УДК 556.114:546.72

Научный руководтель: к. г.-м. н, доцент

Казанский федеральный университет, кафедра общей геологии и гидрогеологии, г. Казань

ОБ ОДНОМ ИЗ РАЦИОНАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

Проблема качественного состояния окружающей среды является одной из важнейших мировых проблем последних десятилетий. Неуклонная деградация основных её компонентов и ресурсный кризис могут привести в ближайшем будущем к крупным конфликтам, при этом основным их источником может явиться нехватка пресной воды [8].

Проблема качества воды, используемой в хозяйственно-питьевом водоснабжении, затрагивает очень многие стороны жизни человеческого общества в течение всей истории его существования. В настоящее время качество воды - это проблема социальная, политическая, медицинская, географическая, а также инженерная и экономическая [2].

В последние десятилетия в результате интенсивного антропогенного воздействия заметно изменился химический состав не только поверхностных, но и подземных вод. Несмотря на относительно высокую защищенность от загрязнения подземных вод в сравнении с поверхностными, в них часто обнаруживаются сверхпредельные содержания таких высокотоксичных компонентов, как свинец, хром, ртуть, кадмий, цинк и др. Если повышенные концентрации этих тяжелых элементов в подземных водах обычно фиксируются в пределах и окрестностях крупных городских и промышленных центров, и горнорудных районов, то обогащение вод такими высококларковыми компонентами, как железо и марганец, проявляется очень широко и без техногенного вмешательства. Так, повышенной железистостью характеризуются подземные воды верхней части гидрогеологического разреза во многих районах Якутии и Дальнего Востока, Кольского полуострова и Алтая, центральных и северных областей Европейской части России, а также Украины, Белоруссии и Казахстана [7].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы растворения, выщелачивания и гидролиза горных пород [5]. Железо реагирует с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами, образуя сложный комплекс соединений, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях. Значительные количества железа поступают и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками. В воде систем централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения железо может присутствовать также вследствие применения на муниципальных станциях очистки железосодержащих коагулянтов, либо из-за коррозии "черных" (изготовленных из чугуна или стали) водопроводных труб. Содержащая железо вода (особенно подземная) прозрачна и чиста на вид. Однако, даже при непродолжительном контакте с атмосферным воздухом железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,3 мг/л вода приобретает характерный металлический привкус, и она вызывает появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. Кроме этого, длительное потребление воды с повышенными концентрациями железа, приводит к разрушению клеток печени, что связано с накоплением в ней окиси железа в коллоидной форме, получившей название гемосидирина [3].

Железо в подземных водах обычно находится в форме бикарбоната закисного железа Fе(НСО3)2. В случаях подпитки водоносного горизонта поверхностными водами железо в подземных водах может находиться в виде комплексных органических соединений. В восстановительной среде при наличии в воде карбонатов (т. е. при рН>8,4) из воды может выпасть карбонат железа, а при рН> 10,3 – гидрат закиси железа. Обычно подземные воды характеризуются pH и Eh условиями, при которых основная часть железа находится в растворенном состоянии (в двухвалентной форме) и не выпадает в осадок [7].

В связи с вышесказанным, вопросы разработки и совершенствования технологии обезжелезивания природных вод являются чрезвычайно актуальными.

Избыточные концентрации железа в воде могут быть снижены катионированием, однако этот процесс неэкономичен и сложен. Поэтому, чаще всего, для обезжелезивания воды используют следующие методы [7]:

1. упрощенная аэрация и фильтрование;

2. аэрация и фильтрование после окисления закисного железа;

3. коагуляция, отстаивание и фильтрование;

4. известкование, отстаивание и фильтрование;

5. хлорирование и коагуляция или хлорирование и известкование с последующим фильтрованием.

Цель работы – оценка эффективности первого из указанных методов обезжелезивания, который является наиболее простым и наименее затратным. Исследования по обезжелезиванию вод проводились на двух объектах.

В первом случае аэрированию и фильтрации подвергались межпластовые вод пермских отложений, используемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения города Агидель Республики Башкортостан. Эти воды характеризуются варьирующим ионным составом и минерализацией, и отличаются сверхпредельными концентрациями железа и марганца, соответственно – до 4,5 и 1,2 мг/л. Экспериментальные работы, проводившиеся непосредственно в полевых условиях, включали: на первом этапе – фильтрацию проб подземных вод через песчаный фильтр, на втором – двойную аэрацию с последующей фильтрацией через песчаный фильтр. Установка песчаного фильтра представляла собой 2 пластиковые трубки (фильтры) длиной по 150 см и внутренним диаметром 41 мм, закрепленные на штативе, специально изготовленном для данного опыта. Фильтр в нижней части был загружен гравием – 30 см, а в верхней – 70 см слоем мелкозернистого кварц-полевошпатового песка. Для аэрации воды использовались два дюралюминиевых сосуда, в которых были просверлены отверстия диаметром 0,5 мм. В первом сосуде диаметром 10 см и объемом 1 дм3 было просверлено 100 отверстий; во втором сосуде, имевшем диаметр 15 см и объем 1,5 дм3, – 225 отверстий. Первый сосуд был установлен на высоте 175 см от земли, второй – непосредственно под первым, на высоте 100 см. Аэрированная вода собиралась в пластиковую посуду объемом 5. После аэрации вода, насыщенная кислородом, оставлялась в покое на 45 минут для завершения процесса перехода Fe2+ в Fe3+ и его гидролиза. Через 45 минут вода пропускалась через песчаный фильтр со скоростью 5 м/ч. Результаты опыта по обоим использованным методам положительные. При использовании песчаного фильтра без предварительной аэрации воды концентрации железа в воде снизились с 2,7-3,8 до 0,15-0,35 мг/дм3, марганца с 0,95-1,95 до 0,2-0,6 мг/дм3; а при аэрировании фильтруемой воды содержания железа уменьшились до 0,1-0,25 мг/дм3, марганца до 0,005-0,15 мг/дм3. Концентрационные вариации железа и марганца в фильтрате определялись, в первую очередь, колебаниями содержаний этих компонентов в исходной воде. Эксперимент продолжался 4 суток, при этом через песчаный фильтр было пропущено 35 литров исходной воды. Ярко выраженных трендов изменения концентраций тяжелых металлов в фильтрованной воде и уменьшения водопроницаемости фильтра отмечено не было.

