В большинстве центральных и северных районов России природные подземные воды загрязнены в основном соединениями железа, фтора, стронция, солями жесткости, ионами хлоридов и соединениями тяжелых металлов в количествах, превышающих нормативные требования в несколько раз.
Для решения вопросов о выборе технологической схемы очистки воды и необходимых для этого сооружений требуется проведение комплекса проектно-изыскательских работ и технологических исследований.
Проектно-изыскательные работы предусматривают:
- сбор и систематизацию инженерно-геологических и гидрогеологических материалов по природным водам конкретного района;
- выбор объектов водоснабжения, определение состава и структуры водопотребителей. Определение объемов водопотребления выбранных объектов с учетом перспективы их развития.
Технологические исследования включают в себя проведение следующих работ:
- исследование химического состава вод, отобранных из конкретных источников, выявление степени их загрязнения;
- определение бактериологического состояния водоисточника;
- проведение технологических анализов по выявлению степени загрязненности воды взвешенными и коллоидными веществами, коррозионных свойств воды;
- определение в условиях реального объекта необходимых доз реагентов для умягчения, обеззараживания и кондиционирования воды;
- разработка технологической схемы станций приготовления питьевой воды и выбор оборудования.
На последующих этапах работы осуществляется проектирование сооружений и станций для очистки воды, а на заключительном этапе наладочные работы и пуск станций в эксплуатацию.
Обучение эксплуатационного персонала проводится на лабораторных стендах и установках, а также в процессе монтажа и пусконаладочных работ непосредственно на объекте внедрения.
5.2. Обезжелезивание природных вод
- Подземные железосодержащие воды имеют, как правило, в 80—90 % случаев бикарбонатные формы железа. При этом вне зависимости от концентрации указанные типы вод содержат также железобактерии, которые в исходной форме в бескислородной среде подземного водозабора неактивны.
Однако в тех случаях, когда вода после водозабора не подвергается обработке, а сразу поступает в РЧВ или в водонапорную башню и происходит ее обогащение кислородом, происходит бурное развитие железобактерий, и они становятся активной биологически коррозионной структурой. В результате происходят коррозия и разрушение стенок труб, вынос железа в воду и ее вторичное загрязнение. При этом содержание железа может увеличиваться в несколько раз.
В связи с этим любые методы обезжелезивания воды, не предусматривающие удаление железобактерий, являются малоэффективными.
- Обезжелезивание воды от форм железа, которые принято называть бикарбонатными, осуществляется наиболее простыми методами. Такие формы характеризуются, как правило, содержанием железа до 10—15 мг/л, рН — до 6, перманганатной окисляемостью до 6—8 мг О2/л, отсутствием цветности воды и концентрацией углекислоты до 30—50 мг/л.
В указанных случаях основным методом является предварительная естественная аэрация (излив), иногда с дополнительным эжектированием и фильтрованием через зернистую загрузку.
- В тех случаях, когда указанные выше условия по качеству исходной воды не соблюдаются по ряду показателей (рН 6,3—6,5, окисляемость более 12—15 мг О2/л, наличие цветности — приходится встречаться с т. н. органическими формами железа обычно в зоне болот и торфянников), необходимо применение реагентных методов обезжелезивания с использованием двухступенной схемы очистки. Наиболее эффективное применение схемы "тонкослойный отстойник — скорый фильтр" с вводом щелочного реагента извести (доза 40— 60 мг/л по СаО).
- В практике очистки подземных вод от железа при улучшении работы существующих станций приходится учитывать:
• изменение системы аэрации и окисления железа. В ряде случаев вследствие избыточного ввода кислорода воздуха путем компремирования наблюдается, с одной стороны, интенсивное окисление железа, что приводит к образованию неудовлетворительной в каталитическом отношении пленки, неспособной к глубокому извлечению железа, а с другой стороны — для напорных схем такое решение вызывает скопление избыточных газов (углекислоты, сероводорода и т. д.) в фильтрах, что также снижает эффективность их работы;
• при решении задач интенсификации работы станций обезжелезивания воды необходимо также принимать во внимание наличие и концентрации сопутствующих примесей (сероводорода, углекислоты и т. п.);
• концентрации и типы железобактерий, поскольку повышение их концентрации может вызвать вторичное развитие железобактерий в сети, биокоррозию металлических труб и вторичное загрязнение сетей железом. В то же время при минимальных концентрациях железобактерий станции обезжелезивания требуют активной аэрации (в т. ч. эжекционной или напорной с разрывом струи), без чего их эффективная работа невозможна. Таким образом, в каждом конкретном случае следует проводить углубленные физико-химические, микробиологические и технологические изыскания, которые позволят улучшить работу станций обезжелезивания;
• тип и состояние дренажа, а также виды промывки — водяная или водовоздушная. Интенсификация, реконструкция дренажных систем, модернизация и в ряде случаев изменение режима и вида промывки могут оказывать решающее влияние на работу станций обезжелезивания воды.
