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

 

Метод упрощенной аэрации (см. рис. 17.3, б) применим как в гравитационном, так и в напорном варианте в зависимости от производительности установки. Помимо вышеуказанных, показателями применимости этого метода являются условия, когда Е воды после аэрации будет не менее +100 мВ и индекс стабильности воды (J) не менее +0,05.

Метод упрощенной аэрации  основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через  зернистый слой выделять железо на поверхности зерен, образуя каталитическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. Обезжелезивание воды в загрузке, покрытой пленкой, является гетерогенным автокаталитическим процессом, в результате чего обеспечивается непрерывное обновление пленки как катализатора непосредственно при работе фильтра.

При этом методе не требуется  окисление двухвалентного железа в  трехвалентное и перевод его  в гидроксид в связи с чем  отпадает необходимость в устройстве дорогостоящих аэрационных сооружений. Упрощенная аэрация осуществляется с помощью несложных приспособлений путем излива воды с небольшой высоты в карман или центральный канал фильтра, либо путем вдувания воздуха в обрабатываемую воду. Отсутствие специальных аэрационных устройств и контактных емкостей упрощает эксплуатацию и снижает стоимость очистки.

 

Для расчета фильтрующей  загрузки при обезжелезивании додземных  бикарбонатных и карбонатных  вод по методу упрощенной аэрации  рекомендуется эмпирическая формула Г.И. Николадзе

 

 (17.1)

 

где L — толщина слоя фильтрующей загрузки: м; и —скорость фильтрования, м/ч; d3 — эквивалентный диаметр фильтрующей загрузки, мм; Л=СИ/СФ (здесь СИ и Сф — содержание железа (II) соответственно в исходной воде и в фильтрате, мг/л); К— константа реакции окисления железа (II), определяемая эмпирическим путем; а и n — соответственно коэффициент формы зерен и пористость фильтрующей загрузки; t1 — температура исходной воды, °С; [02]—содержание в воде растворенного кислорода, мг/л.

 

2.2.2.  Метод «сухой  фильтрации»

 

Сущность метода «сухой фильтрации» (см. рис. 17.3, г) заключается в фильтровании воздушно-водяной эмульсии через «сухую» (незатопленную) зернистую фильтрующую загрузку путем образования в ней вакуума или нагнетания больших количеств воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. В обоих случаях в поровых каналах фильтрующей загрузки образуется турбулентный режим движения смеси, характеризующийся завихрениями и противотоками, что способствует молекулярному контакту воды с поверхностью зерен контактной массы. При этом на зернах фильтрующей загрузки формируется адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), повышая эффективность процессов деманганации и обезжелезивания.

Особенностью процесса является образование дегидратированной пленки на зернах загрузки (песок, керамзит, антрацит, винипласт, полистирол, полиметилметакрилат и др.), состоящей, как показали рентгенографические определения, из магнетита, сидерита, гетита и гематита. Указанные соединения имеют плотную структуру, а объем их и 4...5 раз меньше, чем гидроксида железа. Поэтому темп прироста потерь напора в фильтрующей загрузке при напорном фильтровании по методу «сухой фильтрации» чрезвычайно мал, а продолжительность фильтроцикла — велика (от нескольких месяцев до года и более). Характерными особенностями процесса являются: минимальный период «зарядки» фильтрующей загрузки (т. е. образование на поверхности зерен активной адсорбционной пленки), составляющий от 0,3 до 2 ч, повышение рН и некоторое снижение жесткости фильтрата, высокая грязеемкость загрузки и отсутствие промывных вод (загрузка отмывается от соединений железа 0,5...1 %-ным раствором дитианита или заменяется на новую, можно отмывать 5...10°/о-ным раствором ингибированной соляной кислоты). В фильтрате обычно наблюдается железо(II) и следы Fe (III). Продолжительность, сут. фильтроцикла, фильтра работающего по схеме «сухой фильтрации», по Г. И. Николадзе равна

 

 

где К1 — воздушно-водяное отношение. Остальные обозначения см. к формуле (17.1).

Метод упрощенной аэрации  с двухступенчатым фильтрованием (рис. 17.3, в) предпочтительно применять в напорном варианте. Сущность процесса аналогичная описанной выше. В самом начале процесса обезжелезивания при поступлении на фильтр первых порций воды, когда загрузка еще чистая, адсорбция соединений железа на ее поверхности происходит в мономолекулярном слое, т. е. имеет место физическая адсорбция, обусловленная силами притяжения между молекулами адсорбата и адсорбента (поверхность твердого тела — адсорбента насыщается молекулами адсорбата). После образования мономолекулярного слоя процесс выделения соединений железа на зернах песка не прекращается, а наоборот, усиливается вследствие того, что образовавшийся монослой химически более активен, чем чистая поверхность песка. Электронно-микроскопические исследования пленки показали, что она состоит из шаровых молекул гидроксида железа и других соединений, как железа(III), так и железа(II). Количество связанной воды в пленке достигает 20%. Величина истинной поверхности пленки составляет не менее 200 м2/г.

