ОБЕСФТОРИВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД МЕТОДОМ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЗАГРУЗКИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 628.16

doi: 10.55287/22275398 2022 3 72

ОБЕСФТОРИВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД МЕТОДОМ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЗАГРУЗКИ

П. Д. Викулин

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва

Аннотация

Удаление ионов фтора, железа, кальция, магния из подземных вод является важной проблемой в общих задачах кондиционирования воды для питьевых целей.

Методы кондиционирования артезианской воды для хозяйственно-бытовых целей требуют уточнения при использовании того или иного метода в зависимости от состава и концентрации растворённых веществ.

Природные подземные воды для системы водоснабжения населённых пунктов Московской области характеризуются избыточным содержанием диссоциированных веществ: фтора, железа, кальция, магния.

Экспериментальные исследования по кондиционированию подземных вод получены в лабораторных условиях на опытной модельной установке.

Выполненные экспериментальные исследования позволили обосновать выводы по данной работе и сформулировать заключение о влияние процесса обесфторивания подземных вод методом модифицированной загрузки.

Ключевые слова

обесфторивание, подземные воды, модифицированная загрузка, сернокислый алюминий, три-натрийфосфат, фильтрация

Дата поступления в редакцию

20.10.2022

Дата принятия к печати

23.10.2022

Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения города Видное является артезианская вода трех водоносных горизонтов: Алексинско-протвинского, Подольско-мячковского и Каширского.

Глубина скважин составляет от 70 до 265 м. Общее количество скважин — 28. Общий расход воды составляет около 20000 м3/сутки. По скважинам расход воды колеблется от 35 до 2000 м3/сутки. Вода насосами типа ЭЦВ поднимается на поверхность и подается в регулирующую емкость — резервуар чистой воды (РЧВ). Перед подачей воды в РЧВ вода подвергается обеззараживанию.

Произведён отбор проб из следующих скважин:

• скважина 5, 6, РЧВ;

• скважина 7, 9, РЧВ;

• скважина 14, 15, РЧВ;

• скважина 26, 26 «А», РЧВ;

• скважина 24, 29, 29 «А», РЧВ.

Анализы качества воды выполнены по методике [1]. Качество исходной воды приведено в табл. 1.

Таблица 1

Показатели качества исходной воды

Общая Щёлочность, Щ, мг-экв/л Окисляе- Фтор К Железо Fe,

№ скважины жёсткость, Ж О , мг-экв/л рН индикатор метилоранж индикатор мость, Ок, мг/лО2 мг/л

фенолфталеин мг/л Fe2+ Fe3+

5 5,8 6,8 5,6 0 0,98 2,6 0 0

6 5,0 7,0 6,0 0 1,2 2,5 0 0

РЧВ 5,4 7,0 6,0 0 1,2 2,6 0 0

7 6,8 6,8 5,0 0 0,68 2,8 0 0

9 7,0 7,2 5,0 0 0,8 2,2 0 0

РЧВ 7,0 6,5 5,0 0 0,8 2,6 0 0

14 8,2 7,1 6,4 0 1,4 0,6 0 0

15 8,4 7,2 7,0 0 1,4 1,7 0 0

РЧВ 8,2 6,8 6,8 0 1,4 1,2 0 0

26 6,0 7,2 6,0 0 1,22 1,5 0 0

26 «А» 6,0 7,0 6,0 0 1,2 2,0 0 0

РЧВ 6,0 7,2 6,0 0 1,2 1,8 0 0

24 6,6 6,5 7,0 0 1,8 1,2 0,5 0,5

29 6,4 7,2 6,0 0 1,2 2,0 0 0

29 «А» 6,6 6,8 7,0 0 1,2 2,2 сл. сл.

РЧВ 6,4 7,0 7,0 0 1,8 2,0 0,3 0,3

Примечание: Отбор проб производился в емкость с плотной крышкой, после обязательного 5-минутного спуска воды [1].

