Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ качества подземных вод и современных методов обескремнивания воды для питьевых целей 8
1.1. Характеристика химического состава подземных вод Тюменской области 8
1.2. Формирования качества подземных вод Тюменской области 13
1.3. Возможные формы нахождения кремния в подземных водах 17
1.4. Современные методы обескремнивания 21
1.4.1. Обескремнивание воды известью 21
1.4.2. Обескремнивание воды солями железа и алюминия 22
1.4.3. Магнезиальный метод обескремнивания воды 23
1.4.4. Сорбционный метод обескремнивания воды 25
1.4.5. Обескремнивание воды электрокоагуляцией 27
1.5. Выводы по главе и поставленные задачи диссертационной работы 38
Глава 2. Объекты и методы исследований 40
2.1. Методика исследований 40
2.1.1. Объекты исследований 40
2.1.2. Приборы и оборудование 42
2.1.3. Экспериментальная установка 42
2.1.4. Методы исследований 44
2.1.5. Критерии оценки процесса электрокоагуляции 45
2.1.6. Погрешности измерений 45
2.2. Гидравлическое моделирование электрокоагулятора 46
2.3. Теоретические основы очистки воды электрокоагуляцией 48
2.3.1. Механизм очистки 48
2.3.2. Стадии очистки 48
2.3.3. Электродные процессы 50
2.3.4. Процессы, протекающие в объеме электролита 54
2.3.5. Пленочная и адсорбционная теории пассивности металлов 59
2.4. Выводы по главе 62
Глава 3 .Экспериментальная часть 64
3.1. Исследования влияния основных технологических параметров .
электрокоагулятора на эффективность обескремнивания воды ' 64
3.1.1. Влияние материала электрода 64
3.1.2. Влияние концентрации алюминия 6 5
3.1.3. Влияние величины плотности тока 69
3.1.4. Влияние времени обработки 72
3.1.5. Влияние скорости движения воды 72
3.2. Исследование процессов, протекающих в электрокоагуляторе 76
3.3. Исследование механизма удаления кремния электрокоагуляцией 80
3.4. Исследование прерывистого режима электрокоагуляции 84
3.5. Влияние времени обработки воды электрокоагуляцией на удельный расход электроэнергии 88
3.6. Влияние железа и марганца, содержащегося в воде на эффективность обескремнивания электрокоагуляцией 90
3.7. Выводы по главе 94
Глава 4. Математическая обработка экспериментальных данных 96
4.1. Определение оптимальной плотности тока при обескремнивании электрокоагуляцией 96
4.2. Модель снижения концентрации кремния электрокоагуляцией от основных технологических параметров электрокоагулятора 104
4.3. Определение зависимости удельного расхода электроэнергии 110
4.4. Определение уравнений множественной регрессии остаточных концентраций кремния, железа и марганца в воде после электрокоагуляции по методу Брандона 112
4.5. Выводы по главе 117
Глава 5. Технология очистки подземной воды тюменского региона с использованием электрокоагуляции и оценка ее экономической эффективности 118
5.1. Технологическая схема очистки 118
5.2. Вариант реконструкции станции очистки подземной воды Новотарманск с использованием электрокоагуляции 122
5.2.1. Анализ существующей схемы очистки 122
5.2.2. Технологическая схема варианта реконструкции станции очистки воды 124
5.3. Оценка экономической эффективности использования электрокоагуляции для удаления кремния 126
5.4. Рекомендации к расчету электрокоагуляторов для обескремнивания воды 137
5.5. Выводы по главе 141
Основные выводы по диссертации 142
Список литературы 143
- Возможные формы нахождения кремния в подземных водах
- Пленочная и адсорбционная теории пассивности металлов
- Влияние железа и марганца, содержащегося в воде на эффективность обескремнивания электрокоагуляцией
- Определение уравнений множественной регрессии остаточных концентраций кремния, железа и марганца в воде после электрокоагуляции по методу Брандона
Введение к работе
В ситуации постоянно ужесточающихся нормативных требований к показателям качества питьевой воды, все большее внимание уделяется подземным водам. При анализе состояния подземных вод Тюменского региона выделяются следующие особенности низкая температура, высокая газонасыщенность, повышенное содержание: железа, марганца, кремния, аммония, взвешенных и органических веществ, в том числе нефтепродуктов и фенолов. Кроме того, региональной особенностью является присутствие в воде железофосфатных комплексов [2,4].
