Обыкновенная вода, с которой мы постоянно встречаемся в нашей жизни, между тем обладает рядом малоизвестных свойств, делающих ее уникальным и незаменимым веществом в промышленной деятельности человека. Молекулы воды, составленные из атомов водорода являющегося одним из сильнейших восстановителей и атомов кислорода, относящегося к сильнейшим окислителям, обладают значительной неравномерностью распределения электронов, а несимметричное положение атомов в структуре в свою очередь не может нейтрализовать этот заряд внутри молекулы, и она становится диполем. Полярные диполи воды могут образовывать дополнительный тип взаимодействия как с молекулами самой воды, так и с молекулами других веществ, известную как водородные связи. Именно наличие водородных связей дает воде ряд свойств, широко востребованных в промышленности.
Вода является растворителем полярного типа, благодаря чему применяется как растворитель, экстрагент и абсорбент для извлечения и выделения твердых, жидких и газообразных веществ. Дополнительное взаимодействие между молекулами обеспечивает высокую теплопроводность, теплоемкость и удельную теплоту парообразования, при низкой температуре кипения, что позволяет использовать воду и водяной пар как высокоэффективные хладоагент и теплоносители. Также вода имеет высокие показатели поверхностного натяжения и адгезии при не высокой вязкости, что позволяет эффективно транспортировать ее по трубам, а также использовать как среду для транспортировки твердых веществ в виде их суспензий с водой.
Помимо уже названного вода используется как среда проведения химических реакций, при этом в некоторых процессах она выступает в роле катализатора (ускорителя) процесса, а также как сырье для его проведения.
Потребление воды в производствах составляет около 20% от общего потребления воды человечеством, для сравнения бытовые нужды расходует 10%, на долю сельского хозяйства приходится 70%. С ростом промышленности непрерывно растет и потребление пресной воды, а также сброс отработанных сточных вод. С учетом непрерывного сокращения мировых запасов пресной воды, строительства предприятий в районах с ограниченным доступом к ее природным запасом и значительным ущербом наносимым водным ресурсам попадающими в них промышленными сточными водами многие предприятия как действующие так и вновь проектируемую стремятся сократить свое потребление и сбросы двумя основными путями – контролем потребления и сокращением потребления воды на единицу производимой продукции, а также повторным использованием отработанных вод после дополнительных стадий очистки, либо в процессах где качество таких вод допустимо к применению.
Организационные мероприятия по сокращению потребления воды начинается с введения и расширения учета ее потребления, что позволяет выявить участки с повышенным потреблением. Причиной высокого потребления могут быть утечки вследствие неисправности оборудования, неконтролируемый разбор воды на нужды, отличающиеся от основного назначения, например для приготовления пищи, бытовых нужд, уборки помещений и мойки оборудования, полива растений и устаревшее оборудование и технологические процессы. Сократить расходы можно заменой оборудования с водяным охлаждением на воздушное охлаждение, открытые контуры охлаждения на закрытые, традиционные способы мойки на мойку под высоким давлением. В некоторых случаях вода, использованная в одном процессе, может использоваться для других целей, без ее очистки, или с минимальной очисткой, например для полива, для транспортировки в системах золоудаления и т.п.
Технические мероприятия по сокращению потребления основаны на принципах рециркуляции и повторного использования. Рециркуляция воды возможна в том случае, если ее качество после использования остается на уровне необходимом для повторного использования, или может быть доведено до такого путем введения специально подобранных реагентов. Примером такого использование может быть закрытый контур охлаждения, где вода переносит тепло от оборудования к утилизаторам избыточного тепла, в качестве которых могут использоваться теплообменники передающие тепло воздуху или внешнему охлаждающему водяному контуру, а при необходимости снизить температуру ниже температуры окружающей среды используются холодильные машины. Особенность такого контура это отсутствие контакта воды, используемой в качестве холодоносителя с окружающим воздухом, из которого она может поглощать значительные количества загрязнений. В то же время состав такой воды может меняться и ухудшатся со временем из-за коррозии со стенками омываемого оборудования, а также развития микроорганизмов. Для борьбы с этими явлениями используется коррекционная обработка вводы введением реагентов – ингибиторов коррозии, скавенджеров поглотителей кислорода и различных биоцидов для контроля пролиферации микроорганизмов.
