2. Безреагентні методи знезалізнення води.

Метод знезалізнення води спрощеною аерацією застосовують для вод, що містять до 10 мг/дм3 загального заліза (зокрема двовалентного не менше 70%), що мають рН не менше 6,8; вміст сірководня – не більше 2 мг/дм3.

Аеруванням з води видаляється гідрокарбонат заліза, який є неміцною, легко гідролізованою у воді сполукою:

Fe(НСО3)2 + 2Н2О  = Fe(ОН)2 + 2Н2О + СО2↑.

Гідроксид заліза (II), що утворюється, киснем повітря окислюється в гідроксид заліза (III):

4Fe(ОН)2 + О2 + 2Н2О = 4Fe(ОН)3↓.

Окрім насичення оброблюваної води киснем аерування сприяє видаленню з неї CO2. Оскільки процес окислення заліза (II) в залізо (III) значно уповільнюється при рН<7, він може взагалі не закінчитися на очисних спорудах; тому видалення CO2 є в ряді випадків необхідним етапом знезалізнення.

Метод спрощеної аерації заснований на здатності води, що містить двовалентне залізо і розчинений кисень, при фільтруванні через зернистий шар виділяти залізо на поверхні зерен, утворюючи каталітичну плівку з іонів і оксидів дво- і тривалентного заліза. Ця плівка активно інтенсифікує процес окислення і виділення заліза з води. При знезалізненні води в завантаженні, покритом плівкою, забезпечується безперервне оновлення плівки як каталізатора безпосередньо при роботі фільтру.

При цьому методі не потрібне окислення двовалентного заліза в тривалентне і переведення його в гідроксид, у зв'язку з чим відпадає необхідність влаштування дорогих аераційних споруд. Спрощена аерація здійснюється за допомогою нескладних пристроїв шляхом виливання води з невеликої висоти в кишеню або центральний канал фільтра, або вдуванням повітря в оброблювану воду. Відсутність спеціальних аераційних пристроїв і контактних ємкостей спрощує аерацію і знижує вартість очищення.

Установки для видалення заліза методом глибокої аерації складаються з аераційного пристрою, що забезпечує окислення заліза (II) киснем і видалення вугільної кислоти; контактних резервуарів або заповнених піском контактних фільтрів, де завершується процес окислення; освітлювальних фільтрів для видалення випавшого гідроксиду заліза (III) (аналогічно фільтрам, вживаним для освітлення води).

Видалення з води гідроксиду заліза (III) (при загальному вмісті солей заліза до 10 мг/ дм3) проводиться безпосередньо на освітлювальних фільтрах, при більшому вмісті солей заліза необхідний весь перерахований вище набір споруд.

В установках великої продуктивності, коли бризкаючі установки не можуть забезпечити заданий ступінь видалення вільної вуглекислоти, воду аерують в контактних (при продуктивності установок до 100 м3/год.) і вентиляторних (при більшій продуктивності) градирнях. Навантаження по воді для контактної градирні складає до 20, для вентиляторної - 60 м3/год. м2. Число шарів насадки в контактній градирні (3-5) визначають залежно від концентрації солей заліза у воді. Товщину шару насадки приймають рівною 0,3-0,4 м; відстань між шарами – не менше 0,6; розмір шматків насадки – 30-50 мм.

У вентиляторі градирні висоту шару завантаження з кілець Рашига, залежно від лужності| аерованої води, приймають від 1,5 (2 мг-екв/дм3 загальної лужності) до 3,0 м (6-8 мг-екв/дм3 загальної лужності|). Інтенсивність аерування складає 10 м3/м3. Концентрація заліза при аеруванні знижується до 0,1-0,3 мг/дм3.

Після аерування вода поступає в контактний резервуар, розрахований на 30-40-хвилинне перебування в ньому води, або контактні фільтри, завантажені кварцевим піском з розміром зерен 0,5-1,2 мм. Швидкість фільтрування на таких фільтрах приймається рівною 15-20 м/год., інтенсивність промивки - 20 л/(с.м2). Дренажна система, щоб уникнути заростання Fe(OH)3, повинна мати великі щілини.

