Як отримують питну воду
Сучасні технології і виробництво
Скільки води на земній кулі?
1500 000 000 000 000 000 м 3. Це означає, що на кожного жителя планети припадає в середньому 500 млн. М 3 води - ціле море. Однак - дивна річ! - води не вистачає. Влітку вона годинами не йде з водопровідних кранів Нью-Йорка і Риму, а в такій країні, як Кувейт, вода дорожче за нафту.
Чим же пояснити спрагу людства при таких неймовірних запасах вологи? Виявляється, що 94% води земної кулі - це солона вода морів і океанів, її пити не можна, 1,6% - "законсервовано" в льодовиках і лише 4,4% усіх водних запасів являє собою прісну воду річок і озер.
Може бути, людям і вистачило б цих 4,4% прісної води, але природа розподілила її по земній кулі вкрай нерівномірно.
Недоліком прісної води, її нерівномірним розподілом на земній кулі і визначається водна криза - одна з найважливіших проблем людства. І вона стає все більш гострою в зв'язку з ростом промисловості. Щоб отримати тонну гуми, треба витратити 2,5 тис. М 3 води, тонну нікелю -4000 м 3. капрону - 5000 м 3. А целюлозно-паперовий комбінат витрачає стільки ж води, скільки населення великого міста. Тисячі мільярдів кубометрів води щорічно витрачає сільське господарство (див. Т. 1 ДЕ, ст. "Вода і людство").
Звідки ж люди беруть воду? Сьогодні в основному з річок та озер.
Вода приходить в будинок
Чи можна пити сиру воду з водопровідного крана? Ту саму, що прийшла до вас в будинок з річок та озер? Або її потрібно спочатку прокип'ятити?
Відповідь на це питання така: можна. У водопровідній воді, яку ми з вами п'ємо, хвороботворних мікробів немає.
Питна вода не має запаху, безбарвна, і, крім того, вона смачна. Всі ці властивості водопровідної води передбачені Державним стандартом.
За Державним стандартом (ДСТ) СРСР у питній воді може знаходитися не більше 2 мг / л, завислих речовин, а це всього дві частини на 1 млн.
І це закон для питної води. Але зважені речовини не тільки псують смак води, в них ховаються і хвороботворні бактерії. Тому в СРСР намічають скоротити кількість суспензій у питній воді ще в 2 рази.
ГОСТ встановлює кількість заліза в питній воді, щоб вона не мала в'яжучого присмаку і не залишала жовтих плям на ваннах і раковинах, ГОСТ встановлює, скільки в питній воді повинен бути фтору, миш'яку, цинку.
Однак таку чисту воду в нашій країні стали отримувати порівняно недавно, лише в XX ст. Раніше вУкаіни воду подавали в міста майже без будь-якого очищення, хоча, за свідченням газет минулого століття, вода в Москві і Харкові в місцях водозабору була дуже брудною. У 1882 р навіть вийшов указ, який забороняв рух пароплавів по Катерининському каналу в Харкові: влада побоювалася, що бризки від пароплавних коліс можуть потрапити на пасажирів і заразити їх тифом.
Як же отримують питну воду? Щоб відповісти на це питання, зробимо невелику подорож -Простежити шлях води від річки до крану.
Деякі з вас, очевидно, запитають, а чому воду беруть саме з річки, коли підземні води набагато чистіше поверхневих. Часто їх можна пити без будь-якого очищення. Це вірно, але запаси підземних вод обмежені і використовують їх для водопостачання рідко. Великі міста забезпечуються водою з річок та водоймищ, а тому необхідне очищення води. Процес цей дуже трудомісткий.
Річкову воду насамперед направляють на водопровідну, або очисну, станцію - величезний завод, що виробляє чисту воду. Але перш ніж вода дійде до станції, вона надходить у спеціальні водоприймачі.
