Аэрация воды

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⁺, NO^2–, 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, см²; V – объем воды, см³; 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^оС (в некоторых странах при 10^оС);
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.)