Очистка воды от железа

Очистка воды от железа.
1. Исследование состава и фазово-дисперсных состояний загрязняющих веществ в
исходной воде.
В соответствии со среднестатистическими результатами количественного химического
анализа, в исходной воде, как правило, наблюдается наличие ниже перечисленных
загрязняющих веществ, которые характеризуются следующими показателями:
1.1. рН (6,5 – 8,5).
Водородный показатель, в целом, соответствует нейтральной среде. Однако, в природных
подземных водах зачастую наблюдается высокая концентрация растворенного
углекислого газа (СО2), в результате чего названные воды могут обладать кислотными
свойствами, характеризующимися повышенной коррозионной активностью
по
отношению к конструкционным материалам. В этом случае рекомендуется удаление СО2
из очищаемой воды путем ее аэрации, что и предлагается реализовать в станции
обезжелезивания.
1.2. Окисляемость(4 -6 мгО2/л).
Значение показателя «окисляемость» определяют концентрации практически всех
содержащихся в воде примесей: от частиц находящихся во взвешенном состоянии, до
ионных растворов.
1.3. Взвешенные вещества (-).
Концентрация мелкодисперсных взвешенных веществ II группы, находящихся в
ультравзвешенном состоянии (мутность), как правило, составляет не более 10 (мг/л).
Остальная же взвесь укрупняется за счет эффекта естественной коагуляции и поэтому
легко отделяется методом гравитационного осаждения в отстойниках или контактным
осветлением на зернистых загрузках, что и предлагается реализовать в станции
обезжелезивания.
1.4 Железо общее (более 5 - 10 мг/л).
При заданной величине водородного показателя (рН 6,5 – 8,5), железо присутствует в воде
в следующих состояниях:
- в виде нерастворимых гидроокисей Fe(OH)2 и Fe(OH)3,
находящихся в
ультравзвешенном и коллоидном состояниях (II
и III группы соответственно).
Концентрация ультравзвешенных частиц характеризуется показателем «мутность»,
содержание коллоидных включений характеризуется показателем «цветность».
- в виде катионов Fe2+ и Fe3+ , находящихся в состоянии ионных растворов (VII группа).
Отметим, что начало осаждения гидроксида двухвалентного железа Fe(OH)2 соответствует
величине рН 7,5, а полное осаждение гидроксида трёхвалентного железа Fe(OH)3
завершается при рН 4,1. Однако, величина рН полного осаждения соответствует
остаточной концентрации ионов металла 10-5 (Моль/л) или 0,56(мг/л) - по железу.
Снижение концентрации железа после очистки связано с образованием нерастворимых
гидроокисей Fe(ОН)2 и особенно Fe(ОН)3, которые затем отделяются в процессе
контактного осветления в теле зернистого (скорого) фильтра.
1.5. Марганец(2 - 5 мг/л – в исходной воде).
При заданной величине водородного показателя (рН), марганец присутствует в воде в
следующих состояниях:
- в виде нерастворимой гидроокиси Mn(OH)2 , находящейся в ультравзвешенном
состоянии (II группа);
- в виде катионов Mn2+ , находящихся в состоянии ионного раствора (VII группа).
Снижение концентрации марганца после очистки связано с образованием нерастворимой
гидроокиси Mn(ОН)2 , которая затем отделяется в процессе контактного осветления в теле
зернистого (скорого) фильтра.
Аккумулирование
УФ облучение
КАТ-обмен
Контактное
осветление
Хлопьеобразование
Дополнит-ное
окисление
Исх.
вода
АЭРАЦИЯ
1.6. Вывод: Из анализа данных, представленных в предыдущем пункте настоящего
документа, следует, что для получения очищенной воды, предназначенной для
хозяйственно-питьевого назначения, необходимо реализовать последовательность
ниже перечисленных этапов очистки:
- предварительное окисление (аэрация с целью окисления потока кислородом воздуха);
- дополнительное окисление потока (например, гипохлоритом натрия ГПХ);
- укрупнение (хлопьеобразование);
- осветление (контактное);
- ионообмен (на катионите);
- УФ – обеззараживание.
Последовательность необходимых этапов очистки представлена на рисунке 1.
