Обезжелезивание подземных вод

Как известно, применение озона в качестве окислителя эффективно для обеззараживания и очистки воды от химических загрязнителей [1]. В полной мере это касается железа, в большом количестве содержащегося в подземных водах Западно-Сибирского и других регионов страны. Окисление, происходящее при контакте соединений двухвалентного железа с озоном, сопровождается переходом Fe+ в трудно растворимый гидроксид Fe(OH)3, удаляемый в дальнейшем фильтрованием. Большую роль при этом играет глубина протекания окислительного процесса, зависящая от продолжительности контакта участников реакции и площади границы раздела "газ - вода" (растворенные загрязнители, способные окисляться).Для улучшения диффузии озона используются колонны, заполненные гранулированным материалом, позволяющим увеличить площадь контакта газа с водой, механические турбины, гидравлические эмульгаторы, контакторы с разбрызгиванием жидкости, фильтросные трубы, пористые диски [1]. Озонирование осуществляется в контактных камерах при атмосферном или повышенном давлении. Обычно камеры состоят из нескольких отделений, в которых для повышения степени растворения озона вода может циркулировать попеременно вдоль потока диспергируемого газа и противотоком. Воздух с непрореагировавшим озоном выпускается через стояки, установленные на перекрытии камер озонирования [1-4]. Описанные способы диспергирования не всегда эффективны. Большим препятствием при внедрении озонных технологий является также коррозия оборудования. В то же время многолетний положительный опыт озонирования воды в Западной Европе и кризисная водно-экологическая ситуация в России требуют поиска путей совершенствования технологии очистки воды именно с использованием озона как уникального многофункционального реагента.

Кавитация - нарушение сплошности внутри жидкости в результате местного понижения давления [5]. Это явление редко используется в практике водоподготовки. Главным образом кавитация упоминается в научных статьях как одна из причин гибели бактерий при электрообработке воды. В то же время представляет интерес создание условий, способствующих развитию гидродинамической кавитации, когда присутствующие в воде пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону давления рост прекращается, и пузырьки начинают уменьшаться. Пузырьки, содержащие достаточно много газа, при достижении ими минимального радиуса совершают несколько циклов затухающих колебаний, другие же "схлопываются" уже в первом цикле. Микро взрывы пузырьков способствуют окислению содержащихся в воде загрязнителей, включая железо.

Явление кавитации использовалось в устройстве для очистки воды от железа [6], состоящем из корпуса, фильтрующей загрузки и кавитатора, выполненного в виде цилиндра, штока и вибратора. С помощью кавитатора создаются низкочастотные колебания, приводящие к возникновению кавитационных пузырьков, при схлопывании которых двухвалентное железо превращается в трехвалентное, осаждаемое на нагрузке. Однако, низкая эффективность аэрирования и повышенные энергозатраты, обусловленные работой вибратора, делают менее целесообразным использование данного устройства. Волны сжатия - растяжения возникают в зазоре между стенками корпуса устройства и кавитатора. А поскольку этот объем очень мал и количество пузырьков невелико, эффективность обработки воды невысокая. Устройство предназначено для создания кавитационного эффекта фильтрования. Совмещение этих двух функций в одном корпусе привлекательно, но одновременно влечет следующие негативные последствия: недостаточное количество кислорода; малое время его контракта с загрязнителями, содержащимися в воде; отсутствие условий для создания мелких пузырьков водяных паров и газа, приводящее к тому, что переход двухвалентного железа в трехвалентное затруднен. Процесс фильтрования также малоэффективен, что объясняется малой высотой слоя фильтрующей загрузки. Согласно СниП 2.04.02-84 [7], эффективность фильтрования тем выше, чем больше толщина слоя фильтрующего материала, через который проходит очищаемая вода.

Учитывая опыт российских и зарубежных исследователей в области применения озонирования и кавитации в очистке воды, авторами создана станция, показатели которой удовлетворяют всем современным требованиям.

В данной статье представлены результаты производственных испытаний водоочистной станции "Надежда". Сочетание интенсивной аэрации, озонирования, кавитационного воздействия и фильтрования позволило достичь высокой эффективности обеззараживания и очистки подземных вод от железа, марганца, органических веществ, вследствие чего практически полностью устранен запах, а значения цветности и мутности сведены к минимальным.

На рис. 1 показана схема одного из вариантов водоочистной станции "Надежда". Подобная система реализована в производственном цехе крупного предприятия г.Томска и служит в течение девяти лет. Это дало возможность полностью перейти на водоснабжение из собственной скважины и отказаться от более дорогой и менее чистой воды из городского водопровода. Десять модификаций станции "Надежда" с несколько отличающимися блоками, но тем же принципом действия, успешно работают на ряде предприятий и загородных оздоровительных базах. Сроки их работы в зависимости от времени пуска в эксплуатацию составляют 1-6 лет, производительность - от 100 до 400 м3/сут.

В основу разработки станции заложены следующие условия: интенсификация процессов механической и физико-химической очистки; пролонгированность окислительно-восстановительных процессов, что обеспечивает эффективный переход загрязнителей в осадок, удаляемый фильтрованием; максимальное использование всего объема фильтрующей загрузки, большая продолжительность фильтроцикла и автоматическая промывка; единовременность кавитационного и окислительного воздействия на загрязнители; использование локальной эжекционной аэрации и озонирования, заменяющих применение неэкономичных и низкоэффективных воздуходувок.

Технологическая схема станции очистки воды включает аэрацию и первичное озонирование воды, кавитационную обработку, при сильном загрязнении - вторичное озонирование, отстаивание, удаление перешедших в осадок загрязнителей фильтрованием на специально сконструированном высокоэффективном фильтре [8] с зернистой загрузкой. Сорбционная очистка воды используется в том случае, когда вода содержит трудноудаляемые окислением и осаждением загрязнители (например, соединения ртути и других тяжелых металлов, трудно окисляющиеся органические вещества и тп. )

Применение в камере окисления только кислорода воздуха и озона или включение в технологическую схему дополнительной ступени (вторичного озонирования) зависит от химического состава исходной воды. При содержании железа до 5 мг/дм3, марганца до 0,3 мг/дм3, перманганатной окисляемости до 3 мг/дм3, жесткости от 3 до 8 ммоль/дм3 даже незначительным количеством озона возможно обеспечить достаточную степень очистки воды от железа и марганца. При более высоких значениях указанных показателей качества исходной воды необходимо более интенсивное озонирование. Вопрос о вторичном озонировании решается индивидуально на этапе технологических изысканий. Использование технологического моделирования позволяет адекватно оценить количество озона и продолжительность контакта его с загрязнителями воды. Если при лабораторном моделировании оказывается, что в обработанной воде не произошло удовлетворительное осаждение железа и марганца, т.е. концентрации их растворенных форм выше требуемых ПДК, то необходимо повышение концентрации озона или дополнительное озонирование. Обычно такая ситуация возникает при высоком содержании в воде органических веществ, что коррелирует с величиной перманганатной окисляемости (более 5 мг/дм3)

На рис. 2 более детально показано, как осуществляется окислительная обработка воды. Важнейшей частью схемы является камера окисления. Она представляет собой цилиндрическую емкость закрытого типа из нержавеющей стали высотой около 2 м., уровень воды составляет обычно около половины этой высоты. В камере окисления происходит многократное обращение воды, диспергирование озоно-водяной смеси, активное протекание окислительных процессов. Это обеспечивает в дальнейшем высокую эффективность удаления фильтрованием окислившихся и скоагулированных загрязнителей.

Обезжелезивание подземных вод страница 2