Це колодязі, але не такі, які ви бачили в селі, а сучасні, промислові. Кожен колодязь складається з залізобетонної камери, передня стінка якої виходить безпосередньо в русло річки. Вода надходить в водоприймач через вхідні вікна, розташовані в передній стінці, і забирається насосами через всмоктувальні труби. Вхідні вікна водоприймачів обладнані гратами і сітками, щоб відразу очистити воду від великих предметів, планктону, водоростей. Часто водоприймачі роблять круглими, їх діаметр буває дорівнює 25-30 м.
Насоси, які забирають воду з річки, називаються насосами I підйому. Вони подають воду на перше спорудження водопровідної станції - змішувач.
Схема постачання міста водою: 1 - водойма, з якого беруть воду для міста; 2 - змішувач; 3 - камера хлопьеобразо-вання; 4 - відстійник;
5 - фільтр; в - резервуар для чистої води.
Коагулянти - хімічні добавки, які змушують дрібні зважені речовини злипатися між собою і випадати в осад.
Змішувач - це залізобетонний резервуар, де вода за допомогою пропелерів перемішується зі спеціальними хімічними добавками - коагулянтами. Коагулянти змушують дрібні зважені речовини злипатися між собою - утворюються важкі великі пластівці. Але в самому змішувачі реакція не йде - річкова вода ще тільки перемішується з коагулянтами. Пластівці визрівають в наступному споруді, яка так і називається камерою хлоп'еобразованія. У змішувачі вода знаходиться 1-2 хв, а в камері хлопьеобразования вона затримується на 30 хв. За цей час пластівці встигають утворитися в усьому обсязі води.
А в наступному спорудженні - відстійнику, схожому на доріжку в плавальному басейні, ці пластівці під дією сили тяжіння випадають на дно, а зверху залишається очищена вода.
Але і цю воду пити не можна. У ній багато зважених речовин. Тому воду пропускають ще й через фільтри - величезні залізобетонні ящики з піском і антрацитом.
Фільтри стоять в ряд у величезній, просторому залі. Всі співробітники станції підходять до фільтрів тільки в білих халатах. Воду ллють зверху, вона проходить через антрацит, який затримує частинки побільше, а потім через пісок - в ньому залишаються зовсім дрібні частинки. Фільтри повністю автоматизовані. Коли фільтр забруднюється, він сам автоматично відключається на промивку, а після промивання сам починає працювати.
Після фільтра вода зовні від водопровідної не відрізняється, але пити її все одно ще не можна: частина мікробів проходить і через фільтр. Воду необхідно знезаражувати. Для цього на більшості водопровідних станцій використовують газоподібний хлор: він вбиває у воді бактерії і тим самим завершує обробку річкової води. Контакт води з хлором відбувається в спеціальному контактному резервуарі. Але цей спосіб має істотний недолік: вода набуває запах хлору.
У пошуках більш зручного способу знезараження питної води інженери звернули увагу на газ озон - Оз. Озон не тільки, як і хлор, знищує бактерії і мікроорганізми, а й позбавляє воду неприємних запахів.
Існують різні конструкції озонаторів, але всі вони в принципі влаштовані однаково і складаються з безлічі осередків. Кожна з комірок є розташовані на невеликій відстані один від одного електроди: один знаходиться під високою напругою, а другий заземлений. Між електродами виникає електричний розряд, і в його поле з повітря утворюється озон. Потім озон змішують з водою. Очищена озоном вода за смаком, запахом та іншим властивостям набагато перевершує воду, знезаражену хлором.
Вода знезаражена. Тепер її можна пити. Але для цього її треба спочатку переправити з водопровідної станції до ваших осель.
З водопровідної станції воду забирають і відправляють в місто за допомогою насосів. Вони зазвичай стоять в одній будівлі і утворюють цілу насосну станцію II підйому.
Озонатор. Між електродами озонатора виникає електричний розряд, і в його поле з повітря утворюється озон. Озон знезаражує воду: 1 - пиловловлювач; 2 - газодувки; 8 - колонка для осушення повітря; 4 озонатор; 5 - змішувач; в - резервуар.
