Обезжелезивание артезианских вод

В.С.Галустов, д.т.н., профессор, генеральный директор ГП НПО «Политехника»

Введение.

Во вступительной статье [1] мы очертили круг тепломассообменных процессов с непосредртвенным контактом фаз, которые встречаются в теплоэнергетике и на совершенствование которых целесообразно направить усилия.

В технологической цепочке тепломассообменной обработки (подготовки) воды в теплоэнергетике обезжелезивание занимает первую позицию, если в нём вообще возникает необходимость. А возникает она только в тех случаях, когда источником воды является артезианская скважина и содержание в ней железа значительно превышает норму (0,3 мг/л). При этом необходимость обезжелезивания выходит за рамки теплоэнергетики, становясь проблемой ещё и холодного водоснабжения.

Санитарное нормирование содержания железа в воде хозпитьевого качества определяется вредным воздействием соединений железа на организм человека. Но есть и технический аспект. При поступлении артезианской воды, содержащей Fe(HCO3)2, в Na-катионитные фильтры (далее в тексте — Na-к-фильтры) ионы Fe++ будут обмениваться на натрий, и концентрация железа в воде уменьшится. Однако при регенерации и остановках фильтров в них поступает кислород воздуха и происходит окисление 2-валентного железа до 3-валентной формы с образованием труднорастворимого гидроксида Fe(OH)3, который обволакивает зёрна катионита и лишь частично удаляется при регенерации. Таким образом, обменная ёмкость катионита непрерывно снижается; как следствие, уменьшаются промежутки между регенерациями и срок службы катионита, увеличивается расход натрийсодержащих соединений и промывной воды на регенерацию, т.е. заметно возрастает себестоимость умягчения воды.

Для полноты картины отметим: автор [2] обращает внимание на второй тип подземных вод с повышенным содержанием железа, который связан с грунтовыми водами первых от поверхности горизонтов с высоким содержанием в них кислорода и гумусных веществ, что характерно для болотистой местности. Железо здесь присутствует в 3-валентной форме в виде сложных устойчивых комплексов, которые легко мигрируют, концентрируются в больших количествах и трудно удаляются из воды, т.к. разрушаются только специальными реагентами. Это, разумеется, особый случай, и ниже мы его не обсуждаем, но должны иметь в виду при выборе водоносного горизонта.

Отметим также, что в бытовых очистителях воды небольшой производительности для квартир, коттеджей, предприятий общественного питания и т.п. (когда решающими факторами являются компактность и простота эксплуатации) применяется реагентное обезжелезивание. Для промышленных масштабов оно слишком дорого.

Известны предложения по использованию твёрдых материалов, обладающих адсорбционными по отношению к ионам железа свойствами. Такие материалы требуют периодической регенерации и замены, что роднит этот метод с реагентным. В большинстве своём они тоже дороги.

В связи с вышесказанным во всех случаях, когда есть возможность, предпочтение должно отдаваться безреагентным физическим методам, которым и посвящена настоящая статья.

Процесс обезжелезивания и его аппаратурное оформление.

Итак, при содержании железа в исходной воде более 0,3 мг/л необходимо проводить её обезжелезивание. Этот процесс включает две стадии: — окисление кислородом воздуха растворимого 2-валентного железа до 3-валентного с последующим гидролизом Fe(HCO3)2 и образованием нерастворимого гидроксида железа согласно уравнению химической реакции: 4Fe(HCO3)2 + О2 + + 2Н2О = 4Fe(OH)3 + 8СО2; — фильтрацию воды на осветлительных фильтрах с целью удаления из неё образовавшейся взвеси нерастворимых соединений железа. В технологическом оформлении безреагентного обезжелезивания можно выделить два подхода.

Первый

Обе стадии выполняются в одном аппарате — фильтре, заполненном фильтрующим материалом, на который сверху подаётся вода, а снизу воздух. Подобным образом (по а.с. СССР №507530) выполнены фильтры на водозаборе «Коммунальный» в городе Жлобин Гомельской области. Они заполнены гранитным щебнем. Аналогичные установки «Деферрит» внедрены в нескольких посёлках той же области. Главные недостатки такого подхода: низкая скорость фильтрации (6-8, не более 20 м/ч), обуславливающая громоздкость и, соответственно, высокую стоимость аппаратов; необходимость в специальном устройстве газоотделения; высокая энергоёмкость; невозможность использовать для предварительного осветления (на 50-70%) такие дешёвые методы, как отстаивание.

Второй.

Стадии окисления и фильтрации реализуются в отдельных аппаратах.

Для проведения первой стадии при содержании железа в исходной воде менее 10 мг/л и рН > 6,8 в работе [3] рекомендуется упрощённая (по мнению её авторов) схема, согласно которой в трубопровод исходной воды (до Na-к-фильтров) подаётся сжатый воздух. Но при этом расход воздуха должен строго дозироваться — с тем, чтобы иметь избыток растворённого кислорода, не превышающий 0,6 мг О2 на 1 мг Fe++. Иначе работа фильтров ухудшается. Кроме того, Na-к-фильтры необходимо снабжать устройствами автоматического отвода скапливающегося воздуха.

При концентрациях железа более 10 мг/л авторы [3] рекомендуют окисление проводить в специальном аппарате. По нашему мнению, такое решение во всех случаяхэффективнее и экономичнее «упрощённой» схемы.

Для окисления авторы [3] рекомендуют противоточный насадочный (с кольцами Рашига) аппарат, в котором сверху на насадку подаётся вода, а снизу, ей навстречу (с помощью вентилятора) — атмосферный воздух. Мы убеждены, что не менее эффективно будут работать и любые другие противоточные контактные устройства (барботажные, капельные и пр.).

