УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРАЦИИ ВОДЫ

Предполагаемая полезная модель относится к области водоподготовки, в частности к области окисления растворенных в воде примесей аэрацией воздухом с последующим пропусканием аэрированной воды через каталитическую засыпку.
В настоящее время для удаления из воды легко окисляемых примесей, таких как сероводород, аммиак, соединения двухвалентного железа и марганца широко применяется напорная аэрация. Суть метода напорной аэрации заключается в подаче в обрабатываемую воду под давлением окислительного газа (как правило, воздуха) [1]. Схема устройства для напорной аэрации приведена на фиг.1.
Кислород воздуха, нагнетаемого компрессором 1, растворяется в воде (тем больше, чем выше давление), находящейся в аэрационной колонне 2, вода с растворенным кислородом пропускается через каталитическую засыпку 3 засыпного фильтра 4, где и происходит окисление примесей. Фиг.1.
При окислении соединений железа и марганца они переходят из растворенной фазы в твердую и образуют взвеси, улавливаемые каталитической засыпкой.
Основным недостатком всех устройств напорной аэрации является наличие компрессора. Кроме капитальных затрат включение компрессора в схему обработки воды означает дополнительный шум, вибрацию, дополнительное энергопотребление. В некоторых приложениях, например, в малых установках водоподготовки для индивидуальных жилых домов, такое решение малоприемлемо.
Более близки к предполагаемой полезной модели устройства, реализующие безнапорную аэрацию. Наиболее простым способом безнапорной аэрации является распыление воды через форсунку или пористый распылитель [3]. Недостаток подобной схемы – низкая надежность вследствие достаточно малых (порядка одного миллиметра и менее) прожимных отверстий, через которые проходит вода и которые могут легко засориться.
Этого недостатка лишено устройство безнапорной аэрации с использованием инжекторов [1], которое можно считать ближайшим аналогом предполагаемой полезной модели. Диаметр прожимного сечения используемых при безнапорной аэрации инжекторов составляет не менее нескольких миллиметров, поэтому их засорение практически невозможно.
Наиболее распространенная схема безнапорной аэрации с использованием воздушного инжектора представлена на фиг.2.
Воздух поступает через всасывающий патрубок 1 в инжектор 2, через который обрабатываемая вода поступает в соединенную с атмосферой емкость 3. Поскольку избыточное давление в емкости 3 отсутствует, то в корпус фильтра 4 на окислительную засыпку 5 вода подается из емкости 3 насосом 6.
Для дальнейшего изложения важно, что засыпка 5 выполняет одновременно две функции – катализатора окисления и механического фильтра.
По мере загрязнения засыпки взвесями ее гидравлическое сопротивление увеличивается. Поэтому засыпку периодически регенерируют, промывая обратным током воды, причем скорость промывочной воды должна быть достаточной для того, чтобы засыпка перешла в псевдоожиженное состояние – только в этом случае достигается полное отмывание зерен засыпки [1].
3
В случае окисления только железа каталитическая функция засыпки не является лимитирующей, т.е. определяющей межпромывочный ресурс засыпки. Так, например, изготовитель каталитической засыпки МФО-47 ТУ 4859-005-97583698-2007 ООО «МФО Компоненты» [3] рекомендует промывку после поступления 2 г соединений железа в 1 дм засыпки. Практически такой же ресурс по количеству взвесей рекомендован и не для каталитических, а для нейтральных засыпок, таких, как кварцевый песок [1].
Несмотря на то, что при окислении железа выделяются твердые вещества, оседающие на поверхности зерен каталитической засыпки, это не приводит к уменьшению способности засыпки к катализу. Причина в том, что продукт реакции окисления двухвалентного железа – пленка соединений трехвалентного железа – сама по себе является катализатором данной реакции [1].
Однако в случае наличия в очищаемой воде ряда примесей: сероводорода, свободной углекислоты, коллоидной кремниевой кислоты, аммиака каталитические свойства пленки заметно ухудшаются [1]. Это объясняется т.н. «отравлением», т.е. блокировкой указанными соединениями активных центров на поверхности катализатора [4]. Надо отметить, что по крайней мере два из перечисленных соединений – сероводород и аммиак – часто встречаются в подземных водах европейской части России [5]. При разработке серийных устройств водоподготовки с вероятностью наличия таких соединений в воде необходимо считаться, в противном случае глубина очистки воды от соединений железа и марганца может оказаться недостаточной вследствие «отравления» катализатора.
Приведенный краткий анализ современного уровня техники в области безнапорной аэрации, сочетаемой с окислением содержащихся в аэрированной воде примесей на каталитических засыпках, позволяет сформулировать достигаемый с помощью предполагаемый полезной модели технический результат – повышение глубины очистки воды от железа и марганца в присутствии каталитических «ядов» (сероводорода, свободной углекислоты, коллоидной кремниевой кислоты, аммиака).
Принципиально задача поддержания активности катализатора сводится к постоянному обновлению (очистке) каталитической поверхности в процессе протекания реакции. В современной технике одним из наиболее простых способов очистки каталитической поверхности в процессе протекания реакции считается использование катализаторов кипящего слоя [6]. Частицы в кипящем слое постоянно соударяются и отложения с них непрерывно удаляются. Важным дополнительным достоинством катализа в кипящем слое является высокий коэффициент массоотдачи от частиц катализатора к псевдоожижающей среде, что объясняется разрушением пограничных слоев вблизи хаотически движущихся частиц.
Т.о. для достижения указанного технического результата каталитическую засыпку следует псевдоожижать не только в процессе обратной промывки, но и в процессе нормальной работы – окисления и фильтрации. Однако полностью псевдоожиженный слой засыпки лишен способности к фильтрации, поэтому псевдоожижению в процессе работы подлежит лишь часть засыпки.
