Обезжелезивание и деманганация воды

В. В. Банников, канд. техн. наук
Директор предприятия «Экосервис Технохим»
(www.etch.ru)

Содержание

1. Обезжелезивание воды

 1.1. Химизм процессов в воде с участием железа

 1.2. Методы обезжелезивания воды

  Упрощенная аэрация

  Аэрация на специальных устройствах

  Коагуляция и осветление, известкование

  Введение реагентов-окислителей

 1.3. Скорые напорные фильтры обезжелезивания

 1.4. Каталитические наполнители

2. Деманганация воды

 Глубокая аэрация с последующим фильтрованием

 Деманганация перманганатом калия

 Каталитическое окисление марганца

 Фильтрование через модифицированную загрузку

 Введение реагентов-окислителей

Литература

1.2. Методы обезжелезивания воды

Для обезжелезивания поверхностных вод используются только реагентные методы с последующей фильтрацией. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработки воды:

• упрощенная аэрация,
• аэрация на специальных устройствах,
• коагуляция и осветление,
• введение реагентов-окислителей, таких как хлор, гипохлорит натрия или кальция, озон, перманганат калия;

При мотивированном обосновании применяют и другие методы, например катионирование, диализ, флотация, электрокоагуляция и др.

Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа Fe(OH)₃ или в виде коллоидальных органических соединений, например гуматов железа, используют коагулирование сульфатом алюминия или железным купоросом с добавлением хлора или гипохлорита натрия.

В качестве наполнителей для фильтров в основном используют песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а также фильтрующие материалы, обработанные катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное. В последнее время все большее распространение получают наполнители с каталитическими свойствами: Manganese Greensand (MGS), Birm, МТМ и МЖФ.

При наличии в воде коллоидного двухвалентного железа требуется проведение пробного обезжелезивания. Если отсутствует возможность осуществить его на первой стадии проектирования, выбирают один из вышеперечисленных методов на основании проведенного пробного обезжелезивания в лаборатории или опыта работы аналогичных установок.

Упрощенная аэрация

В процессе аэрации кислород воздуха окисляет двухвалентное железо, при этом из воды удаляется углекислота, что ускоряет процесс окисления и последующий гидролиз с образованием гидроксида железа.

Этот метод допускается применять при следующих качественных показателях воды [1,2]:

• общее содержание железа до 10 мг/л, при этом содержание двухвалентного железа не менее 70%;
• величина рН не менее 6,8;
• щелочность более (1+ [Fe²⁺]/28) мг-экв/л, где [Fe²⁺] - концентрация двухвалентного железа в мг/л;
• содержание сероводорода не более 2 мг/л;
• перманганатная окисляемость не более (0,15[Fe²⁺] + 5 мг/л О₂).

Если одно из этих условий не выдерживается, нужна предварительная аэрация воды в аэраторах с добавлением в нее необходимых реагентов (хлор, гипохлорит натрия, перманганат калия и др.)

При содержании в воде сульфата железа FeSO₄ аэрация воды не позволяет провести ее обезжелезивание. Это связано с тем, что при гидролизе растворенной соли железа образуется кислота, понижающая рН воды менее 6,8, и процесс гидролиза почти прекращается. Поэтому для удаления из воды кислоты требуется ее известкование с осаждением плохо растворимого гипса CaSO₄:

FeSO₄ + Ca(OH)₂ = Fe(OH)₂ + CaSO₄ (3)

После известкования требуется отстаивание и фильтрация воды.

Упрощенную аэрацию можно реализовать путем излива воды в карман или в центральный канал открытых фильтров с высоты над уровнем воды 0,5-0,6 м.

При использовании напорных фильтров воздух вводят непосредственно в подающий трубопровод с нормой расхода 2 л на 1 г железа Fe²⁺. Если в исходной воде более 40 мг/л свободной углекислоты и более 0,5 мг/л сероводорода, то воздух в трубопровод не вводят. В этом случае перед напорным фильтром необходимо установить промежуточную емкость со свободным изливом воды и повысительный насос.

