Безотходные технологии обезжелезивания подземных вод

УДК 628.35+532.528

В Вологодском государственном университете в ходе пятилетней исследовательской работы разработаны два вида безреагентных систем обезжелезивания подземных вод. Первая система основана на осуществлении процесса с побочным образованием ценного сорбента, вторая система, имеющая компактные размеры, обеспечивает надежное задержание ионов железа на катоде и оснащена автоматическим механизмом сбора ценных для металлургии отработанных катодов.

Ключевые слова: подземные воды, водоснабжение, вода с повышенным содержанием железа, безреагентное обезжелезивание.

Одним из главных факторов благополучия жителей России является качественное водоснабжение, которое с 2013 года закреплено федеральным законом № 416 «О водоснабжении и водоотведении». Большая часть водопользователей используют для водоснабжения подземные артезианские воды, которые обладают очевидными преимуществами по сравнению с поверхностными водами, в частности, надежной защищенностью, стабильным химическим состав, менее затратными технологиями очистки.

Подземные воды как источник водоснабжения имеют ряд специфических особенностей. Химический состав этих вод формируется при взаимодействии с горными породами в определенных физико-химических условиях. В частности, для подземных вод характерно повышенное содержание железа, концентрации которого во многих случаях значительно превышают ПДК. «Железистые» воды широко распространены в таких районах, как юг Дальнего Востока, Западно-Сибирская низменность, север европейской части России и других.

С учетом санитарно-гигиенических и технических требований очевидно, что воды с повышенным содержанием железа без предварительного удаления последнего не могут использоваться для хозяйственно-питьевого водоснабжения, так как использование таких вод приводит к «зарастанию» водопроводных труб, закупорке фильтров и другим нежелательным последствиям, сопровождающимся в конечном итоге выводом из строя водопроводных систем и сооружений. Кроме того, воды с содержанием железа выше ПДК (более 0,3 мг/л) имеют низкие органолептические свойства, а продолжительное их употребление ведет к увеличению риска инфарктов, заболеваниям печени, ухудшению состояния центральной нервной системы, аллергическим реакциям, нарушению репродуктивной функции и т.д. [1].

Многочисленные исследования, выполненные в России и за рубежом, показали, что эффективность применения того или иного метода удаления железа из подземных вод зависит от количества и форм, в которых присутствует железо в воде, наличия в последней органических веществ, pH, Eh, жесткости и других показателей.

При удалении железа из подземных вод большое распространение получили способы окисления железа. Однако применение одного из таких способов во многих случаях не приводит к удовлетворительным результатам.

Основные традиционные способы обезжелезивания подземных вод можно разделить на четыре группы:
1. Окисление закисного железа аэрированием, хлорированием или озонированием с последующим отстаиванием и отделением гидроокиси на фильтрах.
2. Физико-химические способы удаления соединений железа из воды (катионирование, магнитная и термическая обработка и т.д.).
3. Удаление из воды железа непосредственно в водоносном пласте (метод «Видерокс»).
4. Биологические способы.

Наиболее распространенным и простым способом удаления железа из воды является аэрация: вода на начальной стадии контактирует с кислородом воздуха, а затем отстаивается в контактных резервуарах и фильтруется через зернистые фильтры. Тем не менее необходимость наиболее интенсивной аэрации воды вплоть до полного окисления всего количества железа является необоснованной, так как предполагается существование определенного оптимального режима аэрации, при отклонении от которого происходит ухудшение процесса.

Все перечисленные выше традиционные технологии обезжелезивания обладают существенными недостатками. Это - высокая строительная стоимость сооружений, ограничения по содержанию общего железа в исходной воде и невозможность удаления железа, находящегося в комплексах с органическими соединениями.

