CC BY
6
УДК 628.16
doi: 10.55287/22275398 2022 3 37
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБЕСФТОРИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА СВЕЖЕОБРАЗОВАННЫХ ОСАДКАХ
В. Б. Викулина
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
При решении вопросов водоподготовки подземных вод следует уделять внимание удалению из них фтора, кальция, железа и других веществ с целью приведения качества такой воды к питьевому.
Различные методы удаления вышеперечисленных растворенных веществ требуют непосредственного сравнения для выбора оптимального решения с целью организации оптимальной водоподготовки для городов и населенных пунктов. Проведенные в настоящей работе исследования касаются вопросов кондиционирования подземных вод.
Полученные в процессе работы данные выявлены в процессе работы на опытной модельной установке.
Проведенные исследования позволили сделать вывод о возможности снижения концентрации фтора с помощью тонкослойного отстаивания.
Ключевые слова
водоснабжение, железо, подземные воды, обесфторивание, гидрооксид алюминия, тонкослойное отстаивание
Дата поступления в редакцию
29.10.2022
Дата принятия к печати
30.10.2022
Город Видное, расположенный на юге Московской области, в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения использует артезианские воды, забираемые из подземных водоносных горизонтов.
Вода забирается из скважин, объединенных в водозаборные узлы (ВЗУ). Общий расход воды в водоисточнике составляет приблизительно 16913 м3/сутки. Расход колеблется в интервале от 37 до 1985 м3/сутки. Вода с помощью насосного оборудования поднимается на поверхность, а затем направляется в регулирующую емкость — резервуар чистой воды (РЧВ), перед которым происходит ее обеззараживание. Далее вода поступает в водопроводную сеть города.
Отбор воды осуществлялся из следующих водозаборных узлов, в которые входили определенные скважины: ВЗУ-2; ВЗУ-3; ВЗУ-4; ВЗУ-5; ВЗУ-9.
Выполнены анализы качества воды по методике «Контроль Качества Воды», Москва, Стандарт-информ 2010 [1]. Они показаны в табл. 1. Отбор проб производился в емкость с плотной крышкой после обязательного 5-минутного спуска воды. Забор воды был осуществлен 27.05.2022 года.
03
г
м О
-I
м
Э СО
х
I
<и т
0 с
к
1
га и
а о н
■е
и (и ю о
га и и
и ^
о
г !
II 1
^ га ^ и
со §
иа
. и йЗ 5
Таблица 1
Данные анализов качества воды
Щёлочность,
№ узла № скважины Общая жёсткость, ЖО, мг-экв/л Значение рН Щ(индикатор метилоранж), мг-экв/л Окисляемость, ОК, мг/лО2 Фтор F, мг/л
1 5,7 6,9 5,5 0,93 2,7
ВЗУ-2 2 5,1 7,1 6,0 1,3 2,5
3 5,5 7,1 6,1 1,2 2,6
1 6,7 6,9 5,0 0,66 2,7
ВЗУ-3 2 7,0 7,3 5,1 0,7 2,3
3 7,0 6,4 5,0 0,8 2,5
1 8,3 7,2 6,4 1,3 0,7
ВЗУ-4 2 8,3 7,3 7,1 1,4 1,7
3 8,1 6,7 6,7 1,5 1,3
1 6,1 7,1 6,0 1,22 1,4
ВЗУ-5 2 6,1 7,2 6,1 1,2 2,0
3 6,1 7,1 6,0 1,2 1,8
1 6,5 6,6 7,1 1,8 1,3
ВЗУ-9 2 6,5 7,3 6,1 1,2 2,0
3 6,7 6,7 7,1 1,2 2,1
В соответствии с данными из табл. 1 можно сделать вывод о том, что подземная вода характеризуется повышенной жесткостью, ей присуща высокая щелочность, содержание фторидов повышено до 2,7 мг/л.
Кроме того, по данным химической лаборатории в воде из скважин происходит незначительное колебание содержания общего железа в зависимости от времени года (данные значения в таблицу не вошли, но они составляют 0,6 мг/л и присутствует только в двух скважинах).
Известно, что фтор относится к той группе химических элементов, биологическое воздействие которых проявляется как при недостаточном, так и при избыточном их поступлении в организм человека [2, 3].
Все фторсодержащие подземные воды по характерным особенностям качественного состава можно разделить на три типа:
I тип — нейтральные воды;
II тип — щелочные воды;
III тип — жесткие воды [3, 4].