Іноді для знезалізнення води використовують напірні установки закритого типу. В цьому випадку видалення оксиду вуглецю (IV) досягається не розбризкуванням, а видуванням повітрям. Повітря в напірний трубопровід можна вводити допоміжним відцентровим або вихровим насосом.

Бажано, щоб у фільтруюче завантаження поступали не пластівці гідроксиду заліза (III), а його позитивно заряджений золь. Це дозволяє збільшити тривалість фільтроциклу, оскільки позитивно заряджений золь гідроксиду заліза (III) добре сорбується негативно зарядженою поверхнею зерен піску.

Знезалізнення підземних вод, що містять до 6 мг/дм3 гідрокарбонату і карбонату заліза (II), досягається методом «сухої» фільтрації. Суть методу полягає у фільтруванні водо-повітряної емульсії через «сухе» (незатоплене) зернисте фільтруюче завантаження з утворенням в ній вакууму або нагнітанням великих кількостей повітря з подальшим підсосом з піддонного простору. На зернах фільтруючого завантаження протягом 0,3-2,0 год. формується адсорбційно-каталітична плівка, що підвищує ефективність знезалізнення.

Схема установки для знезалізнення води методом «сухої» фільтрації складається з напірних освітлювальних фільтрів, компресора і ресивера.

Якщо аерація води не забезпечує необхідного ступеня знезалізнення, що звичайно спостерігається при наявності у вихідній воді солей заліза з сильними мінеральними кислотами або гуматов заліза, то станції обробки води доповнюються установками для подачі у воду хлору або перманганату калію, передбачаючи введення їх перед фільтрами в підвідний трубопровід. Ефективного знезалізнення води можна досягти каркасними фільтрами (рис. 2.2). Суть цього методу полягає в тому, що в підземну воду подається повітря, надлишки якого перед фільтром видаляються. Вода, збагачена киснем, поступає на фільтри, де відбуваються процеси окислення і гідролізу заліза (II). При проходженні води через шар гідроксиду заліза (III), заздалегідь сформованого на підтримуючій перегородці (керамічний, сітчастий або щілистий каркас), ці процеси завершуються і залізо витягується з води.

Досвід експлуатації каркасних фільтрів поданій схемі показав, що тривалість фільтроциклу, визначувана граничною втратою натиску 20 м, складає 30-120 діб. Каркаси промивають спочатку зворотним потоком промивної води, а потім 10-20%-м розчином інгібіруваної соляної кислоти із швидкістю 3 м/год. Допускається 3-4 використання каркасів, після чого їх заміняють новими.

Перевагою каркасних фільтрів є можливість їх експлуатації без промивок протягом 30-120 діб і компактність: габарити каркасного фільтра в три-чотири рази менше габаритів швидкого фільтра такої ж продуктивності.

Знезалізнення води електрокоагуляцією засноване на сорбції іонів, колоїдних і диспергованих сполук заліза (II), (III) гідроксидами металів (заліза, алюмінію, магнію і ін.), що утворюються в результаті розчинення електродів. З підвищенням значення рН і температури води, а також кількості високодисперсних частинок, що обумовлюють каламутність, ефект знезалізнення води зростає. Найефективніше процес протікає в електролізерах з алюмінієвим анодом і при неглибокому знезалізненні води, тобто при зниженні концентрації заліза на 60-80%. У цих випадках при невеликих витратах алюмінію і електроенергії досягається значне зниження вмісту заліза у воді.

При невеликих кількостях оброблюваної води метод електрокоагуляції може використовуватися і для глибокого знезалізнення. Для цього потрібні підвищені витрати алюмінію і електроенергії.

Електрокоагуляція доцільна лише в тому випадку, коли здійснюється комплексне очищення води і видалення з неї не тільки сполук заліза, але й інших забруднень (завислих і органічних речовин, водоростей, сполук кремнію та ін.).