Вторым объектом лабораторного исследования эффективности песчаных фильтров для обезжелезивания воды послужило изучение фильтрации искусственно подготовленной воды хлоридно-гидрокарбонатно-сульфатного магниево-кальциевого состава с минерализацией 0,5-0,6 г/дм3, рН – 2,5-3, концентрацией железа – 1,2-2,5 мг/дм3. Данная вода, обладавшая буроватым цветом, подобна отдельным гидрогеохимическим типам болотных и рудничных вод. Обезжелезивание проводилось без предварительного аэрирования воды. Исходная вода подавалась с напорного бачка, песчаный фильтр представлял собой полипропиленовую трубу диаметром 110 мм и длиной 326 мм, заполненную мелко-среднезернистым полимиктовым песком. Высота песчаного фильтра – 16,5 мм, объем использованного песка – 1,8 дм3, его общая пористость – 32 %. В каждом литре профильтрованной воды определялось содержание железа, рН и минерализация (кондуктометрическим методом), параллельно эти же параметры определялись и в исходной воде. Через каждые десять литров фильтрованная вода подвергалась сокращенному химическому анализу с определением рН, минерализации, перманганатной окисляемости, общей жесткости, кремнекислоты; концентраций гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, нитратов, нитритов, аммония, ионов кальция, магния, натрия, калия, а также железа. Эксперименты проводились в двух режимах нестационарной фильтрации – первоначально с максимальным вертикальным напорным градиентов 0,65; а потом с градиентом 1,7. При первом режиме было получено 19,5 литров фильтрованной воды, а втором – 15,5 л. В первом случае фильтрованная вода была бесцветной и прозрачной, концентрации железа в ней – 0,02-0,12 мг/дм3. При этом четко проявился положительный тренд изменения этих содержаний (их увеличение по мере фильтрации), а также произошло снижение фильтрационной способности песков с 2,4 до 1,22 м/сут. (песчаный фильтр довольно эффективно осаждает практически все компоненты минерализации воды, которая снижается, относительно минерализации исходной воды, на 40-120 мг/дм3, при этом рН фильтрованной воды – 5,3-7,0). При втором режиме фильтрации (с более высоким значением напорного градиента) фильтрованная вода довольно быстро стала приобретать желтоватый оттенок, а концентрации железа в ней практически линейно возрастали от 0,1 до 0,3 мг/дм3. Последнее значение, являющееся предельно-допустимой концентрацией для питьевых вод, было получено уже на 35 литре фильтрата (15 литр фильтрованной воды при повышенном напорном градиенте).

Таким образом:

- избыточные концентрации железа (и марганца) в воде можно устранить путем фильтрации воды через песчаный фильтр, при этом эффективность очистки резко возрастает при проведении предварительного аэрирования воды;

- при использовании лишь метода фильтрации величина напорного градиента, для повышения эффективности очистки, не должна превышать 1;

- при использовании фильтров с мелко-среднезернистым песчаным относительно хорошо промытым заполнителем массой до 2 кг и фильтрации воды с минерализацией ~ 500 мг/дм3 и концентрацией железа ~ 2 мг/дм3 через фильтр до полного заполнения его порового пространства теоретически можно пропустить ~10 м3 воды, но скорость снижения коэффициента фильтрации песков может достигать 0,04 м/сут*л.

Литература

Алексеев качества воды - Москва, 2004 – 160 с. Ахманов , которую мы пьем. Качество питьевой воды и ее очистка с помощью бытовых фильтров - СПб.: Невский проспект, 20с. , Апельцин природных вод – Москва 1971 – 579 с. Кожинов питьевой и технической воды - М.: Издательство литературы по строительству, 197с. , Швец подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. - М.: Недра, 1987, 237 с Красилов природы: принципы, проблемы, приоритеты. – Москва: Институт охраны природы и заповедного дела, 1992. – 160 с. И Обезжелезивание природных и оборотных вод – М. Строитиздат, 1978, 162 с , А, Соколов анализа природных вод. – 3-е изд. переработано и дополнено – М.: Недра, 1970. – 488 с.

9 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: Санитарные правила и нормы: СанПиН 2.1.4.1074-01. - Москва: Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 2001. – 111 с.

10 Справочник по охране природы./под ред. , ,. П, [и др.]. - М.: Лесная промышленность, 19с.