Методы обезжелезивания природных вод. Технологические схемы обезжелезивания и конструкции аппаратов используемых для этих целей

 

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Южно-Уральский государственный  университет»»

Факультет «Заочный инженерно-экономический»

Кафедра «Водоснабжение и  водоотведение»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

 

на тему: Методы обезжелезивания природных вод. Технологические схемы обезжелезивания и конструкции аппаратов используемых для этих целей.

по дисциплине: Специальные методы очистки природных вод

 

 

 

 

 

Руководитель:

Е.В. Николаенко

 

Выполнила:  студентка        

группы ВВ-439с                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

             И.С. Чикалина

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2013г.

Оглавление

 

 

1. Обезжелезивания природных вод 3

2. Методы обезжелезивания 6

2.1. Безреагентные   методы обезжелезивания 6

2.2. Реагентные методы  обезжелезивания 8

2.2.1.  Метод упрощенной  аэрации 11

2.2.2.  Метод «сухой  фильтрации» 12

2.2.3.  Метод фильтрования  на каркасных фильтрах 14

2.2.4.  Метод аэрации  с использованием вакумно-эжекционных  аппаратов 15

2.2.5.  Обезжелезивание  воды через модифицированную  загрузку 16

2.2.6.  Обезжелезивание  воды катионированием 19

Литература 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ведение

 

Подземные воды многих регионов земного шара часто характеризуются  повышенным содержанием железа.

Повышенное содержание железа в воде придает ей буроватую окраску, неприятный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных  сетей и водоразборной арматуры, является причиной брака в текстильной, пищевой, бумажной, химической и других отраслях промышленности.

Многообразие форм и концентраций железа, встречающихся в природных  и сточных водах, вызвало необходимость  разработки целого ряда методов, технологических  схем и сооружений обезжелезивания  воды. Большой вклад в решение  проблемы обезжелезивания природных  и оборотных вод внесли российские ученые И.Э. Апельцин, В.А. Клячко, Г.И. Николадзе, Л.А. Кульский, А.М. Перлина, К.А. Мамонтов, Г.Ю. Асс.

В поверхностных водах железо обычно встречается в виде органических и минеральных комплексных соединений, либо коллоидных или тонкодисперсных взвесей. Преобладающей формой существования железа в подземных водах является бикарбонат железа (II), который устойчив только при наличии значительных количеств углекислоты и отсутствии растворенного кислорода. Наряду с этим железо встречается в видесульфида, карбоната и сульфата железа (II), комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Обезжелезивания природных вод

 

Гидроксид железа может присутствовать в воде в коллоидном состоянии, которое является одной из основных форм существования. Оно в значительной степени повышается благодаря защитному действию гумусовых веществ в результате того, что частицы неустойчивого в воде (гидрофобного) коллоида адсорбируют на своей поверхности частицы другого коллоида, который имеет более сильную связь с молекулами воды, т. е. обладает гидрофильным характером. Железо может быть переведено ,из этого комплекса в осадок двумя путями: естественным — при участии бактерий, разрушающих органическое вещество, и искусственным — с помощью сильных окислителей, уничтожающих защитные коллоиды. Вместе с тем выпадению гидроксида железа из коллоидного состояния в осадок способствует наличие противоположно заряженных золей кремниевой кислоты (коагуляции).

 

Рис. 1. Диаграммы Пурбе для железа (а) и марганца (б).

 

На рис. 1, а представлена диаграмма Пурбе, отражающая состояние системы железо — вода в координатах окислительно-восстановительный потенциал — значение рН. Вертикальными прямыми показаны значения рН гидратообразования при реально устанавливающемся равновесии в системе. Как следует из диаграммы, при значениях рН<4,5 железо находится в воде в виде ионов Fe3+, Fe2+ и Fe(OH)2+. Повышение значения рН приводит к окислению железа(II) в железо(III), которое выпадает в осадок. В этих же условиях при Е<0,2 В и наличии в воде сульфидов может выделяться черный осадок FeS. В восстановительной среде в присутствии карбонатов и при рН>8,4 возможно выделение карбоната, а при рН> 10,3 — гидроксида железа (II).

