CC BY
26
УДК 628.162.1
ёо1: 10.55287/22275398 2021 4 43
ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ МАРГАНЦА СОРБЦИОННО-ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ
В.Б. Викулина
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), г. Москва
Ключевые слова:
сорбция, окисление, ион железа, ион марганца, pH, доза хлора, доза щёлочи. История статьи: Дата поступления в редакцию 16.12.21
Дата принятия к печати 20.12.21
Аннотация.
Бескислородные подземные воды характеризуются повышенным содержанием железа и марганца.
Подчёркивается, что отношение концентраций «железа/марганец» в таких водах, как правило, больше единицы.
Очистка воды такого состава ориентирована на удаление марганца, как наиболее трудноокисляемого элемента и обеспечивает попутное снижение концентрации железа до требуемого уровня. Предложен сорбционно-окислительный метод очистки подземных бескислородных вод от марганца, в основе которого лежит обратный принцип — попутное извлечение марганца при обезжелезивании воды.
Подчёркивается, что оксиды железа (III) адсорбируют на своей поверхности ионы двухвалентного марганца. Установлено, что ёмкость и каталитическая активность этих оксидов по отношению к марганцу (II) возрастает с ростом значения рН и окислительно-восстановительного потенциала среды. Предложена физико-химическая модель процесса.
Объясняется роль скорых фильтров, выполняющих двоякую функцию барьера для задержания взвеси оксидов железа, и реактора, в котором осуществляется контакт осадка этих оксидов с потоком воды, содержащей ионы двухвалентного марганца.
Выделяется то обстоятельство, что существенное влияние на ход процесса очистки оказывает величина рН. Для окислительно-сорбционного процесса удаления железа и марганца предложны расчётные формулы доз хлора и щёлочи.
Широко используемые в целях водоснабжения бескислородные подземные воды характеризуются повышенным содержанием железа и марганца.
Присутствует минимальный эффект разделения этих элементов, отношение концентраций «железа/марганец» в таких водах, как правило, больше единицы. Несмотря на это обстоятельство, все существующие методы очистки вод такого состава ориентированы, в первую очередь, на удаление марганца, как наиболее трудноокисляемого элемента и обеспечивают попутное снижение концентрации железа до требуемого уровня [1, 2]. При этом, однако, наблюдается значительное снижение экономичности процесса очистки, вследствие усложнения технологической схемы или перерасхода дорогостоящих реагентов (перманганата калия, озона) на окисление железа.
03
г
м О
-I
м
Э СО
н
о ^
о и
£ 2
£ °
2 с!
и о
т н
4 Щ
О 2 ■
и -й
т <и
г *
0 I
1 о
X I
< §
1 £
Р °
> га
5 I
ей га
и I
■ га
СО 2
Кафедрой Водоснабжения и Водоотведения НИУ МГСУ разработан сорбционно-окислительный метод очистки подземных бескислородных вод от марганца, в основе которого лежит обратный принцип — попутное извлечение марганца при обезжелезивании воды [3, 4].
Метод основан на способности оксидов железа (III) адсорбировать на своей поверхности ионы двухвалентного марганца и инициировать автокаталитическую реакцию окисления этих ионов. Установлено, что ёмкость и каталитическая активность этих оксидов по отношению к марганцу (II) возрастает с ростом значения рН и окислительно-восстановительного потенциала среды. Регулирование этих параметров производится путём дозирования в исходную воду, широко применяемых недорогих реагентов — извести и хлора [5, 6].
Физико-химическая модель процесса выглядит следующим образом: в исходную воду вводится хлор и, при необходимости корректировки величины рН, известковое молоко, после чего она сразу, без отстаивания подаётся на скорые фильтры. Всё присутствующее в исходной воде двухвалентное железо окисляется хлором уже в водяной подушке фильтра, и в его загрузку поступает золь трёхвалентного железа. Образующейся в толще загрузки в процессе контактной коагуляции этого золя осадок гидроксида железа адсорбирует ионы марганца, которые затем окисляются хлором. В результате в толще загрузки образуется комбинированный сорбент, состоящий из химически связанных между собой оксидов железа и марганца. Предварительная аэрация воды в основном может требоваться при необходимости удаления агрессивной углекислоты [7, 8, 9].
Таким образом, скорые фильтры выполняют двоякую функцию барьера для задержания взвеси оксидов железа, и реактора, в котором осуществляется контакт осадка этих оксидов с потоком воды, содержащей ионы двухвалентного марганца. Загрузку фильтра рекомендуется делать двухслойной с керамзитом в качестве верхнего слоя.
