В процессе проектирования технологической схемы химической водоподготовки (ХВО) с использованием автоматического фильтра умягчения методом Na-катионирования в пояснительной записке обязательно должна содержаться информация об объёме сточных вод, концентрации и массе загрязнений, сбрасываемых вместе с ними в городской коллектор или на рельеф местности.
С целью формализации расчёта загрязнений в сточных водах от Na-катионитового фильтра приняты допущения: в исходной воде, поступающей на умягчение, отсутствуют взвешенные вещества, железо и марганец; в процессе умягчения из исходной воды полностью удаляются ионы кальция Са2+ и магния Mg2+.
При умягчении воды методом Na-катионирования в молекулярной структуре сильнокислотного катионита происходит замена ионов натрия Na+ на ионы жёсткости общей Са2+ и Mg2+, содержащиеся в умягчаемой воде. Процесс Na-катионирования в общем виде может быть описан следующими уравнениями:
2Na[К] + Ca(А1)2 →← Ca[К]2 + 2NaА1; (1)
2Na[К] + CaА2 →← Ca[К]2 + Na2А2; (2)
2Na[К] + Mg(А1)2 →← Mg[К]2 + 2NaА1; (3)
2Na[К] + MgА2 →← Mg[К]2 + Na2А2, (4)
где [К] — нерастворимая матрица полимера (сильнокислотного катионита); Аi — отрицательно заряжённые ионы (анионы), содержащиеся в исходной воде; i — валентность анион-иона.
При исчерпании рабочей обменной ёмкости (РОЕ) фильтра умягчения он выводится из режима сервиса (умягчения) в режим регенерации. Регенерация фильтра состоит из нескольких этапов: обратная промывка, «засаливание» (обработка реагентом), прямая промывка и заполнение реагентного бака. На этапе «засаливание» производится обработка фильтрующей ионообменной загрузки раствором хлорида натрия NaCl. При этом ионы натрия Na+ выбивают из молекулярной структуры сильнокислотного катионита задержанные ионы Са2+ и Mg2+ и занимают своё законное место, вновь переводя катионит в натриевую форму. Процесс регенерации описывается уравнениями:
Ca[К]2 + 2NaCl →← 2Na[К] + CaCl2; (5)
Mg[К]2 + 2NaCl →← 2Na[К] + MgCl2. (6)
Из формул (5), (6) следует, что в промышленные стоки автоматического фильтра умягчения в процессе регенерации поступают хлорид кальция CaCl2 и хлорид магния MgCl2. При этом суммарное количество ионов Са2+ и Mg2+ принимается равным рабочей обменной ёмкости (РОЕ) установки умягчения, численное значение которой должно быть приведено в паспорте на установку, например в [1]. Согласно [2], общая жёсткость природной воды может быть вычислена по формуле:
Жо = ЖCa + ЖMg, (7)
где Жо — общая жёсткость, °Ж (мг-экв/л); ЖCa — кальциевая жёсткость, мг-экв/л; ЖMg — магниевая жёсткость, мг-экв/л.
Кальциевая жёсткость определяется:
ЖCa = CCa/20, (8)
а магниевая жёсткость как:
ЖMg = CMg/12, (9)
где CСa и CMg — концентрации ионов Са2+ и Mg2+ в исходной воде, соответственно, мг/л; 20 — концентрация кальция, численно равная половине его моля, выраженная в мг/д м³ (г/м³); 12 — концентрация магния, численно равная половине его моля, выраженная в мг/д м³ (г/м³) [3].
Доля кальциевой жёсткости ЖCa в составе общей жёсткости Жо вычисляется:
КСa = ЖCa/Жо, (10)
доля магниевой жёсткости ЖMg в составе общей жёсткости Жо — по формуле:
КMg = ЖMg/Жо. (11)
Проверку правильности расчётов, выполненных по формулам (8)-(11), можно провести по формуле:
КСa + КMg = 1. (12)
Часть РОЕ, используемая на изъятие катионов кальция Са2+ в процессе умягчения воды, рассчитывается по формуле:
РОЕCa = РОЕКСa, (13)
где РОЕ — рабочая обменная ёмкость ионообменной смолы, загруженной в установку умягчения, г-экв; РОЕCa — часть РОЕ, используемая на изъятие катионов кальция Са2+, г-экв. Соответственно, часть РОЕ, используемая на изъятие катионов магния Mg2+ в процессе умягчения воды, рассчитывается по формуле:
РОЕMg = РОЕКMg, (14)
где РОЕMg — часть РОЕ, используемая на изъятие катионов магния Mg2+, г-экв.
Масса задержанных катионов Са2+ за один фильтроцикл умягчения может быть вычислена по формуле:
МСa = РОЕCa20, (15)
где МСa — масса задержанных катионов Са2+ в установке умягчения за один фильтроцикл, г. Соответственно, масса задержанных катионов Mg2+ за один фильтроцикл умягчения вычисляется как:
МMg = РОЕMg12, (16)
где МMg — масса задержанных катионов Mg2+ в установке умягчения за один фильтроцикл, г.
