НАРИС З ІСТОРІЇ ВОДОПРИГОТУВАННЯ
Алхіміки зображали воду у вигляді трикутника вершиною донизу, а також у вигляді корабля, риби чи наповненої посудини
1. Коротко про древні часи
В стародавні часи пити можна було будь-яку джерельну та річкову воду, а й навіть воду з великих озер.
Однак, бактерії, грибки та паразитичні амеби і черви ніхто не відміняв, і хоча про них точно не було відомо, люди давно знали, що вода всюди різна і не завжди корисна. Казки про живу і мертву воду родом ще з тих часів.
Найпростіший метод і очистки, і знезараження води здавна було кип’ятіння, а також приготування квасів, тобто зброджених органічних продуктів: соків, овочів, зерна тощо.
Елліни додавали до води спиртовмісні рідини типу вина. Тримали воду у золотому та срібному посуді.
Китайці модифікували метод очистки та знезараження води кип’ятінням, застосувавши індикатор якості води – чайне листя та квіти.
І якщо вода була прокип’ячена добре, то додане чайне листя давало приємний бронзово-оранжевий напиток, а якщо ні – каламутно-сірий.
Приготувати питну воду гарантованої якості можна було, за Арістотелем, методом дистиляції.
Він писав: «Випаровуючись, солона вода утворює прісну…»

Але це вода для обраних, яким мало було води із поверхневих та підземних джерел.

Так, королева Англії Єлизавета в XVI столітті призначила приз за кращий і найдешевший метод опріснення, визначивши величезну на ті часи суму - 10000 фунтів стерлінгів.
Державний секретар США Томас Джефферсон (1743- 1826) опублікував великий трактат «Доповідь про методи отримання прісної води з солоної». Узагальнюючи результати досліджень на цю тему, він прийшов до висновку про безперспективність пошуку хімічних добавок, що поліпшують якість дистиляту.
Він також виділив роботи, що обгрунтовують оптимальні витрати палива на опріснення морської води.
Далі Хоуардом в 1812-1813 рр. був винайдений вакуумний випарник, який відкрив нові перспективи - випаровування води під вакуумом не вимагало її нагрівання до температури кипіння.

2. Перші системи масового водопостачання
Акведуки та фонтани. Аерація та стабілізація
Натомість, для водопідготовки значних обсягів питної води використовувалася техніка аерації та стабілізації.
Вода, протікаючи вапняковими акведуками та жолобами, по-перше, ставала стабільною, позбавляючись нерівноважних карбонатних сполук.
При цьому вода насичувалася киснем та піддавалася впливу ультрафіолетового проміння, що її знезаражувало.
Прискорена стабілізація та аерація природної сирої води почалася із використанням фонтанів (від лат. fontana у значенні «джерело», «струмок»), у яких вода насичувалась киснем і доокислювала карбонільне залізо, випадала в осад, «приклеюючи» бактерії та частинки завису.
Проходячи крізь мармурову крихту та знаходячись у мармурових чашах басейнів, вода стабілізувалась і ставала придатною для пиття.
Насосами для таких справ служили гідротаранні помпи, які було винайдено знаменитим французом Жозефом-Мішелем Монгольфьє в 1796 році.
Ці насоси не потребували зовнішніх джерел енергії і використовували природний напір та силу гідроудару води. Більшість вод скидалась, але менша частина перепомповувалася значно вище.
Ці помпи, як і помпи Августина Мушо (Augustin Mouchot), що використовували енергію сонця. Тепер це раритет.
Магдебурзький водний міст (Kanalbrucke Magdeburg) - найдовший судноплавний міст Європи.
Це унікальна інженерна споруда для пересування вантажних суден, її ще називають водним перехрестям.
Цей масштабний проект планувався майже 80 років, і тільки в 2003 році відбулося урочисте відкриття важливого для всієї Німеччини річкового шляху.

3. Перші методи знезараження питної води.
Повільні фільтри, як перші промислові технології знезараження питної води
Особливе значення для людства мало відкриття і використання перших методів знезараження питної води.
Цілющі властивості, які набуває вода після контакту з металевим сріблом, були відомі ще в глибоку давнину.
Історик античного світу Геродот наводить відомості про те, що вже в V ст. до н. е. перський цар Кір під час походів користувався питною водою, що зберігалася в срібних «священних» посудинах.
І тільки через багато століть після початку використання срібла з метою збереження якості води, люди знайшли інші речовини для вирішення цього завдання.

