Технологии

Аэрация — это процесс при котором вода насыщается воздухом, получая необходимый кислород и освобождаясь от находящихся в воде растворенных газов, например сероводорода, аммиака и пр. Аэраторы широко используются в водоподготовке. Рассмотрим несколько примеров.
  • В воде присутствуют сероводород и растворенное железо или марганец. В этом случае использование каталитических реагентов, ускоряющих переход двухвалентного железа в трехвалентное, малоэффективно без аэратора. В процессе аэрации значительное количество сероводорода выветривается, вода насыщается кислородом и окисление железа происходит с большей эффективностью.
  • В воде присутствует аммиак. Аэрация в этом случае является очень эффективной. Удаление аммиака проблематично фильтрующими загрузками. При попадании в аэратор воды насыщенной аммиаком, аммиак выводится из воды восходящими потоками воздуха. После аэратора устанавливается фильтр с загрузкой удаляющей аммиак, например аммоносорбный активированный уголь.
  • В воде присутствует большое количество двухвалентного (растворенного) железа. В этом случае для его удаления используются либо загрузки — окислители, которые окисляют железо и превращают его в обычную ржавчину, либо каталитические загрузки, которые ускоряют взаимодействие железа с кислородом, растворенным в воде. При использовании загрузок-катализаторов очень важно, чтобы в воде было много растворенного кислорода. В глубоких скважинах кислорода практически нет, поэтому насыщать воду кислородом приходится искусственно при помощи аэратора.
Аэраторы можно разделить на две группы — работающие под давлением и ненапорные.

Напорные аэраторы

Напорный аэратор предназначен для насыщения воды окружающим воздухом. Принцип действия напорного аэратора следующий: Перед колонной (3) воздушным компрессором (1) в трубопровод закачивается под давлением воздух. Для защиты компрессора от попадания воды устанавливается обратный клапан (2). Водо-воздушная смесь подается в корпус аэратора (3). В корпусе аэратора (3) воздух поднимается вверх и отводится через автоматический воздушный клапан (4). Воздухоспускное отверстие воздушного клапана соединяется с дренажным трубопроводом патрубком (6). Это необходимо для защиты от возможных утечек воды во время работы воздушного клапана. Компрессор работает только тогда, когда есть расход воды. То есть Вы открываете любой кран после системы очистки, начинает течь вода и включается компрессор. Кок только Вы закрываете все краны, компрессор прекращает работать. Для пуска и остановки компрессора в зависимости от водоразбора предусмотрен датчик потока воды (5). Датчик потока воды устанавливается после системы очистки воды, частью которой является напорный аэратор. Например, после аэратора установлены другие засыпные фильтры, требующие периодической промывки и регенерации. Если датчик потока установлен после этих фильтров, то в процессе регенерации и промывки фильтров компрессор работать не будет.

Ненапорные аэраторы

Напорные аэраторы применяются в водоочистке намного реже, чем напорные, но при определенных условиях (например при превышении концентраций железа предельно допустимых в 30 и более раз) их применение необходимо.
Корпусом ненапорного аэратора служит емкость для воды (1) объемом 600 литров и более в зависимости от расхода воды и количества примесей для окисления или отдува которых требуется аэрирование. Воздух закачивается компрессором (2), который подается в аэратор по трубопроводу (3). Воздух в аэратор поступает через рассекатель (4). Рассекатель (4) разбивает поток подаваемого в аэратор воздуха на мелкие пузырьки, делая процесс аэрации наиболее эффективным. Вода подается в аэратор по трубопроводу (5). Подача воды может осуществляться двумя способами в зависимости от источника водоснабжения. При подаче воды из скважины для включения скважинного насоса устанавливается поплавковый отключатель (7). Принцип действия следующий: при опустошении аэратора поплавковый отключатель (7) опускается и включает скважинный насос. При заполнении аэратора водой поплавковый отключатель (7) всплывает и скважинный насос отключается. Для увеличения эффективности работы аэратора на подающий трубопровод (5) пожжет устанавливаться рассекатель подаваемой воды. Если в аэратор подается вода из водопровода, в котором вода постоянно находится под давлением, то имеет смысл использовать поплавковые клапаны. Поскольку аэраторы используются там, где вода имеет чрезмерные концентрации примесей, поплавковые клапаны быстро засоряются и начинают пропускать воду. Поэтому переливной трубопровод (8) обязательно подключать к дренажному водопроводу, а обслуживание поплавкового клапана необходимо проводить не реже одного раза в шесть месяцев. Для забора воды из аэратора используются насосные станции (6).

