Ювелирное обозрение

Способы очистки воды на сегодняшний день являются довольно актуальным вопросом. Ведь вода – неотъемлемая часть жизни как человека, так и всего человечества. Именно поэтому современная наука постоянно работает над созданием новых методов очищения.

Способы очистки воды в первую очередь зависят от количества и качества очищаемой жидкости. Скажем, в промышленности используются одни методы, а в домашних условиях очистить проточную воду можно совсем по-другому.

Промышленные способы очистки воды

Вода, взятая из водоемов или подземных источников, прежде чем попасть в водопровод, проходит систему очистки. Данные методы используются и при очищении сточных вод, которые являются неотъемлемой частью работы любого промышленного завода или фабрики.

1. Механические способы очистки воды. Само название метода говорит о том, какую именно цель здесь преследуют. С помощью разнообразных фильтров вода очищается от ненужных и вредных частиц. Для начала жидкость попадает на поверхность фильтра, откуда переходит через весь загрузочный фильтрующий материал, таким образом, задерживаются частички определенных размеров. Но если с помощь этого метода можно избавиться от относительно крупных загрязнителей, то вот от бактерий и мелких органических частиц фильтры спасти не могут.
2. Хлорирование воды. Довольно известный метод очищения, которые позволяет продезинфицировать воду. Но у этой методики также есть свой недостаток, о котором знает каждый человек. Пить такую воду просто невозможно.
3. Озонирование. Сравнительно новый и достаточно эффективный способ очищения воды, который позволяет избавиться от органических остатков. Озон к тому же считается очень сильным дезинфицирующим средством. К сожалению, этот метод довольно дорогостоящий и только начинает завоевывать популярность.

К сожалению, вода, которой обеспечиваются дома и квартиры, не всегда является качественной. Именно поэтому необходимо подумать о том, как сделать ее лучше в домашних условиях.

Способы очистки воды в домашних условиях

Как правило, с водой, текущей из-под крана, возникают некоторые проблемы. Во-первых, она содержит в себе соли магния и кальция, которые делают ее жесткой. Еще одна опасность — это наличие ненужных продуктов распада органики, включая нитриты и аммиак. Также в воде могут содержаться примеси железа и марганца — такая жидкость приобретает желтоватый цвет. Наиболее часто осадок ржавчины в воде является результатом ее перемещения по старым трубам. И, конечно же, одной из главных проблем является хлор.

Но воду можно очистить и сделать пригодной к использованию самостоятельно. Есть несколько весьма эффективных и распространенных способов.

1. Отстаивание. Для того чтобы вода стала чистой, ее необходимо поместить в емкость и дать отстояться хотя бы в течение суток. За это время из жидкости выветрится примерно 90% хлора. Если на дне образовался рыжеватый осадок, воду необходимо отфильтровать. Но этот метод не подойдет в том случае, если жидкость насыщена бактериями и микроскопическими водорослями.
2. Кипячение. Подобный метод позволяет значительно смягчить воду, так как соли магния и кальция попросту осядут на стенки посуды. За время кипячения из жидкости выветрится весь хлор. Кроме того, высокие температуры помогут уничтожить большую часть живых микроорганизмов. Но вот если в воде высокий уровень органических веществ, кипятить ее нельзя, так как соединения азота быстро прореагируют с хлором.
3. Бытовые фильтры для очистки воды. На сегодняшний день нам предлагают огромный выбор самых разнообразных фильтров. Работа пассивных фильтров базируется на простой фильтрации, когда часть загрязняющих частичек просто оседает в порах. Кстати, в качестве наполнения для такого фильтра довольно часто используют активированный уголь.

Есть и активные фильтры, содержащие определенный ряд веществ. Эти вещества при прохождении воды вступают в реакции с загрязнителями, таким образом, нейтрализуя их.

Стоит отметить, что фильтр для воды необходимо выбирать очень внимательно. В первую очередь руководствуйте именно проблемой вашей воды, будь то жесткость или наличие органики.

Вода из скважин и природных источников имеет ряд растворенных компонентов и взвесей. Чтобы получить жидкость, которую можно использовать в промышленности, для бытовых целей и для питья, ее следует качественно очистить. Современные способы очистки воды очень разнообразны. Они делятся на несколько групп по характеру происходящих процессов. С использованием методов создаются приборы, которые обеспечивают оптимальную очистку. Этот процесс требует комплексного подхода, поэтому применяется сразу несколько подходящих методов.