Так, Шеєле в 1774 р. вперше добув хлор і виявив його відбілюючі властивості.
Але лише через кілька десятків років Бертоле навчився використовувати гіпохлоритні солі як відбілюючі розчини під назвою Жавелевої води «Eau de Javel».
Хлорне вапно, яке почали використовувати у фабриці із відбілювання тканин в Пейслі (Шотландія) давало відчутні кількості скидних вод, які власник Джон Гібб почав фільтрувати крізь пісок.
І, як засвідчили дослідження під мікроскопом, у такій воді не було бактерій.
Таку воду під назвою bleachery води, Джон Гібб спочатку поставляв усьому місту.
А згодом, через три роки були організовані поставки фільтрованої води в Глазго.
Перші піщані фільтри отримали назви повільних, оскільки швидкість фільтрування води у них не перевищувала 0,2 м/год при проходженні через 1,5-2,5 м піску на гравійній «подушці», що захищали водоприйомні промені труб із отворами.
Особливістю повільних фільтрів було те, що в результаті їх роботи на поверхні піску утворювався шар бактеріального слизу (так званий шар Шмутцедекер Schmutzdecke) товщиною від 1 до 5 см, який ефективно видаляв всі бактеріальні та інші забруднення.
Проте з часом шар робився затовстим і фільтр значно зменшував свою продуктивність і потребував відмивання.
Тому такі фільтри проектувались секційними і для відновлення збирали верхній шар піску або відмивали вбудованими трубами зворотнім током води.
Потім, після відмивання повільний фільтр певний час «дозрівав» від 12 до 64 годин, формуючи поверхневий фільтруючий шар.
Розміри повільних фільтрів були великими - від 60 м ширини, та 30 м довжини та заглиблені на 3 м.
Такий фільтр при швидкості фільтрування 0,2 м/год давав до 240 м3 очищеної води на годину.
Стало актуальним питання транспортування очищеної води споживачам.
Казки про дерев’яні, мідні та свинцеві труби залишимо веселим історикам.
Бо з давнини і донині керамічні труби є чи не найкращим і найекономічнішим варіантом.
Однак, на заміну нестандартизованим трубам різних діаметрів та форм у 1840 р. Генрі Дольтон (Royal Doulton заснована його батьком у 1815 р.)першим у світі заснував у Ламбеті завод для виробництва керамічних водостічних труб и трубопроводів.

Цей же Долтон виготовив мікропористі фільтри, які НЕ ПРОПУСКАЛИ бактерії.
У 1835 році королева Вікторія, усвідомлюючи небезпеку питної води з ріки Темза, доручила компанії виробляти очищувачі води для королівського домогосподарства.
Вони виготовили майстерні керамічні вироби, оснащені глиняним фільтруючим елементом для видалення бактерій. Королева, задоволена їх досягненнями, нагородила Королівським гербом очищувачі води Дольтона.
І вже з 1862 року фільтри Дольтона були показані на Кенсінгтонській міжнародній виставці і вони вже гордо носили королівський герб королеви Вікторії.
Секрет кераміки Дольтона був у видобуванні найдрібнішого і найчистішого кізельгур (або т. з. діатомову землю). http://doultonusa.com/HTML%20pages/history.htm
Керамічну вставку у глазуровані ємності для очистки води, яка була у вигляді свічі Дольтона, почав використовувати з 1884 р. для концентрування бактеріологічних культур Шарль Шамберлан (Charles Chamberland), який працював у Луї Пастера.
Власне, вони спростили конструкцію і зовнішню оболонку почали робити за пропозицією Пастера - металічною. Власне, на такій конструкції свічі вже Шамберлана, Івановський виділив віруси "тютюнової мозаїки" - вони пройшли крізь пористу мембрану із діаметром пор (калібром)0,1-0,2 мм.
На жаль, у 2005 році, фабрики Дольтона в Англії закрили, земли розпродали, а виробництво вивели у Піденно-Східну Азію - знищивщи якість і змінили марку.
Дольтону дали рицарське звання за його заслуги, за національну кераміку КРАЩУ Китайської, за очисники води за принципами, на яких ДОСІ працють найкращі очисники води - натомість, ганебне закриття його фабрик у 2005 р. - це антилицарство, і несамовита ганьба.
4. Швидкі фільтри у водопостачанні. Коагуляція. Контактні фільтри.
Створення системи розподілення очищеної води керамічними трубами дало змону зняти обмеження продуктивності очисної станції. Швидкі фільтри, замість до 0,2 м/год, дозволяють працювати на швидкостях до 30 м/год. Відповідно, швидкі фільтри у 60-разів більш продуктивні.
Тепер водорозбір приготованої води не складав проблем і, використавши попередню обробку сирої води сульфатом алюмінію, повільні фільтри уже не потребували формування зовнішнього шару слизу.
Так, у 1890 році появилися швидкі фільтри, які називалися ще Американські, а тепер, зазвичай, називаються механічними фільтрами.
Перший збудував Джордж В. Фуллер (George W. Fuller) в Літл Фалс, Нью-Джерсі (США).
Вся станція на день давала 30 млн. галлонів води або 4700 м3 на годину.
Хоча Фуллер використав сульфат алюмінію, який укрупнив завислі частинки, що називається процесом коагуляції, і таким чином повільний фільтр міг обробити води в кілька раз більше звичайного повільного фільтра.
Але обслуговування його ускладнилося, як і частота регенерації, тобто відновлення.
Проте такі фільтри не потребували часу дозрівання та слизового шару, оскільки працювали усім об’ємом.
Далі Патерсон використав механічні фільтри після коагуляції напірного типу, аналогічні тим, що досі використовуються на водоочистках у всьому світі.
Однак такі фільтри дуже забивалися осадом і відмивалися досить важко і тривало, із значними втратами води на власні потреби.
Тоді Патерсон додав перед механічними фільтрами напірного типу повільний фільтр, який подавав воду знизу піщаного завантаження.
Це контактні фільтри, які становлять основу водопідготовки у цілому світі.
Вони дозволяють будувати відносно компактні установки із продуктивностями понад 50000 м3 на годину.
Принцип обробки води у завислому шарі був запатентований в 1889 р. Паттерсоном (Великобританія) W.J. Patterson from Great Britain.
Такі освітлювачі було створено у 1936 році Сполдингом (США) Spaulding’s patent US2021672 (1936) були запропоновані апарати, що реалізують цей метод водообробки й були названі ними дифузором-освітлювачем.
Крім коагуляції почали використовувати вапнування, що знижувало вміст солей твердості, заліза, важких металів та гідрокарбонатів.
Вапнування паленим вапняком здавна використовувалось для знезараження.
Польська, чеська, словацька назва «вапно» – походить із праслов’янського «вап» - фарба, бо ним фарбували будинки, стайні, дерева.
Також кидали у криниці та у саджавки. Тобто, наші предки знали цінні властивості вапна.
Натомість, російське «известь» від грецького ???????? «азвестос» - негашений і відносилось також до мінералу асбесту, який не горів.
В 1857 р. Вернер фон Сіменс сконструював першу технічну установку для очищення питної води. З тих пір озонування дозволяє одержати гігієнічно чисту воду. Періодичне хлорування газоподібним хлором розпочалося з 1825 року у Франції. Але перше постійне хлорування хлором розпочалося у 1902 р. у Бельгії в Мідлкерку, а потім - у 1909 р. в Нью-Джерсі (США). В 1911 р. у Петербурзі була запущена в експлуатацію водопровідна станція продуктивністю 45 000 м3/добу, збудована за останнім словом техніки. Схема очищення води була прийнята наступна: коагулювання, відстоювання у вертикальних відстійниках, фільтрація на круглих швидких фільтрах системи Говарсона та знезараження озоном. Для цього були встановлені озонаторні котли системи Сіменса та емульгатори для перемішування озонованого повітря із водою системи Отто. Озонування води застосовувалося до червня 1923 р., коли воно внаслідок труднощів із заміною зношеного устаткування було припинено
5. Вихрьові реактори
Сучасні швидкі фільтри. Безскидні із стехіометричними витратами реагентів

