Проблема качества питьевой воды приобретает сегодня особую остроту, и все боль�?е привлекает внимание общественности. Не случайно постановлением Юнеско было объявлено “десятилетие чистой воды”. Необходимость и сложность ре�?ения задачи обеспечения населения чистой питьевой водой обусловлены усиливающимся загрязнением поверхностных и подземных природных вод, технологическими трудностями получения в этих условиях воды, удовлетворяющей санитарно-гигиеническим требованиям, что несет угрозу роста заболеваемости населения, усиления социальной напряженности.
Статистические данные Госсанэпиднадзора России свидетельствуют, что каждая восьмая проба исследованной питьевой воды не отвечает гигиеническим требованиям по санитарно- эпидемиологическим показателям, каждая пятая - по химическому составу. Около трети населения России использует воду из децентрализованных источников, из которых третья часть исследованных проб опасна для здоровья.
Состояние водоснабжения в Сибири и на Дальнем Востоке, в силу взаимосвязи регионов с кризисной ситуацией в РФ в целом, можно назвать удовлетворительным ли�?ь с боль�?ими оговорками. Обладая богатыми запасами пресной воды, население употребляет питьевую воду, далеко не всегда удовлетворяющую нормативным показателям, что особенно касается сельской местности. Это связано с комплексом экономико-экологических проблем, наиболее существенными из которых представляются следующие:
1. Повсеместное техногенное загрязнение рек и других поверхностных вод.
2. �?нфильтрация водных токсикантов в подземные водоносные горизонты.
3. Особенности климатических, физико-географических, геологических условий,
состава и свойств пород и минералов, контактирующих с природными
водами, следствием чего является высокое природное содержание железа в
подземных водах.
4. Несовер�?енство систем подготовки воды хозяйственно- питьевого назначения.
С региональными особенностями связано высокое содержание в природных (особенно - подземных) водах железа, аммонийных солей, гуминовых и фульвокислот, фенолов, многие пробы воды из скважин, расположенных на территории Сибири, особенно в северных районах, даже по органолептическим показателям (запах, вкус, цветность) значительно превы�?ают установленные нормативы. Недостаточная оснащенность местных водоочистных сооружений, в ряде случаев - отсутствие очистки питьевой воды вообще приводит к употреблению населением недоброкачественной воды, что отрицательно сказывается на здоровье населения. Так, повсеместно возросло количество заболеваний, связанных с биологическим минералобразованием. Длительное употребление воды с избыточным содержанием железа приводит к накоплению его в коллоидной форме оксида железа (гемоксидерин) в клетках печени, что разру�?ает их. Кроме “естественных”, природных загрязнителей, воды региона содержат целый ряд химических соединений, попадающих со сточными водами в поверхностные, в затем, вследствие миграции, и в подземные водотоки. Это нефтепродукты, СПАВ, ароматические, азот-содержащие соединения, соли тяжелых металлов, включая относящиеся к 1 и 2 классам токсичности. �?х качественный и количественный состав нестабилен и зависит от времени года, устойчивости работы предприятий (аварийности, состояния очистных сооружений и т.п.), способности водоема к самоочищению, создания ситуаций, способствующих вторичному загрязнению в результате вымывания токсинов из донных отложений и т.п. Состояние боль�?инства рек региона может быть охарактеризовано на уровне загрязнения “умеренного”, “высокого”, и ни в одном случае не удовлетворяет полностью гигиеническим требованиям. Таким образом, перед подачей воды потребителю требуется ее глубокая очистка.
Отсутствие необходимого комплекса очистных сооружений, высокая аварийность существующих, нару�?ение технологического регламента при водоподготовке, неудовлетворительное санитарно-техническое состояние разводящих сетей не позволяют качественно выполнять задачу снабжения населения чистой питьевой водой ответственными за это предприятиями. Государство и органы местного самоуправления не должны допускать столь серьезного отставания в создании действенной, а не декларируемой, правовой и нормативной базы, а главное - экономического механизма ре�?ения обсуждаемой проблемы. В стране разработаны высокоэффективные методы и технические средства для создания необходимой материально-технической базы экологически приемлемого промы�?ленно-хозяйственного водопользования.
�?з вы�?есказанного следует, что актуальной проблемой в Сибири и на Дальнем Востоке является замена морально и физически устарев�?их оборудования и технологий, применяемых для очистки питьевой воды. Наиболее перспективными для региона следует признать разработки, в которых применяются такие технологические приемы, как озонирование, сорбция и фильтрование, что обусловлено спецификой качественного и количественного состава природных вод, используемых для питьевого водоснабжения. В работах [1,2] нами показана эффективность указанных технологических приемов.

Предложена конструктивная схема напорного фильтра с зернистой загрузкой, предназначенного для удаления из обрабатываемой подземной воды частиц железосодержащего осадка. Достоинствами конструкции фильтра являются: оригинальная сборно-распределительная система, обеспечивающая равномерную нагрузку на всю площадь фильтрующей загрузки и отсутствие застойных зон; низкая металллоемкость; возможность автоматической промывки.