СНиП [1] определяют расчетную скорость фильтрования при обезжелезивании воды упрощенной аэрацией с помощью нижеследующей таблицы.

Таблица 1

Характеристика фильтрующего слоя при обезжелезивании воды упрощенной аэрацией					Расчетная скорость фильтро- вания, м/ч
Мин. диаметр зерен, мм	Макс. диаметр зерен, мм	Эквивалентный диаметр зерен, мм	Коэффициент неоднород- ности	Высота слоя, мм
0,8	1,8	0,9 -1,0	1,5 - 2	1000	5 - 7
1	2	1,2 - 1,3	1,5 - 2	1200	7 - 10

Используя характеристики конкретного наполнителя фильтра и руководствуясь параметрами табл. 1, можно выполнить расчет фильтровальной станции. СНиП [1] требует, чтобы продолжительность работы фильтров между промывками составляла при нормальном режиме не менее 8-12 часов и не менее 6 часов при форсированном режиме или при полной автоматизации промывки фильтра.

Общую поверхность фильтрования можно определить по формуле:

F = Q / (T_стv_н - n_прq_пр - n_прt_прv_н), (1)

где Q - полезная производительность фильтровальной станции за 1 сутки, м³; T_ст - продолжительность работы станции в течение суток, ч; v_н - расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч, принимаемая по табл. 1, с учетом соотношения (3); n_пр - число промывок одного фильтра в сутки при нормальном режиме эксплуатации; q_пр - удельный расход воды на одну промывку одного фильтра, м³/м² (определяется из паспортных данных фильтра и эксплуатационных характеристик наполнителя); t_пр - время простоя фильтра в связи с промывкой, ч (определяется из паспортных данных фильтра и рабочих характеристик наполнителя).

Количество фильтров в составе фильтровальной станции производительностью более 1600 м³/сутки должно быть не менее четырех. При производительности более 8-10 тыс. м³/сутки количество фильтров N следует определять с округлением до ближайших целых чисел (четных или нечетных в зависимости от компоновки фильтров) по формуле:

N = (F)^0,5 / 2 (2)

При этом должно быть выдержано соотношение:

V_ф = V_н N / (N - N₁) (3)

где N₁ - число фильтров, находящихся в ремонте; V_ф - скорость фильтрования при форсированном режиме.

Аэрация на специальных устройствах

Аэрация на специальных устройствах используется, когда необходимо удалить из воды железо при концентрации его в воде выше 10 мг/л и увеличить величину рН выше 6,8.

Для осуществления аэрации используют вентиляторные градирни (дегазаторы), либо контактные градирни с естественной вентиляцией. На рис. 1 представлена схема установки для обезжелезивания воды аэрацией. Исходная вода через патрубок 1подается в верхнюю часть вентиляторной градирни, заполненной керамической насадкой 4 (кольца Рашига размером 25х25х4 мм) или деревянной хордовой насадкой из брусков. Навстречу потоку воды с помощью вентилятора 5 направляют воздух. В процессе аэрации выделяется углекислота (диоксид углерода), а вода обогащается кислородом. Из градирни вода стекает в контактную емкость 7, откуда насосом подается в напорный фильтр. В объеме наполнителя фильтра завершается образование хлопьев гидроксида трехвалентного железа и их задержание.

Рис. 1. Схема установки обезжелезивания воды аэрацией.

1 - патрубок для подачи исходной воды в вентиляторную градирню; 2 - водосливные трубки; 3 - воздушные трубки; 4 - насадка; 5 - вентилятор; 6 - патрубок для отвода обработанной воды; 7 - контактная емкость с гидравлическим затвором; 8 - патрубок для выхода газов из градирни.

Площадь поперечного сечения дегазатора вычисляется исходя из плотности орошения (П_ор):

• керамическая насадка - 60 м³/ч на 1 м² площади дегазатора,
• деревянная хордовая насадка - 40 м³/ч на 1 м² площади.

