EFFECTIVENESS ANALYSIS OF SOFTENING METHODS OF WATER FROM NATURAL SOURCES

Full Text

Природные воды представляют собой сложные системы, в которых присутствуют различные химические элементы в определенных концентрациях. Они могут быть как природного, так и антропогенного происхождения. Именно от наличия и количества тех или иных соединений зависят физические и химические свойства воды, а значит, и ее качество. При этом наибольшую нагрузку на физико-химический состав воды дают вещества, привнесенные человеком напрямую или косвенно [1-3]. Нами были проанализированы 23 водных источника Самарской и Пензенской областей. При этом 8 из источников прошли анализ на содержание ионов кальция, магния, железа, хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, общую жесткость и пермананатную окисляемость ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ С. А. Минкина, Л. Л. Негода, Т. С. Курмаева 45 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 (П.О.). Вода из остальных источников проанализирована на наличие катионов Са2+ и Mg2+, солей жесткости (Жобщ) и рН среды. Результаты исследования представлены в табл. 1 и 2. По данным табл. 1 изученные показатели воды в источнике № 4 находятся в пределах нормы, за исключением перманганатной окисляемости (норма предельно допустимой концентрации составляет не более 5,0 мг/л). Перманганатная окисляемость (П.О.) определяется количеством миллиграммов кислорода, которое нужно для окисления примеси в виде органики, находящейся в 1 л воды. Высокие показатели говорят о чрезмерном загрязнении водного объекта органическими примесями, что губительно действует на флору и фауну [1, 4-7]. Установлено, что концентрация железа в исследуемых водах находится в пределах нормы, что исключает риск развития гемохроматоза. Тем не менее в источнике № 5 (см. табл. 1) количество ионов Fe3+ близко к предельно допустимой концентрации, значение которой должно быть не более 0,3 мг/л. Количество ионов Cl- и SO4 2- в исследуемых источниках (см. табл. 1) соответствует нормативным требованиям (предельно допустимые концентрации хлоридов должны быть не более 350 мг/л, сульфатов - не более 500 мг/л). Особый интерес представляют результаты по жесткости исследуемых проб. Жесткость воды - это совокупность свойств, которые характеризуются количеством в ней в основном катионов Са2+ и Mg2+. В источниках № 1-3, 7 (см. табл. 1) отмечена кальциевая жесткость, иными словами, количество катионов Са2+ намного больше, чем количество катионов Mg2+. Для объектов № 4, 5, 8 (см. табл. 1) наоборот - характерна магниевая жесткость, т. е. количество катионов Mg2+ намного больше, чем количество катионов Са2+. Во всех объектах, указанных в табл. 1, общая жесткость больше предельно допустимой концентрации (7 мл-экв/л), за исключением пробы из источника № 4 (см. табл. 1). В г. Новокуйбышевске (источник № 2) показатели жесткости значительно превосходят ПДК (в три раза) [8]. В табл. 2 приведены сведения по общей жесткости, водородному показателю, содержанию в воде катионов Ca2+ и Mg2+. Общая жесткость воды в исследованных источниках находится в пределах 3,1 - 22,6 °Ж. Превышение ПДК по жесткости в несколько раз увеличивает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний и органов пищеварения. При передозировке ионов кальция в воде может возникнуть спазм сердца, астма, атеросклероз, повышенное артериальное давление, катаракта, мочекаменная болезнь, полиартриты. Кроме того, такая вода горьковата по вкусовым ощущениям. В воде с повышенной жесткостью тяжело приготовить пищу, так как ионы Ca2+ и Mg2+ с белковыми продуктами дают нерастворимые вещества. В такой воде плохо завариваются кофе и чай. Стирка белья в воде с повышенной жесткостью приводит к ухудшению его потребительских свойств - ткань становится хрупкой и ломкой. Жесткая вода требует большего расхода моющих средств - мыла, гелей, шампуней, порошка и пр., что приводит к увеличению затрат, а главное - к увеличению и загрязнению воды входящими в состав моющих средств веществами. Соли, обусловливающие жесткость воды, накапливаются на стенках чайников, посудомоечных, стиральных машин и других бытовых