Рис. 1. Технологическая схема очистки очень жестких вод
Отрадно констатировать, что Российская Федерация является страной, удовлетворительно обеспеченной как поверхностными, так и подземными водными ресурсами. Однако плотность распределения водных объектов на территории РФ не совпадает с плотностями распределения населения, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, вследствие чего возникают ситуации, когда в качестве источника водоснабжения приходится использовать подземные воды низкого качества.
Зачастую единственной альтернативой такому источнику водоснабжения является подача воды потребителям из водного объекта, расположенного на территории другой административной единицы или даже другого региона за несколько десятков или сотен километров. Однако для объектов с суточным потреблением воды не более нескольких тысяч кубометров в сутки такие схемы водоснабжения применяются крайне редко.
Качество подземных вод зависит от условий их формирования, геолого-минералогического состава водовмещающих пород, эксплуатации подземных водоносных горизонтов, и может изменяться в очень широких пределах. Наиболее часто подземные воды Среднерусской возвышенности отличаются повышенным содержанием ионов железа, кальция, магния и сульфатов. Концентрация железа может достигать 5–6, сульфат-ионов — 300–500 и бикарбонат-ионов — 300–450 мг/л, а общая жесткость — 20–30 °Ж.
Отдельные скважины характеризуются водой еще более низкого качества. Подземные источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, обладающие водой такого низкого качества, следует относить к третьему классу [1], и для доведения качественных показателей подземных вод до требований, предъявляемых к питьевой воде [2], рекомендуется использовать обработку воды реагентами с последующим отстаиванием и фильтрованием, а также частичное натрий-катионирование [1, 3, 4].
Если на технические нужды теплогенерирующих и других промышленных предприятий требуется вода более высокого качества, чем питьевая, то следует применять более глубокие методы кондиционирования: ионный обмен, ионообменное обессоливание, обратный осмос и т.п. Рассматриваемые подземные воды содержат высокие концентрации соединений железа, поэтому прежде всего из воды необходимо удалить железо. Для умягчения воды с общей жесткостью до 30 °Ж следует использовать различные реагентные методы [3, 5].
Анализ качественных показателей подземной воды, представленных выше, указывает на наличие большого количества солей некарбонатной жесткости. Умягчение такой воды наиболее приемлемо осуществлять известково-содовым, едконатриевым, содово-едконатриевым и известково-едконатриевым способами. При этом одновременно из воды должны удаляться и соединения железа.
Расчетные дозы реагентов, определенные в соответствии с рекомендациями [3, 5, 6], составили: для извести по СаО — 400 мг/л, для Na2CO3 — 1000 мг/л; для NaOH — 560 мг/л. Для выбора наиболее эффективного метода реагентного умягчения и обезжелезивания воды был поставлен ряд экспериментов на реальной воде. Температура подземной воды составляла 7 °C, рН = 7,3–7,8; Mg2+ = 50–63 мг/л.
Остальные основные показатели качества воды представлены выше. Наиболее экономичным и распространенным способом реагентного умягчения воды является известково-содовый. Экспериментальная проверка, проведенная на объекте исследования, показала, что максимальная эффективность процесса умягчения этим методом составляет 43 % и достигается при следующих условиях: доза извести — 455 мг/л; доза соды — 1250 мг/л; доза ПАА — 4–6 мг/л; доза коагулянта железный купорос — 25–50 мг/л.
Остаточная жесткость общая воды составляет 11,4–17,1 °Ж, что гораздо выше не только ее нормативного значения для умягченной воды 0,5–1 °Ж [6], но и для питьевой воды — 7 °Ж [2]. Поэтому для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения данный метод водоподготовки пригоден лишь при умягчении исходной воды с жесткостью общей не более 12,3 °Ж. При этом концентрация ионов железа в очищенной воде не превышает ПДК для питьевой воды 0,3 мг/л [2].
Проверка реагентного способа умягчения воды с использованием едкого натра показала следующее. Максимальный эффект умягчения — 92,2 %. Оптимальные дозы реагентов составляют: доза NaOH — 600–700 мг/л; доза ПАА — 5 мг/л. Остаточная общая жесткость воды составляет 1,6–2,4 °Ж. Ионов железа в очищенной воде не обнаружено. При использовании различных коагулянтов эффект очистки снижается. При добавлении подщелачивающих реагентов отмечается интенсивное образование тонкодисперсной взвеси с последующим ростом хлопьев.
Так как реакции кристаллизации продуктов умягчения являются экзотермическими, то температура реакционной среды повышается, растворимость газов снижается, и начинается процесс газовыделения. Образующиеся пузырьки газов прикрепляются к хлопьям взвеси и вместе с ними всплывают на поверхность. При этом наиболее тяжелые хлопья оседают на дно. Для удаления плохооседающей взвеси из умягчаемой воды было предложено использовать флотационный способ осветления.
Технологическое моделирование процесса напорной флотации осуществлялось по методике [7]. Оптимальные параметры эксплуатации и конструктивные размеры флотатора определялись в ходе проведения экспериментов на пилотной установке на реальной воде при едконатриевом способе обработки воды. Так как при обработке воды используются щелочные реагенты, то рН очищенной воды составляет 12,5–12,8. С целью стабилизации умягченной воды были проведены исследования по ее подкислению.
В связи с тем, что содержание сульфат-ионов в исходной воде находится на уровне ПДК для питьевой воды, обработка воды после флотатора производилась не серной, а соляной кислотой, оптимальные дозы которой составляли 80–120 мг/л. Стабилизированная вода характеризовалась значениями рН = 6,8–8,4. При этом концентрация хлоридов в обработанной воде возрастала, но даже при максимальной дозе соляной кислоты не превышала 140 мг/л, что гораздо ниже ПДК [2], которая составляет 350 мг/л. Удаление взвешенных веществ из осветленной воды после стабилизации рекомендовано проводить на фильтрах с плавающей загрузкой.
На основании проведенных теоретических и технологических изысканий была предложена технологическая схема очистки железосодержащих, очень жестких подземных вод (рис. 1). Если общее солесодержание исходной воды составляет не более 800 мг/л, то очищенная вода по всем показателям, за исключением ионов натрия, соответствует требованиям, предъявляемым к питьевой воде [2]. Для удаления избыточного количества натрия и получения небольших объемов воды только для питьевых нужд рекомендуется использовать малогабаритные бытовые обратноосмотические установки.
Если общее солесодержание исходной воды более 800 мг/л, то очищенная вода характеризуется повышенной минерализацией более 1 г/л. Но в ней отсутствуют соли жесткости и тяжелые металлы, включая железо. Вода безопасна в санитарно-эпидемическом отношении и может быть использована для хозяйственных нужд населения и для технических нужд многих предприятий. Для получения воды, соответствующей нормативам питьевого качества [2], в этом случае необходимо дополнительно использовать обратноосмотические установки.
Выводы
Для водоснабжения населенных мест и предприятий, расположенных на территории РФ, иногда используются подземные источники третьего класса, вода которых характеризуется повышенным содержанием железа и солей общей жесткости. Известково-содовый метод умягчения может быть использован только для исходной воды с общей жесткостью не более 12,3 °Ж.
Для умягчения и одновременного обезжелезивания воды с общей жесткостью до 30 °Ж и содержанием железа до 6 мг/л рекомендуется использовать едконатриевый способ. Для удаления избыточного количества растворенных веществ умягченную воду возможно направлять на имеющиеся сооружения обратного осмоса.
