PURIFICATION OF NATURAL WATERS OF IRON AND MANGANESE

Full Text

Содержание в воде питьевого качества железа и марганца не должно превышать значений 0,3 и 0,1 мг/л соответственно. Для подземных вод большинства регионов страны характерно превышение этих нормативов в десятки раз. Повышенное содержание в воде марганца неблагоприятно влияет на нервную систему человека, наблюдается снижение активности ферментов крови, увеличивается митотическая активность клеток костного мозга. Повышенная концентрация железа также вредна для организма человека. Оно может накапливаться в печени в виде коллоидных оксидов железа, которые вредно воздействуют на клетки печени, вызывая их разрушение. Кроме того, вода от железа имеет желто-бурую окраску, неприятный привкус [1]. Существуют различные методы очистки воды от этих соединений, которые можно условно разделить на реагентные и безреагентные. Основой безреагентных методов является предварительное аэрирование воды, которое может осуществляться различными способами, и последующее фильтрование через зернистую загрузку, например, через кварцевый песок. Основой реагентной обработки воды является фильтрование в минеральной загрузке в присутствии коагулянтов, флокулянтов и подщелачивающих реагентов. И в том, и в другом случае главной целью является окисление ионов примеси, поскольку в окисленном состоянии они, как правило, нерастворимы и происходит отделение образующейся взвеси тем или иным способом, например, фильтрацией или отстаиванием. Применение реагентного метода очистки дает больше возможностей для достижения показателей качества питьевой воды со значительным превышением содержания в воде железа и марганца изначально. По методу реагентной обработки воды были проведены серии опытов для достижения норм предельно допустимой концентрации железа и марганца в воде. Разработана инновационная схема водоподготовки, которая подтверждается результатами проведенных лабораторных исследований. Исследования проводились на натурной воде из поселка Миловка, расположенного на территории Республики Башкортостан. Показатели качества исходной воды представлены в табл. 1. 55 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 В.Д. Назаров, М.В. Назаров, В.Ю. Разумов, М.А. Дрёмина, А.А. Осипова При одинаковых нормальных условиях одних и тех же опытных проб производилось сравнение применяемых коагулянтов. Коагулянт сернокислый алюминий.Как известно, наиболее распространенным коагулянтом на стадии водоподготовки является сернокислый алюминий (ГОСТ 12966-85 «Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия»). Коагулянт работает в паре с флокулянтом и подщелачивающим реагентом. Однако достичь глубокого эффекта очистки воды с применением данного реагента часто не представляется возможным. В данном эксперименте применялся коагулянт сернокислый алюминий и подщелачивающий реагент едкий натрий. После добавления реагентов проводилось отстаивание и пропуск через фильтрующую загрузку. При изучении полученных результатов можно сделать вывод, что коагулянт сернокислый алюминий хорошо справился с задачей при удалении из воды железа и её умягчении, но не дал необходимых результатов ПДК по марганцу. Результаты анализа представлены в табл.2. Коагулянт оксихлорид алюминия. В ходе эксперимента коагулянт сернокислый алюминий не позволил достичь требуемого эффекта очистки, вследствие чего был заменен на коагулянт оксихлорид алюминия, так как рядом российских и зарубежных исследований доказано, что наиболее эффективными коагулянтами являются комплексные алюминийсодержащие гидроксоаквасоединения, особенно водные растворы полигидроксохлоридов. Таблица 1 Характеристика исходной воды № п/п Испытания Жесткость, мг-экв/дм3 Железо, мг/дм3 Марганец, мг/дм3 Щелочность, мг-экв/дм3 СанПиН2.1.4.1074-01 7,0 0,3 0,1 Не норм. 1 Исходная от 12 января 2016 г. 8,8 4,9 1,05 - 2 Исходная от 21 января 2016 г. 15,1 9,85 0,83 7,9 3 Исходная от 27 января 2016 г. 9,2 7,957 1,16 6,9 4 Исходная от 3 февраля 2016 г. 9,2 12,813 1,289 7,1 5 Исходная от 4 февраля 2016 г. 9,1 6,069 0,894 - 6 Исходная от 8 февраля 2016 г. 8,9 8,575 1,372 - Оксихлорид алюминия - это коагулянт последнего поколения серии «Бриллиант®» на основе полиоксихлорида алюминия. Коагулянт производится в двух видах: жидком-«Бриллиант®-18» с содержанием Al2O3 18 %; порошкообразном- «Бриллиант®-50» с содержанием Al2O3 50 %. В работе применялся коагулянт в порошкообразной форме с содержанием Al2O3 50 %. Также для улучшения процессов умягчения воды добавлялся подщелачивающий реагент едкий натрий NaOH, производилось отстаивание и фильтрование.