8. Методы и технологические схемы удаления железа из подземных вод.
Повышенное содержание соединений железа в природной воде в концентрациях, превышающих нормативные (обычно до 0,3 мг/л), делает ее не пригодной для питья и использования в технологических процессах некоторых отраслей промышленности.
Под обезжелезиванием или деферризацией понимают процесс извлечения из подземных и поверхностных вод железа, присутствующего в воде в виде сложных органических и минеральных соединений, растворов двухвалентного железа, карбонатов и бикарбонатов железа, коллоидных и тонкодисперсных взвесей, гидроксидов и сульфитов железа и т.д.
Особенно этот вопрос важен для коммунальных систем водоснабжения РБ, т.к. основным источником водоснабжения населенных мест являются подземные воды, как правило, содержащие повышенную концентрацию железа.
Наличие железа в воде придает ей красно-бурую окраску, неприятный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных сетей, но самое главное, вредно для здоровья людей. При продолжительном введении в организм человека его избыток накапливается в печени в коллоидной форме оксида железа, получившей название гемосидерита, вызывая разрушение печени. Отмечено вредное влияние избытка железа на состав крови. В промышленности вода такого качества часто не удовлетворяет различным технологическим процессам. Все это приводит к тому, что воду необходимо подвергать обработке для удаления избыточного железа (например, для хозяйственно-питьевых целей до 0,3 мг/л, но кратковременно местными органами, может быть до 1 мг/л).
В поверхностных водах железо обычно встречается в виде органических и минеральных комплексных соединений, либо коллоидных и тонкодисперсных взвесей. Преобладающей формой существования железа в подземных водах является бикарбонат железа (II) Fe(HCO3)2, который устойчив при наличии свободной углекислоты и отсутствии растворенного кислорода. Кроме этого железо (II) может быть в виде его форм сульфита, сульфата и карбоната, комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами.
Многообразие форм и концентраций железа, в воде природных источников вызвало необходимость разработки целого ряда методов, технологических схем и сооружений обезжелезивания воды. Выбор того или иного метода обработки природной воды, содержащей соединения железа зависит от их количества и формы существования, качественного состава воды, производительности очистных сооружений (установок) и рекомендуется, прежде всего, производиться на основании технологических изысканий непосредственно у источника водоснабжения.
В практике водоподготовки, методы обезжелезивания воды прежде всего для коммунального водоснабжения представлены двумя группами: реагентные и безреагентные. Для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение получили безреагентные методы обработки, а обезжелезивание поверхностных вод осуществляют в основном реагентными методами.
Конструкции аэрационных и фильтровальных сооружений, которые применяются для обезжелезивания воды аналогичны как при ее осветлении и дезодорации и были разобраны выше.
Метод закачки воды в подземный пласт является наиболее дешевый и достаточно эффективный, но применяется только при определенных условиях, т.к. имеет ряд существенных технических и технологических недостатков. Основным из них является возможность кольматации водоносных пород (вплоть до полного прекращения подачи воды из скважин), особенно если они представляют собой мелкозернистые пески.
Наиболее широко в РБ используется метод упрощенной аэрации с последующим ее фильтрованием. Около 90% всех подземных источников из скважин, состав воды соответствует условиям применения этого метода, сущность которого заключается в протекании основной реакции обезжелезивания воды:
4Fe2+ + 8НСО3- + O2+ 2H2O 4 Fe(OH)3 + 8СО2
При выполнении изысканий непосредственно у скважины ставится лабораторный фильтр, вода аэрируется, пропускается через фильтр. Определяется время зарядки фильтра, т.е. когда в фильтрате содержание железа не будет превышать 0,3мг/л. Это время может быть от нескольких часов до нескольких суток. Значительно сократить время можно внесением небольшого объема жидкой биологически активной загрузки (БАЗ) уже с работающих фильтров. Как правило, через несколько часов работа фильтра стабилизируется с нормативным качеством фильтрата и фильтр будет работать нормально, Вообще, установлено, что в начальный период работы фильтра обязательно проходят сопутствующие биохимические процессы, которые впоследствии могут преобладать или затухать с ведением химических процессов.
