Современные технологии и производство
Энциклопедия
Как получают питьевую воду
Сколько воды на земном шаре?
1500 000 000 000 000 000 м3. Это значит, что на каждого жителя планеты приходится в среднем 500 млн. м3 воды - целое море. Однако - странная вещь! - воды не хватает. Летом она часами не идет из водопроводных кранов Нью-Йорка и Рима, а в такой стране, как Кувейт, вода дороже нефти.
Чем же объяснить жажду человечества при таких невероятных запасах влаги? Оказывается, что 94% воды земного шара - это соленая вода морей и океанов, ее пить нельзя, 1,6% - "законсервировано" в ледниках и лишь 4,4% всех водных запасов представляет собой пресную воду рек и озер.
Может быть, людям и хватило бы этих 4,4 % пресной воды, но природа распределила ее по земному шару крайне неравномерно.
Недостатком пресной воды, ее неравномерным распределением на земном шаре и определяется водный кризис - одна из важнейших проблем человечества. И она становится все более острой в связи с ростом промышленности. Чтобы получить тонну резины, надо израсходовать 2,5 тыс. м3 воды, тонну никеля -4000 м3, капрона - 5000 м3. А целлюлозно-бумажный комбинат расходует столько же воды, сколько население крупного города. Тысячи миллиардов кубометров воды ежегодно расходует сельское хозяйство (см. т. 1 ДЭ, ст. "Вода и человечество").
Откуда же люди берут воду? Сегодня в основном из рек и озер.
Вода приходит в дом
Можно ли пить сырую воду из водопроводного крана? Ту самую, что пришла к вам в дом из рек и озер? Или ее нужно сначала прокипятить?
Ответ на этот вопрос такой: можно. В водопроводной воде, которую мы с вами пьем, болезнетворных микробов нет.
Питьевая вода не имеет запаха, бесцветна, и, кроме того, она вкусная. Все эти свойства водопроводной воды предусмотрены Государственным стандартом.
По Государственному стандарту (ГОСТу) СССР в питьевой воде может находиться не более 2 мг/л, взвешенных веществ, а это всего две части на 1 млн.
И это закон для питьевой воды. Но взвешенные вещества не только портят вкус воды, в них прячутся и болезнетворные бактерии. Поэтому в СССР намечают сократить количество взвесей в питьевой воде еще в 2 раза.
ГОСТ устанавливает количество железа в питьевой воде, чтобы она не имела вяжущего привкуса и не оставляла желтых пятен на ваннах и раковинах, ГОСТ устанавливает, сколько в питьевой воде должно быть фтора, мышьяка, цинка.
Однако такую чистую воду в нашей стране стали получать сравнительно недавно, только в XX в. Раньше в России воду подавали в города почти без всякой очистки, хотя, по свидетельству газет прошлого века, вода в Москве и Петербурге в местах водозабора была очень грязной. В 1882 г. даже вышел указ, запрещавший движение пароходов по Екатерининскому каналу в Петербурге: власти опасались, что брызги от пароходных колес могут попасть на пассажиров и заразить их тифом.
Как же получают питьевую воду? Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем небольшое путешествие -проследим путь воды от реки к крану.
Некоторые из вас, очевидно, спросят, а почему воду берут именно из реки, когда подземные воды гораздо чище поверхностных. Часто их можно пить без всякой очистки. Это верно, но запасы подземных вод ограниченны и используют их для водоснабжения редко. Крупные города снабжаются водой из рек и водохранилищ, а поэтому необходима очистка воды. Процесс этот очень трудоемкий.
Речную воду прежде всего направляют на водопроводную, или очистную, станцию - громадный завод, вырабатывающий чистую воду. Но прежде чем вода дойдет до станции, она поступает в специальные водоприемники.