Содержание кремния в питьевой воде, относящегося ко 2 классу опасности, стали регламентировать с 1996 года. В соответствии с [1] предельно-допустимая концентрация кремния и в питьевой воде составляет 10 мг/л. Наличие кремния в воде отрицательно сказывается на здоровье человека, а также затрудняет процессы обезжелезивания подземных вод. Очистные сооружения, запроектированные по традиционной схеме очистки подземных вод данного региона (упрощенная аэрация) не обеспечивают очистку от кремния. При проектировании новых очистных станций и реконструкции существующих возникают сложности, связанные с недостаточным количеством информации, касающейся обескремнивания воды для питьевых целей. В связи с этим, актуальной задачей является исследование методов обескремнивания подземных вод, используемых для питьевых целей.
На основе анализа отечественных и зарубежных литературных источников к реагентным методам обескремнивания относятся: обработка известью, солями железа и алюминия; к безреагентным - сорбционный метод и электрокоагуляция.
Реагентные методы обескремнивания имеют следующие недостатки: подогрев воды (при обескремнивании известью), высокие дозы подщелачивающих реагентов, увеличение сухого остатка (при обработке воды солями железа и алюминия).
При сорбционном методе используются дорогостоящие фильтрующие материалы, которые не подлежат регенерации (при фильтровании через магнезиальные сорбенты).
Электрокоагуляция является безреагентным методом обескремнивания воды, обеспечивающим эффективное удаление кремния.
В нашей стране исследованиями метода электрокоагуляции занимались: Л.А. Кульский, П.П. Строкач, В.А. Слипченко, В.А. Клячко, В.Д. Дмитриев, Я.Д. Раппопорт, СВ. Яковлев, И.Г. Краснобородько, В.М.Рогов, В.Л. Филипчук, М.М. Назарян, В.В. Найденко, З.Я. Ярославский, В.Н. Демидович, установившие основные технологические параметры процесса, влияющие на эффективность очистки воды.
Разработкой эффективных технологий очистки подземных вод Западной Сибири занимались ученые: Н.Д. Артеменок, А.А. Вдовин, В.В. Дзюбо, В.Л. Драгинский, В.Д. Дмитриев, Ю.Л. Сколубович и др.
В СССР, Японии, США и Франции был запатентован ряд устройств и систем электродов для очистки воды от железа, соединений кремния и других загрязнений. Однако эти исследования проводились кратковременно и для определенных условий, при этом не были установлены оптимальные значения условий процесса.
Процесс электролитической очистки воды протекает через стадии: электронного взаимодействия веществ на поверхности электродов и протекающих при этом окислительно-восстановительных процессов, превращения веществ в объеме воды и формирования в ней дисперсных фаз. Исследованиям электродных процессов посвящено множество работ. Поэтому целью настоящей работы стало исследование процессов удаления кремния в объеме обрабатываемой воды при электрокоагуляции и последующем фильтровании, а также исследование влияния основных технологических параметров обескремнивания электрокоагуляцией на эффективность очистки и разработка технологии, учитывающей региональные особенности и обеспечивающей эффективное удаление кремния.
В соответствии с этим были поставлены следующие задачи диссертационной работы:
• анализ методов обескремнивания, используемых при очистке воды для питьевых целей и обоснование целесообразности и механизма удаления кремния из воды электрокоагуляцией;
• исследование влияния основных технологических параметров процесса (концентрации алюминия и времени обработки, плотности тока, скорости движения), а также содержания железа и марганца на эффект обескремнивания подземных вод для питьевых целей электрокоагуляцией;
• определение оптимальных значений основных технологических параметров очистки подземных вод Тюменского региона электрокоагуляцией;
• разработка модели снижения концентрации кремния электрокоагуляцией и рекомендаций по методике расчета электрокоагуляторов для обескремнивания подземных вод, в том числе с учетом содержания железа и марганца в исходной воде;
• создание технологии очистки подземной воды, обеспечивающей удаление кремния, с учетом особенностей химического состава подземных вод Тюменского региона (содержание кремния, железа, марганца, аммония, нефтепродуктов и фенолов) при сравнительно низких затратах электроэнергии и оценка экономической эффективности от ее использования.