Для вод з окислюваністю більше 15 мгO2/дм3 і вмістом сполук заліза більше 10 мг/дм3 знезалізнення води може бути досягнуте методом напірної флотації. Суть цього процесу полягає у дії молекулярних сил, сприяючих злипанню частинок гідроксидів заліза (II), заліза (III) та інших домішок води з бульбашками тонкодиспергованого у воді повітря. Це призводить до спливання агрегатів, що утворюються, на поверхню води.

Техніко-економічні розрахунки свідчать, що застосування флотатора як споруди для попереднього освітлення води дозволяє зменшити капітальні витрати на 25-30%, оскільки в цьому разі не потрібна коагуляція і попереднє хлорування, а достатньо одного вапнування, відпадає необхідність в аеруванні всього об'єму води в градирнях.

Схема знезалізнення води, що включає подвійну аерацію, обробку в шарі завислого осаду і фільтрування застосовується при вмісті заліза у воді більше 30 мг/дм3. Схема включає аераційний пристрій (градирня, каскад, бризкаючий басейн), освітлювач з шаром завислого осаду з піддонним осадкоущільнювачем і тонкошаровими модулями, а також швидкий освітлювальний фільтр, над дзеркалом води якого шляхом виливання здійснюється вторинна аерація.

Запропоновані методи знезалізнення води фільтруванням в підземних умовах з попередньою подачею в пласт окисленої води або повітря.

Метод заснований на створенні у водоносному горизонті «зони осадження» із сполук заліза і подальшому проходженні через цей фільтр підземної води. Заздалегідь аерована вода фільтрується у водоносний горизонт (рис. 2.3) або закачується насосом  в підземний пласт через одну або декілька свердловин (рис. 2.4). Відбувається як би зарядка водовміщаючої породи, яка зв'язує велику кількість кисню. Після закінчення процесу зарядки починається відкачування знезалізненої води з робочої свердловини або свердловин, розташованих на деякій відстані від нагнітальної свердловини. З часом в результаті виснаження запасів кисню в адсорбційному шарі у відбираній воді зростає вміст сполук заліза. Це служить сигналом для повторення процесу зарядки, за яким знов відбувається робочий цикл і т.д.


Якщо залізо входить до складу складних органічних комплексів, технологія знезалізнення повинна бути доповнена використанням реагентів (хлор, озон, коагулянти, вапно).

Реагентні методи знезалізнення води

Поверхневі води знезалізнюють при одночасному освітленні і знебварвленні. Залізо, що знаходиться у воді у вигляді колоїдів, тонкодисперсних суспензій і комплексних органічних сполук, видаляється обробкою води коагулянтами (сульфатом алюмінію, хлоридом заліза (III), або змішаним коагулянтом). Для руйнування комплексних органічних сполук заліза воду обробляють хлором, озоном або перманганатом калія. При застосуванні залізних коагулянтів забезпечується повніше видалення заліза з води в результаті інтенсивної адсорбції іонів заліза на пластівцях Fе(ОН)3. Оптимум адсорбції іонів заліза як у разі застосування алюмінієвих, так і залізних коагулянтів лежить в інтервалі значень рН води 5,7-7,5. Доза коагулянта встановлюється експериментально.

В основі реагентного знезалізнення води лежать наступні процеси:

1) руйнування комплексних органічних сполук заліза за допомогою окислювачів або при підвищенні рН;

2) забезпечення умов для гідролізу солей заліза і утворення пластівців гідроксиду заліза;

3) їх укрупнення шляхом коагуляції і флокулювання;

4) виділення в осад суспензії, що утворилася, або відділення її від води шляхом фільтрування через зернисті матеріали.

Для видалення сульфату заліза (II) застосовують вапнування. Додане вапно реагує спочатку з сульфатом заліза (II):

FeSO4 + Са(ОН)2 → CaSO4 + Fe(ОН)2.

Гідроксид заліза (II), що утворюється, окислюється в Fe(ОН)3.

