Обезжелезивание природных вод (стр. 2 из 4)

Рис. 17.4. Схемы очистки подземных вод в пласте.

а — система «Гидрооксиринг», б — односкважинная установка; в — многоскважинная. 1 — вспомогательная скважина, 2 — трубопровод, 3 — устройство для аэрации воды, 4 — кольцевой инфильтрационный бассейн, 5 — эксплуатационная скважина, 6 —зона аэрации, 7 — отвод воды потребителю, 8 — насос, 9 — трубопровод подачи воды в сборную емкость, 10 — эжектор, 11 — трубопровод подачи воды из сборной емкости в скважину, 12 — сборная емкость

Обезжелезивание воды катионированием целесообразно лишь в тех случаях, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды, при этом ионным обменом могут быть лишь извлечены ионы железа (II).

Метод упрощенной аэрации (см. рис. 17.3, б) применим как в гравитационном, так и в напорном варианте в зависимости от производительности установки. Помимо вышеуказанных, показателями применимости этого метода являются условия, когда Е воды после аэрации будет не менее +100 мВ и индекс стабильности воды (J) не менее +0,05. Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен, образуя каталитическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. Обезжелезивание воды в загрузке, покрытой пленкой, является гетерогенным автокаталитическим процессом, в результате чего обеспечивается непрерывное обновление пленки как катализатора непосредственно при работе фильтра.

При этом методе не требуется окисление двухвалентного железа в трехвалентное и перевод его в гидроксид в связи с чем отпадает необходимость в устройстве дорогостоящих аэрационных сооружений. Упрощенная аэрация осуществляется с помощью несложных приспособлений путем излива воды с небольшой высоты в карман или центральный канал фильтра, либо путем вдувания воздуха в обрабатываемую воду. Отсутствие специальных аэрационных устройств и контактных емкостей упрощает эксплуатацию и снижает стоимость очистки.

Для расчета фильтрующей загрузки при обезжелезивании додземных бикарбонатных и карбонатных вод по методу упрощенной аэрации рекомендуется эмпирическая формула Г.И. Николадзе

(17.1)

где L — толщина слоя фильтрующей загрузки: м; и —скорость фильтрования, м/ч; d3 — эквивалентный диаметр фильтрующей загрузки, мм; Л=СИ/СФ (здесь СИ и Сф — содержание железа (II) соответственно в исходной воде и в фильтрате, мг/л); К— константа реакции окисления железа (II), определяемая эмпирическим путем; а и n — соответственно коэффициент формы зерен и пористость фильтрующей загрузки; t1 — температура исходной воды, °С; [02]—содержание в воде растворенного кислорода, мг/л.

Сущность метода «сухой фильтрации» (см. рис. 17.3, г) заключается в фильтровании воздушно-водяной эмульсии через «сухую» (незатопленную) зернистую фильтрующую загрузку путем образования в ней вакуума или нагнетания больших количеств воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. В обоих случаях в поровых каналах фильтрующей загрузки образуется турбулентный режим движения смеси, характеризующийся завихрениями и противотоками, что способствует молекулярному контакту воды с поверхностью зерен контактной массы. При этом на зернах фильтрующей загрузки формируется адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), повышая эффективность процессов деманганации и обезжелезивания.

Особенностью процесса является образование дегидратированной пленки на зернах загрузки (песок, керамзит, антрацит, винипласт, полистирол, полиметилметакрилат и др.), состоящей, как показали рентгенографические определения, из магнетита, сидерита, гетита и гематита. Указанные соединения имеют плотную структуру, а объем их и 4...5 раз меньше, чем гидроксида железа. Поэтому темп прироста потерь напора в фильтрующей загрузке при напорном фильтровании по методу «сухой фильтрации» чрезвычайно мал, а продолжительность фильтроцикла — велика (от нескольких месяцев до года и более). Характерными особенностями процесса являются: минимальный период «зарядки» фильтрующей загрузки (т. е. образование на поверхности зерен активной адсорбционной пленки), составляющий от 0,3 до 2 ч, повышение рН и некоторое снижение жесткости фильтрата, высокая грязеемкость загрузки и отсутствие промывных вод (загрузка отмывается от соединений железа 0,5...1 %-ным раствором дитианита или заменяется на новую, можно отмывать 5...10°/о-ным раствором ингибированной соляной кислоты). В фильтрате обычно наблюдается железо(II) и следы Fe (III). Продолжительность, сут. фильтроцикла, фильтра работающего по схеме «сухой фильтрации», по Г. И. Николадзе равна

где К1 — воздушно-водяное отношение. Остальные обозначения см. к формуле (17.1).