Это колодцы, но не такие, какие вы видели в деревне, а современные, промышленные. Каждый колодец состоит из железобетонной камеры, передняя стенка которой выходит непосредственно в русло реки. Вода поступает в водоприемник через входные окна, расположенные в передней стенке, и забирается насосами через всасывающие трубы. Входные окна водоприемников оборудованы решетками и сетками, чтобы сразу очистить воду от крупных предметов, планктона, водорослей. Часто водоприемники делают круглыми, их диаметр бывает равен 25-30 м.
Насосы, которые забирают воду из реки, называются насосами I подъема. Они подают воду на первое сооружение водопроводной станции - смеситель.
Схема снабжения города водой:
1 - водоем,
из которого берут воду для города ; 2 - смеситель;
3 - камера
хлопьеобразо-вания; 4 - отстойник;
5 - фильтр; в - резервуар для чистой
воды.
Коагулянты - химические добавки, которые заставляют мельчайшие взвешенные вещества слипаться между собой и выпадать в осадок.
Смеситель - это железобетонный резервуар, где вода с помощью пропеллеров перемешивается со специальными химическими добавками - коагулянтами. Коагулянты заставляют мельчайшие взвешенные вещества слипаться между собой - образуются тяжелые крупные хлопья. Но в самом смесителе реакция не идет - речная вода еще только перемешивается с коагулянтами. Хлопья вызревают в следующем сооружении, которое так и называется камерой хлопъеобразования. В смесителе вода находится 1-2 мин, а в камере хлопьеобразования она задерживается на 30 мин. За это время хлопья успевают образоваться во всем объеме воды.
А в следующем сооружении - отстойнике, похожем на дорожку в плавательном бассейне, эти хлопья под действием силы тяжести выпадают на дно, а сверху остается очищенная вода.
Но и эту воду пить нельзя. В ней много взвешенных веществ. Поэтому воду пропускают еще и через фильтры - громадные железобетонные ящики с песком и антрацитом.
Фильтры стоят в ряд в огромном, просторном зале. Все сотрудники станции подходят к фильтрам только в белых халатах. Воду льют сверху, она проходит через антрацит, который задерживает частицы покрупнее, а затем через песок - в нем остаются совсем мелкие частицы. Фильтры полностью автоматизированы. Когда фильтр загрязняется, он сам автоматически отключается на промывку, а после промывки сам начинает работать.
После фильтра вода внешне от водопроводной не отличается, но пить ее все равно еще нельзя: часть микробов проходит и через фильтр. Воду необходимо обеззараживать. Для этого на большинстве водопроводных станций используют газообразный хлор: он убивает в воде бактерии и тем самым завершает обработку речной воды. Контакт воды с хлором происходит в специальном контактном резервуаре. Но этот способ имеет существенный недостаток: вода приобретает запах хлора.
В поисках более удобного способа обеззараживания питьевой воды инженеры обратили внимание на газ озон - Оз. Озон не только, как и хлор, уничтожает бактерии и микроорганизмы, но и лишает воду неприятных запахов.
Существуют разные конструкции озонаторов, но все они в принципе устроены одинаково и состоят из множества ячеек. Каждая из ячеек представляет собой расположенные на небольшом расстоянии друг от друга электроды: один находится под высоким напряжением, а второй заземлен. Между электродами возникает электрический разряд, и в его поле из воздуха образуется озон. Затем озон смешивают с водой. Очищенная озоном вода по вкусу, запаху и другим свойствам намного превосходит воду, обеззараженную хлором.
Вода обеззаражена. Теперь ее можно пить. Но для этого ее надо сначала переправить с водопроводной станции в ваши дома.
С водопроводной станции воду забирают и отправляют в город с помощью насосов. Они обычно стоят в одном здании и образуют целую насосную станцию II подъема.
Озонатор. Между электродами озонатора возникает электрический разряд, и в его поле из воздуха образуется озон. Озон обеззараживает воду: 1 - пылеуловитель; 2 - газодувка; 8 - колонка для осушки воздуха; 4-озонатор; 5 - смеситель; в - резервуар.
