Чистая вода — дело техники!

Очистка воды

Очистка стоков

Бассейны

Охлаждение

Охлаж-
дение

Очистка воздуха

Насосы

СТАТЬИ

АЭРАЦИЯ ВОДЫ.
(автор: Ген.директор компании "МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" - С.В.Черкасов)

1. ВВЕДЕНИЕ

     Аэрацией воды называется процесс насыщения воды кислородом воздуха. Аэрация воды производится:

  • в очистных водопроводных сооружениях с целью удаления из воды гидроокиси железа, свободной углекислоты и сероводорода;
  • в сооружениях биологической очистки сточных вод (аэротенках, аэрофильтрах, биофильтрах) для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов (аэробных бактерий), осуществляющих процесс минерализации растворённых в сточных водах органических веществ и других загрязнений.

     Аэрация обычно характеризуется следующими параметрами:

  • производительность аэрационных систем по кислороду (выражается в кг растворенного кислорода на 1 м3 аэрируемого объема);
  • количество введенного кислорода за 1 час (выражается в кг растворенного кислорода в час);
  • удельное количество введенного кислорода (выражается в кг растворенного кислорода на кВт затраченной энергии);
  • эффективностью растворения кислорода (выражается в % от массы введенного кислорода, который действительно растворился к массе кислорода, поданного компрессионной установкой).

     По принципу действия аэрационные установки подразделяют на:

  • Установки безнапорной (упрощенной) аэрации воды, в которых происходит распыление исходной воды в окислительном баке (контактной емкости). Дополнительно можно осуществить аэрацию с помощью компрессора, подающего воздух в толщу воды через мелкопузырчатые аэраторы. Благодаря этому вода в окислительном баке перемешивается, что ускоряет процесс окисления железа и газов. Поскольку в безнапорной аэрационной станции происходит разрыв струи воды, то после нее необходимо ставить насосную станцию для поднятия давления до необходимой величины (2,5 – 4 атм.). На дне окислительного бака постепенно накапливается слой окислившегося железа, который необходимо периодически удалять (2 – 4 раза в год).
  • Установки напорной аэрации воды, в которыхаэрация осуществляется путем нагнетания сжатого воздуха в аэрационную колонну или окислительный бак при помощи компрессора, при этом отделяемые от воды газы и избыток воздуха отводятся из аэрационной колоны через воздухоотделительный клапан. По сравнению с безнапорной аэрацией в данном случае не требуется дополнительный насос для повышения давления, аэрационная колонна монтируется непосредственно в магистраль водопровода, уменьшаются габариты установки, но производительность и эффективность аэрации несколько хуже, поскольку меньше время контакта воды с воздухом.

     Более подробно работу установок безнапорной и напорной аэрации воды мы рассмотрим ниже. А для того, чтобы понять, какие факторы могут повлиять на процесс аэрации воды, нам необходим анализ, как самого процесса, так и процесса растворения кислорода воздуха в воде.

2. РАСТВОРИМОСТЬ КИСЛОРОДА В ВОДЕ

     Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О2. 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 Fe2+, Mn2+, NO2–, NH4+, CH4, H2S). 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×Р

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: H1 > 0;
  • Химическое взаимодействие растворителя с растворяющимся веществом, вызванное образованием новых соединений – сольватов (или гидратов), сопровождающееся выделением энергии. Энтальпия системы при этом уменьшается: ∆Н2 < 0;
  • Самопроизвольное перемешивание раствора или равномерное распределение сольватов (гидратов) в растворителе, связанное с диффузией и требующее затрат энергии. Энтальпия системы при этом растет: ∆Н3 > 0.

     Суммарный тепловой эффект процесса растворения (∆Н = ∆H1 + ∆Н2 + ∆Н3) 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.

3. 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, см2V – объем воды, см3Cs – 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 20оС (в некоторых странах при 10оС);
  • 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, Тd, Тt.
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.)

ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ:

08.02.2018 Компания «Мировые Водные Технологии» создала новый раздел Реагентная обработка воды, процессы которой осуществляют путем внесения того или иного химического вещества (реагента) в обрабатываемую воду с целью изменения того или иного показателя качества воды до требуемой величины.

08.02.2018 Компания «Мировые Водные Технологии» создала новый раздел Реагентная обработка воды, процессы которой осуществляют путем внесения того или иного химического вещества (реагента) в обрабатываемую воду с целью изменения того или иного показателя качества воды до требуемой величины.

посмотреть все новости

ФОТОГАЛЕРЕЯ РАБОТ:

Станция очистки воды для водозабрного узла жилого микрорайона "Новый Зеленоград" (первая очередь).
Установка деионизованной воды марки «А» для ООО РМТ город Москва
Оборудования для производства деионизованной воды (10 МОм) для питания котла высокого давления для ООО «Агроснабсахар» город Елец.

посмотреть всю фотогалерею

Мировые Водные Технологии

Тел.: +7(495)944-57-11, +7(495)944-71-90, +7(495)944-66-89
Электронная почта: mvt.info@mail.ru
Cайт: wwtec.ru
Время работы: пн-пт 09:00 - 18:00
Адрес: 124460, г.Москва, г.Зеленоград, Восточная промзона, проезд 4807, д.2, стр.4
Почтовый адрес: 1224460, г.Москва, г.Зеленоград, а/я 138