Безреагентные станции обезжелезивания ЗАО «Хюксо» и опыт их эксплуатации

Аннотация

Дан краткий анализ технологий обезжелезивания подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения. Приведены реализованные на муниципальных Водоканалах безреагентные технологические схемы обезжелезивания артезианских вод с использованием оборудования EUROWATER.

Ключевые слова:

природная вода , обезжелезивание , аэрация , напорные фильтры , водовоздушная промывка , обезвоживание шлама

Скачать статью в виде журнальной верстки PDF

Присутствие железа в воде, используемой для хозяйственно-питьевого или технического водоснабжения, создает много проблем при эксплуатации систем очистки: коррозия и отложения в трубах (непосредственно или косвенно, обусловливая благоприятные условия для роста специфических бактерий); негативное влияние на органолептические свойства воды (цветность, мутность, металлический привкус) и на технологические процессы различных производств.

В подземных водах, лишенных кислорода, железо присутствует в восстановленной растворимой форме (степень окисления +2) в виде ионов Fe²⁺ или гидратированных ионов Fe(ОН)⁺, Fe(ОН)₃^–. Обычно оно присутствует в виде бикарбоната Fe(НСО₃)₂, иногда в виде солей: силикатов, фосфатов или полифосфатов, сульфатов, хлоридов и т. п. В случае подпитки водоносного горизонта из реки или болота железо в подземных водах может находиться в виде комплексных органических соединений с гуминовыми, фульво- и таниновыми кислотами [1]. При проектировании очистных сооружений и разработке технологических процессов удаления железа недостаточно знать только общее его содержание. Должны быть известны формы, в которых оно может присутствовать в воде, что главным образом зависит от величины рН и окислительно-восстановительного потенциала.

Используются различные методы удаления железа из воды: катионирование, химическое окисление (с использованием озона, хлора, перманганата калия, пероксида водорода и др.) с последующим фильтрованием или отстаиванием, биологический метод [2]. Для обезжелезивания подземных вод наиболее широко используется метод окисления с последующим фильтрованием воды через зернистые загрузки.

Первая стадия процесса удаления железа основана на окислении двухвалентного железа в трехвалентное при насыщении воды кислородом, контактированием ее с воздухом (аэрирование в статических реакторах, бассейнах, разбрызгивание на градирнях и др.). Аэрирование осуществляется при атмосферном давлении в безнапорных установках или под давлением путем нагнетания воздуха в статический реактор, заполненный загрузочным материалом с развитой поверхностью (обычно используется вулканическая пемза, дробленый керамзит или кольца Палля) [3].

Скорость окисления двухвалентного железа кислородом зависит от многих факторов, главным образом от температуры, рН, содержания железа и кислорода.

Реакция окисления может быть выражена уравнением:

4Fe²⁺ + O₂ + 8OH^– + 2H₂O 4Fe(OH)₃. (1)

Кинетика реакции определяется формулой Штамма и Лее:

– d(Fe²⁺)/dt = k[Fe²⁺]·P_O₂·[OH]², (2)

где константа k – функция температуры и буферной емкости исходной воды; P_O₂ – парциальное давление кислорода.

В присутствии в воде бикарбонат-ионов окисление двухвалентного железа в трехвалентное и гидролиз последнего могут быть представлены уравнениями:

4Fe²⁺ + 8HCO₃^– + O₂ + 2H₂O
4Fe(OH)₃ + 8CO₂; (3)

4Fe(HCO₃)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃ + 8CO₂. (4)

Из уравнений реакций (1), (3), (4) следует, что на окисление одной массовой части двухвалентного железа требуется 0,143 массовых частей кислорода (0,143 мг/мг Fe²⁺), или 2 л воздуха на 1 г окисляемого железа. Процесс насыщения воды кислородом при разбрызгивании ее в воздухе происходит весьма интенсивно. При падении капель воды, не содержащей растворенного кислорода, даже с высоты 0,5 м содержание кислорода в ней достигает 5 мг/л, что достаточно для окисления 5:0,143 = 35 мг/л двухвалентного железа в трехвалентное.

При обезжелезивании воды вместо кислорода воздуха можно использовать другие окислители: хлор, перманганат калия, озон, пероксид водорода. Реакции окисления хлором и пероксидом водорода протекают по уравнениям:

2Fe²⁺ + Cl₂ + 6OH^– 2Fe(OH)₃ + 2Cl^–; (5)

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 4OH^– 2Fe(OH)₃. (6)

По этим уравнениям на окисление одной массовой части Fe²⁺ требуется 0,64 массовых частей хлора, или 0,3 части Н₂О_2. При окислениижелеза доза перманганата калия принимается такой, чтобы после его введения окислительный потенциал среды составил: + 0,35 В при рН 6; + 0,14 В при рН 7 или + 0,05 В при рН 8.

Установка обезжелезивания подземных вод состоит из устройств для введения окислителя (кислорода воздуха, хлора, пероксида водорода или перманганата калия), контактного резервуара или контактного фильтра и фильтров для удаления из воды осадка гидроксида железа (III). При небольшом (до 10 мг/л) содержании железа в воде устройство специального контактного резервуара не требуется. В этом случае окисление железа заканчивается в водяной подушке над песком в фильтре и в толще фильтрующего слоя. Зерна песка, покрытые осадком гидроксида железа (III) и марганца (если он содержится в обезжелезиваемой воде), катализируют процесс окисления Fe²⁺.