Встановлено, наприклад, що кожен житель Москви отримує в день в середньому 400 л води. Однак відомо також, що населення міст споживає воду нерівномірно: вранці, наприклад, коли велика частина людей вмивається і готує сніданок, води витрачається набагато більше, ніж в середині дня. Інженери помітили навіть, що споживання води в місті різко знижується під час великих футбольних матчів, коли тисячі вболівальників сидять на трибунах і біля телевізорів.
Щоб в години "пік", коли витрачається особливо багато води, люди не відчували браку в ній, в водопровідну мережу включають водонапірну вежу. Там вода накопичується в години, коли споживання падає, і подається до споживачів у години "пік". Правда, чим місто більше, тим менше помітні "піки" і спади в споживанні води. Тому у великих містах СРСР водонапірних веж зазвичай не будують. Там вода накопичується в спеціальних резервуарах на очисній станції. Коли води витрачається особливо багато, на очисній станції включають додаткові насоси, і запаси води з резервуарів надходять до споживачів.
Водопровідна мережа міста дуже складна. Насоси день і ніч женуть воду по водопроводах в міську водопровідну мережу - все місто поцяткований павутиною підземних труб. До них приєднуються тонкі вертикальні труби, вправлені в стіни будинків. Під тиском, яке створюють далекі насоси станції II підйому, вода піднімається по цих трубах на всі поверхи будівель. Варто відкрити кран - і з нього біжить струмінь чистої води. П'ємо і не думаємо про те, що вона прийшла до нас в будинок з річки або озера.
Однак, як ми знаємо, джерела прісної води є далеко не скрізь. Є місця на земній кулі, де людей оточують тільки солоні води морів і океанів. І тому перед людством постає питання: як зробити солону воду прісної?
Як зробити солону воду прісної
Існує багато методів опріснення солоної води. Один з них - дистиляція - здавна відомий людям. Якщо нагрівати морську воду, а пар охолоджувати, то з пара вийде прісна вода. На цьому і заснований принцип дистиляції.
Найпростіший опріснювач-дистиллятор складається з котла, де нагрівається до кипіння морська вода, і холодильника, де конденсується виділяється пар. При цьому для охолодження пара використовується солона вода, яка потім йде на опріснення. Пар підігріває охолоджуючу його солону воду, а тим самим частково використовується тепло, витрачений на опріснення води.
Єдиний в світі місто, забезпечуються тільки опріснення водою, - це місто Шевченко, розташований на безводному півострові Мангишлак в Каспійському морі. Прісну воду місту дає опріснювач-дистиллятор. Сьогодні у такого опріснювача один великий недолік - його вода занадто дорога. Адже щоб випарувати воду для цілого міста, треба мати величезну кількість палива - вугілля і електрики, а вони дуже дорогі.
З переходом установки на ядерне пальне питання частково вирішено: 1 кг ядерного пального замінює тисячі тонн вугілля. Установка двухцелевой: тепло атомного реактора не тільки опріснювати воду Каспію, але дає ще й електроенергію.
Але і ця вода дорожче річковий.
Існують і інші методи опріснення. Наприклад, в жарких країнах можна опріснювати воду сонячним теплом. Для цього будують схожі на парники сонячні опріснювачі - басейни з дахами з прозорого матеріалу. Басейн заповнюють солоною водою, яка починає випаровуватися під дією сонячних променів. Але піти пару нікуди -басейн закритий двосхилим скляним дахом. Пар конденсується на внутрішній стороні даху, і прісна вода стікає по похилому жолобу.
Так опріснюють воду на півдні. А що робити, якщо прісної води не вистачає на півночі? Виявляється, що тут її можна отримати з. льоду. Прісна вода замерзає раніше солоної. Білі заморожувати солону воду, то станеться її поділ на лід, що утворився з прісної води, і розсіл. Потім лід витягають і розтоплюють - виходить прісна вода.
Схема опріснювача-дистилятора, в якому отримують прісну воду: 1 - котел; 2 насос; 3 - холодильник.
