30. Обезжелезивание воды: классификация методов и область их применения. Схемы установок.

Железо в природных водах может содержаться:

1. в ионной форме (в виде 2х валентного железа), а также в виде органических и неорганических коллоидов

2. в виде комплексных соединений 2х и 3х валентного железа или тонкодисперсной взвеси гидроксида железа.

В подземных водах железо встречается в виде растворенного 2х валентного железа.

Повышенное содержание железа в воде придает ей буро­ватую окраску, неприятный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры, является причиной брака в отраслях промышленности. СанПиН ограничивает содержание железа в концентрации 0,3 мг/л.

Классификация методов обезжелезивания:

Все многообразие методов, применяемых в технологии обезжелезивания воды, можно свести к двум основным типам - реагентные и безреагентные.

Методы обезжелезивания:

1.Реагентные(для обезжелезивания поверхностных вод):

1. упрощенная аэрация, окисление, фильтрование;

2. озонирование и фильтрование.

3. напорная флотация с извест­кованием и последующим фильтрованием;

4. известкование, отстаи­вание в тонкослойном отстойнике и фильтрование;

5. фильтрование через модифицированную загрузку;

6. фильтрование на ионообменных фильтрах;

7. электрокоагуляция;

2.Безреагентные(большее распространение для обезжелезивания подземных вод):

1. фильтрование на каркасных фильтрах(намывные также);

2. «сухая фильтрация»;

3. упрощенная аэрация и филь­трование;

4. аэрация и двухступенчатое фильтрование;

5. вакуумно-эжекционная аэра­ция и фильтрование;

6. фильтрование в подземных условиях с предвари­тельной подачей в пласт окисленной воды или воздуха;

7. ультра­фильтрация.

Применимость методов:

Обезжелезивание поверхностных вод - реагентными методами, а для удаления железа из подзем­ных вод - безреагентные методы.

Безреагентные методы обезжелезивания могут быть приме­нены, когда исходная вода характеризуется: рН - не менее 6,7; Щ - не менее 1 мг-экв/л; перманганатная окисляемость - не более 7 мг О₂/л. При этом при содержании железа(III) не более 10% от общего и концентрации железа (II) в бикарбонатной или карбонатной форме:

до 3 мг/л рекомендуется метод фильтрования на каркасных фильтрах без вспомога­тельных фильтрующих средств;

до 5 мг/л предпочтительно применять метод «сухой фильтрации»;

от 5 до 10 мг/л следует использовать метод упрощенной аэрации с одноступенным фильтрованием,

от 10 до 20 — аэрация и двухступенчатое фильтрование;

от 10 до 30 мг/л - рекомендуется вакуумно-эжекционная аэрация с фильтрованием через загрузку большой грязеемкости.

При концентрации углекислого или карбонатного железа (II) более 20 мг/л или при содержании сероводорода 1-5 мг/л, рН=6,4 рекомендуется метод вакуумно-эжекционной аэрации с последующим отстаиванием в тонком слое воды или обработкой в слое взвешенного осадка и фильтрование.

При концентр. Карбон-ого железа до 5 мг/л и Mg до 0,4 мг/л возможно использование обезжелезивания в пласте

Реагентные методы обезжелезивания воды следует применять при низких значениях рН, высокой окисляемости, нестабильности воды. При этом при содержании сернокислого или карбонатного железа, либо комплексных железоорганических соединений:

до 10 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг О₂/л рекомендуется применять фильтрование через модифицированную загрузку;

до 75 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мгО₂/л предпочтителен метод, предусматривающий упрощенную аэрацию, обработку сильным окислителем и фильтрование через зернистую загрузку большой грязеемкости;

свыше 10 мг/л и перманганатной окисляемости более 15 мгО₂/л следует применять напорную флотацию с предварительным известкованием и последующим фильтрованием или метод, предусматривающий аэрацию, известкование, отстаивание в тонком слое и фильтрование;

свыше 10 мг/л, перманганатной окисляемости более 15 мг О₂/л при производительности установок до 200 м³/сут можно рекомендовать электрокоагуляцию с барботированием, отстаиванием в тонком слое и фильтрование.

Обезжелезивание воды катионированием целесообразно лишь в тех случаях, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды, при этом ионным обменом могут быть лишь извлечены ионы железа (II).

Технологические схемы обезжелезивания.

Вакуумно-эжекционная аэрация – фильтрование(безреагентный): Фильтруют воду на фильтрах, аналогичных по конструкции песчаным осветлительным фильтрам за исключением характеристик фильтрующих материалов. Они принимаются по табл. 29 СНиПа.

1-исходная вода 2-вакуумно-эжекционный аппарат 3-КЗФ 4-резервуар промывной воды 5-повысительный насос 6-установка для фторирования 7-водонапорный бак 8-отвод обезжелезенной воды

Р ис. 17.5. Вакуумно-эжекционное устройство.

