автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Улучшение качества подземных вод

ЛШНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное предприятие Комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной геологии

РГ6 ОД (НИИ ВОДГЕО)

1 1 НОЯ На правах рукописи

НИКОЛАДЗЕ Георгий Ильич

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ

ВОД

Специальность: 05.23.04 — водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада.

Москва, 1996 год

Работа выполнена в Московском Государственном Строительном Университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор М. Г. Журба, доктор технических наук, профессор С. А. Шуберт, доктор технических наук, профессор С. Н. Линевич

Ведущая организация — ГПИ «Союзводоканалниипроект».

Защита состоится « . . . »......1996 года в «... »

часов на заседании диссертационного совета Д 033.05.01 при НИИ ВОДГЕО по адресу: 119826, Москва, Г-48, Комсомольский проспект, 42.

С научным докладом можно ознакомиться в библиотеке НИИ ВОДГЕО.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Демидов

-3-

Основные условные обозначения

Е • окислительно - восстановительный потенциал, В.

Ео - нормативный потенциал при (О,) = (Red), В.

R - общая постоянная газов, равная 8.32 Дж.

t • температура, К или "С.

п • валентность.

F - число Фарадея, равное 96.54 Кл.

(О») • молярная концентрация окисленного тела.

(Red) • молярная концентрация восстановленного тела.

Щ, Щ« • обшая и карбонатная щелочность воды, мг-экв/л.

ОК - окисляемость, мгОг/л.

Жо, Жк - общая и карбонатная жесткость, мг-экв/л.

Fe„, Fe„ - содержание железа в исходной и обработанной воде, мг/л.

V - скорость, м/ч.

d, - эквивалентный диаметр фильтрующей загрузки, мм.

а • коэффициент формы зёрен.

К или К» - константа окисления желе-ja (11).

tin • пористость фильтрующей загрузки.

Ki • воздушно - водяное отношение.

Др • перепад давления при фильтровании, м.в.от.

nit • масса твёрдой фазы, кг.

Н • высота взвешенного слоя, м.

in - коэффициент, учитывающий влияние окисления железа (II) на

эффект обетжелезиваиия

L - толщина фильтрующей загрузки, м.

J - индекс стабильности воды.

Т • время (фпльтроцикл), ч, (сут)

Р - давление, МПа.

В • величина вакуума, МПа.

Л, а - площадь, мг.

Q - расход воды, м'/час.

р„ - грязеёмкость, кг/мг.

С> - оОьёмная концентрация взвешенного слоя.

V - объём фильтрата (воды), м5.

ц, v - динамическая и кинематическая вязкость воды.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В Российской Федерации проблема обеспечения населения доброкачественной питьевой водой остается нерешенной, а в ряде регионов приобретает кризисный характер. Низкий уровень санитарно-эпидемиологического благополучия населения республик Бурятия, Дагестан, Калмыкия, Приморского края, Архангельской, Калининградской, Кемеровской, Курганской, Томской, Ярославской и других областей в значительной степени определяется дефицитом и неудовлетворительным качеством питьевой воды.

В общем объеме подаваемой води 315? занимают подземные. Подземные воды Центральных областей Европейской части России, Карелии, Калининградской области, Сибири, Дальнего Востока, Северного Кавказа характеризуются естественным повышенным содержанием железа (до 50 мг/л), марганца (до 3,5 мг/л), фтора (до 6,5 да/л). В подземных водах Московской Пермской, Оренбургской, Курганской, Томской, Липецкой и др. областей наблюдается избыток фтора, а иногда бора, нитратов и брома. Подэеиныэ воды нефтегазоносных районов Западной Сибири содержат в значительных количествах нелезо, марганец, оксид углерода, сероводород, метан, нефтепродукты, фенолы. По данным Департамента Кклищно-Коммуналъного Хозя! счва Минстроя России каядый второй водопровод, базирующийся на подземных водах, подает потребители некондиционную воду. Причиной подобной ситуации служит либо отсутствие водоочистных сооружений или их перегрузка, либо устаревшие технологии, не обладающие барьерными функциями в отношении некоторых ингредиентов состава воды. Tai: по данным Гос-комсанэпвдемнадзора отсутствие полного комплекта водоочистных сооружений отмечалась на 33% кодшупальных и 46% ведомственных водопроводах, обеззараживающих установок - на 125» коммунальных и 26,7^ ведомственна водопроводах.

Анализ состояния здоровья населения позволил Госкомсанэпидемнад-

зору установить, что в раде областей страны наблэдается заметное возрастание заболеваний, связанных с неблагоприятным качеством питьевой воды. В этой связи разработка новых и совершенствование существующих технологий н сооружений кондиционирования подземных вод, характеризующихся технологическим совершенством, уменьшением капитальных и эксплуатационных, затрат, снижением энергоемкости - является важной народнохозяйственной проблемой.

Работа выполнялась на кафедре Водоснабжения МГСУ по. планам важ-пбйяей тематики Госколгаге.та Совета Министров СССР по науке, и технике, Госстроя РФ, отраслевых министерств и ведомств, Государственной программы "Экологическая безопасность России" В ЭБР-239-93-К, а также по хоздоговорам о производственными организациям.

Исследования были .проведены в течение 1958-1995 гг. под руководством п при участии автора работы. В исследованиях по отдельным разделай приняли участие аспиранты'Викулина В.Б., Лазарев В.В., Абдура-сулов И., Нго Вал Них, Ломако C.B., Комков В.В., Сукасян Б.Д., Федь-пупев Ю.И., Вонмов И.Ш., Евукндзе Р.Л., та. Чайковский Г.П., Назаров А.И.

Автор считает своим долгом выразить- благодарность академику РАН С.В.Яковлеву, проф. Я.Н.Абрамову, многолетнее общение и работа с которыми определили направление научной деятельности диссертанта, а Taise зав.кафэдрой Водоснабжение проф. М.А.Сомову и коллегам по кафедре за помощь, оказанную при выполнении работы.

Целью вшолненной работы являлось научное обоснование, разработка, исследование н внедрение новых высокопроизводительных, эффективных и надежных технологий и водоочистных сооружений обработки подземных вод, применение которых целесообразно как при новом строительстве, так и при реконструкции действующих водоочистных'комплексов.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи, результаты решения которых выносятся на защиту:

- обобщение имеющихся данных и организация получения дополнительной информации по генезису подземных вод, установление специфики формирования их состава, изучение физико-химических свойств определяющих ингредиендов;

- проведение комплексных исследований по обобщению опыта эксплуатации действующих водоочистных комплексов;

- разработка научных основ деферризации и деманганации подземных вод, создание и внедрение в практику водохозяйственного строительства новых технологий и сооружений;

- изыскание и исследование экологически безопасных эффективных технологий и сооружений по извлечению из воды растворенных газов: оксида углерода, сероводорода и метана;

- создание и изучение технологий совместного удаления из воды железа и марганца, железа и фтора, железа и селена, обезкелезившшя со стабилизацией фильтрата;

- разработка и исследование технологий извлечения из воды бора, брома, нитратов;

- изыскание и изучение технологии обезкелоаивагшя минерализованных вод, предупреждение травертинообразозания;

- разработка классификаций технологий деферризации, домангана-щш и дефторирования подземных вод, позволяющих аналитически выбрать метод их кондиционирования;

- проведение комплексных исследований по умягчению воды с использованием ультразвука;

- разработка научно обоснованных рекомендаций на проектирование, строительвтво и эксплуатацию установок кондиционирования подземных вод (УКПВ);

- проведете технико-экономических обоснований эффективности предложенных технологий и'сооружений водоподготовки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически и практически обоонованы перспективные направления по созданию новых и совершенствованию существующих высокопроизводительных методов и сооружений по обработке подземных вод;

- впервые выявлены и изучены основные факторы, влияющие на процессы извлечения из воды железа и марганца, бора и брома, фтора й ое-лена, сероводорода и метана, нитратов н солей карбонатной жесткости;

- впервые разработаны научно обоснованные и экспериментально подтвержденные классификации методов деферризации, деманганации и дефто-рнрования подземных вод;

- впервые исследованы закономерности и предложен механизм деферризации и деманганации подземных вод высокой окисляемости, а также дефторирования и совместного удаления железа и фтора, железа и марганца;

- разработаны и изучены новые технологии и сооружения кондиционирования подземных вод, обоснованы области их эффективного применения;

- впервые предложены, обоснованы и изучены экологически безопас-ныо процессы и аппараты десорбции из воды сероводорода, оксида углерода и метана;

- составлены гатематичеокие описания ряда процессов УКПВ;

- впервые теоретически и экспериментально разработаны принципы физико-химического модифицирования зернистых фильтрующих загрузок, на основе которых созданы и изучены технологии УКПВ, что является новым научным направлением в обработке подземных вод;

- предложены и апробированы методики расчета и разработаны принципы проектирования, строительства и эксплуатации установок УКПВ.

Научная новизна работы подтверздена Г7 авторскими свидетельствами на изобретения, двумя положительными решениями ВНИИГПЭ.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Результаты выполненных исследований явились основой для создания новых тех-

нологий и сооружений УКПВ, внедрение которых в практику водоснабжения позволит более широко использовать подземные воды. Предлагаемые технологии и водоочистные сооружения имеют ряд преимуществ: высокое технологическое совершенство, уменьшение■капитальных и эксплуатационных затрат, снижение энергоемкости.

Установки обезжелезивания и деманганации вода внедрены па 44 объектах, в том числе: в центре космических исследований, Ш и МВД России, на промзоне г.Ульяновска, Курском и Войском аЕЛшбияатах, гг. Владивостоке, Курске, Иваново, Родники, Вятские Поляны. Разработаны и утверздены руководством Владимирской области технические указания по выбору подземных источников централизованного водоснабжения сельскохозяйственных объектов, методов, технологических схем п ссору жений кондиционирования воды.

Апробация работы была осуществлена путем участия в качестве док ладчика на 18 республиканских, региональных и изявузовских конференциях в России и на 19 международных конгрессах п конференциях. Всего сделано 65 докладов к сообщений. Работы автора по теме диссертации 5 раз демонстрировалась на ВДНХ СССР и 3 раза на кездународных выставках; экспонаты отмечены медалями и днплс:.и:.51.

Публикации по теме диссертационной работа бит осуществлены в виде 6 монографий и 16 учебников и учебных пособий» Кромо того, со теме диссертационной работы опубликовано ПО статей.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач, организации и проведении; теоретических: и ексвершентаяьнш: ксслздова-ний, анализе их результатов, формировании выводов, разработке класса фшютти методов деферризации, дефторпроваиия и деманганации подземных вод и разработке рекомендаций на проектирование, строительство и эксплуатацию установок УШЖ. Под научным руководством п при непосредственном участии автора диссертационной работы разработаны новые технологии к сооружения УКПВ, которые могут быть применены как при

новом строительстве, так и при реконструкции существующих.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований новых технологий и сооружений УКПВ;

- развитие аспектов массоперенооа с учетом массообменных процессов, таких Kai? адсорбция, адгезия, гомогенное окисление, соосаж-дение при фильтровании подземных вод через стационарный или взвешенный слой;

- классификация методов дефторирования, деферризации и деманга-нации подземных вод;

- новое научное направление в обработке подземных вод, заключающееся в их фильтровании через зернистую предварительно модифицированную загрузку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ' I. 0БЕ31ЕЛЕЭДВА11ИЕ И ДЕМАНГАНАЦИЯ

Большой вклад в решение отдельных вопросов проблемы внесли: Апальцин Н.Э., Кастальский A.A., Клячко В.А., Кульский Л.А., Егоров А.И., Кургаев Е.Ф., Линевич С.Н., Артеменок Н.Д., Еурба М.Г., Аюкаев Р.И., Коммунар Г.М., Перлина A.M.', Асс Г.Ю., Киттнер X., Еачек Л., Евертозски ф., Нордел X., Лерк К., Пейчев Т., Хиртисс Р.

