Обезжелезивание артезианской воды на мелкозернистых фильтрующих загрузках

В. В. Быков, канд. хим. наук, заместитель главного технолога ООО «МВК ЭКОДАР», viktor.bykov@ekodar.ru

Введение

В качестве фильтрующей загрузки (ФЗ) используют различные материалы, которые условно можно разделить на несколько типов:

• нейтральные ФЗ, зерна которых обычно состоят из диоксида кремния и алюмосиликатов;
• каталитические загрузки, состав которых включает оксиды марганца;
• ФЗ, которые, наряду с фильтрованием, выполняют функцию повышения рН и поставщика гидрокарбонатов (например, кальцит (СаСО₃)).

Сокращения и термины, используемые в статье

DMI-65 – фильтрующая загрузка, содержащая диоксид марганца. Fe – железо. KMnO4 – перманганат калия. Kt – катализатор, соединения трехвалентного железа (Fe(OH)3, FeO(OH), Fe2O3), трех- и четырех валентного марганца (MnO2, Mn2O3, MnO(OH)). Mn – марганец. Pyrolox – пиролокс, тяжелая фильтрующая загрузка, из природного материала, содержащего диоксид марганца. Vв – объем пропущенной воды (фильтрат), м3. VФЗ – объем фильтрующей загрузки, л. АХ – активный хлор. ГП – гравийная подложка. ГХН, NaClO – гипохлорит натрия. ИВ – исходная вода. ИОП (в графиках Y) – интенсивность обратной промывки, или линейная скорость при обратной промывке, м/ч или л/(с•м2). КЗЖ – удельное (на 1 л ФЗ) количество задержанного железа, г/л (или кг/м3). ОВП – окислительно-восстановительный потенциал, мВ. ОП – обратная промывка. УОФ – удельный (на 1 л ФЗ) объем фильтрата (пропущенной воды), м3/л. ПЖЕ – предельная железоемкость ФЗ, удельное предельное количество железа, задерживаемое 1 л ФЗ, г/л. РИВ – резервуары исходной воды. СВ – система водоподготовки. СР – степень расширения фильтрующей загрузки при обратной промывке, %. СФ – линейная скорость фильтрования, м/ч. УФЗ – установка для испытаний фильтрующих загрузок. ФЗ – фильтрующая загрузка. ФЦ – фильтроцикл.

Процесс обезжелезивания происходит за счет того, что в результате окисления растворимых соединений железа (Fe²⁺) образуются нерастворимые соединения трехвалентного железа (Fe³⁺), которые задерживаются в ходе фильтрования через ФЗ.

На нейтральных загрузках протекающие реакции можно отразить с помощью двух уравнений:

   

Уравнение (1) отражает процесс окисления железа в объеме воды (без участия ФЗ). Нижняя строка с цифрами под формулой каждого участника реакции отражает количество соединения на 1 г железа, которые рассчитываются исходя из уравнения и молекулярных масс соединений. Окисление, согласно уравнению (2), протекает на зернах фильтрующей загрузки, и здесь важную роль в ускорении реакции играет образование (в течение первых 2–8 дней) на поверхности зерен ФЗ покрытия из соединений трехвалентного железа и марганца, которые катализируют основную реакцию [2].

На зернах каталитических загрузок помимо окисления железа происходит также окисление марганца (2+):

Отмечается, что при отсутствии катализатора окисление происходит при рН > 9,5. При использовании ФЗ, содержащей оксиды марганца, процесс окисления протекает с достаточной скоростью при рН 8,5. При рН < 7,5 даже в присутствии катализатора марганец растворенным в воде кислородом не окисляется [3].

Помимо реакций (2) и (3) на каталитических загрузках, содержащих диоксид марганца, протекают реакции (4) и (5), в которых ФЗ выступает в роли окислителя:

Обратный процесс окисления трехвалентного марганца до Мn⁴⁺ может протекать по нескольким путям, отражаемым уравнениями (6–8):

Уравнение (6) показывает процесс окисления соединений Mn³⁺ присутствующим в воде кислородом. В ряде монографий [2, 3] утверждается, что окисление соединений (Мn³⁺) кислородом в воде происходит легко и именно поэтому загрузки, содержащие диоксид марганца, ускоряют окисление марганца. Однако низкие скорости окисления при отсутствии дополнительного окислителя свидетельствуют в пользу того, что реакция (6) при рН <8,5 вносит незначительный вклад в общий процесс окисления. Более вероятно, что при отсутствии реагента-окислителя при рН <8,5 поверхность ФЗ в основном состоит из соединений Mn³⁺, которые, вероятно, обладают определенным каталитическим эффектом (активируют кислород и Mn²⁺) и таким образом ускоряют реакции окисления железа и марганца кислородом (реакции 2, 3).