В целом данная диссертационная работа ставит целью разработать технологию очистки подземных вод для питьевых целей с использованием электрокоагуляции и рекомендовать значения основных технологических параметров для расчета электрокоагуляторов при проектировании новых и реконструируемых водоочистных станций.
Результаты экспериментальных исследований апробированы на очистных станциях Велижанского и Новотарманского водозаборов, и доказывают эффективность использования предложенной технологии очистки подземных вод с применением электрокоагуляции. Для Новотарманского водозабора выполнен и внедрен проект реконструкции станции очистки подземной воды.
Возможные формы нахождения кремния в подземных водах
Формирование подземных вод с повышенным содержанием нормируемых компонентов - результат природных и техногенных геохимических процессов. К природным факторам можно отнести: влияние климатических и географических условий, состав водовмещающих пород, глубину их залегания, ограниченность соприкосновения подземных вод с атмосферой. К техногенным факторам: поступление в водоносные горизонты промышленных, сельскохозяйственных, коммунально-бытовых стоков, нерациональная эксплуатация месторождений подземных вод.
Анализ воздействия на формирование подземных вод верхнего гидрогеологического комплекса различных природных факторов позволил Ю.К. Смо-ленцеву предложить новую схему гидрогеологического районирования и зональности.
В гумидной зоне (южнее многолетней мерзлоты) в поясе весьма избыточного увлажнения, где характер рельефа равнинный, верхние горизонты сложены преимущественно глинистыми породами. Неглубокое залегание подземных вод, избыток влаги приводит к широкому развитию процессов заболачивания обширных междуречных пространств. Гидрохимический состав таких вод резко изменяется по сезонам и зависит от гидрометеорологических условий. Выпадающие атмосферные осадки способствуют повышению уровней грунтовых и безнапорных подземных вод, что может обусловить увеличение процесса выщелачивания окружающих пород. В подзолистой (лесной) зоне под влиянием избыточного увлажнения идет интенсивное разложение растительных остатков и образование органических веществ кислотного характера. Этим объясняется повышенное значение окисляемости подземной воды. Значения окисляе-мости в основном не превышали нормативных показателей и изменялись от 1,2 до 18 мгОг/л при норме 5 мгОг/л. Максимальная концентрация имела место в с. Средние Тарманы и р.п. Голышманово и составила 49,8 и 32,8 мгОг/л соответственно. В ряде случаев отмечалась повышенная цветность (до 25-30 при норме 20). Максимальные значения до 50-70 зафиксированы в с. Средние Тарманы , д. Новые Юрты, р.п. Голышманово. Аридная зона располагается в южной части Западно-Сибирского артезианского бассейна. Здесь пресные воды встречаются лишь в долинах рек, преобладают солоноватые воды.
Для подземных вод I гидрогеологического этажа характерна четко выраженная широтная гидрохимическая зональность. Она заключается в увеличении степени минерализации подземных вод с севера на юг. Гидрохимическая зональность тесно связана с гидродинамическими условиями. При небольших глубинах залегания подземных вод, находящихся в зоне интенсивного водообмена, водовмещающие породы хорошо промыты и в них формируются пресные воды гидрокарбонатного класса кальциевой и магниевой групп (центр Тюменской области). По мере погружения водоносных горизонтов и увеличении мощности перекрываемых глинистых пород интенсивность водообмена затухает, здесь формируются солоноватые воды (южная часть Тюменской области ).
Природа появления в подземных водах железа, марганца и кремния объясняется в основном природными факторами, отражающими климатические и гидрогеологические особенности рассматриваемой территории.
Железо в подземных водах появляется в результате миграции его ионных форм из водовмещающих пород в восстановительной среде. Широкое распространение торфов и глин, слабая расчлененность рельефа, пологое залегание пород, замедляя водообмен, обеспечивают формирование восстановительной среды в сочетании со слабокислой или нейтральной средой уже в зоне аэрации (рН вод изменяется от 5,3 до 7,5). Разложение органической массы сопровождается понижением содержания или полным исчезновением кислорода и быстрым накоплением углекислого газа (до 110 мг/л в основании болот). Как показано многими исследователями, эти условия весьма благоприятны для миграции восстановленных форм железа и его органических комплексов [8]. Н.С. Трофимова [10] указывает, что на территории юга Тюменской области формируются подземные воды с низким значением окислительно-восстановительного потенциала (Eh). По мере погружения осадочной толщи куртамышинскои свиты с юга на север отмечается закономерное изменение окислительной среды на восстановительную — Eh вод изменяется от +(100 -200) до+100-(-100) мВ.
