Способ очистки подземных вод от железа и марганца в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды
Изобретение относится к способам обработки подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, содержащих одновременно железо и марганец, в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды. Для осуществления способа в исходную воду вводят пероксид водорода перед перманганатом калия в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа, причем массовое соотношение доз пероксида водорода и перманганата калия составляет от 1:1 до 1:5, затем фильтруют. Техническим результатом изобретения является удешевление процесса, уменьшение количества образующегося осадка и увеличение длительности фильтроцикла. 2 табл.
Изобретение относится к способам обработки подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, содержащих одновременно железо и марганец, в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды.
Известен способ очистки воды от железа путем перемешивания исходной воды с введением в нее пероксида водорода (см. патент RU №47348 с приоритетом 21.03.2005 г., опубл.27.08.2005 г., БИ №24).
Недостатком известного способа является отсутствие возможности одновременного удаления из воды марганца, и необходимость стандартных условий для осаждения гидроокиси - высокие значения температуры, щелочности, жесткости.
Известен способ очистки воды от железа и марганца путем их окисления кислородом воздуха при аэрации очищаемой воды и последующего ее пребывания в фильтрующем реакторе, оснащенном носителем с прикрепленными микроорганизмами. Предусмотрена промывка фильтрующего реактора обратным током воды (см. заявку DE №10044696, А1, МПК C 02 F 1/64 с приоритетом 08.09.2000 г., опубл.21.03.2002 г.).
Недостатками известного способа являются накопление остаточных загрязнений и вторичное загрязнение воды при промывке носителя фильтрующего реактора, возможность микробиологического загрязнения очищенной воды.
Известен способ очистки воды от железа и марганца путем обратноосмотической обработки исходной воды, подщелачивания ее до требуемой величины рН с последующей повторной обратноосмотической обработкой для удаления железа и марганца и декарбоксилирования (см. патент WO №3022751, приоритет Японии 04.09.2002 г., опубл. 01.05.2003 г.).
Недостатком известного способа является высокая стоимость процесса, обусловленная двухстадийной обратноосмотической обработкой.
Известен способ очистки подземных вод от железа и марганца, заключающийся в аэрации исходной воды, в процессе которой происходит окисление соединений железа и марганца кислородом воздуха, доокислении соединений железа до форм гидроксида, обезжелезивании и деманганации, осуществляемых в напорном фильтре, заполненном инертной загрузкой. В качестве инертной загрузки на стадиях доокисления и фильтрации используют кварцевый песок, кварцит, альбитофир, гранодиорит, горелые породы и др. Предусматривается промывка фильтра обратным током воды (см. патент RU №2182890, МПК C 02 F 1/469, приор. 08.12.2000 г., опубл. 27.05.2002 г.).
Недостатками известного способа являются его высокая стоимость и сложность, обусловленные осуществлением раздельных процессов: аэрации в безнапорном аэраторе, в процессе которой происходит окисление соединений железа и марганца, фильтрования в напорном режиме через инертную загрузку, в процессе которого происходит доокисление соединений железа до форм гидроксида, обезжелезивание и деманганация, а также невысокая эффективность процесса обезжелезивания и деманганации на инертной загрузке с невысокой удельной поверхностью зерен и из-за неэффективной ее промывки (требуется мощный насос с удельной производительностью не менее 15 л/сек/м2, что влечет за собой высокие энергозатраты и расход воды на промывку); последнее делает способ экономически невыгодным. Кроме того, для реализации известного способа необходимы стандартные условия для обезжелезивания - высокие значения температуры, щелочности и жесткости воды.
Известен способ очистки подземной воды в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды от железа и марганца, заключающийся в проведении очистки воды в два этапа: на первом этапе удаляется железо с помощью упрощенной аэрации и фильтрования воды на песчаном фильтре. На втором этапе проводится окисление марганца озоном до образования нерастворимых соединений, что достигается при оптимальной дозе озона, которая составляет 1,0-1,5 мг/л, и последующее удаление нерастворимых соединений фильтрованием на второй ступени песчаных фильтров (см. В.Л.Драгинский и др. «Коагуляция в технологии очистки природных вод». М.: Науч. изд., 2005 г., с.368-372).
Недостатком известного способа является большая вероятность образования в процессе окисления семивалентного марганца, присутствие соединений которого недопустимо для питьевой воды.
Известен способ очистки подземной воды от железа и марганца в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды, наиболее близкий по назначению и технической сущности к заявляемому, заключающийся в последовательной обработке воды перманганатом калия и пероксидом водорода, при этом пероксид водорода используют в соотношении 1:3 к избытку перманганата калия, а массовое соотношение доз перманганата калия и пероксида водорода при обработке воды составляет, соответственно, от 15:1 до 6:1. Обработанную воду подвергают фильтрованию (см. патент RU №2238912 с приоритетом 29.01.2002 г., опубл. 27.10.2004 г., БИ №30).