Вариант со скорыми фильтрами рекомендуется применять при любом содержании марганца в исходной воде и содержании общего железа до 10-12 мг/л (в том числе закисного железа не менее 70%).
При большем исходном содержании железа следует применять технологические схемы с более гря-зеёмкими сооружениями — контактные осветлители или двухступенчатое фильтрование, либо каркас-но-засыпные фильтры. Одновременно, с целью экономии хлора, схему можно дополнить аэрационны-ми сооружениями (например, вакуумно-эжекционными аппаратами). При содержании в исходной воде аммонийного азота более 1 мг/л предварительное окисление железа кислородом существенно улучшает технико-экономические показатели процесса очистки.
Рассматриваемый метод чувствителен к колебаниям дозы вводимого в исходную воду хлора. В любой момент времени эта доза должна обеспечивать содержание свободного активного хлора в водяной подушке фильтра не менее 1,3 мг на исходную концентрацию марганца. Следует также иметь в виду, что хлорамины вследствие низкого окислительно-восстановительного потенциала марганец не окисляют.
Большое влияние на ход процесса очистки оказывает величина рН. Чем она выше, тем меньше железа должно присутствовать в воде для адсорбции 1 мг марганца, и наоборот. Поэтому, для воды конкретного химического состава, всегда существует такое значение рН, при котором в процессе фильтрования предварительно хлорированной воды обеспечивается полное удаление, как марганца, так и железа. При содержании свободного активного хлора в количестве 1,3-3,0 мг на каждый мг марганца это значение рНтр рассматривается по эмпирической формуле:
рНтр = 8,10 + 1,51е С* ~0,1 + 0,141е р, (1)
Сре 0,3
где С<Мпп — содержание марганца в исходной воде, мг/л; С0е — содержание железа в исходной воде, мг/л; Р — солесодержание в исходной воде, мг/л.
При солесодержании воды до 0,5 мг/л и перманганатной окисляемости до 6 мг/л 02 доза щелочного реагента, необходимая для повышения рН до требуемого значения по формуле (1), рассчитывается следующим образом:
Д = е
щ - ш0 - ^
[СО ]0 -[со21 1 Д
+
+
(2)
44 19 36 у
где Дщ — доза щелочного реагента, мг/л; ещ — эквивалентный вес щелочного реагента, 28 для извести СаО и 53 для соды Ыа2Со3; Щ — щелочность воды при рН^ , мг-экв/л; Щ0 — щелочность исходной воды, мг-экв/л; к^ - коэффициент, равный 1 при использовании извести, 2 при использовании соды; [С02 ]0 — содержание растворённой углекислоты в исходной воде, мг/л; \С02 ] — равновесное содержание растворённой углекислоты в воде, умеющее значение рН^ , в мг/л; [ ре2+ ]0 — содержание в исходной воде закисного железа, мг/л; Д хл — доза хлора по С12,мг/л;
щ _ [С02 ] _ ю"6,35+Рн1р +0,5^ (3)
44 '
где М- — ионная сила раствора.
В случае присутствия в исходной воде больших количеств агрессивной углекислоты, перед введением хлора необходимо предусмотреть аэрацию этой воды, и в формулу (2) подставить значения Щ0, С02 и после аэрации.
При одновременном присутствии в обрабатываемой воде закисного железа и аммонийного азота точное значение требуемой дозы хлора можно установить только по кривой хлорпоглощаемости, полученной экспериментально. Ориентировочно это значение определяется по формуле:
Дхл = 7,8 [ МИ+4] 0 + 0,7 [Гв2+ ]о + 1.3 [МП ]о + 0,5,
(4)
где ЦНИ4+]0 и [Мп ]0 — содержание в исходной воде соответственно аммония и марганца, мг/л.
Сорбционно-окислительный метод позволяет достичь требуемой степени очистки подземных вод от железа и марганца в интервале значений рН = 7-8 при полном отказе от традиционно применяемых для этих целей дорогостоящих реагентов — озона и перманганата калия.
Метод сорбционно-окислительного извлечения марганца может быть использован при очистке подземных вод с небольшим содержанием органических веществ.
При кондиционировании вод с высокой окисляемостью, в первую очередь цветных, предварительное хлорирование создаёт опасность образования тригалометанов, возрастающую по мере повышения величины рН обрабатываемой воды.