Осадочные породы рассматриваемой территории содержат большое количество рассеянного органического вещества (растительные и животные остатки, лигниты и др.), что обусловливает высокие концентрации органических веществ в подземной воде. А чем большие концентрации органических веществ присутствуют в подземных железосодержащих водах, тем меньший окислительно-восстановительный потенциал устанавливается в них [11].
Таким образом, высокое содержание железа и марганца связано с уменьшением окислительно-восстановительного потенциала (Eh) подземных вод, что является закономерным явлением в общей вертикальной гидрогеохимической зональности геологических структур. С определенной глубины кислородсодержащие воды всегда сменяются бескислородными, и это определяет падение Eh до низких положительных значений, благоприятных для накопления в них железа и марганца [12].
Соединения кремния в подземных водах появляются в результате химического растворения кремнийсодержащих водовмещающих пород [13]. При взаимодействии воды, содержащей углекислоту, с силикатными породами создаются благоприятные условия для перехода БіОг в раствор.
При этом реакция растворения кремнийсодержащих пород, например, алюмосиликатов, в присутствии углекислоты будет Эффект разрушения силикатных пород водами, содержащими углекислоту, намного выше, чем при ее отсутствии. Г.В. Богомолов [14] сравнительно высокое содержание кремния объясняет наличием в чехле Западно-Сибирской плиты органогенных кремнистых образований.
Появление аммония в подземных водах связано со: сбросом хозяйственно-бытовых отходов и животноводческих стоков, а также загрязняющих веществ на рельеф (например, нефтебаза в р.п. Голышманово и нефтеперекачивающая станция в с. Аромашево).
Тюменская область — нефтегазоносный район, поэтому в местах добычи нефти и газа подземные воды имеют повышенные концентрации нефтепродуктов и фенолов. По мнению авторов [4], поступать фенолы нефтепродукты в подземные воды могут в результате инфильтрации поверхностных вод, минерализации растительных остатков, миграции из нижележащих горизонтов, а также в результате техногенных процессов.
Пленочная и адсорбционная теории пассивности металлов
При увеличении потенциала электрода наступает резкое падение скорости анодного растворения металла (пассивация). Явление пассивности металлов было открыто М.В. Ломоносовым и описано им в 1738 г. в «Диссертации о действии химических растворителей вообще».
Явление пассивности металла может быть объяснено двумя теориями -пленочной и адсорбционной. В соответствии с пленочной теорией переход металла из активного состояния в пассивное вызван образованием на его поверхности оксидного или гидроксидного слоя, отделяющего металл от раствора и препятствующего его растворению. Основными факторами, определяющими процесс возникновения и формирования пассивной пленки металла, являются: потенциал металла, а также концентрации ионов металла и гидроксид-ионов. Пассивность наступает тем легче, чем выше электродная поляризация при анодном растворении металла и чем ниже скорость удаления ионов металла от поверхности электрода. Согласно адсорбционной теории основной причиной пассивации является адсорбция кислорода на поверхности металла, что приводит к вытеснению эквивалентного числа адсорбированных анионов из двойного электрического слоя. Уменьшение числа анионов в двойном слое соответственно снижает ионный скачок потенциала при сохранении неизменной общей разности потенциалов между металлом и раствором. Это приводит к снижению скорости ионизации, т.е. к такому же уменьшению скорости растворения металла.
Процесс торможения анодного растворения металла может наступать также в результате образования на нем поверхностных адсорбционных и хемо-сорбционных соединений с коллоидно-дисперсными системами, находящимися в воде.
Как указывает В.В. Ковалев [52] «...существенной причиной зашламле-ния электродной поверхности является электрофоретический перенос к аноду диспергированных частиц, содержащихся в обрабатываемой среде, в том числе и образующихся в результате вторичных реакций, в частности - гидроксидов металлов. С ростом градиента электрического поля при увеличении анодной плотности тока электрофоретический эффект и, соответственно, зашламляе-мость поверхности электродов возрастают».
