Аэрация воды

Принцип работы фильтров для Аэрации Воды

1. Введение

Аэрация (Aeration) процесс, насыщения воды кислородом для окисления таких веществ как железо, удаления из воды растворенных газов, таких как двуокись углерода или сероводород., путем распыления воды в воздухе, или при пропускании воздуха через воду

2. Принцип работы

Системы аэрации основан на напорном насыщения артезианской воды кислородом воздуха для окисления двухвалентного железа перед подачей на фильтры обезжелезивания. В процессе аэрации железо, присутствующее в воде, становится трехвалентным и легче убирается различными сорбционными загрузками. Комплекс аэрации состоит из мембранного компрессора, датчика потока и аэрационной колонны.

Мембранный безмаслянный компрессор, предназначенный для использования в системах аэрации воды.
Достоинством компрессора являются его малошумность и компактность. Максимальная производительность компрессора составляет 600 л/ч при противодавлении 6 бар - для модели АР-2 и 2500 л/ч при противодавлении 6 бар - для модели АР-200Х.

Датчик потока предназначен для включения/ выключения компрессора в зависимости от наличия/ отсутствия потока воды в трубопроводе. Принцип действия основан на замыкании концевого выключателя потоком воды. Датчики потока поставляются нескольких моделей в зависимости от диаметра водопровода на который они монтируются.


Аэрационная колонна предназначается для увеличения время контакта кислорода воздуха с соединениями железа, находящимися в воде, а также для удаления избытка воздуха и растворенных газов в атмосферу. Аэрационная колонна представляет из себя пластиковый напорный резервуар с системой водоотборных трубок внутри, в верхней части колонны установлен воздухоотделительный клапан.

3. Устройство

Безмасляный компрессор
При напорном методе вдув воздуха осуществляется с помощью малогабаритных безмасляных компрессоров непосредственно в трубопровод или специальный узел аэрации (аэрационная колонна или труба). Удаление избытка воздуха осуществляется на воздухоотделительных клапанах (устанавливаются на узле аэрации, либо на осветлительных фильтрах последующих стадий обработки) или центробежных сепараторов. Включение/выключение компрессоров происходит по сигналу датчика потока, что предотвращает завоздушивание системы при отсутствии водоразбора. Для предотвращения перегрева на линию, как правило, устанавливается пара компрессоров, переключение между которыми осуществляется по таймеру с помощью специального блока каскадного управления.

01_01

Аэрационные колонны
Аэрационные колонны серии ARS представляют собой пластиковый корпус фильтра, оснащенный специальным оголовком для подачи воды и распределения воздуха, манометром и воздухоотделительным клапаном.
Рабочее давление – 0,2-6,0 бар; температура – 2-36 °С.

01_02

Аэрационные трубы
Аэрационные трубы серии ARP представляют собой отрезок трубы с приваренными на концах фланцами для подсоединения к подводящему трубопроводу. Как правило, в комплекте поставляются ответные фланцы. Труба снабжена манометром и разъемом для подвода сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. Внутри труба содержит наполнитель, представляющий собой полиэтиленовые кольца для турбулизации воды и эффективного смешивания ее с воздухом. Применение трубных аэраторов рекомендуется при значительных потоках обрабатываемой воды с целью интенсификации, при этом диаметр аэратора должен приниматься заведомо выше, чем диаметр подводящих трубопроводов.
Рабочее давление – 0,2-6,0 бар; температура – 2-36 °С.

01_03_n

Центробежные сепараторы
Центробежные сепараторы воздуха Flexair предназначены для удаления избытка воздуха из воды после ее аэрации, а также различных механических включений - таких как песок, окалина, ржавчина - которые оседают в его нижней части и могут быть смыты при помощи сливного крана. Работа сепараторов воздуха Flexair основывается на центробежном принципе. Благодаря тангенциально расположенным патрубкам сепаратора, вода в нем закручивается. Более тяжелая фракция (вода) прижимается силами инерции к стенкам сепаратора, а более легкая (воздух) собирается внутри. Вверху сепаратора установлен воздухоотводчик Flexvent (для диаметров от 25 до 50 мм включительно) или Flexvent Super (для диаметров 65 и выше), которые автоматически отводят выделенный воздух в атмосферу. Качество воздухоотделения улучшается с ростом скорости потока жидкости, проходящей через сепаратор, однако не рекомендуется превышать скорость потока более 1,5 м/с. Максимальное рабочее давление: 10 бар; максимальная рабочая температура: 120 °С