Фильтрование, наряду с обеззараживанием, является обычно фини�?ной стадией при водоподготовке [1-3]. Наиболее распространенной схемой водоподготовки для подземных вод, которые, как правило, обогащены низковалентными ионами Fe+2 и Mn+2, является “окисление - фильтрация”. Для превращения ионов в труднорастворимые гидроксиды вода должна быть обработана окислителями (например, кислородом, озоном, хлором, диводородпероксидом) [1,4]. Протекающие при этом процессы окисления и гидролиза имеют конечные скорости. Зачастую при низких температурах и в присутствии органических примесей эти скорости малы, и часть водорастворимых соединений железа и марганца доходит до фильтров, где в толще загрузки (кварцевый песок, керамзит, гранодиорит, горелые породы и т.п.) завер�?ается осадкообразование. В случае, если кислотность воды велика и металлы находятся в “связанном” виде (входят в состав комплексных или коллоидных соединений, что особенно проявляется в присутствии органических веществ), зернистая загрузка не справляется со своей барьерной функцией, и фильтрат содержит загрязняющие примеси. Этим объясняется плохое качество питьевой воды во многих населенных пунктах Западно-Сибирского региона.
С учетом указанных особенностей авторами разработаны технология и оборудование для очистки воды от железа [5,6,7] при его исходной концентрации до 15 мг/дм3. В качестве окислителя применяется озон, что позволяет достичь наиболее сильного окислительного воздействия на ионы Fe+2 и Mn+2 уже на первой стадии водоподготовки, а на фильтре осуществляется механическое удерживание взвеси осадков.
Данная статья посвящена той части на�?ей работы, которая касается узла фильтрации. �?звестные фильтрующие устройства и сооружения имеют ряд недостатков. Среди них - сложность конструктивного оформления воздуходувок, распределительных труб, дренажной системы, а также снижение грязеемкости загрузки из-за гидравлической сортировки по высоте, что приводит к возникновению пленочной фильтрации из-за скопления наиболее мелких зерен загрузки в верхнем, т.е. первом по движению очищаемой воды, слое загрузки, унос зерен фильтрующего материала.
Применяемые в настоящее время для усовер�?енствования фильтров нововведения, как правило, сопряжены с усложнением конструкции фильтров, что снижает их надежность и увеличивает металлоемкость.
Нами разработан простой по конструкции, экономичный, обладающий низкой материалоёмкостью, но одновременно надежный напорный фильтр с зернистой загрузкой, имеющий высокую эффективность фильтрации [7]. Схематично фильтр изображен на рис.1.

Рис.1. Схема фильтра для очистки воды.
1- цилиндрический корпус, 2 - кры�?ка, 3 - днище, 4 - верхняя и нижняя сборно-распределительные системы, 5 - зернистая загрузка, 6 - сетчатые перегородки, 7 - фланцевые соединения, 8,9 - верхний и нижний патрубки для подачи и отведения воды, 10 - бандажные кольца, 11 – горизонтальные перфорированные трубы. I – участок перфорированной трубы; II – направления падения и отражения струй воды от конической поверхности

Фильтр включает цилиндрический корпус 1, конусообразную кры�?ку 2, конусообразное днище 3, верхнюю и нижнюю сборно-распределительную систему в виде заглу�?енных на конце перфорированных труб 4, зернистую загрузку 5, размещенную в корпусе 1 между двумя горизонтально расположенными сетчатыми перегородками 6. Корпус соединен с конусообразной кры�?кой 2 и конусообразным днищем 3 и двумя сетчатыми перегородками 6 с помощью фланцевых соединений 7. Фильтр снабжен верхним патрубком 8 для подачи очищаемой воды и отведения промывной воды и нижним патрубком 9 для отведения фильтрата и подачи промывной воды. Корпус внутри снабжен бандажными кольцами 10. Бандажные кольца 10 жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса 1. Патрубки 8 и 9 соединены с перфорированными трубами 4 через горизонтальные трубы 11 посредством сварки.
Очистка воды осуществляется следующим образом. Предварительно обработанная окислителем (воздухом, озоном и т.п.) вода насосом подается на фильтрацию. Вода поступает по патрубку 8 в верхнюю сборно-распределительную систему, которая представляет собой несколько вертикальных труб с равномерно расположенными отверстиями, которые находятся в ограниченном стенками конуса пространстве. Происходит диспергирование потока входящей воды в горизонтальной плоскости с целью создания равномерной подачи воды на зернистую загрузку. Конус обеспечивает отражение струй воды от поверхности и их диспергирование, что создает равномерную нагрузку на всю площадь фильтра и тем самым способствует повы�?ению эффективности фильтрования.