Степень активности алюминиевого анода определяется природой и концентрацией присутствующих в растворе анионов. Пассивация может быть уменьшена или даже полностью исключена введением в воду ионов, склонных к активации анодного растворения металла, за счет образования на поверхности металла промежуточного комплекса, растворимого в воде. В зависимости от активирующей способности их можно расположить в следующий ряд
Из всех анионов на активность алюминиевого анода более всего влияет хлорид-ион. Сущность активизирующего действия хлорид-иона связана с его небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку (в результате чего она разрушается), а также сильным замедлением пробо образования оксидной пленки в связи с вытеснением кислорода. Благодаря образованию хемосорбированных промежуточных соединений упрощается переход металла в раствор
Потенциодинамические исследования свидетельствуют, что при увеличении концентрации СГ-ионов поляризационные кривые сдвинуты в область электроотрицательных значений, что свидетельствует об увеличении скорости анодного процесса. При постоянной концентрации СГ-ионов зависимость потенциала электрода от плотности тока выражается уравнением Тафеля с углом наклона 0,04 В. Таким образом, для поддержания активности алюминиевого анода необходимо не допускать высоких значений электродной поляризации или вводить в воду С1 "-ионы. 1. Результаты анализов очищаемых подземных вод Тюменской области свидетельствуют о неэффективности традиционно используемой технологии (упрощенной аэрации) для удаления кремния. Наиболее целесообразным методом комплексной очистки подземных вод для питьевых целей, обеспечивающим удаление кремния, является электрокоагуляция. 2. При моделировании водоочистных установок (электрокоагуляторов), они будут подобными лабораторным, если протекающие в них процессы описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, выполняется условие геометрического подобия, а также, если значение критерия Рейнольдса, рассчитанное для модели и натуры меньше критического Re кр= 2320. 3. Обескремнивание воды после ее обработки в электролизере с растворимыми алюминиевыми электродами наступает в результате сорбции соединений кремния из воды гидроксидом алюминия, полученным растворением металла под действием электрического тока. 4. Скорость анодного растворения металла определяется главным образом плотностью тока на аноде, которую необходимо поддерживать на оптимальном уровне, определяемом экспериментальным путем. 5. В качестве модели снижения содержания кремния электрокоагуляцией может быть использована теория коагуляции, изложенная Г.Е. Гудзоном. Согласно этой теории, концентрация частиц загрязнений, оставшихся в воде, по прошествии времени зависит от: первоначальной концентрации С0, произведения градиента скорости на время Gv, концентрации коагулянта Ск и коэффициента эффективности столкновений.
Влияние железа и марганца, содержащегося в воде на эффективность обескремнивания электрокоагуляцией
Подземные воды Тюменского региона - многокомпонентные растворы, содержащие кроме кремния, железо и марганец. Для исследования влияния содержащегося в воде железа и марганца на процессы обескремнивания электрокоагуляцией и фильтрованием (d = 0,8-2 мм, Нсл= 2м, 9ф = 4 м/ч) были проведены эксперименты на подземных водах Велижанского и Новотарманского водозаборов. Остаточные концентрации кремния в воде, содержащей железо и марганец (после электрокоагуляции и фильтрования) выше, чем при их отсутствии (табл. 3.11, рис. 3.20 - 3.21). Это связано с тем, что при обескремнивании воды электрокоагуляцией параллельно происходят процессы обезжелезивания и деманганации (рис. 3.22 - 3.24). При этом алюминий расходуется на удаление кремния, железа и марганца. Таким образом, содержание железа и марганца в воде уменьшает эффективность обескремнивания (при прочих равных условиях -концентрации алюминия, плотности тока, скорости движения воды в электрокоагуляторе). При обескремнивании воды, содержащей 3,7 мг/л железа Fe , эффективность обескремнивания электрокоагуляцией уменьшается в среднем на 15 % по сравнению с обработкой воды, содержащей только кремний; при содержании 4,6 мг/л железа Fe и 0,25 мг/л марганца Мп - эффективность обескремнивания уменьшается на 56 % . Таким образом, на основании проведенных исследований, можно сделать следующие выводы: 1. Экспериментально доказана целесообразность применения алюминиевых растворимых электродов для удаления кремния электрокоагуляцией. 