Для псевдоожижения части засыпки требуется энергия, которую можно взять от выходящего из инжектора потока, поскольку выходящая из инжектора среда способна совершать некоторую работу противодавления [7].
3
3
Эксперимент с инжектором с прожимным сечением диаметром 3 мм, погруженным в слой каталитической засыпки МФО-47 выходным соплом вверх при расходе воды через инжектор 0,52 м/ч показал, что объем псевдоожиженной области составляет около 0,25 дм.
Допустим, для заполнения каталитической засыпкой используется один из наименьших из представленных на отечественном рынке минеральных баков типоразмера 8х17 паспортным объемом 11,7 л. Примем, что 10% объема минерального бака заполнено инертным заполнителем (что в общем случае необязательно) а 20% объема – свободное пространство, необходимое для размещения водораспределительного оборудования. Тогда оставшиеся 8,2 л заполнены каталитической засыпкой, а псевдоожиженная область составляет 0,25/8,2=3,05% от ее объема. Очевидно, снижением суммарной грязеемкости засыпки вследствие псевдоожижения столь незначительной ее части можно пренебречь.
Предполагаемая полезная модель устроена следующим образом (фиг.3). На дне емкости 1 установлен коллектор 2, покрытый слоем каталитической засыпки 3. В слой каталитической засыпки погружен выходным соплом вверх инжектор 4, к которому подводятся напорный водяной патрубок 5 и всасывающий воздушный патрубок 6. К коллектору 2 подключен насос 7. Фиг.3.
Предполагаемая полезная модель работает следующим образом. Очищаемая вода подается под давлением через напорный водяной патрубок 5 в инжектор 4, в который подсасывается воздух через всасывающий воздушный патрубок 6. Выходящая из сопла инжектора 4 водовоздушная струя приводит в псевдоожиженное состояние часть каталитической засыпки 3. В псевдоожиженной зоне вследствие соударения частиц каталитической засыпки друг об друга происходит постоянное удаление отравленной каталитическими «ядами» пленки соединений трехвалентного железа. Вода фильтруется через слой засыпки, собирается в коллектор 2 и выводится из емкости 1 насосом 7.
По исчерпании грязеемкости засыпки в коллектор 2 обратным током подается вода с расходом, достаточным для псевдоожижения всего объема засыпки 3, промывочная вода выводится из емкости 1 в дренаж – так производится обратная промывка, восстанавливающая ресурс засыпки по грязеемкости.
Работу предполагаемой полезной модели могут пояснить следующие примеры.
Пример 1.
3
Цилиндрическая емкость внутренним диаметром 250 мм и высотой 850 мм заполнена каталитической засыпкой МФО-47 на высоту 450 мм. Уровень воды в емкости поддерживается между 650 и 800 мм. Очищаемая вода с расходом 0,52 м/ч вводится в емкость через инжектор с диаметром прожимного сечения 3 мм. Инжектор расположен над слоем засыпки. Очищаемая вода содержит двухвалентное железо в количестве 4,3 мг/л, рН воды 7,4, температура воды 11°С.
Очищенная вода содержит 0,15 мг/л железа, что соответствует норме для питьевой воды [8].
Пример 2.
Параметры оборудования для очистки воды и состав воды согласно Примеру 1, но вода содержит кроме двухвалентного железа сероводород в количестве 0,06 мг/л.
Очищенная вода содержит 0,42 мг/л железа, что превышает допустимую норму для питьевой воды [8].
Пример 3.
Параметры оборудования для очистки воды и состав воды согласно Примеру 1, но инжектор погружен в слой каталитической засыпки выходным соплом вверх. Расстояние от дна емкости до среза выходного сопла инжектора – 300 мм.
Очищенная вода содержит 0,16 мг/л железа, что соответствует норме для питьевой воды [8].
Пример 4.
Параметры оборудования для очистки воды и состав воды согласно Примеру 3, но вода содержит кроме двухвалентного железа сероводород в количестве 0,06 мг/л.
Очищенная вода содержит 0,21 мг/л железа, что соответствует норме для питьевой воды [8].
Сопоставление данных Примера 1 и Примера 3 показывает, что при отсутствии в воде веществ, способных «отравить» каталитическую пленку (в данном случае сероводорода) заглубление инжектора в слой каталитической засыпки не дает каких-либо преимуществ. При наличии сероводорода в воде полнота окисления железа снижается (Пример 2) до недопустимого для питьевой воды уровня, однако достичь более полного окисления железа можно с помощью заглубления инжектора в толщу каталитической засыпки и псевдоожижения ее (Пример 3).
Источники информации
1. «Водоподготовка». Справочник под ред. С.Е. Беликова, М.: «Издательский Дом «Аква-Терм», 2007, 239 с.
2. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. – М.: «ДеЛи принт», 2004. – 328 с. ISBN: 5-94343-079-2.
3. Фильтрующий материал МФО-47 [Электронный ресурс]//. Режим доступа http://www.recyrc.ru/catalog/materials/mfo47/, свободный. Загл. с экрана. Яз. рус. Дата обращения 16 июня 2016 г.
4. Тейлор Х.С.«Физическая химия. Часть 2», 3-е изд., Ленинград, ОНТИ-Химтеорет, 1935, 900 с.
5. О.В. Лифшиц «Справочник по водоподготовке котельных установок». Издание второе, М:. «Энергия», 1976, 288 с.
6. Мухленов И.П. (ред.) «Катализ в кипящем слое». Л.: Химия, 1971, 312 с.
7. Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. – М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2003, 408 с.
8. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 (с изменениями от 7 апреля 2009 г., 25 февраля, 28 июня 2010 г.), Минздрав России, М.: 2002.