Кондиционирование подземных вод с высоким содержанием железа

Как показали технологические испытания по кондиционированию подземных вод с высоким содержанием железа в г. Комсомольск-на-Амуре, обработка воды перекисью водорода, перманганатом калия и каустической содой обеспечивает получение стабильной питьевой воды высокого качества. При этом остаточное содержание перекиси водорода (как реагента) соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074F01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». На основании полученных результатов разработаны технологические регламенты проектирования сооружений кондиционирования подземных вод.

В связи с маловодностью поверхностных источников водоснабжения или их высокой загрязненностью в некоторых регионах нашей страны для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения приходится использовать подземные горизонты, воды которых отличаются высоким содержанием железа (10-30мг/дм3 ).

Одним из таких регионов является Дальний Восток России. В таблице 1 приведены основные показатели состава подземных вод двух водозаборов г. Комсомольска-на-Амуре.

Как видим, отличительными особенностями состава воды являются низкие значения величин рН, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), а также высокое содержание железа, марганца и углекислоты. Как показывает величина индекса Ланжелье, вода не является стабильной. Растворенный кислород в такой воде способен привести к высокой скорости коррозии стали, а следовательно, к вторичному загрязнению очищенной воды железом в разводящих сетях.

Как следует из таблицы 1, показатели состава воды, определяющие протекание основных технологических процессов обезжелезивания-деманганации, близки соответствующим параметрам подземных вод Тюменского севера. Для последних нами ранее была разработана и испытана технология кондиционирования с использованием реагентов-окислителей - перекиси водорода и перманганата калия [1-4]. Дополнительное применение щелочного реагента позволяет одновременно провести и стабилизационную обработку воды [5].

Реакция окисления железа (I стадия процесса) протекает количественно при избытке иона двухвалентного железа, тогда как при избытке перекиси водорода наряду с окислением закисного железа происходит разложение перекиси водорода с выделением кислорода. Поэтому, как показал опыт эксплуатации водопроводных очистных сооружений, реализующих эту технологию (г. Ноябрьск, 75,0 тыс. м3 /сут. и г. Новый Уренгой, 65,0 тыс. м 3 /сут.), остаточное содержание железа (+2) после первичного окисления должно быть на уровне 0,1-0,3 мг/дм 3 . Стехиометрическая доза окислителя составляет 0,3 мг/мг Fe 2+ .

На стадии II (вторичное окисление) посредством применения перманганата калия производится доокисление закисного железа и окисление двухвалентного марганца. Стехиометрические дозы окислителя составляют соответственно 0,94 и 1,92 мг/мг металла.

Для повышения эффективности последнего процесса рекомендуется подщелачивание воды до рН=7,0-8,0. Одновременно это позволяет снизать дозу окислителя и обеспечить стабилизацию воды.

Следует отметить, что продукт реакций (2) и (3) гидрат диоксида марганца MnO(OH) 2 или MnO 2 •2H 2 O дисперсный осадок, имеющий большую удельную поверхность. Поэтому он является эффективным сорбентом и позволяет значительно улучшить органолептические показатели качества очищенной воды.

Правильное назначение доз окислителей, достигаемое путем проведения технологических испытаний, обеспечивает отсутствие растворенного кислорода в очищенной воде. В сочетании со сдвигом окислительно-восстановительного потенциала среды в область положительных значений уже на стадии первичного окисления это гарантирует отсутствие явлений биообрастания загрузки фильтровальных сооружений в трубопроводах.

В данной работе приведены результаты технологических испытаний по кондиционированию подземных вод в г. Комсомольск-на-Амуре с использованием ранее разработанных нами решений.

Для обработки воды применялись реагенты, имеющие сертификаты реагентов питьевого водоснабжения РФ:
- перекись водорода по ГОСТ 177-88 (Россия);
- перманганат калия по стандарту ANSI/AWWA 603-88 (Китай);
- каустическая сода по стандарту GB 5175-2008 (Китай).