Уравнения (7) и (8) отражают окисление Mn³⁺ реагентами-окислителями. В качестве окислителей обычно используют доступные гипохлорит натрия (NaClO) или перманганат калия (KMnO₄). Гипохлорит натрия (ГХН) обычно постоянно вводят перед фильтрами. Перманганат калия дозируют как непрерывно перед фильтрами, так и периодически при регенерации.

Цикл превращения содержащегося в ФЗ марганца при участии реагента-окислителя отражен на рис. 1.

Рисунок 1. Цикл превращения марганца ФЗ с участием реагента окислителя (NaClO). Обозначения: Mn+4 = MnO2; Mn+3 = Mn2O3, MnO(ОН), MnO(HCO3); Mn+2 = Mn(HCO3)2; Fe+2 = Fe(HCO3)2.

При дозировании окислителей наряду с реакциями (7) и (8) протекают также реакции окисления присутствующих в исходной воде гидрокарбонатов железа и марганца, которые могут протекать как в объеме воды, так и на поверхности ФЗ:

Согласно уравнениям (9), (10) на окисление 1 г железа расходуется 74,5/(2 × 56) = 0,67 г ГХН или 0,64 г активного хлора (АХ). На окисление 1 г марганца расходуется 74,5/55 = 1,36 г ГХН или 1,29 мг АХ. Следует отметить, что концентрация ГХН немного отличается от концентрации АХ (1 г ГХН эквивалентен 71/74,5 = 0,95 мг АХ), что следует из уравнения (11):

Как показывают химические уравнения (1–3) при отсутствии реагента-окислителя скорость реакции окисления должна увеличиваться с увеличением концентраций кислорода и гидрокарбонатов. Из многочисленных уравнений [2, с. 25], связывающих скорость реакции окисления двухвалентного железа с концентрациями кислорода и ионов водорода [H⁺] можно после небольшого преобразования получить уравнение (12):

             d[Fe²⁺]/dt=K ×[Fe²⁺] ×[O₂] ×10^2×pH,          (12)

где [Fe²⁺], [О₂] – концентрации двухвалентного железа и кислорода в моль/л;

рН = – lg[H⁺] – отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода.

Из уравнения (12) следуют два важных вывода:

1. Скорость реакции окисления увеличивается с увеличением рН воды (пропорционально 10^2×pH).

2. Скорость реакции увеличивается пропорционально с увеличением концентрации кислорода.

Например, как следует из уравнения (12), при увеличении рН с 7 до 8 расчетная скорость реакции увеличивается в 100 раз.

При переходе от стандартных рекомендаций [1, с. 48] (расход воздуха при упрощенной аэрации рекомендуют поддерживать из расчета 2 л на 1 г железа (~0,6 мг кислорода, 4-кратный избыток)) к более высоким концентрация воздуха 20–90 л скорость реакции согласно уравнению 12 увеличивается в 10–45 раз. Растворимость воздуха, а следовательно, концентрацию кислорода легко увеличить путем использования напорной аэрации, поскольку растворимость согласно закону Генри увеличивается пропорционально с увеличением давления. Например, аэрация при давлении 4 бар и температуре 10 °С позволяет достигнуть растворимости примерно 90 л на 1 м³ воды, что соответствует концентрации кислорода не менее ~27 мгО₂/л. Следует отметить, что высокое содержание воздуха в воде приводит также и к нежелательным последствиям, таким как увеличение коррозионной активности воды и вероятности завоздушивания трубопроводов.

Среди приведенных в литературе эмпирических уравнений, позволяющих рассчитывать рабочую линейную скорость фильтрования при обезжелезивании исходя из характеристик ФЗ и содержания в исходной воде железа, можно выделить уравнение (13), полученное путем преобразования уравнения, приведенного в [3, с. 420]:

                 W = (L ×T^0,4/(a ×d ×[Fe]^p))^1,67,               (13)

где
W – линейная скорость фильтрования, м/ч;

L – высота фильтрующей загрузки, см;

Т – температура, °С;

d – средний диаметр зерен ФЗ, мм;

[Fe] – концентрация общего железа в исходной воде, мг/л;

а и р – коэффициенты, зависящиеe от соотношения концентраций железа Fe²⁺ к железу общему в исходной воде (например, для Fe²⁺/Fe_общ. = 0,5 а = 43, р = 0,44).