а — общий вид; б — раз­рез по оси аппарата; 1 — ко­нический сходящийся насадок; 2 — вакуумная камера; 3 — окна для подсоса воздуха и удаления диоксида углерода; 4 — эжекционные камеры; 5 —отражательная пластина (вариант).

Сущность метода аэрации с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов (рис. 17.5) заключается в окислении кисло­родом воздуха железа(II) в окисное с образованием коллоида гидроксида железа, его коагулировании при рН=6,8...7 и вы­делении в осадок в виде бурых хлопьев. При контакте воды, содержащей железо(II), с воздухом кислород растворяется в воде, окислительный потенциал системы повышается, и если при этом создать условия для удаления части растворенной угле­кислоты, то рН системы возрастет до значения, обеспечиваю­щего при данном окислительном потенциале выпадение в осадок гидроксида железа(III).

Обезжелезивание воды фильтрованием через модифициро­ванную загрузку(реагентный) основано на увеличении сил адгезии путем воздействия на молекулярную структуру поверхности зерен фильтрующей загрузки. Для увеличения сил адгезии, как по­казали исследования, необходимо на поверхности зерен фильт­рующей загрузки образовать пленку. Методика модификации загрузки предусматривает ее по­следовательную обработку 1,5%-ным раствором сернокислого железа (II), а затем 0,5% -ным раствором перманганата калия. Суммарная продолжительность контакта 30 мин.

Упрощенная аэрация – одноступенчатое фильтрование(безреагентный):

Упрощенная аэрация. Производится путем излива воды с высоты не менее 0,5 метра в центральный канал или боковой карман открытых фильтров с последующим фильтрованием. Условия применения: общее содержание железа до 10 мг/л, из них 2 валентного железа не менее 70%. рН не менее 6,8.

Упрощенная аэрация – 2х ступенчатое фильтрование(безреагентный):

1-исходная вода

5-повысительные насос

7-водонапорный бак

8-отвод обезжелезненной воды

9-воздуходувка

10-скорый осветлительный фильтр

11-установка для обеззараживания воды

12-аэрационное устройство

13-осветлительный фильтр II ступени

Метод упрощенной аэрации (см. рис. б) применим как в гравитационном, так и в напорном варианте в зависимости от производительности установки. Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей двухвалентное же­лезо и растворенный кислород, при фильтровании через зернис­тый слой выделять железо на поверхности зерен, образуя катали­тическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного же­леза. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения железа из воды. В результате чего обеспечивается непрерывное об­новление пленки как катализатора непосредственно при работе фильтра.

При этом методе не требуется окисление двухвалентного железа в трехвалентное и перевод его в гидроксид в связи с чем отпадает необходимость в устройстве дорогостоящих аэрацион­ных сооружений. Упрощенная аэрация осуществляется с по­мощью несложных приспособлений путем излива воды с не­большой высоты в карман или центральный канал фильтра, либо путем вдувания воздуха в обрабатываемую воду. Отсутст­вие специальных аэрационных устройств и контактных емкостей упрощает эксплуатацию и снижает стоимость очистки.

М етод упрощенной аэрации с двухступенчатым фильтрова­нием (рис. в) предпочтительно применять в напорном ва­рианте. Сущность процесса аналогичная описанной выше. В са­мом начале процесса обезжелезивания при поступлении на фильтр первых порций воды, когда загрузка еще чистая, ад­сорбция соединений железа на ее поверхности происходит в мономолекулярном слое, т. е. имеет место физическая адсорб­ция, обусловленная силами притяжения между молекулами адсорбата и адсорбента (поверхность твердого тела — адсор­бента насыщается молекулами адсорбата). После образования мономолекулярного слоя процесс выделения соединений железа на зернах песка не прекращается, а наоборот, усиливается вследствие того, что образовавшийся монослой химически более активен, чем чистая поверхность песка. Пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры. Одновременно, пленка является катализатором окисления поступающего в загрузку железа(II). В связи с этим эффект очистки воды зернистым слоем не­сравненно выше, чем это могло быть в гомогенной среде.

Сухая фильтрация(безреагентный)

9 — воздуходувка;11-хлорирование; 14 — сброс воздуха; 15 — скорый фильтр с «сухой загрузкой»;

Известкование, тонкослойное отстаивание (реагентный)

10 — скорый осветлительный фильтр; 12 — аэрационное устройство; 14 — сброс воздуха; 15 — скорый фильтр с «сухой загрузкой»; 16 — смеситель; 17 — вихревая ка­мера хлопьеобразования; 18 — тонкослойный отстойник; 19 — на­мывной фильтр.