Жесткость воды — это совокупность ее физических и химических свойств, обусловленных наличием солей щелочноземельных металлов, которые широко распространены в природе в виде минералов и горных пород. Конечно, основной причиной жесткости воды являются находящиеся в ней катионы кальция. Ввиду своей высокой химической активности кальций в чистом виде в земной коре не встречается, однако в виде химических соединений по своей распространенности занимает пятое место после алюминия, кремния, железа и кислорода. И по этому, несмотря на то, что соли кальция в воде практически нерастворимы, их хватает, чтобы сделать воду жесткой. То же самое можно сказать и про соли магния. Они встречаются намного реже, но их присутствие также увеличивает жесткость воды. Ну и конечно свою роль играют особенности бурения скважин на воду. Наиболее часто скважины на воду бурятся до известняка. Они имеют большой дебет, не заплывают, а из-за того, что глубина таких скважин достаточно большая, они стабильны по своему химическому составу. Известняк по своему химическому составу практически полностью состоит из карбоната кальция (CaCO3). Карбонат кальция практически нерастворим в воде, но все-таки передает воде свои свойства и в виде гидрокарбоната (Ca(HCO3)2 оказывается в воде. Так вода приобретает гидрокарбонатную жесткость. Соли сильных кислот, например сульфатов или хлоридов кальция и магния создают некарбонатную жесткость. При нагревании и кипячении воды, обладающей карбонатной жесткостью происходит разложение гидрокарбоната кальция и образуется накипь. Гидрокарбонат кальция раскладывается, образуя карбонат кальция, углекислый газ и воду.

Поэтому гидрокарбонатную жесткость называют временной. После длительного кипячения в воде остаются только соли сильных кислот кальция и магния. Жесткость воды, вызванную их наличием называют постоянной. Со времен Советского Союза жесткость воды принято измерять суммой миллиэквивалентов ионов магния и кальция, содержащихся в одном литре воды. Один миллиэквивалент жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л Ca2+ или 12,6 мг/л Mg2+.
Жесткость воды во всех источниках разная, но, тем не менее, некоторые зависимости между источником воды и жесткостью прослеживаются. Например, в реках, озерах и мелких колодцах жесткость воды обычно невысокая, особенно во время паводка, в глубоких скважинах, в которых воды соприкасаются с известняками — высокая. Наиболее высокая жесткость воды в морях и океанах.
Жесткость питьевой воды регламентируется СанПиН и не должна превышать 7 мг-экв/л. В некоторых районах, по решению главного санитарного врача района, показатель допустимой жесткости может быть увеличен до 10 мг-экв/л. Европейские нормы предусматривают более низкую жесткость воды.
Жесткая вода пагубно влияет как на здоровье человека при ее ежедневном употреблении, так и на бытовую технику. Накипь, образующаяся на нагревательных элементах, мешает эффективному теплообмену, что увеличивает необходимое для нагрева воды количество электричества или газа. Кроме того, внутренние электронагреватели, обрастая накипью, быстро выходят из строя из-за перегрева. При использовании жесткой воды на сантехнике образуются известковые потеки, которые постоянно приходится смывать. Это создает определенные трудности для использования жесткой воды в быту. Жесткой водой плохо мыться. Растворимые в воде натриевые соли жирных кислот, участвующих в пенообразовании, пальмитиловой и стеариновой реагируют с солями жесткости и образуют нерастворимые кальциевые соединения тех же кислот, в результате чего мыло не намыливается. Ежедневное употребление воды с повышенным содержание кальция приводит к отложению кальция в организме человека. Если потребитель имеет болезни, способствующие плохой усваиваемости кальция и плохому отводу кальция из организма, пить жесткую воду опасно для здоровья.