При аерації води і подальшій обробці вапном або содою процеси, що відбуваються, описуються наступними реакціями:

4Fe(НСО3)2 + 8 Са(ОН)2 + O2 → 8CaCO3↓ + 4Fe(ОН)3↓ + 6H2O;

4Fe(НСО3)2 + 8Na2CO3 + 10H2O + O2 → 16NaHCO3 + 4Fe(ОН)3↓.

Якщо кількість кисню, що міститься у воді, недостатня для окислення, одночасно з вапнуванням проводять хлорування або аерування води.

При застосуванні хлору або хлорного вапна вільний хлор окислює залізо (II), потім протікає процес гідролізу і утворення осаду гідроксиду заліза

2FeSO4 + Cl2 + 3Ca(HCO3)2 → 2CaSO4 + CaCl2 + 2Fe(OH)3↓ + 6CO2↑;

2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 → CaCl2 + 2Fe(OH)3↓ + 6CO2↑.

На окислення 1 мг заліза витрачається 0,64 мг хлору. У звичайних умовах реакція протікає протягом 4-10 хв. У присутності амонійних солей, що зв'язують хлор у хлораміни, швидкість окислення заліза знижується.

Процес окислення заліза (II) вищими оксидами марганцю, які при цьому відновлюються до нижчих ступенів окислення, а потім знов окислюються розчиненим у воді киснем, описується рівнянням

4Fe(НСО3)2 + 3МnО2 + 2Н2О → 4Fe(ОН)3↓ + MnO + Мn2О3 + 8CO2↑;

3МnО + 2КМnО4 + Н2О → 5МnО2 + 2КОН;

3Мn2О3 + 2KMnO4 + H2O →8MnO2 + 2КОН.

При використанні перманганату калію відбувається утворення пластівців осаду гідроксиду марганцю, який каталітично прискорює окислення заліза:

3Fe(НСО3)2 + KMnO4 + 2H2O → KHCO3 + 3Fe(OH)3↓ + МnО2 + 5CO2↑.

Розроблено метод видалення заліза з води пропусканням її через завислий шар тонкодисперсної крейди і гідроксиду алюмінію. Солі заліза переводяться крейдою в карбонат заліза (II), який гідролізується в гідроксид заліза (II) і окислюється до гідроксиду заліза (III). Гідроксид заліза (III) затримується завислим шаром. Весь комплекс реакцій, що відбуваються, можна виразити рівнянням

4СаСО3 + 4FeSО4 + О2 + 6Н2О → 4Fe(ОН)3↓ + 4CaSО4 + 4СО2↑.

Оптимальне співвідношення основних компонентів А1(ОН)3 / СаСО3 = 0,16. Розрахункова швидкість висхідного потоку через завислий шар крейди досягає 0,48 мм/с. Концентрація крейди в завислому шарі складає 0,02-0,03 г/см3. Цим методом видаляється до 95% загального заліза, що знаходиться у воді.

Розроблено метод знезалізнення води, що полягає в застосуванні алюмінату натрію і хлориду заліза (III). Таким методом видаляється залізо, що знаходиться у воді у вигляді неорганічних і органічних (гумусових) сполук. Одночасно усувається колоїдна кремнієва кислота, марганець, неорганічна суспензія і органічні речовини. Оптимальне співвідношення FеС13 і NaAlO3 – 1:1.

Можна виділити такі технологічні схеми, вживані для знезалізнення поверхневих вод:

спрощена аерація, окислення, фільтрування можуть бути рекомендовані при окислюваності води до 16 мгО2/дм3 і вмісті заліза до 14 мг/дм3. Спочатку видаляється надлишок вуглекислоти і вода збагачується киснем при аеруванні, що сприяє підвищенню її рН і первинному окисленню залізоорганичних сполук. Остаточне руйнування комплексних сполук заліза (II) і часткове його окислення досягаються шляхом введення хлора або перманганату калія при фільтруванні води через зернисте завантаження. Спрощена аерація проводиться або у вхідній камері шляхом влаштування каскаду, або шляхом виливання води з перфорованих труб або лотків. Як фільтрувальні апарати застосовуються фільтри з великою брудоємкістю (контактні).