Артезианская вода скважин, обслуживающих систему водоснабжения города, соответствует требованиям СанПин 2.1.4.1074-01 за исключением фторидов (F) и общего железа. Щелочность воды при определении исходного качества изменяется от 5,5 до 7,1 мг-экв/л (по метилоранжу).
На основании анализов качества подземных вод, необходимыми методами улучшения качества воды является обесфторивание. Однако, такой метод в системе водоподготовки является дорогим. В настоящее время в практике водоподготовки используют: ионный метод на селективных аннионитах в отношении фтора [5]; сорбцию на свежеобразованных осадках гидроксида алюминия или магния; электролиз с применением растворимых электродов из дюральалюминия и, соответственно, с образованием гидроксида алюминия.
Благодаря селективным свойствам активированного оксида алюминия, поглощение фтор ионов происходит интенсивнее, чем бикарбонат ионов, несмотря на то, что концентрация в растворе ионов 2НСО3- намного больше, чем фтор ионов. При этом происходит обогащение воды сульфатами в процессе обесфторивания на 1,5 - 2 мг-экв/л, снижение щелочности примерно на 2,5 мг-экв/л и снижение значения рН на 1,5. Значение общей жесткости при данном методе не изменяется [5, 6].
Гпдроксилапатит Сад(РО4)б • Са(ОН) 2 при обесфторивании действует как селективный по отношению к фтор иону анионит, избирательное действие которого обусловлено образованием малорастворимого соединения [5, 6].
Реакция ионного обмена по этому методу идет лучше при низких значениях рН, ионы ОН -в фильтрате связываются с водой. Так как исходная вода характеризуется повышенным содержанием бикарбонат ионов и высоким рН, то обесфторивание по этому методу будет происходить с невысоким эффектом.
Наиболее перспективным представляется метод сорбции фтора на свежеобразованном осадке гидроксида магния или алюминия [7 - 8].
Известно, что гидроксид магния образуется при значениях рН воды 10,2 - 10,3. Поэтому для получения таких значений рН в воду необходимо добавлять щелочной реагент.
Сорбция фтора из воды осадком, образующимся при введении в воду сернокислого алюминия, зависит от значения рН воды. По мере снижения рН эффективность обесфторивания возрастает, также увеличивается удельное содержание в осадке основных сульфатов алюминия.
Экспериментальные исследования проводились на подземных артезианских водах, качество воды которых представлено в табл. 1.
Исследования проводились в направлении — обесфторивание с отстаиванием в тонкослойном модуле на лабораторной модельной установке. Ее схема представлена на рис. 1 (метод тонкослойного отстаивания).
Установка состоит из смесительного устройства, куда подается исходная вода и сернокислый алюминий. Перемешивание осуществляется в течении двух минут. Затем вода поступает в наклонный тонкослойный отстойник и движется вверх. При этом происходит образование ги-дроксида алюминия и сорбция ионов фтора на осадке. Время пребывания воды в отстойнике составляет 20 минут. Далее вода проходит через фильтр. Загрузка фильтра — кварцевый песок (d = 0,8 - 1,2 мм). Соотношение диаметра фильтра к высоте загрузки составляет 1:10. Скорость фильтрования составляет 5 м/ч. Перед подачей в смеситель подземная вода усреднялась.
Z м
О
-I
м
D CD
х
i Z
(U m
0 с
к
S
1
га со S
а о н
■е
и (U
ю о
га и и и
о 2 ! II 1
^ га ^ со
со 5
LQ
. и m s
Рис. 1. Модель лабораторной установки (метод тонкослойного отстаивания): 1 — камера смешения; 2 — подача реагентов; 3 — подача воды на отстаивание; 4 — отстойник с тонкослойными модулями; 5 — подача воды на фильтрование; 6 — фильтр; 7 — отбор проб; 8 — перелив; 9 — опорожнение
Значения экспериментальных данных приведены в табл. 2.
Процесс обесфторивания оценивался по следующим сравнительным показателям: концентрация ионов фтора, рН, общая жесткость, остаточный алюминий.
Сернокислый алюминий вводился в смеситель в дозах 15; 22,5; 30 мг/л по А12(804)3. При введении коагулянта происходит изменение значения общей щелочности воды в сторону снижения. Значение рН также уменьшается.