Автором работы была предложена классификация, подразделяющая железо-маргенцевосодержащне воды в зависимости от глубины залегания на три группы: подпочвенные (верховодка), подземные с глубины 8100 м, воды большой глубины - свыше 100 м. Воды всех групп разделены на 7 классов, кавдый из которых имеет категории, отличающиеся минерализацией, жесткостью, pH, окисляемоетью, содержанием оксида углерода и сероводорода, присутствием органических вещеотв. Эта классификация дает представление о качестве исходной воды, ее взаимодействии с железом (П) и марганцем (П) и влиянии ее физико-химических свойств на процессы деферризации-деманганации воды (ВДВ).

— го-

Анализ диаграмм Пурбе, построенных в координатах окислительно-восстановительный потенциал (Е, В) - значение рН и отражающих состояние систем железо-вода и марганец-вода, позволяет в первом приближении наметить направленно реализации технологии ДЦВ. Они дают наглад-ное представление о возможных способах очистки воды от железа и марганца: увеличением окислительно-восстановительного потенциала воды путем использования сильных окислителей без изменения величины рН среды; повышением значения рН при недостаточном окислитально-восста-новительном потенциале в случае применения слабых окислителей; совместным использованием окислителя и щелочного реагента.

Технологии ДЦВ базируются на ряде физико-химических процессов, к ним относятся:

- оксидация растворенных двухвалентных ионов железа и маргшща с переводом их в нерастворимые'соединения в зависимости от щелочности и рН воды, окислительно-восстановительного потенциала, содержания растворенного кислорода и свободного оксида углерода, карбонатной жесткости воды, наличия.в ней озотатов, сероводорода, железо- и мар-ганобактерий, температуры и др.;

- реагентная оксидация железа (П) и маргшща (П), когда аэра-ционные способы не дают результата или не могут быть использованы;

- подщелачивание обрабатываемой воды при ее низком щзлочнои резерве, вызывающее деструкцию железо-маргшюоргшшческлх комплексов;

- десорбция из воды свободного оксида углерода с целью повышения ее рН, возможность использования которой определяется температурой, бикарбонатной щелочностью и карбонатной жесткостью, наличием сульфатов,«»давлением воздуха, насыщенной концентрацией газов в воде и др.;

- извлечение из воды сероводорода, что то же повышает окислительно-восстановительный потенциал и'зависит от рН; присутствие сероводорода затрудняет процесс оксидации соединений железа и марганца при аэрации;

- оксидация органических веществ, присутствующих в исходной вода, необходимая при относительно высокой окисляемости воды для предотвращения образования желатинистой пленки на поверхности зерен фильтрующей загрузки, препятствующей каталитической оксидации железа (П) в марганца (П);

- коагулирование коллоидных органических соединений железа и марганца с целью отделения их от воды при седиментации или фильтровании;

- фильтрование железо-марганцесодержащей воды для задержания железа и марганца в зернистой загрузка в результате адсорбции, хемо-сорбщш или каталитической оксидации; зависит от состояния дисперсии соединений яэлеза и марганца в воде, их концентрации, рН, содержали растворэ1шого кислорода, окислительно-восстановительного потенциала и др.;

- извлечение гуминовых соединений железа и марганца является процессом, сочетающим аэрации, обработку сильными окислителями, под-цэлачивашю, коагулирование и фильтрование;

- удаление ферро- и марганобактерий,требующее обработки сильными окислителями, длительного контакта о .ними.

Таким образом, на выбор технологии ДДВ влияют следующие факторы: природа (минеральная или органическая) соединений железа и марганца, и их концентрации, щелочность, окисляемость и рН воды, карбонатная гесткость и содержание свободного оксида углерода, окислительно-восстановительный потенциал, температура и минерализация воды, содержание сульфатов и сульфидов, соединений азота, хлоридов, сероводорода; степень окисления и дисперсии соединений марганца и железа; присутствие ферро- и марганобактерий. Ниже впервые приводится анализ указанных факторов. • •

Еелезо и марганец присутствуют в природных водах в форме мине- . ральных или органических соединений гуминовых или некоторых жирных

кислот. Во втором случае это воды с повышенной окисляемостью, тлеющие агрессивный характер. Железо- и марганоорганические комплексы создают условия для развития мангало- и ферробактерий, со всеми вытекающими негативными последствиями. С позиций технологии водоподго-товки всегда имеется различие мевду способами УКЛВ при наличии железа и марганца в минеральной или оргшшческой форме. Так, в случае их минерального происхождения обычно пршленпмы безреагентные технологии, а в случае органического - обработка оказывается более трудной, требует использования реагентов, что более сложно и трудоемко, сопряжено со значительными капитальными и эксплуатационными затратами.

В случае присутствия железа и марганца в воде в растворимой форме для выбора технолопш ДДВ важно знать ее бикарбонатную щелочность. Щелочность воды влияет на процесс десорбции оксида углерода и оксидации железа (П) и марганца (П) и является главенствующим фактором при выборе технологии ДЦВ. Наиболее благоприятные условия ДЦВ. определяются, когда карбонатная щелочношравняется общей и составляет не менее 1,35 мг-экв/л. Для вод с большей бикарбонатной щелочностью необходимую десорбцию диоксида углерода можно обеспечить аэрацией. При этом скорость оксидации железа (П) и марганца (П) пряло пропорциональна бикарбонатной щелочности воды, а образуемые ими соединения - нерастворимы и легко отделяются от нее.

Яелезо и марганец являются восстановительными элементалю. которые окисляются путем отдачи электронов и, следовательно, в результате окисления они становятся сначала двухвалентными ионами, а при дальнейшем окислении - трехвалентными. Окислительная способность во-

ды растет о повышением Е и с введением в систему окислителя. Величина Е, В (окислительно-восстановительный потенциал) определяется урав-

нением

При возрастании температуры и рН воды величина Е снижается. В зоне с повышенным значением Е железо и марганец остаются в форме оксидов или гидроксидов. Восстановительные условия обусловливаются присутствием органических веществ и сульфопротеинов. Для воды, содержащей кислород, при У1 = 4

Е о 1,23 + Нр £оЯ «V " 0.059РН а при (02) =1 "

Е = 1,23 - 0,059рН (2)

Если величина Е превышает значение, определенное по формуле (2), то это свидетельствует о выделении кислорода. Температура, солесодержание, рН и величина Е определяют устойчивое состояние железа и марганца в воде. Выражения значений Е окислительно-восстановительных реакций соединений железа, которые были установлены на основании ранее приведенных уравнений, являются следующими

Е = 1,229 + 0,0147 (02) - 0,059рН

Е = 0,771 + 0,059 ¿09 ^ (3)

[Бе (П)]

В подземных водах, как показали исследования, величина Е изменяется в пределах от -0,48 до +0,55 В. Установлено, что аэрация считается удовлетворительной, если после нее величина Е превышает 0,1... 0,14 В. Результаты экспериментов показывают, что значение Е определяет эффект каталитического окисления железа (П) и марганца (П) в процессе фильтрования через модифицированную фильтрующую загрузку. Выражение Е системы Ге (Ш) + е Ре (П) с учетом ЦЦК по железу

0,3 мг/л записывается в видо

Е = 1,34 - 0,Г77рН (4)

Если величина Е после аэрации превышает значение Е, вычисленное по формуле (4), то это означает, что Ге (П) переходит в Ге (Ш) путем оксидации и, следовательно, содержание Ге (П) в фильтрате будет меньше 0,3 мг/л. В том случае, когда измеренный Е ниже, чем вычисленный

-и

по формуле (4), исходную воду необходимо обрабатывать реагентами. При содержании в воде ионов гидрооульфита или сульфита значение Е определяется выражением

Е = Е0 - 0,03 < 1о(] [£(-ш] ; (5)

Установлено, что при одном и том же значении рН для воды о соединениями серы величина Е получается меньшей и, следовательно, система (5) является восстановительной для воды без серы. Присутствие сероводорода нарушает процесс удерживания Ге (П) вследствие понижения Е к восстановления Ге (Ш). Для системы

Шгь02 + 4Н+ + 2е ^ Ма2+ + 2Н20

Е = 1,23 - 0,12рН - 0,03'&К) [ма(П)| (6)

Система (6) является окислительной для системы (4), поскольку она повышает Е среды. Когда Е воды ниже величины, определенной из выражения (6), будет наблэдаться оксидация железа (П) и восстановление марганца (Г/), который перейдет в растворимое в воде соединение. В этом случае ДДВ фильтрованием через модифицированную загрузку - неэффективно. Но, если Е воды превышает значение, определяемое выражением (6), то на загрузке будет осавдаться играющий роль оксоден-та для железа (П).

При введении в воду кислорода или других оксидантов и при извлечении из нее сероводорода величина Е повышается, а при одном и том же значении Е после удаления гидроксида железа (Ш) она растет с умень шением щелочности. Значение Е изменяется линейно в функции рН так, что при повышении рН на единицу нормальный Е снижается на 0,06 В и, следовательно, при повышении величины Е выделение гидроксида железа (Ш) может происходить при более низком рН. Из сказшшого становится очевидным, что величина Е является важным показателем при определении метода ДДВ. Как следует из экспериментальных проверок, это значение должно фигурировать наряду со щелочностью воды и содержанием в

ней свободного оксида углерода. Данные опытов позволяют утверждать, что для ДЦВ значение Е =» 0,01...0,14 В необходимо, но не всегда является достаточным при выборе технологии водообработки. Однако, проверти этого значения после аэрации воды обязательна, так как снижете величины Е может привести к восстановлению железа (Ш) в двухвалентное и прохождению его сквозь фильтрующую загрузку и в то же время создать благопр:'1тныо условия для развития ферро- и манганобактерий. Кроме того, с увеличением Е растот скорость оксидации железа (П).

Концентрация ионов водорода в воде и соответственно ее кислая или щелочная реакция определяет действие воды так растворителя, поэтому значение рН играет важную роль в осаждении гидроксидов. Так, гидроксид железа (Ш) начинает осаэдатьоя при рН 3, а гидроксиды железа (П) и марганца (П) декантируют при рН = 8....8,5. В зависимости от рН в воде удерживаются органичоские коллоиды железа (П), марганца (П), гидроксида железа (П), а также гидроксид железа (Ш) и гидроксид марганца (1У) в коллоидной форма. Присутствие в обрабатываемой воде перечисленных ингредиентов мсазывает существенное влияние на процессы ДЕВ.

Величина рН обрабатываемой воды вместе с карбонатной жесткостью и бикарбонатной щелочностью определяет эффективность ДЦВ фильтрованием, а также необходимость и глубину аэрации и обработки реагентами перед этим процессом. Значение рН исходной воды влияет на способность фильтрующего материала задерживать железо и марганец - при повышении рН эта способность возрастает, что объясняется изменением дзета-потенциала поверхности зерен загрузки и извлекаемых примесей.

При определении технологии ДПВ особое внимание должно быть уделено карбонатной жесткости, обусловленной двууглекислым кальцием, который при контакте с воздухом разлагается с образованием осадка карбоната кальция. Как известно, степень агрессивности воды в первую очередь зависит от содержания в ней оксида углерода, при этом возрас-

тание карбонатной жесткости влечет за собой увеличение его количества, необходимого для равновесия. Результаты экспериментов показывают, что коррозионное действие оксида углерода в воде со средней карбонатной жесткостью начинает проявляться при его содержании свыше 15 мг/л.