Вентилятор дегазатора должен обеспечивать подачу не менее 15 м³ воздуха на каждый куб. метр обрабатываемой воды. Определение напора, развиваемого вентилятором, следует производить с учетом сопротивления насадки. На каждый метр высоты слоя керамической насадки «теряется» 30 мм вод. ст., а для деревянной хордовой - 10 мм вод. ст.

Время пребывания воды в контактной емкости t_конт (после дегазатора) составляет 30-45 минут.

Высота слоя насадки, необходимая для снижения содержания диоксида углерода в воде, определяется с помощью табл. 2. Содержание диоксида углерода в воде, подаваемой в градирню (дегазатор) зависит от концентрации растворенного (равновесного) свободного диоксида углерода [СО₂]_св, мг/л и карбонатной жесткости исходной воды, разрушаемой при водоподготовке, мг-экв/л [1,4,2]:

[СО₂] = ([СО₂]_св + 44 Ж_к) (4)

Таблица 2

Содержание СО2 в воде, подаваемой на дегазатор, мг/л	Высота слоя насадки в дегазаторе, м
	Кислотоупорная керамическая	деревянная хордовая
1	2	3
50	3	4
100	4	5,2
150	4,7	6
200	5,1	6,5
250	5,5	6,8
300	5,7	7

Блок аэрационного окисления входит в состав установки «Деферрит», разработанной НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды и выпускаемой предприятием «Водкоммунтех». Производительность установки по очищенной воде от 50 до 20000 м³/сут.

ПРИМЕР 1. Выполнить расчет установки обезжелезивания производительностью:

• суточная, Q_сут - 12000 м³,
• часовая, Q_час - 500 м³.

Содержание двухвалентного железа в исходной воде равно 8 мг/л, величина рН = 7,1.

Концентрация свободного диоксида углерода - 35 мг/л, карбонатная жесткость - 4,5 мг-экв/л.

Для аэрации использовать дегазатор с вентилятором. Насадка дегазатора - кольца Рашига.

1. Требуемая площадь дегазатора F_дег, м², определяем по формуле:

F_дег = Q_час / П_ор

Плотность орошения дегазатора, заполненного кольцами Рашига, составляет 60 м³/ч.

Тогда: F_дег = 500/60 = 8,33 м².

2. Диаметр дегазатора определим по формуле:

D = (4 F_дег/ 3,14)^0,5 = (4*8,33 / 3,14)^0,5 = 3,26 м.

3. С помощью выражения (4) определим содержание диоксида углерода в исходной воде: [СО₂] = (35 + 44*4,5) = 233 мг/л.

Высота слоя насадки из колец Рашига Н_р принимается в соответствии с таблицей 2 равной 5,5 м.

4. Производительность вентилятора дегазатора равна:

Q_вент = 15 * Q_час = 15*500 = 7500 м³/ч.

5. Напор, который необходимо развивать вентилятору, равен:

Н_вент = 30 * Н_р = 30*5,5 = 165 м.

6. Объем контактной емкости:

V_конт = Q_час t_конт /60 = 500*40/60 = 333,33 м³.

Если принять высоту слоя воды в контактной емкости в виде цилиндрического резервуара 8 м, то ее диаметр будет равен 7,3 м.

Коагуляция и осветление, известкование

Из поверхностных вод, как правило, необходимо удалить взвеси и коллоидно-дисперсные вещества, включающие соединения железа. Освобождение воды от взвеси и коллоидных веществ возможно осуществить только путем ввода специальных реагентов-коагулянтов. Данный метод обработки воды называют коагуляцией. Коагулянт образует в воде хлопья, которые адсорбируют на своей поверхности коллоиды и выделяются в виде осадка.

Рабочий режим и оборудование для осветления и коагуляции исходной воды выбирают исходя из характера и уровня содержания загрязнений. При этом если необходимо одновременно повысить щелочность воды и снизить ее солесодержание, рассматриваемые процессы совмещают с известкованием.

