Водоподгото́вка – процесс изменения состава воды путём удаления органических и минеральных примесей и микроорганизмов или добавления веществ для приведения её состава и свойств в соответствие с требованиями потребителей. По конечному назначению использования воды различают водоподготовку для питьевых (в т. ч. коммунально-бытовых) и промышленных нужд.

Вода для питьевых нужд должна удовлетворять требованиям санитарно-эпидемиологической и радиационной безопасности, быть безвредной по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими свойствами. Это достигается путём удаления биогенных элементов, тяжёлых металлов, галогенопроизводных, бактерий и пр., а также, в случае необходимости, добавления недостающих микроэлементов.

При подготовке воды для промышленных нужд из воды удаляются грубодисперсные и коллоидные примеси, соли и микроорганизмы для предотвращения образования накипи, коррозии металлов, засорения трубопроводов и загрязнения обрабатываемых материалов при использовании воды в технологических процессах. Так, в теплоэнергетике, где вода является теплоносителем, важно удалить из воды соли жёсткости и другие примеси в ионной форме, т. к. повышение температуры в процессе нагревания приводит к образованию накипи в технических элементах системы – котлах, трубопроводах, градирнях. Технологические стадии водоподготовки для промышленных нужд и для питьевых целей нередко полностью совпадают.

   

История водоподготовки

Первое упоминание о применении методов подготовки питьевой воды для повышения её качества – улучшения вкуса и удаления запаха – датируется IV тысячелетием до н. э. Тогда применялись такие методы водоподготовки, как фильтрация через древесный уголь, отстаивание на солнце и кипячение. Для устранения мутности, т. е. удаления из воды взвешенных частиц, древние египтяне еще за 1,5 тыс. лет до н. э. использовали алюминиевые квасцы. В XVII в. для подготовки питьевой воды стал использоваться метод фильтрации, однако степень очистки воды была недостаточной. С начала XIX в. песчаные фильтры применялись в большинстве городов Европы. В 1806 г. в Париже была запущена в эксплуатацию первая крупная станция водоподготовки, где вода проходила стадии отстаивания и фильтрации через песчаные и угольные фильтры. В 1870 г. Р. Кохом и Д. Листером было доказано, что микроорганизмы, находящиеся в источниках водоснабжения, могут вызывать инфекционные заболевания. Впоследствии, в начале ХХ в. эти открытия привели к применению методов обеззараживания питьевой воды. В 1906 г. в Ницце для дезинфекции питьевой воды был использован метод озонирования, а в 1908 г. в США в качестве дезинфектанта стал применяться гипохлорит кальция. С 1926 г. для удаления взвешенных частиц начали применять метод коагуляции. В 1940-х гг. началось развитие ионообменных технологий обессоливания воды, а в 1957 г. появились первые мембранные фильтры, однако в широкую практику водоподготовки они вошли гораздо позднее. Во второй половине ХХ в. в большинстве развитых стран стали применяться комплексные схемы подготовки питьевой воды, включающие технологии отстаивания, фильтрации, коагуляции, обеззараживания и др.

   

Целевые компоненты поверхностных и подземных вод при водоподготовке

При подготовке воды для питьевых или промышленных нужд в зависимости от направления конечного применения до нормативных значений доводится содержание представителей следующих групп веществ:

  • песчаные, глинистые и илистые частицы во взвешенном состоянии;
  • коллоиды органического и минерального происхождения, в т. ч. гуматы, гидроксид трёхвалентного железа;
  • минеральные соли натрия, магния, кальция, фтора, двухвалентного железа, хлориды, сульфаты, бикарбонаты и другие вещества в истинно растворённом состоянии;
  • антропогенные загрязнения – биогенные вещества (соединения азота, фосфора), нефтепродукты, пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, токсичные вещества (мышьяк, стронций, тяжёлые металлы и пр.);
  • бактерии, простейшие, водоросли, яйца глистов, вирусы;
  • растворённые газы – кислород, диоксид углерода, сероводород.

