Подготовка питьевой воды с помощью электрохимических фильтров

При выборе источника питьевого водоснабжения приоритет отда­ется подземным. Однако, часто при поиске таких источников возникают проблемы. Примером может служить полуостров Ямал, находящийся в зо­не вечной мерзлоты. Единственным источником водоснабжения здесь яв­ляется река Обь. Вода в ней имеет не­высокую жесткость, повышенную цветность и мутность, загрязнена ио­нами железа, бактериями и вируса­ми, нефтепродуктами, имеет кислую реакцию.

Для очистки такого типа вод воз­можно применение классической тех­нологии, включающей реагентную об­работку коагулянтами и щелочью, се­диментацию, фильтрование в зернис­тых и сорбционных материалах. Од­нако, учитывая удаленность региона и отсутствие дорог, на наш взгляд, це­лесообразно применить безреагентную технологию. С этой целью нами произведены исследования по поиску альтернативного метода, основанно­го на электрохимических процессах.

Объектом исследования явилась электрохимическая ячейка, состоя­щая из трех слоев гранулированных материалов (см. рисунок 1).

При заполнении ячейки водным раствором минеральных солей между катодом и анодом возникает элект­родвижущая сила, а по замкнутой це­пи течет ток.

Были проведены опыты по опре­делению тока в зависимости от кон­центрации электролита в растворах хлористого кальция (рисунок 2) и от межэлектродного расстояния (рису­нок 4).

Из приведенных результатов сле­дует, что ток, вырабатываемый элект­рохимическим устройством, увеличи­вается с увеличением концентрации электролита и уменьшается с увели­чением межэлектродного расстояния. Абсолютная величина тока имеет вы­сокое значение, что указывает на вы­сокую скорость растворения анодного материала. Для целей очистки воды электрохимическим устройством вы­сокая скорость растворения анодного материала нежелательна, поэтому межэлектродное расстояние может быть выбрано в диапазоне 0,6...1,0 м, то есть высота минерального зернис­того фильтрующего материала соот­ветствует высоте фильтрующего слоя классических скорых фильтров [1].

Фильтр для очистки воды, работа которого основана на классическом методе фильтрования в зернистых загрузках и предлагаемом электрохи­мическом методе назван нами элект­рохимическим фильтром [2]. Элект­рохимический фильтр представлен на рисунке 3.

Электрохимические фильтры яв­ляются модификацией зернистых многослойных фильтров. Отличитель­ной их особенностью является гене­рация электрического тока за счет создания в теле фильтра электрохи­мической системы. Оптимальным ва­риантом является тип электрохими­ческой системы, когда оба электрода отличаются по химическим и физи­ческим свойствам.

Для получения дополнительных функций фильтра при очистке вод фильтрованием необходимо выпол­нение следующих условий:

катод и анод должны иметь раз­ное значение стандартного электрод­ного потенциала;
катод и анод должны быть прост­ранственно разделены с тем, чтобы разделить окислительные и восста­новительные зоны;
электроды должны иметь высо­кое значение удельной поверхности, т.е. должны быть пористыми, либо гранулированными;
продукты реакций должны ис­пользоваться целевым образом,нап­ример, являться коагулянтом.

Сущность метода электрохими­ческого фильтрования заключается в следующем. Фильтр (рисунок 3) заг­ружают, как минимум, тремя слоями гранулированных материалов. Мате­риалы слоя 3 и 5 должны быть элект-ропроводны, иметь разные значения стандартного потенциала. Материал слоя 3 должен быть электроотрица­тельным, способным образовывать нерастворимый гидроксид. Материал слоя 5 - электроположительным. Слои 3 и 5 пространственно разделе­ны слоем 4, состоящим из неэлект­ропроводного зернистого фильтрую­щего материала.

■ Рис. 1. Электрохимическая ячейка

При пропускании воды сквозь фильтрующую загрузку возникает электродвижущая сила между слоями 3 и 5 и электрохимический ток. Под действием тока растворяется элект­роотрицательный материал 3, ионы которого образуют коагулянт на зер­нах загрузки 4.

В слоях 3 и 5 происходят окисли­тельные и восстановительные реак­ции соответственно, которые сущест­венно влияют на эффект очистки во­ды при наличии в ней органических загрязнителей, ионов металлов.

