УДАЛЕНИЕ ИЗ ВОДЫ ЖЕЛЕЗА

Удаление из воды железа - реагентный или безреагентный метод очистки, осуществляемый в соответствии с формами и количеством железа, а также свойствами и качеством воды. Для обезжелезивания поверхностных вод пользуются, как правило, реагентными методами, подземных — безреагентными. К реагентным методам удаления из воды железа относят: аэрацию, реагентное окисление железа (II) и фильтрование; напорную флотацию с предварительным известкованием и фильтрование; известкование с коагулированием или отстаивание в тонком слое и фильтрование; электрокоагуляцию, отстаивание или обработку во взвешенном слое и фильтрование; катионирование; фильтрование через модифицированную загрузку. Реагентные методы удаления из воды железа применяют при низких значениях рН, высокой окисляемости, нестабильности воды. При этом при концентрации серно-кислого или карбонатного железа или комплексных железоорганических соединений, мг/л, рекомендуются следующие методы: до 10 и перманганатной окисляемости до 15 мг Ог/л — фильтрование через модифицированную загрузку; до 15 и перманганатной окисляемости до 15 мг Ог/л — упрощенная аэрация, обработка ильным окислителем и фильтрование через зернистую загрузку большой грязеемкости; свыше 10 и перманганатной окисляемости свыше 15 мг Ог/л — предварительное известкование с коагулированием или напорная флотация и фильтрование, или известкование с коагулированием, или отстаивание в тонком слое и фильтрование; то же качество исходной воды при производительности установки по обезжелезиванию до 1000 м /сут — электрокоагуляция с барботированием, отстаивание в тонком слое и фильтрование.
Удаление из воды железа катионированием целесообразно при необходимости одновременного умягчения, при этом ионным обменом могут быть извлечены лишь ионы железа.
К безреагентным методам обезжелезивания воды относят следующие: упрощенную аэрацию и фильтрование через зернистую загрузку; глубокую аэрацию и фильтрование; "сухое" фильтрование; упрощенную аэрацию и фильтрование на намывных фильтрах; двойную аэрацию, обработку во взвешенном слое и фильтрование; фильтрование в подземных условиях с предварит, подачей в водоносный пласт окисленной воды; аэрацию и двухступенчатое фильтрование.
При содержании железа (II) более 10 мг/л рекомендуется метод глубокой аэрации с последующим отстаиванием в тонком слое воды или обработка во взвешенном слое осадка и фильтрование. При затруднении выбора метода обезжелезивания воды: необходимо проведение технологических исследований непосредственно на месте забора воды.
Метод упрощенной аэрации применим как в гравитационном, так и в напорном варианте в зависимости от производительности установки. Кроме ранее перечисленных показателей метод выбирается исходя из условий, что окислительно-восстановительный потенциал воды после аэрации будет менее -100 мВ и индекс стабильности воды — не менее -0,05. Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей железо (II) и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен, образуя каталитическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активно интенсифицирует процессы окисления и выделения железа из воды. Упрощенная аэрация осуществляется посредством излива воды с небольшой высоты в карман или центральный канал фильтра или вдуванием воздуха в обрабатываемую воду.
Метод "сухой" фильтрации заключается в фильтровании воздушно-водяной эмульсии через "сухую" (незатопленную) зернистую фильтрующую загрузку, образовании в ней вакуума или нагнетании больших объемов воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. При этом на зернах фильтрующей загрузки формируется адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), повышающая эффективность процессов деманганации и обезжелезивания.
Метод упрощенной аэрации с двухступенчатым фильтрованием предпочтительно применять в напорном варианте. Метод аналогичен описанному ранее. В самом начале обезжелезивания при поступлении на фильтр первых порций воды, когда загрузка еще чистая, адсорбция соединений железа на ее поверхности происходит в мономолекулярном слое. После образования мономолекулярного слоя процесс выделения соединений железа на зернах песка усиливается вследствие того, что образовавшийся монослой химически более активен, чем чистая поверхность песка.
Метод фильтрования на каркасных фильтрах следует применять для обезжелезивания воды на установках производительностью до 1000 м /сут. Сущность метода заключается в том, что после окисления железо переходит в осаждающуюся форму — гидроксид. Гидроксид железа в нижней части аппарата намывается на керамический патрон. Нарастающий на патроне слой гидроксида железа служит контактным материалом для новых постоянно намываемых веществ, а сам патрон выполняет функцию только опорного каркаса для фильтрующего слоя гидроксида железа.
На патронных фильтрах сначала происходит фильтрование с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки. Такое фильтрование заканчивается по достижении определенного соотношения объема твердых частиц, задержанных в порах, к объему самих пор. Затем начинается фильтрование с образованием первоначального слоя осадка, и на этом заканчивается процесс зарядки фильтров и начинается фильтрование с целью обезжелезивания воды.
Метод аэрации с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов заключается в окислении кислородом воздуха закисного железа с образованием коллоида гидроксида железа, его коагулировании при рН, равном 6,8—7, и выделении в осадок в виде бурых хлопьев. Обезжелезивание воды фильтрованием через модифицированную загрузку основано на увеличении сил адгезии на поверхности зерен фильтрующей загрузки в результате образования на ней пленки из соединений, имеющих более высокое значение константы Ван-дер-Ваальса.
