Роєнко Л.О., Нагорний Ю.С., Нагорна С.Ю.

Дніпродзержинський державний технічний університет, Україна

Очистка підземних вод від заліза та марганцю

У зв'язку із глобальним забрудненням поверхневих вод стічними водами хімічних, нафтопереробних, металургійних заводів та інших підприємств , виникає необхідність використання підземних вод, які характеризуються більш високою якістю . Однак в умовах зростаючого техногенного навантаження на навколишнє середовище підземні води також піддаються забрудненню й виснаженню. Частіше всього перешкоджає використанню їх без очищення для господарсько-питного та промислового водопостачання наявність в ній іонів заліза, марганцю. Це пояснюється тим ,що залізо та марганець є обов'язковою складовою частиною різних ґрунтів і порід, по яких протікає вода та близькістю родовищ залізної руди.

Відповідно до санітарних норм вміст заліза в питній воді не повинен перевищувати 0,3 мг/дм³, а марганцю 0,1 мг/дм³ . Однак у більшості випадків отримують підземну воду вміст заліза та марганцю у якій перевищує допустиму концентрацію.

В сучасній практиці існує багато способів очистки підземних вод від заліза та марганцю. Оскільки залізо та марганець знаходяться у підземних водах переважно у двовалентній формі, тому методи базуються на попередньому окисленні їх до трьохвалентного стану та утворенні нерозчинного гідрооксиду заліза та гідрооксиду марганцю,що легко видаляються при фільтруванні.

Умовно їх ділять на безреагентні ( окиснення заліза та марганцю відбувається киснем повітря) з наступним фільтруванням, та реагентні з додаванням у воду сильних окислювачів таких як хлор ,перманганат калію, озон.

На сьогоднішній день не існує єдиного універсального метода очистки підземних вод від заліза та марганцю. Кожен з названих методів застосовується в певних випадках та має свої переваги на недоліки. Крім головних критеріїв методів знезалізнення та даманганації ,таких як ефективність та продуктивність важливим є також відносна простота установок та економічна виправданість.

В зв’язку із складною економічною ситуацією в Україні та браком коштів на будівництво сучасних очисних споруд найчастіше для видалення заліза та марганцю з підземних вод використовують метод спрощеної аерації та фільтруванням , який характеризується відносною простотою та не потребує великих фінансових витрат.

Параметрами , що впливають на ефективність процесу очистки води є тривалість та інтенсивність аерації, а також висота шару фільтру та розмір зерен. Вибір оптимальних параметрів є головним завданням процесу очистки води.

Для проведення експерименту було відібрано пробу із свердловини . Визначення вмісту заліза та марганцю у підземній воді проводили калориметричним способом за допомогою фотоелектрокалориметра КФК-3 . За результатами вимірювань вміст заліза у воді складає 0,43 мг/дм³ та марганцю 0,32 мг/дм³.

Метою дослідження було виявлення залежності ефективності очистки води від заліза та марганцю від тривалості , інтенсивності аерації та від висоти фільтру, а також визначення оптимальних значень цих параметрів.

З метою дослідження процесу знезалізнення та деманганації було змонтовано експериментальну установку , яка включає в себе аератор та піщаний фільтр. Аератор являє собою закріплену на штативі колонку в нижню частину якої за допомогою мікрокомпресора подається повітря, розпилення якого здійснюється за допомогою пористого наконечника .

Відомо,що процес аерацій може тривати протягом довгого часу . Для того щоб прискорити процес під час проведенні експерименту варіювали величиною витрати повітря. Інтенсивність барботування регулювали змінними мікрокомпресорами , які мають наступні показники витрати повітря: 1.0, 1.3, 1.5, 1.8, 2.0, 2.5 .

Залежність зміни вмісту заліза у воді від інтенсивності барботування представлено на рисунку 1 .

Рисунок 1 – Залежність концентрації заліза від інтенсивності барботування.

З графіку видно,що процес очищення води від заліза йде тим краще,чим інтенсивніше відбувається подача повітря компресором. Аналогічна картина спостерігається при очищенні води від марганцю.

Барботування проводили на протязі 30 хвилин змінюючи при цьому інтенсивність подачі повітря . Відбір проб води здійснювали кожні 5 хвилин та визначали у ній вмісту заліза та марганцю. Кінетика зміни вмісту заліза в підземній воді представлено на рисунку 2.

Рисунок 2-Графік залежності вмісту заліза у воді від часу аерації.

Як видно з наведеного графіку залежності концентрації заліза у воді від тривалості аерацій, санітарна норма вмісту заліза у воді досягається вже через 20 хв при інтенсивності подачі повітря 2,5 дм³/хв.

Друга частина експериментальної роботи присвячена дослідженню процесу знезалізнення та деманганації підземної при фільтрування води через шар зернистого матеріалу .

Дослідження проводили з використанням фільтрувальної установки,яка являє собою скляну колонку з нанесеною шкалою в верхню частину якої через воронку подається досліджувана вода зі свердловини. Відбір очищеної води здійснюється через пробкові крани,розташовані в нижній частині фільтрувальної колонки.

Фільтруючий матеріал для завантаження фільтру повинен забезпечувати необхідну пористість, володіти достатньою механічною стійкістю проти стирання в процесі фільтрування та достатньою хімічною стійкість проти розчинної дії води. Цим вимогам відповідає пісок, тому у якості зернистого завантаження використовували попередньо очищений від домішок та ретельно промитий пісок. Для виявлення залежності ефективності процесу очистки води від заліза та марганцю під час проведення дослідів змінювали товщину шару зернистого матеріалу від 5 до 20 см. Також відомо,що крупність зерен тісно пов’язана з ефективністю фільтрування,тому змінним параметром крім висоти шару піску був розмір зерен фільтруючого завантаження. Ці значення змінювали в діапазоні від 0,5-1,0 мм; 1,0-1,5 мм; 1,5-2,0 мм; 2,0-2,5мм. Зі збільшенням висоти шару зернистого матеріалу спостерігалося поступове зниження концентрації заліза у досліджуваній воді від 0,43 мг/дм³ до 0,24 мг/дм³ та марганцю від 0,32 мг/дм³ до 0,09 мг/дм³ за відносно не великий проміжок часу.

Отже,у названому діапазону заміни таких параметрів,як час та інтенсивність аерації, товщина шару та розмір зерен фільтруючого завантаження при проведенні ряду дослідів біло виявлено такі залежності: аерація та фільтрування води призводить до зниження в ній вмісту заліза та марганцю приблизно на 0,15 мг/дм³ при тривалості барботування 5-30 хв та інтенсивності подачі повітря від 1,0 до 2,5 дм³ /хв , що задовольняє санітарні норми та дає змогу використовувати цю воду у якості господарсько-питної та промислової .