В слое 5 использован активиро­ванный уголь, который выполняет, по­мимо указанных, функцию сорбента.

В случае применения алюминие­вого электрода возможно протекание следующих реакций:
на аноде AI = А13+ + Зе
на катоде 3/4 Ог + 3/2 НгО + Зе" = зон

Общая токообразующая реакция имеет вид:
AI + 3/4 Oz + 3/2 Н20= АГ + ЗОН"

Результатом этой реакции являет­ся образование коагулянта:
А13+ + ЗОН=А1(ОН)з

Для определения оптимального значения скорости фильтрования бы­ли проведены опыты на натурной во­де Обской Губы. Качество воды при­ведено в таблице 1.

Результаты опытов по очистке природной воды из источника водос­набжения приведены на рисунке 5.

Из результатов опытов следует, что в результате фильтрования воды из источника водоснабжения в элект­рохимическом фильтре качество фильтрата соответствует требовани­ям СанПиН 2.1.4.1074, предъявляе­мым к питьевой воде. При скорости фильтрования 7 м/ч мутность дости­гает значения ПДК, следовательно, расчетное значение скорости фильт­рования следует принимать равным 5-6 м/ч.

Технологическая схема очистки природных вод представлена на ри­сунке 6.

Насосы производительностью 45 м3/ч, установленные в насосной стан­ции первого подъема, подают воду на очистные сооружения. В насосной станции вода насыщается воздухом с помощью компрессора.

Температура воды, поступающей на очистку, должна быть не ниже 8 °С. Перед подачей на очистку вода про­ходит через проточный водонагрева­тель, где нагревается до необходи­мой температуры.

Кислород воздуха окисляет ионы двухвалентного железа до трехва­лентного, а затем происходит обра­зование гидроксида трехвалентного железа, имеющего низкую раствори­мость. Процесс образования гидрок­сида трехвалентного железа является лимитирующей стадией, он протекает вяло в кислой и нейтральной среде. Этот процесс значительно интенсив­ней происходит на поверхности твер­дой фазы (контактная коагуляция). Контактная коагуляция происходит в электрохимических фильтрах.

В качестве зернистого материала используется силицированный каль­цит [3], который относится к актив­ным фильтрующим материалам. Си­лицированный кальцит является ми­неральным сорбентом, относится к известнякам умеренно модифициро­ванным кремнием и железом. За счет подщелачивающих свойств силици­рованный кальцит ускоряет процесс окисления железа, образования гид-роксида трехвалентного железа и его сорбцию.

Последней стадией очистки воды является извлечение из нее раство­ренных органических веществ акти­вированным углем. В фильтрах ис­пользуется уголь марки АГ - 3.

Фильтрация осуществляется сверху вниз со скоростью 5-6 м/ч. Время зарядки составляет 96 часов, после чего фильтр выходит на режим.

Фильтрат далее проходит через бактерицидную установку с ультрафио­летовыми лампами и поступает в ре­зервуар чистой воды. Насосами вто­рого подъема вода через гидроакку­мулятор подается в разводящую сеть.

Промывка фильтров - водовоздушная. Вода промывным насосом пода­ется в фильтр снизу вверх. Воздухом загрузка взрыхляется, что ускоряет процесс регенерации фильтров.

Фильтроцикл составляет 8-12 ча­сов, время регенерации - 0,5 ч.

Очистные сооружения водоснаб­жения указанного типа введены в эксплуатацию в поселках Панаевский, Мыс Каменный, Салемал Ямалоне-нецкого автономного округа.

В ряде случаев очистка природных вод до питьевого качества может про­изводиться одними электрохимичес­кими фильтрами, смонтированными в блок-боксах. На приведенной фотог­рафии (см. стр. 28) можно увидеть очистные сооружения водоснабжения в северном исполнении

Владимир Назаров,
доктор технических наук, профессор, Максим Назаров, аспирант УГНТУ, Уфа

Литература:

СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: Госстрой России. - 2004. - 128 с.
Назаров В.Д., Назаров М.В. «Очист­ка природных и сточных вод с применени­ем электрохимических методов». // «Вода и экология. Проблемы и решения». №4, 2006. - с. 13- 25.
Патент РФ 2086510. МПКС02Р1/64. Фильтр для очистки воды. //Назаров В. Д., Сапунов Г. С. /. В. И. - 1997 - № 22.