Фильтрование через намыв­ной слой(намывной фильтр)(безреагентный)

9 — воздуходувка; 10 — скорый осветлительный фильтр; 12 — аэрационное устройство; 14 — сброс воздуха; 15 — скорый фильтр с «сухой загрузкой»; 16 — смеситель; 17 — вихревая ка­мера хлопьеобразования; 18 — тонкослойный отстойник; 19 — на­мывной фильтр.

Для разрушения комплексных органических соединений железа воду обрабатывают хлором, озоном, или перманганатом калия.

Расчетные дозы реагентов-окислителей:

Вводятся реагенты окислителей в трубопровод перед осветлительными фильтрами.

При обработке окислителями используется фильтр контактный КФ-5. Двухвалентное железо окисляется хлором или хлорной известью по реакции:

При аэрации и известковании протекает химическая реакция, описываемая уравнением:

Методы удаления железа из конденсата теплосиловых станций:

Железо в пароводяной цикл поступает вследствие коррозии всего тракта.

В воде ТЭС могут присутствовать разнообразные соедине­ния железа.

Методы:

1. первые установки - ионитовые фильтры;

2. метод Паудекс-очистки;

3. магнитное поле для удаления примесей;

4. фильтры с намывным слоем (ФНС);

5. полимерные фильтрующие среды.

Первые установки конденсатоочистки предназначались толь­ко для задержания возможных примесей присосов солей и крем­ниевой кислоты и состояли лишь из ионитовых фильтров. Затем вследствие эксплуатационных затруднений, вызванных повышен­ным содержанием железа в конденсате, стали применять префильтры, для удаления продуктов коррозии.

Для удаления из конденсата продуктов коррозии на участ­ках низкого давления системы регенеративного подогрева (t=120° С) и совмещения этого процесса с обессоливанием был разработан метод Паудекс-очистки. При этом способе горячий конденсат фильтруется через небольшой слой ионитов, намывае­мый на специальные фильтровальные элементы, что позволяет удалять даже коллоидные оксиды железа и кремниевую кис­лоту. Конструкция «Паудекс-фильтра» аналогична конструкции намывного механического фильтра. Он имеет свечи, на которые намывается смесь анионита и катионита толщиной 3...12 мм. Количество намываемого ионита составляет 1 кг/м² при толщине слоя 6 мм, скорость фильтрования 10 м/ч.

Достоинствами «Паудекс-фильтров» являются:

1. простота кон­струкции,

2. малые капитальные затраты,

3. небольшие потери напо­ра в фильтре,

4. эффективность удаления из конденсата раство­ренных солей, коллоидных и взвешенных частиц,

5. высокая сте­пень надежности оборудования,

6. отсутствие необходимости об­работки конденсата реагентами и нейтрализации стоков,

7. высо­кая степень использования обменной способности ионитов (80-90%),

8. возможность обезжелезивания конденсата при температуре до 150° С.

К числу недостатков Паудекс-процесса:

1. боль­шой расход высококачественных и дефицитных ионитов,

2. отсут­ствие регенерации ионитов,

3. при аварии конденсаторов «Паудекс-фильтры» могут поддер­живать работу блока в течение 30-60 мин, а при использо­вании морской охлаждающей воды —всего несколько секунд.

Наличие в конденсате большого количества магнитовосприимчивых частиц позволило использовать магнитное поле для удаления примесей. При высоких температу­рах в условиях котла железо стремится к магнетиту FeO·Fe₂O₃, который обладает ферромагнитными свойствами. Растворимость магнетита незначительная, поэтому можно считать, что все же­лезо в конденсате находится в виде частиц диспергированных оксидов. Частички магнетита, однажды намагниченные, сохра­няют свои свойства длительное время. Эффект «магнитной коагуляции», сущность ко­торой заключается в том, что частички магнетита, намагничи­ваясь, приобретают северный и южный полюсы. Сталкиваясь, частички коагулируют.

В последнее время в качестве механических фильтров для очистки конденсата применяют фильтры с намывным слоем (ФНС), в которых на фильтрующие элементы намывают вспо­могательное фильтрующее вещество. Конструкции аппаратов для очистки турбинного конденсата самые различные: с плос­ким фильтрующим слоем или с патронными трубчатыми эле­ментами, с нанесением вспомогательного материала на мелкие сетки или на обмотку из проволоки, с удалением шлама вне фильтра струей из брандспойта или гидравлической промывкой внутри фильтра. Фильтрующий ма­териал — волокна целлюлозы; иногда поверх подслоя из цел­люлозы намывают активный уголь или смесь этих материалов. Скорость фильтрования 7-10 м/ч (иногда 12-17 м/ч). Остаточное содержание железа составляет 2-3 мкг/л.

Полимерные фильтрующие среды могут быть успешно при­менены как в намывных фильтрах вместо целлюлозы, так и в механических фильтрах, эксплуатация которых значительно проще.