Процесс коагуляции достаточно сложен и нет строгих стехиометрических соотношений между дозой коагулянта и количеством растворенных коллоидных веществ в исходной воде. Поэтому дозу определяют методом пробного коагулирования.

В качестве коагулянтов применяют:

• сульфат алюминия (глинозем) Al₂(SO4)₃ * 18 H₂O при рН исходной воды 6,5-7,5;
• сульфат железа (железный купорос) FeSO₄ * 7 H₂O при рН воды 4-10;
• хлорное железо FeCl₃ * 6 H₂O для воды с рН 4-10.

Для интенсификации процесса коагуляции в воду дополнительно вводят флокулянты (наиболее распространен полиакриламид). Флокулянты способствуют укрупнению осадка и ускоряют процесс слипания осаждаемых коллоидных и взвешенных частиц [7].

При достаточном содержании в воде карбонатной жесткости (выше 1 мг-экв/л) коагулянты вначале образуют неустойчивые бикарбонаты (реакции 4), которые разлагаются с образованием хлопьев гидроксидов (реакции 5):

Al₂(SO₄)₃ + 3 Са(HCO₃)₂ = 2 Al(HCO₃)₃ + 3 CaSO₄ (4)

FeSO₄ + Ca(HCO₃)₂ = Fe(HCO₃)₂ + CaSO₄

2 Al(HCO₃)₃ = 2 Al (OH)₃↓ + 6 CO₂ (5)

4 Fe(HCO₃)₂ + O₂ + 2 H₂O = 4 Fe(OH)₃↓ + 8 CO₂

По реакции 5 видно, что для образования хлопьев гидроксида железа необходимо наличие в воде растворенного кислорода.

Если карбонатная жесткость исходной воды невелика, то ее подщелачивают раствором гидроксида натрия или «известковым молоком» (раствор Ca(OH)₂):

4 FeSO₄ + 4 Ca(OH)₂ + 2 H₂O + O₂ = 4 Fe(OH)₃ ↓ + 4 CaSO₄ (6)

Осветление и обесцвечивание мутных вод с повышенной жесткостью предпочтительнее осуществлять коагулянтами при высоких значениях рН, а цветных мягких вод - при пониженных рН.

При реализации процесса коагуляции температуру воды поддерживают в пределах 20-25 ^оС, а при осуществлении коагуляции с известкованием воду подогревают до 30-40 ^оС.

Дозу коагулянта сульфата алюминия обычно принимают в пределах 0,5-1,2 мг-экв/л. Для воды с умеренным (до 100 мг/л) содержанием взвеси и с небольшой окисляемостью дозу понижают, а для вод с содержанием железа и с высокой окисляемостью (15 мг/л О₂ и выше) ее повышают до 1,5 мг-экв/л. Для цветных вод дозу можно ориентировочно определить по формуле [7]:

Д_к = 4 (Ц)^0,5, (5)

где Д_к - доза коагулянта, мг/л; Ц - цветность воды, градусы.

Дозировка флокулянта полиакриламида в виде 0,1 %-ого раствора составляет 0,1-1,0 мг на каждый литр обрабатываемой воды (в пересчете на 100%-ный продукт). Флокулянт добавляют спустя 1-3 минуты после дозирования коагулянта с целью завершения формирования микрохлопьев и адсорбции загрязнений.

При необходимости подщелачивания воды дозу щелочи можно определить из выражения:

Д_щ = Э_щ(Д_к/Э_к - Щ + 1)*100/С, (6)

где Д_щ - доза щелочи, мг/л;

Э_щ - эквивалентная масса активной части пощелачивающего реагента, равная для извести 28 (в пересчете на СаО) и 53 для соды (в пересчете на Na₂CO₃), мг/мг-экв;

Э_к - эквивалент безводного коагулянта, равный 57,02 мг/мг-экв для Al₂(SO₄)₃; 75,16 - FeSO₄; 54,07 - FeCl₃;

Щ - общая щелочность исходной воды + 1 (резервная щелочность), мг-экв/л;

С - концентрация активного вещества в реагенте для подщелачивания, %.

