VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Одной из главных задач современности является охрана окружающей природной среды и, в частности, охрана и рациональное использование водных ресурсов открытых и подземных источников, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения населения.

В настоящее время в общем объеме подаваемой воды 31% занимают подземные воды, при этом доля подземных вод в общем балансе водопотребления будет возрастать. Это обусловлено современными формами производственно-хозяйственной деятельности населения – появление все большего числа различного рода предпринимателей, рассредоточенных на значительных площадях в окрестностях городов. Обеспечение указанных потребителей водой из централизованных систем водоснабжения городов из-за неподъемной для этих собственников стоимости систем подачи и распределения воды (СПРВ) в большинстве случаев не представляется возможным. Поэтому единственно реальным источником водоснабжения этих потребителей являются подземные воды, добываемые непосредственно или вблизи водопотребления.

Использование пресных подземных вод для питье­вого водоснабжения часто осложняется высоким содер­жанием в них растворенных соединений железа и марган­ца, растворенных газов (оксид углерода, сероводород, метан) и других компонентов.

Избыточное содержание железа и марганца в воде при­дает ей буроватую окраску, неприятный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры за счет развития железистых и марганцевых бактерий, является причиной брака продук­ции текстильной, пищевой, химической и других отраслей промышленности.

Для здоровья человека повышенное содержание железа в питьевой воде вредно. Двух- и трехвалентное железо, находящееся в воде, организмом не усваивается и является для него токсичным загрязнением, оказывающим раздражающее действие на слизистые и кожу, провоцируя гемохромотоз и аллергию. При продолжительном поступлении в организм, в печени накапливается избыток железа в коллоидной форме оксида железа (гемосидерина), который разрушает клетки печени.

Железо существует в природе в различных формах (в зависимости от валентности): Fe°, Fe⁺² , Fe⁺³ , а также в виде различных сложных химических соединений.

1. Элементарное железо (Fe◦ ).Элементарное, или металлическое железо, безусловно, нерастворимо в воде. В присутствии влагии кислорода воздуха окисляется до трехвалентного, образуя нерастворимый оксид (процесс, известный в быту как "ржавление").

2. Двухвалентное железо (Fe⁺²). Почти всегданаходится в воде в растворенном состоянии, хотя возможны случаи (при определенных редко встречающихся в природной воде уровнях рН), когда гидроксид железа способен выпадать в осадок.

3. Трехвалентное железо (Fe⁺³). Гидроксид железа нерастворим в воде (кроме случая очень низкого рН). Хлорид FeCI₃ и сульфат трехвалентного железа растворимы и могут образовываться даже в слабощелочных водах.

4. Органическое железо. Органическое железо встречается в воде в разных формах и в составе различных комплексов. Органические соединения железа, как правило, растворимы или имеют коллоидную структуру и очень трудно поддаются удалению.

Различают следующие виды органического железа:

а) Бактериальное железо. Некоторые виды бактерий способны использовать энергию растворенного железа в процессе своей жизнедеятельности. При этом происходит преобразование двухвалентного железа в трехвалентное, которое сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерии.

б) Коллоидное железо. Коллоиды – это нерастворимые частицы очень малого размера (менее 1 микрона), в силу чего они трудно поддаются фильтрации на гранулированных фильтрующих материалах. Крупные органические молекулы (такие, как танины и лигнины) также попадают в эту категорию. Коллоидные частицы из-за своего малого размера и высокого поверхностного заряда (отталкивающего частицы друг от друга, препятствуя их укрупнению) создают в воде суспензии и не осаждаются, находясь во взвешенном состоянии.

в) Растворимое органическое железо. Так же, как, например, полифосфаты, способны связывать и удерживать в растворе кальций и другие металлы, некоторые органические молекулы способны связывать железо в сложные растворимые комплексы, называемые хелатами. Так, прекрасным хелатообразующим агентом является гуминовая кислота, играющая важную роль в почвенном ионообмене. Все вышеперечисленные виды железа «ведут» себя в воде по-разному. Основные отличительные признаки приведены в таблице 1.

Необходимо отметить, что «беда никогда не ходит одна» и на практике почти всегда встречается сочетание нескольких или даже всех видов железа. Учитывая, что нет единых утверждений методик определения органического, коллоидного и бактериального железа, то в деле подбора эффективного метода (скорее, комплекса методов) очистки воды от железа очень много зависит от практического опыта специалиста, занимающегося водоочисткой.

Таблица 1 Реакция воды с различными видами железа

Тип железа	Вода из-под крана	Вода после отстаивания
Двухвалентное	Чистая	Красно-бурый осадок
Трехвалентное	Окрашена
Коллоидное	Желто-бурая	Не образует осадка, не фильтруется
Растворенные органическое	Желто-бурая
Бактериальное	Опалесцирующая пленка, желеобразные образования в водопроводной системе

Удаление воды из железа – без преувеличения одна из самых сложных задач в водоочистке. Даже беглый обзор существующих способов борьбы с железом позволяет сделать обоснованный вывод о том, что на данный момент не существует универсального экономически оправданного метода, применимого во всех случаях жизни. Каждый из существующих методов применим только в определенных пределах и имеет как достоинства, так и существенные недостатки.

Очистка подземных вод от железа производится безреагентными (физическими) и реагентными методами.

В соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84* метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.

К применяемым сегодня безреагентным методам относятся:

Упрощенная аэрация

(см. СНиП 2.04.02-84*) В процессе аэрации кислород воздуха окисляетдвухвалентное железо, при этом из воды удаляется углекислота, что ускоряет процесс окисления ипоследующий гидролиз с образованием гидроксида железа.