Адсорбционные свойства пленки из соединений железа на зернах фильтрующей  загрузки, высокая ее удельная поверхность и наличие большого количества связанной воды позволяют сделать вывод, что пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры. Одновременно, пленка является катализатором окисления поступающего в загрузку железа(II). В связи с этим эффект очистки воды зернистым слоем несравненно выше, чем это могло быть в гомогенной среде.

Для катализатора такого типа некоторые вещества, находящиеся  в воде (аммиак, сероводород, свободная  углекислота, коллоидная кремнекислота), являются «ядами». Молекулы этих веществ  имеют по паре свободных электронов, которые могут участвовать в  образовании ковалентных связей с поверхностью катализатора, что при значительных концентрациях этих соединений приводит к понижению его активности.

Процесс описывается следующим  уравнением:

 

 

где Feост и FeH — соответственно содержание железа в фильтрате фильтра II ступени и в обрабатываемой воде, мг/л; h1 и h2 — соответственно высоты слоев фильтрующей загрузки на фильтрах I и II ступеней; v1 и i>2 — соответственно скорости фильтрования на фильтрах I и II ступеней.

 

2.2.3.  Метод фильтрования  на каркасных фильтрах

 

Метод фильтрования на каркасных  фильтрах следует применять для обезжелезивания воды на установках производительностью до 1000 м3/сут. Сущность обезжелезивания воды по рассматриваемому методу заключается в том, что железо (II) после окисления переходит в осаждающееся железо(III). Гидроксид железа, формирующийся в нижней части аппарата, намывается на патрон. При этом в начале процесса решающую роль играет различие в зарядах керамического патрона, хлопьев гидроксида железа и ионов железа (II). Нарастающий на патроне слой гидроксида железа служит контактным материалом для новых постоянно намываемых агрегатов, при этом происходят как физические, так и химические процессы. Патрон служит только опорным каскадом для фильтрующего слоя гидроксида железа.

При обезжелезивании природных  вод на патронных фильтрах .первой стадии процесса является фильтрование с постепенным закупориванием пор  фильтрующей перегородки. Эта стадия заканчивается по достижении определенного  соотношения объема твердых частиц, задержанных в порах, к объему самих пор, после чего наступает  вторая стадия — фильтрование с  образованием первоначального слоя осадка. На этом заканчивается процесс  зарядки фильтра и начинается фильтрование с целью обезжелезивания  воды.

Формулы (17.4) и (17.5) позволяют  определять количество фильтрата Q, м3/ч, получаемого с 1 м2 фильтрующей поверхности и скорость фильтрования v, м/ч:

 

Q= 100(37,3—4,8υ—3,5) [FeH] + 0,27 [FeH]2 — l,67υ[Fe]; (17.4)

υ= 1 — 0,062[FeB] — 0,003[FeH]2 (17.5)

 

По Г.И. Николадзе продолжительность фильтроцикла можно определить из выражения:

 

 

где Δр — перепад давления при фильтровании; mт — масса твердой фазы, задерживаемой фильтрующим каркасом при получении единицы объема фильтрата; [FeH] — содержание железа в обрабатываемой воде.

 

2.2.4.  Метод аэрации  с использованием вакумно-эжекционных  аппаратов

 

Сущность метода аэрации  с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов (рис. 17,5) заключается в окислении кислородом воздуха железа(II) в окисное с образованием коллоида гидроксида железа, его коагулировании при рН=6,8...7 и выделении в осадок в виде бурых хлопьев. При контакте воды, содержащей железо(II), с воздухом кислород растворяется в воде, окислительный потенциал системы повышается, и если при этом создать условия для удаления части растворенной углекислоты, то рН системы возрастет до значения, обеспечивающего при данном окислительном потенциале выпадение в осадок гидроксида железа(III).

 

Рис. 17.5. Вакуумно-эжекционное устройство.