2. Экспериментально получены кривые снижения содержания кремния в воде от концентрации алюминия при различной исходной концентрации кремния в воде. 3. Для зависимости оптимальной концентрации алюминия при обескремнивании непрерывным и прерывистым режимами электрокоагуляции установлены значения эмпирических коэффициентов, позволяющие назначать концентрацию электрогенерированного алюминия при исходном содержании кремния в воде от 16 до 36 мг/л. 4. Установлено, что при плотности тока от 0,5 до 1,5 мА/см эффективность обескремнивания воды электрокоагуляцией увеличивается, а при плотности тока более 1,5 мА/см - снижается. Максимальное значение эффективности обескремнивания соответствует значениям плотности тока от 1 до 1,5 мА/см . 5. Результаты исследований по влиянию времени обработки воды на эффективность обескремнивания электрокоагуляцией показывают, что максимальный эффект обескремнивания (70 — 90 %) достигается при времени обработки от 3 до 5 мин при исходной концентрации кремния от 18 до 34 мг/л. 6. На основе экспериментально полученных результатов можно отметить, что с увеличением скорости прямо пропорционально снижается концентрация кремния при прочих равных условиях (концентрации алюминия, времени обработки, плотности тока). Снижение концентраций железа и марганца, наступает при скоростях движения до 5 м/ч, при дальнейшем увеличении скорости заметного изменения концентраций не наблюдается 7. Исследованы процессы, протекающие в электрокоагуляторе: изменение величины электропроводности, рН воды, сопротивления межэлектродного пространства. Установлены зависимости, позволяющие прогнозировать изменение величин вышеуказанных параметров от времени обработки воды в электрокоагуляторе. Предложена зависимость для определения добавки хлорида натрия, обеспечивающая эффективное растворение электродов. 8. По изотермам сорбции установлено, что удаление кремния электрохимически полученным гидроксидом алюминия при непрерывной и прерывистой электрокоагуляции происходит по механизму мономолекулярной адсорбции. Сорбционная способность гидроксида алюминия при использовании прерывистой электрокоагуляции выше, чем при непрерывной, что объясняется недостаточным использованием адсорбционной способности гидроксида алюминия при непрерывном режиме электрокоагуляции. 9. Для снижения затрат электроэнергии на обескремнивание воды электрокоагуляцией исследован прерывистой режим (соотношение периодов подачи электрического тока и прекращения в его подаче составляет 1:1). Возможная экономия металла составила 50%. 10. Исследовано влияние времени обработки при различных исходных концентрациях кремния на величину удельного расхода электроэнергии для очистки подземной воды Тюменского региона от кремния, составляющие на 40 - 50% меньше рекомендуемых в литературных источниках. 11. Исследовано влияние содержания железа и марганца на эффективность обескремнивания. Установлены удельные расходы алюминия при комплексной очистке подземных вод электрокоагуляцией, содержащих железо и марганец, которые составляют: 0,42 мг А1 на 1 мг Fe , 3,3 мг А1 на 1мг Мп2+. и 0,3 мг А13+на 1мг Si4+.
Определение уравнений множественной регрессии остаточных концентраций кремния, железа и марганца в воде после электрокоагуляции по методу Брандона
На основании проведенных экспериментов получены зависимости эффекта обескремнивания и остаточной концентрации кремния от плотности тока и количества электричества, после исследования которых установлен ин-тервал оптимальных значений плотности тока 1,4 — 1,5 мА/см , при которых достигается максимальный эффект обескремнивания электрокоагуляцией при минимально возможных затратах электроэнергии.
Разработана модель снижения концентрации кремния электрокоагуляцией, позволяющая определять остаточную концентрацию кремния в подземной воде от основных технологических параметров, при исходном содержании кремния от 16 до 36 мг/л и концентрации алюминия до 30 мг/л
Установлена зависимость величины удельного расхода электроэнергии от времени обработки и исходной концентрации кремния, позволяющая прогнозировать его величину для предварительных экспериментальных исследований.
Получены зависимости остаточных концентраций кремния, железа и марганца от времени обработки, скорости движения и силы тока при комплексной очистке воды, позволяющие прогнозировать качество очищаемой воды от указанных параметров электрокоагулятора.
