Часть 4/9. Первый этап очистки воды. Аэрация и обезжелезивание.
Это самая объемная часть статьи.
В предыдущей части было описано, какие пути проходит вода, прежде чем будет добыта, из которого следует, что какая бы система водоподготовки ни была, в ней всегда должны быть минимум два процесса: аэрация и удаление взвешенных веществ. В большинстве случаев, вода также загрязнена солями железа, это можно объяснить распространённостью этого элемента, железо занимает четвёртое место после кислорода, кремния и алюминия по распространённости в земной коре, за ним по распространённости в земной коре стоит кальций и натрий.
Технологически, процессы аэрации, удаления взвесей и удаления железа, удобно реализуются в двух устройствах: аэрационной колонне и осадочном фильтре. Для увеличения эффективности фильтрования, и что не менее важно, легкой отмывке от задержанных взвесей, в осадочных фильтрах используют относительно легкие материалы: алюмосиликаты или гидроантрацит, иногда для увеличения емкости по удаляемым взвесям, используют многослойную загрузку, например песок и гидроантрацит. Так как удаление растворенного железа связано с формированием взвеси гидроокиси железа (III), то удаление не железистых взвесей, происходит совместно с удалением железа.
Существует много различных способов реализации указанных в предыдущем абзаце технологий, в каждый способ имеет свои цели, например, использование специальных фильтрующих материалов с модифицированной поверхностью для эффективного удаления железа с первых объемов воды. Обычные фильтрующие материалы, такие как песок, гидроантрацит, FAG хорошо фильтруют взвеси, но ни как не влияют на скорость превращение растворимых соединений железа (II) в нерастворимые соединения железа (III), тогда как специальные, модифицированные засыпные материалы, ускоряют это превращение. Однако и обычные фильрующие материалы, песок, гидроантрацит, FAG приобретают эту способность спустя 1-2 суток работы (заряжаются). Многослойные фильтры хороши при высокой нагрузке по взвешенным веществам (мутные, железистые воды), однако, повышая грязеемкость фильтрующего материала, становится труднее отмыть такую сильно загрязненную загрузку, приходится предусматривать специальные меры: увеличивать интенсивность и длительность промывки, использовать воздушную продувку, водо-воздушную промывку, что неудобно в бытовых условиях. Поэтому в большинстве случаев для обеспечения простоты эксплуатации и долговечности работы технологического оборудования рекомендуется не перегружать фильтр взвесями, обеспечив регулярную его регенерацию, а в качестве загрузки использовать легкодоступные материалы: гидроантрацит или FAG (алюмосиликатный материал).
Аэрирование воды призвано выполнить две задачи: окислить легко окисляемые соединения, насытив воду кислородом и «отдуть» летучие соединения и газы. Окислению кислородом воздуха в нормальных условиях подвергаются, упомянутые выше, соединения железа (II), также угнетается деятельность облигатных анаэробов. Для окисления 1 мг железа (II) требуется 0,143 мг кислорода, обычно в подземной воде московского региона содержится от 0,3 до 10 мг/л растворенного железа (II), в большинстве случаев (80%) встречается вода с содержанием железа 3-5 мг/л т.е. для окисления требуется до 1,43 мг/л кислорода. При аэрации воды температурой 15 грд содержание кислорода может достигать 10 мг/л, т.е. его вполне достаточно для окисления всего железа. На процесс окисления железа сильное влияние оказывает рН и равновесная концентрация углекислоты, чем ниже рН и чем больше концентрация углекислоты, тем медленнее идет процесс окисления железа. Т.о. пропуская воздух сквозь воду или просто разбрызгивая ее мы обеспечиваем насыщение ее кислородом воздуха и одновременно отходящий, не растворившейся, воздух увлекает за собой углекислоту и другие растворенные в воде газы («отдувка» газообразных примесей), причём степень этого уноса тем выше, чем меньше этих газов в воздухе направленном на барботаж (прохождение пузырьков воздуха сквозь толщу воды). В процессе удаления углекислоты, рН воды повышается, создавая благоприятные условия для окисления железа. Для окисления всего железа, в среднем необходимо 14 минут, однако это не влияет на объем аэрационной установки, поскольку окисление железа происходит практически мгновенно, на следующим за аэрационной установкой, загрузке фильтра, благодаря каталитическим свойствам последней (приобретенным в процессе работы или изначально предусмотренным).
Технология аэрации согласно вышеописанным фактам может быть оформлена в виде упрошенной аэрации, когда вода подаётся в емкость через разбрызгивающее устройство. В виде напорной аэрации, когда воздух под давлением вводится в поток воды, обычно для организации отделения избыточного воздуха, напорную аэрацию оформляют в виде баллона с системой ввода и отведения воздуха. Выбор между упрощённой и напорной аэрацией осуществляют исходя из следующих показаний к применению:
- Занимаемое пространство (напорная аэрация компактнее упрощённой).
- Необходимость обеспечения запаса, на случай перерывов в источнике (упрощённая аэрация подразумевает использование резервуара, в котором есть запас воды если источник водоснабжения работает не стабильно).
