Станции деманганации воды

Технология

В подземных водах марганец находится в растворенной форме (Mn2+). Для удаления растворенного марганца необходимо перевести его в коллоидную форму, т.е. сделать нерастворимым. Что достигается преобразованием его в III или IV-валентную форму, для этого элемент окисляют. После такого воздействия марганец гидролизуется, причем во время процесса образуются гидроксиды марганца с различной валентностью (III и IV), практически не растворяющиеся в воде.

Четырехвалентный гидроксид марганца после оседания на зернистом наполнителе фильтра становится катализатором, он способствует ускорению окислительного процесса двухвалентного марганца с участием растворенного кислорода.

Чтобы избавление от марганца методом окисления при помощи кислорода было эффективным, уровень рН должен находиться в пределах 9,5-10,0. При использовании перманганата калия, хлора, а также его производных (гипохлорита натрия) или же применении озона процесс деманганации может проходить и при меньшем значении рН (8,0-8,5). Чтобы окислить 1 мг растворенного в воде марганца, понадобится 0,291 мг кислорода. Один из самых сильных окислителей, озон, может быть эффективным при широком диапазоне значений рН.

Один из самых распространенных методов — проведение глубокой аэрации с последующей фильтрацией. На первой стадии обработки воды из нее под вакуумом выделяют свободную углекислоту, таким образом удается повысить уровень рН до значения 8.0-8,5. Традиционно применяют вакуумно-эжекционное оборудование, в котором производится диспергирование воды, а затем она обогащается кислородом. После этого вода фильтруется с применением зернистого наполнителя, к примеру, кварцевого песка.

Такой метод может применяться, если перманганатная окисляемость начальной воды не превышает 9,5 мгО/л. Кроме того, обязательно наличие двухвалентного железа, во время окисления которого выделяется гидроксид железа, впитывающий двухвалентный марганец и окисляющий его. При этом следует соблюдать соотношение между двухвалентными железом и марганцем 1:7. Если это условие не выполняется, в воду следует добавить железный купорос (сульфат железа).

Избавиться от марганца можно при помощи перманганата калия. Этот способ подходит для очищения как поверхностных вод, так и грунтовых. Когда в воду добавляют перманганат калия, происходит окисление растворенного марганца, при этом образуется малорастворимый оксид этого элемента. Он оседает вниз, имеет при этом хлопьеобразное состояние, обладает высокой удельной поверхностью, приблизительно 300 кв.м на 1 г вещества, благодаря чему имеет высокие свойства впитывания. Этот осадок — отличный катализатор, в его присутствии возможна демангация при значении рН 8,5. С целью избавления от 1 мг двухвалентного марганца придется затратить 1,92 мг реагента (перманганата калия).

Ранее уже говорилось о том, что с помощью перманганата калия можно удалить не только марганец, но и различные формы железа. Одновременно исчезают запахи и улучшается вкус воды (благодаря сорбции).

Принцип работы

• На напорных фильтрах
• Узел окисления

Для окисления марганца предварительно используется узел дозирования окислителя (перманганат калия, гипохлорит натрия и пр) либо узел озонирования, окисляющий растворенный марганец (Mn2+) до коллоидной формы (Mn3+, Mn4+). Согласно вышеописанному, для использования конкретного окислителя необходим определенный интервал pH очищаемой воды. Для озонатора — эффективное время окисления озоном 10-15 минут, следовательно необходимо предусмотреть емкость объемом до 25% от производительности и циркуляционный насос для эффективного перемешивания озона и последующего окисления растворенного марганца до коллоидной формы. На рисунке представлена визуальная схема узла озонирования.

Узел озонирования

Режим фильтрации

Во время процесса фильтрации вода проходит через корпус фильтра с загруженным внутрь фильтрующим материалом в направлении сверху вниз, затем отфильтрованная вода выходит через нижнюю распределительную систему либо поднимается по водоподъёмной трубе и выходит через клапан автоматической промывки, установленный в верхней части корпуса фильтра.
Высота фильтрующего слоя влияет на периодичность промывки станции деманганации воды и обычно занимает 70% объёма корпуса фильтра. При движении воды, содержащей взвешенные частицы, через загрузку засыпного фильтра, последние задерживаются, и вода осветляется. Одновременно в толщине загрузки накапливаются загрязнения, вследствие чего уменьшается свободный объём пор, увеличивается гидравлическое сопротивление загрузки. Возрастание гидравлического сопротивления приводит к росту потери напора в загрузке, который составляет порядка 0,2-1,0 бар.

Удаление примесей из воды и их задержание на частицах фильтрующей загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, накапливающийся в слое загрузки из задержанных примесей, имеет весьма непрочную структуру. Под влиянием гидродинамических сил потока эта структура разрушается, и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от частиц загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается в поровых каналах фильтрующего материала. Тем самым осветление воды в фильтрующей загрузке следует рассматривать как суммарный результат двух противоположных процессов: процесса адгезии и процесса суффозии.

Осветление воды в каждом слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва. По мере накопления осадка интенсивность отрыва частиц увеличивается, и явление отрыва ранее прилипших частиц проявляется более заметно. Значимость слоев загрузки, расположенных первыми к потоку исходной воды, в осветлении уменьшается, и нагрузка переходит на нижние слои. После продолжительной работы фильтра насыщение этих слоев осадком становится предельным, и они перестают осветлять воду, поэтому происходит необходимость промывки фильтра. Усреднённая грязеемкость фильтрующего материала составляет 1 грамм/1 литр.

Режим регенерации фильтрующей загрузки

Регенерация осуществляется путем переключения клапана управления или системы клапанов так, что направление потоков воды меняется, и открывается выход промывной воды в дренажную линию.

Первым этапом промывки засыпного фильтра является обратная промывка, при которой вода двигается со скоростью порядка 20,0 м/ч снизу вверх, поднимая и взвешивая фильтрующую загрузку в свободную от загрузки часть корпуса фильтра. Частицы расширившейся фильтрующей загрузки, хаотично двигаясь, соударяются друг с другом, при этом налипшие на них загрязнения оттираются, попадая в промывную воду, и удаляются вместе с ней в дренаж.

После основной обратной промывки идёт прямая промывка, которая необходима для укладывания фильтрующего материала, и подготовка фильтра к подаче очищенной воды. В режиме прямой промывки вода поступает, как и в режиме фильтрации, сверху вниз, но промывная вода также сбрасывается в дренаж. Время обратной промывки одного фильтра составляет порядка 10-20 минут, прямой - не более 10 минут.

Методы деманганации используемые в частных случаях

Ионный обмен

Этот процесс возможен, если в воде присутствуют марганец и железо в растворенной форме, минимум соединений органических, полностью отсутствует сероводород, а также в исходной воде присутствуют в небольшом количестве такие ионы как Mg2+, Ca2+, Sr2+ и другие катионы, которые в следующей последовательности сорбируются на катионообменных смолах.

Основной ряд селективности катионов

Li+ < Na+ < K+ < NH4+ < Cs+ < Mn2+ < Mg2+ < Zn2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ < Al3+

Ультрафильтрация

При высоком содержании коллоидного марганца, железа, а также взвешенных веществ разного природного происхождения, рекомендуется использовать коагулянт для укрупнения взвешенных веществ в хлопья и последующего удаления на установке ультрафильтрации.