Разработкой и внедрением технологий очистки подземных вод городов и поселков в нефтегазоносных регионах Западной Сибири в течение многих лет занимаются Н.Д. Артеменок [2, 109-111], В.В. Дзюбо [114, 115] В.Л. Драгин-ский [113]. В соответствии с рекомендациями [110], для удаления растворенных в воде газов, а также создания благоприятных условий для удаления железа из подземных вод Западно-Сибирского региона необходимо предусматривать бар-ботажно-аэрационную дегазацию в качестве первоначального этапа обработки подземных вод.
Многолетний опыт эксплуатации станций очистки подземных вод показал, что для удаления растворенных газов, железа, марганца, нефтепродуктов, фенолов и аммония соответствует схема, состоящая из дегазационного, фильтрационного, сорбционного, ионообменного и дегазационного блоков [111]. Однако большинство водоочистных станций построено до 1996, поэтому на них не предусматривалось удаление кремния. На сегодняшний день практически все станции очистки подземных вод не обеспечивают снижение кремния до предельно-допустимой концентрации.
В данной работе предлагается для удаления кремния использовать метод электрокоагуляции с алюминиевыми растворимыми электродами. При этом технологическая схема может быть в двух вариантах в зависимости от места расположения электрокоагулятора. В случае размещения его в начале технологической схемы происходит совместное удаление кремния, железа и марганца из воды. При расположении электрокоагулятора в конце технологической схемы - после дегазаторов и фильтров — из воды удаляется только кремний, так как железо и марганец выделяются из воды на предшествующем этапе.
При комплексной очистке подземной воды по схеме дегазация — электрокоагуляция - фильтрование - обеззараживание коагулянт расходуется на удаление содержащегося в воде кремния, железа, марганца, органических и взвешенных веществ. Поэтому с целью снижения концентрации электрогене-рированного коагулянта, и как следствие, затрат электроэнергии и металла рекомендуется очистку воды осуществлять в две ступени.
Двухступенчатая схема (рис.5Л) включает: дегазацию с последующей фильтрацией на фильтрах 1-й ступени, электрокоагуляцию и фильтрование на фильтрах 2-й ступени, обеззараживание. При дегазации вода насыщается кислородом, ускоряются процессы окисления железа, повышается рН воды [2, 41], вследствие чего улучшается эффект обезжелезивания. В смесителе вода смешивается с раствором хлорида натрия (при содержании хлоридов в исходной воде менее 300 мг/л), для эффективного протекания процесса растворения алюминиевых электродов, увеличения электропроводности и предотвращения пассивации алюминиевых пластин при электрокоагуляции. Концентрация соли определится по эмпирической формуле
На фильтрах 1-й ступени происходит задержание легкоокисленных соединений железа и марганца, на 2-й - кремния. После фильтров 2-й ступени может устраиваться доочистка в зависимости от исходного состава воды. При повышенном содержании в воде органических веществ, нефтепродуктов и фенолов фильтр заполняют активированным углем [111], при наличии аммония в качестве загрузки фильтра используют местный фильтрующий материал — цеолит.
Автором были проведены исследования по определению сорбционной емкости цеолитизированного туфа (ТУ 2163-002-53477699-2003) месторождения Б. Люлья (Ханты-Мансийиский АО) по отношению к ионам аммония. Его химический состав представлен в таблице 5.1. Полная динамическая емкость составила 2,19 мг NH/ /г или 0,122 мг-экв/г [119].
Использование разработанной технологии позволяет получать воду, удовлетворяющую нормативным требованиям, что подтверждают результаты ее апробации на подземных водах Велижанского и Новотарманского водозаборов (табл. 5.2). На основании проведенных полупромышленных исследований на подземной воде Велижанского водозабора, установлено, что применение данной технологии позволяет получать эффект очистки от: кремния 53 %, железа 93 %, мутности 87 % (Приложение 3).
Технологическая схема очистки подземных вод с использованием электрокоагуляции обеспечивает надежность снабжения населения водой качества, соответствующего СанПиН 2.1.4.1074-01, так как при сезонных колебаниях химического состава воды, регулируя основные параметры электрокоагулятора, можно влиять на эффективность очистки воды.