Удаление жесткости

Принцип удаления солей жесткости из воды сводится к удалению ионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Эти ионы либо заменяются на другие, например натрия (Na+), в процессе ионного обмена, либо образуются нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок и отфильтровываются фильтрами механической очистки.
Метод ионного обмена (катионирования, ионной адсорбции)
Для удаления солей жесткости методом ионного обмена используются, как правило, засыпные фильтры. В качестве реагента, который засыпается в корпус фильтра обычно используется катионообменная смола в натриевой форме. Фильтр оснащается управляющим клапанным механизмом и солевым баком для приготовления раствора NaCl.
Суть метода заключается в эквивалентном обменом ионами между водой и катионитом. Катионит нерастворим в воде, не вымывается и имеет малое гидравлическое сопротивление. Катионообменная смола представляет собой трехмерный каркас, в который включены потенциалопределяющие ионы имеющие отрицательный заряд. Ионы противоположного знака (противоионы) удерживаются электростатическими силами с потенциалопределяющими ионами каркаса. В данном случае противоионами являются катионы натрия. При прохождении воды через катионит ионы натрия меняются на ионы кальция и магния, находящиеся в воде. Так соли жесткости удаляются и вода становится мягче. Это будет продолжаться до достижения между водой и катионитом ионного равновесия. Количество ионов солей жесткости, способных поглотиться катионитом называется обменной емкостью. Ионный обмен является обратимой реакцией. После промывки фильтра раствором соли (NaCl) катионит полностью восстанавливает свои ионообменные свойства. На сегодняшний день существует масса катионитов, использующихся в водоочистке. Они нерастворимы в воде, нетоксичны и пригодны для обработки питьевой воды. Метод ионного обмена наиболее часто применим из-за своей безопасности и высокой эффективности.

Железо является одним из наиболее частовстречающихся металлов в земной коре. Поэтому даже в глубоких скважинах концентрация железа может превышать предусмотренную СанПиН норму 0,3 мг/л. Для простоты понимания железо, встречающееся в воде можно условно поделить на две группы: растворенное и нерастворенное. Нерастворенное в воде железо — это ржавчина или, как говорят в простонародии, оксид железа III. Его легко заметить невооруженным глазом, оно повышает мутность воды и окрашивает ее в характерный коричневатый цвет. Такое железо удаляется обычными осадочными фильтрами, служащими для удаления нерастворимых примесей. Если вода вытекает из крана прозрачная и, немного постояв на воздухе, ржавеет, значит мы имеем дело с растворенным железом. Оно легко проскочит через осадочный фильтр и его удаление требует дополнительной очистки. Фильтры-обезжелезиватели предназначены как раз для удаления растворенного железа. Принцип действия фильтра-обезжелезивателя заключается в следующем. Проходя через фильтрующую загрузку, растворенное железо окисляется и превращается в обыкновенную, нерастворимую в воде, ржавчину, которая застревает в толще фильтроматериала. По своему воздействию на воду фильтрующие загрузки делятся на окислители и катализаторы.

