Исследование качественного и количественного химического состава шлама водозабора МГКУП «Горводоканал»

    Однако применение мембранных методов при водоподготовке  оправдано там, где просто необходима высокая степень очистки воды, в том числе и от железа, например, в медицинской или пищевой промышленности.

Очистка воды от железа биологическим обезжелезиванием

     Этот метод подразумевает использование железобактерий, окисляющих двухвалентное растворенное железо до трехвалентного, в целях очистки воды, с последующим удалением коллоидов и бактериальных пленок в отстойниках и на фильтрах. В некоторых случаях это оказывается единственным приемлемым способом снизить содержание железа в воде. Прежде всего, когда концентрации железа в воде особенно велики, свыше 40 мг/л. Также применяют биологическое обезжелезивание, если в воде высоко содержание сероводорода и углекислоты. Такая вода с очень низким показателем pH не может быть очищена от избыточного железа методом упрощенной аэрации. Ее подвергают фильтрации через колонии бактерий на медленных фильтрах с песчано-гравийной загрузкой. Затем подвергают сорбционной очистке для задержания продуктов жизнедеятельности бактерий и ультрафиолетовому обеззараживанию.

Наиболее распространенными методами обезжелезивания являются аэрационные, обеспечивающие требуемое насыщение воды кислородом воздуха.

Окисление железа аэрацией может проводиться: фонтанированием (так называемые брызгальные установки), душированием, с помощью инжектора, эжектора или компрессора, введением воздуха в трубу под напором, барботацией. Во многих случаях вода, прошедшая обезжелезивание аэрацией с последующим остаиванием и фильтрацией, уже оказывается пригодной к употреблению в качестве питьевой.

Распространенность аэрационных методов обусловлена отсутствием необходимости введения в обрабатываемую воду химических реагентов (окислителей), что позволяет иметь низкие эксплуатационные издержки.

В настоящее время безреагентное обезжелезивание подземных вод с использованием фильтрования через зернистые среды реализуется в следующих методах:

1.      глубокая аэрация (с последующим отстаиванием и фильтрованием);

2.      упрощенная аэрация с последующим фильтрованием;

3.      напорное фильтрование с предварительной аэрацией;

4.      «сухая» фильтрация;

5.      аэрофильтрация;

6.      фильтрование в подземных условиях («Виредокс»).

Каждый из указанных методов имеет свои достоинства и недостатки, а также определенные границы применяемости по производительности

[2, с 13-24].

Метод глубокой аэрации

В основе метода лежит гомогенное окисление железа, может использоваться при любой производительности водозабора, но по сравнению с остальными методами требует наибольших удельных капитальных вложений. В настоящее время он в республике не применяется. Во всех остальных (рассматриваемых) методах реализуется принцип гетерогенного окисления.

Метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием

Наиболее широко используется метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием, сущность которого заключается в изливе воды с высоты не менее 0,5м непосредственно на фильтрующую загрузку, что позволяет достичь концентрации растворенного в воде кислорода до 4,0-6,0 мг/дм3 (приблизительно 50% от полного насыщения). Типовые разработки предусматривают производительность от 12,0 тыс. м3/сут и выше. В качестве фильтрующих загрузок могут использоваться: кварцевые пески, дробленый и недробленый керамзит, антрацит, шлаки, колотый гранитный щебень и др. Гранулометрический состав фильтрующих загрузок (1-2-5-10 мм), высота слоя загрузок (0,7-2,2 м), скорость фильтрации (4,0-5,0-15,0-20,0 м/ч), фильтроцикл (0,5-4,0 сут)- зависят от химического состава воды и, в первую очередь, от содержания железа.

В последние годы в республике получили распространение станции обезжелезивания, в основе технологического процесса которых используется метод упрощенной аэрации с последующим фильтрованием. Рекомендуются обезжелезивающие станции производительностью 200-20.000 м3/сут. В качестве фильтрующей загрузки предлагается использовать колотый гранитный щебень фракции 5-10 мм. Рекомендуемая скорость фильтрации 15-20 м/ч.

К достоинствам предлагаемой схемы следует отнести уменьшение капитальных вложений за счет размещения фильтров без ограждающих конструкций и высокую скорость фильтрации, что также сокращает строительные объемы. Однако наличие второго подъема не уменьшает по отношению к традиционной схеме удельных эксплуатационных затрат, а при производительности менее 5,0-6,0 тыс. м3/сут значительно снижается рентабельность метода.