Воды с жесткостью до 2,16 мг-экв/л имоют низкое значение рН и являются агрессивными, что вызывает отмучивание гидроксида кальция, приводит к разложению гидросиликатов и обеспечивает непосредственный контакт с содержащимися в них марганцем и железом. Следовательно, соотношения меаду карбонатной жесткостью, рН и содержанием оксида углерода показывают, какое количество агрессивного оксида углерода необходимо удалить для обеспечения нерастворимости соединений марганца и железа.

Оксид углерода присутствует практически во всех подземных вода:: (15...40 мг/л), поскольку находится в водовмещшощмх породах в связанном состоянии в виде известняка, магнетита, доломита, железистого и марганцовистого 1сарбонага. В зонах, где происходит разложение органических веществ'под действием микроорганизмов, его концентрация достигает 150 мг/л и более. Растворенный в воде оксид углерода является наиболее важным фактором, удерживающим железо и марганец в растворенном состоянии. Для успеха ДДВ необходило удаление избытка свободного, растворенного б воде оксида углерода, т.е. того количества, которое обусловливает ее агрессивные свойства. Этот процесс зависит от карбонатной жесткости, бикарбонатной щелочности и рН воды. Агрессивность воды основана на ее электролитических свойствам, обусловленных содержанием в ней растворенных веществ; происходящий при этом электрохимический перенос электронов зависит от содержания в воде кислорода, солей железа и марганца, хлористого натрия, растворенных органических соединений, рН. Через ионы водорода оксид углерода воздействует на величину рН воды и при его удалении значение рН возрас-

тает. Кислые карбонаты растворимы и являются активными элементами, удерживающими в растворенном состоянии соли железа и марганца. Поэтому при определении технологии ДДВ крайне важно знать концентрацию свободной углекислоты в воде и необходимость ее удаления.

Присутствующие в воде органические вещества оказывают негативное влияние на процессы ДЦВ в тех случаях, когда их количество, определяемое пермаганатной окисляемоетью, свыше 6,5 мгО^/л. При обработке воды фильтрованием они образуют желатиновые пленки на зернах фильтрующей загрузки, что затрудняет процесс адсорбции и хемосорбции; для их оксидации расходуется значительное количество кислорода, превышающее то, которое необходимо для оксидации железа (П) и марганца (П).

Гуминовые комплексы являются восстановителям для железа (Ш) и марганца (ГУ) и вместе с ними образуют гуминовые комплексы железа и марганца, представляющие собой устойчивые коллоидные соединения. Частицы гумуса заряжены отрицательно, поэтому они адсорбируют положительные ионы электролитов из воды и образуют гуминовые соединения - гу-мата. В кислой среде амфотерные' гуминовые соединения железа (Ш) и марганца (1У) практически не растворимы в воде, но при величине рН свыше 7,2 они начинает растворяться. Гуминовые комплексы железа и марганца, присутствуя обычно в кислых водах, богатых углекислотой и обладающих комплексообразующами и растворяющими свойствами, сообщают-гол агрессивные свойства. Такие воды в водораспределительных сетях вызывают растворение карбонатных и силикатных защитных пленок, что влечет за собой коррозию металла труб. Из сказанного становится очевидным, что воды, содержащие гуминовые комплексы, принадлежат к категории вод, обработка которых сложна, поскольку аэрационные методы не дают удовлетворительных результатов. Для кондиционирования подобных подземных вод необходимо применение сильных окислителей, а иногда и щелочных реагентов.

Температура воды влияет на растворимость в ней газов: углекислоты, кислорода, сероводорода, метана. Она также влияет на процесс аэрации воды (о ростом температуры растворимость кислорода и углекислоты снижается), а также на величину Е, Который понижается о увеличением температуры.

Удельное сопротивление (УС) воды является индикаторным показателем ее происховдения и химического состава. По изменешш удельного сопротивления можно судить о наличии гидравлической связи подземных и поверхностных вод. Повышенным УС, сопровоздающимся более высокой жесткостью (минерализацией) и низким рН, обладают воды с сильным растворяющим и коррозионным воздействием на бетон и железо, требующие обработки щелочными реагентами. Знание УС воды важно при определешш технологии ДДВ, т.к. при УС свыше 40 0м»м вода способна растворять соединения железа и марганца. Снижение величины УС ниже 40 Ом«м можно достичь введением в воду солей кальция, а его повышение -'деминерализацией при сохранении карбонатной жесткости воды.

ТранссТэормация железа и марганца в органическую, восстановительную минеральную и окисленную минеральную (Т>орми обусловлена деятельностью мангано- и ферробактерий. а оксидация железа и марганца в кислой среде может происходить химически только при их вмешательстве. Рассматриваемые бактерии разделяют на три группы: минерализующие, окислительные и восстановительные. Минерализующие бактерии могут быть аэробными и анаэробными. Первые - разъедают органическую материю, высвобождая железо (Ш) и марганец (1У) в окисленной нерастворимой форме гидроксидов. Анаэробные бактерии разрушают органическую материю, ййсвобождая железо и марганец в восстановленной форме, а иногда восстанавливают и серу, образуя сероводород и сульфиды.

Окислительные аэробные бактерии живут в подземных водах, колодцах и почвах при условии, что среда содержит немного кислорода, железо (П) или марганец (П), органические вещества,'азот и имеет относи-

тельно низкое значение рН. Другая группа бактерий воздействует на железо (П) и марганец (П) анаэробно в присутствии водорода, нитратов, железистых и марганцовиотых солей. Нитраты восстанавливаются, а железо (П) и марганец (П) переходят в гидроксиды. Присутствие в воде ферро- и манганобактерий указывает на восстановительное состояние системы и свидетельствует о необходимости обработки воды сильным окислителем перед ее фильтрованием.

При ДДВ необходимо учитывать присутствие в воде аммиака, нитратов и нитритов, так как необходимое количество окислителя для оксидации железа (П) и марганца (П) возрастает при наличии в обрабатываемой воде аммиака. В результате расходования кислорода из воды при переходе нитратов в нитриты во время фильтрования возможно понижение величины Е. Если азотный ангидрид находится в воде в форме азотной кислоты или в форме азотатов жёлеза, магния или кальция, то их присутствие указывает, что аммиачные продукты полностью минерализованы. Присутствие в воде азотистого ангидрида указывает на существование аммиачных соединений, не успевших полностью окислиться.

Ионы хлора могут смещать равновесие реакции образовшпш бикарбоната кальция и привести к образованию .агрессивного оксида углерода без непосредственного участия в реакции. Чтобы их действие не влияло на железо и марганец и соответственно вода не была агрессивной, желательно, чтобы содержание хлоридов в обрабатываемой воде не превышало 30 мг/л. Поэтому при определении количества агрессивного оксида углерода необходимо учитывать прежде всего концентрации хлоридов и сульфатов, которые оказывают электрохимическое действие и активизируют электролитические свойства воды.

Сероводород часто присутствует в подземных кислых и слабо кислых водах, являясь восстановителем. Он представляет -собой более слабую кислоту, чем угольная, поэтому выводится ею из сульфидов, превращая их в карбонаты. Оксиды серы также обладают сильными восстанови-

— С.Ч-

тельныш свойствами, так сернистая кислота восстанавливает марганец (1У) до двухвалентного. Металлы, окислительный потенциал которых выше, чем у водорода, реагируют с разбавленной серной кислотой, образуя сульфаты. Сероводород в воде может быть окислен озоном, перекисью водорода, перманганатом калия, кислородом, хлором и может быть обра- • боган едким натром для восстановления кислотности воды.

Воды о низкой (до 2,16 мг-экв/л) карбонатной зкесткоотью становятся агрессивными при содержании кислорода свша 5 иг/л. Кислород очень реактивен и обладает большим сродством по отношению к электронам. Это свойство широко используется в процессе ДДВ путем ее аэрации и фильтрования. При этом низшие оксиды железа и марганца переходят в оксиды с высшим состоянием окисления. Этот процесс зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды.-Озон обладает повышенным окислительным действием по сравнению с молекулярным кислородом (Е=2,06 В) и может успешно применяться в процессах ДЦВ, особенно в условиях, когда железо и марганец находятся в состава сложных органических соединений.

Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет сделать вывод, что на процессы ДЦВ существенное влияние оказывают: бикарбонатная щелочность, величины рН и Е воды, окисляемость, соединения серы и азота, оксид углерода, наличие фзрро- и манганобактерий, а такжо присутствие хлоридов и сульфатов в воде и ее температура. При окисляемости воды до 9»5 мгО^/л и величине 0,1 В после ее аэрации, рН ^ 6,7, щелочности не менее 1,05 мг-экв/л для ДДВ возможно использование аэрации с последующим фильтрованием. В основе этой технологии лежит адсорбция положительно заряженных ионов железа и марганца на поверхности отрицательно заряженных зерен загрузки с образованием автокаталитической пленки, ускоряющей процесс оксидации извлекаемых примесей воды. При несоблюдении лиштов качества исходной воды, указанных вше, для ДЦВ необходимо применять окислители

пли щелочные реагенты. В основе этой технологии лезит образование оксидов или гидроксидов железа и марганца, которые извлекаются из воды, в основном, при фильтровании.

Руководствуясь результатами анализа основных факторов, влияющих на процессы ДИВ, я результатами экспериментов, авторш работы впервые была предложена классификация технологии их обработки, представленная в виде таблиц I и 2. Ниже дается интерпретация сущности физи-ко-хи;д1ческпх процессов, ле;кащих в основе технологий ДДВ, разработан-пых или усовершенствовавших автором.

Пр:* обззжелезпзанпп под-: то методу упрощенной аэрации процесс разделяется на два этапа: первоначально происходит адсорбция лоноз железа (П) и молекулярного кислорода на поверхности зерен фильтрующей загрузки с образованием пленки сло;шого химического состава, а затем следует процесс сорбции и окисления железа (П) на поверхности антив-ной пленки. Для понимания сущности процессов необходимо остановиться на анализе явлений, свойственных обоим этапам. На поверхности зерен фильтрующих загрузок (кварцевый песок, керамзит, антрацит и др.) при определитых условиях возникает электрический заряд, напряженность поля которого на границе адсорбционного .слоя характеризуется значением электрогашетического потенциала. Знак и величина потенциала, зависящие от рН и состава среды, влияют на сорбционную активность поверхности загрузки по отношению к сорбентам, находящимся в воде. При рН воды 7 поверхность зерен песка имеет небольшой отрицательный электрокинетический потенциал, поэтому она обладает слабовыраженной сор-бционной способностью по отношению к положительно заряженным ионам железа (П). С возрастанием рН воды указанная сорбционная способность увеличивается. Следовательно, при фильтровании воды, содержащей ионы железа (П), сначала происходит адсорбция ионов железа (П) на поверхности "чистых" зерен фильтрующей загрузки. С течением времени в результате указанной адсорбции электрокинетический потенциал зерен заг-

Таблица й.

