Учебно-методический комплекс представляет собой комплект учебно-методических и контролирующих материалов по дисциплине «Водоочистка»

ТЕМА 2 Обезжелезивание природных и оборотных вод Обезжелезивание природных вод Подземные воды многих регионов земного шара часто характеризуются повышенным содержанием железа. Например, в Индокитае подземные воды с содержанием железа выше нормативов составляют около 60 %. Железосодержащие воды широко распространены в Северной и Центральной Европе, в Сибири и на Дальнем Востоке, в Северной Америке, на Юге Африки. 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.Повышенное содержание железа в питьевой воде вредно для здоровья человека. При продолжительном введении в организм железа избыток его накапливается в печени в коллоидной форме оксида железа, получившей название гемосидерина, который вредно действует на клетки печени, вызывая их разрушение. Поэтому воду с повышенным содержанием железа необходимо обезжелезивать. Многообразие форм и концентраций железа, встречающихся в природных и сточных водах, вызвало необходимость разработки целого ряда методов, технологических схем и сооружений обезжелезивания воды. В поверхностных водахжелезо обычно встречается в виде органических и минеральных комплексных соединений, либо коллоидных или тонкодисперсных взвесей. Преобладающей формой существования железа в подземных водахявляется гидрокарбонат железа (П),который устойчив только при наличии значительных количеств углекислоты и отсутствии растворенного кислорода. Наряду с этим железо встречается в виде сульфида, карбоната и сульфата железа (II), комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами. Гидроксид железаможет 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). На рис. 3.1 представлена диаграмма Пурбе, отражающая состояние системы железо – вода в координатах окислительно-восстановительный потенциал – значение рН.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 присутствиикарбонатов и при рН>8,4 возможно выделение карбоната, а при рН>10,3 – гидроксида железа (II). Рис. 3.1. Диаграмма Пурбе для железа 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. С повышением значения рН среды время, затрачиваемое на окисление соединений железа (II), значительно сокращается. Окисление железа (II) кислородом воздуха происходит по реакции: 4Fe2+ + О2 + 8НСО3- + 2Н2О = 4Fe (ОН)3↓+ 8СО2 ↑. Скорость окисления соединений железа (II) значительно возрастает при хлорировании воды (нормальный окислительно-восстановительный потенциал хлора Е=1,36 В). Соединения железа (II) в присутствии гидрокарбонатов природных вод полностью гидролизуют по реакции: 2Fe2+ + CI2 + 6НСО3- = 2Fe (OH)3↓ + 2Сl- + 6C02 ↑. При обработке воды перманганатом калия реакция окисления и последующего гидролиза протекает по уравнению: 4Fe2+ + МпО4- + 8НСО3-+ 2Н2О = 4Fe (ОН)3↓ + МпО2↓ + 8СО2 ↑. Для деферизации водыследует 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;упрощенная аэрация и фильтрование; «сухая фильтрация»; фильтрование на каркасных фильтрах. 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. Обезжелезивание поверхностных вод можно осуществить лишь реагентными методами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение получили безреагентные методы. Безреагентные методы обезжелезивания могутбыть применены, когда исходная вода характеризуется: рН – не менее 6,7; щелочностью – не менее 1 мэкв/л; перманганатная окисляемость – не более 7 мгО/л. При этом при содержании железа (III) не более 10% от общего и концентрации железа (П) в гидрокарбонатной 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 (рис. 3.2). Рис.3.2. Вакуммно-эжекционное устройство При концентрации углекислого или карбонатного железа (II) 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. 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 О/л рекомендуется применять фильтрование через модифицированную загрузку; до 15 мг/л и перманганатной окислявмости до 15 мг О/л предпочтителен метод, предусматривающий упрощенную аэрацию, обработку сильным окислителем и фильтрование через зернистую загрузку большой грязеемкости; свыше 10 мг/л и перманганатной окислямости более 15 мгО/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 мгО/л при производительности установок до 200 м3/сут можно рекомендовать электрокоагуляцию с барботированием, отстаиванием в тонком слое и фильтрование. Обезжелезивание воды катионированиемцелесообразно лишь в тех случаях, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды, при этом ионным обменом могут быть лишь извлечены ионы железа (II). Метод упрощенной аэрацииприменим как в гравитационном, так и в напорном варианте в зависимости от производительности установки. 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 пленкуиз 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. В том 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. 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. Сущность метода «сухой фильтрации» 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 пленкаиз соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), повышая эффективность обезжелезивания. Особенностью процесса является образование дегидратированной пленкина 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%-ным раствором ингибированной соляной кислоты). Метод фильтрования на каркасных фильтрахследует 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 материаломдля 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. Сущностьметода аэрации с использованием вакуумно-эжекционных аппаратовзаключается в окислении кислородом воздуха железа (II) в железо (III) 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). Обезжелезивание воды фильтрованием через модифицированную загрузкуосновано на увеличении сил адгезии путем воздействия на молекулярную структуру поверхности зерен фильтрующей загрузки. Методика модификации загрузки предусматривает ее последовательную обработку 1,5%-ным раствором сернокислого железа (II), а затем 0,5%-ным раствором перманганата калия. Суммарная продолжительность контакта 30 мин. Обезжелезивание воды упрощенной аэрацией, хлорированием и фильтрованиемзаключается 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 извлекаются из воды при фильтровании ее через зернистую загрузку. Обезжелезивание методом напорной флотацииосновано 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 водвесьма 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 железа»; подъем этих комплексов на поверхность воды. Каждая стадия оказывает существенное влияние на эффективность и экономичность процесса. Удаление высококонцентрированных устойчивых форм железа из воды аэрацией, известкованием, отстаиванием в тонком слое и фильтрованиемдостигается после полного окисления железа (II) и деструкции комплексных железоорганических соединений при рН≥7,1. 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 удаления сульфата железа (II) применяют известкование, при этом известь реагирует вначале с сульфатом железа (II): FeSО4 + Са (ОН)2 = CaSО4 + Fe (OH)2. Образующийся гидроксид железа (П) окисляется в Fe(ОН)3, при этом, если количество кислорода, содержащегося в воде, недостаточно для окисления, одновременно с известкованием проводят хлорирование или аэрирование воды. В некоторых случаях для быстрого окисления железа (II), даже при низких значениях рН, применяют катализаторы. В качестве таких катализаторов обычно используют дробленый пиролюзит, «черный песок»(песок, покрытый пленкой оксидов марганца, которые образуются в результате разложения 1%-ного раствора перманганата калия, подщелаченного до рН=8,5...9 водным раствором аммиака) и сульфоуголь,покрытый пленкой оксидов марганца. Обезжелезивание воды катионированиемдопускается применять при необходимости одновременного удаления солей железа и солей, обусловливающих жесткость, и когда в обрабатываемой воде отсутствует кислород. Обезжелезивание поверхностныхвод осуществляют при одновременном осветлении и обесцвечивании. Железо, находящееся в воде в виде коллоидов, тонкодисперсных взвесей и комплексных соединений, удаляется обработкой воды коагулянтами (сульфатом алюминия, хлоридом железа (III) либо смешанным коагулянтом). Для разрушения комплексных органических соединений железа воду обрабатывают хлором, озоном или пер манганитом калия. При использовании железных коагулянтов обеспечивается более полное удаление железа из воды в результате интенсивной адсорбции ионов железа на хлопьях Fe(OH)3. Оптимум адсорбции ионов железа как в случае применения алюминиевых, так и железных коагулянтов лежит в интервале значений рН воды 5,7...7,5. Доза коагулянта устанавливается экспериментально.