Однако следует обратить внимание: здесь мы имеем дело с массообменным процессом, сопровождающимся химической реакцией, для завершения которого достаточно одной теоретической ступени контакта. Значит, этот процесс наиболее экономичным будет в прямоточном распылительном аппарате (ПРА), работающем в режиме самоэжекции воздуха [1].

Устройство эжекционного ПРА, реализующего первую стадию обезжелезивания, и схема его подключения приведены на рисунке. Этот аппарат, кроме блока окисления, содержит ещё и блок предварительного отстаивания, который позволяет многократно уменьшить нагрузку на напорный фильтр второй стадии обезжелезивания. В блоке отстаивания происходит также выделение и удаление захваченных водой пузырьков воздуха. И, наконец, здесь же может осуществляться [непосредственной подачей пара или горячей водой через стенки трубчатки (на рисунке не показана)] подогрев исходной воды перед её подачей в Na-к-фильтры. Подогрев, как известно, не ухудшает теплового баланса котельной, но обуславливает рост обменной ёмкости катионита (она практически удваивается при подогреве на каждые 10°С), увеличение промежутков между регенерациями, сокращение расхода промывочной воды и соли.

Теперь несколько слов о второй стадии процесса.

Решать вопрос фильтрации надо с учётом конкретных условий.

При сравнительно небольших концентрациях железа в исходной воде (до 3 мг/л), наличии блока предварительного отстаивания и последующем умягчении воды в Na-к-фильтрах последние можно одновременно использовать и в качестве механических фильтров. Образующийся на них осадок будет вымываться на стадиях регенерации.

Во всех остальных случаях используются напорные фильтры, которые заполняются дроблёным антрацитом, кварцевым песком или их комбинацией и периодически промываются обезжелезенной водой. Скорость фильтрации в них принимается равной 5-15 м/ч. Фильтр отключают на промывку, когда потеря напора на нём достигает 0,1 МПа Интенсивность промывки 4-5 л/(с*м2) в течение 20-25 минут. Выбор фильтрующего материала и расчёт фильтров осуществляется по известным методикам [4].

Вернёмся к описанию работы аппарата и схемы в целом. На рисунке цифрами и буквами обозначены: 1 — трубопровод артезианской воды; 2 — рабочие форсунки; 3 — блок окисления; 4, 16, 17, 18 — вентили; 5 — манометр; 6 — воздухо-входное окно; 7 — зона сепарации блока окисления; 8 — блок предварительного отстаивания; 9, 10 — перегородки; 11 — слив и перелив; 12 — бак обезжелезенной воды; 13 — насос; 14 — трубопровод промывки блока предварительного отстаивания; 15— напорный фильтр; К—зона контакта.

Работает схема следующим образом:

Вода из артезианской скважины по трубопроводу 1 подаётся в блок окисления 3 аппарата обез-железивания. В рассматриваемом случае это прямоточный распылительный аппарат, где вода форсунками 2 (типа ЦС) распыливается на капли, образующие факел, эжектирующий в свою полость через окно 6 наружный воздух. При этом производительность, число и расстановка форсунок, а также геометрия газового тракта рассчитываются так, чтобы удельный расход воздуха (коэффициент эжекции) с учётом концентрации 2-валентного железа в исходной воде гарантировал его полное окисление при минимальном расходе воздуха (а значит, минимальных размерах и стоимости аппарата).

Взаимодействие воды и воздуха происходит в зоне К на высокоразвитой поверхности капель. Последнее является определяющим фактором, т.к. процесс протекает в диффузионной области. Отработанный воздух далее направляется в зону 7, где освобождается от захваченных капель и выбрасывается в атмосферу. Вода из зоны К сливается в блок предварительного отстаивания 8, затем поступает в бак обезжелезенной воды 12, откуда насосом 13 через напорный фильтр 15 подаётся потребителям.

Отметим, что в блоке 8 осаждаются наиболее крупные (агломерированные) частицы, массовая доля которых обычно не меньше 65-80%, т.е. блок предварительного отстаивания снижает нагрузку на фильтр в 3-5 раз. Устройство подогрева воды в блоке отстаивания не показано, оно может и отсутствовать.

Справедливости ради следует упомянуть ещё и третий подход (на наш взгляд, довольно-таки экзотический и дорогостоящий, а потому решение об его использовании должно иметь серьёзнейшие обоснования): в скважину в течение 5-7 суток закачивают 40-50 м3/ч (1000-1200 м3/сутки) воды, обогащенной кислородом воздуха с помощью эжектора. Затем откачка обезжелезенной воды с дебитом 1500-3000 м3/сутки осуществляется около 20-ти суток.

Заключение

При использовании в теплоэнергетических схемах и схемах холодного водоснабжения подземных вод с сверхнормативным содержанием железа стадия обезжелезивания в технологии обработки воды является обязательной как с санитарной, так и с технической точек зрения.

Процесс обезжелезивания целесообразно проводить в специальной установке, включающей аппарат обезжелезивания (окисления) и напорный фильтр.

Для проведения процесса окисления могут использоваться любые массообменные аппараты — как противоточные, так и прямоточные. Оптимальными с точки зрения эффективности, минимальных капитальных и эксплуатационных затрат являются прямоточные распылительные устройства, которые содержат блок окисления и блок предварительного отстаивания и дополнительно позволяют осуществить подогрев воды перед умягчением.

Литература:

1. Галустов B.C. Тепломассообменные процессы и аппараты с непосредственным контактом фаз в теплоэнергетике // Энергия и менеджмент.— 2003.— №4.

2. Станкевич З.Д. Железо в воде. Откуда оно // Вода.— 1999.—№1.

3. Кострикин Ю.М. и др. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления.— М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Основные процессы и аппараты химической технологии (под ред. Ю.И.Дытнерского).— М.: Химия, 1991.