У нашій країні не працює жоден фільтр такого типу.

Як вже зазначалося вище, освітлювачі створені у 1936 році Сполдингом (США) Spaulding’s patent US2021672,
в СРСР було цей патент перероблено на менш ефективний освітлювач із шаром завислого осаду, що виконав Е. Н. Тетеркін.
Схожість підходів: у обидва варіанти фільтрів дозуються реагенти:
гашене вапно, сода, їдкий натр.
Різниця двох підходів:
1) За Сполдінгом - кристалізаційний, тобто солі твердості "наростають" на дрібнозернистому завантаженні (пісок, мармур, гірські породи тощо).
Крізь це завантаження знизу проходить вода, що обробляється.
По мірі збільшення частинок завантаження осадженими солями твердості у вигляді карбонатних солей (вапняків) вони піднімаються вище і періодично скидаються з фільтра. При цьому частина води, яка видаляється з цими частками, повертається у бак-збірник очищеної води.

Це безскидні технології, що легко автоматизуються, дозволяють змінювати навантаження під час роботи, не потребують підігріву води, можуть бути сконструйовані на будь-яке навантаження, навіть таке незначне, як 100 л на добу.

2)За Е.Н. Тетєркіним - коагуляційний. Освітлювачі так званого завислого шару не використовують дрібнозернистого завантаження.
Такі фільтри спочатку кілька годин формують завис часток CаСО3, який утворюється при підігрітій понад 30 оС воді (оптимально 40 оС).
Далі йде ріст цього дрібнозернистого шламу, який постійно видаляють (1-3% від продуктивності освітлювача). Недодіки:
Величезна залишкова мутність очищеної води - понад 20мг/л, що потребує значних затрат на її усунення; величезні розміри, щоб компенсувати коливання температури та забезпечити достатню "зону реакції" достатньо розрідженого шламу;
неможливість істотно змінити продуктивніть фільтра; неможливість обробляти воду із продуктивністю менше 50 м3 на годину; значні скиди, які для стандартного ВТИ-100 складають від 48 т на добу.