При наличии катализаторов  — растворенных в обрабатываемой воде ионов меди, марганца и фосфат-ионов, а также при контакте ее с оксидами марганца или с ранее выпавшим гидроксидом железа(III) скорость окисления железа(II) кислородом значительно возрастает (рис. 2.2, а). С повышением значения рН среды время, затрачиваемое на окисление соединений железа (II), значительно сокращается. Окисление железа (И) кислородом воздуха происходит по реакции

 

4Fe2+ + 02 + 8НСО3- + 2Н2О = 4Fe (ОН)3 + 8С02

 

Рис. 2. Графики оксидации железа (И) кислородом в присутствии катализаторов (а) и кинетика его оксидации кислородом, хлорамином и хлором (б) при различных рН воды. 1 — без катализатора; 2, 3 — в присутствии меди и диоксида марганца (дозы по 0,02 мг/л); 4 — в присутствии гексаметафосфата (доза 2 мг/л);

По стехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,143 мг растворенного  в воде кислорода; щелочность воды при  этом снижается на 0,036 мг-экв/л. Скорость окисления соединений железа(II) значительно  возрастает при хлорирование воды (нормальный окислительно-восстановительный потенциал  хлора Е=1,36 В). Соединения железа(II) в  присутствии гидрокарбонатов природных  вод полностью гидролизуют по реакции:

 

2Fe2+ + С12 + 6НСО3- = 2Fe (ОН)3 + 2Сl + 6С02

 

По стехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,64 мг хлора; щелочность воды при этом снижается  на 0,018 мг-экв/л. Как видно из рис. 2.2, б, при замене свободного хлора дихлорамином (Е=0,66В при рН 5) время, необходимое для окисления соединений железа (II), значительно возрастает.

При обработке воды перманганатом  калия реакция окисления и  последующего гидролиза протекает по уравнению

 

4Fe2+ + МnО4- + 8НСО3- + 2Н20 = 4Fe (ОН)3 + МnО2 + 8С02

 

По стехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,71 мг перманганата калия; щелочность воды при этом уменьшается  на 0,036 мг-экв/л.

 

2. Методы обезжелезивания

 

Для деферризации воды следует использовать несколько методов адекватно формам, количеству железа и буферным свойствам исходной воды. Все многообразие методов, применяемых в технологии обезжелезивания воды, можно свести к двум основным типам, реагентные и безреагентные. Из применяемых в настоящее время безреагентных методов обезжелезивания воды перспективными являются: вакуумно-эжекционная аэрация и фильтрование (рис. 2.3, а); упрощенная аэрация и фильтрование; «сухая фильтрация»; фильтрование на каркасных фильтрах; фильтрование в подземных условиях с предварительной подачей в пласт окисленной воды или воздуха (рис. 2.4); аэрация й двухступенчатое фильтрование; ультрафильтрация.

 

 

Многообразие методов  обезжелезивания воды исключает  их равноценность в отношении  надежности, технологичности, экономической  целесообразности, простоты, области  применения и т. п. Обезжелезивание поверхностных вод можно осуществить лишь реагентными методами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение получили безреагентные методы.

 

 

2.1. Безреагентные   методы обезжелезивания

 

Безреагентные методы обезжелезивания  могут быть применены, когда исходная вода характеризуется: рН — не менее 6,7; Щелочностью — не менее 1 мг-экв/л; перманганатная окисляемость — не более 7 мг 02/л. При этом при содержании железa(III) не более 10% от общего и концентрации железа(П) в бикарбонатной или карбонатной форме до 3 мг/л рекомендуется метод фильтрования на каркасных фильтрах без вспомогательных фильтрующих средств, до 5 мг/л предпочтительно применять метод сухой фильтрации от 5 до 10 мг/л следует использовать метод упрощенной аэрации с одноступенным фильтрованием; от 10 до 20 — аэрация и двухступенчатое фильтрование; от 10 до 30 мг/л — рекомендуется вакуумно-эжекционная аэрация с фильтрованием через загрузку большой грязеемкости.