Напорное фильтрование с предварительной аэрацией

Данный метод применяется при производительности от 3,0 до 12,0 тыс.м3/сут. Требования к фильтрующим загрузкам и скорости фильтрации аналогичны используемым при упрощенной аэрации. Основным условием метода является обязательное удаление перед фильтром или непосредственно из фильтра избыточного количества воздуха. В противном случае процесс обезжелезивания становится труднорегулируемым.

Метод «сухой» фильтрации

Метод заключается в фильтровании водовоздушной эмульсии через незатопленную загрузку (пленочное турбулентное движение воды в паровом пространстве). Метод рекомендуется при производительности 1,0-2,0 тыс.м3/сут. Водовоздушное соотношение должно находиться в пределах 1:3 – 1:5.

Напорное фильтрование

При напорном фильтровании производится отделение воздуха после фильтров. Достоинством метода является длительный фильтроцикл, достигающий 100-300 сут. Загрузка не регенерируется. После достижения кольматажа фильтрующей загрузки, характеризующейся потерей напора в 0,10-0,15 МПа, она заменяется на свежую.

Метод аэрофильтрации

Данный метод рекомендуется при производительности от 0,5 до 3,0 тыс.м3/сут. Обезжелезивание воды осуществляется в безнапорном режиме. Излив обрабатываемой воды производится на фильтрующую загрузку, верхний (незатопленный) слой которой высотой 2-3 м имеет фракцию 10-30 мм и нижний, (затопленный) высотой 0,7-1,0 м – 5-10 мм. Крупная и мелкая загрузка разделены решеткой. В процессе работы крупнозернистая загрузка при необходимости может продуваться и воздухом. Скорость фильтрации составляет 3-5 м/ч. Фильтрация достигает 25-30 сут. Достоинствами метода являются длительный фильтроцикл и возможность удаления из воды аммонийного азота. К не­достаткам следует отнести большую высоту фильтров и малые скорости фильтрации. При реализации метода обязательно наличие второго подъема.

Фильтрование в подземных условиях

В Скандинавских, а затем и в Западноевропейских странах получил распространение метод удаления железа из подземных вод непосредственно в водоносном пласте, известный под названием «Виредокс».

Сущность метода заключается в создании вокруг забойной части скважины окислительной зоны путем закачки воды, обогащенной кислородом воздуха. Вода может подаваться как непосредственно в водозаборную скважину, так и в специальные поглощающие скважины, располагаемые в непосредственной близости от водозаборной. Процесс эксплуатации скважины рассчитан на чередование циклов закачки в пласт питательной воды и отбора обезжелезенных подземных вод. Смешением питательной и подземных вод удается добиться смещения химического равновесия (гидролиза и окисления железа), в результате чего на поверхности водовмещающих пород образуется каталитическая пленка.

Последняя образуется не сразу, и однократной закачки в водоносный пласт аэрированной воды, как правило, оказывается недостаточно. Поэтому сначала производится как бы подготовка водоносного пласта или так называемая «зарядка», включающая многократное повторение циклов закачки аэрированной воды, отбора ее и частично обезжелезенной воды из пласта. После этого начинается эксплуатация установки обезжелезивания подземных вод, которая также сводится к последовательному выполнению операций по закачке в пласт питательной воды и отбору обезжелезенных подземных вод.

Очевидно, что рассматриваемый метод имеет большие достоинства с точки зрения снижения, как удельных капитальных вложений, так и эксплуатационные затрат. Однако эффективная его реализация непосредственно в водоносном пласте зависит от ряда факторов: глубины скважины, наличия запаса мощностей на водозаборе, величины дебита скважины, гидрогеологических условий, гидрохимических показателей котируемой воды и др. Указанные факторы значительно снижают возможность широкого применения метода. В последнее время он рассматривается как временная мера, предпринимаемая до ввода в устойчивую эксплуатацию наземной станции обезжелезивания.

1.3.         Опыт применения шламовых отходов

Проблема утилизации шламовых отходов является актуальной во всем мире. Это связано с тем, что шламовые отходы – это техногенное бесплатное сырьё. Однако главная задача в процессе утилизации – это экономически выгодная переработка шламов.

Основной сферой утилизации шламовых отходов является получение пигментов. Пигменты — это порошки минеральных соединений, имеющие определенную окраску, а также органические красители синтезированные искусственно или красители естественного животного или растительного происхождения, осажденные на твердые минеральные основы.

