Комплексное решение проблемы обескремнивания и обезжелезивания подземных вод

Рассмотрена проблема выбора технологии водоподготовки питьевой воды из подземных вод Уральского региона при совместном присутствии в них соединений кремния, железа, марганца и повышенной перманганатной окисляемости. Проведен анализ существующих технологий обескремнивания и обезжелезивания подземных вод, а также физико-химических механизмов и факторов, влияющих на эффективность протекания этих процессов.Приведены результаты лабораторных исследований по извлечению соединений кремния и железа из подземных вод. Предложена высокоэффективная комплексная технология водоподготовки на основе процессов реагентного окисления, коагуляции и фильтрации.

По разным оценкам, доля использования подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении России составляет 35-50% от общего водопотребления. В Свердловской области 36,8% населения получает воду из подземных источников. Дополнительное вовлечение в хозяйственный оборот запасов подземных вод ограничивается повышенным содержанием солей жесткости, железа, марганца, кремния.

Совместное присутствие в воде данных элементов значительно осложняет процесс водоподготовки. Зачастую эти загрязнения встречаются на фоне высокой (свыше 5 мгО2 /дм3) перманганатной окисляемости, что также затрудняет их совместное удаление.

Подземные воды некоторых районов Урала, тюменского Севера, Сибири, Дальнего Востока характеризуются наличием соединений кремния в концентрациях до 30 мг/дм3 (по кремнию), что в несколько раз превышает нормативные, а кондиционирование воды по этому показателю обычно не производится. Наличие кремния в питьевой воде представляет значительную угрозу для здоровья населения. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» [1], кремний определен как высоко опасное вещество и установлен норматив его содержания в питьевой воде - до 10 мг/дм3 .

Повышенное содержание кремния в питьевой воде вызывает у человека отравление организма даже при незначительном превышении ПДК. Регулярное употребление воды с повышенным содержанием кремния приводит к появлению мочекаменной болезни и заболеваниям почек.
Поэтому решение вопроса обескремнивания питьевой воды является не только сложной технической проблемой водоподготовки, но и одной из важных санитарно-гигиенических задач оздоровления населения.

Практически все станции водоподготовки подземных вод работают по традиционной схеме «аэрация-фильтрование» (упрощенная аэрация).

Однако, как показывает многолетний опыт эксплуатации таких сооружений, технология упрощенной аэрации с последующим фильтрованием через зернистый слой не обеспечивает нормативного качества воды по ионам железа, марганца, кремния. Одна из причин этого явления состоит в том, что подземные воды содержат соединения кремниевой кислоты в концентрациях, которые оказывают заметное негативное влияние на процесс обезжелезивания и деманганации.

В целом система Н2О-SiO2 очень сложна, поскольку в ней присутствуют многочисленные гидраты и различные кремниевые кислоты. В воде существуют частицы типа SiO2 •nН2О, где n=0,5; 1,5;2;2,5 [2]. Осаждение и соосаждение таких соединений сопровождается укреплением отдельных частиц, при этом образуются поликремниевые кислоты состава. Степень их дисперсности меняется от коллоидной до ионной в зависимости от многих факторов, таких как температура, рН и концентрации различных примесей воды.

Известно, что соединения кремния взаимодействуют только с трехвалентным (окисленным) железом [2]. В присутствии соединений кремния в процессе обезжелезивания методом упрощенной аэрации происходит образование устойчивых железосиликатов, которые обладают коллоидной растворимостью и не удаляются из воды при фильтровании или отстаивании.

Поскольку обезжелезивание и деманганация питьевой воды традиционно осуществляются в рамках единой технологии, присутствие в воде соединений кремния оказывает ингибирующее влияние на процесс извлечения железа и марганца при фильтровании через зернистый слой. При обезжелезивании воды методом упрощенной аэрации вокруг зерен инертной фильтрующей загрузки формируется адсорбционная пленка, состоящая в основном из соединений железа. На ее поверхности адсорбируется не только ионное железо, но и другие примеси, в т. ч. соединения типа SiO2 •nНО. При большихконцентрациях кремния в обрабатываемой воде происходит «блокировка» активной поверхности адсорбционной пленки, что существенно замедляет процесс обезжелезивания.

Кроме того, присутствие соединений кремния может вызвать потерю устойчивости адсорбционного слоя, который в этом случае смывается с зерен фильтрующей загрузки при промывке.

Вместе с тем установлено, что в данных традиционных технологиях соединения кремния из воды извлекаются незначительно, и его содержание в очищенной воде может превысить нормативное значение [3].

Вопросы обескремнивания подземной воды довольно долго решались только в отношении ее использования для подпитки паровых котлов, в производстве целлюлозы, в химико-фармацевтической промышленности и не рассматривались применительно к питьевому водоснабжению.
В настоящее время технологии удаления растворенного кремния подразделяются на химические (реагентные) и физико-химические (безреагентные) [4].

Для осаждения растворенного кремния используются: гашеная известь, образующая малорастворимый силикат кальция (что позволяет снизить концентрацию силиката до 0,5 мг/дм3 ), жженый магнезит (образует с растворенным силикатом малорастворимый силикат магния), жженый доломит. Зачастую осаждение кремния производится еще на стадии осветления и обесцвечивания, когда хлопья гидроксидов алюминия или железа, осаждаясь, захватывают коллоиды кремниевой кислоты и адсорбируют растворенные ионные формы. Применяют и другие реагенты, содержащие крахмал и полиальгинат натрия.