Недостатком известного способа является высокая стоимость процесса, обусловленная завышенным расходом перманганата калия (рыночная стоимость KMnO4 - 150000 рублей/т, затраты на реагенты для станции очистки, в сопоставимых условиях - 30,07 млн. руб./год), производительностью 65 тыс.м3/сут и наличием значительного количества осадка - 32 т/сут, требующего утилизации.
Недостатком известного способа является также невысокая длительность фильтроцикла.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление процесса, уменьшение количества образующегося осадка и увеличение длительности фильтроцикла.
Технический результат достигается тем, что в способе очистки подземных вод от железа и марганца в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды, включающем обработку исходной воды перманганатом калия и пероксидом водорода и фильтрование, пероксид водорода вводят перед перманганатом калия в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа, при массовом соотношении доз пероксида водорода и перманганата калия от 1:1 до 1:5.
Способ осуществляют следующим образом.
Исходную подземную воду с содержанием железа общего 6,7-6,9 мг/л, в том числе двухвалентного 2,5-5,4 мг/л, и марганца 0,35-0,42 мг/л при температуре 0,1-1,5°С, значении жесткости 0,15-0,29 мг-экв/л, щелочности 0,29-0,35 мг-экв/л, при цветности 15-20°С БКШ (бихромат-кобальтовой шкалы), мутности 1,6-1,9 мг/л, запахе и привкусе около 2 баллов подают в проточном режиме на установку, в камеру смешения - реакции с предварительным дозированием в очищаемую воду пероксида водорода в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа, в количестве 1,0-2,0 мг/л.
На этой стадии двухвалентное железо окисляется до трехвалентного в растворенной и коллоидной форме:
2Fe2++H2O2+2H+→2Fe3++2H2O;
Fe3+3H2O→Fe(OH)3↓+3H+.
Обычно при введении в воду пероксида водорода трехвалентное железо, полученное в результате окисления, сразу начинает восстанавливаться в двухвалентное, но в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды процесс восстановления сильно замедляется и поэтому изменение порядка введения реагентов - введение пероксида водорода на первой стадии позволяет резко уменьшить дозу дорогостоящего реагента - перманганата калия, вводимого на второй стадии, при одновременном сокращении количества осадка.
Вторую стадию осуществляют во второй камере смешения - реакции с дозированием в воду перманганата калия в количестве 2,0-5,0 мг/л, при этом массовое соотношение доз пероксида водорода и перманганата калия составляет от 1:1 до 1:5.
При уходе от заявленных интервалов соотношения доз реагентов качество очищенной воды ухудшается:
- при изменении соотношения доз в сторону уменьшения пероксида водорода - за счет недостаточности пероксида водорода для окисления двухвалентного железа расходуется перманганат калия и его не хватает для окисления марганца;
- при изменении массового соотношения доз в сторону увеличения пероксида водорода - за счет того, что наряду с окислением двухвалентного железа происходит восстановление перманганата калия, перманганат калия расходуется на эти цели и его не хватает на окисление марганца;
- при изменении массового соотношения доз в сторону уменьшения перманганата калия - из-за недостаточности этого реагента для окисления марганца и соосаждения окисленного железа;
- при изменении массового соотношения доз в сторону увеличения перманганата калия - за счет того, что избыток перманганата калия не восстанавливается и повышает содержание марганца в очищенной воде.
Во второй камере происходит окисление двухвалентного марганца и восстановление избытка пероксида водорода перманганатом калия с образованием гидрата диоксида марганца, являющегося мощным сорбентом - соосадителем, способствующим отделению в виде твердой фазы растворенных и коллоидных форм окисленных железа и марганца, а также других соединений, придающих воде цветность, привкусы и запахи.
3Mn2++2KMnO4+7Н2О→5МnО(ОН)2↓+4H++2K+;
2КMnО4+3Н2O2→2МnО(ОН)2↓+3O2↑+КОН.
Далее обработанную воду подвергают фильтрации на засыпных песчаных фильтрах; при этом длительность фильтроцикла увеличивается за счет поступления на фильтр меньшего количества взвеси. Предусматривается периодическая промывка фильтра и отделение осадка известным способом.
Очищенная вода содержит: железа общего 0,08-0,3 мг/л, двухвалентное железо отсутствует, марганца 0,05-0,1 мг/л. Жесткость и щелочность очищенной воды не меняются, цветность составляет 2-10° БКШ, мутность - 0,3-1,5 мг/л, запах и привкус до 1 балла.
Пример 1.