Методы удаления железа из оборотных вод:

Основным компонентом состава пыли сталеплавильных агре­гатов является железо в оксидной форме (до 98%) в виде ча­стичек крупностью около 0,1 мкм и плотностью 4,23-4,75 к/см³. Поэтому очистка газа от пыли помимо удовлетворения санитар­ных требований может дать значительную экономию, так как позволяет получить ценное металлургическое сырье (содержание чистого железа до 67%).

Первоначально очистка газов от пыли осуществляется с помощью турбулентных промывателей и скруб­беров, либо электрофильтров, циклонов, цепных аппаратов, пос­ле чего пыль смешивают с водой и производят очистку по­следней.

В сточной воде после газоочисток содержатся примеси в грубодисперсном, коллоидном и растворенном состояниях.

Известны три технологические схемы очистки сточных вод газоочисток:

1. одноступенчатая - в радиальных отстойниках;

2. двух­ступенчатая - предусматривающая предварительную очистку в гидроциклонах и окончательно в радиальных отстойниках;

3. трех­ступенчатая - осуществляемая путем последовательного прохож­дения воды через гидроциклон, радиальный отстойник и гра­вийный фильтр.

Следовательно, основным очистным сооружением для механической очистки сточных вод газоочисток является ра­диальный отстойник. В зарубежной практике наряду с отстой­никами для очистки оборотных вод газоочисток используют аэроакселяторы и циклаторы.

Применение реагентов:

Пользуются 0,1%-ным раствором ПАА на оборотных водах конверторных газоочисток, содержащих взвеси 1,5-24 г/л. Также использзуют флокулянты КФ, УКФ, ВАФ К-4 и К-6 для осветления воды с начальной концентрацией оксидов железа 5,5-7,2 г/л. Следует отметить, что эффект действия указанных флокулянтов прямо пропорцио­нален содержанию минеральных примесей в оборотной воде.

Исследованиями установлено, что в течение первых 30 мин при применении анионных флокулянтов в 4-5 раз ускоряется процесс осветления воды отстаиванием, а в дальнейшем влияние флокулянтов становится незначительным.

Методы удаления железа из шахтных вод:

Источниками образования шахтных вод являются подзем­ные горизонты, поверхностные воды, атмосферные осадки и во­ды, скопившиеся в затопленных горных выработках, а также воды, попадающие в шахты в процессе добычи полезных иско­паемых.

Шахтные воды подразделяются на два типа:

1. кислые (железосодержащие). Образование кислых шахтных вод связано с окислением веществ, содержащих серу (маркезит, пирит и др.), а также с жизнедеятельностью тионовых бактерий.

2. высокоминерализованные.

Особенно большой вред водоемам причиняют кислые железо­содержащие шахтные воды, понижая рН, что влечет за собой гибель рыб, пресноводных организмов и сапрофитных микроор­ганизмов, участвующих в процессах самоочищения воды.

Основой технологии обезжелезивания шахтных вод является окисление железа (II) с последующим образованием гидроксида железа и выделением его при отстаивании или фильтровании. В зависимости от качества шахтной воды и требований к ее обработке может быть использована одна из следующих технологических схем:

1) аэрирование на ступенчатом аэраторе и отстаивание в горизонтальном отстойнике;

2) известкование, аэрирование на ступенчатом аэраторе и отстаивание в отстойнике;

3) смешивание с известью в вертикальном смесителе, флокулирование ПАА в вихревой камере хлопьеобразование и отстаивание в радиальном отстойнике;

4) известкование, аэри­рование эжектированием, фильтрование через конические сетки, грубое осветление в песколовках, хлопьеобразование в перего­родчатых камерах, осветление в тонкослойных отстойниках, фильтрование на скорых фильтрах и обеззараживание (вариант);

5) известкование, аэрирование эжектированием, фильтро­вание через конические сетки, предварительное осветление в пес­коловках, электрокоагулирование (вариант), осветление в тон­кослойных отстойниках, фильтрование на скорых фильтрах, бактерицидное облучение.

При обезжелезивании слабощелочных шахтных вод, содер­жащих двухуглекислое железо, а также кислых вод, содержащих сернокислое железо, целесообразно применять соответственно первую и вторую схемы.

Третья технологическая схема предназначается для очистки кислых железосодержащих шахтных вод перед сбросом их в водоем и обеспечивает повы­шение рН до 6,6-8,5 и снижение содержания железа до 0,5 мг/л.

Четвертая технологическая схема предусматривает обезжелезивание также кислых шахтных вод с большим содержанием механических примесей перед сбросом их в местную гидрогра­фическую сеть.

Пятая технологическая схема (автоматизированная), пред­ложенная ДонУГИ, производительностью 150 м³/ч предназначена для обработки кислых железосодержащих шахтных вод с целью доведения их до питьевого качества.