Если величина Д_щ при расчете по выражению (6) отрицательна, то подщелачивания не требуется.

Когда в исходной воде содержание взвешенных веществ менее 100 мг/л, коагуляцию осуществляют непосредственно на осветлительных фильтрах с дозировкой коагулянта в подающий трубопровод. Расстояние от точки ввода коагулянта до фильтра должно составлять ≥ 50 диаметров трубопровода (50 Dу).

При концентрации взвеси более 100 мг/л в обрабатываемую воду помимо коагулянта вводят полиакриламид с соответствующим временным разрывом, а процесс ведут в осветлителе.

Дозирующие насосы подбирают исходя из максимальной дозы коагулянта. Cуточный расход коагулянта (в пересчете на безводный 100 %-ный продукт, кг) определяют по формуле:

P_к = 24*Q_час*Э_к*Д_к/1000, (7)

где Q_час - производительность установки по воде, м³/ч;

Э_к - эквивалент безводного коагулянта, равный 57,02 для Al₂(SO₄)₃; 75,16 - FeSO₄; 54,07 - FeCl₃;

Д_к - максимально требуемая доза коагулянта, мг-экв/л.

Расход раствора коагулянта находят при помощи следующего соотношения:

V_к = 100 *Р_к / (С_к*ρ_к), (8)

где V_к - суточный объем раствора коагулянта, м³/сутки;

С_к - концентрация коагулянта в дозируемом растворе, обычно равна 5-10 %;

ρ_к - плотность раствора коагулянта, кг/м³.

Введение реагентов-окислителей

Использование реагентов-окислителей, в первую очередь хлора, с целью обеззараживания, а также удаления железа, используется в России с начала ХХ века. Кульский Л.А. [8] указывал, что хлорирование почти во всех случаях освобождает воду от содержащегося в ней железа. После обработки разных вод этим методом содержание железа во всех случаях остается меньше 0,1 мг/л, причем этот метод эффективен, когда другие приемы не работают. Под действием хлора происходит разрушение гуматов и других органических соединений железа и переход их в форму неорганических солей трехвалентного железа, которые легко гидролизуются. В результате гидролиза выпадает осадок гидроксида железа, либо продуктов неполного гидролиза - основных солей железа различного состава. Эти процессы можно условно описать следующим брутто-уравнением:

4 Fe(HCO₃)₂ + 2 Cl₂ + 4 H₂O = 4 Fe(OH)₃↓ + 8 CO₂↑ + 4 HCl (7)

Как видно из уравнения (7) вода подкисляется. По стехиометрии (по уравнению реакции) на окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,64 мг хлора, при этом щелочность снижается на 0,018 мг-экв/л.

Хлор также окисляет двухвалентный марганец, разрушает органические вещества и сероводород.

Доза хлора в зависимости от содержания железа может составлять 5-20 г на 1 куб. метр воды при контакте, по крайней мере, 30 минут (не только для окисления железа, но и для надежного обеззараживания). При этом гигиенические требования допускают содержание свободного хлора в питьевой воде до 0,5 мг/л, а связанного до 1,2 мг/л.

СНиП [1] определяет расчетную дозу хлора (в пересчете на 100 %, мг/л) для целей обезжелезивания следующим выражением:

Д_х = 0,7 * [Fe²⁺], (9)

где [Fe²⁺] - концентрация двухвалентного железа в мг/л.

Дозу активного хлора для целей обеззараживания воды устанавливают на основе данных технологических изысканий. Если они отсутствуют, то для предварительных расчетов следует принимать 2-3 мг/л для поверхностной фильтрованной воды, 0,7-1,0 мг/л для вод из подземных источников.