Похожие:

	Учебно-методических материалов по курсу "Оценка земли" в соответствии... В соответствии с программой курса в комплект учебно-методических материалов включены		Учебно-методических материалов по курсу "Макроэкономика" в соответствии... В соответствии с программой курса в комплект учебно-методических материалов включены
	Учебно-методических материалов курса «Инвестиции в эколого-экономические... Комплект учебно-методических материалов курса «Инвестиции в эколого-экономические проекты»		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Конституционное право зарубежных стран» Учебно-методический комплекс дисциплины является частью образовательной программы высшего учебного заведения, разрабатываемый по...
	Учебно-методических материалов курса «Экологическое страхование и... Комплект учебно-методических материалов курса «Экологическое страхование и оценка риска»		Учебно-методический комплекс Направление подготовки 030900 Юриспруденция квалификация «бакалавр» Банковское право: комплекс учебно-методических материалов для студентов заочного обучения – Калининград: 2013. 37с
	3. Учебно-методический комплекс: состав и структура Мгоу, университет и представляет собой совокупность материалов, регламентирующих содержание учебной и методической работы по организации...		Учебно-методический комплекс материалов по дисциплине «Философия» Учебно-методический комплекс включает учебную программу курса, планы проведения семинарских занятий, список основной и дополнительной...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Теория физической культуры» представляет собой совокупность учебно-методических материалов, способствующих эффективному освоению...		Учебно-методический комплекс предназначен для студентов I курса факультета... Учебно-методический комплекс предназначен для студентов I курса факультета естественных наук, направление подготовки 020201 «Биология...
	Учебно-методический комплекс материалов по дисциплине «Физиология центральной нервной системы» Комплекс включает учебно-тематический план изучения дисциплины, учебную программу курса, планы проведения семинарских занятий, структуру...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Медиапсихология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «Искусствоведение» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Психофизиология» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов заочной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий,...
	Учебно-методический комплекс по дисциплине «судебная медицина» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных и практических занятий, рекомендации...		Учебно-методический комплекс по дисциплине «Методы оптимальных решений» Учебно-методический комплекс предназначен для студентов очной формы обучения, содержит план лекционных, практических и лабораторных...