Реагентные способы обезжелезивания, в свою очередь, имеют ряд преимуществ: например, возможность удаления железа из воды, где его концентрация имеет большие значения. Кроме того, реагентные схемы сооружений обладают более высокой производительностью по сравнению с безреагентными и меньшей зависимостью от гидрохимических параметров обрабатываемой воды. Однако реагентные схемы отличаются высокими строительными и эксплуатационными затратами. Кроме того, при использовании таких схем существует вероятность ухудшения потребительских свойств воды из-за появления в ней остаточной части применяемых реагентов.

Для решения перечисленных выше проблем в Вологодском государственном университете разрабатываются принципиально новые технологии обезжелезивания подземных вод. В частности, в 2013 году была запатентована технология, основанная на способности специфических свойств двухвалентных и трехвалентных ионов железа перемещаться к катоду с определенными скоростями в постоянном электрическом поле при градиенте потенциала не более 2 В/см. Такое перемещение обеспечивается в емкости при ламинарном движении воды в вертикальном направлении снизу вверх. Процесс обезжелезивания состоит из двух этапов. На первом этапе обеспечивается задержание железа на катоде, а на втором - периодическая отмывка катода с удалением из емкости железа преимущественно в виде трехвалентного осадка промывной водой со скоростью не менее 0,9 м/сек. При этом гидроксидный осадок транспортируется в предназначенную для него емкость [2]. Весь процесс предполагается осуществлять в автоматическом режиме, регулируемом блоком управления с заложенными в него уставками. На рис. 1 приведена общая схема устройства для обезжелезивания воды.

Разработке новой технологии обезжелезивания предшествовало проведение экспериментальных исследований, с помощью которых были определены необходимые параметры для наиболее эффективной работы устройства. Основной характеристикой процесса является градиент потенциала. Для определения его наиболее благоприятных значений была смонтирована экспериментальная установка, через которую со скоростью ламинарного движения осуществлялся пропуск тестовых исходных образцов воды с разными концентрациями железа, а также создавались постоянные электрические поля с разными градиентами потенциала. На выходе из установки контролировалось общее содержание железа в воде. Пример результатов экспериментальных исследований приведен в таблице 1.

Для изучения процесса отделения частиц гидроксида железа от поверхности катода при промывке обеспечивался турбулентный режим движения промывной воды вдоль катода снизу вверх. Результаты исследований влияния градиента потенциала на отмывку катода приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 следует, что при градиентах потенциала не более 2 В/см отмывка катода происходит наиболее качественно. Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется безреагентное обезжелезивание с выделением и последующей утилизацией осадка. В данном случае осадок представляет собой гидроксид железа, который является ценным сорбентом тяжелых металлов [3].

Продолжение экспериментальных и аналитических исследований процессов безреагентного обезжелезивания природных вод позволило в 2016 году предложить еще один подход к проблеме образования и утилизации осадка. Новая разработка предусматривает увеличение градиента потенциала более 2 В/см. В этом случае обеспечивается осаждение, задержание и накопление ионов железа на железном катоде. При увеличении критической массы катода предусмотрен простой автоматизированный механизм его замены на «свежий» катод с утилизацией отработанного катода [4]. Данное решение обеспечивает значительное уменьшение габаритов установки.

Необходимо подчеркнуть, что отработанный электрод является не просто отходом, а ценным ресурсом, который можно использовать на предприятиях металлургической промышленности. Таким образом, предлагаемая установка не только совмещает в себе несколько функций, имея более компактные габариты, что позитивно сказывается на ее себестоимости, но и приобретает способность окупаться.

Для проведения экспериментальных исследований была сконструирована и изготовлена полупроизводственная модель установки для обезжелезивания воды, рассчитанная на производительность 0,2 м3/сут. Эта модель представлена на рис. 2.

 На рис. 3 представлены схемы катода до и после процесса обезжелезивания воды.

Для определения технико-экономических показателей, а также выгоды применения предлагаемой новой технологии и конструкции установки для удаления ионов железа из воды и его утилизации нами выполнены примерные расчеты стоимостей таких установок различной производительности и эксплуатационных затрат. Полученные результаты сравнивались с аналогичными технико-экономическими показателями традиционных систем аэрирования и последующего фильтрования подземных вод. В качестве примера приводим сравнение результатов таких расчетов для соответствующих систем, которые имеют производительность равную 360 м3/сут.