Метод упрощенной аэрации с двухступенчатым фильтрованием (рис. 17.3, в) предпочтительно применять в напорном варианте. Сущность процесса аналогичная описанной выше. В самом начале процесса обезжелезивания при поступлении на фильтр первых порций воды, когда загрузка еще чистая, адсорбция соединений железа на ее поверхности происходит в мономолекулярном слое, т. е. имеет место физическая адсорбция, обусловленная силами притяжения между молекулами адсорбата и адсорбента (поверхность твердого тела — адсорбента насыщается молекулами адсорбата). После образования мономолекулярного слоя процесс выделения соединений железа на зернах песка не прекращается, а наоборот, усиливается вследствие того, что образовавшийся монослой химически более активен, чем чистая поверхность песка. Электронно-микроскопические исследования пленки показали, что она состоит из шаровых молекул гидроксида железа и других соединений, как железа(III), так и железа(II). Количество связанной воды в пленке достигает 20%. Величина истинной поверхности пленки составляет не менее 200 м2/г.

Адсорбционные свойства пленки из соединений железа на зернах фильтрующей загрузки, высокая ее удельная поверхность и наличие большого количества связанной воды позволяют сделать вывод, что пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры. Одновременно, пленка является катализатором окисления поступающего в загрузку железа(II). В связи с этим эффект очистки воды зернистым слоем несравненно выше, чем это могло быть в гомогенной среде.

Для катализатора такого типа некоторые вещества, находящиеся в воде (аммиак, сероводород, свободная углекислота, коллоидная кремнекислота), являются «ядами». Молекулы этих веществ имеют по паре свободных электронов, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей с поверхностью катализатора, что при значительных концентрациях этих соединений приводит к понижению его активности.

Процесс описывается следующим уравнением:

где Feости FeH— соответственно содержание железа в фильтрате фильтра II ступени и в обрабатываемой воде, мг/л; h1 и h2 — соответственно высоты слоев фильтрующей загрузки на фильтрах I и II ступеней; v1 и i>2 — соответственно скорости фильтрования на фильтрах I и II ступеней.

Метод фильтрования на каркасных фильтрах следует применять для обезжелезивания воды на установках производительностью до 1000 м3/сут. Сущность обезжелезивания воды по рассматриваемому методу заключается в том, что железо (II) после окисления переходит в осаждающееся железо(III). Гидроксид железа, формирующийся в нижней части аппарата, намывается на патрон. При этом в начале процесса решающую роль играет различие в зарядах керамического патрона, хлопьев гидроксида железа и ионов железа (II). Нарастающий на патроне слой гидроксида железа служит контактным материалом для новых постоянно намываемых агрегатов, при этом происходят как физические, так и химические процессы. Патрон служит только опорным каскадом для фильтрующего слоя гидроксида железа.

При обезжелезивании природных вод на патронных фильтрах .первой стадии процесса является фильтрование с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки. Эта стадия заканчивается по достижении определенного соотношения объема твердых частиц, задержанных в порах, к объему самих пор, после чего наступает вторая стадия — фильтрование с образованием первоначального слоя осадка. На этом заканчивается процесс зарядки фильтра и начинается фильтрование с целью обезжелезивания воды.

Формулы (17.4) и (17.5) позволяют определять количество фильтрата Q,м3/ч, получаемого с 1 м2 фильтрующей поверхности и скорость фильтрования v,м/ч:

Q= 100(37,3—4,8υ—3,5) [FeH] + 0,27 [FeH]2 — l,67υ[Fe]; (17.4)

υ=1 — 0,062[FeB] — 0,003[FeH]2 (17.5)

По Г.И. Николадзе продолжительность фильтроцикла можно определить из выражения

где Δр — перепад давления при фильтровании; mт — масса твердой фазы, задерживаемой фильтрующим каркасом при получении единицы объема фильтрата; [FeH] — содержание железа в обрабатываемой воде.

Сущность метода аэрации с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов (рис. 17,5) заключается в окислении кислородом воздуха железа(II) в окисное с образованием коллоида гидроксида железа, его коагулировании при рН=6,8...7 и выделении в осадок в виде бурых хлопьев. При контакте воды, содержащей железо(II), с воздухом кислород растворяется в воде, окислительный потенциал системы повышается, и если при этом создать условия для удаления части растворенной углекислоты, то рН системы возрастет до значения, обеспечивающего при данном окислительном потенциале выпадение в осадок гидроксида железа(III).