Классификация технологии обезжелезнвашш воды

Технологии обезжелезивання

Показатели качества исходной волы

! воды, дополнительные характеристики Ие., мг/л НА. мг/л со2 свободная, мг/л рн Жк МГ-™ л ОК перман-1 ганат- I пая I мгО:/л 1

| 1. Безреагептные методы деферризации воды, содержащей Рс(НСОз)2, ГеСОз | I Е = 0.1 - 0.12 В,Щг 1Л5 мг-экс/л, < £ 6 °С |

I Упрощённая аэрация,, фильтрование на намывных фшьтрах | без фильтрующих сред. 1>+0.05 до 3 до 1 ДО 45 св. 6.8 до 2.5 до 6.5 |

«Сухое фильтрование» или обез-железивание в пласте до 5 до 2 до 60 св. 6.6 до 3.5 до 6.5

Упрощённая аэрация с односту-пеиным фильтрованием. 1^+0.05 до-10 до 2 до 80 св. 6.7 до 6 до 6.5

Глубокая аэрация, биосорбцня и фильтрование. 1 £ 8 °С до 15 до 40 неллмл-тирована св. 6.2 —"— до 9.5

Глубокая аэрация и фильтрование либо двойная аэрация п двойное фильтрование 10-20 до 40 не лимитирована св. 6.0 -- до 9.5

Глубокая аэрация, обработка в слое взвешенного осадка или отстаиванием в тонком слое воды и фильтпование 20-40 до 40 к св. 6.0 """ до 9.5

2. Реагентные .методы деферризации воды, содержащей иселезоорганпческие ком- 1 плексы, ГеБСК РеСОз, ГеЭ. Ре(НСОз):. В., Ша.35 мг-экв/л |

Фильтрование через модифицированную загрузку ДО 10 до 10 до 50 св. 6.0 до 6.0 до 15 |

Глубокая аэрация, обработка сильным окислителем, фильтрование, стабилизация до 15 до 50 до 80 св. 5.8 до 6.0 до 22

Известкование с коагулированием, напорная флотация и фильтрование либо аэрация, известкование с коагулированием, отстаивание в тонком слое и фильтрование св. 15 до 20 не лимитирована св. 5.0 любая любая |

Катионирование, Рео=Ре(Н); до 5 до 1 до 30 св. 6.5 до 6.0 до 1.5

Обратной осмос с периодической реагентной обработкой до 7 до 1 до 40 св. 6.0 до 2.5 1

1

Таблица 2.

Классификация технологий демапганацни воды

Технологии деманганации Показатели качества исходной воды

воды, дополнительные характеристики Мп», мг/л Н^, мг/л СО! свободная, мг/л рн Ж., мшка л ок перман-гаиат-ная, мгО'/л ьаш Мп(П)

1. Безреагентаые методы демангзнашш воды, содержа Мп(ПСОЗ)2, Е = 0.12 - 0.14В, Щ й 1.35 мг-экп/л щей МпСОЗ,

Глубокая аэрация, фильтрование Е=0.15 -0.2 В. до I до 10 ДО 45 сп. 7.2 до 6.0 до 6.5 5-7

В водовмешающем подземном пласте, при вводе окисленной воды, воздуха или кислорода Щг 1.5 мг-зкв/л до 2 до 3 до 30 св. 7 до 2.5 ДО 4.5 не менее 2-3

Аэрация, биосорбция и фильтрование. Е £ 0.2 В доЗ до 30 до 60 св. 7 до 3.5 до 6.5 —"—

Ультрафильтрация, сорбция На ГАУ или углеродных волокнах. обратный осмос. любое до 4,0 до 30 св. б до 2.5 ДО 15

Глубокая аэрация, обработка во взвешенном слое и фильтрование. Е £ 0.2 В до 4 любое любое св. 7 до 6.0 6.5 5-7

2. Реагептные методы демаиганацни соды, содержаще!'! марганоорганическне комплексы, МпБОд. МпС1л

Глубокая аэрацця,озонирование, фильтрование Щ 2:1.5 мг-экв/л, Е^ 0.15 В до 5 любое любое св. 6.5 до 3.5 ДО 20 не менее 2-3

Аэрация, ввод перманганата калня, фильтрование. Е£0.15В доЗ 1» »» св. 6.8 -- ДО 25

Фильтрование через зернистую загрузку, модифицированную КМЫОд до 7 ». до 45 5-11 -- 9.5

Фильтрование через зернистую загрузку, обработанную солями железа и марганца 1* И любая

Аэрация, хлорирование и фильтрование, стабилизация (вариант). Е г 0.15 В »> м до 80 ей. 6.5 до 6.0 -- св.2-3

Глубокая аэрация, подщела-чивание, коагулирование (вариант) и двухступенное фильтрование любое любое любое са. 6.0 любая любая любое

Катионнрованне, Мпо^МпШ) до 5 до 1 до 3 св. 6.5 до 6.0 до 2.5

Обратный осмос с периодической кислотной обработкой до 7 до 1 —"— св. 6 до 2.5 —"— „

( , . •. ■ рузкн понижается. Это влечет ва собой затухаше адсорбционной опо-| ообностл поверхности фильтрующей загрузки. Вместе с тем в обрабатываемой воде имеется растворенный кислород, -под действием которого ад-■ сорбированные .ионы ноле за (п) окисляются-и гидролазуются, что приво-' дат к появлению на поверхности'берен- загрузки."пленки" - качественно • нового сорбента, в основном состоящего из гидроксида ¿слеза. Пленка,; ; ■ I как показали результаты исследований, обладает значительно большей ' , ;сорбционной'способностью, чем зерна * "чистой" загрузки. Сорбцисннач '■ способность гадроксида железа, при прочих'равных' условиях, существенно зависит от рН-н изменяется во времени.' По Л.Л.Кульскому, рН изо-электрическсй точки; пщро^ида железа (Ш) составляет около 6,5. С ;" увеличением рН'води выше 6,5 возрастает значение отрицательного потенциала гздроксвда железа и соответственно повышается его адсорбционная активность' В отношении, железа (П). ■' Начиная с момента, образования "штелки", сорбция ионов железа (П) протекает параллельно'на оставшейся еще свободной поверхности,зерен ' фильтрующей загрузки и ,на поверхности'гадрокслда железа (Ш). Первый . процесс затухает по.море уменьшения свободной поверхности загрузка и ее электрокинетпческого'потенциала, а;второй усиливается вследствие накопления активной поверхности гидроксида.железа, НезатрсаЬщий стабильный процесс обезцелезквашт воды возможен лшль при условии, когда окислившееся к гидролизуащееся железо в ёдашлцу времени создает ■ новую сорбционнуго поверхность, площадь которой равна или превосходит площадь поверхности, покрываемой ноналш железа (П), оорбируемыми из '• воды за то же время. ,"• ' ' . '' . .

. Теоретически' обосновано в' экспериментально доказано, .что полнота сорбционных процессов при рассматривает*.; методе обезжелезивания , определяется наличием -достаточной площади активной поверхности гидро-ксида' железа, а скорость гидролиза к окисления ¿елеза (П) зависит от температуры и рН'воды. Следовательно, на сорбцию, гидролиз и окисле-

ние ионов железа (П) активно влияет продукт этих реакций - гидроксид железа, что позволяет классифицировать этот процеоо обезжелезивания как автокатаяитлческий. При этом процесо характеризуется значительным темпом прироста потерь напора. Поэтому обычно фильтровальный аппарат выводится на промывку по достижении предельной потери напора. Для расчета фильтрующей загрузки при обезжелезивании подземных би-карбонатных и карбонатных вод по методу упрощенной аэрации нами рекомендуется эмпирическая формула _

, _ гг-'^э ^ & А_

^ — ' (7)

Д = hJFe0

Скорость фильтрования можно найти по графикам рис. I, построенным в логарифмической форме. •

При обезжелезивании по методу глубокой аэрации вода освобождается от свободной углекислоты, что способствует повышению ее рН, и обогащается кислородом. Находящийся в воде кислород окисляет железо (П), которое при рН^6,8 гидролизуется и выпадает в осадок. При окислении I мг бикарбонатного железа образуется 1,6 мг свободной углекислоты, общая щелочность воды снижается на 0,043 мг-экв/л, т.е. уменьшается значение рН и тем самым замедляются процессы окисления и гидролиза железа (П). Вместе с тем параллельно с образованием угле- • кислоты происходит ее удаление из воды в воздух, а частично - адсорбция на поверхности образующегося гидроксида железа. При окислении железа (П) в свободном объеме воды после ее аэрации, помимо диффузии кислорода из фоздуха в воду и переноса его через пограничный олой воды, происходит собственно диффузия его в воде о последующим гомогенны!.! окислением железа (П) и образованием в результате гидролиза гидроксида железа (Ш). Одновременно протекают процесоы десорбции и адсорбции углекислоты, которые рассматривались ранее.

На скорость окисления железа (П) влияют Мп02, Са2+, С02+,^02,

-2.6-

я*

и a> us o? i i,i г j i j в iвяю

Рт. ¿' 3ipixmccrHV-flCFetlpH) »логадифи»»к«о«4оом»

-' Шахйо хзызвм njfnjfij mxjjio орз рззшчт« cmïeosoïs« tuoiajáa сома в шлюза laiaju

В. mi

о.сэ

0.03 О.СТ 0.Q5

о.сз.

о.ю 0,02 о,и

¿г

W\

Ö.X : 0',г o;i • 0Í5 0,6 Р, Ша

РцС.2. Ï * оаяиовоикз IU0EÍS1 con» » ючхнаоа máopu 1:64;

г - соотношение IUOSOJW сопла » ыиитоо тяр» Is25¡

3 - «OQtHooeir.M Mt'sara cou« в амягшел мнори 1:1б;

« - COOTHOllíhBil |ЧОк»Д! ООП1» » шг-í j-мчи ta«pu 1:6.

л

Н2РО4» а также гуматы. Результаты экспериментов автора позволяют ут-верядать, что чем выше содержание гуминовых соединений в походной воде, тем медленнее идет процеоо окисления железа (П), что можно объяснить образованием сложных комплексных соединений железа (П) о солями гуминовой кислоты. Кроме того, процесс окисления и гидролиза железа (П) находится а прямой зависимости от температуры воды и ее рН. Это также подтвервдается работами В.А.Клячко, Г.Ю.Асоа, Е.Норделла, Р.Ципперни;са, И.Холлюты, Г.Китнера и др.

Поело окисления железа (П), гидролиза, сопровождающегося образованием гидроксида железа (Ш), и коагуляции последнего в свободном объеме, на фильтратах происходит извлечение из воды сформировавшихся хлопьев, которые адсорбируются на зернах фильтрующей загрузки. При этом основная масса хлопьев задерживается, как правило, в верхнем слое загрузки толщиной 5...15 см, а иногда и на ее поверхности. Затем на поверхности адсорбированных положительно заряженных (рн более 6,5) хлопьев гидроксида железа (Ш) происходит сорбция непрореагиро-вавиего растворенного кислорода в ионной и атомарной формах, сорбция железа (П), марганца (П) и кремниевой кислоты. Адсорбированное железо (П) окисляется кислородом на поверхности хлопьев и постепенно заполняет объем пор. С течением времени наблвдается старение гидроксида железа, которое проявляется в ослаблении сил адгезии отдельных хлопьев между собой и с поверхностью зерен загрузки. Силы гидродинамического давления фильтрационного потока начинают превалировать над силами адгезии, вызывая отрыв и вынос хлопьев гидрокоида железа из загрузки и тем самым способствуя ухудшению качества фильтрата. Описанный процесс обезяелезивания сопровождается образованием рыхлых и неустойчивых хлопьев гидроксида железа (Ш) с большим' количеством молекул "захваченной" воды. Этим объясняется высокий теш прироста потерь напора в фильтрующей загрузке.

В работах Д.М.Минца, К.А.Мамонтова, Р.Эллиасена и др. указано, что расчет фильтрующей загрузки в рассматриваемом случае аналогичен расчету загрузок осветлительных скорых фильтров. При использовании для глубокой аэрации вакуумно-эжещцюнных аппаратов (ВЗА) их подача рассчитывается по предлагаемой нами формуле (8), а необходимая величина вакуума (В) определяется по графикам рис. 2:

(8)

где коэффициенты расхода конического сходящего насадка

и насадка Вентури.

