CC BY
29УДК 628.16.081
применение коагулянтов в процессе обезжелезивания и обескремнивания подземных вод
© 2016 г. Г.Б. Браяловский, Е.В. Мигалатий, А.ф. Никифоров
ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», г. Екатеринбург, Россия
Ключевые слова: обезжелезивание, обескремнивание, снижение окисляемости, коагуляция, окисление, гипохлорит натрия, контактная фильтрация, перманга-нат калия, полиоксихлорид алюминия, перманганатная окисляемость, г. Нижняя Салда, подземные воды.
Представлены результаты очистки подземной воды с повышенным содержанием железа, кремния и высокой перманганатной окисляемостью. Предложена новая технология обезжелезивания и обескремнивания на основе процессов коагуляции и окисления. В процессе очистки вода обрабатывается одновременно коагулянтом (полиоксихлорид алюминия) и окислителем (перманганатом калия), а затем фильтруется на зернистой загрузке. Установлено, что оптимальное соотношение Л1/КМп04 должно быть равным 10. Одновременная обработка окислителем и коагулятом позволяет эффективно удалять железо вместе с органикой. Предложенная технология может быть рекомендована для одновременного обезжелезивания и обескремнивания подземных вод с перманганатной окисляемостью свыше 5 мг02/л.
Вопросы обезжелезивания и обескремнивания подземных вод в условиях нецентрализованного водоснабжения могут решаться путем разработки, исследования и внедрения современной высокоэффективной технологии водоподготовки с применением малогабаритных и надежных водоочистных установок и устройств. Актуальными направлениями являются разработка и применение дополнительных технологических приемов для интенсификации процесса удаления железа и кремния, поиск оптимальных доз и комбинаций реагентов, а также исследование свойств современных фильтрующих материалов.
Российские санитарные нормы ограничивают общее содержание железа в воде для хозяйственно-питьевых нужд до 0,3 мг/л. В некоторых странах допустимое содержание составляет 0,2 мг/л. Фактически концентрация железа в подземных грунтовых водах находится в пределах от 0,5 до 50 мг/л. Начиная с концентрации 1,0-1,5 мг/л вода имеет неприятный металлический привкус. При уровнях выше 0,3 мг/л железо оставляет пятна на белье
Водное хозяйство России № 3, 2016 г.
водное хозяйство России
Применение коагулянтов в процессе обезжелезивания и обескремнивания подземных вод
и санитарно-технических изделиях. При концентрации железа ниже 0,3 мг/л запах обычно не ощущается, хотя могут появляться мутность и цветность воды [1].
Анаэробная (не имеющая контакта с воздухом) прозрачная грунтовая вода может содержать соединения двухвалентного железа (Бе2+) до нескольких миллиграммов на литр без ее помутнения при прямой подаче из источника. Однако при контакте с воздухом, а точнее с кислородом, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного коллоидного состояния, что придает воде характерный красно-коричневый оттенок. Гидроксид трехвалентного железа Бе(0И)3 коагулирует и переходит в оксид железа Ре203 • 3 Н20, выпадающий в виде бурых хлопьев.
Железо способствует также развитию «железобактерий», которые получают энергию при окислении Бе2+ до Бе3+, в результате чего в трубопроводах и на оборудовании образуется скопление слизи. В процессе окисления на 1 мг Бе2+ затрачивается 0,143 мг кислорода (О2), увеличивается содержание свободной углекислоты на 1,6 мг/л, а щелочность снижается на 0,036 мг-экв/л [2]. Присутствие в воде солей меди, а также контакт воды с ранее выпавшим осадком Бе(0И)3 каталитически ускоряет процесс окисления Бе2+ до Бе3+.
В зависимости от условий (значение рН, температура, наличие в воде окислителей или восстановителей, их концентрация) окисление может предшествовать гидролизу, идти параллельно с ним или окислению может подвергаться продукт гидролиза двухвалентного железа Бе(0И)2.
Очистка воды от соединений железа является в ряде случаев довольно сложной задачей, которая может быть решена только комплексно. В соответствии с требованиями СНиП [3] метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.
Подземные воды Свердловской области характеризуются повышенным содержанием кремния, марганца, железа [4]. Зачастую эти загрязнения встречаются на фоне высокой (свыше 5 мгО2/дм3) перманганатной окисляе-мости, что затрудняет их удаление.
На кафедре водного хозяйства и технологии воды Уральского федерального университета проведены исследования по обезжелезиванию и обе-скремниванию водопроводной воды г. Нижняя Салда Свердловской области. Содержание железа 0,9 мг/дм3, кремния 11,1 мг/дм3, окисляемость 7,0 мгО2/дм3, рН=6,5. Принята реагентная схема очистки, при которой в воду вводили соответствующие реагенты, далее ее сразу фильтровали на легкой зернистой загрузке из дробленых диатомитовых пород со скоростью 10-12 м/ч. Предварительные исследования показали, что смешение дан-
Водное хозяйство России № 3, 2016 г.
