CC BY
212
УДК 66.011
Л.М. Кочетов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин*, И.А. Попов, Г.И. Хазанов, М.А. Кипнис, О.Ю. Дорушенкова
Московский государственный текстильный университет им. А.Н.Косыгина, г. Москва * Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА
Peculiarities of removal process water compounds iron and manganese. The basis of the process is oxidation reactions to form insoluble compounds and subsequent dispossession of water with grainy loading. Are calculated according to evaluate the effectiveness of cleanup and loss of pressure in the filters with grain loading.
Рассмотрены особенности процесса удаления из воды соединений железа и марганца. Основой процесса является окислительные реакции с образованием нерастворимых соединений и последующим их отделением от воды в фильтрах с зернистой загрузкой. Приведены расчетные зависимости для оценки эффективности очистки и потерь напора в фильтрах с зернистой загрузкой.
Одной из важных задач в процессах подготовки воды для нужд питьевого водоснабжения жилых комплексов и гражданских объектов является удаление из нее растворенных соединений железа и марганца. Повышенное содержание в питьевой воде указанных элементов, в особенности при длительном употреблении ее, оказывает вредное воздействие на человека и может приводить не только к функциональным расстройствам организма, но и к хроническим заболеваниям. Кроме того, высокое содержание железа в питьевой воде придает ей неприятный вкус и окраску. В соответствии с нормативами [1], содержание железа и марганца в питьевой воде не должно превышать значений 0,3 и 0,1 мг/л соответственно.
Наиболее перспективным методом очистки воды от железа и марганца в процессах ее подготовки является химическое окисление, которое можно условно разделить на реагентное и безреагентное. В результате окисления растворенных в воде солей железа и марганца, происходит образование соответствующих гидроокисей, которые выпадают в осадок и отделяются от воды путем отстаивания или фильтрования через зернистую загрузку [2].
При реагентной очистке для окисление железа и марганца используются сильные окислители (хлор, гипохлорид кальция или натрия, перманганат калия, озон). Обычно это бывает необходимо, если железо и марганец находятся в устойчивой форме. Некоторые органические примеси могут стабилизировать ионы железа и марганца, образуя комплексные соединения, которые не образуют осадка и не удаляется на зернистой загрузке. В таком случае применяют более сильные окислители, чем кислород воздуха. Теоретически на окисление 1 мг железа (Fe2+) расходуется 0,64 мг хлора или
0,71 мг перманганата калия; при этом щелочность воды в первом случае снижается на 0,018 мг-экв/л., во втором на 0,036 мг-экв/л.
При безреагентных методах окисление железа происходит при непосредственном контакте воды с кислородом воздуха. В естественных условиях скорость этого процесса невелика. Обычно вода, поступающая из
скважины, является прозрачной и бесцветной, поскольку железо содержится в ней преимущественно в виде растворенного гидрокарбоната. При контакте с воздухом происходит окисления гидрокарбоната с образованием гидроксида железа Бе(ОН)з. Этот процесс происходит в течении 1-2 часов, а выпадение осадка (без использования коагулянтов) длится более 10 часов. Использование принудительной аэрации воды позволяет сократить процесс окисления до нескольких секунд, а использование фильтрования через зернистую загрузку позволяет проводить отделение гидроокиси железа от воды практически сразу.
Это объясняется автокатализом, в результате которого, пленка гидрооксида железа или марганца, образующаяся на поверхности зерен фильтрующей загрузки ускоряет процесс дальнейшего окисления и выделения гидроокисей. При работе фильтра происходит непрерывное обновление каталитической пленки.
Такой механизм процесса фильтрования гидроокисей, делает малосущественным различие в материале и физических свойствах зернистой загрузки на результативность процесса фильтрации. В качестве которого можно использовать кварцевый песок, антрацит (пуролат), природные алюмосиликаты или активированный уголь. Важным является только дисперсный состав, удельная поверхность и пористость зерен загрузки, а также адгезионная способность ее поверхности по отношению к гидрооксидам железа или марганца. Безреагентные методы обезжелезивания рекомендуется применять, когда вода имеет: pH >6,7; щелочность > 1 мг-экв/л; пер-
манганатную окисляемость < 7 мг Ог/л. На окисление 1 мг железа (Бе2+) расходуется 0,143 мг растворенного в воде кислорода, щелочность воды при этом снижается на 0,036 мг-экв/л.
Для интенсификации процесса удаления соединений железа и марганца из воды возможно использовать специально приготовленные модифицированные загрузки с нанесенными и закрепленными на их поверхности активными железо-марганцевыми композициями. Это позволяет сократить время выхода загрузки на оптимальный режим, повысить их эффективность и увеличить скорость фильтрования воды. Важным преимуществом таких загрузок является способность повышать pH очищаемой воды, в результате связывания ионов водорода, образующихся при окислении соединений железа или марганца.
Конкретный выбор фильтрующей загрузки зависит от состава очищаемой воды, применяемой технологической схемы и конструкции оборудования. При безреагентном окислении важнейшей стадией процесса обезжелезивания-деманганации воды является ее аэрация. С ее помощью достигаются следующие цели:
- насыщение воды кислородом, который участвует в окислении растворенных металлов.
- удаление растворенной углекислоты, и как следствие, увеличение значения pH в среднем на 0,3-0,5. Это уменьшает растворимость гидроокисей Бе3+ и и Мп4+'
- удаление растворенных газов, придающих воде посторонние запахи, например сероводорода.
Аэрация воды может проводиться различными способами.
1. Механическая аэрация. При этом способе вода разбрызгивается на поверхность фильтра или в промежуточный бак механической форсункой.
2. Эжекционная аэрация. При этом способе вода подается насосом непосредственно в фильтр через воздушный эжектор. Эжектор создает разряжение, в результате чего происходит засасывание воздуха и перемешивание его с водой. При этом возможно получать высокие концентрации растворенного кислорода (до 8 мг/л при 20° С). Поскольку количество воздуха, поступающего в эжектор, зависит от расхода воды, при малых расходах эжектор не работает.
3. Компрессионная аэрация. При этом способе используется компрессор, подающий воздух в аэрационную колонну, которая снабжена насадкой для барботажа воздуха. По другой схеме воздух подается в пневматические форсунки, распыляющие воду на поверхность воды в фильтре. Компрессионная аэрация устойчива к колебаниям расхода воды, однако дороже чем эжекционная из-за наличия компрессора.
Для интенсификации образования гидроокисей целесообразно использование коагулянтов (преимущественно полиоксихлорида алюминия или сульфата алюминия) и корректировка pH воды с помощью извести или соды. Хлопья гидроокисей, получившиеся в объеме воды при гидролизе коагулянта, работают в этом случае как высокоактивный сорбент, обеспечивая связывание растворенных примесей. При этом сами гидроокиси с сорбированными примесями легко удаляются на фильтрах или отстаиванием. Важно, что при контакте с фильтрующей загрузкой процесс коагуляции протекает гораздо интенсивнее, чем в объеме воды.
Подземные воды, как правило, обладают повышенной коррозионной активностью по отношению к стальным трубам и резервуарам. Это связано с наличием в воде значительных концентраций растворенного углекислого газа (до 30-40 мг/л.
При проведении обезжелезивания-деманганации воды ионы этих металлов изначально связаны с углекислотными (карбонатными и гидрокарбонатными) анионами. В очищенной воде углекислотное равновесие смещается в сторону появления дополнительных количеств «свободной» углекислоты. Поэтому коррозионная активность очищенной воды значительно возрастает, и при контакте со стальными трубами она способна быстро (за 2-3 часа) повторно загрязняться растворенным железом. Для предотвращения повторного загрязнения приметается стабилизационная обработка воды щелочными реагентами (известью, содой), гексаметафосфатом или трипо-лифосфатом натрия .
Потери напора в фильтрующей загрузке составляют обычно от 10 до 50 кПа и зависят от скорости фильтрации, высоты слоя и размера зерен загрузки. При загрязнении зернистой загрузки сопротивление ее существенной увеличивается. Потери напора могут быть оценены с помощью следующей зависимости, полученной из уравнения Дарси:
3 v2Hp.(l- s)
АР = -Я-----------------------------------------^------------------- Па, (1)
4 г (р.8
где v-условная скорость фильтрации, м/с; /9-плотность воды, кг/мЗ; Н- высота слоя загрузки гранул, м; ср- коэффициент формы частиц загрузки; е- иорозность слоя загрузки; //-динамическая вязкость воды, Па с; /.-
коэффициент трения , при ламинарном режиме :
Х= 220/Re; Re = - v5pxp ; (2)
3/1(1 s)
Потери напора в единице высоты слоя загрузки:
AP/fl- = 247V/f Па/м, (3)
S'(p .о
В процессе фильтрации жидкости происходит постепенное отложение осадка в свободном объеме слоя, между частицами фильтрующей загрузки. Это приводит к увеличению потерь напора в слое или к падению производительности (при постоянном напоре). Если предположить, что отложение осадка происходит равномерно по всему объему слоя, то уменьшение порозности фильтрующего слоя в процессе фильтрования может быть описано следующим уравнением:
<fe=-A^0 + /,)rfg, (4)
w х рм
где W- объем слоя загрузки, м3; АС -изменение содержания взвешенных веществ в воде при прохождении через загрузку, кг/ м3; О- объем воды, прошедший через фильтр, м3; рос - плотность осадка в слое загрузки (по твердой фазе), кг/мЗ; /?- объемное влагосодержание осадка (отношение объема влаги в осадке к объему твердой фазы осадка).
Порозность слоя в конце фильтроцикла (перед промывкой загрузки ):
(5)
W*pM
где Биач ~ начальная порозность слоя фильтрующей загрузки.
Из уравнения (3) можно получить величину потерь напора в фильтре АР по отношению к начальному значению потерь напора А Риач:
2 /** 'Х ^
АР/АР = (1~£) „ ( ^ I (6)
“ нач ,л ч 2 4 7
Реальное увеличение потерь напора в фильтрующем слое будет выше расчетного значения на 20-50%, поскольку отложение осадка в фильт-
рующем слое происходит не равномерно, а преимущественно на начальном участке (по ходу движения воды). Промывка фильтра осуществляется когда объем осадка составляет 30- 50% свободного объема каналов фильтрующей загрузки.
Обычно работа фильтров осуществляется при практически постоянном напоре. При отложении осадка в фильтрующей загрузке будет происходить падение производительности фильтра. Отношение средних скоростей фильтрации в начале и в конце фильтроцикла при А Р = const:
у/у =^__^шч)_
шч (1-е )2
, р
\ нач У
(V)
Эффективность работы фильтров возрастает с уменьшением размеров частиц загрузки. Одновременно возрастает и грязеемкость фильтра. Оптимальным размером гранул загрузки является 0,8-1,5 мм. Однако, на практике часто используют более крупные гранулы загрузок. Скорость фильтрации для фильтров с нисходящим потоком составляет 7-10 м/ч.
Целесообразно использование многослойных фильтров, в котором загрузка выполняется обычно в виде двух слоев: из песка (нижний слой) и антрацита (верхний слой). Фильтрация воды осуществляется в направлении уменьшения средней дисперсности гранул фильтрующих слоев, обычно сверху вниз. Такое расположение слоев не нарушается при промывке фильтра. Высота каждого из слоев 500-1000 мм. Скорость фильтрации воды в многослойных фильтрах может быть увеличена в 1,2-1,5 раза (до 12м/ч) по сравнению с однослойным.
Фильтры с зернистой загрузкой способны улавливать не только взвешенные твердые частицы, но и эмульгированные нефтепродукты, снижать цветность воды, а также снижать (в результате адсорбции осадком) содержание растворённых в воде веществ. Существенный эффект при работе фильтров оказывает использование коагулянтов
На рис. 1 приведена конструкция напорного фильтра с зернистой загрузкой, рассчитанного на расход воды до 25 м3/ч. Фильтр имеет диаметр 0=1600мм, высоту слоя загрузки Н=1,5м. Подача исходной воды, насыщенной воздухом производится через патрубок 1 и водораспределительный коллектор 2. Отвод фильтрата осуществляется через водосборный коллектор 4 и стояк 2. Фильтрующая загрузка 6 изготавливается из антрацита, марки «Риго1аЪ>. Дренажный слой 5 из кварца размером 8-10 мм. Автоматический клапан 7 служит для отвода воздуха. Штуцер 8 для подачи промывной воды, а также воды при гидравлическом удалении отработанной фильтрующей загрузки через штуцер 10. Задвижка 10 запирает фильтр во время промывки и гидроудаления загрузки. Переключение из режима фильтрации в режимы промывки, обработки реагентом и т.п., производят с помощью кранов, установленных на внешней обвязке фильтра.Управление может быть автоматизировано.
Промывка загрузки осуществляется фильтратом (иногда неочищенной водой). Интенсивность водяной промывки 20-50 м/ч, продолжительность промывки 5-8 мин. Интенсивная промывка приводит к частичному выносу зёрен загрузки из фильтра. Интенсификация промывки возможна при совмещении подачи в слой промывной воды и воздуха.
Грязеёмкость фильтрующей загрузки оценивается по формуле:
М = 0,001 • т ■ ]¥ф ■ <7, кг (8 )
где 1Уф- объём загрузки, м3; ¿/ - средний размер гранул загрузки, м; о-удельная поверхность гранул загрузки, м /м ; т- удельная грязеёмкость фильтрующей загрузки. Для минеральных частиц ш~ 5-10 г/м2.
сг = 6(1-е)/с/ (9)
Продолжительность фильтроцикла до момента регенерации загрузки:
тфц ~ '
М /1 т
-------- , час (10)
у<сн-ск)
где V - производительность фильтра, м /ч; Сн и Ск~ соответственно начальная и конечная концентрации загрязняющих веществ в воде, проходящей через фильтр. Обычно величина Тфц составляет 50- 100 час. Эффективность очистки воды может быть оценена уравнением [3]:
11=к(и/у)°-2\ (11)
где и -скорость осаждения твердых частиц, м/с; V -скорость фильтрации воды, рассчитанная на сечение фильтра, м/с; к- коэффициент, зависящий от отношения высоты фильтрующего слоя Н к размеру гранул Экспериментальная зависимость к от НМ приведены на рис. 2.
О 250 500 750 H/d
Рис 1. Напорный фильтр:
1-Вход воды; 2-Выход воды; 3,4-Верхиий и нижний водораспределители; 5- Дренажный слой; 6-Фпльтрующая загрузка; 7-Воздушный клапан; 8-Подача промывной воды; 9-Задвижка; 10- Штуцер для гидравлической выгрузки фильтрующей загрузки.
Рис 2. Зависимость к от H/d.
С целью предотвращения биологических обрастаний фильтрующей загрузки она должна периодически, 1 раз в 1-2 месяца обрабатываться хлорной водой, с содержанием активного хлора до 150 мг/л. Продолжительность контакта фильтрующей загрузки с хлорной водой должна быть около 1 суток.
Библиографические ссылки.
1. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.
2. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод /С.В.Яковлев [и др.]; М.: Стройиздат, 2005.
3. Сажин Б.С. Экологическая безопасность технологических процессов./ Б.С.Сажин, О С. Кочетов, ЛИ. Гудим, Л.М. Кочетов. М.: МГТУ им. АН. Косыгина, 2007.