напірна флотація з вапнуванням і подальшим фільтруванням рекомендується при окислюваності води більше 15 мгО2/дм3 і вмісті заліза більше 10 мг/дм3. Суть процесу флотації полягає в дії молекулярних сил, сприяючих злипанню окремих частинок домішок води з бульбашками повітря і спливанню агрегатів, що утворюються при цьому, на поверхню води. Тривалість процесу в 3-4 рази менше в порівнянні з осадженням або обробкою в шарі завислого осаду.

вапнування, відстоювання в тонкошаровому відстійнику, фільтрування рекомендується для видалення сірчанокислого заліза і в тих випадках, коли вихідна вода містить сірководень, при низькій лужності або високій окислюваності води, при загальному вмісті заліза понад 25 мг/дм3. Спочатку звичайно здійснюється аерування води в градирні, в піддон якої вводиться вапняний розчин, далі – коагуляція і виведення в осад більшої частини сполук заліза у відстійнику, обладнаному тонкошаровими модулями, з подальшим видаленням дрібної суспензії фільтруванням. Попереднє аерування застосовується для збагачення води киснем і видалення з неї частини вільної вуглекислоти, внаслідок чого можуть бути знижені розрахункові дози реагентів.

аерація, окислення, вапнування, коагуляція, флокулювання з подальшим відстоюванням або обробкою в шарі завислого осаду і фільтрування (комбінований метод)  застосовуються при вмісті заліза понад 30 мг/дм3, високій окислюваності води – більше 20 мгО2/дм3 і наявності в ній сірководня в концентрації більше 1 мг/дм3. Вказана комбінація ряду методів обробки води передбачає руйнування залізоорганічних сполук і створення сприятливих умов для гідролізу і коагуляції сполук заліза з подальшим відділянням їх від води. Це досягається видаленням вільної вуглекислоти і сірководня при аерації води, під час якої вона збагачується киснем повітря, і зв’язуванням вуглекислоти, що залишилася, вапном. Разом з тим вапнування підвищує лужність і рН води, створюючи сприятливі умови для окислення, гідролізу і коагуляції заліза. Проте, як правило, розчиненого у воді кисню виявляється недостатньо для руйнування залізоорганічних комплексів і окислення заліза. Тому після аерації у воду вводять сильний окислювач, найчастіше хлор. Для інтенсифікації процесу утворення пластівців гідроксиду заліза воду обробляють сульфатом алюмінію і, при необхідності, флокулянтами. Основна частина пластівців гідроксиду заліза, що утворюються, витягується з води у відстійниках або освітлювачах із завислим осадом. Дрібні пластівці, що залишилися, затримуються в товщі зернистого завантаження при фільтруванні води.

Розглянута технологія складна, громіздка і пов'язана з великими капітальними і експлуатаційними витратами, тому використовується у виняткових випадках.

фільтрування через модифіковане завантаження. У деяких випадках для швидкого окислення заліза (II), навіть при низьких значеннях рН, застосовують каталізатори. Як такі каталізатори звичайно використовують роздроблений піролюзит, «чорний пісок» (пісок, покритий плівкою оксидів марганцю, які утворюються в результаті розкладання 1%-ного розчину перманганату калію, підлуженого до рН=8,5-9 водним розчином аміаку) і сульфовугілля, покрите плівкою оксидів марганцю. Для отримання останнього сульфовугілля обробляють 10%-ним розчином MnCl2, а потім через шар Мn-катіоніту, що утворився, фільтрують 1%-ний розчин КМnО4. Калій витісняє марганець, який окислюється і осідає на поверхні вугілля у вигляді плівки оксидів марганцю. У цих випадках для окислення заліза (II) вода повинна фільтруватися із швидкістю 10 м/год. через шар каталізатора завтовшки 1000 мм.

катіонування. Знезалізнення води катіонуванням допускається застосовувати при необхідності одночасного видалення солей заліза і солей, що обумовлюють жорсткість і коли в оброблюваній воді відсутній кисень (див. ЗМ 1.1).


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я