- Минимальное энергопотребление (т.к. упрощенная аэрация подразумевает использование безнапорной ёмкости, то для обеспечения дальнейшее очистки воды необходимо предусматривать дополнительный насосный агрегат, тогда как в напорной аэрации подразумевается, что напора скважинного насоса хватит и на обеспечение очистки воды),
- Наличие в воде высоких концентраций растворенных газов. (Для обеспечения максимального удаления растворенных газов из подготавливаемой воды, необходимо снизить давление воздуха, который как носитель, увлекает за собой все растворенные примеси. Согласно закону Генри, чем меньше парциальное давление компонента газа над водой, тем более полно происходит его удаление из жидкой фазы. В общем случае давление воды подаваемой от скважинного насоса может находиться в диапазоне 0,35-0,6 МПа (3,5- 6 бар), следовательно, в сравнении с упрощённой аэрацией при напорной аэрации газовые компоненты будут удаляться хуже в 3-6 раз).
В большинстве случаев для системы водоподготовки загородных домов выбирают напорную аэрацию поскольку она более компактна и не требует дополнительной насосной установки, кроме того в накопительной ёмкости со временем скапливается осадок, который периодически необходимо удалять.
После того, как в воду попал кислород, начинается процесс окисления соединений железа, как правило, остальные примеси (органические) не доступны для окисления кислородом воздуха в указанных условиях, их окисление может протекать за счёт жизнедеятельности микрофлоры закреплённой на загрузке следующих за аэрацией засыпных фильтров (режим биофильтров). В подземной воде соединения железа представлены исключительно в виде основной соли образованной угольной кислотой и железом (II), в результате окисления которого в железо (III), это соединение становится не устойчивым и разлагается на гидроксид железа (III) и углекислоту, которая уносится воздухом при аэрации. Количественно окисление солей железа (II) осуществляется на поверхности загрузки засыпного фильтра. В РФ нормируемая концентрация всех форм железа закреплена в нормативе СанПиН 2.1.4.1074-01 и равна 0,3 мг/л. Эта концентрация также совпадает с той, при превышении которой на санитарно-технических изделиях будут формироваться окрашенные в красно-коричневый цвет отложения. Превышение концентрации железа 0,35-1,0 мг/л заметно влияют на вкус воды и ее эстетические свойства, но в указанных концентрациях отрицательное влияние на здоровье человека не доказано. Поэтому ВОЗ не регламентирует содержание железа в питьевой воде с точки зрения влияния на здоровье, но по тому же принципу что и СанПиН 2.1.4.1074-01 устанавливает допустимую концентрацию 0,3 мг/л. Если в подземной воде не содержится органических соединений (карбоновые кислоты, гидроксо- соединения) то концентрацию железа, таким простым способом, можно довести до 0,1-0,05 мг/л, при таких концентраций затруднено развитие железобактерий, а также вода, например, в бассейнах выглядит абсолютно прозрачной и бесцветной.
Процесс обезжелезивания совмещён с процессом удаления взвешенных веществ, следует помнить, что очень мелкие частицы (глина), а тем более коллоиды проходят сквозь фильтр транзитом. Для их улавливания используют различные методы укрупнения мелких взвесей, например коагуляцию, однако в силу сложности процесса в бытовых условиях такие методы малопригодны. Как уже было сказано выше, в качестве фильтрующих загрузок используются многие разновидности, торговые марки различных зернистых материаов, при отсутствии органических соединений и достаточном щелочном резерве воды, существенной разницы в эффективности между ними нет, поэтому для небольших систем предпочитают использовать лёгкие материалы которые отмываются низкими потоками воды, сопоставимыми со скоростью фильтрации. В промышленных системах предпочитают использовать песок, гидроантрацит или керамзит в силу их низкой стоимости по сравнению со специальными засыпками (FAG, Birm). Для автоматизации процесса фильтрования и регенерации загрузки в бытовых системах используют так называемые «управляющие клапаны», которые представляют собой устройство организующее потоки в корпусе фильтра.
Одним из самых распространённых управляющих клапанов является изделия компании Pentair марки Autotrol, однако есть и другие производители и марки Clack, Runxin и другие.
По мере работы фильтра происходит загрязнение фильтрующего материала задержанными взвесями. Загрязнение не равномерно распределено по высоте фильтрующего материала, наиболее сильное загрязнение наблюдается на поверхности загрузки, и снижается по высоте фильтровальной колонны. Теоретически ёмкость фильтра по взвесям определяется массой взвесей задержанных фильтром до момента «проскока» взвесей в выходящую из фильтра воду. Однако до такого состояния фильтр как правило не доводят, потому что высоконагруженную загрузку фильтра, чрезвычайно трудно отмыть от загрязнений, в некоторых случаях загрузка слипается в плотный ком, разбить который применяя обычную промывку не удаётся, поэтому для расчёта ёмкости фильтров используют ориентировочную ёмкость по взвешенным веществам равную 0,5 г/л (полграмма на литр фильтрующего материала).
В следующей части мы научимся рассчитывать фильтроцикл механического фильтра.