Результаты анализов полученной воды представлены в табл.2. Изучив данные, представленные в табл. 2, можно сделать вывод, что коагулянт нового поколения -оксихлорид алюминия во многом превосходит своего предшественника. Обращает на себя внимание чрезвычайно малая доза коагулянта, при которой достигается эффективная очистка воды. Коагулянт на основе полигидроксохлорида не снижает щелочность обрабатываемой воды, соответственно экономит подщелачивающий реагент. На графиках (рис. 1 и 2) представлена зависимость эффекта очистки воды от вида и дозы применяемого реагента. По графикам видно, что данный коагулянт приводит к дополнительному удорожанию процесса очистки, поскольку только при увеличении дозы коагулянта уменьшаются показатели железа и марганца в воде. Таблица 2 Сравнение коагулянтов по эффективности Испытания рН Жесткость, мг-экв/дм3 Железо, мг/дм3 Марганец, мг/дм3 Доза подщелачивающего реагента, г/л СанПиН 2.1.4.1074-01 7,0 0,3 0,1 - 1.Сернокислый алюминий Al2(SO4)3*nH2O и подщелачивающий реагент NaOH ~8,4 6,5±1,0 0,12±0,03 0,11±0,03 2,0 2.Оксихлорид алюминия Al2(OH)3Cl3 и подщелачивающий реагент NaOH ~7,7 6,0 0,055 0,078 0,2 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 56 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ Рис. 1. Зависимость эффекта обезжелезивания воды от дозы коагулянта сернокислого алюминия Рис. 2. Зависимость эффекта деманганации воды от дозы коагулянта сернокислого алюминия Инновационная схема очистки воды от железа и марганца. Для эффективной работы инновационной схемы водоподготовки применяется двухступенчатое фильтрование. Фильтрование осуществляется через фильтрующий материал естественного происхождения - силицированный кальцит (ГОСТ Р 51641-2000 «Материалы фильтрующие зернистые»), содержащий в своем составе соединения кремния, магния и железа, суммарное содержание которых 0,5 - 1,6 мас. % [5, 6]. Эффект очистки воды от ионов железа зависит от содержания в образце кремния. В образцах силицированного кальцита содержится в среднем 0,3 - 0,4 мас. % кремния. Это активный фильтрующий и каталитический материал для удаления (окисления) железа, марганца, сероводорода, солей жесткости, тяжелых металлов и радионуклидов. Силицированный кальцит - материал нового поколения, не имеющий аналогов в России и за рубежом, обладает каталитической активностью в реакциях окисления железа и марганца растворенными в воде окислителями: кислородом воздуха, озоном, гипохлоритом натрия, перманганатом калия. 4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 + 8CO2 Силицированный кальцит эффективно удаляет растворенные в воде железо с концентрацией до 15 мг/л и марганец с концентрацией до 2 мг/л при значениях рН ниже 6,0, низкой щелочности и высоком содержании углекислоты. Материал позволяет производить корректировку рН, не загрязняя воду кальцием, так как размываемость материала невелика. Также силицированный кальцит доводит показатель рН воды до значения, при котором ионы трехвалентного железа образуют соответствующие гидроксиды, создающие нерастворимые хлопьевидные включения с большой удельной поверхностью и высокой адгезионной способностью относительно породообразующих минералов. Ионы двухвалентного железа с помощью растворенного в воде кислорода окисляются, переходят в трехвалентные ионы [2]. Силицированный кальцит применяется в качестве эффективного фильтрующего материала для водоочистных установок и сооружений. Обладает высокой скоростью фильтрации, повышенной грязеемкостью. Отличается однородностью по гранулометрическому составу, высокой межзерновой пористостью. Обладая подщелачивающими свойствами, успешно применяется для удаления из воды растворенного железа и марганца. Фильтрование через зернистую загрузку. Первой ступенью фильтрования является электрохимический фильтр [7-21], загруженный активным фильтрующим материалом - силицированным кальцитом и оснащенный электродами. Фильтр работает по принципу гальванопары. Принцип работы электрохимического фильтра. Сущность метода электрохимической фильтрации заключается в следующем. В фильтре использована электродная пара «алюминий - медь». В качестве фильтрующего материала применяется силицированный кальцит. Фильтр загружают кальцитом с последовательной установкой электродов, которые размещаются таким образом, что по периметру фильтра располагают отрицательно заряженные электроды, а в центре фильтра устанавливают один положительно заряженный электрод. При пропускании воды сверху вниз сквозь фильтрующую загрузку возникает электродвижущая сила между электродами. Под действием тока растворяется электроотрицательный материал, гидролизуется и образуется коагулянт Al(ОН)3, формирующий хлопья на поверхности зернистой загрузки. Коагулянт и электрическое поле, поляризующее минеральные зерна загрузки, способствуют образованию нерас- 57 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 В.