Обработку воды хлором осуществляют с помощью хлораторов, в которых газообразный (испаренный) хлор абсорбируют водой. Хлорную воду из хлоратора подают к месту потребления. Хотя данный метод обработки воды и является наиболее распространенным, тем не менее, он обладает целым рядом недостатков. В первую очередь это связано со сложной транспортировкой и хранением больших объемов жидкого высокотоксичного хлора. На станциях водоподготовки необходимо наличие экологически опасных стадий хлорного хозяйства, таких как разгрузка емкостей с жидким хлором, его испарения для перевода в рабочую форму. Создание рабочих запасов хлора на складах представляет опасность не только для рабочего персонала станции, но и для населения [9].

Как альтернативу хлорированию в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлоритом натрия (NaClO), причем этот метод находит применение, как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах.

Водные растворы гипохлорита натрия получают химическим:

Cl₂ + 2 NaOH = NaClO + NaCl + H₂O, (8)

или электрохимическим методом:

NaCl + H₂O = NaClO + H₂, (9).

В соответствии с [10] раствор гипохлорита натрия, получаемый по химическому методу, выпускается в виде трех марок. Ниже приведены показатели по составу продуктов.

Марка	«А»	«Б»	«В»
Содержание:
активный хлор, г/л	190	170	120
гидроксид натрия, г/л	10-20	40-60	20-90

Обеззараживание воды и окисление примесей с использованием гипохлорита натрия, производимого электрохимически, впервые было применено в США в конце 30-х годов прошлого столетия. Дальнейшее развитие электрохимии, разработка конструкций новой электрохимической аппаратуры с использованием современных стойких электродных материалов, позволило создать установки, способные конкурировать с другими методами обеззараживания воды [9, 13].

В качестве примера можно указать электрохимические установки серии «Санатор^®», разработанные и выпускаемые предприятием «Экосервис Технохим». Установка «Санатор^®» готовит гипохлорит натрия из поваренной соли непосредственно на месте потребления. Кроме того, они снабжены устройством пропорционального дозирования раствора гипохлорита в подающий трубопровод перед фильтрами. На рис. 2 показана схема подачи гипохлорита в магистральный трубопровод, на рис. 3 принципиальная схема подключения установки.

Рис. 2. Схема подключения трубной сборки.

1 - патрубок подачи исходной воды; 2 - патрубок вывода обработанной воды; 3 - патрубок с обратным клапаном для подачи раствора гипохлорита натрия; 4 - водосчетчик; 5 - гибкий шланг с накидной гайкой; V1-V4 - шаровые краны.

Рис.3. Принципиальная схема подключения Санатора.

1 - сетевой кабель; 2 - микроконтроллер; 3 - кабель импульсного вывода; 4 - кабель нагрузки; 5 - распределительная колодка (розетки); 6 - кабель подключения блока питания; 7 - блок питания Санатора; 8 - кабель подключения дозирующего насоса; 9 - кабель подключения электродной кассеты; 10 - бак Санатора; 11 - дозирующий насос; 12 - водосчетчик; V1-V4 - шаровые краны.

Гипохлорит натрия обладает рядом свойств, ценных в техническом отношении. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании, например, в противоположность хлорной извести. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, так как он не содержит солей кальция и магния как хлорная известь или гипохлорит кальция. Бактерицидный эффект раствора NaClO, полученного электролизом, выше, чем у других дезинфектантов, действующим началом которых является активный хлор. Кроме того, он обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом из-за более высокого содержания хлорноватистой кислоты (HClO).

Окисление двухвалентного железа происходит в соответствии со следующим уравнением:

2 Fe(HCO₃)₂ + NaClO + H₂O = 2 Fe(OH)₃↓ + 4 CO₂↑ + NaCl (10)

Расчет установки для обработки воды гипохлоритом натрия в первую очередь требует определить расход активного хлора на процессы окисления, обеззараживания и разрушение сероводорода.