Из этого уравнения следует несколько выводов, которые можно использовать при выборе ФЗ и условий обезжелезивания. СФ, а соответственно, и эффективность очистки, возрастают:

• с уменьшением размера зерен ФЗ (обратно пропорционально d^1,67),
• с увеличением толщины слоя ФЗ (пропорционально L^1,67);
• с увеличением температуры (пропорционально T^0,67);
• с уменьшением концентрации железа в исходной воде (обратно пропорционально ~[Fe]^0,74).

Например, при уменьшении размера зерен ФЗ с 1 до 0,5 мм согласно уравнению (13) СФ можно увеличить примерно в 3 раза. При увеличении толщины слоя с 0,8 до 1 м расчет дает увеличение СФ примерно в 1,5 раза. При увеличении температуры с 5 до 10 °С расчетная СФ увеличивается в 1,6 раза. При снижении концентрации железа общего в ИВ в 2 раза согласно расчетам СФ может быть увеличена примерно в 1,7 раза. С уменьшением отношения (Fe²⁺/Fe_общ.) СФ увеличивается. Однако при фильтровании воды, содержащей только трехвалентное железо, изменяется характер (механизм) задержания осадка соединений железа ФЗ. В задержании участвует только верхний слой, уменьшаются грязеемкость ФЗ и продолжительность ФЦ, содержание железа в фильтрате в течение фильтроцикла постепенно увеличивается, поскольку происходит перемещение осадка железа по ФЗ. Тогда как в условиях упрощенной аэрации при отношении Fe²⁺/Fe_общ. более 0,25 окисление железа происходит по всей высоте ФЗ, что обеспечивает прочное сцепление осадка с зернами ФЗ и, как следствие, снижение концентрации железа в течение ФЦ, отсутствие проскока железа в фильтрате и более высокую грязеемкость, а соответственно, и железоемкость [2, с. 39].

Практический интерес представляет уменьшение диаметра зерен, что, как следует из уравнения (13), должно привести к увеличению эффективности фильтрования

С уменьшением размера зерен возрастают общая удельная поверхность зерен, а следовательно, скорость окисления железа и способность удержания отложений на поверхности загрузки фильтра. Однако с уменьшением размера зерен возрастает сопротивление ФЗ. Анализ характеристик, отражающих зависимость потерь давления от скорости [6–7] показывает, что максимальные потери давления даже для мелких ФЗ (0,3–0,8 мм) не превышают 0,2 бар/м. Принимая во внимание, что толщина загрузки для стандартных фильтров обычно около 0,8 м, можно предположить, что наиболее эффективный размер зерен должен лежать в области мелких зерен в пределах 0,4–0,7 мм и иметь узкий гранулометрический состав. Использовать зерна с размером менее 0,4 мм для обезжелезивания нецелесообразно по причине возможного уноса зерен через верхний дистрибьютор, имеющий обычно размер щелей 0,4–0,5 мм. Уменьшение щелей, например, до 0,2 мм приводит к выходу фильтра из строя в результате быстрого зарастания верхней распредсистемы железом.

В данной статье приводятся результаты возможности использования мелкозернистых загрузок типа Pyrolox, DMI-65, и сокирнита в фильтрах для удаления железа и марганца.

Цели исследования:

1. Сравнить эффективность обезжелезивания нейтральной загрузки сокирнита и каталитических ФЗ, содержащих в своем составе диоксид марганца, в условиях аэрации без добавления реагентов-окислителей.
2. Оценить целесообразность добавление в ФЗ кальцита как источника гидрокарбонатов на предмет увеличение эффективности обезжелезивания и снижения нижней границы рН.
3. Сравнить результаты применения DMI-65 и пилорокса для использования в мультимедийных средах совместно с кальцитом и сокирнитом для обезжелезивания воды.
4. Получить зависимости ИОП от СР для сокирнита и многослойных ФЗ, включающих DMI-65 и Pyrolox.
5. Визуально, на прозрачном фильтре, посмотреть процессы обезжелезивания и обратной промывки на ФЗ.

Общее описание установки для испытания фильтрующих загрузок

Установка для испытания фильтрующих загрузок (УФЗ) предназначена для испытания ФЗ как для измерения ИОП, так и для испытания ФЗ на предмет удаления железа, марганца, мутности или других, присутствующих в исходной воде элементов.

