» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Февраль, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №2 (11) 2018

Автор: Мильтинг Евгения Владимировна, студент 2 курса магистратуры
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Деманганация подземных вод

УДК 628.16

ДЕМАНГАНАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Мильтинг Евгения Владимировна

студент 2 курса магистратуры

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск

Аннотация. Важная роль в обеспечения человечества качественной питьевой водой на сегодняшний день отводится подземным водам. Подземные воды представляют собой сложные многокомпонентные системы, содержащие в своем составе химические элементы, концентрации которых зачастую не соответствует нормативным требованиям. В данной статье рассмотрены основные методы очистки подземных вод от повышенных концентраций марганца. Определен наиболее перспективный метод водоподготовки.

Ключевые слова: подземные воды, марганец, концентрация, очистка

Проблема обеспечения населения качественной питьевой водой с каждым годом становится всё острее. Возрастающая антропогенная и техногенная нагрузки на водные ресурсы и геоморфологические условия расположения мест населения способствовали тому, что человечество обратилось к подземным источникам водоснабжения.

Главным достоинством подземных вод в отличие от поверхностных источников водоснабжения является их большая защищенность от привнесения в них загрязнений антропогенного характера и, как следствие, меньшая загрязненность. Однако при использовании подземных вод для питьевого водоснабжения довольно часто возникает проблема несоответствия природного химического состава воды санитарным требованиям и нормам. Естественные геохимические процессы изменения химического состава подземных вод за длительный геологический период привели к формированию на территории России региональных гидрогеохимических провинций с повышенными содержаниями железа, марганца, солей жёсткости и другими элементами.

Несмотря на то, что наличие марганца необходимо для жизнедеятельности человека, он относится к тяжелым металлам, и при высоких концентрациях пагубно влияет на здоровье людей, поражая центральную нервную систему. Кроме того, высокие концентрации марганца оказывают не благоприятное влияние на состояние водопроводных коммуникаций. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 содержание марганца в воде не должно превышать предельно допустимую концентрацию равную 0,1 мг/л. Поэтому использование подземных вод, как для хозяйственно-питьевых, так и производственно-технических нужд потребителей возможно только после предварительной очистки от избыточных концентраций компонентов, содержание которых не соответствует требованиям нормативов.

Марганец, в большом количестве, присутствующий в воде - редкое явление по сравнению с железом, и зачастую наблюдается в форме бикарбоната марганца, хорошо растворимого в воде. Он окисляется намного труднее, нежели железо, для его окисления необходимы более высокие уровни водородного показателя (рН) и окислительно-восстановительного потенциала в отличие от бикарбоната железа, окисление которого кислородом воздуха происходит удовлетворительно уже при рН = 7. Оптимальной величиной для окисления бикарбоната марганца является рН = 10.

На сегодняшний день существует ряд направлений по очистке подземных вод от соединений марганца, например: аэрация, применение окислителей (хлор и некоторые его соединения, озон, перманганат калия и т.д.), биологические методы очистки воды, метод внутрипластовой очистки и прочее. Все они обладают рядом преимуществ и недостатков и, как правило, для получения воды пригодной для водоснабжения применение одного из перечисленных методов очистки недостаточно. Поставленная цель достигается путем комбинирования различных способов [1].

Процесс аэрации предполагает насыщение воды кислородом воздуха с помощью вакуумно-эжекционного аппарата и последующую фильтрацию с помощью песка или других методов. Насыщение кислородом очищаемой воды способствует окислению марганца до необходимой степени валентности и переводу его в нерастворимые формы. Несмотря на то, что данный способ имеет низкую стоимость и простоту реализации, его применение не всегда возможно, поскольку необходимо соблюдения целого ряда условностей (перманганатная окисляемость исходной воды < 9,5 мг O₂/л, присутствие в воде двухвалентного железа, которое при окислении кислородом образует гидроксид железа, адсорбирующий марганец и каталитически влияющий на его окисление). Так как реакция окисления марганца протекает медленно и зависит от величины водородного показателя, для ускорения процесса воду дополнительно подщелачивают.

Деманганация подземных вод хлорированием применяется достаточно часто. Хлор является сильным окислителем, имеющим лучшие показатели по степени удаления марганца из воды, нежели кислород. Наиболее часто используется жидкий хлор, но возможно и применение других хлорсодержащих реагентов: гипохлорит натрия NaClO и кальция Са(ClO)₂, диоксид хлора ClO₂. Несмотря на распространённость данного метода, он обладает рядом недостатков, наиболее важным из которых является токсичность хлора и его способность к образованию побочных продуктов.

Озон является наиболее сильным и эффективным окислителем, использующимся для обработки воды в целях удаления из нее повышенных концентраций марганца. Результатом его реакции является только кислород и продукты окисления. Вредные побочные продукты, такие как хлорорганические соединения, при этом не образуются. Недостатками озонирования как метода очистки воды является дороговизна оборудования, его сложная конструкция, большой расход электроэнергии. Кроме того, необходимо помнить, что в концентрированном виде озон является ядом, как и любой окислитель, и пользоваться им нужно крайне осторожно.

