4.1. Физични и химични процеси

4.1.1. Аериране

Аерирането не е задължителна част от процеса по пречистване на водата. То включва фино очистване и окисления, за отстраняване или промяна на състава на водата. Аераторите работят чрез увеличаване на размера на площта на навлизащия въздух, където се осъществява контакта с водата. Това може да се постигне чрез преминаване на въздуха през водата, напр. Във въздухо разпределящия аератор. За разлика от него много аератори функционират на принципа на преминаване на водата през, напр. през разпръсквателна дюза, конусно корито, каскада и аератори с кокс корито. Освен горепосочените, има и аератори с изкуствена тяга, при които въздуха преминава през водата и водата през въздуха (URL 1).

Аерирането е процес, при който въздухът и водата влизат в непосредствен контакт. Турбуленцията увеличава аерацията на течащите потоци. Времето на контакт и съотношението въздух - вода трябва да бъдат достатъчно големи, за да се отстрани ефективно излишния газ. Аерацията е ефективен метод за контрол на бактериите. Аерацията, като практика за пречистване на вода, се използва за следните операции:

• Да се намали концентрацията на вещества, причина за специфичен вкус и мирис на водата и, до известна степен, да се окисли органичната материя.
• Да се премахнат вещества, които могат по някакъв начин да повлияят или да увеличат разходите за последващо пречистване на водата. Основен пример е отстраняването на въглеродния диоксид от водата, за да се контролира корозията и преди водата да се омекоти с вар.
• Да се премахнат летливите органични съединения и летливите почвени органични съединения, считани за опасни за общественото здраве.
• Да се добави озон или хлорен газ към водата за окисление и / или за целите на дезинфекция.
• Да се добави кислород към водата, предимно за окисляване на желязото и мангана, открити в много кладенчови води така, че те да могат да бъдат отстранени чрез допълнително пречистване.
• Да се премахне амоняка от водата.
• Да се премахнат газове като радон, сероводород и метан.
• Да се премахнат трихалометани, пестициди и хербициди (Dyksen, 2005; URL 2).

4.1.1.1. Как функционира аерирането ?

Аерацията отстранява или променя състава на водата с помощта на два метода –фино очистване и окисление (Фигура 4.1). Финото очистване се причинява от турбуленцията, която се получава, когато водата и въздуха се смесят заедно. Финото очистване физически премахва газовете от водата, което им позволява да се освободят в околния въздух. На снимката по-долу е показано как се отстраняват въглероден диоксид и сероводород чрез фино очистване. Финото очистване премахва вкусове и миризми от водата, ако проблемът е причинен от относително летливи газове и органични съединения (URL 3).

Фигура 4.1. Етапи на аерацията (URL 3)

Окислението е другият процес, чрез който се извършва аериране за пречистване на водата. Окислението е процес на добавяне на кислород, отстраняване на водород или отстраняване на електрони от един елемент или съединение. Когато въздухът се смесва с вода, някои примеси във водата, като желязо и манган, се окисляват. След окислението тези химикали не попадат в разтвора, а се суспендират във водата. Суспендираният материал може да се отстрани, по-късно в процеса на обработка чрез филтрация (URL 3).

4.1.1.2. Методи на аериране

Има няколко различни методи, използвани за аериране на водата, но всички те включват преминаване вода през въздух или въздух през вода. Водата може да бъде изложена на въздух чрез напръскване или чрез разпределение по такъв начин, че малки частици или тънки слоеве от водата влизат в контакт с въздуха. Водата може да се аерира чрез напомпване на големи обеми от въздух през нея (URL3).

Използваният метод на аерация зависи от веществото, което ще се отстранява от водата. Химичните характеристики на водата, която ще се пречиства също оказват влияние за това кой метод на пречистване да се използва. Накрая, всеки метод има различна ефективност. Като цяло, изпомпването на вода през въздух е енергийно много по-ефективно, в сравнение с изпомпване на въздух през вода. Различните видове аериране и другите методи на обработка трябва да бъдат сравнени, за да се определи най-ефективният и практичен метод на пречистване за всеки отделен случай (URL 3).

Методите на аериране могат да бъдат класифицирани в четири основни категории (Фигура 4.2, 4.3) (Dyksen, 2005; URL 4):

Аерация на падаща струя, използваща принципа на десорбция и осъществяваща трансфер на газ чрез превръщането на водата във воден прах, като по тоз и начин се увеличава допирната повърхност между въздуха и водата. Съществуват пет типа такива аератори:

