Фильтрующие материалы

Как уже было отмечено для удаления железа, все большее распространение получают напорные фильтры с каталитическими наполнителями:

• МЖФ (отечественные загрузки);
• Manganese Greensand (MGS) и Birm (зарубежные наполнители);

Это обусловлено как коммерческими аспектами, так и высокой технологичностью фильтров.

Наполнители загружаются в фильтры баллонного типа, снабженные автоматическими электронными блоками управления работой фильтра. В корпусе фильтра также размещены дренажно-распределительная система и поддерживающий наполнитель слой гравия. При необходимости в комплект фильтра включают бак для приготовления и хранения раствора реагента.

В качестве электронного блока управлении наиболее применяемые блоки Magnum производства компании <General Electric Water Technologies> (США), и Clack (Clack Corporation, США). Выпускаемые блоки предназначены для оснащения фильтров различной производительности с электронным управлением процесса регенерации по таймеру или по встроенному счетчику воды (в зависимости от количества пропущенной через фильтр воды).

Для оснащения фильтров на разную производительность выпускается ряд корпусов баллонного типа из стеклопластика различного объема.

В процессе работы фильтра загрязнения, в том числе и железо, задерживаются в слое зернистой фильтрующей каталитической загрузки и в дальнейшем, вымывается в дренажную линию при обратной промывке фильтра.

Каталитические наполнители (МЖФ, Manganese Greensand (MGS) и Birm) покрытые оксидами марганца позволяют вести процесс фильтрования со скоростью 10-15 м/ч при высоте слоя наполнителя 1 м. Механизм действия катализатора основан на способности соединений марганца сравнительно легко, изменять валентное состояние. Двухвалентное железо в исходной воде окисляется высшими оксидами марганца. Последние восстанавливаются до низших ступеней окисления, а далее вновь окисляются до высших оксидов растворенным кислородом и перманганатом калия:

4 Fe(HCO₃)₂ +  3 MnO₂  +  2 H₂O = 4 Fe(OH)₃v +  Mn₂O₃  + MnO + 8CO₂   (12)

3 MnO  +  2 KMnO₄ +  H₂O = 5 MnO₂ +  2 KOH

3 Mn₂O₃  +  2 KMnO₄ + H₂O = 8 MnO₂ +  2 KOH

Manganese Greensand (MGS)

Manganese Greensand (зеленый песок) - фильтрующий материал из минерала глауконита, который является продуктом вулканического происхождения мелового периода. В состав глауконита входят железо, калий и алюмосиликаты. Зерна наполнителя покрыты оксидами марганца.

Greensand начал использоваться в США с 20-х годов прошлого века: вначале как природный цеолит для умягчения воды путем ионного обмена, а Manganese Greensand  - c 50-х годов для удаления из воды железа, марганца и сероводорода.

Растворенные в воде соединения двухвалентных железа и марганца окисляются при контакте с высшими оксидами марганца на поверхности зерен MGS. Параллельно окисляется и сероводород до свободной серы. Окисленное железо и марганец выпадают в осадок и вместе с серой задерживаются зернистой структурой MGS. Удержанные примеси удаляются из наполнителя обратной промывкой.

Имеются сведения о способности данного наполнителя удалять также радий и мышьяк из грунтовых вод.

Для восстановления окислительной способности катализатора используют периодическую или непрерывную регенерацию раствором перманганата калия. Наиболее распространены схемы, в которых остановка работы фильтра на промывку наполнителя совмещена с восстановлением окислительной способности.

Фильтрование на MGS очень хорошо сочетается с дозированием раствора гипохлорита натрия в подающий трубопровод. При этом эффективность фильтрации возрастает, увеличивается фильтроцикл, снижается расход перманганата.

Основные характеристики Manganese Greensand:

• Цвет - черный;
• Насыпная плотность  - 1,4 г/см³
• Плотность гранул - 2,4-2,9 г/см³
• Коэффициент неоднородности - 1,4-1,6
• Размер гранул - 0,25-1,2 мм
• Механический износ в год - 2%

Требования к исходной воде:

• Суммарное содержание железа Fe2+ и марганца Mn2+ - до 15 мг/л;
• Марганец - не более 0,5 мг/л; 
• Растворенный сероводород - не более 0,5 мг/л;
• Водородный показатель pH - не менее 6,8;
• Твердые абразивные частицы - отсутствие;
• Окисляемость перманганатная - не более 6,0 мгО2/л;
• Температура - +5 - +35 °C.