01_04

Принадлежности
Электронный датчик потока представляет собой комплекс из водосчетчика с импульсным выходом и электронного счетчика импульсов. При поступлении определенного количества импульсов за некий интервал времени (программируется заранее) срабатывает выходное реле счетчика импульсов, через которое осуществляется подключение единичного компрессора или блока каскадного управления.
В качестве водосчетчиков также могут использоваться встроенные или внешние водосчетчики переключателей потоков Clack WS, которые отвечают за автоматическую работу фильтров.

01_05_

4. РАСТВОРИМОСТЬ КИСЛОРОДА В ВОДЕ

Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О 2 . Содержание растворенного кислорода (в дальнейшем по тексту РК) зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др.
На содержание РК в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее.

К числу первых относят:

  • поглощение кислорода из атмосферы (абсорбция);
  • выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза;
  • поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом.

Абсорбция кислорода из атмосферы происходит на поверхности водного объекта. Скорость этого процесса повышается с понижением температуры, с повышением давления и понижением минерализации. Аэрация - обогащение глубинных слоев воды кислородом - происходит в результате перемешивания водных масс, в том числе ветрового, вертикальной температурной циркуляции и т.д.
Фотосинтетическое выделение кислорода происходит при ассимиляции диоксида углерода водной растительностью (прикрепленными, плавающими растениями и фитопланктоном). Процесс фотосинтеза протекает тем сильнее, чем выше температура воды, интенсивность солнечного освещения и больше биогенных (питательных) веществ ( P, N и др.) в воде. Продуцирование кислорода происходит в поверхностном слое водоема, глубина которого зависит от прозрачности воды (для каждого водоема и сезона может быть различной, от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров).
Снижение содержания кислорода в воде меньше теоретически возможного происходит в силу протекания химических и биохимических процессов: потребления кислорода различными организмами, брожения, гниения органических остатков, реакций окисления и пр. Примерами причин снижения содержания РК, это могут быть: биологическое (дыхание организмов), биохимическое (дыхание бактерий, расход кислорода при разложении органических веществ) и химическое (окисление Fe 2+ , Mn 2+ , NO 2– , NH 4+ , CH 4 , H 2 S ). Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества бактерий и других водных организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению. Кроме того, уменьшение содержания кислорода в воде может происходить вследствие выделения его в атмосферу из поверхностных слоев и только в том случае, если вода при данных температуре и давлении окажется пересыщенной кислородом.
Все эти рассуждения справедливы для поверхностных вод . В артезианских же водах все эти факторы практически не действуют и поэтому кислород в таких водах, как правило, отсутствует.
Концентрация кислорода в воде определяет величину окислительно-восстановительного потенциала ( RedOx потенциала ) и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Поэтому контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).

При каждом значении температуры воды существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам , составленным для нормального атмосферного давления. Растворимость кислорода в воде возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления. Зависимость растворимости кислорода в большинстве жидкостей, включая воду, в первом приближении описывается законом растворения идеального газа – законом Генри. Закон пригоден лишь для идеальных растворов и невысоких давлений. При постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором:

С = k

где С – массовая концентрация газа в насыщенном растворе (моль/л); Р – парциальное давление; k – коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри (или коэффициентом Генри).
Однако коэффициент Генри зависит от давления, хотя и в небольшой степени. Зависимость растворимости кислорода от температуры или зависимость k ( Р° , Т ) проявляется в уменьшении растворимости с повышением температуры.
Растворение кислорода и других газов в воде вызывает нарушение ближнего порядка, поскольку требует затраты энергии. Процесс растворения является самопроизвольным. Растворение кислорода в воде следует рассматривать как совокупность физических и химических явлений, выделяя при этом три его основных стадии:

  • Разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяющихся газах, требующее затраты энергии. Энтальпия системы при этом растет: ? H 1 > 0 ;
  • Химическое взаимодействие растворителя с растворяющимся веществом, вызванное образованием новых соединений – сольватов (или гидратов), сопровождающееся выделением энергии. Энтальпия системы при этом уменьшается: 2 < 0 ;
  • Самопроизвольное перемешивание раствора или равномерное распределение сольватов (гидратов) в растворителе, связанное с диффузией и требующее затрат энергии. Энтальпия системы при этом растет: .

Суммарный тепловой эффект процесса растворения ( ?Н = ? ) может быть положительным (эндотермическое растворение) и отрицательным (экзотермическое растворение). Растворение кислорода в воде идет с выделением теплоты ( ?Н< 0 ) и с убылью энтропии ( ? S< 0 ).
В результате всего перечисленного выше растворимость в воде оказывается на порядок меньше, чем в неполярных жидкостях. Следует заметить, что учет особенностей молекулярного строения воды оказался достаточно сложным, и до сих пор нет хороших теоретических подходов для его оценки. Поэтому чаще всего приходится пользоваться эмпирическими данными.
Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения воды кислородом . Вычисляется по формуле:

M = (a ?101308 ?100)/С ?P,

где М – степень насыщения воды кислородом, %; а – концентрация кислорода, мг/л; Р – атмосферное давление в данной местности, МПа; С – нормальная (равновесная) концентрация кислорода (мг/л) при данной температуре и общем давлении 0,101308 МПа, приведенная в таблице 1 .
Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100%. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации.

5. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ВОДЕ

Для определения кислорода предложено множество методов, основанных на различных принципах. К ним относятся объемные (главным образом, йодометрические, колориметрические и фотометрические), электрохимические (амперо- и вольтметрические, полярографические, кулонометрические, кондуктометрические и прочие методы (радиометрические, хроматографические, масспектрометрические и т. д.).
Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение).
Наиболее широкое распространение в анализе поверхностных вод получили йодометрический (по Винклеру) и электрохимический методы .
Известно, что скорость насыщения воды кислородом зависит от площади границы раздела двух сред (вода/воздух), коэффициента переноса и градиента концентрации кислорода и описывается следующей формулой

dC/dT=KL (A/V)(Cs – C), (Ф. Уитон, 1985)

где dC/dT – скорость изменения концентрации кислорода со временем, мг/(л?ч); KL - коэффициент переноса кислорода, см/ч; А – площадь контакта газа и жидкости, см 2 ; V – объем воды, см 3 ; Cs – концентрация насыщения кислорода жидкостью, мг/л; С – концентрация кислорода в жидкости в любой момент времени, мг/л.
Как видно из приведенной формулы, скорость насыщения воды кислородом зависит от градиента концентрации между фактическим содержанием кислорода в воде ( С ) и максимально возможным насыщением ( Cs ), которое достижимо при данных условиях (температура воды, давление и соленость). Иными словами, чем ближе фактическое насыщение воды к максимально возможному, тем ниже скорость насыщения воды кислородом.

 

Различные системы обычно сравнивают при стандартных условиях , а именно:

- в чистой (дистиллированной) воде;
- при температуре 20 о С (в некоторых странах при 10 о С);
- при стандартном атмосферном давлении – 760 мм мм.рт.ст. (0,101308 МПа);
- концентрации растворенного кислорода 0 мг/л.

 

Поправка для перехода от стандартных условий к реальным условиям.

Чтобы перейти от стандартных условий к реальным, применяют поправочный фактор Т :
реальные условия = стандартные условия * Т
где Т – произведение трех коэффициентов: Тр, Т d, Т t .
Коэффициент Тр оценивает перенос кислорода к реальной воде по отношению к чистой (дистиллированной) воде; он зависит от состава воды (в частности от содержания ПАВ, жиров, нефтепродуктов, взвешенных веществ и пр.)

 

Назад