Отделение продуктов реакции производилось путем фильтрования через кварцевый песок фракции 0,5-1,2 мм при скорости 5,0-5,5 м/час. Высота фильтрующего слоя составляла 0,8 м.

Определение массовых компонентов состава воды проводилось фотометрическими методами на спектрофотометре NOVA-60A (Merck, Германия) с использованием соответствующих наборов реактивов этой фирмы. Перечень компонентов и методик приведен в таблице 2.

Для измерения температуры воды применялся электронный термометр Checktemp 1(HANNA, Германия). Точность определения составляла 0,1 °С.
Определение активной реакции среды (рН) и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) выполнялось при помощи мембранного рНметра типа HI 8314 (HANNA, Германия).

Измерение этих показателей производилось в проточной термостатированной ячейке специальной конструкции, что позволило получить более точные результаты.

Расчет величины щелочности воды проводился по методике [6], а вычисление индекса Ланжелье согласно Приложению 5 [7].

Определение концентрации растворенной углекислоты проводилось титрованием раствором едкого натра с фенолфталеином [8].

На рис. 1 представлены результаты обработки воды перекисью водорода при фактической (исходной) величине рН.

Как видим, для снижения концентрации железа до нормативного значения (0,3 мг/дм 3 ) необходима доза окислителя не более 3,5 мг/дм 3 , что близко к стехиометрической величине (3,68 мг/дм3 ).

На рис. 2 приведены результаты последующей обработки воды перманганатом калия с коррекцией рН-среды до 7,0-7,5.

Как видим, для достижения норматива 0,1 мг/дм3 требуются дозы реагента соответственно 1,6 и 4,0 мг/дм3 , что заметно ниже стехиометрической величины (2,27 и 4,72 мг/дм3).

На втором этапе работы были выполнены пилотные испытания технологии на установке производительностью 15-20 л/час.

Условия и результаты испытаний приведены в таблице 3.

Как видим, во всех сериях достигается высокое качество очищенной воды (остаточное железо <0,1 мг/дм3 , остаточный марганец <0,1 мг/дм3). Остаточное содержание перекиси водорода (как реагента) соответствует требованиям [9]. Во всех сериях обеспечивается глубокая стабилизационная обработка воды, позволяющая свести к минимуму ее агрессивность по отношению к черной стали.

На основании результатов испытаний нами разработаны технологические регламенты проектирования сооружений кондиционирования подземных вод.

Литература:
1. Селюков А.В., Куранов Н.П., Карасюк В.Ф. Новая технология обезжелезивания и деманганации подземных вод. В сб.: Очистка и кондиционирование природных вод. М.: НИИ ВОДГЕО, 2004. вып. 5.
2. Селюков А.В., Куранов Н.П., МаслийВ.Д., Смирнов В.В. Реконструкция водопроводных очистных сооружений г. Новый Уренгой //Водоснабжение и санитарная техника. 2006 . № 5.
3. Селюков А.В., Байкова И.С. Обезжелезиваниедеманганация подземных вод водозабора «Северный» г. Ханты-Мансийска//Водоснабжение и санитарная техника. 2012. №2.
4. Селюков А.В., Байкова И.С., Соловьева О.В. Кондиционирование подземных вод Амурского водозабора (г. Комсомольск-на-Амуре)// //Водоснабжение и санитарная техника. 2013. №7.
5. Селюков А.В. Стабилизационная обработка подземных вод Тюменского севера//Водоснабжение и санитарная техника. 2013. №2.
6. ГОСТ Р 52963-2008. Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. М.: Стандартинформ, 2009 г.
7. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
8. Перечень методик измерений и документов, разработанных ЗАО «ЦИКВ». Методика ЦВ 1.01.172004. Качество воды. Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод. Титриметрический метод.
9. СанПиН 2.1.41074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.

Журнал «Вода Magazine», №4 (80) 2014 г.