Обезжелезивание и деманганация воды

Под обезжелезиванием, или деферризацией, понимают процесс извлечения из под­земных и поверхностных вод железа, присутствующего в воде в виде сложных органи­ческих и минеральных соединений, растворов двухвалентного железа, карбонатов и би­карбонатов железа, коллоидных и тонкодисперсных взвесей гидроксидов и сульфитов железа и т.д.

Повышенное содержание соединений железа в природной воде в концентрациях, превышающих нормативные, делает ее не пригодной для питья и использования в тех­нологических процессах отдельных производств текстильной, химической, целлюлоз­но-бумажной и других отраслей промышленности.

Методы обезжелезивания в практике водоподготовки представлены двумя группа­ми: безреагентные и реагентные.

Выбор того или иного метода обработки природной воды, содержащей соединения железа, зависит от их количества и формы существования, качественного состава воды и производительности очистных сооружений (установок).

Обезжелезивание поверхностных вод осуществляют в основном реагентными ме­тодами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение получи­ли безреагентные методы обработки.

В состав большинства станций (установок) обезжелезивания, работающих в безреагентном или реагентом режиме, входят: аэрационные устройства; оборудование для подачи сжатого воздуха и обеззараживания воды; в отдельных случаях - отстойники с тонкослойными модулями или осветлители со взвешенным осадком; скорые фильтры.

К аэрационным устройствам, предназначенным для насыщения воды кислородом, удаления части свободной углекислоты, частичного окисления двухвалентного железа в трехвалентное, относятся вакуумно-эжекционные аппараты, градирни, брызгальные бассейны, баки-аэраторы.

Диаграмма Пурбе для железа

Расчет аэрационных устройств производят в зависимости от способа осуществле­ния аэрации (подача воздуха во всасывающий патрубок насоса; свободный излив воды с определенной высоты; инжекция или нагнетание воздуха в воду компрессором; раз­брызгивание воды в воздухе в вакуумно-эжекционном аппарате и т.д.).

Вакуумно-эжекционный аппарат состоит из вакуумной камеры, обеспечивающей повышение величины pH воды путем мгновенного удаления свободной углекислоты и сероводорода, и коаксиально прикрепленных к ней эжекционных камер смешения. Вну­три вакуумной камеры находится конически сходящийся насадок, переходящий в наса­док Вентури.

Расчет вакуумно-эжекционного аппарата производится по схеме, заключается в определении следующих параметров: глубины вакуума в вакуумной камере, размеров насадка Вентури, производительности вакуумно-эжекци­онного аппарата, размеров вакуумной камеры и эжекционных камер смешения.

Глубина вакуума В принимается в пределах 0,05-0,1 МПа в зависимости от содержа­ния в исходной воде свободной двуокиси углерода и сероводорода. Меньшее значение глу­бины вакуума принимается для верхних пределов содержания указанных газов , и наоборот. Промежуточные значения В определяются интерполяцией.

Производительность, м³/с, вакуумно-эжекционного аппарата рассчитывается по формуле

Q= μ_кнμ_нвw√2gH

где μ_кн, μ_нв- коэффициенты расхода соответственно конически сходящегося насадка и насадка Вентури; w - площадь поперечного сечения насадка Вентури, м²; g -ускорение свободного падения, м/с²; Н- напор, м.

Схемы установок обезжелезивания природных вод

а - «сухая» фильтрация; б - упрощенная аэрация (установка «Деферрит»); в - упрощенная аэра­ция с двухступенчатым фильтрованием; г - вакуумно-эжекционная аэрация и фильтрование; д - обезжелезивание в пласте, е - известкование (установка «Струя»); 1 и 4 - подача исходной и отвод обработанной воды; 2 - вакуумно-эжекционный аппарат; 3- скорый каркасно-засыпной фильтр; 5 - бак-аэратор; 6- реагентное хозяйство; 7 - насос-дозатор; 8 - насос; 9 - ресивер; 10- скорый фильтр; 11- ввод хлора (вариант); 12- бактерицидная установка; 13 - компрессор; 14 - скорый фильтр II ступени; 15 - водонапорная башня; 16 - сброс воздуха; 17 - трубчатый сме­ситель; 18 — камера хлопьеобразования; 19 — тонкослойный отстойник; 20 — вспомогательный ко­лодец; 21 - подача воды на аэрацию; 22 - зона аэрации; 23 - аэрационное устройство; 24 - коль­цевой инфильтрационный бассейн; 25 - эксплуатационный колодец.

Высотная схема обезжелезивающей установки с контактной градирней

1 - контактная градирня; 2 - контактный резервуар; 3 - скорый фильтр; 4 - резервуар чистой во­ды; 5 — трубопровод, подающий исходную воду из скважин; 6 - трубопровод, подающий воду из градирни в контактный резервуар; 7 - трубопровод, подающий воду из контактного резервуара на фильтр; 8 - трубопровод, отводящий фильтрованную воду; 9 - промывной насос; 10 - трубопро­вод, подающий промывную воду; 11 - насосы II подъема; 12 - трубопровод, подающий воду по­требителям.

