Диагностика и прогнозирование срока службы водных фильтровальных установок с кварцевым песком на основе анализа морфологии и элементного состава фильтрующего материала

Статья посвящена исследованию работы кварцевого песка как фильтрующего материала для систем водоподготовки теплоснабжающих установок, а также разработке количественных критериев для прогнозирования срока его службы. Установлено, что в процессе эксплуатации фильтра кварцевый песок трансформируется в композитный материал с покрытием из оксидов алюминия и железа, которые образуются в результате адсорбции и осаждения ионов из исходной воды.
Методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа обнаружено, что при работе фильтра на исходной воде с содержанием Al ≈ 0,58 мг/л и Fe ≈ 0,44 мг/л происходит значительное изменение микрорельефа поверхности частиц песка с развитием микропор. Установлено, что достижение массовых долей алюминия и железа в кварцевом песке порядка 11,78 и 7,11 % является индикатором предельной выработки адсорбционной ёмкости фильтра и обоснованием для планирования его замены.
Предложенный подход позволяет осуществить переход от календарного регламента к прогностическому управлению сроком службы фильтра, а также обеспечивает предотвращение превышения предельно допустимой концентрации загрязнителей в сетевой воде и оптимизацию затрат на водоподготовку.

1. Бондаренко С. И., Лукина Г. В., Самаркина Е. В. Использования отходов слюды для очистки воды на объектах теплоэнергетики // Вестник ИрГСХА. 2012. № 51. С. 104–111. EDN: OYZOGL.

2. Maiyo J. K., Dasika S., Jafvert C. T. Slow sand filters for the 21st century: A review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2023;20(2):1019. https://doi.org/10.3390/ijerph20021019. EDN: DRVZOT.

3. Новиков Ю. В., Тулакин А. В., Цыплакова Г. В. [и др.]. Влияние продуктов коррозии и обрастания трубопроводов на качество питьевой воды // Гигиена и санитария. 1998. № 2. С. 10–13.

4. Сколубович Ю. Л., Войтов Е. Л., Цыба А. А. [и др.]. Технология очистки и утилизации поверхностных сточных вод и осадков // Academia. Архитектура и строительство. 2020. № 1. С. 131–137. https://doi.org/10.22337/2077-9038-2020-1-131-137. EDN: RXPUHK.

5. Tripathi V. K., Rajput T. B. S., Patel N. Performance of different filter combinations with surface and subsurface drip irrigation systems for utilizing municipal wastewater. Irrigation Science. 2014;32(5):379–391. https://doi.org/10.1007/s00271-014-0421-z. EDN: LFISEY.

6. Высоцкий С. П., Степаненко Т. И. Проблемы загрязнения питьевой воды соединениями алюминия, железа и меди // Вести Автомобильно-дорожного института. 2016. № 1. С. 96–104. EDN: WYBGDX.

7. Benjamin M., Sletten R., Bailey R. [et al.]. Sorption and filtration of metals using iron-oxide-coated sand. Water Research. 1996;30(11):2609–2620. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(96)00161-3.

8. Liu L., Fua Y., Weib Q. [et al.]. Applying bio-slow sand filtration for water treatment. Polish Journal of Environmental Studies. 2019;28(4). https://doi.org/10.15244/pjoes/90588.

9. Велюго Е. С., Ермак А. А., Ющенко В. Д. Гидрохимические модели удаления железа и марганца на кварцевом песке и сорбенте АС // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. 2025. № 2. С. 23–30. https://doi.org/10.52928/2070-1683-2025-41-2-23-30. EDN: HDXXMC.

10. Farahbakhsh J., Najafi M., Golgoli M. [et al.]. Microplastics and dye removal from textile wastewater using MIL53 (Fe) metal-organic framework-based ultrafiltration membranes. Chemosphere. 2024;364:143–170. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143170.

11. Ayoub G. M., Koopman B., Pandya N. Iron and aluminum hydroxy (oxide) coated filter media for low-concentration phosphorus removal. Water Environment Research. 2001;73(4):478–485. https://doi.org/10.2175/106143001X139533.

12. Zinicovscaia I., Yushin N., Humelnicu D. [et al.]. Adsorption capacity of silica SBA-15 and titanosilicate ETS-10 toward indium ions. Materials. 2023;16(8):3201. https://doi.org/10.3390/ma16083201.

13. Khiadani M., Zarrabi M., Foroughi M. Urban runoff treatment using nano-sized iron oxide coated sand with and without magnetic field applying. Journal of Environmental Health Science and Engineering. 2013;11(1):43. https://doi.org/10.1186/2052-336X-11-43. EDN: FIKBDS.

14. Hraiech I., Zallama B., Belkhiria S. [et al.]. Experimental characterization of silica gel adsorption and desorption isotherms under varying temperature and relative humidity in a fixed bed reactor. Scientific Reports. 2025;15(1):29041. https://doi.org/10.1038/s41598-025-14677-7. EDN: SKQHLG.

15. McNeill L. S., Edwards M. Soluble arsenic removal at water treatment plants. Journal American Water Works Association. 1995;87(4):105–113. https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.1995.tb06374.x.

16. Luo C., Yu Y., Tang Y. [et al.]. Enhanced retention of small-sized microplastics by iron-containing sand filtration system: Effectiveness and mechanisms. Journal of Hazardous Materials. 2025;489:137–678. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.137678. EDN: YECAYN.