Способ очистки шахтных и подземных вод от железа и установка для его реализации

Изобретение может быть использовано на промышленных станциях по очистке шахтных и природных вод, характеризующихся высоким содержанием железа (до 150-250 и выше мг/дм³ и выше) и рН>6. Способ очистки шахтных и подземных вод от железа заключается в их аэрировании избыточным по отношению к стехиометрическому соотношению реагирующих компонентов количеством воздуха и доокислении железа до трехвалентного во взвешенном слое осадка, причем аэрирование проводят в турбулентном и ламинарном потоках исходной воды восходящими струями воздуха в автокаталитическом режиме за счет образования каталитической взвеси гидроокиси трехвалентного железа. Аэрирование проводят многоступенчато, с чередованием зон аэрации с зонами коагуляции и седиментации образующегося осадка, а процесс коагуляции и седиментации проводят без подачи воздуха. Установка для очистки шахтных и подземных вод от железа содержит трубчатые аэраторы и горизонтальный отстойник, снабженный вертикальной стенкой с зазором у днища и трубчатыми аэраторами, которые объединены в системы, приподнятые над днищем и уложенные под уклоном в сторону устройства для сброса из них воды Технический результат - повышение производительности и эффективности обезжелезивания шахтных и подземных вод с высоким содержанием железа. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к очистке шахтных и подземных вод от железа и может быть использовано на промышленных станциях по очистке шахтных и природных вод, характеризующихся высоким содержанием (до 150-250 и выше мг/дм³) железа и рН>6. При этом производительность станций по очистке воды может достигать 800-1000 м³/час и выше.

Известен способ очистки подземных вод от железа (патент №2181110, МПК C02F 1/64, РФ, 2000 г.), включающий аэрирование эжектированием воздуха потоком воды при последующем диспергировании на распределительной трубной решетке при его разрыве в сборной емкости, разделенной горизонтальными перфорированными полками на секции, и окислении во взвешенном слое осадка, активированного гидроокисью железа, нарабатываемой в струйном турбулентном потоке в коаксиальном зазоре вдоль продольных образующих, цилиндрических с проточками пористых поверхностей элементов пространственно-глобулярной структуры генератора, осветлении при коагулировании и седиментации в контактном резервуаре при гидродинамическом сжатии диффузного слоя и воздействии электростатического заряда, наведенного под действием дзета-потенциалов в коаксиальном зазоре, ламинарного потока между пористыми цилиндрическими поверхностями элементов пространственно-глобулярной структуры разделителя и регенерации пористых поверхностей элементов нагретым сжатым воздухом и промывками чистой водой, Однако разделение при одновременной наработке гидроокиси железа и тангенциальной фильтрации в турбулентном импульсном потоке в узком зазоре может сопровождаться кальмотацией частиц окиси железа на пористых поверхностях элементов при возможном их проскоке и характерном размере меньше диаметра пор последних, что в дальнейшем может привести к быстрому нарастанию окиси железа, сужению проходного сечения в коаксиальном зазоре и, как следствие, к снижению расходных характеристик, а значит, необходимости проведения дополнительной регенерации элементов из полимера пространственно-глобулярной структуры с помощью химических реагентов, т.е. дополнительным эксплуатационным расходам. Кроме того, одновременное воздействие всех факторов, обусловленное свойствами химически активных радикалов (ионный обмен, поверхностный заряд) с учетом гидродинамики и массообмена через пористую перегородку, в ограниченном пространстве - в коаксиальном зазоре требует дополнительных мероприятий по контролю выходных параметров (давления, расхода, концентрации), что также приводит к дополнительным затратам.