Установка модульная, передвижная, что позволяет проводить пилотные испытания на конкретной воде реального объекта (см. рис. 2, 3).

Рисунок 2. Установки. ФЗ: сокирнит–кальцит– пиролокс (32–16–16)	Рисунок 3. Установки. ФЗ: сокирнит

УФЗ включает:

1. фильтр с прозрачным корпусом, внутренним диаметром 331 мм (площадь фильтрования 0,0854 м²) и высотой 1380 мм;
2. повысительный насос с частотным электроприводом, который может работать как по «давлению», так и по «расходу» от датчиков давления и расхода;
3. три расходомера для измерения расхода воды: ротаметр FSIV063, турбинный датчик FIP F3.00, турбинный расходомер Clack, установленный на управляющем клапана WS1. Непосредственно для измерения использовали два расходомера FIP F3.00 и расходомер Clack. Показания этих двух расходомеров практически совпадали.
4. электронагреватель для поддержания воды предустановленной температуры;
5. линию подачи воздуха, включающую ротаметр, компрессор, мембранный бак. Линия предназначена для исследования воздушной и водовоздушной промывк;
6. а также предусмотрены прозрачные вставки на линиях обратной промывки и очищенной воды для визуального контроля качества воды.

В качестве фильтрующих загрузок использовались:

1. природный цеолит марки «Сокирнит»: фракция 0,5–1,0 мм, содержание клиноптилолита 70–80 %, удельная плотность 2,2–2,4 кг/л, насыпная плотность 1,05–1,1 кг/л;
2. кальцит (Calcite, CaCO₃): фракция 0,4–1,2 мм, удельная плотность 2,7 кг/л, насыпная плотность 1,464 кг/л;
3. DMI-65 (каталитическая загрузка для удаления железа и марганца): фракция 0,4–0,8 мм, удельная плотность 2,69 кг/л, насыпная плотность 1,469 кг/л;
4. Pyrolox (каталитическая загрузка для удаления железа и марганца): фракция 0,4–0,8 мм, удельная плотность 3,8 кг/л, насыпная плотность 1,925 кг/л.

В качестве подложки использовали гравий (кварц) мытый: фракция 1,6–4,0 мм. В некоторых экспериментах использовали гравий: фракции 2–5 и 4–7 мм.

Исследования проводили с пятью разными составами ФЗ:

1. № 1 с-к-п = 32–16–16: сокирнит–кальцит–пиролокс в количествах 32, 16, 16 л соответственно, гравий (1,6–4 мм) 14 л;
2. № 2 с-к-п = 55–7–7: сокирнит–кальцит–пиролокс в количествах 55, 7, 7 л соответственно, гравий (1,6–4 мм) 14 л;
3. № 3 сокирнит 60: сокирнит в количестве 60 л, гравий (1,6–4 мм) 20 л;
4. № 4 с-к-DMI = 50–5–14: сокирнит–кальцит–DMI-65 в количествах 50, 5, 14 л соответственно, гравий (2–5 мм) 14 л;
5. № 5 с-к-DMI = 56–5–7: сокирнит–кальцит–DMI-65 в количествах 56, 5, 7 л соответственно, гравий (1,6–4 мм) 7 л, гравий (4–7 мм) 7 л.

Порядок загрузки. В заполненный на 2/3 объема водой корпус загружалась подложка в последовательности от крупного гравия к мелкому, затем засыпали легкую загрузку – сокирнит, на нее – тяжелые загрузки: кальцит, DMI-65 или пилорокс. После первой ОП происходило перераспределение слоев в соответствии с плотностью: среды с более низкой плотностью располагались более высоко. Гравийная подложка при первых промывках практически оставалась в первоначальном исходном состоянии, однако со временем наблюдали нарушение горизонтальности поверхности и смещение слоев (в случае двухслойной ГП).

Описание проведения исследований

В данной статье представлены результаты, полученные на артезианской воде с содержанием общего железа 5 мг/л (см. табл. 1). Температура воды 10–11 °C. Исходная вода из скважин проходила аэрацию с помощью водовоздушных эжекторов и насосами подавалась на заводские фильтры и УФЗ. Содержание двухвалентного железа менялось в ходе экспериментов от 0,85 до 2,5 мг/л. Насос УФЗ в данных экспериментах не использовался. Расход регулировался с помощью мембранного регулирующего вентиля.