Биохимический метод удаления марганца заключается в высеивании на зёрнах загрузки фильтра марганецпотребляющих бактерий типа Bacteria manganicus, Metallogenium personatum, Caulococeus manganifer и последующем фильтровании обрабатываемой подземной воды. Данные бактерии поглощают марганец в процессе жизнедеятельности, а отмирая, образуют на зёрнах пористую массу, содержащую большое количество оксида марганца, служащего катализатором окисления Mn²⁺ [2].

В основе метода внутрипластовой очистки воды лежит возможность создания в водоносном горизонте искусственных геохимических зон с измененными окислительно-восстановительными условиями, в пределах которых протекают реакции окисления с переводом в труднорастворимые формы [3]. Геохимические зоны создаются путем закачки в пласт насыщенной кислородом воды, через скважины. Осаждение загрязняющего вещества происходит в водоносном пласте, в качестве фильтрующей среды выступают горные породы. Эффективность данной технологии зависит от количества повторения циклов подачи аэрированной воды в водоносный слой и откачки воды из скважины. Существенным недостатком данной технологии является кольматация скважин, приводящая к снижению дебита водозаборных сооружений [3]. Результаты анализов, полученных после проведения некоторых методов очистки воды от марганца, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты анализов очистки подземных вод различными методами

*Опыты завершались фильтрованием образующихся осадков на цеолитовой загрузке [4].

В качестве перспективного метода очистки подземных вод от повышенного содержания марганца рассматривается метод гидродинамической обработки воды, основанный на явлении кавитации [5‑8]. Под воздействием гидродинамической кавитации наблюдается распад молекул воды на радикалы H⁺ и OH^-, первые из которых частично покидают жидкую фазу, а вторые накапливаются и увеличивают водородный показатель воды, интенсифицируя при этом процессы окисления марганца. Как показывает ряд исследований, эффективность влияния эффектов кавитации на химические свойства воды зависит от режимов гидродинамической обработки и времени кавитационного воздействия [9‑11]. Использование кавитации для эффективной очистки воды – это новая перспективная, энергетически малозатратная, экологичная, не требующая применения реактивов технология. Кавитационный метод обработки воды эффективен и прост в реализации.

Список литературы:

1. Машковцева Е.Н., Романчиков А.В., Карлович И.А., Стариков А.Н. Метод подготовки и мониторинга качества питьевой воды при каталитическом методе обезжелезивания для станций водоподготовки. Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена, 2012. - № 2. – С. 121-124.
2. Кузубова Л.И., Морозов С.В. Марганец в питьевой воде. Н.: ГПНТБ СО АНН СССР, 1991. - 68 с.
3. Шаяхметов Р.З., Шаяхметова С.Г., Сошников А.Н. Внутрипластовая деманганация воды на подземном водозаборе г. Нефтекамска РБ. Нефтегазовое дело, 2012. - № 10. – С. 183 187.
4. Дашибалова Л.Т. Очистка подземной воды от железа и марганца окислительно-сорбционным методом, Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии добычи и переработки природного сырья в условиях экологических ограничений», У.: 2014. – С. 136 137.
5. Ивченко В.М., Кулагин В.А., Немчин А.Ф. Кавитационная технология; ред. Г.В. Логвинович. Красноярск: Изд-во КГУ, 1990. - 200 с.
6. Демиденко Н.Д., Кулагин В.А., Шокин Ю.И., Ли Ф.-Ч. Тепломассообмен и суперкавитация. Новосибирск: Наука, 2015. - 436 с.
7. Ивченко В.М., Кулагин В.А., Есиков С.А., Лаврик Н.Л. Кинетика кавитационного воздействия на элементы гидротехнических сооружений и гидроэнергетического оборудования, Известия ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, Л.: Энергоатомиздат, 1987. Т. 200. – С. 43–48.
8. Кулагин В.А. О ядерной теории кавитации и кавитационной прочности чистой воды, Гидродинамика больших скоростей. Красноярск: КрПИ, 1986. - С. 3–23.
9. Есиков С.А., Кулагин В.А., Лаврик Н.Л. Кавитационное воздействие с образованием метастабильных свойств воды и водных растворов, Гидродинамика больших скоростей: Труды III Всесоюзной школы-семинара. Красноярск: КрПИ, 1987. - С. 20–27.
10. Кулагин В.А. Гидродинамические воздействия на жидкости, золи, смеси и твердые границы потоков, Вестник КГТУ. Красноярск: КГТУ, 1997. - № 8. – С. 26–43.
11. Кулагин В.А. О феноменологической модели механолиза воды, Вестник КГТУ. Красноярск: КГТУ, 1996. - № 2. – С. 61–68.

Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: