ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД
Подземныеводы многих регионов земного шара часто характеризуются повышенным содержаниемжелеза. Например, в Индокитае подземные воды с содержанием железа вышенормативов составляют около 60%. Железосодержащие воды широко распространены вСеверной и Центральной Европе, в Сибири и на Дальнем Востоке, в СевернойАмерике, на Юге Африки.
Повышенноесодержание железа в воде придает ей буроватую окраску, неприятный металлическийпривкус, вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры,является причиной брака в текстильной, пищевой, бумажной, химической и другихотраслях промышленности. Повышенное содержание железа в питьевой воде вреднодля здоровья человека. При продолжительном введении в организм железа избытокего накапливается в печени в коллоидной форме оксида железа, получившейназвание гемосидерина, который вредно действует на клетки печени, вызывая ихразрушение. Поэтому воду с повышенным содержанием железа необходимообезжелезивать.
Многообразиеформ и концентраций железа, встречающихся в природных и сточных водах, вызвалонеобходимость разработки целого ряда методов, технологических схем и сооруженийобезжелезивания воды. Большой вклад в решение проблемы обезжелезиванияприродных и оборотных вод внесли российские ученые И.Э. Апельцин, В.А. Клячко,Г.И. Николадзе, Л.А. Кульский, А.М. Перлина, К.А. Мамонтов, Г.Ю. Асс.
Вповерхностных водах железо обычно встречается ввиде органических и минеральных комплексных соединений, либо коллоидных илитонкодисперсных взвесей. Преобладающей формой существования железа в подземныхводах является бикарбонат железа (II), который устойчив только при наличиизначительных количеств углекислоты и отсутствии растворенного кислорода. Нарядус этим железо встречается в видесульфида, карбоната и сульфата железа (II), комплексных соединений сгуматами и фульвокислотами.
Гидроксиджелеза может присутствовать в воде в коллоидном состоянии, котороеявляется одной из основных форм существования. Оно в значительной степениповышается благодаря защитному действию гумусовых веществ в результате того,что частицы неустойчивого в воде (гидрофобного) коллоида адсорбируют на своейповерхности частицы другого коллоида, который имеет более сильную связь смолекулами воды, т. е. обладает гидрофильным характером. Железо может бытьпереведено, из этого комплекса в осадок двумя путями: естественным — приучастии бактерий, разрушающих органическое вещество, и искусственным — спомощью сильных окислителей, уничтожающих защитные коллоиды. Вместе с темвыпадению гидроксида железа из коллоидного состояния в осадок способствуетналичие противоположно заряженных золей кремниевой кислоты (коагуляции).
/>/>
Рис. 1.Диаграммы Пурбе для железа (а) и марганца (б).
На рис. 1,а представлена диаграмма Пурбе, отражающая состояние системы железо — вода вкоординатах окислительно-восстановительный потенциал — значение рН.Вертикальными прямыми показаны значения рН гидратообразования при реальноустанавливающемся равновесии в системе. Как следует из диаграммы, при значенияхрН8,4 возможно выделение карбоната, а прирН> 10,3 — гидроксида железа (II).
При наличиикатализаторов — растворенных вобрабатываемой воде ионов меди, марганца и фосфат-ионов, а также при контактеее с оксидами марганца или с ранее выпавшим гидроксидом железа(III) скоростьокисления железа(II) кислородом значительно возрастает (рис. 2.2, а). Сповышением значения рН среды время, затрачиваемое на окисление соединенийжелеза (II), значительно сокращается. Окисление железа (И) кислородом воздухапроисходит по реакции
4Fe2+ + 02 + 8НСО3- + 2Н2О = 4Fe (ОН)3 + 8С02
/>/>
Рис. 2. Графики оксидации железа (И) кислородом в присутствиикатализаторов (а) и кинетика его оксидации кислородом, хлорамином и хлором (б)при различных рН воды. 1 — без катализатора; 2, 3 — в присутствии меди и диоксидамарганца (дозы по 0,02 мг/л); 4 — в присутствии гексаметафосфата (доза 2 мг/л);
Постехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,143 мг растворенного вводе кислорода; щелочность воды при этом снижается на 0,036 мг-экв/л. Скоростьокисления соединений железа(II) значительно возрастает при хлорирование воды(нормальный окислительно-восстановительный потенциал хлора Е=1,36 В).Соединения железа(II) в присутствии гидрокарбонатов природных вод полностьюгидролизуют по реакции:
2Fe2+ + С12 + 6НСО3- = 2Fe (ОН)3 + 2Сl + 6С02
Постехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,64 мг хлора;щелочность воды при этом снижается на 0,018 мг-экв/л. Как видно из рис. 2.2, б,при замене свободного хлора дихлорамином (Е=0,66В при рН 5) время, необходимоедля окисления соединений железа (II), значительно возрастает.
Приобработке воды перманганатом калия реакция окисления и последующего гидролизапротекает по уравнению
4Fe2+ + МnО4- + 8НСО3- + 2Н20 = 4Fe (ОН)3 + МnО2 + 8С02
Постехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,71 мг перманганатакалия; щелочность воды при этом уменьшается на 0,036 мг-экв/л.
Для деферризацииводы следует использовать несколько методов адекватно формам,количеству железа и буферным свойствам исходной воды. Все многообразие методов,применяемых в технологии обезжелезивания воды, можно свести к двум основнымтипам, реагентные и безреагентные. Из применяемых в настоящее времябезреагентных методов обезжелезивания воды перспективными являются:вакуумно-эжекционная аэрация и фильтрование (рис. 2.3, а); упрощенная аэрация ифильтрование; «сухая фильтрация»; фильтрование на каркасных фильтрах;фильтрование в подземных условиях с предварительной подачей в пласт окисленнойводы или воздуха (рис. 2.4); аэрация й двухступенчатое фильтрование;ультрафильтрация.
Креагентным относятся следующие методы:упрощенная аэрация, окисление, фильтрование, напорная флотация с известкованиеми последующим фильтрованием; известкование, отстаивание в тонкослойномотстойнике и фильтрование-, фильтрование через модифицированную загрузку;электрокоагуляция, катионирование; озонирование и фильтрование.
/>
Многообразиеметодов обезжелезивания воды исключает их равноценность в отношении надежности,технологичности, экономической целесообразности, простоты, области применения ит. п. Обезжелезивание поверхностных вод можно осуществить лишь реагентнымиметодами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространениеполучили безреагентные методы.
Безреагентныеметоды обезжелезивания могут быть применены, когдаисходная вода характеризуется: рН — не менее 6,7; Щелочностью — не менее 1мг-экв/л; перманганатная окисляемость — не более 7 мг 02/л. При этом присодержании железa(III) не более 10% от общего иконцентрации железа(П) в бикарбонатной или карбонатной форме до 3 мг/лрекомендуется метод фильтрования на каркасных фильтрах без вспомогательных фильтрующихсредств, до 5 мг/л предпочтительно применять метод сухой фильтрации от 5 до 10мг/л следует использовать метод упрощенной аэрации с одноступеннымфильтрованием; от 10 до 20 — аэрация и двухступенчатое фильтрование; от 10 до30 мг/л — рекомендуется вакуумно-эжекционная аэрация с фильтрованием череззагрузку большой грязеемкости.
/>
Приконцентрации углекислого или карбонатного железа(П)более 20 мг/л или при содержании сероводорода 1...5 мг/л, рН 6,4 рекомендуетсяметод вакуумно-эжекционной аэрации с последующим отстаиванием в тонком слоеводы или обработкой в слое взвешенного осадка и фильтрование.
Реагентныеметоды обезжелезивания воды следует применять при низких значениях рН,высокой окисляемости, нестабильности воды. При этом при содержании сернокислогоили карбонатного железа, либо комплексных железоорганических соединений: до 10мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O2/л рекомендуется применять фильтрование через модифицированнуюзагрузку, до 15 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг 02/л предпочтителенметод, предусматривающий упрощенную аэрацию, обработку сильным окислителем ифильтрование через зернистую загрузку большой грязеемкости; свыше № мг/л иперманганатной окисляемости более 15 мг/л следует применять напорную флотацию спредварительным известкованием и последующим фильтрованием или метод,предусматривающий аэрацию, известкование, отстаивание в тонком слое ифильтрование; свыше 10 мг/л, перманганатной окисляемости более 15 мг 02/л припроизводительности установок до 200 м3/сут можно рекомендоватьэлектрокоагуляцию с барботированием, отстаиванием в тонком слое и фильтрование.
/>
Рис. 2.3.Технологические схемы установок обезжелезивания воды.
а —вакуумно-эжекциоииой аэрации и фильтрования; б — упрощеннойаэрации с одноступенчатым фильтрованием; в — упрощенной аэрации сдвухступенчатым фильтрованием; г — сухой фильтрации; д — известкования; е —фильтрованием через намывной слой; 1 я 8— подача исходной и отводобезжелезенной воды; 2 — вакуумно-эжекционный аппарат; 3 — каркасно-засыпныефильтры; 4 — резервуар промывной воды; 5 — повысительный насос; 6 и 11 —установка для фторирования и обеззараживания воды; 7 — водонапорный бак; 9 —воздуходувка; 10 — скорый осветлительный фильтр; 12 — аэрационное устройство;13 — осветлительный фильтр II ступени; 14 — сброс воздуха; 15 — скорый фильтр с«сухой загрузкой»; 16 — смеситель; 17 — вихревая камера хлопьеобразования; 18 —тонкослойный отстойник; 19 — намывной фильтр
/>
/>
/>
Рис. 17.4.Схемы очистки подземных вод в пласте.
а — система«Гидрооксиринг», б — односкважинная установка; в — многоскважинная. 1 — вспомогательная скважина, 2 — трубопровод, 3 — устройство дляаэрации воды, 4 —кольцевой инфильтрационный бассейн, 5 — эксплуатационная скважина, 6 —зона аэрации, 7 — отвод водыпотребителю, 8 — насос, 9 — трубопровод подачи воды всборную емкость, 10 — эжектор, 11 — трубопровод подачи воды из сборной емкости в скважину, 12 — сборная емкость
Обезжелезиваниеводы катионированием целесообразно лишь в техслучаях, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды, приэтом ионным обменом могут быть лишь извлечены ионы железа (II).
Методупрощенной аэрации (см. рис. 17.3, б) применимкак в гравитационном, так и в напорном варианте в зависимости отпроизводительности установки. Помимо вышеуказанных, показателями применимостиэтого метода являются условия, когда Е воды после аэрации будет не менее +100мВ и индекс стабильности воды (J) не менее+0,05. Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащейдвухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистыйслой выделять железо на поверхности зерен, образуя каталитическую пленку изионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активноинтенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. Обезжелезиваниеводы в загрузке, покрытой пленкой, является гетерогенным автокаталитическимпроцессом, в результате чего обеспечивается непрерывное обновление пленки каккатализатора непосредственно при работе фильтра.
При этомметоде не требуется окисление двухвалентного железа в трехвалентное и переводего в гидроксид в связи с чем отпадает необходимость в устройстве дорогостоящихаэрационных сооружений. Упрощенная аэрация осуществляется с помощью несложныхприспособлений путем излива воды с небольшой высоты в карман или центральныйканал фильтра, либо путем вдувания воздуха в обрабатываемую воду. Отсутствиеспециальных аэрационных устройств и контактных емкостей упрощает эксплуатацию иснижает стоимость очистки.
Для расчетафильтрующей загрузки при обезжелезивании додземных бикарбонатных и карбонатныхвод по методу упрощенной аэрации рекомендуется эмпирическая формула Г.И. Николадзе
/> (17.1)
где L — толщинаслоя фильтрующей загрузки: м; и —скорость фильтрования, м/ч; d3 — эквивалентный диаметр фильтрующей загрузки, мм; Л=СИ/СФ (здесь СИи Сф — содержание железа (II) соответственно в исходной воде и в фильтрате,мг/л); К— константа реакции окисления железа (II), определяемая эмпирическимпутем; а и n — соответственно коэффициент формы зерен и пористость фильтрующейзагрузки; t1 — температура исходной воды,°С; [02]—содержание в воде растворенного кислорода, мг/л.
Сущностьметода «сухой фильтрации» (см. рис. 17.3, г)заключается в фильтровании воздушно-водяной эмульсии через «сухую»(незатопленную) зернистую фильтрующую загрузку путем образования в ней вакуумаили нагнетания больших количеств воздуха с последующим отсосом из поддонногопространства. В обоих случаях в поровых каналах фильтрующей загрузки образуетсятурбулентный режим движения смеси, характеризующийся завихрениями ипротивотоками, что способствует молекулярному контакту воды с поверхностьюзерен контактной массы. При этом на зернах фильтрующей загрузки формируетсяадсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если онприсутствует в воде), повышая эффективность процессов деманганации иобезжелезивания.
Особенностьюпроцесса является образование дегидратированной пленки на зернах загрузки(песок, керамзит, антрацит, винипласт, полистирол, полиметилметакрилат и др.),состоящей, как показали рентгенографические определения, из магнетита,сидерита, гетита и гематита. Указанные соединения имеют плотную структуру, аобъем их и 4...5 раз меньше, чем гидроксида железа. Поэтому темп приростапотерь напора в фильтрующей загрузке при напорном фильтровании по методу «сухойфильтрации» чрезвычайно мал, а продолжительность фильтроцикла — велика (отнескольких месяцев до года и более). Характерными особенностями процессаявляются: минимальный период «зарядки» фильтрующей загрузки (т. е. образованиена поверхности зерен активной адсорбционной пленки), составляющий от 0,3 до 2ч, повышение рН и некоторое снижение жесткости фильтрата, высокая грязеемкостьзагрузки и отсутствие промывных вод (загрузка отмывается от соединений железа0,5...1 %-ным раствором дитианита или заменяется на новую, можно отмывать5...10°/о-ным раствором ингибированной соляной кислоты). В фильтрате обычнонаблюдается железо(II) и следы Fe (III). Продолжительность, сут. фильтроцикла,фильтра работающего по схеме «сухой фильтрации», по Г. И. Николадзе равна
/>
где К1 —воздушно-водяное отношение. Остальные обозначения см. к формуле (17.1).
Методупрощенной аэрации с двухступенчатым фильтрованием (рис. 17.3, в) предпочтительно применять в напорном варианте.Сущность процесса аналогичная описанной выше. В самом начале процессаобезжелезивания при поступлении на фильтр первых порций воды, когда загрузкаеще чистая, адсорбция соединений железа на ее поверхности происходит вмономолекулярном слое, т. е. имеет место физическая адсорбция, обусловленнаясилами притяжения между молекулами адсорбата и адсорбента (поверхность твердоготела — адсорбента насыщается молекулами адсорбата). После образования мономолекулярногослоя процесс выделения соединений железа на зернах песка не прекращается, анаоборот, усиливается вследствие того, что образовавшийся монослой химическиболее активен, чем чистая поверхность песка. Электронно-микроскопическиеисследования пленки показали, что она состоит из шаровых молекул гидроксидажелеза и других соединений, как железа(III), так и железа(II). Количествосвязанной воды в пленке достигает 20%. Величина истинной поверхности пленкисоставляет не менее 200 м2/г.
Адсорбционныесвойства пленки из соединений железа на зернах фильтрующей загрузки, высокая ееудельная поверхность и наличие большого количества связанной воды позволяютсделать вывод, что пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатойструктуры. Одновременно, пленка является катализатором окисления поступающего взагрузку железа(II). В связи с этим эффект очистки воды зернистым слоемнесравненно выше, чем это могло быть в гомогенной среде.
Длякатализатора такого типа некоторые вещества, находящиеся в воде (аммиак,сероводород, свободная углекислота, коллоидная кремнекислота), являются«ядами». Молекулы этих веществ имеют по паре свободных электронов, которыемогут участвовать в образовании ковалентных связей с поверхностью катализатора,что при значительных концентрациях этих соединений приводит к понижению егоактивности.
Процессописывается следующим уравнением:
/>
где Feост и FeH — соответственно содержание железа в фильтрате фильтра II ступении в обрабатываемой воде, мг/л; h1 и h2 —соответственно высоты слоев фильтрующей загрузки на фильтрах I и II ступеней; v1 и i>2 —соответственно скорости фильтрования на фильтрах I и II ступеней.
Методфильтрования на каркасных фильтрах следуетприменять для обезжелезивания воды на установках производительностью до 1000м3/сут. Сущность обезжелезивания воды по рассматриваемому методу заключается втом, что железо (II) после окисления переходит в осаждающееся железо(III).Гидроксид железа, формирующийся в нижней части аппарата, намывается на патрон.При этом в начале процесса решающую роль играет различие в зарядахкерамического патрона, хлопьев гидроксида железа и ионов железа (II).Нарастающий на патроне слой гидроксида железа служит контактным материалом дляновых постоянно намываемых агрегатов, при этом происходят как физические, так ихимические процессы. Патрон служит только опорным каскадом для фильтрующегослоя гидроксида железа.
Приобезжелезивании природных вод на патронных фильтрах.первой стадии процессаявляется фильтрование с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки.Эта стадия заканчивается по достижении определенного соотношения объема твердыхчастиц, задержанных в порах, к объему самих пор, после чего наступает втораястадия — фильтрование с образованием первоначального слоя осадка. На этомзаканчивается процесс зарядки фильтра и начинается фильтрование с цельюобезжелезивания воды.
Формулы(17.4) и (17.5) позволяют определять количество фильтрата Q, м3/ч, получаемого с 1 м2 фильтрующей поверхности и скоростьфильтрования v, м/ч:
Q= 100(37,3—4,8υ—3,5)[FeH] + 0,27 [FeH]2 — l,67υ[Fe]; (17.4)
υ= 1 — 0,062[FeB] — 0,003[FeH]2 (17.5)
По Г.И.Николадзе продолжительность фильтроцикла можно определить из выражения
/>
где Δр— перепад давления при фильтровании; mт — масса твердой фазы,задерживаемой фильтрующим каркасом при получении единицы объема фильтрата; [FeH] — содержание железа вобрабатываемой воде.
Сущностьметода аэрации с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов (рис. 17,5) заключается в окислении кислородом воздуха железа(II)в окисное с образованием коллоида гидроксида железа, его коагулировании прирН=6,8...7 и выделении в осадок в виде бурых хлопьев. При контакте воды,содержащей железо(II), с воздухом кислород растворяется в воде, окислительныйпотенциал системы повышается, и если при этом создать условия для удалениячасти растворенной углекислоты, то рН системы возрастет до значения,обеспечивающего при данном окислительном потенциале выпадение в осадокгидроксида железа(III).
/>
Рис. 17.5.Вакуумно-эжекционное устройство.
а — общийвид; б — разрез по оси аппарата; I — конический сходящийся иасадок; 2 — вакуумная камера; 3 — окна для подсоса воздуха и удалениядиоксида углерода;4 — эжекционные камеры; 5 —отражательная пластина (вариант)
Прииспользовании в этой схеме осветлителей со слоем взвешенного осадка процесс поГ.И. Николадзе описывается следующим уравнением:
/>
где Fe0 и FeH — соответственно содержание железа вводе после осветлителя и в обрабатываемой воде, мг/л; b — экспериментальный коэффициент, зависящий от свойств воды, ч-1; Я— Высота взвешенного слоя, м; v — скорость восходящего движения воды вовзвешенном слое, м/ч; n — экспонента, учитывающая влияние окисления железа(II) на эффектобезжелезивания воды.
Обезжелезиваниеводы фильтрованием через модифицированную загрузку основано на увеличении сил адгезии путем воздействия намолекулярную структуру поверхности зерен фильтрующей загрузки. Для увеличениясил адгезии, как показали исследования, необходимо на поверхности зеренфильтрующей загрузки образовать пленку из соединений, имеющих более высокоезначение константы Ван-дер-Ваальса. Кроме того, электростатические свойстваэтих соединений должны обеспечить изменение дзета-потенциала поверхности зеренв нужном направлении. При этом силы адгезии соприкасающихся тем больше, чем'больше молекулярные массы.
Методикамодификации загрузки предусматривает ее последовательную обработку 1,5%-нымраствором серно-кислого железа (II), а затем 0,5%-ным раствором перманганатакалия. Суммарная продолжительность контакта 30 мин. Спустя 20 мин после началаработы фильтрат отвечает лимитам ГОСТ 2874—82. «Вода питьевая».
Обезжелезиваниеводы упрощенной аэрацией, хлорированием и фильтрованием заключается в удалении избытка углекислоты и обогащении водыкислородом при аэрации, что способствует повышению рН и первичному окислениюжелезоорганических соединений. Окончательное разрушение комплексных соединенийжелеза (II) и частичное его окисление достигаются путем введения вобрабатываемую воду окислителя (хлора, озона, перманганата калия и т. п.).Соединения закисного и окисного железа извлекаются из воды при фильтровании еечерез зернистую загрузку.
Хлорвводится в водяную подушку через специальную распределительную трубчатуюсистему; при этом требуется обеспечить необходимое время контакта окислителя собрабатываемой водой. В качестве фильтровального аппарата рекомендуются контактныефильтры КФ-5 с повышенной грязеемкостью. В контактном фильтре КФ-5 фильтрующаязагрузка состоит из трех слоев толщиной по 0,6 м: верхний слой — керамзит илиполимеры с крупностью зерен 2,3...3,3 мм, средний слой — антрацит или доменныйшлак с крупностью зерен 1,25...2,3 мм, нижний слой — кварцевый песок илигорелые породы с зернами крупностью 0,8...1,25 мм. Скорость фильтрования 7 м/ч,промывка водяная.
Обезжелезиваниеметодом напорной флотации основано на действиимолекулярных сил, способствующих слипанию отдельных частиц гидроксида железа спузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха и всплывании образующихся приэтом агрегатов на поверхность воды. Метод флотационного выделения дисперсных иколлоидных примесей природных вод весьма перспективен вследствие резкогосокращения продолжительности процесса (в 3...4 раза) по сравнению с осаждениемили обработкой в слое взвешенного осадка.
Процесснапорно-флотационного разделения хлопьев гидроксида железа можно подразделить на следующие стадии: окисление закисногожелеза в окисное, растворение воздуха в воде и образование пузырьков;образование комплексов «пузырек воздуха — хлопья гидроксида железаподъем этихкомплексов на поверхность воды. Каждая стадия оказывает существенное влияние наэффективность и экономичность процесса.
Наэффективность процесса всплывания хлопьев при флотационном разделении оказываютвлияние концентрация взвешенных веществ (исходная концентрация железа, дозаизвести),.количество и размер пузырьков, продолжительность флотации, а такжегидродинамические условия. Эффект флотации можно определить по формуле
/> (17.8)
где uп — скорость подъема пузырьков; Т —продолжительность пребывания воды во флотаторе; П — количество пузырьковвоздуха в единице объема воды; Н0 — высота слоя воды во флотаторе; а—коэффициент вероятности закрепления пузырьков на хлопке гидроксида железа приподъеме его на 1 см.
Приувеличении продолжительности флотации, давления в напорном баке, дозы извести,а также исходного содержания железа, эффект обезжелезивания повышается, а приувеличении количества дисперсионной воды — понижается. Другие факторы, какпоказывают уравнения регрессии, существенного влияния не оказывают.
/>
где Т —продолжительность пребывания воды во флотаторе, мин; (/ — количество воды,подвергаемое насыщению воздухом, л; Ди —доза извести, мг/'л; р — давлениенасыщения, МПа; Fe„ — исходная концентрацияжелеза, мг/л; Э — эффект обезжелезивания; Оk — окисляемость.
Снижениеокисляемости зависит в основном от количества воды, подвергаемой насыщениювоздухом, дозы извести и давления насыщения.
Удалениевысококонцентрированных устойчивых форм железа из воды аэрацией,известкованием, отстаиванием в тонком слое и фильтрованием достигается после полного окисления Железа (II) и деструкциикомплексных железоорганических соединений при pH≥7,l. Процессвыделения соединений железа в тонкослойном отстойнике носит циклическийхарактер и при этом эффект обезжелезивания воды зависит главным образом отскорости потока в тонкослойных модулях, исходной концентрации железа и дозыщелочного реагента. Для агломерации хлопьев гидроксида железа, седиментирующихсяв отстойнике, объем камеры хлопьеобразования вихревого типа, совмещенной сотстойником, должен обеспечивать продолжительность пребывания обрабатываемойводы не менее 15 мин.
Достигаемыйв тонкослойных модулях эффект деферизации воды Э, %', зависит от скоростидвижения потока — v, дозыщелочного реагента — Ди, содержания железа в обрабатываемой воде — FeH и описывается уравнением
Э = 32,23 + 0,33υ — 0,224υ2 + 1,28ДИ—0,007Д2+ 0,37FeH. (17.11)
Скоростьдвижения воды в тонкослойных модулях по Г.И. Николадзе
/>
где l — длина ячейки отстойника, м; υкр— критическая скорость потока в отстойнике, м/ч; А0 — параметр, характеризующийвеличину концентрации отложений, выпавших в отстойнике, г/л; F — функциональный параметр, зависящий восновном от продолжительности уплотнения осадка и цикла отстаивания, ч; К —содержание нерастворимой взвеси в составе щелочного реагента, мг/л; Fe0 — содержание железа в отстоенной воде.
Содержаниежелеза, мг/л, в отстоенной воде можно найти из выражения
Fe0=FeH (1 — 0,01Э).(17.13)
обезжелезиваниевода флотация
Дляудаления сульфата железа (II) применяют известкование, при этом известьреагирует вначале с сульфатом железа (II):
FeS04 + Са (ОН)2 = CaS04 + Fe (ОН)2.
Образующийсягидроксид железа (II) окисляется в Fe(OH)3, при этом, если количествокислорода, содержащегося в воде, недостаточно для окисления, одновременно сизвесткованием проводят хлорирование или аэрирование воды.
Дозаизвести (при Ре2+/28>ЩИ), мг/л
/>
где [СО2] —содержание в воде свободного оксида углерода (IV), мг/л; [Fe2+] — содержание в воде железа(II), мг/л; в\ — эквивалентная.масса безводного вещества коагулянта,мг/мг-экв; Щл — щелочность исходной воды, мг-экв/л.
Дозу хлораили хлорной извести определяет по формуле Дхл=0,7[Ре2+], мг/л, а дозуперманганата калия по формуле Дп.м =[Fe2+], мг/л.
В некоторыхслучаях для быстрого окисления железа(II), даже при низких значениях рН,применяют катализаторы. В качестве таких катализаторов обычно используютдробленый пиролюзит, «черный песок» (песок, покрытый пленкой оксидов марганца,которые образуются в результате разложения 1 %-ного раствора перманганатакалия, подщелаченного до рН=8,5...9 водным раствором аммиака) и сульфоуголь,покрытый пленкой оксидов марганца. Для получения последнего сульфоугольобрабатывают 10%-ным раствором МпС12, а затем через слой образовавшегося Mn-катионита фильтруют 1%-ныйраствор КМnО4. Калий вытесняет марганец, который окисляется и осаждается наповерхности угля в виде пленки оксидов марганца. В этих случаях для окисленияжелеза (II) вода должна фильтроваться со скоростью 10 м/ч через слойкатализатора толщиной 1 м.
Процессокисления железа (II) высшими оксидами марганца, которые при этомвосстанавливаются до низших ступеней окисления, а затем вновь окисляютсярастворенным в воде кислородом, описывается уравнениями:
4Fe (HC03)2+3Mn02 + 2Н20 -> 4Fe (ОН)3 + MnO + Mn203 + 8С02, ЗМnО + 2KMn04 + Н20 -> 5Mn02 + 2КОН,
ЗМn203 + 2КМn04 + Н20 -> 8Мn02 + 2КОН.