Известен способ очистки подземных вод от железа (патент №2259958, МПК C02F 1/64, РФ, 2005 г.), принятый за прототип, включающий аэрирование эжектированием воздуха потоком воды при последующем диспергировании на распределительной трубной решетке при его разрыве в сборной емкости, разделенной горизонтальными перфорированными полками на секции, и окислении во взвешенном слое осадка, активированного гидроокисью железа, нарабатываемой в струйном турбулентном потоке в коаксиальном зазоре вдоль продольных образующих, цилиндрических с проточками пористых поверхностей элементов пространственно-глобулярной структуры генератора, осветлении при коагулировании и седиментации в контактном резервуаре при гидродинамическом сжатии диффузного слоя и воздействии электростатического заряда, наведенного под действием дзета-потенциалов в коаксиальном зазоре, ламинарного потока между пористыми цилиндрическими поверхностями элементов пространственно-глобулярной структуры разделителя и регенерации пористых поверхностей элементов нагретым сжатым воздухом и промывками чистой водой. К недостаткам способа можно отнести невозможность использования на промышленных станциях с высокой производительностью, дороговизна, невозможность использования при высоком содержании железа в воде, сложность технологии очистки, недостаточные седиментационные характеристики получаемого осадка.

Известно устройство для очистки подземных вод от железа (патент №2145576, МПК C02F 1/64, РФ,2000 г.), содержащий систему аэрации, напорный контактный фильтр с зернистой загрузкой, систему обеззараживания, резервуар чистой воды, фильтр с каталитической загрузкой, представляющей собой природные оксиды марганца, суммарный состав которых составляет 8-26 мас.%. Напорный контактный фильтр в качестве зернистой загрузки содержит активный относительно ионов железа силицированный кальцит, а система обеззараживания содержит сорбционные фильтры с нанесенным на поверхность зерен серебром. На входе установки установлены механический префильтр и клапан регулирования давления. К недостаткам устройства можно отнести его ограниченные функциональные возможности, т.е. невозможность использования устройства на промышленных станциях с высокой производительностью.

Известно устройство (СНиП 2.04.02-84, НИИ КВЛВ АКХ им. Памфилова), состоящее из одного коллектора и трубчатых аэраторов, расстояние между аэраторами до 1,0 м, укладываются на подставках на высоте 0,1 м от дна в камерах перегородчатого типа. Недостатком данного устройства является очень маленькая производительность. Поток воды пролетает этот коридор в считанные секунды. При этом можно организовать только разовое насыщение исходной воды кислородом воздуха, при высоких концентрациях железа в исходной воде кислород тут же будет израсходован на реакцию, а далее реакция прекратится, снижение содержания железа в воде при таком способе (описанном в литературе) 10 мг/куб.дм. К недостаткам устройства можно отнести его ограниченные функциональные возможности, невозможность использования устройства на промышленных станциях для вод с высоким содержанием железа (от 100 до 250 мг/дм³ и выше).

Известно устройство, взятое за прототип (патент RU 2262489, C02F3/30, 20.10.2005), состоящее из модулей, собранных из пневматических и пористых аэраторов, установленных в придонной части участка дна аэротенка, с возможностью образования в нем широкой полосы аэрации. К недостаткам устройства можно отнести узкую функциональную направленность (ведение процессов нитрификации и денитрификации). Данное устройство не может быть применено для предлагаемого способа очистки.

Изобретение направлено на повышение эффективности обезжелезивания шахтных и подземных вод с высоким содержанием железа за счет того, что очистка шахтных и подземных вод от железа заключается в их аэрировании и доокислении железа до трехвалентного во взвешенном слое осадка, причем аэрирование проводят избыточным по отношению к стехиометрическому соотношению реагирующих компонентов количеством воздуха, в турбулентном и ламинарном потоках исходной воды восходящими струями воздуха в автокаталитическом режиме, за счет образования каталитической взвеси гидроокиси трехвалентного железа, причем аэрирование проводят многоступенчато, с чередованием зон аэрации с зонами коагуляции и седиментации образующегося осадка, а процесс коагуляции и седиментации проводится без подачи воздуха, а установка для очистки шахтных и подземных вод от железа содержит аэраторы, выполненные трубчатыми, и дополнительно снабжена горизонтальным отстойником, содержащим вертикальную стенку с зазором у днища и трубчатые аэраторы, которые объединены в системы, приподнятые над днищем и уложенные под уклоном в сторону устройства для сброса из них воды.