Технологически метод упрощенной аэрации осуществляют в скорых фильтрах с песчаной, керамзитовой или гравийной загрузкой. В последнее время применяют фильтры с плавающей загрузкой из полимерных материалов. Крупность зерен песчаной загрузки, ее высоту и скорость фильтрования назначают по ТКП Обезжелезивание воды.
Перед подачей воды на фильтры производят ее аэрирование. Для открытых фильтров достаточно применить разбрызгивание воды в приемной камере или самом фильтре путем ее свободного излива с высоты 0,5…0,6 м, можно использовать вакуумно-эжекционное устройство. Иногда применяют двойное аэрирование воды: в приемной камере (свободный излив) и в самом фильтре с помощью трубопровода с гидравлическими насадками по всей его длине (над уровнем воды).
При использовании напорных фильтров аэрацию воды проводят разными способами: в баке-аэраторе, путем подачи сжатого воздуха компрессором в смесительную вставку или устройство эжектора (наиболее эффективный способ, если позволяют требуемые напоры воды).
Сущность метода:
Процессы окисления и задержания железа (в коллоидной форме гидроксида железа) в фильтрах происходят одновременно и непосредственно в толще загрузки. Для успешного протекания этих процессов продолжительность от аэрации воды до фильтрования и задержания железа в толще загрузки должно быть не более двух минут, иначе может происходить образование гидроксида железа Fe(OH)3 в минерализованной форме, который уже не задерживается в фильтре.
При повышенной концентрации растворенной углекислоты, пониженной щелочности удаление железа производится с применением глубокой аэрации воды. Для открытых фильтров применяют барботажные и пленочные дегазаторы или контактные градирни, состоящие из 3…4 ярусов, на которых расположены резервуары с дырчатым днищем и заполненные коксом (наиболее эффективно) или крупными кусками инертных материалов, фракцией 30…50 мм. Расчет этих сооружений производится по требуемой степени удаления СО2. Недостатком работы является то, что со временем насадка или загрузка забиваются железистыми соединениями, т.е. через определенный промежуток времени загрузка или насадка выгружается, промывается и опять загружается в сооружения.
Если применяются напорные фильтры, то их устраивают в две ступени, первая – контактная для связывания свободной углекислоты и окисления железа и вторая – осветлительная для задержания гидроксида железа (рис 1в). В фильтрах первой ступени используют загрузку из активных углей (АГ-3, сульфоуголь), а второй – песок, но более мелкой фракции (0,6…0,8 мм) для задержания гидроксида железа Fe(OH)3 в минерализованной форме.
Как вариант совместного использования упрощенной и глубокой аэрации может применяться метод «сухой» фильтрации, который заключается в фильтровании водовоздушной эмульсии (3…5 объемов воздуха на 1 объем воды) через полузатопленную загрузку. Аэрация воды происходит в порах верхнего слоя загрузки путем образования в них вакуума или нагнетания больших количеств воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. В фильтрующей загрузке образуется турбулентный режим движения смеси, характеризующийся завихрениями и противотоками, что способствует контакту воды с поверхностью зерен загрузки на молекулярном уровне. На зернах загрузки формируется адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (магнетита, сидерита, гетита и др.) и марганца (если он присутствует в воде). Прирост потерь напора в фильтрах по методу «сухой» фильтрации незначительный, поэтому расчет фильтров производится так, чтобы их продолжительность фильтроцикла составляла от нескольких месяцев до года. Основной расчетной величиной является грязеемкость фильтра, которая, например, для песка, принимается в зависимости от исходного состава воды - 30…75 кг задержанного железа на 1 м3 загрузки.
Для обезжелезивания природных вод, в тех случаях, когда применение аэрационных методов может быть недостаточно, дополнительно используются реагентные методы, которые являются очень эффективными, но и дорогими, что ограничивает их самостоятельное применение (только при соответствующем обосновании). В качестве окислителей применяются хлор, озон (ввиду дороговизны получения практически не используется), но наиболее часто - перманганат калия KMnO4. Дозу хлора принимают равным 0,7(Fe2+) мг/л, а перманганата калия - (Fe2+) мг/л. Ввод растворов реагентов в обрабатываемую воду производится после ее аэрации перед фильтрованием.
Хлорирование осуществляется по той же технологии, как и при обеззараживании воды (см. раздел 8).
