В Белоруссии широко распространены воды, содержащие значительные количества железа, преимущественно в гидрокарбонатной форме. Большая часть этих вод залегает в четвертичных отложениях, хотя воды других горизонтов также не всегда свободны от соединений железа.
На основании проведенного нами изучения было установлено, что повышенное содержание железа в воде обычно связано с погребенными или наземными торфяниками. В практике приходится часто эксплуатировать железистые скважины, хотя эти воды для технического и хозяйственно-бытового пользования не вполне приемлемы.
По своему составу они представляют собой обычно воды средней минерализации, минеральный скелет которых состоит в основном из карбонатов и гидрокарбонатов, щелочных земель и железа, причем последнее присутствует иногда в значительных количествах; хлориды представлены незначительными количествами, сульфаты часто отсутствуют.
Как известно, такой состав воды очень неустойчив. Вода, выведенная на дневную поверхность в условия с меньшим парциальным давлением СО2, теряет так называемую равновесную углекислоту. Выделяющаяся водная окись железа, пройдя через стадию мелкой дисперсности (опалесценция), коагулирует и выпадает в виде осадка.
В большинстве случаев процесс образования опалесценции и мути проходит очень быстро, но Fe(OH)3 в мелкодисперсной форме может долго удерживаться во взвешенном состоянии. Полное его выпадение отмечалось иногда через одни, а в некоторых случаях через двое суток.
По-видимому, характер имеющихся в этих водах электролитов способствует частичной пептизации выделяющегося Fe(OH)3. Такое медленное выпадение гидрата окиси железа создает ряд неудобств при использовании подобных вод. В связи с этим и встал вопрос о подыскании эффективного и доступного метода обезжелезивания воды.
Ввиду того, что такими водами часто пользуются небольшие населенные пункты (рабочие поселки, совхозы, небольшие промышленные предприятия), метод обезжелезивания должен быть прост и осуществим без капитальных сооружений.
Нами были проведены опыты с двумя водами: 1) водой Могилевского городского водопровода, забираемой из песчаникового яруса среднего девона из глубины 130 м (содержит 2,5 мг железа, 22 мг/л свободной СО2); 2) водой из скважины торфозавода «Свобода», забираемой из пород ледникового происхождения с глубины 53 м (содержит 14,0 мг/л железа, 103,4 мг/л свободной СО2).
Мы желали выяснить следующие вопросы: 1) целесообразность предварительного хлорирования воды; 2) эффективность аэрации; 3) эффективность известкования.
Целесообразность предварительного хлорирования воды проверялась только на воде скважины Могилевского водопровода. Предполагалось, что окисление хлором соединений железа будет способствовать его быстрейшему выпадению. Для этих опытов, а также для аэрации и известкования вода доставлялась в лабораторию Могилевской санитарной станции в 30-литровых баллонах. При отборе проб и доставке соблюдались все меры предосторожности для предупреждения потери углекислоты и растворения кислорода. Доставка проб в лабораторию продолжалась не более 20 минут.
Опыты с хлорированием воды были поставлены следующим образом. В воду, предварительно отсифоненную из баллона в литровые цилиндры с притертыми пробками, вводился 1% раствор хлорной извести в возрастающем количестве – от 0,1 до 2,7 мг/л. Результаты опыта представлены в табл. 1.
Как видно из табл. 1, эффект хлорирования скорее отрицательный, чем положительный. Свободный хлор даже в минимальных количествах задерживает выпадение железа, несмотря на то, что оно переводится в окисную форму. Хлор также удерживает в растворе бикарбонаты щелочных земель.
Проверка эффективности аэрации и известкования проводилась на обеих водах. Во всех случаях эти процессы завершались фильтрованием через песчаные фильтры со скоростью 2 – 5 м/час. Температура воды 9 – 10º.
Аэрация воды из скважины торфозавода проводилась непосредственно у скважины. Вода пропускалась через два сита (одно над другим) с отверстиями в 1 мм.
Ориентировочно была проведена одна-, двух- и троекратная аэрация. Во всех опытах при начальном содержании железа в воде около 14 мг/л оставалось в воде железа не более 0,06 мг/л. При этом было установлено, что многократная аэрация не имеет никаких преимуществ перед однократной, а продолжительность отстаивания не играет заметной роли. В фильтрованной воде, предварительно отстаивающейся 30 минут, обнаруживали столько же остаточного железа, сколько и после двухчасового отстаивания. Выпадающий Fе(OH)3 прекрасно задерживается фильтром, но очень плохо отстаивается. Вода над осадком имеет явную опалесценцию и даже значительную взвесь; полное осветление над осадком достигается через двое суток. Это обстоятельство снижает ценность столь простого способа обезжелезивания, ввиду быстрого засорения фильтра и неизбежности частой его промывки со всеми вытекающими отсюда неудобствами.