Очистка воды физическими способами

Физические способы основаны на соответствующих физических процессах, воздействующих на воду и присутствующие загрязнения. Обычно такие методы используют для устранения нерастворимых, крупных включений. Иногда они воздействуют и на растворенные вещества и биологические объекты. Основными физическими способами очистки являются кипячение, отстаивание, фильтрование и обработка ультрафиолетом.

Кипячение

В процессе кипячения на воду воздействует высокая температура. В результате такого воздействия устраняются микроорганизмы, некоторые растворенные соли выпадают в осадок, образуя накипь. При длительном кипячении могут распадаться более устойчивые вещества, например, соединения хлора. Метод простой и оптимальный для использования в быту, но очищающий только относительно небольшие объемы воды.

Отстаивание

В этом случае используется воздействие естественной силы тяжести на относительно большие механические включения. Под воздействием собственной тяжести они опускаются на дно емкости, образуя слой осадка. Выполняют отстаивание воды в специальных отстойниках. Эти емкости снабжаются устройствами для сбора и удаления получающегося осадка.

Фильтрование

При прохождении воды материал с порами или другими отверстиями, часть загрязнений задерживается. Остаются на поверхности частицы, которые крупнее пор или ячеек. По степени очищения выделяют фильтрацию грубую и тонкую. При грубой очистке задерживаются только крупные частицы. В процессе тонкой удерживаются включения, размер которых составляет всего несколько микрон.

Рис. 2 Уровни фильтрования

Обработка ультрафиолетом

Использование ультрафиолетового излучения позволяет устранить биологические загрязнения. Свет этого спектра воздействует на основные молекулы, что приводит к гибели микроорганизмов. Стоит учитывать, что обрабатывают ультрафиолетом воду, которая очищена от взвеси, т.е. произведена предварительная очистка воды. Твердые включения создают тень, которая защищает бактерии от ультрафиолетового света.

Химические методы водоочистки

Химические способы очистки воды основаны на реакциях окисления-восстановления и нейтрализации. В результате взаимодействия специальных реагентов с загрязняющими веществами происходит реакция, итогом которой становится нерастворимый осадок, разложение на газообразные составляющие или появление безвредных компонентов.

Нейтрализация

Применение этого метода обеспечивает устранение кислой или щелочной среды и приближение ее показателей к нейтральным. В воду с определенным показателем кислотности добавляют реагенты, обеспечивающие создание кислой или щелочной среды. Чтобы нейтрализовать кислую среду, применяют щелочные составы: кальцинированную соду, гидроксид натрия и некоторые другие. Для устранения щелочной среды выбирают растворы некоторых кислот или оксиды углерода, серы и азота. Последние при растворении в воде образуют слабые кислоты. Реакции нейтрализации обычно представляют собой химические методы очистки сточных вод. При подготовке питьевой воды из природных источников изменение реакции не требуется, она изначально близка к нейтральной.

Процессы окисления и восстановления

При очистке воды чаще всего используется окисление. В процессе реакции с окислителями загрязняющие соединения превращаются в безвредные компоненты. Они могут быть твердыми, газообразными или растворимыми. В качестве сильных окислителей выступают соединения хлора, озон и некоторые другие вещества.

Рис. 3 Установка для окисления озоном

Очистка воды физико-химическими методами

Методы очистки воды, относящиеся к этой группе, включают одновременно физические и химические способы воздействия. Они весьма разнообразны и помогают удалить значительную часть загрязнений.

Флотация

В процессе очистки воды методом флотации через жидкость пропускают газ, например, воздух. Создаются пузырьки, на поверхность которых прилипают гидрофобные частицы загрязнений. Пузырьки поднимаются на поверхность и образуют пену. Этот слой пены с загрязнениями легко удаляется. Дополнительно могут использоваться реагенты повышающие гидрофобность или сцепляющие и укрупняющие частицы загрязнений.

Рис. 4 Принцип флотации

Сорбция

Очищение воды методом сорбции основывается на избирательном удерживании веществ. Чаще всего используют адсорбцию, когда удержание происходит на поверхности сорбента. Сорбция бывает физической и химической. В первом случае используются силы межмолекулярного взаимодействия, а во втором – химических связей. В качестве сорбентов обычно выступают активированный уголь, силикагель, цеолит и прочие. Некоторые виды адсорбентов могут восстанавливаться, а другие утилизируются после загрязнения.