При очистке от железа и марганца подземных вод с высокой карбонатной кальциевой жёсткостью, подщелачивание которых может привести к интенсивному осаждению карбоната кальция, рекомендуется либо повышать концентрацию железа в воде путём дополнительного дозирования в неё железного купороса, в количестве рассчитываемом по формуле (1) при рН^ = рНо, либо использовать двухступенчатое фильтрование с аэрацией перед первой ступенью и хлорированием перед второй. Вторая ступень фильтров должна быть загружена омарганцованным зернистым материалом [3, 4], полученным искусственно или в процессе «зарядки» при фильтровании через него хлорированной марганец содержащей воды.
Выводы.
1. Расчёт значения рНтр основывается на эмпирической формуле.
2. Доза щелочного реагента и доза хлора по С12 рассчитываются по эквивалентным значениям.
3. Сорбционно-окислительный метод позволяет достичь требуемой степени очистки подземных вод от железа и марганца в интервале значений рН = 7-8 при полном отказе от традиционно применяемых для этих целей дорогостоящих реагентов — озона и перманганата калия.
03
г
м О
-I
м
Э СО
н
о ^
о и
£ 2
£ °
2 с!
и о
т н
Ч Щ
О 2 ■
и -й
т <и
г *
0 I
1 о
X I
< §
1 £
Р °
га
^ I
Сй (С
и I
. га
СО 2
ЛИТЕРАТУРА:
1. Такам Т. Удаление железа и марганца из воды. Часть 17 — Ёсуй то хайсуй, 1984, т. 26, № 7, с. 702-709.
2. Назаров А.И. Удаление марганца из подземных вод фильтрованием, — В кн.: Очистка природных и сточных вод. Ростов на Дону: РИСИ, 1985, с. 18-25.
3. Наканиси Х. Кинетика непрерывного удаления марганца фильтрованием через омарганцованный песок. — Корё кагаку дзасси, 1967, т. 70, № 4, с. 407-410.
4. Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. Стройиздат, 1987 г. 360 с.
5. Зеленин В.И., Сагалова М.С., Сухарев С.Б., Денисова Э.И. К вопросу о химизме сорбционного взаимодействия ионов с гидроксидами металлов // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2008. - Т. 8, №1. - С. 113-116.
6. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. - М., Изд-во МГУ, 1996. 540 с.
7. Алексеева Л.П., Драгинский В.Л. Очистка подземных вод городов Тюменского региона // Водоснабжение и санитарная техника, 2004, № 10, с. 9-12.
8. Дашибылова Л.Т., Батоева А.А. Обезжелезивание и деманганация подземных вод Байкальской природной территории // Водоснабжение и санитарная техника, 2007, № 3, с. 17-21.
9. Фрог Б.Н., Первов А.Г. Водоподготовка. Учеб. для вузов: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2014. - 512 с.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
В.Б. Викулина. Технология очистки подземных вод от марганца сорбционно-окислительным методом. — Системные технологии. — 2021. — № 41. — С. 43—46. doi: 10.55287/22275398_2021_4_43
TECHNOLOGY OF UNDERGROUND WATER PURIFICATION FROM MANGANESE BY SORPTION-OXIDATIVE
METHOD
V.B. Vikulina
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract.
Oxygen-free groundwater is characterized by an increased content of iron and manganese.
It is emphasized that the ratio of concentrations of "iron / manganese" in such waters, as a rule, is greater than one.
Water purification ofthis composition is focused on the removal of manganese, as the most difficult-to-oxidize element, and provides a concomitant reduction in the concentration of iron to the required level. The sorption-oxidative method of purification of underground oxygen-free waters from manganese is proposed, which is based on the reverse principle — the associated extraction of manganese during water degreasing. It is emphasized that iron oxides (HI) adsorb divalent manganese ions on their surface.
It has been found that the capacity and catalytic activity of these oxides with respect to manganese (II) increases with increasing pH and redox potential of the medium. A physicochemical model of the process is proposed.
The role of rapid filters, which perform a dual function of a barrier for the retention of a suspension of iron oxides, and a reactor in which the precipitate of these oxides is in contact with a stream of water containing divalent manganese ions, is explained. The fact that the pH value has a significant influence on the course of the purification process is highlighted.
For the oxidation-sorption process of iron and manganese removal, the calculated formulas of chlorine and alkali doses are proposed.
Key words:
geodetic control, methods, monitoring of buildings and structures. Date of receipt in edition: 16.12.21 Date o f acceptance for printing: 20.12.21