Давление воды:

• Минимальное на входе в фильтр - 3,0 атм;
• Максимальное - 8,0 атм. 
• Расход перманганата калия (в пересчете на сухое вещество) на регенерацию 1 л наполнителя MGS составляет 2-4 г.

Срок службы наполнителя MGS среды 5 - 7 лет, после чего требуется перегрузка фильтра.

Фильтрующая среда Birm

Birm - искусственный цеолит, покрытый оксидами марганца и железа в виде гранул черного цвета. Он является эффективным и экономичным фильтрующим материалом с каталитическими свойствами для удаления железа при низких и средних концентрациях. Катализатор, в основном оксиды марганца, ускоряет процесс окисления двухвалентных железа и марганца растворенным в воде кислородом воздуха. Окисленное железо в виде гидроксида и марганец в виде оксида осаждаются на гранулах загрузки фильтра и удаляются в дренажную линию в процессе обратной промывки фильтра. Главное достоинство Birm в том, что этот наполнитель не требует химических реагентов при регенерации. В процессе фильтрования также происходит снижение мутности и цветности.

Основные характеристики Birm:

• цвет черный;
• насыпная плотность, г/см3 0,6-0,8
• плотность гранул,  г/см3 2,0
• коэффициент неоднородности 1,7
• размер гранул, мм 0,4-2

Требования к исходной воде:

• суммарное содержание железа Fe2+не более - 3 мг/л;
• растворенный сероводород - отсутствие;
• водородный показатель pH - не менее 6,8 (при удалении марганца выше 8);
• твердые абразивные частицы - отсутствие;
• содержание растворенного кислорода - на 15% больше концентрации железа;
• окисляемость перманганатная - не более 3,0 мгО2/л;
• содержание бикарбонатов - в 2 раза выше суммы содержания хлоридов и сульфатов;
• температура +5 - +35 °C.

Давление воды:

• Минимальное на входе в фильтр - 2,5 атм;
• Максимальное  - 8 атм.

Срок службы наполнителя Birm среды 2-3 года, после чего требуется перегрузка фильтра.

Как уже отмечалось выше, Birm является эффективным наполнителем, не требующим химических реагентов для восстановления своих свойств и, в ряде случаев, только он способен решить поставленную задачу. Например, на объектах при невозможности сброса промывных вод после регенерации, содержащих перманганат.

Однако по сравнению с Manganese Greensand диапазон его использования как каталитического наполнителя гораздо уже по уровню концентрации железа и марганца в исходной воде. Имеются гораздо больше ограничений при его эксплуатации, в частности должно быть отсутствие сероводорода и более низкая окисляемость воды. При его использовании почти всегда требуется дополнительная аэрация воды перед фильтрованием. Из практики известны случаи, что без аэрации даже при сравнительно небольшом содержании железа около 1 мг/л, возможен проскок железа до 0,5 мг/л.

Фильтрующая среда МЖФ

В 2000 году специалистами компании "Альянс-Нева" создана технология производства нового фильтрующего материала МЖФ, способного работать при концентрации железа в исходной воде до 50 мг/л, марганца до 2 мг/л и при низких значениях рН, низкой щелочности и высоком содержании углекислоты.

МЖФ - продукт переработки пород, содержащих доломит. Это пористый материал, состоящий из смеси оксидов и карбонатов кальция и магния, а также оксидов алюминия и кремния. В порах наполнителя закреплен каталитический компонент - диоксид марганца, равномерно распределенный по объему зерна, что обеспечивает стабильность его работы практически в течение всего ресурса, поскольку при истирании гранул химический состав поверхности не изменяется.

МЖФ - как катализатор ускоряет процессы реакции окисления кислородом воздуха как двухвалентных железа и марганца,  сероводорода, так и некоторых органических веществ, например гуматы и остатки фульвовых кислот.

Для обеспечения работы наполнителя исходную воду перед фильтрованием необходимо аэрировать, либо ввести реагент-окислитель-гипохлорит натрия или перманганат калия.