Фильтры с каталитическими загрузками

Катализатор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. В отличие от других реагентов, количество катализатора после химической реакции остается неизменным. При прохождении воды, богатой растворенным железом, через фильтр-обезжелезиватель с каталитической загрузкой, железо вступает в реакцию с кислородом, растворенным в воде и окисляется до оксида железа III. Оксид железа III нерастворим и в процессе проходжения воды через фильтр, застревает в фильтрующей загрузке. Все обезжелезивающие загрузки имеют большой вес и неравномерную поверхность гранул, благодаря чему загрузка под давлением воды ложится очень плотно, ток воды идет по сложной траектории между гранулами и нерастворимые примеси, в том числе и ржавчина, остается в фильтре. Таким образом, вода проходит очистку. В качестве каталитических загрузок в своей работе мы используем Birm, Pyrolox, МФО-47 и МЖФ. Иногда загрузки-катализаторы используют совместно с загрузками для удаления нерастворимых примесей, например Filter AG. Эффективность работы каталитических загрузок напрямую зависит от количества кислорода растворенного в воде. Если кислорода в воде растворено мало, то использование катализаторов будет неэффективно. Это очень важно учитывать при очистке воды из скважин. Например, если скважина глубокая, то кислорода в такой воде практически не будет. Количество необходимого кислорода пропорционально количеству окисляемого железа. То есть чем больше растворенного железа находится в воде тем больше кислорода понадобится для его окисления. Для увеличения количества растворенного в воде кислорода перед фильтрами обезжелезивателями устанавливается система аэрации. Регенерация фильтров-обезжелезивателей с каталитическими загрузками безреагентная. Для восстановления каталитических свойств загрузка промывается обратным током воды. В процессе обратной промывки фильтроматериал взрыхляется и промывается от застрявших в нем нерастворимых примесей. После обратной промывки вода пропускается сверху вниз по фильтру и сбрасывается в дренажный водопровод. Загрузка уплотняется и фильтр становится готов к дальнейшей работе. Такой режим работы засыпного фильтра называется «быстрый смыв». Управление режимами работы фильтра осуществляется управляющим клапанным механизмом, который устанавливается сверху на корпус фильтра. На фильтры-обезжелезиватели с каталитическими загрузками можно устанавливать клапанные механизмы как автоматические, так и с ручным управлением. Так как загрузки имеют большой вес, промывать их необходимо довольно часто в зависимости от объема насыпанного реагента не зависимо от того есть ли расход воды или нет. Если этого не делать, то фильтроматериал слеживается и эффективность фильтрации заметно снижается.
Внимание! При подборе реагента-катализатора нужно обращать особое внимание на допустимые условия работы реагента. Ряд фильтроматериалов не допускает наличие в воде сероводорода. Также при подборе фильтроматериала нужно учитывать PH очищаемой воды. В случае, если PH очищаемой воды ниже допустимого, перед фильтрами-обезжелезивателями необходимо устанавливать фильтры-PH-корректоры.

Фильтры с окисляющими загрузками

Фильтры с окисляющими загрузками используются для удаления железа, марганца и сероводорода. В отличие от фильтров-обезжелезивателей с каталитическими загрузками, фильтроматериал непосредственно участвует в окислении растворенного железа. В качестве таких реагентов могут использоваться например Manganese GreenSand или его синтетический аналог MTM. На поверхности этих материалов находится напыление с высшими оксидами марганца, которые и вступают в реакцию окисления. Аналогично фильтрам с каталитическими загрузками, образовавшаяся в процессе окисления ржавчина и другие нерастворимые примеси застревают в слое фильтроматериала. Регенерация этих фильтроматериалов проводится раствором перманганата калия (KMnO4). Для управления процессом регенерации и промывки фильтра используются автоматические клапанные механизмы, которые имеют функцию реагентной промывки. Использование клапанных механизмов с ручным управлением в данном случае нежелательно.
Регенерация фильтра проводится в следующих режимах:

  • 1-ая обратная промывка. Вода протекает по фильтру снизу вверх взрыхляя фильтроматериал и вымывая из него нерастворимые примеси. Если после промывки в фильтроматериале останутся нерастворимые примеси, то его последующая регенерация перманганатом калия будет менее эффективной. Поэтому время проведения обратной промывки и скорость потока воды должны быть достаточными для его полной промывки;
  • Регенерация. Процесс при котором раствор перманганата калия поступает в фильтр и промывает фильтроматериал, восстанавливая его окислительные свойства. Время проведения регенерации и количество регенерирующего раствора различно для фильтров и зависит от объема регенерируемого фильтроматериала;
  • 2-ая обратная промывка. Процесс аналогичен 1-ой обратной промывке. Необходим для полной очистки фильтра от раствора перманганата калия, для предотвращения его попадания в водопровод;
  • Прямая промывка (Быстрый смыв). При данном режиме работы фильтра вода протекает в обычном направлении сверху вниз, спрессовывая фильтроматериал и удаляется в дренажный водопровод. После проведения прямой промывки фильтроматериал полностью готов к дальнейшей работе;
  • Заполнение реагентного бака. При этом режиме реагентный бак, установленный рядом с фильтром, заполняется водой для приготовления раствора перманганата калия, который будет использоваться при следующей регенерации. Количество воды. которое должно поступить в реагентный бак и, соответственно, время заполнения реагентного бака рассчитывается исходя из количества фильтроматериала и объема фильтра;

Внимание! Перманганат калия, использующийся для регенерации фильтров, является сильным окислителем. Не допускается соединять дренажные водопроводы с септиками, в которых используются бактерии для переработки стоков.