Природа газов в воде

В данный момент для более полного понимания открытой безнапорной аэрации кажется уместным рассмотреть некоторые вопросы химии воды. Многие газы при растворении в воде, особенно при взаимодействии с другими веществами ионизируются и образуют ионы. Та часть любого растворенного газа, которая не превращается в ионы, называется свободным или остаточным газом (термин, употребляемый при хлорировании воды). Примером может быть двуокись углерода, которая при ионизации превращающаяся в углекислоту Н₂СО₃. Аммиак в воде может образовывать гидроксид аммония, NH₄OH. Часть газообразного хлора образует в воде гипохлорную кислоту НОСІ, а часть - хлорамин NH₂CI. Сероводород, в зависимости от pH, может образовывать сульфид щелочи, H₂S или сероводородную кислоту. Большинство из этих кислот называются «слабыми». Важно отметить, что

высвобождаться и/или удаляться при помощи открытого безнапорного процесса аэрации могут только свободные или остаточные газы.

Другие растворимые газы, такие как метан и радон не взаимодействуют с веществами в воде. Они остаются в свободной форме. Таким образом, при соответствующих условиях в процессе открытой аэрации эти газы улетучиваются крайне эффективно. В связи со взрывоопасностью и горючестью метана и потенциальной токсичностью радона оба эти газа после удаления из воды должны выветриваться из жилых помещений во внешнюю среду, как показано на рисунке 2-6. Так как с открытой поверхности резервуара эти газы продолжают испаряться даже при неработающем аэраторе, рекомендуется вентилировать помещения постоянно.

Растворимость газов в воде

Важным фактором, определяющим растворимость газа в воде, является давление, оказываемое этим газом на жидкость. Принято считать, что в открытом безнапорном аэраторе это давление равно минимум одной атмосфере. (1 атм. = 14,7 (psi) фунтов на кв. дюйм). В закрытом напорном аэраторе этот фактор растворимости, естественно, значительно выше.⁸ Вторым фактором, влияющим на растворимость газов, является температура воды. Высокая температура воды повышает летучесть соединений и, следовательно, снижает значение насыщения. Аэраторы, используемые для удаления всех летучих веществ, работают более эффективно в теплой воде, чем в холодной.

Например, в открытых безнапорных аэраторах эффективность высвобождения сероводорода значительно снижается при температуре воды ниже 10°С (50°F) по сравнению с работой в более теплых условиях.⁹ Температура воды в артезианских скважинах юга Флориды и северо-востока штата Мэн (США) может отличаться на 9,4°С (15°F). Данные в Таблице 2-1 показывают относительную растворимость распространенных газов при разных температурах.

Так, растворимость сероводорода почти втрое выше двуокиси углерода, а повышение температуры воды на 11°С (20°F) может снизить растворимость почти на 25 процентов. В таблице 2-2 сравнивается растворимость двух инертных газов, метана и радона. Сравнив растворимость газов в одинаковых условиях, мы увидим, что сероводород в 7-10 раз более растворим, чем радон и приблизительно в 80 раз, чем метан.

Таблица 2-1.

Типичная растворимость газов в воде при различных температурах ^{10, 11}

[При давлении в одну атмосферу]	Температуры
Газ	10°С (50°F)	21 °С (70°F)	38°С (100°F)
Аммиак, NH3	902 мг/л	671 мг/л	---
Двуокись углерода, С02	1194 мг/л	854 мг/л	555 мг/л
Хлор, Сl2	3148 мг/л	2228 мг/л	1504 мг/л
Сероводород, H2S	3399 мг/л	2517 мг/л	1728 мг/л

Таблица 2-2.

Растворимость метана и радона при различной температуре воды ^{12, 13}

[При давлении в одну атмосферу]		Температуры
Газ	0°С (32°F)	10°С (50°F)	20°С (68” F)	25°С (77°F)	40°С (104°F)	50°С (122°F)
Метан, СН4	56 мг/л	42 мг/л	33 мг/л	—	24 мг/л	—
Радон, Rn	510 мг/л	—	—	224 мг/л	—	130 мг/л

В приложении В Главы 12 описываются дополнительные характеристики, поведение и методы удаления газов из воды, в том числе химические реактивы, которые могут использоваться при определенных условиях. (См. страницы с 351 по 354).

Влияние pH на аэрацию

От значения pH воды зависит, в какой мере аэрация приводит к удалению некоторых летучих веществ. Например, в процессе аэрации аммиак наиболее эффективно удаляется при pH 4,5, а сероводород при pH 5,5. Если при pH 8,0 путем аэрации удаляется только 10 процентов присутствующего

в воде сероводорода, то при pH 7,0 уже может быть удалено 50 процентов этого газа.¹⁴ В домашних условиях невозможно сначала понизить значение pH для удаления сероводорода путем аэрации, а затем повысить его, чтобы устранить коррозионный потенциал воды. По этой причине при значениях pH воды от 6,5 до 7,2 с помощью аэрации обычно удаляется лишь основная часть H₂S. Для последующего улучшения качества воды часто проводится второй этап обработки воды на каталитических/окислительных фильтрах, содержащих марганцевый гринсанд.

В процессе открытой безнапорной аэрации первой из летучих соединений удаляется двуокись углерода, в результате чего происходит повышение pH, что в определенной степени препятствует улетучиванию и удалению сероводорода. При значении pH выше 8,5 двуокиси углерода в воде не остается.

При открытой аэрации происходит обратная реакция, когда кислород поглощается водой из атмосферы. Повышенное содержание кислорода повышает коррозионный потенциал воды, особенно при ее нагреве; присутствие при этом еще и двуокиси углерода только усиливает агрессивные коррозионные свойства воды.

Системы открытой безнапорной аэрации могут поглощать различные вещества из воздуха, в том числе и бактерии. Сильный ветер способствует попаданию на открытую поверхность воды резервуара аэратора различных твердых частиц.

При открытой аэрации для обеспечения безопасности воды рекомендуется использовать ее обработку дезинфицирующими агентами. Наиболее распространенным методом является хлорирование, которое также служит сильным окислителем. Вода, не имеющая даже следовых количеств органических веществ, может иногда в процессе аэрации их приобретать. Кроме того, вода, находящаяся в резервуаре аэратора, может менять цвет.¹⁵ Профессионалы в области аэрации, особенно из юго-западной части США, в качестве защитной меры обычно обрабатывают хлором трубы, подводящие воду к насадкам аэратора.