Таблица 1 Анализ исходной и очищенной воды

№№ п/п Номенклатура показателей, единицы измерения Исходная вода Очищенная вода после УФЗ 1 Железо общее, мг/дм3 5,0–5,2 0,04–0,4 2 Марганец, мг/дм3 0,4–0,5 0,35–0,5 3 Водородный показатель (рН), ед. 7,6–7,8 7,6 4 Общая жесткость, мг-экв/л 8,7–9,0   5 Натрий, мг/дм3 28   6 Нитраты, мг/дм3 < 0,1   7 Нитриты, мг/дм3 < 0,025   8 Гидрокарбонаты, мг/дм3 346-361   9 Перманганатная окисляемость, мг/дм3 0,31–1,02   10 Аммиак (по азоту), мг/дм3 0,30–0,49   11 Сульфаты, мг/дм3 28,0-31   12 Хлориды, мг/дм3 16,8–17   13 Фториды, мг/дм3 0,83   14 Сульфиды (сероводород), мг/дм3 < 0,002   15 Двуокись углерода 14–16   16 Общая минерализация, мг/дм3 429,2   17 ОВП, мВ (–50) – (–120) 0 – (+100) 18 Железо (2+), растворенное 0,8–2,1 0–0,4

УФЗ работала на удаление железа в непрерывном режиме с периодическими регенерациями обычно один раз в сутки. Регенерации осуществлялись исходной водой с содержанием железа 5 мг/л. Анализы воды обычно отбирались в первые часы после регенерации и уже на следующий день в конце ФЦ. Измеряли: содержание общего железа, периодически – рН, температуру, ОВП, содержание Fe²⁺, расход и перепад давления на ФЗ.

Большинство анализов по содержанию общего железа, марганца, рН проводили на месте с помощью портативных приборов HACH DR890, рН-метра HANNA HI 98127 и HANNA ORP HI 98201 (для измерения окислительно-восстановительного потенциала). Периодически для достоверности отбирались образцы воды, и проводили анализы в аккредитованном Аналитическом центре «ЭКОДАРА». Для измерения расхода на УФЗ смонтированы три расходомера: ротаметр, датчик расхода FIP F3.00 и турбинный расходомер, установленный в переключателе потока Clack WS1. Наблюдалась допустимая сходимость между показаниями FIP и Clack расходомеров. Показания ротаметра отличались от показаний FIP и Clack в диапазоне 4–5 м/ч. Далее в графиках представлены расходы по показаниям FIP F3.00 расходомера.

При обратной промывке измеряли расход, давление и высоту фильтрующей загрузки. Степень расширения загрузки (СР) при обратной промывке рассчитывали по формуле:

СР% = (Н_ф – Н_о) / (Н_о – Н_п) × 100,

где

Н_ф – измеренная вручную рулеткой полная фактическая высота загрузки при обратной промывке;

Н_о – начальная высота при отсутствии обратной промывки;

Н_п – высота гравийной подложки.

Результаты

На содержание железа в фильтрате СФ оказывали влияние: СФ, объем пропущенной воды после регенерации, состав ФЗ и продолжительность эксплуатации ФЗ. Кроме того, в процессе получения результатов наблюдалось изменение соотношения (Fe²⁺/Fe_общ) в диапазоне 16–50 %, вероятно, вследствие различного времени пребывания исходной воды после скважины в РИВ в результате меняющегося водопотребления, что также отражалось на эффективности обезжелезивания. Перечисленные выше факторы приводили к разбросу значений и сложности в интерпретации данных.

На рис. 4 показаны зависимости концентраций общего железа в воде после фильтрования (фильтрате) от СФ.

Рисунок 4. Зависимости концентрации железа (общего) в фильтрате от СФ

Все пять ФЗ показали хорошие результаты по удалению железа в исследуемых условиях (аэрация, содержание Fe²⁺ 0,85–2,5 мг/л). При СФ до 10 м/ч содержание Fe_(общ.) не превышало 0,3 мг/л. При СФ до 7 м/ч содержание железа снижалось до 0,2 мг/л. Более эффективно железо удалялось на сокирните (без добавок, № 3) и многослойной загрузке № 1 с пиролоксом и кальцитом (с-к-пир = 32–16–16). В экспериментах с загрузками №№ 2, 4 и 5 наблюдалось некоторое снижение эффективности работы ФЗ, возможно, вследствие использования в этих ФЗ бывшего в употреблении, заросшего железом, сокирнита.

