CC BY
77
УДК 628.34
С. Г. Шаяхметова
Окислительно-восстановительный потенциал воды Патраковского инфильтрационного водозабора
МУП «Нефтекамскводоканал» 452680, Россия, Республика Башкортостан, г. Нефтекамск, ул. Чапаева 5, тел. (34713) 2-18-32
Рассмотрена проблема деманганации воды г. Нефтекамска. Выявлена зависимость окислительно-восстановительного потенциала воды Патраковского водозабора от величины рН. Предложены возможные способы деманганации воды в зависимости от геохимической обстановки воды.
Ключевые слова: деманганация воды, окислительно-восстановительный потенциал, железобактерии, биохимическое окисление марганца.
С 1996 г. в Нефтекамске поэтапно проводились мероприятия по переводу снабжения водой из открытого водозабора на подземный водоисточник. Это традиционная схема, используемая в нашей республике. Но в данном случае при прекрасных органолептических и микробиологических свойствах воды в скважинах, в ней обнаружилось повышенное содержание марганца.
Избыток марганца в питьевой воде вызывает окраску и вяжущий привкус, приводит к заболеваниям костной системы 1 и, предположительно, имеет мутагенное действие 2.
Предельно допустимая концентрация марганца, согласно нормам СанПиН 2.1.4.1074-01, составляет 0.1 мг/л, лимитирующий признак вредности — органолептичес-
" 3
кий 3.
Необходимость извлечения марганца из природных вод вызвана не только гигиеническими требованиями, а также рядом нежелательных последствий эстетического характера: привкус воды, следы на белье, посуде, кухонном и санитарном оборудовании; коррозия и забивание трубопроводов; загрязнение продукции и материалов промышленного применения.
Повышенное содержание марганца в воде приводит к накоплению отложений в распределительной сети (даже при концентрации 0.02 мг/л марганец образует пленку на трубах, которая отслаивается в виде черного осадка), что приводит к уменьшению диаметра
Дата поступления 14.12.06
трубопроводов, увеличению удельного сопротивления и, как следствие, возможен вынос осадка из водоводов к потребителю.
В рассматриваемой ситуации был возможен перевод водоснабжения города на поверхностный водоисточник, но в 18 км выше по течению реки действует Камбарский завод по уничтожению химического оружия нервно-паралитического действия (люизит), поэтому, с точки зрения санитарно-эпидемиологической безопасности, подземный водозабор предпочтительнее поверхностного, и деманганация воды для г. Нефтекамска с 130 тыс. населением представляет актуальную проблему.
Традиционный подход к извлечению из подземных вод растворенного марганца (II) предусматривает известное технологическое решение, реализуемое в две стадии:
1. Окисление Мп (II) до Мп (IV).
2. Извлечение нерастворимого в воде Мп (IV) в виде осадка МпО2 фильтрованием.
Выбор технологии очистки определяется природой марганца, его концентрацией в воде, степенью щелочности, окисляемости, рН воды и другими показателями. С позиции технологии всегда есть различие между способами улучшения качества подземных вод при наличии примесей в минеральной или органической форме 4. Если примеси минерального происхождения, то обычно применяют безреагент-ные технологии, в случае органического происхождения обработка требует использования реагентов, что более трудоемко и сопряжено со значительными капитальными и эксплуатационными затратами. Таким образом, для выбора технологии очистки воды важно знать, в виде каких соединений находится марганец в воде. Для установления состояния и формы, в которых находятся элементы, очень удобно использовать окислительно-восстановительный потенциал и рН среды.
Окислительно-восстановительный потенциал (ЕЬ) является одной из важных характеристик состояния природных вод. Он в значительной степени определяет геохимическую
подвижность элементов с переменной валентностью и форму их миграции 5. Существуют несколько типов геохимических обстановок в подземных водах 6. В наиболее общем виде можно выделить три из них: окислительный тип, переходный окислительно-восстановительный тип и восстановительный тип.
Окислительный тип определяется положительными значениями ЕЬ = 100—150 мВ, наличием растворенного кислорода и присутствием химических элементов в виде частиц с высшими степенями окисления (Ре+3, Б+6, С+4).
Переходный окислительно-восстановительный тип характеризуется величинами ЕЬ = 0...+100 мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием растворенного кислорода и сероводорода. В такой обстановке может протекать как окисление, так и восстановление металлов.