Раствор перманганата калия концентрацией 0,5…2% готовят в растворных баках с гидравлическим перемешиванием, которых должно быть не менее двух. Продолжительность полного растворения реагента при температуре воды до 20°С – 4…6 ч, а при 40°С – 2…3 ч.
При использовании раствора KMnO4 обработку воды производят двумя способами. Первый – раствор подают постоянно с контролем состояния формы и остаточного содержания железа, второй – подачу раствора осуществляют прерывистым (контактным) способом, т.е. какой-то период подают раствор от несколько часов до нескольких суток, а затем 1…2 месяца фильтры работают самостоятельно и т.д. Загрузка фильтров часто принимается из кварцевого песка. Тогда на поверхности зёрен загрузки образуется каталитическая пленка, состоящая из соединений железа и марганца, которая более эффективно участвует в окислении железа в течение долгого времени, но со временем ее окислительные свойства уменьшаются и поэтому нужно опять подавать раствор КМnO4 для зарядки этой загрузки. Песок приобретает цвет, от зелёного до чёрного, и поэтому получил название «чёрный» или «зеленый» песок. На основании такой схемы обработки воды за рубежом появился большой модельный ряд загрузок, материал которых обработан рядом растворов различных окислительных веществ, но чаще всего растворами КМnO4.
В некоторых случаях, вместо обработки воды раствором КМnO4, применяют ее непосредственное фильтрование на скорых фильтрах, но с загрузкой из сульфоугля, зерна которого покрыты пленкой окислов марганца или обедненных марганцевых руд, например, дробленый пиролюзит, которые являются отличными катализаторами для быстрого окисления железа даже при низких значениях величины рН.
Для поверхностных вод удаление железа часто является сопутствующим процессом при ее осветлении и обесцвечивании.
Наиболее полно железо удаляется известкованием воды, в данном случае этот метод является универсальным. Основная цель: поднять величину рН свыше 8,5, при котором происходит быстрый переход Fe2+ в Fe3+ .
С 90-х годов в РБ широко стали применять после упрощенной аэрации биологический метод обезжелезивания воды на скорых фильтрах, сущность которого заключается в том, что биохимические процессы идут непосредственно в фильтре, на поверхности и в толще фильтрующей (чаще песчаной) загрузке. При этом образуется сообщество железо -марганцовокислых бактерий в виде биомассы (биологическая активная загрузка - БАЗ), сам песок практически не участвует в процессе обезжелезивания, т.е. является поддерживающим слоем и средой обитания биомассы.
При промывке фильтра, избыточная биомасса удаляется из него. Пока еще не определены условия применения этого метода для обезжелезивания воды, часто вначале работы фильтров идут активные биохимические, но впоследствии происходит их затухание с преобладанием автокаталитических процессов. Следует учитывать, что любые биохимические процессы приводят к дестабилизации воды.
В настоящее время в РБ появились ряд предприятий и организаций частного характера, которые, хотя и не всегда успешно (у каждого предприятия имеются отрицательные примеры работы установленного оборудования), но на достаточно высоком уровне, решают вопросы обезжелезивания воды населенных мест. К таким можно отнести УП «Полимерконструкция», «Фортекс», «Евровода», «Вода ХХ1 век».
Рис. 1. Схемы установок обезжелезивания природных вод
а – «сухая» фильтрация; б – упрощенная аэрация (вариант, установка «Деферрит»); в - упрощенная аэрация с двухступенчатым фильтрованием; г – вакуумно-эжекционная аэрация и фильтрование; д – обезжелезивание в пласте (метод «Виредокс»); е – известкование (установка «Струя»)
1 и 4 – подача исходной и отвод обработанной воды; 2 – вакуумно-эжекционный аппарат; 3 – скорый каркасно-засыпной фильтр; 5 – бак-аэратор; 6 – реагентное хозяйство; 8 – насос; 9 – ресивер; 10 – скорый фильтр; 11 – ввод хлора (вариант); 12 – бактерицидная установка; 13 – компрессор; 14 – скорый фильтр II ступени; 15 – водонапорная башня; 16 – сброс воздуха; 17 – трубчатый смеситель; 18 – камера хлопьеобразования; 19 – тонкослойный отстойник; 20 – вспомогательный колодец; 21 – подача воды на аэрацию; 22 – зона аэрации; 23 – аэрационное устройство; 24 – кольцевой инфильтрационный бассейн; 25 – эксплуатационный колодец