Железоокисные пигменты — большая группа самых прочных красок в масляной живописи, широко используемые издревле. Вместе с тем развивалось промышленное производство красных железоокисных пигментов: их получали обжигом некоторых соединений железа Fe2(SO4)3; Fe(OH)3; Fe3O4. Все железоокисные пигменты очень устойчивы к действию солнечного света, атмосферным влияниям, воздействию щелочей и слабых кислот. Укрывистость различных железоокисных красок зависит от физического состояния частиц, а в некоторых случаях — от специальных примесей к пигментам. Красные железоокисные краски, не отличаясь особой яркостью цвета, обладают исключительной прочностью и хорошей кроющей способностью [6, с.3-5].

Железный сурик, природный неорганический пигмент от светлого до темного красно-вишневого цвета. Представляет собой ά-Fe2O3 75-95% по массе с примесями SiO2, Al2O3; содержание влаги не больше 0,5%. Размер частиц 2-30 мкм; плотность 3,9 г/см3; рН водной вытяжки 6,5-7,5; маслоемкость 15-25 г/100 г; укрывистость не более 20 г/м2. Устойчив к действию растворов щелочей, слабых кислот и органических растворителей. Обладает высокими свето-, атмосферo-, коррозионно- и термостойкостью. ПДК 6 мг/м3.

Сырьем для изготовления железного сурика служат железные руды -красные (главным образом гематит) и бурые железняки. После грубого размола и отделения пустой породы руду обжигают при 700 °С для удаления влаги, карбонатов и органических соединений, подвергают тонкому размолу и сепарации и затем, если требуется, более мелкому измельчению в струйных мельницах с добавлением ПАВ. Железный сурик – пигмент в красках для всех видов покрытий (как грунтовочных, так и покровных) со всеми видами пленкообразователей, а также наполнитель в пластмассах, керамике, строительных материалах и изделиях (цветных бетонах, плитах и др.)

[5, с 4-6]. На сегодняшний день железный сурик вытесняется более высокодисперсными синтетическими красными железоокисными пигментами.

Охра – один из самых дешевых натуральных пигментов, по внешнему виду - это сухой тонко размолотый порошок золотистого цвета, обладает свето- и атмосферостойкостью[7]. Оттенки от желтого до кирпичного и коричневого.

Традиционно охры делятся на желтые и красные. Желтая охра - гидрат окиси железа с примесью алюмосиликатов (глины). Красная охра, смесь безводной окиси железа с глиной. По соотношению примесей охры делятся на железоокисные, глинистые и карбонатные [8].

Охра железоокисная по сути представляет собой бурый железняк с небольшой примесью глинистого вещества. Содержание гидрата оксида железа достигает 75% [9].

Охра глинистая представляет собой глину, окрашенную гидратом оксида железа, содержание которого должно быть не менее 12%. В зависимости от содержания гидрата оксида железа цвет охры меняется от светло-желтого до золотистого [10].

Охра карбонатная – это дезинтегрированный, глиноподобный ожелезенный долмит, содержание гётита в котором достигает 60% [11].

Охры (светлая, темная и другие) имеют различные дополнительные названия, уточняющие оттенок, светосилу и место добычи. Их красящим веществом является водная окись железа Fe(OH)3 со значительными минеральными примесями каолина, силикатов, гипса, органических веществ. Все охры стойки к атмосферным воздействиям. Кроющие способности желтых охр зависят от минеральных примесей. Смеси желтых охр с любыми красками дают прочные по цвету оттенки [12].

Все перечисленные краски представляют собой более или менее чистую окись железа — Fe2O3.

Отходы станции обезжелезивания  в естественном состоянии представляют собой влажную массу темно-коричневого цвета. После прокаливания, можно использовать как добавку в бетон. Также шлам можно использовать для получения строительных материалов: добавок в бетон, штукатурных составов, пигментов. Отходы водонасосных станций можно применять в отделочных составах. Разработан технологический регламент получения цветной тротуарной плитки с использованием шлама водонасосных станций. По качественным показателям шлам не уступает железному сурику и охре. [5, с.5]

1.4. Отбор проб полужидких материалов

В связи с тем, что в месте отложения шлам представляет собой полужидкую массу, к ним неприменима ни техника отбора жидких проб, ни техника отбора твердых проб. Обычно отбор средней пробы шлама вызывает значительно большие затруднения. Эти затруднения обусловлены неоднородностью продукта, расслаиванием массы. Полужидкая масса при отборе проб может находиться в покое в сосуде большой или малой емкости или в движении.