№6|2011

ПИТЬЕВОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

bbk 000000

УДК 628162.1

Селюков А. В., Чекмарева С. В.

Деманганация речной воды

Аннотация

Рассматривается одна из трудно решаемых проблем коммунальных сооружений очистки воды поверхностных источников – невозможность осуществления деманганации по классической схеме водоподготовки. Приведены результаты исследований по доочистке речной воды от марганца с помощью перманганата калия на сооружениях водоснабжения г. Пугачева Саратовской области. При выборе способа снижения содержания марганца учитывались водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал среды. Проведенные исследования и пробная эксплуатация системы дозирования перманганата калия показали, что обработка этим реагентом обеспечивает остаточное содержание марганца в питьевой воде, соответствующее нормативным требованиям.

Ключевые слова

, , , , ,

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В ряде регионов России специалисты все чаще отмечают многократное превышение фонового содержания марганца в воде малых рек [1–7]. В то же время данные по токсичности марганца [8] показывают, что деманганация питьевой воды – одно из значимых направлений водоподготовки.

Увеличение содержания растворимых форм марганца наблюдается в период ледостава, а также в летние месяцы (июль–август), когда вода источника прогревается до температуры выше 20 С. Обычно максимальная концентрация марганца фиксировалась к концу ледостава. Однако в последние годы в связи с климатическими изменениями (экстремально высокие летние температуры) эта тенденция нарушилась: в конце лета в водотоках наблюдается максимальное содержание марганца, в сотни раз превышащее фоновые значения. В конечном результате это сказывается на качестве воды, подаваемой потребителям, поскольку традиционные схемы водоподготовки (одно- и двухступенчатые, с применением коагулянта, флокулянта и хлорсодержащих реагентов) не обеспечивают снижение содержания марганца до нормативного значения.

Типичная ситуация имела место в г. Пугачеве Саратовской области летом 2009 г., когда в течение длительного времени сохранялась аномально высокая температура воздуха и, как следствие, воды поверхностного источника водоснабжения [9]. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения города используется вода Сулакского водохранилища, расположенного на 186-м километре реки Большой Иргиз. Река протекает на территории Ивантеевского, Пугачевского, Балаковского районов и является левобережным притоком реки Волги (Волгоградское водохранилище).

В результате исследования проб воды в конце июля 2009 г. в водоисточнике был обнаружен марганец в концентрации 2,6–3,5 мг/л (обычно его фоновое содержание не превышает 0,05 мг/л). Водозаборно-очистные сооружения (ВОС) г. Пугачева построены в 1983 г. по проекту ЦНИИЭП инженерного оборудования и предназначены для очистки поверхностных вод до нормативного качества по мутности и цветности. Технология предусматривает забор воды из водоисточника, первичное хлорирование, обработку коагулянтом («АКВА-АУРАТ™30»), осветление на контактных осветлителях, вторичное хлорирование и подачу потребителям. Эффективность удаления марганца на ВОС составила 7–8%.

В связи с чрезвычайным характером ситуации срочно потребовалось проведение комплекса технологических работ для доочистки воды от марганца на ВОС г. Пугачева. Как правило, содержание марганца в речных водах составляет от сотых долей мкг/л до десятков мкг/л, в донных осадках – сотни мкг/кг. Марганец, поступающий в природные воды со стоком или из восстановительного горизонта водных отложений, не рассеивается, а сравнительно быстро окисляется и концентрируется в донных отложениях: на незначительных глубинах в зоне полного насыщения воды растворенным кислородом при рН 7,8–8,5 содержание растворенных форм марганца составляет десятые–сотые доли мг/л; восстановленные формы металлов сосредоточены в основном в глубоководной толще, поровых водах, в донных отложениях, где рН составляет 6,7–6,9, а содержание в воде кислорода 0,1–1,5 мг/л [10].

Перераспределение присутствующих в воде форм марганца (неорганические и органические комплексы, хелатированные формы, свободные ионы с молекулами воды в их первом координационном слое) зависит от значений водородного показателя рН и окислительно-восстановительного потенциала Eh среды. Эти основные показатели и используются при выборе способа очистки воды от марганца.