94
Г.Б. Браяловский, Е.В. Мигалатий, А.Ф. Никифоров
ной воды с кислородом, хлором или перманганатом калия не приводили к удалению железа, а только увеличивали цветность. Очевидно, окислители вступали в реакцию с присутствующими органическими веществами, и реакция окисления железа шла медленно (в присутствии сильных окислителей) или не шла вообще (в присутствии кислорода). Как известно, органические вещества, обуславливающие высокую перманганатную окисляе-мость, являются ингибиторами процессов обезжелезивания.
Поскольку главным сдерживающим фактором процесса обезжелезива-ния данной воды является высокая окисляемость, было принято решение вводить вместе с сильным окислителем (перманганатом калия) алюминиевый коагулянт - полиоксихлорид алюминия (ПОХА). Опытным путем установлено, что соотношение Л1/КМп04= 10 оптимально для исследуемой воды и все последующие опыты проводили в данной пропорции реагентов. Порядок введения реагентов был одновременным. Результаты эксперимента представлены на рис. 1, 2, 3.
Как следует из рис. 1 и 2, одновременная обработка окислителем и коагулятом позволила эффективно удалить железо вместе с органикой. При дозах ПОХА 10 мг/дм3, КМп04 1 мг/дм3 содержание железа, кремния и ПМО в фильтрате становятся соответствующими питьевым нормам [3]: железо -менее 0,3 мг/дм3; кремний - 8 мг/ дм3, ПМО - 3,5 мг02/дм3.
Водное хозяйство России № 3, 2016 г.
Применение коагулянтов в процессе обезжелезивания и обескремнивания подземных вод
сО
s
10 20 30 40
Доза ПОХА (в пересчете на А1), мг/дм3
50
Рис. 2. Зависимость перманганатной окисляемости в фильтрате от дозы
коагулянта ПОХА (рИ = 6,5).
Доза ПОХА (в пересчете на Al), мг/дм3
Рис. 3. Зависимость концентрации кремния в фильтрате от дозы коагулянта
ПОХА (рИ = 6,5).
Водное хозяйство России № 3, 2016 г.
Г.Б. Браяловский, Е.В. Мигалатий, А.Ф. Никифоров
Механизм удаления загрязнений представляется следующим. Введение перманганата калия в исследуемую воду приводит к мгновенному образованию некоторого количества нерастворимых соединений MnO2 и Fe(OH)2. Данные нерастворимые соединения становятся центром образования микрохлопьев коагулянта - Al(OH)3, т. е. ускоряют процесс коагуляции. Хлопья коагулянта захватывают органические вещества, мешающие процессу обезжелезивания. Снижается перманганатная окисляемость. Перманганат калия быстро и в полном объеме вступает в реакцию с железом, окисляя его до нерастворимого Fe(OH)3. На рис. 3 представлено, как коагуляцией удалось снизить содержание кремния ниже питьевых норм. В процессе фильтрации обработанной реагентами воды используемая загрузка модифицировалась: ее гранулы покрылись гидроксидами марганца и железа, которые также являются катализаторами реакций обезжелезивания.
В целом предлагаемая технология одновременного введения окислителя и коагулянта с последующей фильтрацией на зернистой загрузке показала положительный результат и может быть рекомендована для одновременного обезжелезивания и обескремнивания подземной воды с повышенной перманганатной окисляемостью.
список литературы
1. Руководство по обеспечению качества питьевой воды. Т. 1. Женева: ВОЗ, 2004. 63 с.
2. Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. М.: Энергия, 1976. 288 с.
3. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: ГП ЦПП, 1996. 128 с.
4. Резолюция регионального съезда водоканалов Свердловской области. Проблемы и пути повышения эффективности предприятий водохозяйственного комплекса. 15-16 октября 2014 года [Электронный ресурс] // er.ru: официальный сайт партии ЕР. URL: https://er.ru/projects/chistaya-voda/userdata/ files/2014/11/28/vodokanal.doc
Сведения об авторах:
Браяловский Георгий Борисович, канд. техн. наук, доцент, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Россия, 620002 г. Екатеринбург, ул. Мира, 17; e-mail: [email protected]
Мигалатий Евгений Васильевич, д-р техн. наук, профессор, кафедра водного хозяйства и технологии воды, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Россия, 620002 г. Екатеринбург, ул. Мира, 17; e-mail: [email protected]
Никифоров Александр Федорович, д-р хим. наук, профессор, кафедра водного хозяйства и технологии воды, ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Россия, 620002 г. Екатеринбург, ул. Мира, 17; e-mail: [email protected]
Водное хозяйство России № 3, 2016 г.