03

г

м О

-I

м

Э СО

2

о ^

о н

<и

0 и

X

1

(и т

о с

<и

и

^ и

* £

м-е

^ °

ч. щ ■ ю С О

Приведённые в табл. 1 анализы качества подземной воды характеризуется следующими данными:

• жесткостью от 5,8 до 8,4 мг-экв/л;

• рН от 6,5 до 7,2;

• щелочностью от 5,6 до 7,0 мг-экв/л (по метилоранжу);

• содержанием фторидов до 2,8 мг/л;

• железо от 0,04 до 2,93 мг/л железо — следы.

В артезианских скважинах в подземной воде наблюдается повышенное содержание ионов фтора и ионов железа.

В результате нахождения исходной воды из водоносного горизонта в емкости (РЧВ) в течении до 8-ми часов происходит окисление двухвалентного железа до трехвалентного. Целью исследования является удаление избыточных диссоциированных элементов — фтора и железа.

Фтор относится к группе химических элементов, биологическое воздействие которых проявляется как при недостаточной, так и при избыточной концентрации их поступлении с питьевой водой в организм человека. Минимальная концентрация ионов фтора в воде должна быть — 0,7 мг/л, а максимальная — 1,5 мг/л [2].

Особенности фторсодержащих подземных вод по качественному составу:

1) первый тип—нейтральные воды:

• щелочность от 3 до 6 мг-экв/л;

• жесткость от 5 до 7 мг-экв/л;

• рН в пределах от 6 до 7,5;

• фтор — от 2,5 до 5 мг/л.;

2) второй тип — щелочные воды:

• жесткость — следы;

• щелочность до 30 мг-экв/л;

• рН до 9;

• фтор от 4,4 до 12 мг/л;

3) третий тип — жесткие воды:

• жесткость до 25 мг-экв/л;

• щелочность до 8 мг-экв/л;

• рН от 7 до 8;

• фтор от 2,5 до 3,5 мг/л.

При определении щёлочности воды из артезианских скважин по [1] выявлено, что щелочность по фенолфталеину равна 0, а по метилоранжу — 5,6 - 7. Из этого следует, что щелочность в подземных водах представлена бикарбонат ионами (НСО3). При этом фториды (Б) и ионы железа (Бе общ.) превышают норму [3].

Анализ качества подземных вод по составу предполагает кондиционирование с целью обесфто-ривания, как один из относительно сложных и дорогих методов водоподготовки.

Как известно практическое значение имеют следующие методы [2, 4]:

• ионный метод на селективных в отношении фтора анионитах (активированный оксид алюминия и гидроксилапит);

• сорбция на свежеобразованных осадках гидроксида алюминия или магния;

• электролиз с применением растворимых электродов из дюральалюминия и, соответственно, с образованием гидроксида алюминия.

Активированный оксид алюминия выполняет роль анионита, обменивая ионы 8О42- и ОН на ионы фтора [4, 5].

Реакции ионного обмена:

[АН]2504 4- 2¥~ -> 2[АН]И +

2-

2-

[АН]2504 + 2НС0з 2[АН]НС03 + 250^

Активированный оксид алюминия сорбирует фтор ионы интенсивнее, чем бикарбонат ионы, несмотря на превышение концентрации бикарбонат ионов 2НСО3 по сравнению с фтор ионами. При этом происходит увеличение концентрации сульфатов, снижение щелочности воды и значения рН. Значения общей жесткости не изменяется.

При обесфторивании гидроксилапатит Сач(Р04)б • Са(ОН)2 действует как селективный по отношению к фтор иону анионит, по уравнению [5, 6]

.

Этот метод применим при низких значениях рН и низких значениях ионы бикарбонат ионов.

Если использовать для обесфторивания воды гидроксид магния, то необходимо подщелачивать воду до значений рН 10,2 - 10,3.