Подземную воду с содержанием железа общего 6,7 мг/л, в том числе двухвалентного 5,3 мг/л и марганца 0,38 мг/л при температуре 1,2°С, жесткости 0,2 мг-экв/л, щелочности 0,32 мг-экв/л, цветности 17° БКШ, мутности 1,8 мг/л, запахе и привкусе 2 балла подают в проточном режиме на установку, в камеру смешения - реакции с предварительным дозированием в очищаемую воду пероксида водорода в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа в количестве 1,8 мг/л.
Перед второй камерой смешения - реакции в проходящий поток дозируют перманганат калия в количестве 4,3 мг/л, поддерживая, таким образом, массовое соотношение доз пероксида водорода и перманганата калия равным 1:2,4.
Затем очищаемую воду фильтруют через песчаные фильтры.
В результате очистки получают воду с содержанием железа общего 0,1 мг/л, марганца не более 0,1 мг/л. Железо двухвалентное отсутствует. Цветность очищенной воды не более 5° БКШ, мутность не более 0,5 мг/л, запахи и привкусы отсутствуют.
Пример 2.
Процесс ведут аналогично примеру 1 при содержании в исходной воде железа общего 6,7 мг/л, в том числе двухвалентного 5,36 мг/л и марганца 0,37 мг/л при температуре 1,0°С, жесткости 0,15 мг-экв/л, щелочности 0,29 мг-экв/л, цветности 17° БКШ, мутности 1,8 мг/л, запахе и привкусе 2 балла, которую подают в проточном режиме на установку, в камеру смешения - реакции с предварительным дозированием в очищаемую воду пероксида водорода в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа в количестве 2,0 мг/л.
Перед второй камерой смешения - реакции в проходящий поток дозируют перманганат калия в количестве 2,0 мг/л, поддерживая, таким образом, массовое соотношение доз пероксида водорода и перманганата калия равным 1:1.
Затем очищаемую воду фильтруют через песчаные фильтры.
В результате очистки получают воду с содержанием железа общего 0,2 мг/л, марганца 0,1 мг/л. Железо двухвалентное отсутствует. Цветность очищенной воды не более 5° БКШ, мутность не более 1,0 мг/л, запахи и привкусы 1 балл.
Пример 3.
Процесс ведут аналогично примеру 1 при содержании в исходной воде железа общего 6,8 мг/л, в том числе двухвалентного 2,5 мг/л и марганца 0,36 мг/л при температуре 1,5°С, жесткости 0,24 мг-экв/л, щелочности 0,35 мг-экв/л, цветности 20° БКШ, мутности 1,7 мг/л, запахе и привкусе 2 балла, которую подают в проточном режиме на установку, в камеру смешения - реакции с предварительным дозированием в очищаемую воду пероксида водорода в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа в количестве 1,0 мг/л.
Перед второй камерой смешения - реакции в проходящий поток дозируют перманганат калия в количестве 5,0 мг/л, поддерживая, таким образом, массовое соотношение доз пероксида водорода и перманганата калия равным 1:5.
Затем очищаемую воду фильтруют через песчаные фильтры.
В результате очистки получают воду с содержанием железа общего 0,2 мг/л, марганца 0,1 мг/л. Железо двухвалентное отсутствует. Цветность очищенной воды не более 5° БКШ, мутность 1,0 мг/л, запахи и привкусы 1 балл.
Данные, свидетельствующие о целесообразности выбора заявляемых интервалов, приведены в таблице №1.
Только совокупность таких признаков, как последовательная обработка исходной воды пероксидом водорода и перманганатом калия, взятых в предложенных массовых соотношениях - от 1:1 до 1:5, позволяет решить поставленную задачу - удешевление процесса очистки за счет уменьшения дозы перманганата калия и сокращения на 20-30% количества образующегося осадка при обеспечении нормативного качества питьевой воды (СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»).
Предложенный способ по сравнению с известным позволяет:
1. Удешевить процесс, например, для станции очистки, производительностью 65 тыс.м3/сут за счет сокращения количества:
- используемого для очистки воды дорогостоящего реагента - перманганата калия на 40%, т.е. реальное уменьшение затрат на реагенты составит 10,14 млн. руб./год,
- образующегося осадка на 20-30%, т.е. с 32 до 22 т/сут.
2. Увеличить длительности фильтроцикла за счет уменьшения количества взвеси, попадающей на фильтры, следствием чего является уменьшение количества осадка.
Способ очистки подземных вод в условиях низких значений температуры, щелочности и жесткости воды, включающий обработку исходной воды перманганатом калия и пероксидом водорода и фильтрование, отличающийся тем, что пероксид водорода вводят перед перманганатом калия в избытке по отношению к его стехиометрическому количеству, необходимому для окисления двухвалентного железа, при массовом соотношении доз пероксида водорода и перманганата калия от 1:1 до 1:5.