Содержание марганца (Mn) в фильтрате практически не менялось. Небольшое снижение Mn (не более 10 %) наблюдалось на ФЗ с пиролоксом в первые недели эксплуатации.

На рис. 5 показаны зависимости содержания железа в фильтрате от удельного объема пропущенной воды (фильтрата, УОФ) при СФ 9,5–10,2 м/ч:

Рисунок 5. Зависимости концентрации железа (общего) в фильтрате от УОФ (Vв/Vфз)

УОФ = V_в/V_фз,

где
V_в – объем пропущенной воды, м³;

V_фз – объем фильтрующей загрузки, л.

Наблюдалось повышенное содержание железа в фильтрате в первые минуты фильтроцикла (сразу после прямой промывки). Вероятно, это обусловлено тем, что прямая промывка осуществлялась исходной водой с содержанием железа 5 мг/л при СФ 40–43 м/ч. При данных СФ железо остается в ФЗ, и требовалось 0,002–0,005 м³/л УОФ, чтобы снизить железо до требуемого уровня.

Наблюдаемый характер кривых для ФЗ №№ 1, 3 и 4 (см. рис. 5) аналогичен изменениям, характерным для обезжелезивания с использованием упрощенной аэрации и фильтрования, когда окисление железа (2+) в количествах не менее 25 % от общего железа происходит непосредственно на ФЗ. На этих кривых наблюдается снижение концентрации железа в фильтрате с увеличением объема пропущенной воды. Продолжительность фильтроцикла (ресурса) в этих случаях диктуется возрастанием потерь давления воды на фильтре в результате задержания соединений железа ФЗ (рис. 6, 7).

Рисунок 6. Зависимость потерь давления на фильтре (ΔР) от от УОФ (Vв/Vфз)

Удельный объем фильтрата при многослойных загрузках достигал 0,6–0,8 м³/л (см. рис. 5, 6, кривые для ФЗ № 1 с пиролоксом, 2–3 суток непрерывной работы без регенерации при ~10 м/с)). Это означает, что при содержании железа в исходной воде 5 мг/л один литр ФЗ задерживает примерно 3–4 г железа (КЗЖ = 600 × 5 / 1000 = 3 г/л). Однако при этом потери давления на фильтре в конце цикла возрастали до 1–2 бара (см. рис. 7). Визуально (опыты для ФЗ № 1) наблюдалось комкование ФЗ за счет высокого содержания осадка соединений железа. Особенно комки были видны при обратной промывке. Причем, чтобы разбить комки, требовалось три-четыре последовательные ОП.

Рисунок 7. Зависимость потерь давления, бар, на фильтре (ΔР) от удельного количества задержанного железа (КЗЖ), г/л

Для монослойной загрузки потери давления нарастали быстрей (примерно в 1,5 раза), чем для многослойной (трехслойной) ФЗ. Например, для ФЗ № 3 (сокирнита) потери давления 0,8 бар наблюдались уже при пропускании 0,3 м³/л УОФ, что соответствует удельному КЗЖ 1,5 г/л (КЗЖ = 0,3 × 5 = 1,5).

Рисунок 8. Зависимости интенсивности обратной промывки (ИОП) от степени расширения ФЗ при температуре 10–11 0С

Чтобы избежать комкования и потерь давления при расчете ресурсов и диаметров фильтров, на наш взгляд, следует исходить из предельной железоемкости (ПЖЕ) ФЗ. На основании наших полученных данных (см. рис. 5–7), коэффициента запаса и визуальных наблюдений можно предложить для монозагрузок типа сокирнита ПЖЕ, равную 1,2 г/л, для двухслойных – 1,4 г/л, а для трехслойных загрузок ПЖЕ, равную 1,6 г/л ФЗ, что соответствует 0,24, 0,28 и 0,32 м³/л УОФ. Потери давления при выбранных ПЖЕ в конце цикла перед промывкой согласно рис. 7 не превышают 0,6 бар. Максимальный ресурс для фильтра можно рассчитать по формуле:

Р = V_ФЗ × ПЖЕ/С_ж,

где
Р – ресурс фильтра, м³;

V_ФЗ – объем ФЗ, л;

ПЖЕ – предельная железоемкость ФЗ, г/л;

С_ж – концентрация общего железа в исходной воде, г/м³.

Например, для нашего фильтра с объемом ФЗ, равным примерно 60 л, при содержании железа в исходной воде 5 мг/л ресурс для монослойной загрузки типа сокирнита составит:

Р = V_ФЗ × ПЖЕ/С_ж = 60 × 1,2/5 = 14 м³,

а для трехслойных фильтрующих загрузок:

Р = 60 × 1,6/5 = 19 м³.