Требуемый расход активного хлора на обработку воду АХ (в пересчете на 100% хлор, г/ч) определяется следующим выражением:

AX = Q_час * {Д_х + [Fe²⁺] * K_Fe] + [Mn²⁺] * K_Mn + [H₂S] * K_CB}, (9)

где Q_час - объемный расход воды (максимальный), м³/ч;

Д_х - доза активного хлора для обеззараживания воды, мг/л;

[Fe²⁺] - содержание двухвалентного железа в исходной воде, мг/л;

K_Fe - расход активного хлора для окисления железа (0,67 мг активного хлора на 1 мг двухвалентного железа);

[Mn²⁺]- содержание двухвалентного марганца в исходной воде, мг/л;

K_Mn - расход активного хлора для окисления двухвалентного марганца (1,3 мг активного хлора на 1мг марганца);

[H₂S] - содержание сероводорода в исходной воде, мг/л;

K_CB - расход активного хлора для разрушения сероводорода (2,1 мг активного хлора на 1 мг сероводорода).

Как следует из уравнения реакции (10) в процессе окисления железа гипохлоритом натрия не происходит подкисления воды, а это очень важно для процесса фильтрации. Кроме того, раствор гипохлорита натрия как товарный, так и электрохимический, щелочной, что благоприятно для фильтрования.

ПРИМЕР 2. Выполнить расчет установки для обработки воды товарным раствором гипохлорита натрия марки «Б»[10] с содержанием активного хлора 170 г/л. Раствор перед введением гипохлорита разбавить в 17 раз (К_р-коэффициент разбавления) до концентрации С_р=10 г/л (рабочий раствор).

Часовая производительность установки по воде, Q_час - 5,5 м³,

суточный расход воды, Q_сут - 88 м³, т.е. установка работает t=16 часов в сутки.

Состав исходной воды:

• двухвалентное железо 8 мг/л,
• двухвалентный марганец 0,5 мг/л,
• сероводород 0,4 мг/л,
• величина рН = 6,9.

Пробная обработка воды показала необходимость введения 3,5 мг/л активного хлора для целей обеззараживания.

1. Требуемый расход активного хлора (в пересчете на 100%) определим по выражению (9):

АХ = 5,5 * (3,5 + 8*0,67 + 0,5*1,3 + 0,4*2,1) = 56,9 г/ч.

2. Скорость подачи рабочего раствора гипохлорита натрия (необходима для подбора дозирующего насоса по производительности):

П_гн = АХ / С_р = 56,9 / 10 ≈ 6 л/ч.

3. Суточный расход рабочего раствора гипохлорита (необходим для подбора бака для хранения и дозирования рабочего раствора):

П_гн * t = 6*16 = 96 л.

4. Суточный расход товарного раствора гипохлорита натрия марки «Б» (необходим для определения затрат на реагент):

Р_гн = П_гн * t / К_р = 6 * 16 / 17 = 5,6 л.

Используется также метод окисления двухвалентного железа путем введения в исходную воду перед фильтрами раствора перманганата калия KMnO₄. Последний может также вводиться в сочетании с гипохлоритом натрия с целью обработки сложных вод и экономии достаточно дорогостоящего окислителя - перманганата калия.

При обработке воды перманганатом реакция окисления железа с последующим гидролизом протекает по уравнению (упрощенная запись):

4 Fe(HCO₃)₂ + MnO₄ ^- + 2 H₂O = 4 Fe(OH)₃↓ + MnO₂↓ + 8 CO₂↑ (11)

По уравнению (11) на окисление 1 мг Fe²⁺ тратится 0,71 мг перманганата калия, а щелочность воды снижается на 0,036 мг-экв/л. СНиП [1] определяет расчетную дозу перманганата калия (в пересчете на 100 %, мг/л) для окисления железа и марганца при помощи следующего выражения:

Д_пк = [Fe²⁺] + 2* [Mn²⁺], (10)

где [Fe²⁺] - концентрация двухвалентного железа в исходной воде, мг/л;

[Mn²⁺] - концентрация двухвалентного марганца, мг/л.