Известная диаграмма Пурбе Eh = f(pH) отражает состояние системы «марганец – вода» в координатах Eh–рН и дает наглядное представление о возможных способах очистки воды от марганца [11]. Как следует из диаграммы, для достоверной очистки воды от растворенных соединений марганца (II) должно выполняться условие рН > 8. При этом учитываются следующие факторы:

  • повышение окислительно-восстановительного потенциала среды с помощью сильных окислителей без корректировки рН воды;
  • повышение рН воды при недостаточном окислительно-восстановительном потенциале в случае использования слабых окислителей;
  • применение более сильного окислителя с повышением рН воды.

С учетом возможности быстрой реализации технологии доочистки от марганца в условиях ВОС г. Пугачева было предложено использовать в качестве дополнительного реагента перманганат калия, который позволяет быстро и эффективно окислять Mn (II) до нерастворимого гидрата диоксида. Образующийся дисперсный осадок MnO2·2H2O или MnО(OH)2 имеет большую удельную поверхность и является эффективным сорбентом:

3Mn2+ + 2KMnO4 + 7H2
5MnО(OН)2 + 4H+ + 2K+.

На окисление 1 мг Mn (II) расходуется 2,07 мг KMnO4 [12]. Для повышения эффективности процесса необходимо подщелачивание воды до рН > 8. Удаление марганца из поверхностных вод может осуществляться на фильтровальных станциях совместно с другими методами очистки воды (коагулирование, фильтрование, хлорирование). Эффективность очистки составляет 95–99%.

На первом этапе исследований была выполнена работа по уточнению состава речной воды, поступающей на ВОС. Результаты сокращенного технологического анализа приведены в таблице.

Определение температуры, рН и окислительно-восстановительного потенциала воды проводилось в проточных условиях с использованием ячейки специальной конструкции. Измерения осуществлялись прибором HANNA 8314 (Германия). Анализ содержания железа, марганца и сероводорода выполнялся спектрофотометрическим методом на приборе NOVA 60А («Merck», Германия). Методики анализа аттестованы в Российской Федерации, а приборы зарегистрированы в реестре Росстандарта.

06_09_tabl_01

Результаты исследований показали, что на отметке приемного оголовка водозаборных сооружений выражены восстановительные условия среды (низкое значение окислительно-восстановительного потенциала, наличие сероводорода и двухвалентного железа), не свойственные природным условиям поверхностного водоема. В таких случаях отсутствует растворенный кислород, и в экосистеме в основном протекают процессы анаэробного характера.

06_09_ris_01

06_09_ris_02

Низкое значение водородного показателя позволяет предположить присутствие соединений марганца преимущественно в растворенном состоянии (с валентностью +2). Фильтрование проб речной воды через фильтр «синяя лента» показало, что массовое содержание нерастворенных соединений марганца находится в пределах 7–13% от общего его содержания. Для определения оптимальных условий деманганации на втором этапе исследований изучался процесс подщелачивания речной воды. В качестве реагента использовалась каустическая сода высокой чистоты [13].

На рис. 1 представлена зависимость величины рН и щелочности воды от дозы реагента. Для достижения оптимального для окисления марганца значения pH (более 8) требуется около 10 г/м3 щелочи, при этом природная щелочность воды возрастает на 10%. Процесс деманганации (как и подщелачивания) изучали в условиях свободного объема. В качестве реакционного сосуда использовался стакан объемом 1 л, размещенный на магнитной мешалке. Отделение продуктов реакции проводилось фильтрованием (фильтр «синяя лента»).

Применяемый в опытах перманганат калия квалифицирован как «реагент питьевого водоснабжения» [14]. На рис. 2 представлена зависимость величины остаточного содержания марганца от дозы перманганата калия при естественном рН речной воды и при подщелачивании (рН 8). Для достижения нормативной величины остаточного содержания марганца (0,1 мг/л) без подщелачивания необходима доза реагента 8 г/м3, при подщелачивании – 6 г/м3.

Следует обратить внимание, что кинетика окисления марганца в щелочной среде практически совпадает со стехиометрией реакции окисления двухвалентного марганца перманганатом калия. Это косвенно подтверждает наличие в речной воде преимущественно растворенных соединений марганца (+2). При подщелачивании быстро образуются крупные хлопья гидроокиси, легко отделяемые фильтрованием. При обработке окислителем без подщелачивания образуется мелкая, медленно фильтрующаяся взвесь.