Следует отметить, что «нейтральный» сокирнит показал высокую эффективность по удалению железа с первых дней эксплуатации. Возможно, полученные результаты обусловлены тем, что сокирнит обладает отличительными свойствами эффективно удалять железо за счет ионообменных свойств по сравнению, например, с кварцевым песком. Кроме того, возможно, что при относительно высоком содержании соединений Fe³⁺ в исходной воде (2,5–10,0 мг/л), которое задерживается непосредственно верхним слоем ФЗ, процесс окисления Fe²⁺, ускоряется за счет прохождения всего потока воды через значительный слой свежевыпавшего осадка гидроокиси трехвалентного железа. Поскольку окисление в рассматриваемом случае в основном происходит на соединениях Fe³⁺, природа загрузки не имеет существенного значения.

На рис. 8 отражены зависимости ИОП от СР при температуре 10–11 °С. ОП осуществлялись исходной водой с содержанием железа 5 мг/л. Зависимости представляют собой прямые, которые описываются уравнениями:

у = ах + в,

где
у – ИОП, м/ч;

х = СР, %;

а и в - эмпирические коэффициенты, полученные путем математической обработки полученных экспериментальных данных.

Величина ИОП в первую очередь меняться от состава ФЗ. У многослойных загрузок с тяжелыми пиролоксом и DMI 65 ИОП, как и ожидалось, оказалась выше, чем у ФЗ, состоящий только из сокирнита. С увеличением доли тяжелой загрузки ИОП увеличивается (сравнить прямые №№ 4, 5). Следует отметить, что ИОП увеличивается по мере эксплуатации ФЗ. Например, ИОП для сокирнита увеличилась с 35 м/ч (при 35 % СР) в первые дни эксплуатации до 38,5 м/ч после эксплуатации в течение примерно месяца, что составляет около 10 %. Вероятно, это связано в первую очередь с обрастанием зерен ФЗ железом, о чем свидетельствует изменение цвета сокирнита со светлого до бурого (рис. 9, 10).

Рисунок 9. ФЗ: сокирнит–кальцит–пиролокс (32–16–16). Начало обратной промывки. Содержание железа на ФЗ ~ 4 г/л, УОФ – 0,82 м3/л, 11 суток эксплуатации	Рисунок 10. ФЗ: сокирнит–кальцит–DMI-65 (50–5–14). Начало обратной промывки. Содержание железа на ФЗ ~ 1,2 г/л, УОФ – 0,254 м3/л, 3,5 месяца эксплуатации

Визуально для всех типов ФЗ равномерного кипящего слоя при ОП не наблюдалось. Мы наблюдали подъем частиц с одной стороны и медленное опускание с другой стороны (своеобразную циркуляцию внутри корпуса). Со временем (в течение нескольких недель) эта тенденция усиливалась. Вероятно, ФЗ и ГП со временем перераспределяется: с одной стороны скапливаются более мелкие частицы, с другой – более крупные, где и происходит основной поток. Изначально неравновесная при загрузке система постепенно переходит в устойчивое состояние в результате перераспределения зерен различного размера ГП и ФЗ. Причем равновесное состояние – это далеко не горизонтальная поверхность ГП. Вероятно, этот процесс характерен для относительно высоких скоростей фильтрования более 30 м/ч, когда поток вызывает движение тяжелой ГП. Видео обратных промывок можно найти и посмотреть на сайте [9].

Данные два процесса (зарастание железом и перераспределение ГП и ФЗ) приводят к необходимости корректировки ИОП в сторону увеличения в первые месяцы эксплуатации.

На основе литературных и полученных данных мы сделали следующие выводы.

1. В целом использование многослойных составов ФЗ сокирнит–кальцит–DMI-65 показались более предпочтительными по сравнению с составами сокирнит–кальцит–пиролокс. DMI-65 и кальцит смешиваются при обратной промывке. Пиролокс и кальцит не смешиваются. При ОП ФЗ с пиролоксом при СФ до 60 м/ч наблюдались застойные зоны в зоне пиролокса. При увеличении обратной промывки до 70–80 м/ч застойные зоны уменьшались, но полностью не исчезали.