Аэрация воды при этом осуществляется компрессором с введением воздуха в статический смеситель на подающем трубопроводе (при применении напорных фильтров) или разбрызгиванием воды в воздухе (при изливе ее в карман открытого фильтра). Высота падения струй и капель воды в этом случае должна быть не менее 0,5–0,6 м, скорость истечения воды из направленной вверх трубы – 1,5–2 м/с. Скорость фильтрования при обезжелезивании принимается в пределах 5–20 м/ч с учетом того, что грязеемкость фильтрующего слоя со средним размером зерен 0,9–1,3 мм при упрощенной аэрации по железу составляет 3,5 кг/м³ объема фильтрующего слоя, железо задерживается по всей глубине фильтрующего слоя.

Указанные выше закономерности удаления железа из подземных вод реализованы на оборудовании ЗАО «Хюксо». В таблице приведены некоторые объекты муниципального подчинения, введенные в эксплуатацию в 2007–2010 годах. На рис. 1 показан внешний вид станции обезжелезивания в пос. Селятино Московской области, смонтированной в здании действующего водозаборного узла.

Компания ЗАО «Хюксо» комплектует линии водоподготовки (обезжелезивание) автоматически промываемыми фильтрами TFB производства фирмы EWROWATER. Фильтры выполнены из металла и имеют антикоррозионное покрытие (INERTOL-битумная основа, Hempadur-эпоксиполиаминная основа и др.). Диаметр фильтров составляет 900–2900 мм, площадь фильтрации 0,62–6,51 м². Колпачковая система распределения гарантирует равномерность процесса фильтрования без проскока и качественную обратную промывку. Нормальная скорость фильтрации составляет 15 м/ч. Внешний вид напорного фильтра показан на рис. 2.

В качестве зернистой загрузки для процесса обезжелезивания используется природный материал NEVTRACO (NEV I) с размером зерен 1–2,5 мм. Его химический состав, %: CaCO₃ – 98; MgO – 0,6; SiO₂ – 0,5; Al₂O₃ – 0,1; Fe₂O₃ – 0,15; MnO – 0,02; H₂O – 0,2; нерастворимые вещества в HCL – 0,2.

Типовая технологическая схема обезжелезивания воды представлена на рис. 3.

Исходная вода из скважин подается погружными насосами под давлением не менее 3 бар на станцию обезжелезивания. Насыщение воды кислородом осуществляется подачей воздуха компрессорной станцией в статический смеситель (рис. 4), который устанавливается перед каждым напорным фильтром или на группу фильтров (в зависимости от содержания общего железа и производительности станции). Расход воздуха на аэрирование регулируется с помощью
распределительной системы (рис. 5). Далее поток подается на три параллельно работающих фильтра TFB-40 диаметром 1800 мм. Образующаяся в фильтрах гидроокись железа осаждается в толще зернистой загрузки NEVTRACO, образуя каталитическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка представляет собой эффективный адсорбент пористой структуры, является катализатором окисления поступающего в загрузку двухвалентного железа и ускоряет осаждение железа из воды. Поэтому эффективность очистки воды в зернистом слое несравнимо выше, чем в гомогенном объеме.

Регенерация фильтрующей загрузки производится автоматически панелью управления TF5 (для четырех фильтров) и контроллером (для пяти и более фильтров). Продолжительность цикла регенерации составляет 20 мин. Сначала осуществляется продувка загрузки воздухом (вытеснение исходной воды), затем – промывка очищенной водой из резервуара чистой воды с интенсивностью 30 м/ч. Возможна реализация схем обратной промывки исходной водой со сбросом первой порции фильтрата в канализацию, а также промывка чистой водой с других фильтров. Объем промывной воды составляет менее 3% объема очищенной воды.

Очищенная вода поселков Балакирево и Селятино (рис. 3) поступает в резервуар чистой воды, откуда станцией второго подъема подается потребителю (после предварительного обеззараживания раствором гипохлорита натрия, который готовится в емкости и дозируется в поток очищенной воды насосами-дозаторами).

Вода после промывки фильтров собирается в сборной емкости, при этом в поток отводимых промывных вод подается 0,1-процентный раствор флокулянта для улучшения осаждения механических частиц, присутствующих в промывной воде. Дозирование флокулянта осуществляется насосом-дозатором из емкости. Образовавшаясяна дне емкости суспензия насосом подается на фильтр-пресс для обезвоживания. Осветленная вода в данном случае сливается в канализацию или может подаваться в «голову» очистных сооружений. Шлам после обезвоживания (влажностью около 80%) вывозится на утилизацию, а фильтрат сливается в канализацию.

Выводы

Использование оборудования EWROWATER и технологических решений ЗАО «Хюксо» позволяет полностью автоматизировать процесс обезжелезивания подземных вод в масштабах муниципальных Водоканалов и обеспечить его экологическую безопасность.

Список литературы

Клячко В. А., Апельцин И. Э. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971.
Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка. - М., 2003.
Николадзе Г. И. Улучшение качества подземных вод: Афтореф. дис. : д-р техн. наук. -М.,1996.