Таблица 2
Значения экспериментальных данных
№ п/п Исходная вода Доза коагу- Показатели качества воды после установки «Струя» Условия
мг/л Щ, мг-экв /л рН Жо, мг-экв /л лянта по Л12(804)З, мг/л К мг/л А13+, мг/л рН Щ, мг-экв /л Жо, мг-экв /л эксперимента
1 2,0 6,1 6,95 6,6 15 0,99 0,29 6,8 5,6 6,5 Время пребывания воды в сме-
2 2,0 6,5 7,0 6,8 15 1,1 0,30 6,8 5,6 6,5
3 2,0 6,5 7,1 6,8 30 0,40 0,44 6,6 4,8 6,5
4 1,98 6,1 6,95 6,6 30 0,38 0,4 6,6 4,8 6,5
5 1,98 6,2 6,95 6,6 22,5 0,75 0,35 6,8 5,2 6,5
сителе — 2 минуты. Скорость фильтрования 4 м/ч. Время пребывания воды в отстойнике — 20 минут
Дозы коагулянта составляли от 15 до 30 мг/л по А12(804)3, что значительно меньше, чем по литературным данным. Это объясняется использованием наклонного отстойника с тонкослойными модулями.
Эксперименты, проводимые на установке по обесфториванию подземных вод, которые осуществлялись на кафедре ВиВ НИУ МГСУ, показали возможность применения данного метода.
В качестве выводов можно отметить следующее:
1. Анализ литературных источников показал возможность применения процесса обесфто-ривания подземных вод на свежеобразованных осадках.
2. Экспериментально доказана адекватность выбранной модели.
3. Экспериментально подтверждён процесс сорбции на свежеобразованном осадке ги-дроксида алюминия для обесфторивания подземных вод.
г
м О
-I
м
Э СО
Заключение
1. Свежеобразованный осадок гидроксида алюминия при явлении сорбции удаляет ион фтора из подземных вод.
2. Исследованный метод обесфторивания подземных вод позволяет снизить концентрацию фтора на 65% с использованием установки «Струя» с тонкослойным отстаиванием.
Библиографический список
1. Контроль Качества Воды. М.: Изд-во Стандартинформ. 2010. 944 с.
2. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка. М.: Изд-во МГУ, 1996. 680 с.
3. Золотова Е. Ф., Асе Г. Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора, сероводорода. М., Строй-издат, 1975. 176 с.
4. Дегремон. Технические записки по проблемам воды. М., Стройиздат, 1983. 607 с.
5. Кульский Л. А. Теоретические основы и технологии кондиционирования воды. Киев, Наукова Думка, 1971. 563 с.
X I
<и т
0 с
к
1
га и
а о н
■е
и (и ю о
га и и
и ^
о 2 ! II 1
^ га ^ и
со §
иа
. и йЗ 5
6. Асе Г. Ю. Очистка подземной воды от железа // Водоснабжение и санитарная техника, № 10, 1979. С. 18 - 25.
7. Авторское свидетельство. С02Б1/28.1/62, №5030326/26 от 3.03.92. Способ удаления железа и фтора из подземных вод. Бюллетень № 9 27.03.96.
8. Патент №2057077. «Способ удаления железа и фтора из подземных вод» от 27.03.96.
STUDIES OF THE PROCESS OF DE-FLUORIDATION OF GROUNDWATER ON FRESHLY FORMED SEDIMENTS
V. B. Vikulina
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
When solving issues of groundwater water treatment, attention should be paid to the removal of fluorine, calcium, iron and other substances from them in order to bring the quality of such water to drinking.
Various methods of removal of the above-mentioned dissolved substances require direct comparison in order to choose the optimal solution in order to organize optimal water treatment for cities and settlements. The research carried out in this paper concerns the issues of groundwater conditioning.
The data obtained in the course of work were revealed in the process of working on an experimental model installation.
The conducted studies allowed us to conclude that it is possible to reduce the concentration of fluorine using thin-layer sedimentation.
The Keywords
water supply, iron, groundwater, de-fluoridation, aluminum hydroxide, thin-layer sedimentation
Date of receipt in edition
29.10.2022
Date of acceptance for printing
30.10.2022
Ссылка для цитирования:
В. Б. Викулина. Исследования процесса обесфторивания подземных вод на свежеобразованных осадках. — Системные технологии. — 2022. — № 3 (44). — С. 37 - 42.
