, металлы и бактерии. Срок службы эффективной фильтрации посредством такой мембраны рассчитан на 1,5-3 года, с возможностью продления при помощи дополнительных префильтров. Они задерживают крупные частицы и осуществляют первичную химочистку. Отфильтрованные загрязнения направляются из префильтров при помощи потока воды по специальной дренажной системе.

   

2. Фильтры ионного обмена – их работа основана на использовании ионозамещающих смол. Во время прохода воды через эти вещества происходит замена ионов кальция и магния на аналогичные частицы натрия и хлора. Это способствует снижению жесткости воды, из-за которой часто возникает масса неприятностей при потреблении без очищения.

Высокая степень жесткости воды проявляется в выпадающем белом осадке, который хорошо виден на стенках чайника и нагревательных элементах стиральных и посудомоечных машин после работы на высоких температурах. Из-за подобного качества воды могут возникнуть проблемы не только с функционированием бытовых приборов, но и со здоровьем ЖКТ и печени.

Технология очистки воды на очистных сооружениях коммунальных служб предполагает наличие фильтров, мощность которых будет соответствовать расчетному времени на очищение. Если вода фильтруется в бытовых условиях – необходимо выбирать фильтр исходя из количества потребляемой воды. Кроме того, прибор нужно иногда промывать хлоридом натрия, растворенным в воде. Ресурс фильтров такого типа рассчитан в среднем на 3 года.

3. Фильтры для обезжелезивания воды безреагентным способом помогают уменьшить объем примесей железа, марганца и сероводорода в воде. Ведь данные вещества приводят к неприятному вкусу и запаху потребляемой жидкости, а также портят сантехнику, вызывая коррозию. Кроме того, постоянное использование такой воды для внутреннего приема чревато развитием тяжелых болезней. Вывести такие химические компоненты из воды можно путем осаживания с использованием кислорода, который вызывает окислительные реакции.

Это один из самых экологичных методов фильтрации, который также выгоден с финансовой стороны, не требуя регулярного приобретения реагентов.

4. Воздушная аэрация базируется на обработке воды обычным воздухом из атмосферы, посредством нагнетания воздушных потоков, которые направляются в очищаемую жидкость под высоким давлением; или же производится распыление воды по специальной емкости, на дне которой она и собирается впоследствии.
5. Электрохимическая аэрация– одна из наиболее выгодных с экономической и энергетической точки зрения технология фильтрации. Весь процесс осуществляется в специальной емкости, оснащенной электродами, пропускающими электроимпульсы в воду. Вследствие такого воздействия в жидкости образуется большое количество ионов кислорода, которые нейтрализуют частицы металлов.

   

6. Фильтры на основе сорбентов – самые бюджетные и популярные приспособления, которые можно использовать автономно или в очистительных системах. Основная функция здесь отводится активированному углю, полученному из кокосовой скорлупы, которая давно известна более эффективными адсорбирующими характеристиками, чем древесный уголь. Угольная прослойка фильтра, через которую проходит вода, значительно улучшает ее цвет, вкус и запах, а также устраняет остаточный хлор, органические частицы и газы.

Если к угольному компоненту добавить ионообменные вещества – становится доступна технология очистки воды от железа из скважины или водопровода. Данные составляющие фильтра способны также избавить воду от сельскохозяйственной химии, болезнетворных бактерий и нефтепродуктов.

Стоит отметить, что уголь является благоприятной средой для быстрого размножения различных микроорганизмов, поэтому прогонять воду через такой фильтр можно только после прохождения ее через антисептические системы. Эффективная работа угольного фильтра может производиться в течение 6-9 мес.

7. Фильтры, базирующиеся на основе озона и ультрафиолета, обладают обеззараживающим свойством и способны уничтожать бактерии и некоторые вирусы. Озон, растворяясь в воде, выделяет кислород, разрушающий ферментацию клеток микробов. Однако такие фильтры расходуют много электроэнергии из-за необходимости применения сложного оборудования и процедур техобслуживания. Такие очистители чаще всего используются для плавательных бассейнов и хозяйственных нужд в медучреждениях.

Особого внимания заслуживают очистительные системы на основе ультрафиолетового излучения. Их предпочитают устанавливать как в жилых домах, так и в заведениях общепита и лабораторных центрах. Они не требуют применения реагентов, значительно упрощая технологию очистки воды. На водоканале в городах и деревнях подобные устройства можно встретить редко. Хотя они и обладают высокой степенью обеззараживания жидкости, убивая как вегетативные формы бактерий, так и грибки, при этом не изменяя свойств самой воды.

Технологии очистки воды для кулеров 

В производстве питьевой воды применяют два типа природного сырья:

• природную воду, которая добывается из источников в экологически чистых районах;
• природную воду, которая очищается посредством специальных систем водоподготовки или отдельного оборудования.

В процессе производства воды посредством очищения в системах водоподготовки присутствуют следующие технологические этапы:

1. Добыча исходного сырья из скважины при помощи специализированного погружного насоса. Проходя по подземному трубопроводу, вода попадает в большой резервуар для дальнейшего прохождения водоподготовки.

2. Очищение воды в несколько этапов:

• грубая механическая фильтрация, устраняющая крупные взвеси, достигающие размеров около 400 мкм;
• тонкая фильтрация – удаляет из природного ресурса мелкие частицы, величиной около 1 мкм;
• обеззараживание посредством современных технологий, с использованием УФ-излучателей, озонаторов или хлорирования.

3. Контроль химического состава воды с последующим разливом в накопительные баки из нержавеющей стали, благодаря использованию которых производство питьевой воды осуществляется бесперебойно.

Где купить питьевую бутилированную воду

Проблему грязной воды в доме можно частично решить, установив качественный фильтр, но постепенно может возникнуть необходимость замены комплектующих в таких системах, ведь от этого напрямую зависит качество очистки воды для питья.

В то же время остается нерешенным вопрос: как добиться того, чтобы вода наилучшего качества была на нашем рабочем месте или у ребенка в школе? Решением будет купить воду с доставкой.