Экстракция

Процесс экстрации выполняется с использованием растворителя, который плохо смешивается с водой, но лучше растворяет загрязняющие вещества. При контакте с очищаемой жидкостью загрязнители переходят в растворитель и концентрируются в нем. Таким способом из воды устраняют органические кислоты, и фенолы.

Ионный обмен

Метод ионного обмена применяется в основном для удаления из воды солей жесткости. В некоторых случаях его используют для устранения растворенного железа. Процесс заключается в обмене ионами меду водой и специальным материалом. В качестве такого материала выступают специальные синтетические ионообменные смолы. Этот способ очистки воды получил распространение не только в промышленности, но и в быту. Сейчас не затруднит приобрести фильтр, имеющий ионообменный картридж.

Рис. 5 Ионный обмен

Обратный осмос

Еще один способ, с помощью которого выполняется очистка питьевой воды, это обратный осмос. Для очистки требуется специальная мембрана с очень мелкими порами. Через поры проходят только небольшие молекулы. Загрязняющие вещества отличаются большим размером, чем молекулы воды, поэтому не проходят сквозь мембрану. Такая фильтрация выполняется под давлением. Получающийся раствор из загрязняющих веществ утилизируется.

Рис. 6 Обратный осмос

Методы, используемые в бытовых фильтрах

Все эти методы используются для очищения жидкостей, в том числе и сточных вод. Но в большинстве случаев людей интересует, как очистить воду дома для употребления в пищу и бытовых целей. Очистка воды в домашних условиях не предполагает использования всех названных способов. Только часть из них реализуется в современных приборах. Есть возможность очистить воду из-под крана и без фильтра. Этот метод – кипячение. Однако гораздо чаще воду чистят специализированными фильтрующими устройствами.

В фильтрах задействованы такие методы очистки питьевой воды как механическая фильтрация, ионный обмен, сорбция, обратный осмос. Иногда применяются и некоторые другие, но гораздо реже.

Все эти современные методы очистки воды реализуются в картриджных проточных фильтрах. В таких приборах очищают водопроводную воду в несколько этапов. На первом этапе осуществляется механическая фильтрация, затем устраняются растворенные вещества методами сорбции и ионного обмена, а в завершении вода может пропускаться через обратноосмотическую мембрану.

Системы водочистки являются неотъемлемой частью современной жизни и практически все потребители (от частных лиц до предприятий) нуждаются в качественной и правильно подготовленной воде.

Реализованные в них методы и технологии бывают разными, с особенностями каждого варианта стоит познакомиться заранее.

Какие существуют по принципу действия?

В зависимости от принципа действия выделяют такие способы очистки воды как:

• Физические (грубая механическая чистка).
• Химические (смешение воды с реагентами).
• Физико-химические (сложные комплексные мероприятия).
• Биологические (воздействие живых микроорганизмов).

Физические методы

Данные методы предназначены для очищения воды от твердых крупнофракционных частиц (чаще всего – нерастворимых).

Они успешно задействуются на этапах первичной и грубой очистки и в разы реже – при глубоких и тонких воздействиях.

Среди главных физических методов выделяют:

• Процеживание – очищение жидкостей от крупнофракционных посторонних включений при проходе через ячеистые прослойки (сетки, решетки, полипропиленовую мешковину). К преимуществам этого метода относят простоту и эффективное улавливание крупного мусора, к минусам – потребность в частой промывке фильтрующих элементов, пропускание патогенных микроорганизмов, солей и любых мелких нежелательных примесей.
• Отстаивание – осаждение посторонних фракций под действием собственного веса вниз с последующим отбором более чистой воды. Этот метод используются как на предварительных, так и на промежуточных этапах водоподготовки, его производительность существенно ограничена временем и объемами отстойников.
• Фильтрование – схожий с процеживанием, но более совершенный метод, позволяющий очищать воду от ненужных примесей с разным размером фракций (минимальный порог – до микронов) при прохождении через пористый фильтрующий слой. Метод активно используется в быту и на производстве, из всех физических видов он считается самым эффективным.
• УФ-дезинфекция – обработка предварительно очищенной от крупных фракций воды УФ-лучами с длиной волн в пределах 200-400 нм с целью обеззараживания. Состав и физические свойства жидкости этот метод не меняет.