Вода освобождается от взве�?енных частиц, проходя через зернистую фильтрующую загрузку (песок, горелую породу, гранодиорит, альбитофир и т.п.) с крупностью зерен 0,63 - 2,00 мм, имеющую высоту слоя 1,5-1,8 м. При этом общая высота цилиндрического корпуса составляет 2-2,5м, таким образом, соблюдается требование СНиП 2.04.02-84 “Водоснабжение. Наружные сети и сооружения” к величине относительного рас�?ирения загрузки - 25%. При обратной промывке указанной величины надфильтрового пространства (0,5-0,7м) достаточно для рас�?ирения “зажатого” сетками фильтрующего материала. Закрепление загрузки между перегородками из нержавеющей стали с размером ячейки 0,3 мм не только препятствует выносу частиц, но и способствует равномерному распределению потока воды по всей поверхности зерен загрузки при фильтрации или регенерации. Обеспечивается охват всей поверхности загрузки, отсутствуют застойные зоны. Закрепление загрузки между сетками исключает вынос зерен материала загрузки, что обычно происходит при движении под напором потоков жидкости в фильтрах. Благодаря этому снижаются издержки, связанные с периодическими остановками фильтров для дозагрузки фильтрующего материала.
Перфорированные трубы сборно-распределительной системы служат как для диспергирования воды, так и для поддержки сетчатых перегородок с загрузкой, играя роль опор.
Особенностью фильтра является то, что нижняя и верхняя сборно-распределительные системы идентичны по исполнению, однако их функции при очистке воды и промывке фильтрующей загрузки от накопив�?егося осадка противоположны. В режиме фильтрации поток очищаемой воды поступает через патрубок 8 и движется сверху вниз, а в режиме промывки (регенерации) – через патрубок 9 и движется снизу вверх. Трубы 4 кры�?ки 2 играют распределительную роль при работе в режиме фильтрации и служат для сбора промывной воды при регенерации фильтра. Трубы 4 днища 3 играют распределительную роль при работе в режиме регенерации и служат для сбора очищенной воды (фильтрата) при фильтровании. Скорость фильтрования составляет обычно 8м/ч.
После прохождения слоя фильтрующей загрузки очищенная вода через нижний патрубок 9 и гидроклапан (не показан) поступает в накопитель чистой воды, из которого отводится потребителю. Очищенная вода из накопителя расходуется также на промывку при регенерации загрузки.
По истечении определенного времени требуется регенерация загрузки, утратив�?ей первоначальную пропускную способность. Фильтроцикл зависит от многих факторов (прежде всего от химических форм и содержания загрязнителей, степени дисперсности фильтруемых твердых частиц, от скорости потока и т.д.) и составляет 16-24 часов. Регенерация зернистой загрузки фильтра включает ее взве�?ивание в восходящем потоке промывной воды и последующее гравитационное осаждение зерен при прекращении подачи воды. Время промывки составляет 6 мин при скорости 20-25л/(с м2).
Соотно�?ение объемов очищенной и промывной воды в каждом случае индивидуально. К примеру, при содержании в природной воде 6 мг/дм3 железа после обработки 200 т артезианской воды требуется 8 т воды на промывку фильтра. Разработана технология водоподготовки с удалением железосодержащего осадка и утилизацией промывных вод.
Корпус фильтра снабжен изнутри бандажными кольцами, которые придают ему прочность и препятствуют пристеночному эффекту. При этом материалоемкость колец и трудозатраты на их установку минимальны.
Фильтр показал высокие эксплуатационные качества при работе в составе блочно-модульных станций “Надежда”, действующих в настоящее время на 10 водохозяйственных объектах, где очищаются природные воды с высоким (10-30 ПДК) содержанием железа.
В качестве примера можно рассмотреть фильтр, в течение 3 лет бесперебойно обеспечивающий чистой водой цеха предприятия “Сибкабель”. Корпус фильтра был выполнен из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, в отличие от известных фильтров, где толщина стальной стенки до 10 мм. Фланцевые соединения изготовлены из нержавеющей стали толщиной 6 мм, в распределительных системах используются трубы из нержавеющей стали диаметром 38 мм. Общая масса фильтра без загрузки составляет около 300 кг при площади фильтрации 1,2 м2.
Вода перед фильтрованием обрабатывалась озоном в течение 30 мин. Через фильтр было пропущено 200 т обработанной воды с концентрацией железа 3,0 мг/дм3. После этого фильтр был промыт, на промывку по�?ло 10 т воды. В промывной воде проанализировали содержание железа. Количество Fe+3 составило 59,7 мг/дм3 (усредненная величина). Таким образом, осадок, содержащий 600 г железа, удалось удалить почти полностью. В пересчете на трехвалентное железо это составляет 597 г.
Согласно СНиП 2.04.02-84, при скорости фильтрации 8-10 м/ч фильтроцикл составляет около 8 ч. В данном фильтре фильтроцикл составляет 16-24 часа (в зависимости от содержания загрязнителей в исходной воде). Например, при содержании в исходной воде железа 6,5 мг/дм3 и суточной производительности водоочистной установки 120-140 т организована промывка 1 раз за 2 суток, что в 4 раза реже, чем рекомендуемая СНиП. При этом достигается высокое качество очищенной воды, содержание железа в ней 0,03 мг/дм3. Увеличение фильтроцикла обеспечивает высокий КПД фильтра и водоочистной установки в целом при малой материалоемкости фильтра.