Схема установки для обезжелезивания воды с вентиляторной градирней

1 - вентиляторная градирня; 2- вентилятор; 3 - резервуар; 4- насос; 5 - напорный фильтр.

Необходимую площадь поверхности загружаемого насадка, м², определяют по фор­муле

Fн= (2,3Q_чlg(C_max/C_onm))/K_ж

где С_max - суммарное расчетное количество свободной углекислоты, подлежащей удале­нию, мг/л; C_onm - содержание свободной углекислоты, соответствующее оптимальному значению pH = 7,0 при данной щелочности воды, мг/л; К_ж - коэффициент десорбции, м/ч, принимаемый по графику.

Производительность вентилятора, подающего воздух в вентиляторную градирню в направлении, противоположном потоку движущейся воды, определяют по часовой про­изводительности обезжелезивающей установки Q_ч и расходу воздуха на 1 м³ аэрируе­мой воды, принимаемому 10-12 м³.

Брызгальные бассейны, в которых аэрирование воды происходит за счет ее фонтанирования, применяются при благоприятных климатических условиях или в случаях, когда значительное содержание железа в воде или ее высокая окисляемость требуют больших объемов контактных резервуаров.

Схема установки для обезжелезивания воды с брызгальным бассейном

1 - насос; 2 - брызгальный бассейн; 3 - разбрызгивающие насадки; 4 - кон­тактный резервуар; 5 - фильтр.

Брызгальные бассейны проектируют из расчета интенсивности орошения, равной 5 м³/ч на 1 м² площади бассейна, и обеспечения напора воды перед соплами не менее 15 м. вод. ст.

При использовании в технологической схеме обезжелезивания бака-аэратора его рассчитывают на пребывание воды 0,5-1 мин. Скорость излива воды из насадки через отражатель принимается равной 1,5-2,0 м/с. Бак оборудуется трубопроводами подачи и отвода исходной воды, перелива и полного опорожнения.

При упрощенной аэрации обогащение воды кислородом воздуха предусмотрено за счет излива ее в карман открытого фильтра с высоты 0,5-1,0 м или путем подачи сжато­го воздуха в трубопровод перед напорными фильтрами в количестве 2,0-2,5 л на 1 г со­держащегося в воде двухвалентного железа.

В технологических схемах обезжелезивания воды, реализующих реагентные мето­ды, применяются следующие реагенты: хлор, хлорная известь, перманганат калия, озон, известь и сода.

Расчет устройств и подбор оборудования для приготовления и дозирования рабо­чих растворов хлора и хлорной извести производится в соответствии с рекомендация­ми.

Концентрацию раствора ориентировочно принимают в пределах 20-30% раствори­мости КМn0₄ при данной температуре

График растворимости в воде перманганата калия

Для более точного дозирования в производственных условиях концентрацию рабо­чего раствора КМп0₄ определяют после приготовления каждой порции по объему по­шедшего на титрование раствора КМn0₄ по формулам

C=G/W; C=31,6*(10/b)

где G- масса засыпанного в бак КМn0₄, г; W-полезная емкость бака, л; b - объем раство­ра КМn0₄, пошедшего на титрование, мл; 31,6 - содержание КМn0₄ в 1 н. растворе, г/л.

Установка для биохимической деманганации воды

1 - подача исходной воды; 2 - реактор биохимического окисления; 3 - устройство для приготовле­ния раствора триполифосфата натрия; 4 - воздуходувка; 5 - скорый фильтр; 6 - отвод фильтрата.

Устройства для перемешивания рабочего раствора рассчитывают по интенсивнос­ти подачи воздуха, равной 4-5 л/с*м². Продолжительность перемешивания при этом со­ставляет в горячей воде - 2-3 часа, в холодной - 4-5 часов.

Площадь склада КМn0₄ определяют по суточной потребности в реагенте, необхо­димости хранения месячного запаса и условий разовой поставки.

Свойства перманганата калия (ГОСТ 5777-71)

Показатель	Норма, %, для сорта
	1-го	2-го
Содержание КМn04, не менее	96	92
Содержание двуокиси марганца Мn02, не более	2,5	3,0
Содержание сульфатов, S042-, не более	0,4	0,8

В зависимости от технологической схемы очистки воды подача в обрабатываемую воду раствора перманганата калия осуществляется на насосной станции подъема или на водопроводной станции в трубопровод перед смесителем до ввода коагулянта и флокулянта не менее чем за 5-10 минут.

При удалении марганца из подземных вод перманганат калия вводится перед филь­трами одновременно с активированной кремнекислотой (в количестве 3-4 мг/л).

Расчет отстойников, осветлителей со взвешенным осадком и скорых фильтров в на­порном и безнапорном варианте в составе установок для удаления марганца и железа из природных вод следует осуществлять по известной методике, изложенной в разделе «фильтровальные сооружения». Параметры загрузки и тип фильтров можно принимать по таблице.