При большой концентрации железа в обрабатываемой воде после ВЭА предусматриваются осветлители со взвешенным осадком и фильтры или двухступенное фильтрование. Процосс окисления железа (П) во взвешенном слое протекает как мгновенная реакция. Для определения эффекта окисления и остаточного железа (П) можно использовать формулы (9) и

<Ш> Ре=Ге

О и

> (9) • 2

У - степень окисления Ге (П) в исходной воде и во взвешенном слое;

- коэффициент адсорбции железа (Ш); $ - экспериментальный коэф-й>

фициент, зависящий от свойств воды.

Упрощение расчетного уравнения (9) было найдено при обработке экспериментальных материалов, показавших, что зависимость остаточного содержания железа от высоты слоя взвешенного осадка и скорости восходящего потока можно выразить следующим образом

« Fe0 = Реи • 1 ; т

Глубокую аэрацию с двухстепенным фильтрованием (рис. 3) предпочтительно применять в напорном варианте. Метод аналогичен описанному

« ш

?! \Щ1

Ыш

mm

5 я s vâ|s§| s S--3? t

imam

Mis

X í S И Q. ,, _

! píKi

i,i

! I-S.^2

Eiïl'i'lïi

• > j ; t.* y

¿um

siíHi

* 2 3 * Wei

U — О) л § I •> V £ =» s«» I*» к *

ранее. В самом начале процесса обезжелезивания - при поступлении на •фильтр первых порций воды, когда загрузка еще чистая^- адсорбция ооедг зний железа на еа поверхности происходит в мономолекулярном слоо, т.е. происходит адсорбция, обусловленная силами притяжения мввду молекулами адсорбата и адсорбента (поверхность твердого тела -адсорбента - насыщается молекулами адсорбата). После образования ыо-номолекулярного слоя процесс выделения соединений железа на зернах песка не прекращается', а наоборот, усиливается вследствие того, что образовавшийся «онослой химически более активен, чем чистая поверхность песка. Электронно-микроскопические исследования пленки показали, что она состоит из шаровидных молекул гидрокеида железа и других соединений железа (Ш) и железа (П). Количество связанной воды в опенке достигает 20?. Величина поверхности пленю! составляет не менее 200 u*Vr.

Адсорбционные свойства пленки из соединений железа на зернах фильтрующей загрузки, высоте величины ее удельной поверхности и наличие больших количеств связанной воды позволяет сделать вывод, что пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры. Одновременно пленка является катализаторам окисления поступающего в загрузку железа (П), поэтому эффект очистки води зернистым слоем несравненно выше, чем это могло быть в гомогенной среде. Как было показано выше, при обезжелезивании воды фильтрованием происходи? гетерогенный каталитический процесс, скорость второго пропорциональна площади поЕерхности катализатора. Скорость фильтрования воды tf или необходимую толщину слоя фильтрующей загрузки L можно определить из полуэмпирического выражения (II)

'1L '

(II)

7

Из этой формулы следует, что скорость фильтрования должна приниматься меньшей при снижении высоты фильтрующего слоя и степени '•

предварительного окисления железа (П) до фильтрования об^ , а такжо при увеличении концентрации железа в Ьбрабатываемой воде.

, Метод "сухой г[илътращш" заключается в фильтровании воздушно-водяной эмульсии через "сухую" (незатопленную) зернистую фильтрующую загруз к;/ о образованием в ней вакуума или нагнетания больших объемов воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. В обоих случаях в поровых каналах фг'льтрующзй загрузки образуется турбулентный рояим движения смеси, характеризующийся завихрениями и противотоками, что способствует,' более интенсивному контакту води с поверхностью зерен контактной ¡массц. При этом на зернах (|шгьтрующей загрузки й-ор'аруотся адсорб1Ь1ош10-ката.глтпчес2'ля штешш из соединений гелеза (и марганца, если он присутствует з зодо), пошглшпял дефективность процессов дсмаигснащш и обезжзлазпгшшя.

Особенностью процесса является образованна дегидратированной пленки на зернах загрузки (г.ссок, керамзит, пенополиуретан, антрацит, зшшпласт, полистирол, полимотсшгатакрилат и др.), состоящей :сак показали рентгенографические определения, из магнетита, сидерита, ге-тита я гематита. Эти соединения имеют плотную структуру п объем з

4-5 раз меньший, чем объем гидроксвда железа. При напорисм фильтровании по катоду "сухой фильтрации", тет.т прироста сопротивления чрезвычайно мал, а продолжительность филвтроцакла - велика (от нескольких месяцез до года и более). Характзрпсля особенностями процесса являются:

- минимальный период "зарядки" $ильтрувщз:1 загрузи! (т.о. образование на поверхности зерэн активной адсорбционной пленки), составляющий от 0,3 до 2 ч;

- повышение рН и некоторое снижение жесткости фильтрата;

- высокая гряэеемкость загрузки и отсутствие промывных вод (загрузку отмывают от соединений железа 0,5-1#-ннм раствором дитианита,

5-1СЙ-нш.1 раствором ингибировшшой соляной кислоты или заменяют на

новую). В фильтрате обычно наблюдается железо (П) и следы железа (Ш).

Обезжелезившше воды методом "сухой" фильтрации следует рассматривать как процесс массопереноса в гетерогенной среде. Математическая модель подобных систем по М.М.Сенявину и Е.В.Венецианову должна включать в себя описание материального баланса извлекаемого из воды железа, кинетики его извлечения и равновесия концентрации железа в , неподвижной фазе и фазе формирующейся пленки. Решение дифференциальных уравнений, описывающих эти процессы, позволило получить полуэмпирическую формулу для нахождения продолжительности фильтроцикла

Обезжелезиваяие подземных вод на намывных фильтрах с предварительной аэрацией эжектированием следует применять для обработки воды на установках производительностью до 1000 м3/сут. Сущность метода заключается в том, что железо (П) после окисления переходит в осаждающееся железо (Ш). Гидроксид железа из нижней части аппарата намывается на керамический патрон, имеющий заряд, отличный от зарядов хлопьев гидроксида железа и ионов железа (П). Нарастают 1 на патрона слой гидроксида железа служит контактным материалов для новых постоянно намываемых агрегатов, а сам патрон служит только опорным каркасом для фильтрующего слоя гидроксида железа. На патронных фильтрах сначала происходит фильтрование с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки. Такое фильтрование заканчивается по достижении определенного соотношения объема твердых частиц, задержанных в порах, к объему самих пор. Затем начинается фильтрование с образованием первоначального слоя осадка и на этом заканчивается процесс зарядки фильтра и начинается фильтрование с целью обезжелезивания ■ воды. Продолжительность зарядки определяется по уравнению

= 5-;б-еХ|> о,з5-'(Реи)

(13)

Процесс обезг.элезивания -воды фильтрованием через намытый слой следует классифицировать как двухмерное фильтрование, так гсак разделение суспензии сопровождается увеличением площади ¿аружиой поверхности ссадка с образованием сжимаемого слоя на неормазмогл основа-нлн, что а общем вида описывается уравнением Рутта-Кармона

где. с„п - сродпео удельное сопротивление осадка для всей толщины

о ;

олоя; л^- сопротизлзнлэ фильтррттей'пзрэгородгат.

Использование уравнения (14) пржа1шгольио к решаемой задаче привело к <сор.туло (15) для определения <?плътроцш:ла Т (ьут) при '

Обезпелззпвшпга подзотлтше вод п водоносном дласто осрозано на : ' форгзцювашл з но« "зспн оепдзезшя", з продолах'которой проаоходит ' пнтопопзяоа "сшслзтха полона я м?ргаща. | Такая зона создается задачкой з шаот чэрза поглощающие сквплшн1 (саспш!?) патахолькей годы,, <' воздуха ллп кггсяорода. В простэйпз« атутао,питательная зода продстаз-,

I > ;

ляет собой обззлзлозаняуэ подземную году, 'ТасцгзннуиЧаслородом. Ес-да г.э б подземной годе присутствуют 'трудаобкаоллешга а5орш келеза и простой аэрацией питательней воды нз удается ш:'угдалнгь, то для ст- ; ■ геногфаЕацот процесса рзко^щэтся-иЬп.олзаовазъ.'разлгташ'в реагенты. ■ В результата екзезния питательной н пбдззйних вод доотаггзтея смощз-

I / ' '' ■ • « •' '' '

1з:о процессов Окяолзпгя-Еоссгаловлеяшг в сторону охислошхя п "елезо, хадролззуясь, выпадает з осадок. При этоад'водоЕмещаппяЬ -породы Служат йальтрувщей средой. '' ' " • .V4'' ' .' . ,

Изменение ссдорглякя железа л марганца при йхльтрацш окисленной вода и пласте происходит в результате ко.'.диекса'фтзгасотжгшчестпйг процессов: конвективного переноса, фильтрационной1 диффузии н сорбции.

Определенное влияние отзывают биохимическое охмеление, ионный обмен, значения рН и Е и др. Для описания процесса было использовано урав-•нение П.Н.Веригина ^ Л

Л 2!£_ — 1С К .„.

. Л -г«' - гг + "«Ж + 37 "6)

где N к С - изменяющиеся во времени концентрации железа в твердой к жидкой фазах в момент времени Т; Ь - коэффициент фильтрационной диффузии; X - расстояние, на котором-происходит изменение концентрации с Теы до Ре..

Решая уравнение (16) совместно с уравнением кинетики сорбции,

были получены уравнения (Г7) и (18) _

" х —

. =: \-р - о.ь-еъгс ~

о

10,5

СТуС :— 4 — Ф(%) - обозначение интеграла вероятности.

ДО

где

Расстаягае между наше тате льны?/ и эксплуатационным колодцами для песчаных грунтов средней круности можно определить из формулы

и = *т+ы*тг . (1М

2 = -Х'Т)А^'ТТ5

Дм удобства использования формул (17) и (18) бшш построены графики.

Метод напорной ^дотации основан на действии молекулярных сил, способствующих слипанию отдельных частиц гидроксида железа с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха, и всплытию образующихся при этом агрегатов на поверхность воды. Количество воздуха, расходуемого на окисление железа (П), и продолжительность процесса можно вычислить из выражений __ ^ . ^^/Г- — ^ Ге($и

V == 1Т0'2Ь/'°

■ где

иГ

и ХГ - скорость реакции при температуре воды (" и С°С.

V 0

-ЗУ-

Хлопья гидроксида железа. (Ш) хорошо образуются при рН ^ 7. Если под действием аэрации рН воды не увеличивается до необходимой ве-*

личины, для ускорения окисления железа (П) предусматривают известкование .

Процесс напорно-флотационного разделения хлопьев гидроксида железа и води молю подразделить на следующие стадии: окисление железа (П); растворение воздуха в веде и образовшше пузырьков; образовало комплексов "пузырек воздуха -¡хлопья гидроксида железа"; подъем этих комплексов на поверхность вода. Каядая стадия оказывает существенное влияние на эффективность и экономичность процесса. На эффективность процесса веллнвандя хлепьоз йри флотационном разделение: оказывают влияние г.о!щентрация ззаепенных веществ (исходная хонцечтрзция железа, доза извести), число и размер пузырьков, продолжительность флотации, а также гидродинамические условия. Теоретически сфЕок? флотации мели о определить по формуле З.А.Глембсцкого

о _ J ,

^ «п-Т-П.-Л. '

где Ц - скорость подъема пузырьков; Г - продолжительность пребывания воды во флотаторе; Пп - число пузырьков воздуха в единице объема воды; Н0 - высота слоя воды во флотаторе; - коэффициент вероятности закрепления пузырьков на хлопьях гидроксида железа при подъеме их на I см.