2. Включение кальцита и каталитических загрузок типа пиролокс и DMI-65 может играть положительную роль в первые месяцы работы, однако в ходе эксплуатации все загрузки покрываются железом и их каталитический эффект должен снижаться. При этом важно, чтобы каталитический слой был тяжелее и находился в нижней части фильтрующего слоя, что защищает его от быстрого обрастания железом.

3. Максимальную эффективность в части обезжелезивания должны проявлять мелкозернистые многослойные загрузки с размером гранул 0,4–0,7 мм.

4. Использование мелкозернистого сокирнита в качестве ФЗ (или слоя ФЗ), вероятно, вследствие наличия ионообменных свойств позволяет удалять железо с первых дней эксплуатации, в отличие, например, от кварцевого песка, который начинает работать эффективно после образования каталитической пленки спустя 2–8 дней.

5. Добавление кальцита в многослойные фильтры, содержащие сокирнит, при рН > 7,6 не оказывает заметного влияния на эффективность удаления железа.

6. Необходимая минимальная СР зависит от величины ИОП. Чем больше ИОП, тем меньше допускается СР. При поддержании ИОП в фильтрах-обезжелезивателях на уровне 25–40 м/ч расширение ФЗ может составлять 25–50 %. При увеличении ИОП до 40–80 м/ч необходимое расширение может быть снижено до 15–30 %, т. е. с увеличением ИОП можно уменьшать процент расширения ФЗ. Например, для таких ФЗ, как пилорокс, вероятно, достаточно рекомендуемых производителем ИОП 61–73 м/ч, что соответствует расширению 20–30 %. Математически требуемые ИОП и СР можно примерно оценить исходя из неравенства:

ИОП × СР > K,

где

ИОП – интенсивность обратной промывки, м/ч;

СР – степень расширения,%;

К = 1000–1300 – оценочный коэффициент зависит от толщины ФЗ, периодичности регенераций (выбранного ПЖЕ), а также очищенной или исходной водой происходит обратная промывка.

Если произведение ИОП × СР больше К, то фильтрующая загрузка должна очищаться при обратной промывке. Например, гидравлические характеристики фильтра позволяют осуществлять ОП с интенсивностью не более 55 м/ч. Если в качестве загрузки используется пилорокс, то согласно характеристикам производителя СР при 55 м/ч для пилорокс будет равна 20 %. Соответственно, произведение ИОП × СР = 55 × 20 = 1100, что менее 1300. Следовательно, вероятно, ИОП будет недостаточно для очистки фильтра с помощью обратной промывки. Нужно увеличивать ИОП либо путем выбора другого управляющего клапана, либо увеличением давления на линии ОП. Однако ИОП фильтра можно уменьшить путем увеличения частоты промывок, т. е. из расчета ресурса, обеспечивающего меньшую железоемкость – например, менее 0,5 г/л. В этом случае основная масса выпавшего железа задерживается в верхних слоях ФЗ, а соответственно, достаточно меньшего расширения и ИОП, чтобы вымыть соединения железа из ФЗ. Кроме того, проведение ОП очищенной (не содержащей железа) водой, снижение толщины ФЗ до 80 см позволяет принять для оценки меньшие значения К (1000–1100). Соответственно, в данном примере при соблюдении перечисленных условий проведения ОП полученное расчетом значение ИОП × СР = 1100 может быть достаточно для эффективной ОП.

7. Важную роль в осуществлении эффективной ОП играют также следующие факторы: получение ровной горизонтальной поверхности ГП при загрузке, точная центровка нижней распредсистемы в корпусе фильтра, верхняя граница ГП должна быть на 100 мм выше нижней дренажной системы.

Литература

1. СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. АР СНиП 2.04.02–84». М., 2012. С. 48–50, 119–121.
2. Золотова Е. Ф., Асс Г. Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода. М.: Стройиздат, 1975. C. 13, 15, 25 39, 54, 80, 99.
3. Клячко В. А., Апельцин И. Э. Очистка природных вод. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1971. С. 415–429.
4. Кострикин Ю. М., Мещерский Н. А., Коровина О. В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 41.
5. Degremont. Технический справочник по обработке воды. СПб.: Новый журнал, 2007. – С. 1468, 1479.
6. Clack Corporation. URL: http://www.clackcorp.com/water-treatment/our-products.
7. Quantum Filtration Medium. . URL: http://www.DMI-65.com/Technical-Datasheet-DMI 65.
8. Алсис. URL: http://www.alsis-ur.ru/products/
9. Экодар. URL: http://www.ekodar/prom/gruppa_kompany/stati.