Реагентные методы требуют большого расхода дорогостоящих реагентов (доза сульфата алюминия или железа - до 300-400 мг/л по безводному веществу, по оксиду магния - 5-7 мг/мг SiO2 ); высоких энергозатрат, связанных с подогревом воды при известковании или осаждении магнезитом; необходимости полной замены магнезиального сорбента при исчерпании его обменной емкости; высоких доз подщелачивающих реагентов и приводят к образованию большого количества осадка (при обработке воды солями железа и алюминия).

Безреагентные методы извлечения кремния - ионный обмен, электрокоагуляция, обратный осмос.

Наиболее эффективный способ удаления связан с применением ионитов смешанного действия, которые представляют собой смесь Н-катионита и ОН-анионита.

Использование мембранных технологий зачастую затруднено, так как на поверхности мембран может происходить полимеризация кремниевых кислот вследствие пересыщения поаморфной окиси кремния, что приводит к кольматации мембран [4]. Кроме того, возникает проблема утилизации большого объема высоко загрязненных регенерационных растворов и концентратов ионообменных и мембранных установок.

Таким образом, поиск комплексной технологии совместного обескремнивания и обезжелезевания воды для питьевых нужд является крайне важной задачей для специалистов в области водоснабжения, которая может быть решена только комплексно.

Учитывая сложность данной проблемы, для выбора оптимальной технологии на конкретном водоисточнике необходимо проведение технологических исследований с моделированием процессов в лабораторных условиях.

Актуальными направлениями исследований являются:
- разработка и применение дополнительных технологических приемов для интенсификации;
- процесс удаления кремния и железа; поиск оптимальных доз и комбинаций реагентов;
- исследование свойств современных фильтрующих материалов.

На кафедре водного хозяйства и технологии воды Уральского федерального университета проведены исследования по комплексному обескремниванию и обезжелезиванию подземных вод г. Нижняя Салда с содержанием железа 0,9 мг/дм3 , кремния 11,1 мг/дм3 , окисляемостью 7,0 мг О2 /дм3 , pH = 6,5. Принята реагентная схема очистки, при которой в воду вводили соответствующие реагенты, а далее ее фильтровали на легкой зернистой загрузке из дробленых диатомитовых пород со скоростью 10-12 м/час.

Предварительные исследования показали, что смешение данной воды с кислородом, хлором или перманганатом калия не приводили к удалению железа и кремния, а только увеличивали цветность. По всей видимости, окислители вступали в реакцию с присутствующими органическими веществами, и реакция окисления железа проходила медленно (в присутствии сильных окислителей) или не шла вообще (в присутствии кислорода). Поскольку очевидно, что главным лимитирующим фактором процесса обезжелезивания и обескремнивания данной воды является высокая окисляемость, было принято решение вводить вместе с сильным окислителем (перманганатом калия) алюминиевый коагулянт - полиоксихлорид алюминия (ПОХА). Опытным путем было установлено оптимальное соотношение Al/KMnO4 = 10 для исследуемой воды. Все последующие опыты проводили в данной пропорции реагентов. Порядок введения реагентов был одновременным.

Установлено, что одновременная обработка окислителем и коагулятом позволила эффективно удалить из воды как соединения железа, так и кремния. При дозах ПОХА 10мг/дм3, KMnO 4 - 1 мг/дм3 содержание железа в фильтрате составило 0,25 мг/дм3 и величина перманганатной окисляемости - 3 мг/дм3 , что соответствует питьевым нормам. Кроме того, по данной технологии удалось снизить содержание кремния ниже питьевых норм до 8 мг/дм3 . Дальнейшее увеличение доз реагентов не приводило е значительному увеличению степени извлечения рассматриваемых соединений.

В процессе фильтрации обработанной реагентами воды используемая загрузка модифицировалась: ее гранулы покрылись гидроксидами марганца и железа, которые также являются катализаторами реакций обезжелезивания.

В целом предлагаемая технология одновременного введения окислите=ля и коагулянта с последующей фильтрацией на зернистой загрузке показала положительный результат и может быть рекомендована для одновременного обескремнивания и обезжелезивания подземной воды с повышенной перманганатной окисляемостью.

Литература:
1. СанПиН 2.1.4.107401. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водо снабжения. Контроль качества.
2. Айлер Р. Химия кремнезема: Растворимость, полимеризация, коллоидные и поверхностные свойства, биохимия. Ч 1. М.: Мир, 1982.
3. Селюков А. В., Рафф П. А. Обескремнивание подземных вод на сооружениях обезжелезивания - деманганации // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 4.
4. Шиблева Л. Г., Крылов Г. В., Макаров В.В., Демидович В. Н. Экологические аспекты обезжелезивания кремнеземсодержащих подземных вод // Известия вузов. Сер. Нефть игаз. 2001.
5. Алексеев В. С., Болдырев К. А., Тесля В. Г. О необходимости пересмотра нормативного содержания кремния в питьевой воде // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. №1.

Integrated solution of the problem of groundwater desiliconizing and deironization

Problem of the drinking water treatment technology choice for drinking water from groundwater in the Urals region is considered, together with the presence of silicon, iron, manganese compounds and increased permanganate oxidizability in them. The analysis of existing technologies for removal of silicon and iron from groundwater, as well asphysical and chemical mechanisms and factors affecting the efficiency of these processes, is carried out. The results of laboratory studies on the extraction of silicon and iron compounds from real groundwater are presented. A highly effective complex water treatment technology based on reagent oxidation, coagulation and filtration processes is proposed.

Brayalowski George Borisovich, associate Professor, Department of water management and technology waters, Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Naschetnikova Olga Borisovna, associate Professor, Department of water management and technology waters, Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Russia, 620002, Ekaterinburg, str. Mira, 17, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Журнал «Вода Magazine», №7 (131), 2018 г.