Анализ формулы (19) показывает, что использование ее на практике затруднено. Поэтому нами предлагаются уравнения регрессии (20), полученные в результате математической обработки экспериментальных

давних = 0 2Т _0+ 0,273&и + МР;

° ' ГА ■ п (20)

СК= 22,38 -0,225-^а—0,ШЪн—Ю,9В ;

где ^ - объем дисперсионной воды, л; Доза- извести; Р - давление насыщения, Ша.

Обезкелезиванго воли фильтрование» через модифицированную заг-грузку основано на увеличении сил адгезии путем воздействия на моле-• кулярную структуру поверхности зерен фатьтрующей загрузки. Для увеличения сил адгезии, как показали наши исследования, необходимо на поверхности зерен фильтрующей загрузка образовать пленку из соединений, имеющих более высокое значение константы Ван-дер-Заальса. Кроме того, электростатические свойства этих соединений должны обеспечить изменение дзета-потенциала поверхности зерен в нужном направлении. При этом силы адгезии соприкасающихся тел тем больше, чем больше их молекулярные массы. Н.В.Оводовой, Р.Алькади и др. было отмечено увеличение грязвемкости кварцевого песка при формировании на поверхности его зерен пленки из гидроксидов металлов, молекулярные массы которых больше, чем у кварца. Работы последгах лет позволяют представить механизм формирования адсорбционной пленки на поверхности зерен фильтрующей загрузки следуюсош образом. При заполнении' порового пространства растворами Ре£04 или ГеС1з в результате их гидролиза в воде образуется гкдроксвд железа (II), который под действием кислорода, растворенного в воде, или специально введенного окислителя (например, пермангата калия) окисляется до гидроксида железа (Ш). Высокодисперсные положительно' заряженные коллоидные мицеллы гидроксидов желаза (П) и (Ш) адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности зерен фильтрующей загрузки. Сорбированные на поверхности зерен мелкие гранулы соединений железа постепенно агломерируются и покрывают всю поверхность загрузка. Первоначально лишь часть мицелл гидроксида железа (П) окисляется до гидрата 'окиси, но по мере фильтрования новых порций исходной воды окисление распространяется на все железо, которое находится в объеме загрузки и может окислиться в данных условиях.

Рентгенографические исследования Н.В.Оводовой, В.В.Комкова показали, что пленка соотоит из следующих гидратированиых дерм оксидов железа: «¿-БеОШ, У^-ГеООН, В-РеООН, £-ГеООН. При этом в ее

состава содержатся в максимальном количестве р У3"®"6^*

р> -реОСН и в несколько меньшем об -Ге203« И Н20 и «¿-РеОШ, а ухе затем идут другие модификации соединений железа. Создаваемая модификацией на поверхности зерен загрузки молекулярная структура довольно устойчива и в основном сохраняется в течение, нескольких фкльтро-циклов. После образоешпш адсорбционно-окислительной пленки на по-,; верхности загрузи! при фильтровании через нее исходной зодн, содер-

я

жащей железо (П), происходят ¿адсорбция железа на поверхности пленки и его окисление. Процэсо характеризуется не только высоким эффектом обезжолэзившшя, но и замедленным темпом прироста потерь напора, что способствует увеличению продолжительности фильтроникля.

Модификация зернистой загрузки осуществляется последовательным фильтрованием через нее 0,5% раствора пермангаиата катая, а затем 1,5$ раствора сернокислого железа (П). Суммарная продолжительность контакта реагентов о загрузкой - 30 мин.

Удаление, внсококонцентрированных устойчивых Форм железа из воды аэрацией, известкованием, отстаившгаем в тонком слое и фильтрованием достигается после полного окисления железа (П) и деструкции комплексных железоорганичосклх соединений при рН но менее 7,1. Процесс выделения соединений железа в тонкослойном отстойнике носит циклический характер, при зтсм эффект обезжелезивагаш воды зависит, глазным образом, от скорости потока в тонкослойных модулях, исходной концентрации железа л дозы щелочного реагента. Ддя агломерации хлопьев гидро-ксида железа, сидиментпрующнхся в отстойнике, емкость камеры хлопье-образовапия вихревого типа, совмещенной с отстойником, должна быть такой, чтобы обеспечить продолжительность пребывания обрабатываемой воды не менее 7,0 ига. Достигаемый в тонкослойных модулях эффект деферризации воды 9 зависит от скорости движения потока , дозы

щелочного реагента 25,, , содержания железа в обрабатываемой воде, и И

описывается уравнением:

Э » 32,23 + 0,331^ -0,2241Г + 1,28 - 0,07^*+ 0,37&и; (21) • Скорость движения воды в тонкослойных модулях определяется по формуле: 7/— - / .Л

• К— , . " г•-=; ;

где - длина трубки (ячейки) отстойника, м; критическая

скорость потока в отстойнике, м/ч; А0 - параметр, характеризующий величину концентрации отложений, выпавших в отстойнике, г/л; Е функциональный параметр, зависящий в основном от продолжительности уплотнения осадка к цикла отстаивания, ч; К - концентрация нерастворимой взвеси в соотаве щелочного реагента, мг/л.

Содержание железа в отстоенной воде (мг/л) определяется из выражения

^ -И.

В целях интенсификации процесса декантации хлопьев гидроксида железа (Ш) рекомендуется применение коагулирования алюможелезными коагулянта?® и флокулирование активной кремнекислотой, для получения которой в работе был использован хлор.

Как видно из изложенного, в основе реагентного обеьжелезпвшшя природных вод лежит разрушение комплексных органически: соединений железа о помощью окислителей или повышением ее рН, обеспечение условий для гидролиза солей железа, образование хлопьев гидроксида железа (Ш) и их укрупнение путем коагулирования и флокулирования, а затем выделение в осадок или отделение от воды при фильтровании через зернистые материалы. Продолжительность фильтроцикла Т скорого фильтра в ятой схеме определяется выражением,

Т - /2

^ = Ре • { -(b2.il +0,331/;-001^

)

(23)

Леферризация и деманганация води биохимическим окислением в биосорберах по В.Н.Швецову и Т.Пейчеву основана на двух параллельно протекающих процессах: химического и биологического окисления железа (П) и марганца (П). Первый процесс бол подробно рассмотрен в ¡.по. Второй, как показали налы исследования, основан на'жизнедеятельности таких бактерий как Галлионелла, Лептотрикс, Металлогениум, Ферругинеа, Сфакротилус дискофорус, Псеудомонас мангонооксидантс, Гифомикробпус вульгаре. Для их жизнедеятельности необходимы кислород, тлезо, марганец, органические вещества,:'небольшие количества фосфора, кальция и соединений аммония. Определяющими факторами являются — 5 мг/л; рН ^г 5,5; 0,05 В для д^л дамангана-

ции; Е^ 0,3 В для нитрифцкйции и 1 8°С. Последнее обстоятельство является сдергивающим условном для применения рассматриваемой технологии.

При небольшом содержании в исходной воде толеза (П) - до 3 мг/л и марганца (П) - до I мг/л можно отказаться от скорых фильтров. В остальных случаях после аэрации должны следовать скорые 'ильтры с крупной фильтрующей загрузкой для извлечения железа, а затем бпосор-бер с мелкозернистой загрузкой для доочистки от железа и извлечения марганца. Период зарядки биосорбора в процессе удаления марганца при температуре воды 8-15°С может длиться 6-8 недель и более. Объем осадка, образующегося при биохимическом окислении железа и марганца, и теля прироста потерь напора в несколько раз меньше, чем при обычно применяемых технологиях.

.Обезжелезивание подземных вод со стабилизацией Фильтрата производят путем упрощенной аэрации и фильтрования через модифицированную (щелочным реагентом) зернистую загрузку. Результаты определений состава осаженных пленок на поверхности зерен фильтрующей загрузки методом растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанали-

4о-

за показали, что первоначально на поверхности зерен "чистой" загрузки присутствуют оксиды кремния, натрия и калия, фосфора, серы, хлора и др. После окончания фильтроцикла в составе пленки наблюдались оксиды железа, марганца, кальция, магния, кремния и др.

Полученные результаты позволяют описать процесс обезжелезивания и стабилизации воды следующим образом. При фильтровании аэрированной воды через модифицированную загрузку первоначально происходит адсорбция железа (П) и кислорода на зернах загрузки. Затем железо (П) ок-

сидируется и переходит в железо (Ш), которое в результате взаимодействия с гидроксилышми ионами образует практически нерастворимый, при обычных значениях рН воды, гидроксид железа (Ш). При этом одновременно параллельно протекают реакции ионного обмена и замещешш, т.е. достигается глубокое обезжелезивание воды, растет жеоткость фильтрата и он стабилизируется.

Математическая обработка результатов експериментов о целью получения расчетных формул для нахождения фильтроцикла по стабильности фильтрата Т^ и по достижению предельной потери напора Тп была произведена в два этапа:

- используя уравнепия диффузионной кинетики и экспериментальные данные, выводился ряд формул, связывающий основные факторы процесса п фильтроцикл;

- после усреднения данных экспериментов, путем использования метода наименьших квадратов, определялись неизвестные коэффициенты, входящие в расчетные формулы.

В результате были получены следующие расчетные формулы

-0,0 31

где См - концентрация модификатора, кг/л; Тп - продолжительность модификации, мин; ( Р — Р^ ) - напор, под действием которого фильтруется вода, м.

Предупреждение травертннообразования и обезжелезивание минерализованных подземных вод, характеризующихся концентрацией железа (П) до 40 от/л, минерализацией воды до 140 г/л, рН^ 6,8; мг-экв/л;

0К^:9,5 мг02/л и содержанием свободного оксида углерода до ICO itr/л, рекомендуется производить аэрацией барботировшшем с последующи:.! дву-ступенным фильтрованием. Воздушно-водяное отношение варьируется в пределах от 10:1 до 33:1, время контакта io-zü гтшгут. В качества загруз Ю1 контактного фильтра рекомендуются гранулы зспенэнпсго полистирола.

В основе процесса лежит десорбция растгорекаая в вода газов, по-Ei5uein:e р!1 и Е з результате аэрации, оксидация железа (П) о образованием птдроксада железа (Ш) и отделение ого от води при фильтровании. Следует отметить, что с повипоиием минерализации води скорость оксидации железа (П) уменьшается.

Для предупреждения травертлнообразоватая при передаче обезжеле-зо:шой минерализованной воды по трубопроводам и в хеплообкзшшх аппаратах хорошие результаты были достигнуты пси использовании нлтрилот-рикотнфесфановой п оксиэяшщеидафосфоновой кислот дозиз 0,5-5 иг/л в зависимости от карбонатной жесткости.

Деманганацая волн методом глубокой аэранни с последующим ¿лльт-сованием возможна при соотношении железа. (П) к марганцу (П) {J5—7j :I. результаты экспериментов позволяют объяснить механизм явления. В г;эж-поровом пространстве загрузки образуется гидроксид железа (Ш), величина дзета-потенциала которого равна нулю при рН - 6,7. Положительно заряженные ионы железа (П) и марганца (П) сорбируются осадком из

соединений железа (Ш), имеющими отрицательный дзета-потенциал при . рй^.7. Поскольку при повышении значения рН отрицательная величина дзета-готенцкала растет, то адсорбция ионов железа (П) и марганца (П) увеличивается. Под действием растворенного в воде кислорода ионы железа (П) окисляются до железа (Ш), гидролизуясь, они образуют на поверхности зерен загрузки качественно новый сорбент, состоящий из соединений железа, который и сорбирует ионы марганца (П). Растворенный в воде оксид углерода также сорбируется этим сорбентом, ухудшая эффект очистки за счет понижения значения рН. Сорбционный характер извлечения марганца подтверждается изотермой адсорбции по результатам производственного эксперимента, график которой адекватен изотерме Бедеккера-Срейндлиха.

