Технологические схемы очистки и кондиционирования подземных вод

Подземные воды, используемые в качестве источников водоснабжения, отличают­ся от поверхностных значительно большим разнообразием по их качественному соста­ву. Они менее подвержены сезонным колебаниям, связанным с изменением климата и воздействием загрязненности селитебных прилегающих территорий. Глубокие водо­носные горизонты более защищены от внешних источников загрязнений. Исключением являются неглубоко залегающие грунтовые воды и верховодки, имеющие слабозащи­щенную кровлю и нередко питаемые поверхностным стоком.

Сложный физико-химический состав подземных вод, используемых для хозяйст­венно-питьевого водоснабжения, обусловливает многообразие специальных методов их обработки и необходимость их классификации. Г.И. Николадзе была предложена клас­сификация технологий обезжелезивания, деманганации и дефторирования подземных вод. В общем виде рассматриваемые в ней технологии были подразделены на безреа- гентные и реагентные с учетом значений окислительно-восстановительного потенциа­ла, щелочности, температуры очищаемой воды и формы присутствия в ней соединений железа, марганца и фтора. Область применения той или иной технологии диктовалась заданным интервалом концентраций основных показателей качества подземной воды, выражаемых в мг/л: Fe, Mn, H₂S, С0_2св, F, S0₄²", pH, Жк (мг-экв/л) и перманганатная окисляемость (мг0₂/л).

Наблюдаемое в практике кондиционирования подземных вод большое сочетание различных методов извлечения из них газов, истинно растворенных веществ, солей же­сткости, специфичных биогенных элементов требует тщательного начального анализа взаимодействия этих методов при различных химических свойствах и отзывчивости различных ингредиентов на физико-химическое и биологическое воздействие на них. Как правило, экономически выгодную, надежную технологию подготовки подземных вод можно выбрать лишь на основании проведения технологического моделирования процессов водоочистки непосредственно у водоисточника.

Технологические схемы очистки и кондиционирования подземных вод, содержащих комплексные антропогенные и природные загрязнения

В отдельных регионах страны приходится использовать подземные воды, содержа­щие такие специфичные загрязнения, как бор, бром, мышьяк, нитраты, тяжелые метал­лы и др.

Мышьякв подземных грунтовых водах может появляться в результате смыва дож­дями содержащих его ядохимикатов, применяемых в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений, и при фильтрации поверхностного стока в грунт. Основными способами удаления небольших количеств мышьяка из воды является коагулирование солями алюминия и железа с введением в смеситель воздуха, отстаивания и фильтрова­ния через загрузку кварцевых, а затем угольных фильтров. Установлено, что эффектив­ность очистки солями железа выше, чем солями алюминия, и составляет соответствен­но 99 и 90%. Возможно также использование извести в сочетании с порошкообразным активированным углем. Основную роль удаления мышьяка в этом случае отводят сорб­ции его гидроксидом магния при pH = 11,5. Далее следуют процессы отстаивания, филь­трования и рекарбонизации.

Технологическая схема очистки подземных вод аэрацией и реагентным фильтрованием

1 -подземный водозабор; 2 - аэрационное сооружение; 3 - камера для ввода реагентов; 4 - скорый фильтр; 5 - резервуар чистой воды; 6 - HC-II; 7 - усреднитель-отстойник; 8 - насос перекачки очищенной промывной воды; I - первичный хлор; II - корректор pH; III - ко­агулянт; IV - флокулянты; V - перманганат калия (KMn0₄); VI - вторичный хлор.

Вариантом существующей технологии является метод фильтрования через загруз­ку из оксида алюминия с высотой рабочего слоя 1,2 м, временем контакта воды с загруз­кой 18 мин и длительностью фильтроцикла 33 сут. Эффект очистки при таких парамет­рах работы достигает 90%.

Разработана также технология удаления мышьяка, основанная на селективном свя­зывании его с полимерным реагентом и последующем отделении реагента мембранным фильтрованием.

Удаление тяжелых металлов из подземной воды

Для удаления тяжелых металлов из подземной воды применяют реагентную обра­ботку щелочью или сульфатом железа с последующим отстаиванием и фильтрованием. Эффект удаления в %: цинка - 71; хрома (6+) - 97,1; кадмия - 99,5; свинца, меди и же­леза- 100.

Очистка подземных вод от железа и марганца в ряде случаев может обеспечить и одновременное удаление из воды ионов тяжелых металлов. Осадок гидроксида железа сорбирует кремний и катионы кальция, магния, марганца, цинка. Тяжелые металлы - кобальт, никель, медь, цинк, молибден и олово - эффективно удаляются осадком гидро­ксида марганца.

Для извлечения тяжелых металлов предложен алюмосиликат с нанесенным гидро­ксидом алюминия. Степень извлечения им кадмия и никеля достигает соответственно 95 и 96%.