1. Спрей аератори, които се използват в пречистването на води от много години, за окисление на желязото и отстраняване на летливи органични съединения и разтворени газове. Инсталациите за спрей аератори обикновено се състоят от фиксирани дюзи или тръби с решетка, намиращи се върху отворен резервоар. Дюзите впръскат фини капчици вода в околния въздух, създавайки контактна повърхност въздух-вода, която е необходима за пренос на замърсяванията. Конфигурацията на тръби с решетка, разположени върху отворения резервоар, е за предпочитане при приложения за отстраняване на контаминанти. Спрей аераторите изискват голяма монтажна площ и се създават проблеми при студено време, поради замръзване на водите в открития резервоар; освен това, за ефективното им прилагане се изисква допълнителен обмен на въздух.
2. Каскадни аератори, включващи поредица от стъпки, които позволяват на водата да пада в тънки слоеве от един в друг, и където аерацията се осъществява в зоните на пръскане. Времето за контакт на въздуха с водата се увеличава с увеличаване на броя на стъпките и съотношението площ - обем се подобрява чрез добавяне на прегради за получаване на турбулентност. Основните оперативни проблеми включват натрупване на корозия, тиня и водорасли.
3. Аератор с множество корита или с преградени корита - състои се от поредица корита оборудвани с прегради, перфорирани или с омрежени с тел дъна. Водата се разпределя между коритата и пада от всяко корито към водосборния басейн в основата на съоръжението. Въздухът е насочен така, че преминава перпендикулярно на пътя на водата. За подобряване на ефективността на газовата обмяна често се използват топчета с размер от 2 до 6 инча, изработени от кокс, камък или керамичен материал. В аератора с множество корита коритата обикновено са 3-9, разположени на разстояние едно от друго от 12-30 инча. Аераторите с множество корита са аналогични на охладителните кули и изискват адекватна вентилация. Те осигуряват отлична абсорбция на кислород и отстраняване на въглеродния диоксид, амоняка и сероводорода.
4. Конични аератори - използват се основно за окисляване на манган и желязо, като етап на предварително пречистване. Дизайнът на този тип аератори е подобен на каскадния аератор, с подредени поставки, така че водата запълва всяка поставка отгоре и пада каскадно във всяка следваща поставка.
5. Колона с пълнеж или въздушна стрипер колона – тези аератори са способни да отстраняват гориво, разтворители, летливи и почвени органични съединения, амоняк, сероводород и въглероден диоксид от водата. Колоната с пълнеж се състои от цилиндрична кула, материал за уплътняване (обикновено пластмаса, стомана или керамика) и центробежен вентилатор. Замърсената вода се изпомпва в горната част на кулата, а вентилаторът се използва за въвеждане на въздух в противоток, през дъното на кулата. Голямата повърхностна площ, предоставена от уплътняващото вещество позволява по-голям пренос на течност-газ в сравнение с другите въздушни методи за очистване. Броят на етапите се определя от константата на закона на Хенри и от скоростта на натоварване на кулата.

Най-често срещаният проблем с аераторите от типа колона с пълнеж е повреждане на опаковъчния материал от твърди частици, което води до загуба на капацитет и ефективност на инсталацията и до по-голяма загуба на налягане.

1. Аератори с фини мехурчета - състоят се от правоъгълен бетонен резервоар, в който са монтирани перфорирани тръби, порести дифузионни тръби или плочи. Сгъстеният въздух се нагнетява през тези тръби за получаване на въздушни мехурчета, които се издигат чрез водата, произвеждайки турбуленция в резултат на ефективното смесване на водата и въздуха. Мехурчестите аератори са подходящи за отстраняване на въглероден диоксид, летливи органични съединения, бензинови компоненти, сероводород, метан и радон от замърсени подземни води. Те се използват предимно за малки водни системи с ниски скорости на потока.
2. Механични аератори - използват моторно задвижвани работни колела, самостоятелно или в комбинация с въздушни инжекционни устройства. Такива аератори също се монтират на водоеми за контрол на вкуса и мириса на водата. Механичните аератори могат да бъдат монтирани като повърхностни аератори (на плувка) или потопени аератори (под нивото на водите). Те обикновено се използват за увеличаване на нивата на разтворен кислород, но също така могат да отстраняват някои замърсители.
3. Аератори под налягане - обикновено се използват за окисляване на желязо и манган. Има два основни типа аератори под налягане, при които в тръбопровода директно се инжектира сгъстен въздух под налягане или се впръсква вода в горната част на затворения резервоар, в който се подава непрекъснато сгъстен въздух.

Фигура 4.2.: Дюзи за впръскване и устройства за аериране или източване: (а-г) видове дюзи; (д) наклонена конвейерна лента, която може да бъде опакована с вълнисти плочи; (е) перфорирани пластини; (ж) спрей кула; и (з) каскада (Sincero и Sincero, 2003a)

Фигура 4.3. Устройства за аериране: (а) турбинен аератор с въздушна пръскалка; (б) порьозен керамичен дифузер; и (в) повърхностен аератор (Sincero и Sincero, 2003a)

Ефективността на аерацията зависи от избрания метод на аерация, константата в закона на Хенри за контаминанта, параметрите на дизайна като съотношението въздух вода, поток и скорост на натоварване, използваема площ за масообмен, температура, рН и производство на водорасли. С повишаването на константата на Хенри, параметрите на дизайна като съотношението въздух вода, например придобиват по-слабо значение за ефективното отстраняване на контаминантите (Dyksen, 2005; URL 4).

4.1.1.3. Проблеми с аерирацията

Аерацията обикновено повишава съдържанието на разтворения кислород във водата, обект на пречистване. В повечето случаи това е полезно, тъй като по-голямата концентрация на разтворен кислород във водата може да отстрани твърдия й вкус. Въпреки това, високото съдържание на кислород във водата може да доведе до различни проблеми, произтичащи от пренасищането на водата с този газ. Свръхнаситената с кислород вода може да доведе до корозия (постепенното разпадане на метални повърхности) и проблеми с утаяването. В допълнение, когато излишният кислород навлезе от разтвора във филтъра, могат да се образуват въздушни мехурчета, които вредят както на процеса на обратно промиване, така и на филтрирането(URL 3).

Аерацията може да предизвика други проблеми, свързани с пренасищане на водата. Аерацията може да бъде много енергоемък метод за пречистване, което би довело до прекомерна употреба на енергия. В допълнение, аерацията на водата може да стимулира растежа на водораслите и те могат да полепнат по филтрите (URL 3).