Достоинством этого метода очистки является возможность удалять марганец не только из вод, в которых он присутствует совместно с железом, но и из вод, где железо отсутствует, создавая необходимые уо-ловия для адсорбции ионов марганца (П) добавлением в воду одного из самых дешевых реагентов - железного купороса.

Деманганания воды фильтрованием через модифицированную загрузку. Метод фильтрования аэрированной воды через загрузку, обработанную окислами марганца, небезупречен. Его недостаток заключается в постепенном измельчении частиц, образующих покрытие зерен загрузки, и проскоке их в фильтрат. Попытки исправить недостаток растворе1шем этих частиц до момента, при котором они обретали способность проскакивать в фильтрат, усложнили процесс очистки воды. Другой недостаток деман-ганации фильтрованием через "черный песок" заключается, в значительном расходе перманганата калил. Нами был запатентован метод деманга-пации воды фильтроваш!ем через модифицированную загрузку, которая приготовляется последовательным пропуском снизу, вверх через кварцевый песок растворов железного купороса и перманганата калия, что дает экономию последнего. Дня закрепления образующейся пленки из гад-

роксида железа и оксида марганца на збрнах фильтрующей загрузки последнюю дополнительно обрабатывают тринатрийфосфатом или сульфитом натрия. Обрабатываемая вода фильтруется сверху вниз со скоростью &-10 м/ч. Производственные испытания метода подтвердили ого универсальность и высокие технико-экономические показатели.

Очистка воды от марганца сильными отшслителями. Скорость окиоле-ния ионов марганца (П) хлором, озоном, оксидом хлора зависит от величины рН среды. Хлор - сильны^ окислитель, однако офсхзкт окисления им марганца может быть достаточно полным при значениях рН - 0-8,5; что требует подщелачзгаания воды.'На окисление I мг M п. (П) в Мп,(Ш) требуется 1,3 мг хлора. Наши исследования покапали, — тель (кислород) в присутствии более сильного (хлора) - активизируется. Это позволило разработать технологию деманганащш воды, сущность которой сводится к глубокой аэрации воды, что влечет за собой повышение рН, обогащение воды кислородом воздуха, окислешш железа (П) с образованием гадроксида. Затем в "водяную подушку'' фильтра вводится хлор, воздействующий как окислитель и Kait катализатор окислительного действия растворенного кислорода. В результате б норовом пространстве фильтрующей загрузки формируется гидроксид железа (И), на поверхности которого адсорбируется, а затем окисляется марганец (Л). Образующийся оксид марганца (1У) также катализирует процесс окисления марганца (П).

Процесс деманганацли воды зависит от ее температуры, рН, окис-ляемости, присутствия силикатов, соотношения Ра (П) / Miv(R). Результаты экспериментов показали, что для успешного осуществления этого кзтода требуется соблюдать соотношение Ре (П) / Ми (П) — 3.

Леманганация и деферризация подземной воды озонированием целесообразна при содержании железа (П) и марганца (П) соответственно до 20 и до 5 мг/л при их соотношении 2-3, окисляемости до 20 мг02/л,

-а-

рН:Ь6,7; щелочности и бикарбонатной жесткости свыше соответственно 1,5 и 2 мг-экв/л; Е - не менее +0,1 В; содержании оксида углерода и сероводорода соответственно до 70 и до 12 мг/л. Сущность метода заключайся в первоначальной деструкции железо-марганецорганических соединений и формировании коллоидов гидроксида железа (Ш), на поверхности которыхоггдаруютсясмарганец (П), железо (П), кислород. Далее вдет процесс их оксидации о образованием гидроксвдов, которые извлекаются из воды при фильтровании. ^Основными факторами, влияющими на процесс, являются: концентрации железа (П) и марганца (П) в исходной воде и их соотновение, рН, щелочность, окисляемость, температура воды, доза озона, продолжительность контакта озоновоздушной семи с водой, окислительно-восстановительный потенциал.

Доза озона (0оз, мг/л) может быть определена по эмпирической формуле

0оз =в(8-оЛ5Ге(в)кч-53бМа(я)-5,озМ^о,б90К-2ДрНи. (25)

Использовшше в рассматриваемой технологии озонаторов на факельном разряде, не требующих предподготовки воздуха, делает ее предпочтительной по сравнению с обычно применяемыми для кондиционирования подобных"вод.

2. Совместное извлечение из воды железа и фтора, железа и селена

Совместная деферризация и деДторирование подземной воды фильтрованием через модифицированную сульфатом алюминия зернистую загрузку может применяться при содержании железа (П) и фтора (-1) соответственно до Ю и 8 мг/л; рН^: 6,7; Щ^:1,35 мг-экв/л; ОКгЁ 6,5 мг02/л; низком содержании сульфатов и при любой производительности. Механизм дефторирования воды основан на ионообменном процессе: сульфат - ионов на ионы фтора. Исследования этой технологии позволили отработать параметры зернистой загрузки, процессов модификации, фильтрования и промывки.

При содержании в исходной воде железа (П) до 40 мг/л и фтора (-1) до 16 мг/л била исследована и рекомендована технология, предусматривающая обработку воды сильным окислителем, коагулирование окои-хлоридом алшиния или алюштатом натрия, фильтрование через слой взвешенного окснгидрата алюминия, затем глубокая аэрация воды и фильтрование на КЗЭ.

Совместное извлечение из' подземных вод железа и селена (селенит-п селенат-ионы, оргшшческие Соединения селена) соосатдоштм пщро-ксида железа (П) и селена, который при рН 8 (оптимально рН ® 6-7) хорошо адсорбируется на его йоверхности. Механизм адсорбционного со-осалдешш селена осуществляется за счет образования трупиопаствортших селенитов железа, которые адсорбируются хлопьями гидроксида железа (П) и увлекаются в осадок. Технология применима при содержании железа (П) до 20 мг/л, селена до 0,2 мг/л, рН ^ 6, Щ 1,35 мг-экп/л, 0К-=£6,5 мг02/л.

Технологическая схема предусматривает глубоку» аэрацию, обработку з слое взвешенного гидроксида железа (Щ) и фильтрование на фильтрах большой грязеемкости. В целя:? интенсификации процесса рекомендуется после аэрации ввод сильного окислителя и коагулянта. Вместо оо-ветлителя со взвешенным слоем возможно применение тонкослойного отстойника с вихревой камерой хлопьеобразования.

2. Дефторирование воды

Для дефторировшшя воды рекомендуются ряд технологай, классификация которых впервые представлена в табл. 3. Наш были изучены новые технологии дефторировшшя воды сорбцией и ионным обменом при использовании аш.юмодифицировашшх бентонитовых глин, дробленого кпшопти-лолнта и неорганического сорбента "Термоксвд-2".

При использовании клиноптклолита, который в 20 раз дешевле активированного оксида алюминия, технологическая схема реализуется упро-

Таблица 3

Классификация технологий дефторирования соды

Технологии дсфторирования воды, дополнительные характеристики Показатели качества исходной воды

мг/л рН щ мг-экв/л НгБ мг/л мг/л

1.Реагентные методы

Сорбция нэ взвешенном гидроксиде магния, фильтрование, стабилизация до 40 9.4 • 10,5 св.7,0 ДО 2

Сорбция на сагжеобразо-ванном основной сульфате или хлориде алюминия, шльтрование, стабилизация до 20 4,5.6,0 да 6,0 [Н[[< до 100

Сорбция во взвешенном слое трикальцнйфосфата (пшроксилапатита «ли суперфосфата), фильтрование, стабилизация до 8 св. 7.5 св. 7.0

Сорбция на модифицированной взвешенной бентонитовой глине, отстаивание о тонком слое, фильтрование до 18 до 6,6 до 6,0 До 20 100

Фильтрование через . модифицированный клинепткло-лит или сорбент «Термо-ксид» до 8 6,5-7,5 до 10 до 2 и

Фильтрование через активированный зернистый оксид алюминия до 6 до 7,0 И и »*

Ионным обменом при одновременном опреснении соды до 10 6.6-7.5 6-7 и

Контактно-сорбцнонный метод, реализуемый на КО-3 до 5 па 7,0 Лоб до 2 до 100

Известкованием с добавкой хлорида кальция или ПАА, отстаивание в тонком слое, фильтрование, стабилизация до б 11-12 св. 7,0 до 20

2. Безрсагснтные методы

Электротгтичсская коррекция рН, злектрокоагуляция, фильтрование ДО 10 6,4-6.6 До 5,0 До 20

Электрокоагуляция и флотация, фильтрование до 20 6.3-7.0 до 40

Сорбция на гранулированных активных углях цо 5,0 3-3.5 И

Обратным осмосом при одновременном опреснении воды. <3 5 1000 м3/суг до 10 6,5 - 8,5 до 2 до 800

Электродиализом при одновременном опреснении воды до 5,0 6,5-7,5 »» ___■ ___"___

¡данной аэрацией для десорбцшг сероводорода и оксэда углерода с последующим фильтрованием на скором фильтре о зернистой загрузкой .модифицированной солями алюминия. Механизм дефторированил заключается в параллельно происходящих процессах ионного обмена (ионов НСО3 и Р~ на ¿0^") и сорбции, что подтверждено изотермой сорбции. Сорбционноя емкость клиноптилолита по фтору 430-450 г на I м3 сорбента, его реге-норация осуществляется 1-1,5% раствором сульфата ил.: оксихлорида (или

их смесью) в завис 1Ш0сти от ¡('сходной концентрации з водо сульфатов

/

и хлорвдов. I

Для расчета и проектирования установок с олюмомодифицированным клиноптилолитоы построена номограмма, позволяющая по данным хкмичрп-кого анализа води определить высоту фильтрующего слоя, скорость филь-трованип и продолжительность защитного дейстгил загрузи!.

Технология дефторированил воды сорбентом "Термоксид" аналогична описанное вызэ. Его сорбционная емкость по фтору 1000-1100 г на I м3 сорбента.

Дефторирование воды с использованием модифицировавшей бентонитовой глины (!.!БГ) первоначально предусматривает десорбцию сероводорода и оксида углерода, затем ввод в воду МЕГ перед камерой запламлен-ного типа, встроенной в отстойник с малой глубиной осаздения, и фильтрование на скорых фильтрах. 3 качестве модификатора использовал:.!, соля алхглпкя, доза суспензии модифицированного бентонита ^ может быть псйдсна по змпирической формула

Дд =_Ги " Р"_ , (26)

141,9 + I,2FJ( -9,8рН - 0,7Щи -0,5(М/Б)

где '{/Б - огаспэтше модификатора к бентониту.

По формуле (2С) была построена номограмма, позволяющая по хими-ческсму анализу исходной воды определить дозу суспензии МЕГ.

Как показали результаты натурных экспериментов рециркуляция осад-

ка из отстойников повышает эффект дефторирования воды и позволяет снизить расход модификатора на 8-10$.

4. Извлечение из подземной воды брома и бора ионным обменом обусловлено в основном электростатическими силами, влиянием структуры высокомолекулярного каркаса ионита и свойствами'обрабатываемой воды.'

Результаты исследований по дебромизации воды с использованием ряда анионитов в различной форйе показали преимущества анионитов АН-511 с А^ и АВ-17-8с в хлор или СН-форме. Его обменная емкость по брому составила 825 мг-экв/л.