Сопоставление эффективности методов удаления кадмия, свинца, серебра с ис­пользованием умягчения известью, коагуляции, ионного обмена, сорбции на активном угле, обратного осмоса и электродиализа показало, что кадмий эффективно удалялся ко­агуляцией (как солями алюминия, так и железа, и лучше при более высоких pH) и изве­стью - примерно на 100% в диапазоне pH 8,7-11,3. Свинец эффективно удаляется коа­гуляцией и известью, причем более высокие концентрации свинца - известью. Серебро при коагуляции солями железа и алюминия и обработке известью удаляется на 60-80%.

Анализ имеющихся литературных данных по очистке подземных вод от нитратов с исходной концентрацией от 50 до 200 мг/л позволяет рекомендовать следующие методы:

• ионный обмен;
• биологическую денитрификацию;
• мембранную технологию (обратный осмос, электродиализ).

Удаление нитрат-ионов методом ионного обмена

Задачу удаления нитрат-ионов методом ионного обмена решают как в классической форме - хлор-ионированием, так и получившим широкое развитие способом бикарбонат-ионирования, либо путем использования ионообменника в сульфат- или бисульфат- форме.

При хлорировании снижается концентрация нитрат- и сульфат-ионов в обрабаты­ваемой воде, увеличивается количество хлорид-ионов, а при сульфат-ионировании - сульфат-ионов, что может быть нежелательным, поскольку содержание хлорид- и суль­фат-ионов в воде питьевого качества ограничено.

Метод бикарбонат-ионирования лишен этого недостатка. Преимущество его за­ключается не только в уменьшении концентраций анионов сильных кислот в питьевой воде, но и в уменьшении ее коррозионной активности. В случае, когда необходимо по­лучить свободную от нитратов воду с заданным содержанием хлорид-, сульфат- и би­карбонат-ионов, рекомендуют обрабатывать исходную воду параллельно на анионитах, содержащих указанные анионы, и смешивать фильтраты ионообменнных фильтров в требуемых соотношениях.

Применение ионообменной технологии для удаления нитрат-ионов позволяет сме­шивать фильтрат с малым остаточным содержанием нитратов (до 5 мг/л) с основным потоком исходной воды в определенном соотношении, что значительно снижает затра­ты на очистку воды.

Эффективность извлечения нитратов и экономичность технологий хлор- и бикар­бонат- ионирования возрастают при применении нитрат-селективных ионитов.

Для регенерации ионитов при хлорировании воды применяют растворы хлорида натрия, или кальция, или аммония; при бикарбонат-ионировании - бикарбонат натрия или калия, при сульфат-ионировании - раствор серной кислоты.

Метод биологической денитрификации подземной воды возможен с применением как автотрофных, так и гетеротрофных микроорганизмов. В производственных услови­ях (Франция, Германия) проверен только последний на установках производительнос­тью от 50 до 400 м³/ч с исходной концентрацией нитратов от 40-60 до 140 мг/л и более. Источник углеродного питания - уксусная кислота или этиловый спирт с биогенной до­бавкой фосфатов или фосфорной кислоты при температуре исходной воды 8-12°С и pH = 7-8. При температуре воды +5 °С и ниже процесс превращения азота практически прекращается. Конечное содержание нитратов - от 5 до 25 мг/л. Процесс очистки пол­ностью автоматизирован. Очистка воды от нитратов этим способом приводит к повыше­нию в ней содержания бактерий и органических веществ, что требует дополнительной очистки каскадной аэрацией, фильтрацией через кварцевый песок или активированным углем с последующим обеззараживанием. Второй путь решения проблемы - использо­вание в схеме доочистки воды подземной инфильтрации.

Удаление нитрат-ионов из подземных вод с помощью мембранных методов - элек­тродиализа и обратного осмоса - ограниченно и относится к полупроизводственным ус­тановкам производительностью от 2 до 7 м³/ч. Для них необходима тщательная предва­рительная подготовка воды.

Электродиализаторы с селективными ионообменными мембранами снижают кон­центрацию нитратов со 100 до менее 25 мг/л при полезном выходе денитрифицирован­ной воды до 90-95% по расходу и общим обессоливанием воды на 15-20%. Образующе­еся количество концентрата нитратов в объеме 5-10% рекомендуют подвергать биоло­гической денитрификации.

Исследуемые установки обратного осмоса с композитными мембранами обеспечивают при исходной концентрации нитратов 100 мг/л эффект удаления 93-95% с полезным выхо­дом воды на 75-80% и соответственно образованием рассола в количестве 20-25% и затра­тах электроэнергии 0,95-1,8 кВт/м³. При невозможности сброса рассола в открытые водо­источники (моря) рекомендовано концентрировать его реверсивным электродиализом или выпаркой. Такой вариант обеспечивает повышение общего коэффициента использования воды до 98%.

Вернуться к списку