06_09_ris_03

Таким образом, деманганация исследуемой речной воды перманганатом калия может быть обеспечена даже без применения щелочных реагентов. При этом необходимо использовать качественный загрузочный материал при низкой скорости фильтрования. На рис. 3 представлена зависимость эффективности деманганации от дозы перманганата калия при естественном рН и при подщелачивании исходной воды. Эффективность процесса составила не менее 97%. Обработка речной воды перманганатом калия обеспечивает также высокое качество фильтрата по следующим показателям: запах, привкус, содержание общего железа и сероводорода. При реализации процесса деманганации с подщелачиванием для упрощения технологической схемы может использоваться комбинированный реагент – щелочной раствор перманганата калия.

06_09_ris_04

На основании полученных результатов исследований на ВОС г. Пугачева было организовано дозирование перманганата калия путем свободного излива из емкости приготовленного раствора в приемный карман одной из барабанных сеток (рис. 4). Для приготовления раствора с концентрацией около 1,5% использовалась вода естественной температуры с барботажем воздухом.

Пробная эксплуатация системы дозирования перманганата калия показала возможность полного окисления марганца в речной воде – его остаточное содержание после контактной камеры не превышало 0,1 мг/л. Однако полное отделение продуктов реакции на контактных осветлителях вызвало затруднения из-за низкого качества загрузочного материала. После замены загрузки очистные сооружения способны обеспечить нормативное качество очищенной воды по содержанию марганца при его сезонных колебаниях в водоисточнике. При этом первичное хлорирование не влияет на процесс деманганации воды, а последующая коагуляция позволит улучшить отделение продуктов реакции.

Следует также отметить, что с появлением на рынке перманганата калия, выпускаемого по международному стандарту ANSI/AWWA B 603-93, на станциях водоподготовки с самотечной схемой деманганация может осуществляться весьма оперативно – путем организации систем сухого дозирования. Возможность этого варианта определяется техническими характеристиками реагента.

Выводы

Необходимость соблюдения гигиенического норматива по содержанию марганца в питьевой воде в совокупности с данными по его токсичности позволяют считать деманганацию одним из значимых направлений водоподготовки. Эффективное удаление марганца из поверхностных вод обработкой перманганатом калия может осуществляться на фильтровальных станциях совместно с другими методами очистки воды (коагулированием, фильтрованием, хлорированием). Проведенные исследования и пробная эксплуатация системы дозирования показали, что обработка перманганатом калия обеспечивает остаточное содержание марганца в питьевой воде, соответствующее нормативным требованиям.

 



Список цитируемой литературы

  1. Государственный доклад о состоянии окружающей среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 2009 году. – Екатеринбург, 2010.
  2. Экологическая обстановка на территории Самарской области в 2009 году. Пресс-релиз по данным государственного мониторинга Приволжского УГМС. – Самара, Министерство природных ресурсов и экологии РФ, 2010.
  3. Экологический бюллетень. Ноябрь 2010 г. – Самара, Министерство природных ресурсов и экологии РФ, 2010.
  4. Экологический бюллетень. Апрель 2010 г. – Самара, Министерство природных ресурсов и экологии РФ, 2010.
  5. Степанцов А. Казанка утекла из города / http://116.ru/news/317286.html.
  6. VIII Международный симпозиум «Чистая вода России – 2005»: Тез. докл. – Екатеринбург, 2005.
  7. Морозов С. В., Кузубова Л. И. Марганец в питьевой воде: Аналитический обзор. – Новосибирск, 1991.
  8. Бочаров В. Л., Бугреева М. Н., Смирнова А. Я. Экологическая геохимия марганца. – Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1998.
  9. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка. – М.: Изд-во МГУ, 1996.
  10. Шевченко М. А. и др. Окислители в технологии водообработки. – Киев: Наукова думка, 1979.
  11. Санитарно-эпидемиологическое заключение 77.99.03.369.Д.011082.09.09 от 23 сентября 2009 г. Реагент питьевого водоснабжения «Ионная гранулированная гидроокись натрия (сода каустическая)».
  12. Санитарно-эпидемиологическое заключение 77.99.27.214.Д.000742.02.08 от 4 февраля 2008 г. Реагент питьевого водоснабжения «Перманганат калия (калий марганцовокислый) модифицированный».

mvkniipr ru 

ecw18 vst 200

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Конференция итог

VAK2

at19 100х100 stand

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.