Методика модификации загрузки предусматривает ее последовательную обработку 1,5%-м раствором сернокислого железа (II), а затем 0,5%-м раствором перманганата. Суммарная продолжительность контакта — 30 мин.
Обезжелезивание подземных вод в водоносном пласте основано на формировании в нем "зоны осаждения", в пределах которой происходит интенсивное окисление железа и марганца. Такая зона создается закачкой в пласт через поглощение скважины питательной воды. В простейшем случае питательная вода представляет собой обезжелезенную подземную воду, насыщенную кислородом. Если ее в подземной воде присутствуют трудноокисляемые формы железа и простой аэрацией питательной воды не удается их удалить, то для интенсификации процесса рекомендуется использовать реагенты. В результате смешения питательной и подземных вод достигается смещение процессов окисления-восстановления в сторону окисления, и железо, гадролизуясь, выпадает в осадок. При этом водовмещающие породы служат фильтрующей средой.
Обезжелезивание воды упрощенной аэрацией, хлорированием и фильтрованием заключается в удалении избытка углекислоты и обогащении воды кислородом при аэрации, что способствует повышению рН и первичному окислению железоорганических соединений. Окончательное разрушение комплексных соединений железа (II) и частичное его окисление достигаются путем введения в обрабатываемую воду окислителя (хлора, озона, перманганата калия и т.п.). Соединения железа (II) и (III) извлекаются из воды при фильтровании ее через зернистую загрузку.
Хлор вводится в водяную подушку через специальную распределительную трубчатую систему; при этом требуется обеспечить необходимую продолжительность контакта окислителя с обрабатываемой водой. В качестве фильтровального аппарата рекомендуются контактные фильтры КФ-5, каркасно-засьганые фильтры, характеризующиеся повышенной грязеемкостью. В контактном фильтре КФ-5 фильтрующая загрузка состоит из трех слоев толщиной по 0,6 м: верхний — керамзит или полимеры с крупностью зерен 2,3—3,3 мм; средний — антрацит или доменный шлак с крупностью зерен 1,25— 2,3 мм; нижний — кварцевый песок или горелые породы с зернами крупностью 0,8—1,25 мм. Скорость фильтрования — 7 ч, промывка — водовоздушная.
Метод напорной флотации основан на действии молекулярных сил, способствующих слипанию отдельных частиц гидрокейда железа с пузырьками тонкодиспергарованного в воде воздуха и всплытию образующихся при этом агрегатов на поверхности воды. Метод флотационного выделения дисперсных и коллоидных примесей природных вод весьма перспективен вследствие резкого сокращения продолжительности процесса (в 3—4 раза) по сравнению с осаждением или обработкой в слое взвешенного осадка. Процесс напорно-флотационного разделения хлопьев гидрокейда железа можно подразделить на следующие стадии: окисление закисного железа в окисное; растворение воздуха в воде и образование пузырьков; образование комплексов "пузырек воздуха — хлопья гидрокейда железа"; подъем этих комплексов на поверхность воды. Каждая стадия оказывает существенное влияние на эффективность и экономичность процесса.
На эффективность процесса всплывания хлопьев при флотационном разделении оказывают влияние концентрация взвешенных веществ (исходная концентрация железа, доза извести), число и размер пузырьков, продолжительность флотации, а также гидродинамические условия.
Удаление высококонцентрированных устойчивых форм железа из воды аэрацией, известкованием, отстаиванием в тонком слое и фильтрованием достигается после полного окисления железа (II) и деструкции комплексных железоорганических соединений при рН не менее 7,1. Процесс выделения соединений железа в тонкослойном отстойнике носит циклический характер, и при этом эффект обезжелезивания воды зависит главным образом от скорости потока в тонкослойных модулях, исходной концентрации железа и дозы щелочного реагента. Для агломерации хлопьев гидрокейда железа, оседающих в отстойнике, вместимость камеры хлопьеобразования вихревого типа, совмещенной с отстойником, должна быть такой, чтобы обеспечивать продолжительность пребывания обрабатываемой воды не менее 15 минут.
Обезжелезивание поверхностных вод производят одновременно с осветлением и обесцвечиванием. Железо, находящееся в воде в виде коллоидов, тонкодисперсных взвесей и комплексных органических соединений, удаляется обработкой воды коагулянтами (сульфатом алюминия, хлоридами железа (III) либо смешанным коагулянтом). Для разрушения комплексных органических соединений железа воду обрабатывают хлором, озоном или перманганатом калия. Применение железных коагулянтов обеспечивает более полное удаление железа из воды благодаря интенсивной адсорбции ионов железа на хлопьях Fe(OH)3. Оптимум адсорбции ионов железа как в случае применения алюминиевых, так и железных коагулянтов лежит в интервале значений рН воды 5,7—7,5. Технологическая схема обезжелезивания воды методом коагулирования включает реагентное хозяйство, смесители, осветлители воды и фильтры.