Химические

Эти методы ценятся за эффективность и высокую производительность.

Исходя из вида протекающих реакций выделяют такие химические методы водоочистки как:

1. Нейтрализация – выравнивание PH-баланса воды за счет добавления особых реагентов (аммиачной воды, гидроксидов калия или натрия, кальцированной соды) или ее пропускании через кислые газы. Чаще всего к этому методу обращаются при регенерации промышленных стоков, забираемая из скважин или водоемов вода изначально имеет нейтральную среду и корректировке баланса не нуждается.
2. Окисление – обезвреживание токсичных водных растворов и хлорирование воды при добавлении активных окислителей. Несмотря на высокую эффективность (микроорганизмы убиваются быстро и надолго) метод считается опасным для здоровья человека.
3. Очистку восстановлением. Данный метод выбирается при высокой доли легко восстанавливаемых веществ в исходной воде или стоках. При его выборе из воды удаляются ряд простых и переходных металлов и минералов (хрома, ртути или мышьяка) и их соединений.

Физико-химические

Данная группа представлена комплексными методами с широким спектром применения, задействуемыми на любых этапах очистки и водоподготовки.

Очистка воды при их выборе осуществляется самыми разными способами, включая воздействие растворенных газов, тонкодисперсных сред и изменение ионного состояния молекул.

Особенности наиболее востребованных физико-химических методов изложены в таблице:

Наименование	Кратное описание метода	Оптимальное применение/ возможные ограничения
Флотация	Отделение и подъем твердых гидрофобных частиц при пропускании сквозь толщу воды пузырьков воздуха или других инертных газов. Формируемая на поверхности пена или прослойка легко удаляется механическими способами.	Очистка жидкостей от нефтепродуктов и масел, удаление твердых примесей при низкой эффективности других методов.
Сорбация	Избирательная фильтрация ненужных примесей при поверхностном или объемном прохождении воды через материалы с пористой структурой (силикагели, уголь и их аналоги). Используемые сорбенты могут быть восстанавливаемыми или утилизируемыми после потери фильтрационных свойств.	Удаление ПАВ, пестицидов, фенолов, процессы доочистки.
Экстракция	Заливка в очищаемую воду мало- или несмешиваемых веществ, растворяющих грязь, с последующим активным перемешиванием, отстаиванием и разделением разнофазных сред.	Удаление органический соединений, включая фенолы, регенерация стоков.
Ионообмен	Обмен ионами между очищаемой водой и природными (цеолиты, сульфоугли) или искусственными (синтетические смолы) ионитами.	Умягчение воды/ метод не предназначен для бытовой очистки больших объемов сильнозагрязненной воды.
Электродиализ	Очищаемая вода последовательно проходит камеры с ионоселективными мембранами и электродами постоянного тока. В первых камерах вода избирательно обессоливается, в крайних – накапливает концентрат солей с последующим разделением.	Обессоливание и удаление нежелательных ионов. Регенерация стоков на химических предприятиях.
Обратный осмос	Вода пропускается через мембраны с микроскопическими ячейками под избыточным гидростатическим давлением с последующей утилизацией выделенного загрязненного раствора.	Обессоливание, отделение нежелательных микроорганизмов, растворенных газов и коллоидных веществ.
Термические методы	Суть данных метолов состоит в получении дистиллята или максимально очищенной воды после ее выпаривания, вымораживания или термического окисления (распыление и пропускание через высокотемпературные продукты сгорания).	Нейтрализация или удаление токсичных или слабо разлагающихся примесей.

Биологические

Эти методы преимущественно задействуются при очищении стоковых вод и базируются на использовании живых организмов.

К последним относят как бактерии (окисляющие и разрушающие токсичные и азотосодержащие соединения, поглощающие фосфаты), простейшие грибы и водоросли, так и многоклеточные (черви, насекомые).

Водоочистка биологическими методами проводится в:

• Естественных или искусственных водоемах, очищающих сравнительно небольшие объемы воды со средней степенью загрязненности при минимуме усилий и трат.
• Биофильтрах – специальных сооружениях с фильтрующей прослойкой из аэробных микроорганизмов с естественным или принудительным воздухообменом.
• Аэротенках – сложных автоматизированных комплексах с принудительной аэрацией.
• Метатенках – устройствах анаэробного брожения для переработки концентрированных стоковых осадков.