Опріснення методом електродіаліз. Під дією електричного струму іони солей починають рухатися. позитивні - до катода, а негативні до анода.
Осмотичний тиск. Якщо між солоною і прісною водою поставити напівпроникну перегородку, то молекули води почнуть переходити з прісної води в солону: 1 - прісна вода; 2-солона вода; 3 - напівпроникна мембрана.
Схема гіперфільтраціонной установки. Солона вода подається в установку під тиском, фільтрується крізь мембрани, і опріснення вода витікає з пористих труб в лоток: 1 - пориста труба зі склопластику; 2 - насос; 3 - мембрана; 4 - резервуар для опріснення води.
Вчені пропонують чимало й інших способів опріснення води. У томі 3 ДЕ, в статті "Дивовижна доля одного простого відкриття", розповідається, наприклад, про опріснення за допомогою іонообмінних смол.
Можна використовувати для цієї мети також електроенергію. Адже якщо в посудині з солоною водою створити електричне поле, то іони солей почнуть рухатися згідно знаку свого заряду: позитивні - до катода, а негативні - до анода, в середині залишиться опріснення вода. А щоб затримати іони солей у катода і анода, посудину ділять на 3 частини напівпроникними іонітні перегородками. Іонітні перегородки з катіоніту не пропускають аніонів, але пропускають катіони. Аніонітових перегородки пропускають аніони, але непроникні для катіонів. В результаті велика частина катіонів переміщається в катодного простір, аніонів - в анодное, а в середині залишається опріснення вода.
Але особливу увагу вчених привертає метод опріснення солоної води, який називається гиперфильтрацией.
Візьміть морквину. Відріжте від неї зелений хвостик і вставте в морквину скляну трубку. Якщо тепер налити в трубку морську воду і поставити морквину в стакан з водопровідною водою вістрям вниз, то через деякий час ви помітите, що рівень води в трубці почне повзти вгору. Прісна і солона вода відокремлені один від одного напівпроникною мембраною (морквою), яка пропускає молекули води, але затримує частинки розчинених солей. У одиниці об'єму прісної води молекул більше, ніж в одиниці об'єму солоної води: там якесь місце займають розчинені солі. Тому молекули прісної води частіше вдаряються в мембрану. Отже, тиск з боку прісної води буде більше. Надмірний тиск змушує молекули води проникати крізь напівпроникну мембрану в солону воду. Це явище носить назву осмосу, а надлишковий тиск з боку менш концентрованого розчину називають осмотичним тиском. Якщо з одного боку мембрани налита океанська вода, що містить 35 г солей на 1 л, а з іншого - дистильована, то осмотичний тиск складе 2,4 МПа.
А що буде, якщо з боку солоної води штучно створити надлишковий тиск, що перевищує осмотичний? Тоді вода буде проникати через мембрану в зворотному напрямку, концентрація солоного розчину підвищиться, а по іншу сторону стане накопичуватися опріснення вода. На цьому явищі і заснований метод гіперфільтрації, який ще називають і методом зворотного осмосу.
Механізм відбуваються при цьому явищ ще не зовсім ясний. Одна з гіпотез, що підтверджується експериментальними даними, полягає в тому, що через пори мембрани проходять молекули води, а іони солей, "обвішані" з усіх боків молекулами води, не проходять - вони занадто великі. Мембрана, таким чином, працює як сито, яке відсіває солі і пропускає воду. До цієї гіпотези новий метод і зобов'язаний своєю назвою гіперфільтраціонного: фільтрація відбувається тут крізь такі мембрани, пори яких порівнянні з розмірами молекул води (на відміну від звичайного в практиці водопостачання фільтрування через пісок і інші великопористі матеріали). Випробування показали, що найбільше при гіперфільтрації затримуються іони кальцію і сульфатні іони -до 90%.
І може бути, за допомогою гіперфільтрації судилося напоїти спраглі степи Туркменії, Казахстану і Прибалхашья, де під землею зберігаються необмежені запаси сульфатних солонуватих вод, а прісної води майже немає.