Определение реагента осуществляется по уравнениям:

1^(НС03)2 + Са(0Н)2 М§С03 +1 СаС03 + 2Н20 Mg С03 + Са(ОН)2 ; 1^(ОН)2 + I СаС03

03

г

м О

-I

м

Э СО

Для этого метода в конце процесса воду подкисляют.

Применение метода электролиза для обесфторивания воды требует использования растворимых электродов с плотностью тока 23 - 25 мА/см2.

В результате применения этого метода возрастает потребление электроэнергии из-за низкой электропроводности воды [5, 6, 7, 8, 9].

Лабораторные исследования на модельной установке осуществлялись на подземной воде, показатели качества которой представлены в табл. 1.

Основываясь только на показателях качества исходной воды, выбрать метод обесфторивания аналитически невозможно.

На рис. 1 представлена схема лабораторной модельной установки по обесфториванию воды с использованием метода «Модифицированная загрузка».

Рис. 1 см. на следующей странице

г

о ^

о н

<и

0 и

X

1

(и т

о с

<и

и

^ и

* £

м-е

^ °

ч. щ ■ ю С О

Рис. 1. Схема модельной лабораторной установки (метод модифицированной загрузки): 1 — фильтр; 2 — загрузка фильтра (кварцевый песок ё = 0,8 - 1,2 мм); 3 — подача исходной воды; 4 — подача А12(804)3; 5 — подача №3(Р04)2; 6 — перелив; 7 — очищенная вода

Сущность данного метода состоит в обработке кварцевой загрузки раствором А12(804)3 сернокислого алюминия, а затем раствором №3(Р04)2 тринатрийфосфата. Перед подачей исходной воды на такой фильтр, последний промывается исходной водой, то есть, первый фильтрат сбрасывается. Скорость фильтрования определялась объемным способом и составляла в эксперименте 5 м/ч.

Концентрация сернокислого алюминия для модификации составляла 3%, а тринатрийфосфата — 2%.

Сравнительные экспериментальные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительные экспериментальные данные

Состав исходной воды Показатели качества воды после модификации Условия эксперимента

Время, ч Б мг/л Щ, мг-экв /л рН Жо, мг-экв /л Б мг/л А13+, мг/л рН Щ, мг-экв /л Жо, мг-экв /л

10.00 1,98 6,1 7 6,6 0,6 0,01 6,6 6,0 6,0 1. Скорость фильтрования 5 м/ч.

2. Модификация

11.00 1,98 6,1 7 6,6 0,4 0,01 6,6 5,8 6,0 загрузки производилась 3% р-ром

А12(8О4)3, затем 2%

12.00 1,98 6,1 7 6,6 0,3 сл. 6,8 6,0 6,0 р-ром №3(Р04)2.

3. Продолжитель-

13.00 1,98 6,1 7 6,6 0,6 0,01 6,8 6,0 6,0 ность подачи р-ров 10 минут

Эффект обесфторивания оценивался по следующим показателям: общая щелочность, рН, общая жесткость, концентрация фторидов, остаточный алюминий. Как показали эксперименты, эффект обесфторивания составил 98%.

Лабораторные модельные эксперименты по обесфториванию подземных вод показали возможность применения метода модифицированной загрузки. Исследования, проведенные в НИУ МГСУ на кафедре ВиВ, по одновременному удалению ионов фтора и железа из подземных вод показали перспективность применения метода «модифицированная загрузка» при условии концентрации железа менее 10 мг/л.

о

Сй

1-

и

.0

с;

ш

1-

О

а

1-

и 1

г

м

О

-1

м

Э

СО

Выводы

1. Метод фильтрования через модифицированную загрузку для удаления фтора и железа основан на процессе сорбции этих ионов гидроксидом алюминия. 2

2. Модификация загрузки производится при подаче снизу-вверх раствора сернокислого алюминия. Скорость подачи раствора — 3 м/ч при концентрации сернокислого алюминия 3%. щ

Продолжительность подачи — 10 минут. ^

0

3. Модификация загрузки тринатрийфосфатом производится после подачи раствора сернокис- ю

X

1

4. Процесс удаления ионов фтора и железа происходит при фильтровании сверху вниз через £

т

от исходной концентрации ионов фтора и железа. При максимальном содержании фтора 20 мг/л про- ц

<и

загрузку промывают от остатков растворов исходной водой. ^ го

^ и

* 5

* О

мости его периодического удаления, которое достигается промывкой загрузки обратным током воды. ^ £

лого алюминия. Концентрация раствора 2%, время контакта — 10 минут, скорость подачи 3 м/ч.