Метод основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен загрузки, образуя каталитическую пленку из ионов и гидроксидов двух- и трехвалентного железа. Пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения соединений железа из воды.

При поступлении в фильтр первых порций очищаемой воды в начале процесса обезжелезивания на поверхности наполнителя формируется мономолекулярный слой соединений железа (физическая адсорбция). Поверхностный слой химически более активен, чем чистый наполнитель, что ускоряет процесс осаждения железа. Значение истинной поверхности пленки соединений железа более 200 , что определяет ее свойства как сильного адсорбента губчатой структуры. Эта пленка одновременно служит катализатором окисления двухвалентного железа. Нужно отметить: ряд примесей в очищаемой воде, таких как сероводород, свободная углекислота, коллоидная кремниевая кислота, аммиак, заметно ухудшают каталитические свойства пленки.

Описанный метод допустим при следующих количественных показателях воды:

общее содержание железа до 10 мг/л (в том числе, двухвалентного железа – не менее 70%); значение рН – не менее 6,8; щелочность общая – более (1 + / 28) ммоль/л; содержание сероводорода – не более 2 мг/л; перманганатная окисляемость – не более (0,15 · +3) мгО/л. содержание аммонийных солей (по ) не более 1 мг/л; содержание сульфидов (по ) – не более 0,2 мг/л. Если одно из этих условий не выдерживается, нужна предварительная аэрация воды в аэраторах с добавлением в нее необходимых реагентов (хлор, гипохлорит натрия, перманганат калия и др.).

При содержании железа в воде в виде сульфата аэрация воды не позволяет провести ее обезжелезивание: при гидролизе растворенной соли железа образуется кислота, понижающая рН воды менее 6,8, при этом процесс гидролиза почти прекращается. Для удаления из воды кислоты требуется ее известкование с осаждением плохо растворимого гипса :

.

После известкования требуются отстаивание и фильтрование воды.

Упрощенную аэрацию можно реализовать путем излива воды в карман или в центральный канал открытых фильтров с высоты 0,5–0,6 м над уровнем воды.

При использовании напорных фильтров воздух вводят непосредственно в подающий трубопровод на расстоянии, равном не менее 10 диаметров

трубопровода, с нормой расхода 2 л на 1 г железа (). Если в исходной воде более 40 мг/л свободной углекислоты и более 0,5 мг/л сероводорода, то

воздух в трубопровод не вводят. В этом случае перед напорным фильтром необходимо установить промежуточную емкость со свободным изливом

воды и повысительный насос.

СНиП 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» определяют расчетную скорость фильтрования при обезжелезивании воды упрощенной аэрацией с помощью табл. 2

Таблица 2.

Используя характеристики конкретного наполнителя фильтра и руководствуясь параметрами табл. 2, можно выполнить расчет фильтровальной станции. СНиП 2.04.02-84* требуют, чтобы продолжительность работы фильтров между промывками при нормальном режиме составляла не менее 8–12 ч, а при форсированном режиме или полной автоматизации промывки фильтра – не менее 6. Общую поверхность фильтрования можно определить по формуле:

,

где Q – полезная производительность фильтровальной станции, ; – продолжительность работы станции в течение суток, ч; – расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме (м/ч), принимаемая по табл. 2; – число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации; – удельный расход воды на одну промывку одного фильтра, (определяется по паспортным данным фильтра и эксплуатационным характеристикам наполнителя); – время простоя фильтра в связи с промывкой, ч (паспортные данные фильтра и рабочие характеристики наполнителя).

Аэрация в специальных устройствах

Когда необходимо удалить из воды железо приконцентрации его в воде более 10 мг/л и увеличитьзначение рН более 6,8, осуществляется аэрация вспециальных устройствах.

Для этого используют вентиляторные градирни (дегазаторы) или контактные градирни с естественной вентиляцией. Исходная вода подается в верхнюю часть вентиляторной градирни, заполненной керамической насадкой (кольца Рашига). Навстречу потоку воды с помощью вентилятора направляют воздух. В процессе аэрации выделяется углекислота (диоксид углерода), вода обогащается кислородом и происходит окисление железа. Затем вода подается в фильтр, где в объеме наполнителя завершается образование хлопьев гидроксида трехвалентного железа и их задержание.

Метод «сухого» фильтрования

Метод заключается в фильтровании воздушно-водной эмульсии через «сухую» (незатопленную) зернистую загрузку путем создания в фильтре вакуума или нагнетания большого количества воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. При этом на поверхности фильтрующей загрузки образуется адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), повышая эффективность процессов обезжелезивания и деманганации. В качестве загрузки обычно используются песок, керамзит, антрацит, винипласт и др.

Особенность процесса – образование дегидратированной пленки на зернах загрузки, состоящей из магнетита, сидерита, гетита и гематита. Указанные соединения имеют плотную структуру, а объем их в 4–5 раз меньше, чем у гидроксида железа. Поэтому невысок темп прироста потерь напора в загрузке при такой схеме процесса.

Хотя все методы описаны в литературе, на практике возникает масса вопросов выбора метода и ряда проблем, с которыми сталкиваются при безреагентном обезжелезивании. Поэтому сегодня очень важно совершенствовать технологии безреагентной очистки от железа на каждом этапе этого сложного процесса.

Литература

1. Шевченко М.А., Лизунов В.В. Технология обработки воды. Киев: Будивэльник, 1980. – 116 с.

2. Клячко В.А., Апельцин И.Э. Очистка природных вод. М.: Стройиздат, 1971. – 579 с.

3. Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. М.: Стройиздат, 1978. – 160 с.

Код для цитирования: Скопировать