Установлено, например, что каждый житель Москвы получает в день в среднем 400 л воды. Однако известно также, что население городов потребляет воду неравномерно: утром, например, когда большая часть людей умывается и готовит завтрак, воды расходуется гораздо больше, чем в середине дня. Инженеры заметили даже, что потребление воды в городе резко снижается во время крупных футбольных матчей, когда тысячи болельщиков сидят на трибунах и у телевизоров.
Чтобы в часы "пик", когда расходуется особенно много воды, люди не испытывали недостатка в ней, в водопроводную сеть включают водонапорную башню. Там вода накапливается в часы, когда потребление падает, и подается к потребителям в часы "пик". Правда, чем город больше, тем меньше заметны "пики" и спады в потреблении воды. Поэтому в крупных городах СССР водонапорных башен обычно не строят. Там вода накапливается в специальных резервуарах на очистной станции. Когда воды расходуется особенно много, на очистной станции включают дополнительные насосы, и запасы воды из резервуаров поступают к потребителям.
Водопроводная сеть города очень сложна. Насосы день и ночь гонят воду по водопроводам в городскую водопроводную сеть - весь город испещрен паутиной подземных труб. К ним присоединяются тонкие вертикальные трубы, вделанные в стены домов. Под давлением, которое создают далекие насосы станции II подъема, вода поднимается по этим трубам на все этажи зданий... Стоит открыть кран - и из него бежит струя чистой воды. Пьем и не думаем о том, что она пришла к нам в дом из реки или озера.
Однако, как мы знаем, источники пресной воды имеются далеко не везде. Есть места на земном шаре, где людей окружают только соленые воды морей и океанов. И поэтому перед человечеством встает вопрос: как сделать соленую воду пресной?
Как сделать соленую воду пресной
Существует много методов опреснения соленой воды. Один из них - дистилляция - издавна известен людям. Если нагревать морскую воду, а пар охлаждать, то из пара получится пресная вода. На этом и основан принцип дистилляции.
Простейший опреснитель-дистиллятор состоит из котла, где нагревается до кипения морская вода, и холодильника, где конденсируется выделяющийся пар. При этом для охлаждения пара используется соленая вода, которая затем идет на опреснение. Пар подогревает охлаждающую его соленую воду, а тем самым частично используется тепло, израсходованное на опреснение воды.
Единственный в мире город, снабжаемый только опресненной водой,- это город Шевченко, расположенный на безводном полуострове Мангышлак в Каспийском море. Пресную воду городу дает опреснитель-дистиллятор. Сегодня у такого опреснителя один большой недостаток - его вода слишком дорога. Ведь чтобы испарить воду для целого города, надо иметь громадное количество топлива - угля и электричества, а они очень дороги.
С переходом установки на ядерное горючее вопрос отчасти решен: 1 кг ядерного горючего заменяет тысячи тонн угля. Установка двухцелевая: тепло атомного реактора не только опресняет воду Каспия, но дает еще и электроэнергию.
Но и эта вода дороже речной.
Существуют и другие методы опреснения. Например, в жарких странах можно опреснять воду солнечным теплом. Для этого строят похожие на парники солнечные опреснители - бассейны с крышами из прозрачного материала. Бассейн заполняют соленой водой, которая начинает испаряться под действием солнечных лучей. Но уйти пару некуда -бассейн закрыт двухскатной стеклянной крышей. Пар конденсируется на внутренней стороне крыши, и пресная вода стекает по наклонному желобу.
Так опресняют воду на юге. А что делать, если пресной воды не хватает на севере? Оказывается, что здесь ее можно получить из... льда. Пресная вода замерзает раньше соленой. Бели замораживать соленую воду, то произойдет ее разделение на лед, образовавшийся из пресной воды, и рассол. Потом лед извлекают и растапливают - получается пресная вода.
Схема опреснителя-дистиллятора, в котором получают пресную воду: 1 -котел; 2- насос; 3 - холодильник.
Опреснение методом электродиализа. Под действием электрического тока ионы солей начинают двигаться : положительные - к катоду, а отрицательные к аноду.