Лабораторно проведенная аэрация воды Могилевской скважины дала те же результаты.
Известкование проводилось прибавлением раствора извести (1 мл = 1,23 мг СаО) из расчета нейтрализации 25%, 50% и 100% свободной С02, а также 100% свободной +50% полусвязанной СО2. Во всех случаях проверялась скорость и характер хлопьеобразования. Интервалы времени отстаивания 10 минут, 1 час, 2 часа, 4 часа. После фильтрования через песчаный фильтр проверялось остаточное железо и рН.
Из табл. 2 видно, что самое быстрое (почти моментальное) выпадение железа достигается при нейтрализации 100% свободной и 50% полусвязанной СО2. При этом происходит и умягчение воды с 20,44° до 4,48° за счет нейтрализации бикарбонатной жесткости. Однако вполне удовлетворительные результаты получаются при нейтрализации 50% свободной СО2 с последующим двухчасовом отстаиванием.
Для приближения этих опытов к натуральным условиям был проведен эксперимент на опытной установке. Последняя состояла из сооружения, импровизирующего градирню, отстойники и фильтр. Градирня представляла 3 ящика, расположенные друг над другом, 0,5 X 1,0 X 0,25 м. Над верхним ящиком был установлен желоб с 3 рядами отверстий диаметром 4 мм. Расстояние между ящиками 0,25 м. Ящики были заполнены битым кирпичом; размеры кусков 5 – 10 см. Под градирней установлены 5 бочек емкостью в 25 ведер, соединенные между собой железными патрубками. В такой же бочке устроен фильтр, установленный на 35 см ниже и заполненный на 15 см галечником, над которым был насыпан слой речного песка в 50 см. Песок был плохо отсортирован, диаметр песчинок 0,5 – 2 мм. Снизу к бочке для промывания фильтра была подведена продырявленная труба, соединенная с напорной линией. У дна был поставлен кран для отвода фильтрата. В исходной воде содержалось железо в виде бикарбоната в количестве 2,2 мг/л. Количество подаваемой на градирню воды в среднем составляло 2,2 м3/час, температура воды 8 – 10°, воздуха 1 – 3°.
Как видно из табл. 3, опытная градирня при площади 0,5 м2 с весьма несовершенным распределением воды по всей площади удаляла СО2 до возможного предела (8,8 мг/л). Процесс окисления железа заканчивался в первой бочке. Время отстаивания составляло около 40 минут. Этого времени было недостаточно для осаждения взвеси. Железо в фильтрате отсутствовало, но фильтр забивался хлопьями водной окиси железа, в связи с чем фильтр приходилось промывать примерно через 10 часов работы. В некоторых случаях эту промывку приходилось применять чаще.
В опытах с известкованием воды перед градирней был установлен эжектор, через который можно было вводить известковый раствор в подающую трубу, причем вода непосредственно поступала в бочки, минуя градирни. Так же как и в условиях лабораторного опыта, здесь при нейтрализации 50% свободной СО2 вода освобождалась от железа без предварительной обработки ее на градирне. Это в значительной степени упрощает установку. Результат обезжелезивания виден из табл. 4.
Для выяснения скорости фильтрации воды, при которой можно получить удовлетворительный фильтрат, были использованы стеклянные трубки диаметром 1,7 см. Трубки заполнялись на 50 см песком, просеянным через почвенное сито с отверстиями 1 мм. Над песком, затопленном снизу, наливался столб воды в 1,85 м; при такой высоте столба вода фильтровалась со скоростью 5,7 м/час без выноса мути, что составляет 5,7 м3 на 1 м площади фильтра.
Выводы
1. Железистые гидрокарбонатные воды могут легко освобождаться от железа при сравнительно простом оборудовании установки.
2. Основная функция градирни – удаление СО2 – может быть заменена химической нейтрализацией СО2. Последняя может иметь преимущество, если всю систему обезжелезивания удалось бы построить закрытой и более компактной.
3. Оба приема обезжелезивания дают воду, практически свободную от железа.