Если в процессе регенерации установки умягчения используется очищенная (умягчённая) вода, то средняя концентрация ионов кальция в промывной воде определяется по формуле:
СCaрег = МCa/Wрег, (17)
а средняя концентрация ионов магния:
СMрегg = МMg/Wрег, (18)
где СCaрег и СMрегg — средние концентрации ионов кальция и магния в промывной воде от установки умягчения, г/м³ (мг/л); Wрег — объём промстока (промывных вод), сбрасываемый за одну регенерацию установки умягчения в канализацию, м³. Значение Wрег также должно быть приведено в паспорте на установку умягчения, например, в [1].
Но в современных технологических схемах ХВО автоматические автономные фильтры умягчения в большинстве случаев промываются не очищенной (умягчённой), а исходной водой с концентрацией ионов кальция СCa и ионов магния СMg. Тогда средние концентрации ионов кальция и магния в промывной воде от установки умягчения рассчитываются по следующим формулам, соответственно:
СCaрег = ССa + МCa/Wрег; (19)
СMрегg = СMg + МMg/Wрег. (20)
Согласно формулам (5) и (6), для регенерации сильнокислотного катионита в натриевой форме используется раствор хлорида натрия NaCl. Доза реагента NaCl, расходуемая при проведении одной регенерации, для каждой конкретной установки умягчения указывается в её техническом паспорте, например, в [1].
С целью обеспечения устойчивого проведения процесса регенерации в одном направлении и сдвига химических реакций регенерации (5) и (6) вправо доза реагента NaCl принимается с избытком по сравнению со стехиометрическими уравнениями. Поэтому расчёты концентраций ионов натрия Na+ и хлорид-ионов Cl- в промстоке установки умягчения должны проводиться исходя из дозы реагента NaCl. Молекулярная масса NaCl рассчитывается по уравнению:
23 + 35,5 = 58,5, (21)
где 23 — масса атома натрия Na, а.е.м.; 35,5 — масса атома хлора Cl, а.е.м.
Доля ионов натрия Na+ в соединении NaCl составляет:
КNa = 23/58,5 = 0,393. (22)
Доля хлоридов Cl- в соединении NaCl составляет:
КCl = 35,5/58,5 = 0,607. (23)
По формуле (24) проводится проверка:
КNa + КCl = 1. (24)
Исходя из дозы реагента и выражения (22) можно найти массу ионов натрия в растворе реагента NaCl:
МNa = ДNaClКNa, (25)
где МNa — масса ионов натрия в растворе реагента NaCl, кг (г); ДNaCl — доза реагента NaCl на регенерацию, кг (г).
В процессе регенерации ионообменная смола забирает часть ионов натрия, масса которых может быть определена как:
МNaрег = РОЕ23, (26)
где МNaрег — масса ионов натрия, используемых на регенерацию ионообменной смолы, кг (г).
Не использованные в процессе регенерации ионы натрия направляются с промывными водами в канализацию. Масса избытка ионов натрия вычисляется как:
∆МNa = МNa — МNaрег, (27)
где ∆МNa — масса избытка ионов натрия, не принимающих участия в регенерации, то есть в процессе ионного обмена, кг (г).
Если при регенерации установки умягчения используется вода, не содержащая ионов натрия, то средняя концентрация ионов натрия в промывной воде рассчитывается по формуле:
СNaрег = ∆МNa/Wрег, (28)
где СNaрег — концентрация ионов натрия в промывной воде, г/м³ (мг/л).
Если при регенерации установки умягчения используется вода, содержащая ионы натрия, то средняя концентрация ионов натрия в промывной воде рассчитывается по формуле:
СNaрег = СNa + ∆МNa/Wрег, (29)
где СNa — концентрация ионов натрия в воде, используемой при регенерации установки умягчения, г/м³ (мг/л).
Массу хлорид-ионов в растворе реагента NaCl можно найти по формуле:
МCl = ДNaClКCl, (30)
где МСl — масса хлорид-ионов в растворе реагента NaCl, кг (г).
Если при регенерации установки умягчения используется вода, не содержащая хлорид-ионов, то средняя концентрация хлоридов в промывной воде рассчитывается по формуле:
СClрег = МCl/Wрег, (31)
где СClрег — средняя концентрация хлоридов в промывной воде, г/м³ (мг/л).
Если при регенерации установки умягчения используется вода, содержащая хлорид-ионы, то средняя концентрация хлоридов в промывной воде рассчитывается по формуле:
СClрег = CСl + МCl/Wрег, (32)
где CСl — концентрация хлоридов в воде, используемой при регенерации установки умягчения, г/м³ (мг/л).
Таким образом, представлены алгоритмы нахождения в промывной воде концентраций ионов Са2+, Mg2+, Na+ и Сl-. Концентрации других примесей, содержащихся в промывной воде, будут равны концентрациям этих примесей в воде, используемой при регенерации Na-катионитовых фильтров.
Выводы
1. Для расчёта концентраций загрязнений в промывной воде от Nа-катионитового фильтра необходимо знать рабочую обменную ёмкость фильтрующей загрузки, дозу реагента NaCl на одну регенерацию, объём сточных вод, образующихся при регенерации, а также концентрацию в исходной воде ионов кальция, магния, натрия и хлоридов.
2. Концентрации других примесей, содержащихся в промывной воде, будут равны концентрациям этих примесей в воде, используемой при регенерации фильтра.