Химический и биологический состав воды определяет выбор применяемых технологий водоподготовки и используемых технологических схем.

   

Технологии водоподготовки

При водозаборе из поверхностного водного объекта (река, водохранилище, озеро и т.д.), первый этап подготовки воды – предварительная очистка, включающая, как правило, следующие методы:

  • процеживание – процесс пропускания воды через водопроницаемые перегородки различных конструкций для удаления крупных плавающих загрязнений и взвешенных примесей. Осуществляется через решетки и сита с размером ячеек от 0,005 мм до 1 см;
  • первичное отстаивание – процесс осаждения взвешенных веществ под действием силы тяжести, также приводящий к осветлению воды. Зависит от скорости течения, относительной плотности и диаметра частиц. Из воды удаляются частицы размером более 100 мкм (10-4 м);
  • коагуляция – процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц при введении реагентов – коагулянтов, происходящий вследствие слипания частиц под действием сил молекулярного притяжения. Слипшиеся частицы в дальнейшем осаждаются. Из воды удаляются взвешенные вещества и значительная часть микроорганизмов, что приводит к ее глубокому осветлению.

Умягчение воды – процесс удаления из воды растворённых солей щёлочноземельных металлов (Сa2+ и Mg2+), обусловливающих жёсткость воды. Соли жёсткости могут удаляться четырьмя способами:

  • реагентное умягчение – добавление реагентов, увеличивающих концентрацию анионов; в результате образуются малорастворимые соли с ионами Сa2+ и Mg2+, впоследствии выпадающие в осадок. Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях. Осаждение образующихся хлопьев происходит очень медленно, поэтому оборудование имеет низкую производительность. Реагентные методы используются только в подготовке воды для технических нужд, т. к. вода в результате приобретает сильнощелочную реакцию;
  • ионный обмен – процесс, при котором присутствующие в воде анионы и катионы замещаются другими ионами при прохождении через слой ионообменного материала. Обмен катионов Ca2+ и Mg2+ на Na+ приводит к умягчению воды. Анионный состав воды при этом не меняется, и раствор остается нейтральным;
  • электрохимическая обработка – прохождение воды через межэлектродное пространство, при котором вследствие электролиза образуются менее растворимые формы солей жёсткости;
  • мембранная фильтрация – пропускание воды через нанофильтрационные и обратноосмотические мембраны под высоким давлением, в результате чего происходит селективное удержание многозарядных и крупных ионов. Удаляются также взвешенные вещества, коллоиды, бактерии, вирусы и пр. Содержание солей жёсткости уменьшается в 10–50 раз.

Обезжелезивание воды. В воде поверхностных источников железо, как правило, находится обычно в форме органоминеральных коллоидных комплексов, в подземных водоисточниках – в форме растворённого бикарбоната двухвалентного железа. Для обезжелезивания воды из поверхностных источников используются реагентные методы с последующей фильтрацией в сочетании с предварительной обработкой воды:

  • аэрация окисляет двухвалентное железо кислородом воздуха, при этом из воды удаляется углекислота, что ускоряет процесс образования гидроксида железа;
  • коагуляция и осветление используются для железа, находящегося в форме взвесей и коллоидно-дисперсного вещества (см. выше);
  • обработка реагентами-окислителями (хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон, перманганат калия) приводит к разрушению гуматов и других железосодержащих органических соединений. В результате формируются легко гидролизующиеся неорганические соли трёхвалентного железа.

Обезжелезивание подземных вод осуществляются также путем мембранной фильтрации (микро-, ультра-, нанофильтрации или обратного осмоса).