5.3. Специальные методы кондиционирования подземных вод
5.3.1. Удаление марганца .и железа
Ряд подземных вод характеризуется одновременно наличием железа и марганца, поэтому зачастую возникает необходимость их обезжелезивания и деманганации.
Выбор технологии очистки зависит от природы соединений железа и марганца, их концентрации, щелочности, окисляемости, рН воды и других показателей.
Железо и марганец присутствуют в природных водах в форме минеральных или органических соединений гуминовых или некоторых жирных кислот. Во втором случае это воды с повышенной окисляемостью, имеющие агрессивный характер. Железо- и марганоорганические комплексы создают условия для развития маргано- и ферробактерий со всеми вытекающими негативными последствиями. С позиций технологии водоподготовки всегда имеется различие между способами улучшения качества подземных вод при наличии железа и марганца в минеральной или органической форме. При их минеральном происхождении обычно применяются безреагентные технологии, при органическом происхождении — обработка требует использования реагентов, что более сложно и трудоемко, сопряжено со значительными капитальными и эксплуатационными затратами.
Если железо и марганец присутствуют в воде в растворимой форме, то для выбора технологии важно знать бикарбонатную щелочность воды, которая влияет на процесс десорбции оксида углерода и оксидации железа (П) и марганца (П) и является главенствующим фактором при выборе технологии. Наиболее благоприятные условия для удаления железа и марганца создаются при карбонатной щелочности, равной общей и составляющей не менее 1,35 мг-экв/л
Концентрация ионов водорода в воде и ее кислая или щелочная реакция определяют действие воды как растворителя, поэтому значение рН играет важную роль в осаждении гидроксидов.
Значение рН исходной воды влияет и на способность фильтрующего материала задерживать железо и марганец. При повышении рН эта способность возрастает, что объясняется изменением дзета-потенциала поверхности зерен загрузки.
Присутствующие в воде органические вещества оказывают негативное влияние на процессы удаления железа и марганца в тех случаях, когда их количество, определяемое перманганатной окисляемостью, свыше 6,5 мг/л. При обработке воды фильтрованием они могут образовывать желатиновые пленки на зернах" фильтрующей загрузки, что затрудняет процессы адсорбции и хемосорбции.
Трансформация железа и марганца в органическую, восстановительную минеральную и окисленную минеральную форму обусловлена деятельностью маргано- и ферробактерий, а оксидация железа и марганца в кислой среде может происходить химически только при их вмешательстве. Присутствие в воде ферро- и марганобактерий указывает на восстановительное состояние системы и свидетельствует о необходимости обработки воды сильным окислителем перед ее фильтрованием.
При выборе технологии удаления железа и марганца следует также 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.
Руководствуясь результатами анализа основных факторов, влияющих на процессы удаления железа и марганца, и экспериментальными данными, предлагается ряд методов удаления железа и марганца, в том числе такие:
- упрощенная аэрация с одноступенчатым фильтрованием;
- глубокая аэрация и фильтрование либо двойная аэрация и двойное фильтрование;
- глубокая аэрация, обработка сильным окислителем, фильтрование, стабилизация;
- известкование с коагулированием, напорная флотация и фильтрование либо аэрация, известкование с коагулированием, отстаивание в тонком слое и фильтрование.
Возможно также применение и других методов удаления железа и марганца.
5.3.2. Удаление сероводорода
В некоторых случаях подземные воды содержат избыточные концентрации сероводорода. Для его удаления применяют различные конструкции дегазаторов с использованием методов пенной дегазации, барботирования воздухом, вакуумной дегазации с подогревом и без подогрева воды и др.
Наибольшее распространение получил метод удаления сероводорода аэрированием. В ряде случаев для более полного удаления сероводорода аэрирование сопровождается подкислением воды до рН < 5 с последующей стабилизацией очищенной воды ее подщелачиванием.