4. Процесс удаления ионов фтора и железа происходит при фильтровании сверху вниз кварцевую загрузку; скорость фильтрации не более 5 м/ч. Продолжительность фильтроцикла зависит от исходной концентрации ионов фтора и железа. При максимальном содержании фтора 20 мг/л продолжительность фильтроцикла составит 12 часов. Перед началом фильтрования модифицированную

узку промывают от остатков растворов исходной водой.

5. Образование осадка (в пространстве между зернами загрузки фильтра) приводит к необходи-

■е

ч. <и ■ ю С О

Отключение фильтров на промывку производится по ухудшению качества фильтрата (фтора более 1,5 мг/л, железа более 0,3 мг/л).

Заключение

1. Модификация загрузки для обесфторивания подземных вод осуществлялась последовательно раствором сернокислого алюминия и раствором тринатрийфосфатом.

2. Эффект обесфторивания подземных вод методом модифицированной загрузки составил 98%.

Библиографический список

1. Контроль Качества Воды. М.: Изд-во Стандартинформ. 2010. 944 с.

2. Николадзе Г. И., Сомов М. А. Водоснабжение. М., Стройиздат, 1995. 688 с.

3. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М.: Изд-во Стандартинформ. 2002. 56 с.

4. Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка. М.: Изд-во МГУ 1996. 680 с.

5. Золотова Е. Ф., Асе Г. Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора, сероводорода. М., Стройиздат, 1975. 176 с.

6. Дегремон. Технические записки по проблемам воды. М., Стройиздат, 1983. 607 с.

7. Асе Г. Ю. Очистка подземной воды от железа // Водоснабжение и санитарная техника, № 10, 1979. С. 18 - 25.

8. Викулина В. Б. Технология очистки подземных вод от марганца сорбционно-окислительным методом // Системные технологии. 2021. № 4 (41). С. 43 - 46.

9. Викулин П. Д. Реконструкция и увеличение производительности водозаборных сооружений из поверхностных источников // Системные технологии. 2021. № 1 (38). С. 50 - 53.

DE-FLUORIDATION OF GROUNDWATER BY MODIFIED LOADING METHOD

P. D. Vikulin

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow

Abstract

The Keywords

The removal of fluorine, iron, calcium, and magnesium ions from

desulfurization, groundwater, modified loading, aluminum sulfate, trisodium phosphate, filtration

groundwater is an important problem in the general tasks of water condi-

tioning for drinking purposes.

The methods of conditioning artesian water for household purposes

require clarification when using one or another method, depending on Date of receipt in edition the composition and concentration of dissolved substances. 20.10.2022

Natural groundwater for the water supply system of settlements of Date of acceptance for printing the Moscow region is characterized by an excessive content of dissociated 23.10.2022 substances: fluorine, iron, calcium, magnesium.

Experimental studies on groundwater conditioning were obtained in laboratory conditions on an experimental model installation.

The experimental studies carried out made it possible to substantiate the conclusions of this work and formulate a conclusion on the influence of the process of de-fluoridation of groundwater by the modified loading method.

Ссылка для цитирования:

П. Д. Викулин. Обесфторивание подземных вод методом модифицированной загрузки. — Системные технологии. — 2022. — № 3 (44). — С. 72 - 79.

О

Z н

Û

tû

о о

H

<и Z

0 ш

X

1

Z

<и m

о с

<и

и

^ ш

* S

* s

S g

to-e

4 (U ■ Ю С О