Если вода в процессе использования контактирует с обрабатываемой продукцией или атмосферой, то может потребоваться ее частичный отбор для очистки перед возвратом в основной контур. Например, если вода насыщается механическими примесями возможно часть воды отбирать для ее фильтрации или отстаивания, а после очистки возвращать в производство.
Большей проблемой является обращение с водами, значительно меняющими свой состав и физические свойства, ранее единственным способ их применения являлась передача в другие процессы, но само существование в пределах одного предприятия процессов имеющих значительно более низкие требования к качеству воды редкое явление. В большинстве случаев воду утратившую свои качества переводили в разряд промышленных стоков и через систему очистки сточных вод либо напрямую сбрасывали в естественные водоемы и водотоки, что безусловно ухудшает состояние водных ресурсов. В настоящее время с ростом плат за сброс сточных вод предприятия вынуждены искать иные способы утилизации, и современный уровень развития систем подготовки и обработки вод и очистки стоков позволяют удовлетворить данную потребность в большинстве случаев.
Рекуперация и очистка технологических сточных вод позволяет не только снизить платы предприятий за сброс загрязняющих веществ в составе сточных вод, но и уменьшить расходы на забор свежей пресной воды. В то же время нет универсальных технологий обеспечивающих потребность предприятий, каждая такая система требует разработки систем использующих различные технологические процессы очистки и оборудования в зависимости от технологий применяемых на основном производстве продуктов, масштабе внедрения и с учетом действующей на предприятии инфраструктуре. При этом отработанная вода может быть доведена как до требований основного производства, так и до требований приема на обработку на уже существующей системе водоподготовки предприятия.
Отдельной категорией таких систем являются Zero Liquid Disharge, это продвинутый процесс переработки позволяющий полностью устранить сброс отработанных сточных вод, разделяя их на очищенную воду с низкой минерализацией и незначительное количество твердых или влажных отходов утилизируемых на полигонах твердых отходов.
Процесс переработки начинается с традиционных методов очистки сточных вод, таких как механическая фильтрация на решетах и ситах, для удаления крупных примесей, отстаивании или осветлении (комбинации таких методов как коагуляция и отстаивание) для удаления основной массы нерастворимых тонущих, взвешенных и в некоторых случаях всплывающих механических примесей, флотации для более тонкого удаления взвешенных и всплывающих примесей, фильтрации на напорных скорых фильтрах с зернистой загрузкой, для снижения содержания органических примесей может использоваться химические и биологические методы окисления. После такой очистки содержание нерастворимых загрязнителей и растворимых веществ органической природы в значительной мере снижается, но в отличии от сброса очищенных стоков в водоемы для их дальнейшей переработки требуется степень очистки которую можно достигнуть только с помощью микрофильтрации или ультрафильтрации, в отдельных случаях необходимые для этого ультрафильтрационые элементы входят в состав установок биологической очистки воды, так называемые мембранные биореакторы MBR (Membrane Bioreactors).
Очищенная от механических примесей и основной массы органических веществ вода направляется на дальнейшую многостадийную переработку с целью удаления растворимых солей. Для этого задействуются такие процессы как известкование и ионный обмен для удаления из воды солей жесткости, присутствие которых отрицательно сказывается на применяемых процессах дименерализации, собственной дименерализацию с применением обратного осмоса и выпаривания (дистилляции), а также вспомогательных процессов кристаллизации образующихся рассолов, фильтрации и сушки получаемых в процессе кристаллизации осадков и шламов.