Основные характеристики МЖФ: 

• цвет коричнево-бурый;
• насыпная плотность, г/см3 1,35-1,4
• плотность гранул,  г/см3 2,45-2,55
• коэффициент неоднородности  1,2-2,0
• размер гранул, мм 0,5-1,5
• механический износ в год, % 5

Требования к исходной воде:

• содержание железа Fe2+ - до 15 мг/л;
• содержание марганца Mn2+ - до 2 мг/л;
• водородный показатель pH -  4,5-9,0;
• растворенный сероводород - допустимо;
• нефтепродукты - допустимо.

МЖФ не требует химических реагентов в процессе регенерации. Регенерация фильтра с наполнителем МЖФ осуществляется обратным потоком воды, что также является его достоинством.

Таким образом, наполнитель МЖФ позволяет поддерживать высокую скорость фильтрования воды даже с низкой величиной рН и большим содержанием железа и марганца. Его высокая сорбционная емкость обеспечивает больший фильтроцикл по сравнению с другими наполнителями. Однако при работе с МЖФ обязательно требуется либо предварительная аэрация воды, либо ввод реагентов-окислителей.

Экософт-Микс

На сегодняшний день для решения проблем связанных с невозможностью применения, по ряду причин, каких либо из стадий многостадийных технологий очистки воды включающих в себя:

• стадию удаления железа и марганца загрузками типа Greensand и Birm,
• стадию умягчения на Nа-катионитовых фильтрах,
• стадию удаления гуминовых веществ активированным углем

Когда каждая из стадий реализуется в отдельном аппарате, поскольку условия их эксплуатации существенно различаются.

Помимо многостадийности и высокой стоимости традиционный подход отличается также недостаточной эффективностью в случае присутствия в воде гуминовых веществ (при перманганатной окисляемости, превышающей 4-5 мгО2/л), поскольку это приводит к образованию органических комплексных соединений железа, взаимодействие которых с вышеуказанными загрузками затруднено.

Ученые нашли выход из сложившейся сложной ситуации и предложили в качестве альтернативы технологию, основанную на использовании комбинированной загрузки Экософт - Микс, позволяющей в одну стадию и в одном аппарате осуществить умягчение воды и удаление из нее железа, марганца, алюминия, гуминовых веществ, аммония и, в случае необходимости, ионов тяжелых металлов. Комбинированная загрузка Экософт - Микс представляет собой смесь из пяти сорбционных материалов природного и синтетического происхождения, различающихся механизмом сорбционного и фильтрующего действия, удельным весом и гранулометрическим составом. При изготовлении загрузки все компоненты тщательно перемешиваются в заданных рецептурой количествах, а при эксплуатации загрузка расслаивается, причем последовательность образующихся слоев обеспечивает максимально эффективное удаление всех примесей. Соотношение компонентов в смеси колеблется в относительно широких пределах и может изменяться в зависимости от состава очищаемой воды. Восстановление сорбционных свойств загрузки Экософт - Микс осуществляется путем ее регенерации раствором хлористого натрия и промывки водой.

Единственным недостатком использования фильтров с Экософт-Микс является невозможность регулирования жесткости очищенной воды.

Экософт - Микс эффективно очищают воду в следующем диапазоне концентраций: железо - не более 10 мг/л, марганец - не более 2 мг/л, общее солесодержание - не более 4000 мг/л. На значения концентраций остальных компонентов ограничения не устанавливаются.

Катионообменная смола Lewatit S 1467

Lewatit S 1467 относится к группе сильнокислотных гелиевых катионитов на основе сополимера стирола-дивинилбензола. Зерна продукта имеют сферическую форму и монодисперсное распределение размеров гранул. Монодисперсные гранулы обладают чрезвычайной химической и механической стабильностью и высокой осмотической стойкостью. Улучшенная кинетика ведет к значительно лучшему использованию мощностей по сравнению с аналогичными гетеродисперсными смолами.