Экспериментальное определение изотермы сорбции брома показали, что она линейна. В атом случае математическое описание процесса может быть предотавлено в виде

Ъ - _ Ж . ^ _ ^ . (27,

фс ~ гт ' ът * '

где ^ - кинетический коэффициент, зависящий от обменной емкости анионита.

Тр есть процесс рассчитывается как бы для однокомпонентной системы, что справедливо для больших значений параметра

Извлечение бора сниониташ; ЭДЭ-1СШ, ЭЕА-400, АВ-Х7-8с; ЛНБ-11М, АН-31; АНБ-1Ш в хлор, сульфат, и гидроксильной форме показало преимущества последнего в СН-форме. При этом с повышением температуры обрабатываемой воды процесс цротекал успешнее.

При математической обработке результатов экспериментов с целью получения расчетных формул исходили из уравнений массопсреноса и диффузионной кинетики, что позволило-получить выражения для определения остаточного содержания бора в фильтрате В0 и продолжительности фильт-роцикла Т.

К*

1 - ¡Ь-Вп "Н V /В-Би У (28)

5. Экологически недекнсз удаление из воды сероводорода, оксгша углерода и метана

Изодгфнио из поди сероводорода фильтрованием.через зернистую" загрузку, мода$глцировтну» железны?.! купоросом и пормаяганатом калия,

основа:ю на гэтерогегагой каталитической реакция, которая проходит в

I

пять последовательных стадий^ транспортирование реагентов к поверхности катализатора, абсорбция реагентов, каталитическое прозращзние на поверхности, десорбция прсдугисй роо,^«/» >\ их ^анояоргарезягве от поверхности катализатора.'

Благодаря тему, что кроме самой поверхности фильтр^сго кате-риала й прецзеез сор<Зц:п1 принимает участив образуетдясл з хода ш--зсксЗ рзалгя! тошсодисперсиая взвесь сульфида якшза, поверхность адсорбция постоянно растет; кромз этого, по сравнению с друтаа од-сорбтигл-та, площадь поверхности адсорбента, когору» засп-лег мслзку-ла сероводорода, небольшая - 0,00-0,1 я-/и2. Исходи из этого, жтю закязчпть, что значительная часть сероводорода удаляется из соды в результате базичзской сорбция, которая вызвана силами молзкуяяриого взаимодействия.

Таким образе?,в результате оксидации сероводородгшх соединений з йиьтругпзй загрузка образуются оксиды железа н марганца л элементарная езра. Дет реализации процесса используют фильтровальные аппараты, рзагентакэ баш! я отстойники оборота промывной воды. Продолжительность йиьтроцакла находится из выражения

т - Е^ЧМ .

где &. — X (С .' и )- функция, описывающая процесо образования

< Л V нх$ о' о р7г л \

серы в результате окисления сероводорода;^ ^ ФУНИ51Я«

-характеризующаяся скоростью восстановления диоксида' марганца сероводородом в загрузке; М, Ш- начальная и конечная масса активной ка-галиотической пленки. Для нахождения функций ^ и ^ была составлена программа.на языке ФОКАЛ для ЭВМ.

удаление диоксида углерода и метана из подземных вод в вакуум-ежекционных дегазаторах с использованием минерализованной воды позволяет решить задачу разделешш двухфазных систем с последующей утилизацией выделившегося газа. Обработка экспериментальных данных и ис-пользовшше ыатекатической модели ыассопереноса в интерпретации А.А.Кастальокого позволили составить систему уравнений, которые описывают процесс деоорбции из воды метана (индекс А) и оксида углерода (индекс В) / ГО0,12 I /\ л

где С - равновесная концентрация газа; С и С_ - концентрация га-

^Р г- < 1

за на входе и выходе дегазатора; О - удельная поверхность насадки; Ъ - коэффициент диффузии; А и А „ - эмпирические коэффициенты.

А О

Система уравнений (30) является математической моделью вакуумной дегазации при двухкомпонентной газовой фазе. Решая уравнения (30), можно рассчитать дегазатор или определить эффект десорбции газов.

6. Извлечение из воды нитратов ионным обменом заключается в обмене хлор-ионов (сульфат-, бикарбонат - либо ОН-ионов) на нитрат ионы. Попутно из воды могут извлекаться сульфаты, фториды и другие анионы. Исследованные аниониты ЭДЭ-Юп, АВ-17-8с, АН-31 и другие показали низкую обменную емкость по нитратам, так как одновременно происходила сорбция других анионов, присутствовавших в исходной воде. Лучшие

-Si -

результаты были достигнуты при использовании нитрат селективного анионита 0П-102 в хлор- или ffl-форые. Его обменная способность по ннтрат-исну составила 126 г на I кг смоли в оухоч соотояшш.

7. Умягчение воды о использованием ультрайвука

Кавлтацлошшй процесс, Являющийся основой ультрачгукового метода активизацип годы, характеризуется сложностью и шогофахторностью язлзкяа, прсиохоляпях в «анимационной полости. Специфпчоскио эффвх-тп, вноиваегдга ультразвуковой павитациой в водной среда, разнообразны: дослоргяровшиэ; коагулирование; ускорение ироцесоов растзсрения п кристаллизации, ускорение ™ ¿»шиит* цолямори-

эацая, дегазация; ускорение' дкффртио;шнх процессов.

При беэрепгептнп использоваши ультразвука наЛяиаз'.'сл склгз-кио пеогсостп воды на 10-13/'. При 30-тн секундной реагентной ультразвуковой обработке воды достигается э^фзк? os умягчоиия екслогичный 1,5 часовое рзагептпону отстаивании с предварительным яерекзгиваии-ем. Прсцосо реагонтпого умягчения воды с использованием /льтразвука описывается эь;пирлт;естсг.: выражением

^ГТ я °'071 + °»03 т где Т - ьрэгл озвучиваем; о- доза избости.

И

0. Но обороту промывных вод и обработке осадка специалыпяс исследований не проводилось. Однако, на основании опыта эксплуатации моязю рекомендовать для установок обесжелезивония води отстаивание промывных

вод после фильтров в течение не менее 4-х часов, а затем использование осветленной воды повторно. Обезвоженный на фильтр-прессах осадок можно использовать для получения охры. Осадок из осветлителей и отстойников обычно передаётся в усреднитель и далее в сгустители с медленным перемешиванием в течение 7 -10 ч. Обезвоживание осадка оптимально производить на фильтр-прессах с добавкой •извести или ПАА.

ВЫВОДЫ

•1. Определены и изучены физико-химические факторы, влияющие ; на генезис и условия формирования качества подземных вод, на выбор технологии их кондиционирования. 1С их числу относятся: щёлочность, окисляемость, карбонатная жёсткость и рН воды, окислительно-восстановительный потенциал, температура и минерализация воды, концентрация и форма (минеральная или органическая) извлекаемого ингредиента, содержание хлоридов, сульфатов и сульфидов, соединений азота, свободного оксида углерода и сероводорода, содержание сульфат-, ферро-и марганобактерий;

2. Впервые предложены классификации технологий деферризации, деманганации и дефторированил подземных, вод, позволяющие аналитически выбрать метод УКВ адекватно их качеству.

3. Разработаны, теоретически и экспериментально исследованы новые технологии и сооружения деферризации, деманганации, дефто* рирования, а также совместного извлечения из водь! железа и марганца, железа и фтора, железа и селена, железа со стабилизацией фильтрата.

4.' Разработаны и исследованы ионообменные технологии извлечения из воды бора, брома, нитратов,

5. Впервые предложены, теоретически и экспериментально исследованы экологически безопасные эффективные техиолопш и сооружения по десорбции из воды растсорёшшх газов: сероводорода, оксида углерода, метана. ,

6. Впервые. определены и изучены методы обезжеяезиваиия и предупреждения травертинообразования минеральных вод.

7. Результаты комплексных исследований по умягчению воды с использованием ультразвука показали его эффективность и позволили определить область применения.

8. Разработано и экспериментально подтверждено новое направление УКПВ фильтрованием через модифицированную зернистую загрузку, на основе которого созданы и изучены новые технологии и сооружения. •

9. Составлены математические описания ряда процессов УКПВ, определены их расчётные параметры, уточнены области применения.

-УЗ-

10. Разработаны и утверждены руководством Владимирской области технические указания по выбору подземных источников централизованного водоснабжения сельскохозяйственных объектов., методов, технологических схем и сооружений водоподготовкн.

11. Разработаны научно обоснованные рекомендации на проектирование, строительство и эксплуатацию установок кондиционирования подземных под,

12. Совместно с проектными организациями Согозводоканалпро-скт, Казводпроект, Воснпроект, Совннтерсод, Моспшротранс, Ги-проторф, ГПИ-б и др. разработаны проекты сооружений водоподго-тошеи и выданы рекомендации ¡¡а реконструкцию 38 водоочистных комплексов.

13. Экономический эффект от внедрения новых технологий только по обезжелезизаншо подземных бод составил по подтверждённым

данным 1.2 млн. руб. в ценах 1984 года.

}

Содержание исследований опубликовано в 7 монография;', и' справочниках, в 16 учебниках и учебных пособиях и в ПО стптъах п тг»; числе:

1. Николадзе Г. И. «Обезжелезизание природных и оборотных под, Стройнздат, 1978 год,

2. Габович Р. Д., Николадзе Г. М., Савельева Н. П. «Фторирование и обесфторизание питьевой волы», Медицина, 1968 год.

3. Николадзе Г. И. «Коммунальное водоснабжение и канализация» Стройнздат, 1933 год.

4. Черкннскни С. Н., Беляев И. Н., Николадзе Г. И и др. «Руководство по гигиене водоснабжения» Медицина, 1975 год.

5. Николадзе Г.И. «Водоснабжение» Стройнздат, 1972, 1979, 1939 годы.

6. Альтшуль А. Д., Кедров В. С., Николадзе Г. И. «Гидравлика, водоснабжение и канализация гоподов» Высшая школа. 1967, 1969, 1972, 1974, 1976 годы.

7. Николадзе Г. И., Минц Д. М., Кастальский А,, А. «Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения» Высшая школа, 1984 г., Мир, 1989 на английском языке.

8. Монгайт И. Л., Текнниди К., Д., Николадзе Г., И. «Очистка шахтных вод» Недра, 1978 год.

9. Николадзе Г. И., Циклаурн Д., С. «Гидравлика, зодсснабжение и канализация сельских населённых пунктов» Стройнздат, 1982 год.

10. Тлжнбаеп Л. Е., Усенко В. С., Николадзе Г. И. и др. «Сельскохозяйственное водоснабжение» Агропромиздат, 1992 год.

11. Николадзе Г. И., Сомов М., А. «Водоснабжение» Стройнздат, 1995 год.

12. Прозоров И. В., Николадзе Г. И., Минаев А. В. «Гидравлика, водоснабжение и канализация» Высшая школа, 1975,1990 годы.

13. Николадзе Г. И. «Улучшение качества подземных вод» Строй-издат, 1987 год.

14. Николадзе Г. И. «Технология очистки природных вод» Высшая школа, 1987 год.

15. Авторские свидетельства на изобретения №№ 780416; 947066; 1534006; 1368846; 1178478; 697396; 722848; 732211; 1224265; 941303; 1153974; 654546; 685630; 631455; 1058898; 1528738; патент №2057077.

Лицензия ЛР N5 020675 от 09.12.92 г.

Подписано в печать 05.10.96 г. Формат 60х84'/1б Печ. офсетная И- 320 Объем 3,5 пл. ТЮ0 Заказ

Московский государственный строительный университет Типография МГСУ, 129337, Москва, Ярославское ш.,26