Восстановительный тип соответствует отрицательным значениям ЕЬ. В таких подземных водах присутствуют химические элементы в виде частиц с низкими степенями окисления (Бе+2, Мп+2, N+3, Б+4, Б-4).
Для установления состояния и формы, в которых находится марганец в воде Патра-ковского водозабора, определили окислительно-восстановительный потенциал подземной воды потенциометрическим методом с помощью лабораторного иономера И-130 с электродной системой из стеклянного измерительного и хлорсеребряного вспомогательного электрода. Экспериментальным путем установлено, что окислительно-восстановительный
потенциал подземной воды составляет -65 мВ при рН = 7.03, т. е. геохимическая обстановка имеет восстановительный характер.
В природе марганец встречается в нескольких состояниях окисления: двух-и четырехвалентном.
Мп2+ + 2Н20-2е ^ Мп02 +4Н+ (1)
На равновесие в уравнении (1) влияет количество электронов, ЕЬ и концентрация ионов водорода. Для определения зависимости между окислительно-восстановительным потенциалом и рН воспользовались добавками 1н №0Н и НС1 в пробу подземной воды. Замеры окислительно-восстановительного потенциала проводили с помощью той же электродной системы. Результаты экспериментальных данных приведены на рис. 1 в виде графика зависимости окислительно-восстановительного потенциала от рН (диаграмма Пурбе).
Наклонная прямая на рис. 1 показывает соотношение между двухвалентным марганцем (растворимым) и четырехвалентным марганцем (нерастворимая форма). Для всех значений рН и при ЕЬ, расположенных ниже прямой, марганец находится в двухвалентном состоянии, а выше прямой находится область стабильности четырехвалентного марганца.
Величина ЕЬ в воде Патраковского водозабора — 65 мВ, рН = 7.03. В диаграмме Пурбе этому состоянию исходной воды соответствует точка 1. Это означает, что марганец в воде находится в двухвалентном состоянии.
Для проведения физико-химической де-манганации необходимо перевести исходную
Рис. 1. Зависимость окислительно-восстановительного потенциала от рН: для воды Патраковского водозабора: А — только окисление; В — окисление + корректировка рН; С — корректировка рН
воду с точки 1 до точки 2 (простым окислением) или до точки 3 (окисление и повышение рН воды), или до точки 4 (применением щелочного реагента). В любом случае, необходимо преодоление предела для перехода из области стабильности двухвалентного марганца (растворимого) в область стабильности четырехвалентного марганца (нерастворимая форма). Вблизи этого предела (точки 5, 6, 7) находится область действия железобактерий, которые при отсутствии в воде железа (II) окисляют марганец (II) 7.
Исходя из этого, можно наметить направление реализации технологии удаления марганца 8. Возможные способы очистки воды в этих условиях:
— увеличение окислительно-восстановительного потенциала путем использования сильных окислителей;
— совместное применение окислителя и щелочного реагента;
— повышение значения рН среды;
— биохимические методы с использованием микроорганизмов.
Выводы
1. Изучены диаграммы Пурбе для воды Патраковского водозабора.
2. Установлено, что окислительно-восстановительный потенциал воды —65 мВ, геохимическая обстановка в восстановленной форме.
3. Марганец находится в двухвалентном состоянии в виде марганецорганических соединений.
4. Для деманганации воды необходимо применить сильные окислители или слабые окислители с подщелачиванием, либо биохимические методы с использованием микроорганизмов.
Литература
1. Николадзе Г. И. Улучшение качества подземных вод.— М.: Высшая школа, 1987.— С. 7.
2. Грушко Я. М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах.— Л.: Химия, 1979.— С. 72.
3. СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества».— М.: Минздрав России, 2001.— 163 с.
4. Нахшина Е. П. // Гидробиологический журнал.— 1975.— №2.— С. 98.
5. Алекин О. А.,Семенов А. Д., Скопинцев Б. А. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши.— Л.: Гидрометеоиздат, 1973.— С. 41.
6. Лукашевич О. Д. // Вода и экология.— 2005.— №4.— С 3.
7. Рекомендации по учету железобактерий в отложениях трубопроводов.— М.: ВНИИ «Водгео», 1974.— 10 с.
8. Николадзе Г. И. Обработка подземных вод для хозяйственно-питьевых нужд.— М.: Высшая школа, 1987.— 386 с.