Данная смола хорошо подходит для использования в следующих процессах:

• Умягчение воды для промышленного применения
• Умягчение питьевой воды, в т.ч. в промышленных установках и бытовых фильтрах

Lewatit S 1467 придает слою смолы особые свойства:

• Высокая скорость обмена в циклах нагрузки и регенерации;
• Высокое использование полной обменной емкости;
• Низкие расходы воды на отмывку;
• Равномерной использование регенерантов, воды и растворов, гомогенная рабочая зона;
• Практически линейный градиент потери давления по высоте слоя, что дает возможности работать на больших высотах загрузки.

Смола отвечает требованиям немецкого законодательства по пищевым продуктам и материалам, применяемым в пищевой промышленности (FDA 21 CFR173.25 <a>) и соответствует требованиям резолюции Европейского Совета АР (97)-1 по максимальному содержанию экстрагируемых органических субстанций (метод ANFOR-TOC 190-601).

Filter-AG

Гранулы Filter AG со значительной поверхностью фильтрации позволяют добиться максимальной эффективности при удалении взвешенных частиц и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими фильтрующими загрузками, которые обычно используются для удаления взвешенных частиц. При проектировании систем с Filter AG ввиду высоких рабочих скоростей и значительной эффективности, обеспечиваемой загрузкой, оборудование может иметь меньшие габаритные размеры.

Загрузка представляет собой легкие частицы, что, в свою очередь, требует меньших потоков воды для обратной промывки и она может использоваться как в нормальных, так и в безнапорных системах очистки воды.

Filter AG удерживает взвешенные частицы размером 20-40 микрон.

Фильтрующая загрузка регенерируется обратной промывкой водой

Преимущества:

• Минимальные потери давления по сравнению с большинством других фильтрующих загрузок;
• Малая величина потока воды при обратной промывке ввиду легкого веса частиц;
• Более низкая стоимость оборудования и меньшая занимаемая площадь вследствие высоких скоростей потока в режиме сервиса;
• Высокая грязеемкость загрузки и как следствие более продолжительная работа фильтра со снижением эксплуатационных затрат, расхода воды на обратную промывку и времени сервисного обслуживания;
• Обеспечение увеличения грязеемкости фильтра до 100% при замене песка на Filter-Ag.

Основные характеристики Filter AG:

• цвет светло-серые гранулы;
• насыпная плотность, г/см3 0,38-0,42
• коэффициент неоднородности 1,66
• размер гранул, мм 0,5-1,4

Требования к исходной воде:

• температура до +60 °C.

Давление воды:

• Минимальное на входе в фильтр - 2,5 атм;
• Максимальное  - 8 атм.

Срок службы наполнителя Filter AG среды 3-5 лет, после чего требуется перегрузка фильтра.

Активированный уголь

Гранулированный Активированный уголь предназначен для удаления запаха, цвета и снижения содержания растворенных органических веществ в воде муниципальных и промышленных объектов. Гранулы Активированного угля, полученные из специальной кокосовой скорлупы, обладают высокой плотностью и прочностью на механическое и динамическое истирание.

Основное применение Активированного угля - устранение нежелательных запахов (хлора и его органических соединений) и снижение цветности воды. Высокая степень очищенности угля и нейтральный рН предотвращают вторичное загрязнение очищаемой воды. Высокая эффективность угля достигается получением гранул с максимальной сорбционной емкостью.

Активированный уголь требует периодической обратной промывки водой для удаления задержанных взвешенных частиц и перераспределения фильтрующего материала.

Его необходимо менять при снижении сорбционных свойств.

Преимущества:

• Высокоэффективное удаление запаха, цвета и растворенных органических соединений
• Использование в широком диапазоне рН
• Высокая сорбционная емкость
• Устойчивость к истиранию

Основные характеристики Активированного угля:

• цвет черный;
• насыпная плотность, г/см3 0,5
• зольность, % < 0,5
• Йодный индекс 850-900
• Влажность, % 0,7-2,0

Требования к исходной воде:

• суммарное содержание железа не более - 0,3 мг/л;
• отсутствие нефтепродуктов и крупнодисперсных частиц в исходной воде;
• температура +5 - +30 °C.

Давление воды:

• Минимальное на входе в фильтр - 2,5 атм
• Максимальное - 8 атм.
• Срок службы Активированного угля среды 1-2 года, после чего требуется перегрузка фильтра.