На фиг.1 представлена технологическая схема очистки шахтных и подземных вод в плане

На фиг.2 представлена технологическая схема очистки шахтных и подземных вод в разрезе

На фиг.3 - система трубчатых аэраторов.

На фиг.4 - разрез по В-В.

На фиг 5 - разрез по А-А.

Установка для очистки содержит приемную камеру 1 для гашения напора, камеру аэрации 2, горизонтальный отстойник 3, в котором установлена вертикальная стенка 4 с зазором у днища 5 горизонтального отстойника 3. В приемной камере 1 и камере аэрации 2 установлены по одной системе трубчатых аэраторов 6. В горизонтальном отстойнике 3 установлены две системы трубчатых аэраторов 6, причем первая система расположена перед вертикальной стенкой 4, а вторая - за стенкой 4. Системы трубчатых аэраторов 6 в горизонтальном отстойнике 3 для свободного сползания ранее образованного осадка приподняты над днищем 5 горизонтального отстойника 3 и закреплены. Системы трубчатых аэраторов 6 состоят из магистрального трубопровода 7, распределительных трубопроводов 8 и трубчатых перфорированных аэраторов 9. Система трубчатых аэраторов 6 уложена под уклоном в сторону устройства 10 для сброса из них воды, снабженного вентилем 11.

Конструктивные размеры систем трубчатых аэраторов 6 определяются необходимой длительностью обработки воды и зависят от расхода исходной воды. Количество трубчатых перфорированных аэраторов 9 в системах 6 зависит от содержания железа (11) в исходной воде.

Воздух подается от турбовоздуходувки 12 сетями трубопроводов (не обозначены), снабженных задвижками и манометрами для контроля давления подаваемого воздуха в каждой системе трубчатых аэраторов 6.

Вода из подземных источников по скважинам подается в приемную камеру 1 для гашения напора и первичной подачи воздуха, далее самотечно вода поступает в камеру аэрации 2 для дополнительной аэрации с постоянным поддержанием содержания растворимого кислорода в воде, расходующегося на реакцию окисления, на уровне его растворимости. Растворимость кислорода в воде и скорость реакции окисления зависят от температуры воды. Подача воздуха корректируется в соответствии с температурой воды.

Саэрированная вода со взвешенным слоем образовавшегося осадка самотечно направляется в горизонтальный отстойник 3. Со снижением скорости воды при входе в горизонтальный отстойник 3 избыток осадка осаждается на днище 5 горизонтального отстойника 3, а вода со взвешенным слоем осадка попадает в зону следующей системы трубчатых аэраторов 6 для дополнительной аэрации с постоянным поддержанием содержания растворимого кислорода в воде, расходующегося на реакцию окисления, на уровне его растворимости, что обеспечивает ведение реакции окисления в автокаталитическом режиме. Далее направление движения воды в горизонтальном отстойнике 3 приобретает вертикальную составляющую, вода с накопленным взвешенным слоем осадка ныряет вниз под вертикальную стенку 4 и через зазор у днища 5 поднимается вверх. При этом происходит расслоение воды, скоагулированный осадок остается на дне, а вверх поднимается очищенная вода.

При содержании в воде закисного железа до ста мг/куб.дм процесс завершен.

При более высоких содержаниях в воде закисного железа аэрацию проводят многоступенчато. Вода проходит еще через одну или более систем трубчатых аэраторов 6, расположенных по ходу ее движения. Давление воздуха в последующих системах трубчатых аэраторов 6 снижено для того, чтобы не разбивались ранее образованные флоккулы осадка, расход воздуха корректируется количеством и диаметром отверстий в перфорированных трубчатых аэраторах 9.

Для обезжелезивания воды вводится окисление железа (II) до трехвалентного состояния кислородом воздуха с принудительной аэрацией избыточным по отношению к стехиометрическому соотношению реагирующих компонентов количеством воздуха и последующей коагуляцией и седиментацией в форме нерастворимых соединений железа (III).