приборах, что уменьшает как их работоспособность, так и срок их службы. То же самое случается при использовании промышленных нагревательных приборов. При эксплуатации водогрейных и паровых котлов на их стенки с внутренней стороны из воды с повышенной жесткостью осаждаются соли кальция и магния, снижающие их теплопроводность. Это увеличивает затраты топливных средств, загрязняет атмосферу вредными веществами, уменьшает работу самих агрегатов. Осадки из солей кальция и магния могут полностью перекрыть внутреннее пространство трубопровода, привести к местному перегреванию, ускорить коррозионные процессы стенок агрегатов и привести к сбоям в работе и авариям. Кроме того, соли кальция и магния отрицательно воздействуют на бетонные конструкции (магнезиальная коррозия бетона, сульфатная коррозия бетона) и конструкции из стали. Если сооружение стальное, то на металлических поверхностях под действием «жестких» солей проходят такие электрохимические реакции, которые ускоряют коррозию и вызывают разрушение конструкций [3, 9-12]. Таким образом, по результатам выполненных анализов можно рекомендовать использование природной воды из всех исследуемых природных источников, но после ее умягчения. Для умягчения воды используют следующие методы: диализ, термический, реагентный, ионообменный, комбинированный. В зависимости от качества воды, которую необходимо умягчить, выбирают тот или иной указанный способ. Например, воду из объектов № 1, 2, 3, 7 (см. табл. 1) следует непродолжительное время прокипятить, что устранит ионы Са2+, а воду из Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 46 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Таблица 1 Результаты расширенного анализа природных вод Самарской области № п/п Источник Жобщ., мл-экв/л Са2+, мг-экв/л Mg2+, мг-экв/л Fe3+, мг/л Cl-, мг/л SO4 2-, мг/л HCO3-, мг/л П.О. 1 Самарская обл., Челновершинский р-н, пос. Соловецкий (колодец) 16,0 11,98 4,03 0,012 149 30 610 4,6 2 Самарская обл., г.о. Новокуйбышевск (кран в доме) 21,0 15,7 5,3 - 184 25 210 5,7 3 Самарская обл., Безенчукский р-н, с. Васильевка (колодец) 15,8 10,9 4,9 0,01 150 120 320 4,5 4 Самарская обл., Красноярский р-н, с. Старая Бинаратка (родник) 5,0 1,9 3,1 0,024 78 10 329 7,4 5 Самарская обл., г.о. Новокуйбышевск (озеро) 15,0 8,58 6,42 0,24 191 44 244 6,0 6 Самарская обл., Нефтегорский р-н, с. Семеновка - - - 0,052 71 42 - 14,1 7 Самарская обл., г.о. Самара, пос. Мехзавод (артезианский источник) 18,5 12,0 6,5 - - - - 22,37 8 Самарская обл., Сергиевский р-н, с. Елховка 8,2 4,2 4,0 - 140 70 - 48,7 Таблица 2 Результаты анализа природных вод на жесткость, ионы кальция и магния и рН среды № п/п Источник рН Жобщ., °Ж Са2+, мг-экв/дм3 Mg2+, мг-экв/дм3 1 Самарская обл., г. Самара, Красноглинский р-н, пос. Управленческий (кран в доме) 6,21 15,0 5,7 9,3 2 Самарская обл., Красноярский р-н, с. Малая Царевщина (скважина 22 м) 6,19 5,0 2,8 2,2 3 Самарская обл., с. Камышла (скважина 27 м) 5,25 5,5 2,0 3,5 4 Самарская обл., Шенталинский р-н, с. Семеново-Шарла (кран в доме) 6,1 12,4 5,3 7,1 5 Самарская обл., Волжский р-н, с. Белозерки (скважина 8 м) 5,6 16,9 10,5 6,4 6 Пензенская обл., Сосновоборский р-н («Максимкин родник») 3,6 3,1 0,9 2,2 7 Пензенская обл., пос. Березкино (водопроводная вода) 5,22 6,0 1,5 4,5 8 Самарская обл., пос. Журавли (колодец 5 м) 6,04 11,5 5,5 6,0 9 Самарская обл., г.о. Самара, Красноглинский р-н, 19-й км 5,05 8,6 6,8 1,8 10 Самарская обл., Волжский р-н, пос. Березки (колодец 15 м) 5,66 22,6 12,0 10,6 11 Самарская обл., пос. Новосемейкино (скважина 100 м) 5,52 11,6 6,0 5,6 12 Самарская обл., г. Самара, Куйбышевский р-н, Сухая Самарка 5,02 15,6 11,9 3,7 13 Самарская обл., Кошкинский р-н (родник «Белый ключ») 5,47 6,9 2,8 4,1 14 Самарская обл., Кинельский р-н, с. Чубовка (родник) 6,0 8,1 3,1 5,0 С. А. Минкина, Л. Л. Негода, Т. С. Курмаева 47 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 объектов № 4, 5, 8 (см. табл. 1) необходимо подвернуть более длительному кипячению (около пяти минут), для удаления ионов Mg2+ [2, 3, 11]. Нормальная эксплуатация водогрейных котлов протекает при остаточной жесткости воды, равной 0,1 мг-экв/л. Для