Рис.1
2. Оценка эффективности предлагаемой технологической схемы
обезжелезивания воды.
Предлагается станция обезжелезивания, принцип действия которой основан на
последовательной (двухступенчатой) обработке исходной воды окислителями
(первоначально – кислородом воздуха в процессе аэрации, затем – окислительным
агентом, например, раствором гипохлорита натрия) с последующим её пребыванием в
контактном аппарате, осветлением на зернистой кварцевой загрузке, замещением
остаточных ионов на специальной загрузке и окончательным обеззараживанием УФ лучами.
Восстановление гидропроницаемости зернистой загрузки производится посредством её
промывки обратным потоком очищенной воды.
В исходной воде содержатся ионы (катионы) растворенных металлов, таких как железо
(Fe2+ , Fe3+) и марганец (Mn2+). Присутствующие в исходной воде ионы металлов
являются, по сути - коагулянтами, которые гидролизуются с образованием нерастворимых
гидроокисей Fe(ОН)2, Fe(ОН)3 и Mn(OH)2. Названные гидроокиси, именуемые хлопья,
обладают объемной, хорошо развитой поверхностью, обладающей адсорбционными
свойствами. На поверхности гидроокисей адсорбируются мелкодисперсные и коллоидные
частицы, которые затем совместно с полученными хлопьями легко удаляются из воды в
процессе её фильтрации через зернистую загрузку. Данные процессы называются
укрупнением (коагулированием) с последующим контактным осветлением.
В пункте 1.4. настоящего документа было отмечено что, начало осаждения гидроксида
двухвалентного железа Fe(OH)2 соответствует величине рН 7,5, а полное осаждение
гидроксида трёхвалентного железа Fe(OH)3 завершается при рН 4,1. В связи с тем, что
рН исходной воды, как правило, соответствует 6,5 – 8,5, основной задачей оборудования
предварительной обработки является преобразование ионов Fe2+ в Fe3+. Данное
преобразование достигается путём двухступенчатой обработки воды окислителями (O2 и
например, ГПХ). Отметим, что окислительные агенты (раствор гипохлорита), помимо
сильного окислителя являются эффективными бактерицидными и консервирующими
веществами. В связи с этим в скорых фильтрах проистекает подавление
жизнедеятельности микроорганизмов и, следовательно, отсутствуют процессы
биообрастания зернистой загрузки и вторичного заражения воды.
Известно, что процессы окисления и выделения нерастворимого гидроксида железа
(хлопьеобразование) проистекают в течении некоторого времени, поэтому перед
зернистыми фильтрами предусматривается наличие контактного аппарата, в котором
завершаются названные процессы .
При извлечении из воды ионов тяжелых металлов методом ионообмена более
целесообразно использовать К-катионит, нежели Na-катионит, т.к. атомарная масса иона
калия ближе к усредненной атомарной массе тяжелых металлов.
В соответствии с поставленной задачей, катионит должен извлекать только ионы тяжелых
металлов, таких как: Fe2+, Fe3+, Mn2+.
Однако, данному процессу препятствует наличие в исходной воде солей жесткости (Ca 2+ и
Mg2+), что приводит к необоснованным затратам на реагенты и утилизацию
дополнительных объемов отработанных растворов. Кроме того, как показывают
современные медико – физиологические исследования, недостаточное содержание в
питьевой воде солей жёсткости (менее 1,5 мг - экв./л) может привести к нарушениям
обмена веществ и сердечно – сосудистым заболеваниям в организмах людей, длительное
время употребляющих такую «мягкую» воду.
Таким образом, катионообменная загрузка должна обладать высокой селективностью на
фоне солей жесткости по извлечению тяжелых металлов (целевых веществ). Другими
словами, из воды, обработанной на данной загрузке, полностью извлекаются только ионы
тяжелых металлов, а содержание ионов кальция и магния (соли жёсткости) практически
не изменяется.
Наиболее соответствующей данным требованиям является ионообменный сорбент
марки «FL».
Для окончательного обеззараживания воды используется УФ – облучение. Отметим, что
комбинированная технология с использованием предварительной обработки сильным
окислителем, придающим воде консервационные свойства и её последующее УФ –
облучение, в настоящее время является наиболее эффективным способом
обеззараживания питьевой воды.