а — общий вид; б —  разрез по оси аппарата; I — конический сходящийся иасадок; 2 — вакуумная камера; 3 — окна для подсоса воздуха и удаления диоксида углерода;4 — эжекционные камеры; 5 — отражательная пластина (вариант)

При использовании в этой схеме осветлителей со слоем взвешенного осадка процесс по Г.И. Николадзе описывается следующим уравнением:

 

 

где Fe0 и FeH — соответственно содержание железа в воде после осветлителя и в обрабатываемой воде, мг/л; b — экспериментальный коэффициент, зависящий от свойств воды, ч-1; Я — Высота взвешенного слоя, м; v — скорость восходящего движения воды во взвешенном слое, м/ч; n — экспонента, учитывающая влияние окисления железа(II) на эффект обезжелезивания воды.

 

2.2.5.  Обезжелезивание  воды через модифицированную  загрузку

 

Обезжелезивание воды фильтрованием  через модифицированную загрузку основано на увеличении сил адгезии путем воздействия на молекулярную структуру поверхности зерен фильтрующей загрузки. Для увеличения сил адгезии, как показали исследования, необходимо на поверхности зерен фильтрующей загрузки образовать пленку из соединений, имеющих более высокое значение константы Ван-дер-Ваальса. Кроме того, электростатические свойства этих соединений должны обеспечить изменение дзета-потенциала поверхности зерен в нужном направлении. При этом силы адгезии соприкасающихся тем больше, чем' больше молекулярные массы.

Методика модификации  загрузки предусматривает ее последовательную обработку 1,5%-ным раствором серно-кислого железа (II), а затем 0,5%-ным раствором перманганата калия. Суммарная продолжительность контакта 30 мин. Спустя 20 мин после начала работы фильтрат отвечает лимитам ГОСТ 2874—82. «Вода питьевая».

Обезжелезивание методом  напорной флотации основано на действии молекулярных сил, способствующих слипанию отдельных частиц гидроксида железа с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха и всплывании образующихся при этом агрегатов на поверхность воды. Метод флотационного выделения дисперсных и коллоидных примесей природных вод весьма перспективен вследствие резкого сокращения продолжительности процесса (в 3...4 раза) по сравнению с осаждением или обработкой в слое взвешенного осадка.

 

Процесс напорно-флотационного  разделения хлопьев гидроксида железа можно подразделить на следующие стадии: окисление закисного железа в окисное, растворение воздуха в воде и образование пузырьков; образование комплексов «пузырек воздуха — хлопья гидроксида железаподъем этих комплексов на поверхность воды. Каждая стадия оказывает существенное влияние на эффективность и экономичность процесса.

На эффективность процесса всплывания хлопьев при флотационном разделении оказывают влияние концентрация взвешенных веществ (исходная концентрация железа, доза извести), .количество и  размер пузырьков, продолжительность флотации, а также гидродинамические условия. Эффект флотации можно определить по формуле

 

 (17.8)

 

где uп — скорость подъема пузырьков; Т — продолжительность пребывания воды во флотаторе; П — количество пузырьков воздуха в единице объема воды; Н0 — высота слоя воды во флотаторе; а —коэффициент вероятности закрепления пузырьков на хлопке гидроксида железа при подъеме его на 1 см.

При увеличении продолжительности  флотации, давления в напорном баке, дозы извести, а также исходного  содержания железа, эффект обезжелезивания  повышается, а при увеличении количества дисперсионной воды — понижается. Другие факторы, как показывают уравнения  регрессии, существенного влияния  не оказывают.

 

 

где Т — продолжительность  пребывания воды во флотаторе, мин; (/ —  количество воды, подвергаемое насыщению  воздухом, л; Ди —доза извести, мг/'л; р — давление насыщения, МПа; Fe„ — исходная концентрация железа, мг/л; Э — эффект обезжелезивания; Оk — окисляемость.

Снижение окисляемости зависит  в основном от количества воды, подвергаемой насыщению воздухом, дозы извести  и давления насыщения.

Удаление высококонцентрированных  устойчивых форм железа из воды аэрацией, известкованием, отстаиванием в тонком слое и фильтрованием достигается после полного окисления Железа (II) и деструкции комплексных железоорганических соединений при pH≥7,l. Процесс выделения соединений железа в тонкослойном отстойнике носит циклический характер и при этом эффект обезжелезивания воды зависит главным образом от скорости потока в тонкослойных модулях, исходной концентрации железа и дозы щелочного реагента. Для агломерации хлопьев гидроксида железа, седиментирующихся в отстойнике, объем камеры хлопьеобразования вихревого типа, совмещенной с отстойником, должен обеспечивать продолжительность пребывания обрабатываемой воды не менее 15 мин.

Достигаемый в тонкослойных модулях эффект деферизации воды Э, %', зависит от скорости движения потока — v, дозы щелочного реагента — Ди, содержания железа в обрабатываемой воде — FeH и описывается уравнением