Расчет в отношении варианта с использованием традиционных систем аэрирования и последующего фильтрования показал, что затраты в первый год работы системы составят примерно 3342,9 тыс. руб. (с учетом строительной стоимости сооружений), а затраты на эксплуатацию и расходные материалы в последующие четыре года - от 80,26 до 99,15 тыс. руб. в год.

Аналогичные расчеты предлагаемой нами новой системы обезжелезивания показали, что в первый год затраты на оборудование и расходные материалы составят 534,94 тыс. руб., а в последующие четыре года эксплуатационные расходы будут находиться в пределах от 13,24 до 16,35 тыс. руб. Кроме того, если будет обеспечен сбор и сбыт отработанных катодов, ежегодно установка будет приносить прибыль в пределах от 123,52 до 163,74 тыс. руб. На рис. 4 приведено сравнение единовременных затрат и доходов разработанной установки.

Следовательно, стоимость предлагаемой нами технологии обезжелезивания воды не только меньше традиционной технологии примерно в шесть раз, но каждый последующий год она будет приносить доход в среднем равный 143,6 тыс. руб.

Кроме того, для рассматриваемых вариантов были определены коэффициенты экономической эффективности, равные отношениям стоимости оборудования к стоимости одного кубического метра очищенной от железа воды (рис. 5).  Для детальной оценки экономической составляющей сравниваемых систем обезжелезивания во времени представлен график доходов/расходов за 4 года, исключая первый год (рис. 6).

Как следует из рис. 6, в отличие от традиционной системы обезжелезивания аэрацией и последующим фильтрованием, затраты которой увеличиваются с каждым годом, разработанная нами система обезжелезивания в первый же год своей работы начинает приносить прибыль, во много раз перекрывающую эксплуатационные затраты.

Литература:
1. Архангельский, В.И. Гигиена. Соmреndium: учебное пособие / В. И. Архангельский, П. И. Мельниченко. - Москва: ГЭ- ОТАР-Медиа, 2012. - 392 с.: ил.
2. Патент RU 2501740 Российская Феде- рация, Устройство для обезжелезивания подземных вод / С. М. Чудновский, Г. А. Тихановская, Л. М. Воропай, М. Н. Орлова, Н. А. Волохова, С. В. Шмырин, А. А. Суконщиков; заявитель и патентообладатель Вологодский гос. тех. ун-т. - Опубл. 20.12.2013. Бюл. № 35. - С. 7-9.
3. Никифоров, И.А. Адсорбция анионов хрома (VI) и мышьяка (III) сорбентами на основе гидроксида железа (III) / И.А. Никифоров // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Химия. Биология. Экология. - 2012. - №2. - С.40-42.
4. Заявка на изобретение № 2016112558 от 04.04.2016 Российская Федерация. Способ обезжелезивания подземных вод с утилизацией железа и устройство для его осуществления / С. М. Чудновский, Г. А. Тихановская, Л. М. Воропай, А.Р. Труфанов.

Waste-free technology of iron removal of groundwater

At Vologda state University during the fivePyear research work was developed by two kinds of reagentPfree systems of deferrization of underground waters. The first system is based on the implementation of the process with the side formation of valuable sorbent, the second system having a compact size, provides secure detention of iron ions on the cathode and equipped with an automatic mechanism for the collection of valuable waste for metallurgy cathodes.

Keywords: groundwater, water supply, water with high iron content, chemical free removal of iron.

Chudnovsky Semyon Matveevich, Ph.D. (Engineering), associate Professor, Department of integrated use and protection of natural resources. Vologda state University. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Trufanov Alexey Romanovich, postgraduate, Department of complex use and protection of natural resources. Vologda state University. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.. 160000, the Vologda region, Vologda, Lenina str., 15.

Журнал «Вода Magazine», №6 (118), 2017 г.