Обезжелезиваниеводы катионированием допускается применять принеобходимости одновременного удаления солей железа и солей, обусловливающихжесткость, и когда в обрабатываемой воде отсутствует кислород.
Обезжелезиваниеповерхностных вод осуществляют при одновременномосветлении и обесцвечивании. Железо, находящееся в воде в виде коллоидов,тонкодисперсных взвесей и комплексных соединений, удаляется обработкой водыкоагулянтами [сульфатом алюминия, хлоридом железа (III) либо смешанным коагулянтом].Для разрушения комплексных органических соединений железа воду обрабатываютхлором, озоном или перманганатом калия. При использовании железных коагулянтовобеспечивается более полное удаление железа из воды в результате интенсивнойадсорбции ионов железа на хлопьях Fe(OH)3. Оптимум адсорбции ионовжелеза как в случае применения алюминиевых, так и железных коагулянтов лежит винтервале значений рН воды 5,7...7,5. Доза коагулянта устанавливаетсяэкспериментально. Технологическая схема обезжелезивания воды методом коагулированиявключает реагентное хозяйство, смесители, осветлители и фильтры.
В институтеобщей и неорганической химии АН Украины разработан метод обезжелезивания воды сприменением алюмината натрия и хлорида железа (III). Таким методом удаляется железо, находящееся в воде в виденеорганических и органических (гумусовых) соединений. Одновременно устраняетсяколлоидная кремниевая кислота, марганец, неорганическая взвесь и органическиевещества. Оптимальное соотношение FeCl3 и NaA102 — 1:1. Остаточное содержание в воде железа не превышаетустановленных норм для питьевой воды. Кроме того, разработан метод удаленияжелеза из воды фильтрованием через взвешенный слой тонкодисперсного мела игидроксида алюминия. Соли железа переводятся мелом в карбонат железа (II),который гидролизуется в гидроксид железа (III). Гидроксид железа (III)задерживается взвешенным слоем. Весь комплекс происходящих реакций можновыразить уравнением
4СаС03+ 4FeS04 + 02 + 6Н20 = 4Fe (ОН)3 + 4CaS04 + 4С02
Оптимальноесоотношение основных компонентов А1(0Н)з/ /СаС0з=0,16. Расчетная скоростьвосходящего потока через взвешенный слой мела достигает 0,48 мм/с. Концентрациямела во взвешенном слое составляет 0,02...0,03 г/см3. Этим методом удаляется до95% общего железа, находящегося в воде.
Гидроксидыжелеза из воды наиболее эффективно извлекаются в осветлителях со слоемвзвешенной контактной среды. Благодаря гетерогенно-каталитическому процессужелезо(II) в слое взвешенной контактной среды окисляется быстрее. На эффектобезжелезивания влияют рН; температура, исходная концентрация железа, высотаслоя осадка и скорость восходящего потока воды. При коагуляции безизвесткования эту скорость принимают равной 0,8 мм/с, с известкованием — 1,0мм/с. Высоту слоя взвешенной контактной среды в осветлителе принимают равной 2м, высоту защитного слоя воды над осадком — 1,5 м. Объем осадкоуплотнителя восветлителе должен обеспечивать пребывание в нем осадка в течение 6 ч.Количество отсасываемой в осадкоуплотнитель воды составляет 20...30%.
В составеобезжелезивающих установок применяют скорые одно- и двухслойные фильтры. Приразмере зерен 0,6...1,2 мм толщину фильтрующего слоя принимают равной 1,0...1,5м. Скорость фильтрования на скорых фильтрах 5… 7, а на двухслойных — до 10м/ч. Для очистки фильтрующих слоев применяют водовоздушную промывку, дополняяее верхней промывкой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат,1994 г.
2. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленныхпредприятий, комплексов и районов. М., 1984.
3. Аюкаев Р.И., Мельцер В.3. Производство и применение фильтрующих материаловдля очистки воды. Л., 1985.
4. Вейцер Ю.М., Мииц Д.М. Высокомоллекуляриые флокулянты в процессах очисткиводы. М., 1984.
5. Егоров А.И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводныхочистных сооружениях. М., 1984.
6. Журба М.Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.