Осмотическое давление. Если между соленой и пресной водой поставить полупроницаемую перегородку, то молекулы воды начнут переходить из пресной воды в соленую: 1 - пресная вода; 2-соленая вода; 3 - полупроницаемая мембрана.
Схема гиперфильтрационной установки. Соленая вода подается в установку под давлением, фильтруется сквозь мембраны, и опресненная вода вытекает из пористых труб в лоток: 1 - пористая труба из стеклопластика; 2 - насос; 3 - мембрана; 4 -резервуар для опресненной воды.
Ученые предлагают немало и других способов опреснения воды. В томе 3 ДЭ, в статье "Удивительная судьба одного простого открытия", рассказывается, например, об опреснении с помощью ионообменных смол.
Можно использовать для этой цели также электроэнергию. Ведь если в сосуде с соленой водой создать электрическое поле, то ионы солей начнут двигаться согласно знаку своего заряда: положительные - к катоду, а отрицательные - к аноду, в середине останется опресненная вода. А чтобы задержать ионы солей у катода и анода, сосуд делят на 3 части полупроницаемыми ионитными перегородками. Ионитные перегородки из катионита не пропускают анионов, но пропускают катионы. Анионитовые перегородки пропускают анионы, но непроницаемы для катионов. В результате большая часть катионов перемещается в катодное пространство, анионов - в анодное, а в середине остается опресненная вода.
Но особое внимание ученых привлекает метод опреснения соленой воды, который называется гиперфильтрацией.
Возьмите морковку. Отрежьте от нее зеленый хвостик и вставьте в морковку стеклянную трубку. Если теперь налить в трубку морскую воду и поставить морковку в стакан с водопроводной водой острием вниз, то спустя некоторое время вы заметите, что уровень воды в трубке начнет ползти вверх. Пресная и соленая вода отделены друг от друга полупроницаемой мембраной (морковкой), которая пропускает молекулы воды, но задерживает частицы растворенных солей. В единице объема пресной воды молекул больше, чем в единице объема соленой воды: там какое-то место занимают растворенные соли. Поэтому молекулы пресной воды чаще ударяются в мембрану. Следовательно, давление со стороны пресной воды будет больше. Избыточное давление заставляет молекулы воды проникать сквозь полупроницаемую мембрану в соленую воду. Это явление носит название осмоса, а избыточное давление со стороны менее концентрированного раствора называют осмотическим давлением. Если с одной стороны мембраны налита океанская вода, содержащая 35 г солей на 1 л, а с другой - дистиллированная, то осмотическое давление составит 2,4 МПа.
А что будет, если со стороны соленой воды искусственно создать избыточное давление, превышающее осмотическое? Тогда вода будет проникать через мембрану в обратном направлении, концентрация соленого раствора повысится, а по другую сторону станет накапливаться опресненная вода. На этом явлении и основан метод гиперфильтрации, который еще называют и методом обратного осмоса.
Механизм происходящих при этом явлений еще не совсем ясен. Одна из гипотез, подтверждающаяся экспериментальными данными, состоит в том, что через поры мембраны проходят молекулы воды, а ионы солей, "обвешанные" со всех сторон молекулами воды, не проходят - они слишком велики. Мембрана, таким образом, работает как сито, которое отсеивает соли и пропускает воду. Этой гипотезе новый метод и обязан своим названием гиперфильтрационного: фильтрация происходит здесь сквозь такие мембраны, поры которых соизмеримы с размерами молекул воды (в отличие от обычного в практике водоснабжения фильтрования через песок и другие крупнопористые материалы). Испытания показали, что больше всего при гиперфильтрации задерживаются ионы кальция и сульфатные ионы -до 90%.
И может быть, с помощью гиперфильтрации суждено напоить жаждущие степи Туркмении, Казахстана и Прибалхашья, где под землей хранятся неограниченные запасы сульфатных солоноватых вод, а пресной воды почти нет.
2i.SU ©® 2015