Системы удаления нитратов из воды, Clack Corporation, USA, Львов

Фильтры этого класса предназначены главным образом для удаления из воды нитратов, находящихся в растворенном состоянии.

Содержание нитратов в питьевой воде регламентируется требованиями нормативных документов и для большинства стран, в том числе для Украины, не должно превышать 50 мг/л. Для воды, используемой в процессах приготовления напитков, требования к содержанию нитратов еще жестче, оно должно составлять 10 мг/л. Это обусловлено тем, что высокое содержание нитратов в питьевой воде представляет серьезную опасность для здоровья человека. Содержание нитратов в воде, используемой для центрального водоснабжения с поверхностным или артезианским водозабором, обычно не превышает 10 мг /л. Однако в воде мелководных артезианских скважин (колодцев) оно может достигать 300 мг/л и более. Источником загрязнения воды нитратами является проникновение в почвенные воды промышленных отходов: стоков животноводческих предприятий, удобрений, отходов военной промышленности и др. В такой ситуации источники водозабора необходимо обеспечивать установками для очистки воды от нитратов.

Для удаления нитратов из воды, как правило, применяют сорбционный метод, основанный на использовании высокоосновных анионитов. Высокоосновные аниониты способны поглощать из воды нитратионы в обмен на хлоридионы. Технология очистки воды при этом достаточно проста. Нитратсодержащую 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.

• 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 фильтра

• 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 фильтре, поскольку при этом в фазе катионита образуются труднорастворимые соединения на стадии регенерации, что обусловливает снижение его емкости. Концентрация нитратионов при использовании этого метода может быть снижена более чем на 90%. Однако при использовании указанного метода одновременно с нитратами поглощаются сульфаты, десорбируются хлориды. Сродство стандартных высокоосновных анионитов к нитратам всегда ниже, чем к сульфатам. Ряд селективности для названных анионов выглядит так: SO4 2 > NO3 > Cl > HCO3. При этом часть емкости смолы расходуется на сульфаты, а по мере заполнения функциональных групп нитраты вытесняются сульфатами, и их концентрация в воде повышается до уровня, превышающего исходный. В настоящее время существуют специальные нитратселективные аниониты, сродство которых к нитратам выше, чем к сульфатам. Такие аниониты содержат триэтиламмониевые функциональные группы, в отличие от стандартных анионитов, содержащих триметиламмониевые группы. Эти аниониты, так же, как стандартные, поглощают не только нитраты, но и сульфаты, гидрокарбонаты, хлориды, но для них ряд селективности выглядит так: NO3 > SO4 2 > Cl > HCO3. Типичные относительные выходные кривые, описывающие процесс сорбции нитратов и сульфатов подобными анионитами, свидетельствуют, что использование нитратселективных анионитов исключает возможность увеличения концентрации нитратов в очищенной воде выше исходной. Однако эти аниониты характеризуются более низ кой полной обменной емкостью (ПОЕ) и более высокой стоимостью, чем стандартные, что делает процессы, основанные на их использовании, более затратными. Приведены данные о емкостных характеристиках стандартного и нитратселективного анионитов при поглощении нитратов из вод с различным соотношением нитратов и сульфатов. Анализ данных показывает, что рабочая емкость нитратселективного анионита по нитратам (ЕNO3), как и доля функциональных групп, занятая нитратами (?NO3), мало зависит от соотношения нитратов и сульфатов в исходной воде, в то время как значения этих показателей для стандартного анионита увеличиваются с увеличением доли нитратов в воде и значения соотношения СNO3: СSO4 2. Так, при содержании сульфатов в исходной воде, вдвое превышающем содержание нитратов, рабочая емкость нитратселективного анионита по нитратам на 18% выше, чем стандартного, а при содержании сульфатов в исходной воде вдвое ниже содержания нитратов – на 17% ниже. При равном содержании сульфатов и нитратов в исходной воде сорбционные способности обоих типов анионитов практически совпадают. Таким образом, тип анионита для очистки воды от нитратов выбирают на основании информации о содержании в исходной воде нитратов и сульфатов:

• если содержание сульфатов не превышает содержание нитратов, целесообразно использовать стандартные высокоосновные аниониты;

• если концентрация сульфатов превышает концентрацию нитратов, более целесообразно применять нитратселективные аниониты.

При этом рабочая емкость нитратселективных анионитов по нитратам составляет не более 40% от ПОЕ и мало зависит как от концентрации нитратов в исходной воде, так и от концентрации иных анионов. Использование стандартных анионитов для очистки воды от нитратов чревато возможностью скачкообразного увеличения их содержания в очищенной воде. Во избежание возникновения такой ситуации необходимо правильно рассчитывать продолжительность фильтроцикла и неукоснительно придерживаться расчетных параметров при эксплуатации водоочистных установок. Для расчета продолжительности фильтроцикла необходима информация о величине рабочей емкости анионита. Определить точно эту величину без проведения специальных исследований практически невозможно. К сожалению, для случая очистки воды от нитратов отсутствуют и рекомендации фирмпроизводителей анионитов. С учетом этого мы попытались выявить основные закономерности процессов разделения анионов на стандартных высокоосновных анионитах при сорбции нитратов из воды разного состава и предложить методику расчета их рабочей емкости по нитратам. Для этого нами была проведена серия экспериментов с использованием четырех широко распространенных высокоосновных стандартных анионитов с однородным гранулометрическим составом, различным размером гранул, содержанием дивинилбензола, количеством и типом функциональных групп. Общими для всех исследованных анионитов были такие характеристики, как природа матрицы стиролдивинилбензол и ее структура – гелевая. Эксперименты проводили на лабораторной установке в условиях, моделирующих сформулированные выше требования эксплуатации стандартных установок очистки воды от нитратов. Результаты экспериментов показали, что, независимо от соотношения нитратов и сульфатов в исходном растворе, доля емкости анионита, занятая нитратами и сульфатами, в момент проскока по нитратам составляет около 80% от ПОЕ. Эта величина не зависит от суммарной концентрации нитратов и сульфатов в исходном растворе и концентрации в нем других анионов и является близкой для всех исследованных анионитов. Кроме того, установлено, что доля функциональных групп, занятых нитратами, в момент проскока по нитратам составляет 90% от доли нитратов в суммарном содержании сульфатов и нитратов в исходной воде. Изложенные соображения могут быть выражены следующим управлением: ЕNO3 + ESO4 = 0,8 ПОЕ (1), где ЕNO3 ЕSO4 – рабочие емкости анионита по нитратам и сульфатам в момент проскока по нитратам, мг_экв/мл, ЕNO3 / (ENO3 + ESO4)= 0,8 CNO3 исх./ (CNO3 исх. + CSO4 исх.), (2), где CNO3 исх., CSO4 исх. – концентрация нитратов и сульфатов в исходном растворе, мг экв/л. Совершив простые преобразования, получаем: ENO3 = 0,64 ПОЕ * CNO3 исх./ (CNO3 исх. + CSO4 исх.)