Для приготовления рабочих растворов перманганата калия следует руководствоваться данными по растворимости перманганата в воде:

• при температуре 20 ⁰С 6,34 г KMnO₄ на100 г воды;
• при 60 ⁰С 22,2 г KMnO₄ на100 г воды.

При совместном введении в обрабатываемую воду перманганата калия и гипохлорита натрия дозы этих реагентов (в пересчете на 100% продукт, мг/л) можно определить из уравнений:

Д_пк = 0,2*[Fe²⁺] + 2* [Mn²⁺], (11)

Д_гн = 0,7*[Fe²⁺].

При сравнении уравнений (10) и (11) следует, что совместный ввод реагентов позволяет сэкономить до 80% перманганата калия. Введение перманганата перед подачей гипохлорита натрия разрушает органические вещества, вступающие в реакцию с хлором с образованием продуктов с резким запахом, например фенолы. Если ввод реагентов осуществить в другой последовательности, то перманганат калия будет разрушать образованные хлорпродукты.

Одним из перспективных методов окисления железа является озонирование. Озон О₃ является одним из самых сильных окислителей, уничтожающих бактерии, споры и вирусы. По сравнению с хлором применение озона оказывается более эффективным для окисления детергентов, гербицидов, пестицидов, фенолов и для окисления других трудно окисляемых химических соединений. Одновременно с обеззараживанием идут процессы окисления двухвалентных железа и марганца, обесцвечивание воды, а также ее дезодорация и улучшение органолептических свойств.

Озон получают из воздуха в специальных аппаратах - озонаторах. В озонаторе при прохождении электрического тока через разрядное пространство с воздухом происходит разряд коронного типа, в результате чего из кислорода воздуха образуется озон.

По стехиометрии можно определить дозу озона на окисление двухвалентного железа по следующему выражению:

Д_оз = 0,14 * [Fe²⁺], мг/л (12)

где [Fe²⁺] - концентрация двухвалентного железа в исходной воде, мг/л.

Доза озона зависит от цели, для которой используют озонирование воды. Для обеззараживания фильтрованной воды доза озона составляет 1-3 мг/л, для обработки подземных вод - 0,75-1 мг/л. При введении озона для окисления железа, обесцвечивания воды с одновременным обеззараживанием доза может доходить до 4 мг/л. Озоно-воздушную смесь из озонатора вводят в воду с помощью эжекторов или через сеть пористых труб, уложенных в камерах смешения.

Концентрация остаточного озона после камер смешения должна быть 0,1-0,3 мг/л. Продолжительность контакта озона с водой зависит от состава воды, концентрации озона в озоно-воздушной смеси, конструкции смесителя, температуры и в среднем составляет 5-20 минут, часто 5-12 минут.

Наша промышленность производит низкочастотные озонаторы, работающая на токе промышленной частоты, а также высокочастотные (0,4-10 кГц), которые более компактные и менее металлоемкие. Завод «Курганхиммаш» серийно выпускает озонаторы производительностью по озону от 0,25 до 10 кг/ч.

Необходимо отметить, что озон высокотоксичен и может поражать органы дыхания. Предельно-допустимая концентрация озона в воздухе рабочей зоны (ПДК р.з.) составляет 0,1 мг/м³. Для сравнения можно указать, что для хлора эта величина в 10 раз менее жесткая и равна 1 мг/м³.

Хотя метод озонирования имеет блестящие перспективы, однако оборудование пока достаточно дорогостоящее, а процесс характеризуется сравнительно большим расходом электроэнергии.

Удаление воды из железа методом ионного обмена (катионирование) допускается, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды. Однако в этом случае, возможно, только извлечь железо в растворенной двухвалентной форме, а ресурс работы ионообменного материала будет значительно снижен. При этом в очищаемой воде должен отсутствовать кислород.

Предыдущая страница

Следующая страница