Процесс окисления кислородом воздуха железа (II) до железа (III) в водных растворах характеризуется невысокой скоростью, что связано с высокой энергией активации процесса - 26 кдж/моль - и невысокой растворимостью кислорода в воде при нормальных условиях.

В связи с этим предлагается многоступенчатая схема с чередованием зон пневматической мелкопузырчатой аэрации с зонами коагуляции и седиментации образовавшегося в процессе реакции осадка. Подача воздуха в очищаемую воду осуществляется системами трубчатых аэраторов 6 по ходу движения воды одновременно в несколько зон до насыщения, содержание растворенного кислорода в обрабатываемой воде в зоне реакции (зоне аэрации) постоянно поддерживается равным растворимости последнего в воде, что смещает равновесие реакции вправо и способствует ускорению реакции окисления. При этом накапливающаяся в исходной воде в процессе окисления гидроокись железа (III) одновременно является катализатором данной реакции. Реакция проводится в автокаталитическом режиме, образующаяся гидроокись в зоне реакции поддерживается во взвешенном состоянии восходящими струями воздуха.

При окислении кислородом воздуха природной воды в процессе гидролиза гидрокарбоната железа образуется значительное количество свободной углекислоты, содержащейся главным образом в газовой фазе. В начальной стадии коагуляции образующейся гидроокиси железа (III) при развитой поверхности твердой и газовой фаз происходит интенсивная адсорбция мельчайших пузырьков углекислоты на поверхность микрохлопьев коагулированной взвеси. В результате образуется осадок рыхлой структуры.

Введение диспергированного воздуха в период гидролиза гидрокарбоната железа и образования микрохлопьев обеспечивает своевременное удаление углекислоты из сферы образования микрохлопьев, что значительно интенсифицирует процесс коагуляции. Этим же достигается повышение рН среды на 0,4-0,5 ед., что также приводит к ускорению реакции окисления железа (II)

Зоны аэрации и зоны седиментации получаемой гидроокиси железа (III) чередуются

В первой зоне аэрации поток обрабатываемой воды турбулентный, что создается установкой в горизонтальном отстойнике 3 вертикальной стены 4 с зазором у днища 5. Вода после обработки в первой зоне аэрации ныряет вниз, затем поднимается, при этом избыток наработанной взвеси гидроокиси хорошо отделяется от основного потока воды.

При входе воды в последующие зоны аэрации процесс повторяется в ламинарном потоке обрабатываемой воды. Нарабатываемая взвесь также поддерживается в зоне реакции восходящими струями воздуха. При этом скорость воздушных потоков на этом этапе несколько снижена, чтобы образовавшиеся ранее флоккулы осадка не разбивались.

Образующийся осадок при данном режиме обработки воды обладает высокими седиментационными характеристиками, не требует обязательного применения фильтров. Осаждение 80% осадка завершается в течение 2-х часов. Полное осветление воды завершается в течение суток.

1. Способ очистки шахтных и подземных вод от железа, заключающийся в их аэрировании и доокислении железа до трехвалентного во взвешенном слое осадка, отличающийся тем, что аэрирование проводят избыточным по отношению к стехиометрическому соотношению реагирующих компонентов количеством воздуха в турбулентном и ламинарном потоках исходной воды восходящими струями воздуха в автокаталитическом режиме за счет образования каталитической взвеси гидроокиси трехвалентного железа, причем аэрирование проводят многоступенчато с чередованием зон аэрации с зонами коагуляции и седиментации образующегося осадка, а процесс коагуляции и седиментации проводят без подачи воздуха.

2. Установка для очистки шахтных и подземных вод от железа, содержащая аэраторы, отличающаяся тем, что аэраторы выполнены трубчатыми, а установка дополнительно снабжена горизонтальным отстойником, содержащим вертикальную стенку с зазором у днища и трубчатые аэраторы, которые объединены в системы, приподнятые над днищем и уложенные под уклоном в сторону устройства для сброса из них воды.