Д. Назаров, М.В. Назаров, В.Ю. Разумов, М.А. Дрёмина, А.А. Осипова творимых солей и их закреплению на зернах фильтрующего материала. Второй ступенью является фильтрование через модифицированную загрузку. Модифицированная загрузка готовится путем обработки силицированного кальцита 1 %-м раствором перманганата калия и железным купоросом. Принцип действия модифицированной загрузки. В пособии [3] указывается, что для повышения ресурса работы фильтрующей загрузки за счет закрепления пленки катализатора из гидроксидов железа и оксида марганца на поверхности зерен, а также для снижения расхода перманганата предлагается следующий метод. Наиболее эффективным и технологически простым методом удаления марганца из вод поверхностных и подземных источников в настоящее время является обработка их перманганатом калия. Очень важным аспектом применения перманганата калия для очистки воды от марганца является образование дисперсного осадка оксида марганца MnO2, который, имея большую удельную поверхность порядка 300 м2/г, является эффективным сорбентом. При обработке воды перманганатом калия снижение привкусов и запахов происходит также вследствие частичной сорбции органических соединений образующимся мелкодисперсным хлопьевидным осадком гидроксида марганца. Таким образом, применение перманганата калия дает возможность удалить из воды как марганец, так и железо независимо от форм их содержания в воде. В водах с повышенным содержанием органических веществ железо и марганец образуют устойчивые органические соединения (комплексы), медленно и трудно удаляемые при обычной обработке хлором и коагулянтом. Применение перманганата калия, сильного окислителя, позволяет разрушить эти комплексы с дальнейшим окислением ионов марганца (II) и железа (II) и коагуляцией продуктов окисления. Перманганат калия, оказывая совокупное действие как окислителя, сорбента и вспомогательного средства коагуляции, является высокоэффективным реагентом для очистки воды от целого ряда загрязнений, в том числе и от марганца и железа [4]. В ходе проведения опытов разработана инновационная схема водоподготовки, представленная на рис. 3. На рис. 3-6 показана эффективность процесса очистки воды от железа, марганца и жесткости путем фильтрования в две ступени. При двухступенчатом фильтровании первой ступенью является электрохимический фильтр, второй ступенью - модифицированная загрузка. При одноступенчатом фильтровании фильтрация осуществлялась либо только через электрохимический фильтр, либо только через фильтр с модифицированной загрузкой. Рис. 3. Технологическая схема очистки воды от солей жесткости, железа и марганца: 1 - погружной насос; 2 - перфорация; 3 - скважина; 4, 6 -реагентное хозяйство; 5 - компрессор; 7 - вертикальный отстойник с тонкослойными блоками; 8 - электрохимический напорный фильтр типа TFB-75; 9 - напорный фильтр типа TFB-75 с модифицированной загрузкой; 10 - устройство для равномерного распределения воды; 11, 12 - медный и алюминиевые электроды; 13 - силицированный кальцит; 14 - модифицированная загрузка; 15 - отвод воды на вторую ступень фильтрования; 16 - подача фильтрованной воды на УФ-стерилизатор; 17, 18 - отвод промывной воды в канализацию; 19 - шламовая площадка; 20 - УФ-стерилизатор ; 21 - РЧВ; 22 - воздуходувка Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 58 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ца, а также жесткости до величин, не превышающих нормативные значения. Рис. 4. Зависимость умягчения воды от количества ступеней фильтрования Рис. 5. Зависимость эффекта обезжелезивания воды от количества ступеней фильтрования Рис. 6. Зависимость эффекта деманганации воды от количества ступеней фильтрования Вывод. По результатам проведенных опытов видно, что, по совокупности показателей качества воды - жесткости, содержанию железа и марганца, наиболее оптимальным является применение двухступенчатого фильтрования. Таким образом, предлагаемая инновационная схема обработки воды позволяет добиться глубокого эффекта очистки и довести содержание в питьевой воде железа, марган-

About the authors

Vladimir D. NAZAROV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maxim V. NAZAROV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir Yu. RAZUMOV

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maria A. DRYOMINA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna A. OSIPOVA

Ufa State Petroleum Technological University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files