Обеззараживание – процесс уничтожения вирусов и патогенных микроорганизмов (бактерий, простейших) дезинфицирующими агентами или/и физическими воздействиями. Эффективность обеззараживания воды напрямую зависит от степени её предварительной очистки, т. к. удаление из воды коллоидных и диспергированных частиц увеличивает подвод дезинфицирующего вещества к целевым объектам обеззараживания – бактериям, вирусам, простейшим. Для обеззараживания применяются следующие методы:

  • хлорирование – наиболее распространённый метод обеззараживания питьевой воды, не требующий сложного и дорогостоящего оборудования. Метод основан на способности свободного хлора и его соединений (двуокись хлора, хлорамины) угнетать ферментные системы бактерий и простейших. Жидкий хлор – самый дешёвый дезинфицирующий реагент. После обеззараживания остаточный хлор в дозах 0,3–0,5 мг/л препятствует вторичному загрязнению воды при прохождении через распределительные системы. Высокой устойчивостью к действию хлора обладают вирусы, споры и цисты простейших, яйца гельминтов;
  • озонирование. Озон – сильнейший окислитель, уничтожающий вирусы, бактерии и их споры. При озонировании происходит деструкция и инактивация белков животных и растительных организмов. Также происходит обесцвечивание и дезодорация воды, улучшаются её вкусовые качества. Однако при озонировании возможно образование побочных токсичных продуктов;
  • УФ-облучение приводит к полному обеззараживанию воды путём дезактивации микроорганизмов. Основным недостатком УФ-обеззараживания является полное отсутствие остаточного эффекта: после облучения в воде не остаются активные компоненты, которые обеспечивают обеззараживание и после зоны облучения, в отличие от химических средств обеззараживания, например хлорирования. Поэтому при применении этого метода в централизованных системах водоснабжения на финальном этапе необходима дополнительная обработка воды дезинфицирующими реагентами, что усложняет процесс очистки воды и повышает его стоимость.

На практике чаще всего используется сочетание различных методов обеззараживания, позволяющих снизить отрицательный эффект одних и усилить достоинство других.

Дегазация воды. Присутствие в воде растворённых газов – кислорода, свободной углекислоты и сероводорода обусловливает её коррозионные свойства. Используются следующие способы дегазации воды:

  • химические способы заключаются в добавлении реагентов, которые связывают растворённые в воде газы, или в пропускании воды через фильтры, загруженные стальными стружками;
  • физические способы дегазации – наиболее распространены аэрация и кипячение воды. Для удаления из воды кислорода используют кипячение, для удаления свободной углекислоты и сероводорода – аэрацию.

Коррекция качества питьевой воды. Ряд важных для организма макро- и микроэлементов (йод, фтор, кальций, магний и т.д.) поступает в организм человека вместе с питьевой водой. Однако часто вода из водоисточника не содержит такие вещества в необходимом количестве. Для корректировки состава питьевой воды применяются следующие методы:

  • обогащение фтором (фторирование) – доступный и безопасный метод профилактики заболевания кариесом путём повышения концентрации фтора до 0,6–1,1 мг/л;
  • обогащение йодом (йодирование). Недостаток йода в ряде случаев является причиной развития врождённых аномалий, повышенной перинатальной смертности, снижения умственных способностей у детей и взрослых, глухонемоты. Содержание йода в питьевой воде должно находиться на уровне 40–60 мкг/л;
  • обогащение селеном. Селен является антиоксидантом, усиливает иммунитет и процессы обмена веществ в организме. Добавление селена в питьевую воду применяется как сопутствующий фактор снижения риска развития онкологических заболеваний, сердечно-сосудистых патологий, артрита, преждевременного старения населения;
  • обогащение кальцием. Недостаток кальция приводит к кардиоваскулярным заболеваниям (гипертонии, коронарной и ишемической болезней сердца, инсульта), рахиту у детей, остеомаляции, нарушению процессов свертываемости крови;
  • обогащение магнием. Недостаток магния проводит к повышению тяжести течения сердечно-сосудистых заболеваний и младенческой смертности;
  • обогащение гидрокарбонат-ионами применяется для коррекции водородного показателя воды (рН) и повышения её щёлочности.

Г.В. Аджиенко