паровых котлов этот показатель составляет 0,02 мг-экв/л. Из перечисленных методов ионообменный, комбинированный и диализ позволяют выполнить глубокое умягчение воды, получить остаточную жесткость 0,01 мг-экв/л и ниже. Диализ применяется при общей жесткости (Ж0) меньше или равной 10 мг-экв/л и мутности исходной воды до 2,0 мг/л. Этот метод обеспечивает глубокое умягчение, но его применение ограничено требованиями по общей жесткости и мутности воды, а также он является дорогостоящим (на стадии установки и эксплуатации). При диализе исходная вода фильтруется через полупроницаемые мембраны. В ионообменном методе применяется Na-катионирование одноступенчатое или двухступенчатое, Н-катионирование, Н-Na-катионирование (последовательное, параллельное). Ионообменный метод используется при Ж0 ≤ 15,0 мг-экв/л, мутности исходной воды до 8 мг/л. Реагентный метод очистки воды обеспечивает остаточную жесткость воды до 0,7 мг-экв/л, применяется при Ж0 = 5-30 мг-экв/л и более и мутности воды до 500 мг/л. Может быть использован как I ступень умягчения воды из артезианских скважин, так как не обеспечивает необходимую глубину умягчения по остаточной жесткости. Для умягчения воды с высокой общей жесткостью, карбонатной жесткостью (Жк), высоким содержанием взвешенных веществ используется комбинированный метод. При эксплуатации отечественных водотрубных паровых котлов выбор схемы умягчения зависит от сухого остатка исходной воды и карбонатной жесткости, водогрейных котлов - от общей жесткости и сухого остатка исходной воды [4, 6, 13-15]. Для отечественных и импортных жаротрубных паровых котлов выбор схемы умягчения зависит от величины водородного показателя (рН) и общей жесткости воды, водогрейных котлов - карбонатной жесткости и водородного показателя. Результаты химического анализа воды на общую и карбонатную жесткость до умягчения и после него по обследуемым источникам представлены в табл. 3. Анализ полученных результатов после умягчения воды с высокой общей жесткостью (Ж0 > 30 мг-экв/л) позволяет сделать вывод, что использование в данном случае только ионообменного способа является недостаточным, так как не обеспечивает необходимую остаточную жесткость воды для работы паровых и водогрейных котлов. Из табл. 1 видно, что использование в качестве фильтрующей загрузки катионита KJ-2-8 является более эффективным по сравнению с анионитом АН-31. По результатам оценки эффективности рассмотренных способов умягчения воды Таблица 3 Показатели качества воды № п/п Место отбора До умягчения воды После умягчения воды Ж0, мг-экв/л Жк, мг-экв/л Сухой остаток, мг/л рН Остаточная жесткость, мг-экв/л Анионит, Ан-31 Катионит, KJ-2-8 1 Яблоневый овраг (скважина) 35,0 1,67 - - 1,8 0,90 2 Г. Новокуйбышевск 30,73 4,07 - - 2,40 0,60 3 Г. Казань 20,3 5,23 - - - - 4 Г. Самара (Кошелев) 41,0 - - - 1,6 0,80 5 Г. Чапаевск 18,6 4,7 1505 7,28 - - 6 Красный Яр (скважина) 14,3 9,6 1032 7,31 - - 7 Пос. Алексеевка 19,0 10,2 1457 7,32 - - Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 48 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ (см. табл. 3) и их обратной интерполяции могут быть сформулированы следующие рекомендации применительно к водоподготовке для котлов и тепловых сетей: - при общей жесткости воды менее 10 мг-экв/л рекомендуется ее умягчение ионообменным способом (одноступенчатым для водогрейных котлов и тепловых сетей и двухступенчатым для паровых котлов); - при общей жесткости воды от 10 до 20 мг-экв/л рекомендуется применение ионообменного метода (H-Na-катионирование) или комбинированного метода; - при общей жесткости воды более 20 мг-экв/л рекомендуется применение комбинированного метода. Комбинированный метод умягчения должен включать: на I ступени - реагентную очистку, на II ступени - доумягчение ионообменным методом или диализом [3, 8, 11, 16, 17].

About the authors

Svetlana A. MINKINA

Samara State Technical University

Email: minkina.svetlana2011@yandex.ru

Larisa L. NEGODA

Samara State Technical University

Email: negll@yandex.ru

Tatyana S. KURMAYEVA

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: tatianasb@yandex.ru

References

Supplementary files