 

 

При концентрации углекислого или карбонатного железа(П) более 20 мг/л или при содержании сероводорода 1...5 мг/л, рН 6,4 рекомендуется метод вакуумно-эжекционной аэрации с последующим отстаиванием в тонком слое воды или обработкой в слое взвешенного осадка и фильтрование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Реагентные методы  обезжелезивания

 

К реагентным относятся следующие методы: упрощенная аэрация, окисление, фильтрование, напорная флотация с известкованием и последующим фильтрованием; известкование, отстаивание в тонкослойном отстойнике и фильтрование-, фильтрование через модифицированную загрузку; электрокоагуляция, катионирование; озонирование и фильтрование.

 

 

Реагентные методы обезжелезивания воды следует применять при низких значениях рН, высокой окисляемости, нестабильности воды. При этом при содержании сернокислого или карбонатного железа, либо комплексных железоорганических соединений: до 10 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O2/л рекомендуется применять фильтрование через модифицированную загрузку, до 15 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг 02/л предпочтителен метод, предусматривающий упрощенную аэрацию, обработку сильным окислителем и фильтрование через зернистую загрузку большой грязеемкости; свыше № мг/л и перманганатной окисляемости более 15 мг/л следует применять напорную флотацию с предварительным известкованием и последующим фильтрованием или метод, предусматривающий аэрацию, известкование, отстаивание в тонком слое и фильтрование; свыше 10 мг/л, перманганатной окисляемости более 15 мг 02/л при производительности установок до 200 м3/сут можно рекомендовать электрокоагуляцию с барботированием, отстаиванием в тонком слое и фильтрование.

 

 

 

Рис. 2.3. Технологические  схемы установок обезжелезивания  воды.

а — вакуумно-эжекциоииой  аэрации и фильтрования; б —  упрощенной аэрации с одноступенчатым фильтрованием; в — упрощенной аэрации с двухступенчатым фильтрованием; г — сухой фильтрации; д — известкования; е — фильтрованием через намывной слой; 1 я 8— подача исходной и отвод обезжелезенной воды; 2 — вакуумно-эжекционный аппарат; 3 — каркасно-засыпные фильтры; 4 — резервуар промывной воды; 5 — повысительный насос; 6 и 11 — установка для фторирования и обеззараживания воды; 7 — водонапорный бак; 9 — воздуходувка; 10 — скорый осветлительный фильтр; 12 — аэрационное устройство; 13 — осветлительный фильтр II ступени; 14 — сброс воздуха; 15 — скорый фильтр с «сухой загрузкой»; 16 — смеситель; 17 — вихревая камера хлопьеобразования; 18 — тонкослойный отстойник; 19 — намывной фильтр

 

 

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).

 

2.2.1.  Метод упрощенной аэрации

 

Обезжелезивание воды упрощенной аэрацией, хлорированием и фильтрованием заключается в удалении избытка углекислоты и обогащении воды кислородом при аэрации, что способствует повышению рН и первичному окислению железоорганических соединений. Окончательное разрушение комплексных соединений железа (II) и частичное его окисление достигаются путем введения в обрабатываемую воду окислителя (хлора, озона, перманганата калия и т. п.). Соединения закисного и окисного железа извлекаются из воды при фильтровании ее через зернистую загрузку.

Хлор вводится в водяную  подушку через специальную распределительную  трубчатую систему; при этом требуется  обеспечить необходимое время контакта окислителя с обрабатываемой водой. В качестве фильтровального аппарата рекомендуются контактные фильтры КФ-5 с повышенной грязеемкостью. В контактном фильтре КФ-5 фильтрующая загрузка состоит из трех слоев толщиной по 0,6 м: верхний слой — керамзит или полимеры с крупностью зерен 2,3...3,3 мм, средний слой — антрацит или доменный шлак с крупностью зерен 1,25...2,3 мм, нижний слой — кварцевый песок или горелые породы с зернами крупностью 0,8...1,25 мм. Скорость фильтрования 7 м/ч, промывка водяная.