Современные технологии очищения

В современных системах водоподготовки приведенные методы используются в комплексе.

Ярким примером служат многоступенчатые бытовые фильтры с механическими предфильтрами, ионообменными или сорбционными картриджами и обратноосмотическими мембранами. Такие установки обеспечивают полноценную подготовку питьевой воды вне зависимости от ее исходных параметров.

К инновационным тенденциям в сфере водоподготовки относят:

• Отказ от метода хлорирования в пользу озонирования (окисление жидким кислородом) и/или УФ-обработки.
• Использование ультрафильтров и нанофильтрационных мембран с пониженной селективностью.
• Вывод взвесей и растворенных органических примесей с помощью электроприборов фотокатализации.

При всех своих преимуществах такие технологии нельзя назвать бюджетными, соответствующие фильтры, мембраны и другие расходные материалы обходятся дорого и в быту не окупаются.

Проверенные новые методы (ионообмен, обратный осмос, многоступенчатое исполнение фильтра), наоборот, становятся более доступными для частных лиц.

Фильтрация на предприятиях

Взаимосвязь между областью использования и требуемым типом системы водоподготовки отражена в таблице:

Отрасль производства	Требуемые функции основной линии подготовки
Металлургия	Обессоливание
Пищевая промышленность	Обеспечение ионного обмена, обеззараживание, умягчение
Добыча и переработка нефти и газа	Исключение посторонних примесей, обезжелезивание, обратный осмос
Энерго- и тепло- и водоснабжение	Обессоливание, УФ-фильтрация, хлорирование или озонирование
Фармацевтика	Обратный осмос, дистилляция

В целях экономии средств приведенные методы реализуются в комплексе с механическим фильтрованием.

Отдельные требования выдвигаются к системам переработки стоков предприятий химической или металлургической отрасли, отбираемый концентрат может быть ценным или нуждаться в обязательной утилизации.

Переработка стоков

Полный цикл переработки стоков на производстве и в общественных линиях включает:

1. Подачу стоков на усреднитель при необходимости разбавления.
2. Отстаивание механическим способом.
3. Основную чистку (активное использование живых организмов).
4. Глубокую чистку (удаление всех посторонних примесей с помощью обратноосмотических мембран или тонких фильтров).
5. Обеззараживание (УФ-обработка, хлорирование, озонирование).

Выделяемый на 2, 3 и 4 стадиях осадок в обязательном порядке регенерируется или утилизируется. Эти процессы происходят в метатенках, отжимных или сушильных аппаратах.

Бытовое очищение стоков требует меньше усилий. Владельцы индивидуальных домов, но подключенных к канализационным сетям используют септики (как с днищем, так и без), сорбенты или коагулянты.

Более подробно об очистке сточных вод читайте здесь.

Удаление тяжелых металлов

Потребность в принятии дополнительных мер возникает при отклонении ПДК тяжелых металлов в воде от санитарно-гигиенически норм. Чаще всего такая ситуация наблюдается при близости скважины к септику или попадании этих веществ извне (осадки, протекание зараженных грунтовых вод, контакт с металлически фитингами).

Для удаления этих веществ в быту и промышленности используются следующие химические и физико-химические методы:

Тип металла	Допустимая концентрация в воде, не более мг/л	Рекомендуемый метод очистки воды
Марганец и железо	0,1	Ионообмен, аэрация с последующей подачей в засыпной фильтр с каталитическим зарядом, окисление гипохлоритом натрия, дозированная подача сильнодействующих окислителей
Сероводород	0,01, вещество очень токсично	Окисление, выветривание, насыщение кислородом
Свинец	0,03	Обратный осмос, окисление и восстановление
Ртуть	0,001	Обратный осмос, а также окисление и восстановление
Хром	0,05	Окисление, обратный осмос и восстановление
Никель	0,1	Окисление и восстановление

Системы обратного осмоса при несомненной эффективности редко используются из-за дороговизны и ускоренного использования ресурсов мембран.

Заключение

Приведенные методы непрерывно совершенствуются и дополняют друг друга, при выборе конкретного варианта стоит ознакомиться с их особенностями и возможными ограничениями заранее.

Ни один из методов, который существует, нельзя назвать универсальным, при правильной организации водоподготовки они задействуются в комплексе.

Вне зависимости от выбранного метода к потребителю или на промышленные объекты подается вода с контролируемыми параметрами.