Авторы: Е. Янек, К. Шле, И. Арнольд, Ф. Гломбица
Источник: die Grubenwasserbehandlung Sonderdruck deutsch
Аннотация:
Е. Янек, К. Шле, И. Арнольд, Ф. Гломбица. Использование новых систем вентиляции для повышения эффективности в очистке шахтных вод. В этом документе идёт речь об опыте и результатах нового способа вентиляции процесса удаления железа.
В условиях, когда диффузия кислорода определяет этап очистки воды, этот способ вызывает значительное увеличение количества оксидов в воде. В качестве дополнительных эффектов, которые способствуют повышению эффективности очистки шахтных вод, может существенное значение оказывать пропускная способность аэратора.
В статье представлены опыт и результаты применения новой системы аэратора в шахте. Процессы удаления железа, окиси железа и шлама стали более стабильными и эффективными при применении аэраторов. Впервые спиральные аэраторы были использованы в Нижней Лужице, где велась добыча лигнита — лучший район для очистки от железа железосодержащих шахтных вод. Эти устройства приводят к повышенной скорости окисления железа при существующих условиях, когда диффузия кислорода детерминирует скорость шага. Более того, предложен метод увеличения пропускной способности и оптимального использования извести для лучшего сгущения, что привело к повышению эффективности очистки шахтных вод.
1 Введение
Стандартный метод очистки полученной питьевой воды из лужицкого лигнита представляет собой осаждение гашеной известью, используемой как суспензия извести (или в виде сухой дозы). Железо содержится в количествах, зависящих от степени очистки шахтных вод, например 10-600 мг/ л. В конце 1990 года на водоочистных сооружениях Лужицы не было активных вентиляционных устройств для окисления двухвалентного железа.
В связи с увеличением доли наклона грунтов и образованием открытых канав необходимо было закрыть водоочистные станции шахты. Также произошло резкое увеличение концентрации железа (II) в сырье до 100 и 150 мг/л. В этих условиях технология не могла поддерживаться без принудительной вентиляции.
2 Процесс окисления железа
Реакции для удаления растворенного железа из шахтной воды могут быть иллюстрированы двумя реакциями:
Fe2+ + 0,5 O2 + 2 Н+ → 2 Fe3 + + Н2О (1)
2. Гидролиз Fe3 + :
2 Fe3 + + 6 H2О → 2 Fe (OH)3+ 6 H+ (2)
Общая реакция может быть выражена следующим образом:
2 Fe2+ + 0,5 O2 + 5 H2О → 2 Fe (OH)3 + 4Н+ (3)
или
2 Fe2+ + 0,5 O2 + Н2O + 4OH- → 2 Fe (OH)3 (4)
Эти уравнения дают только стехиометрические отношения. Из уравнения (1) можно принять потребность в кислороде для железа (II) — 0,143 мг O2 для каждого миллиграмма растворенного двухвалентное железа. Для скорости Fe (II) окисление рассматривается в диапазоне рН от 5 до 7.
Скорость окисления зависит от Fe (II), концентрации парциального давления кислорода и рН. По отношению к Fe (II) и кислороду в реакции первого порядка, т.е. скорость окисления линейно зависит от концентрации исходных веществ (Fe (II) и О2 (растворенного) при прочих неизменных условиях реакции. По отношению к ОН- концентрация ионов – это реакция второго порядка. Это означает, что с увеличением рН на одну единицу (десятикратное увеличение ОН- концентрации ионов) скорость реакции на коэффициент 100 увеличивается. Выше рН 8 скорость реакции настолько велика, что молекула железа (II) является окисленной диффузией, то есть последующей доставкой окислителя диффузионным способом. Кислород является определителем скорости шага протекания реакции.
Для процесса очистки шахтных вод с высокой концентрацией двухвалентной молекулы железа, зависящего от законов массообмена кислорода из газа в жидкую фазу, в управлении технологическими процессами применяются следующие требования:
• Для достижения максимальных темпов процесса при значениях рН > 8 окисление не требуется;
• Вентиляция должна быть произведена там, где потребность в кислороде является наибольшей, т.е. сразу после добавления извести. В этих условиях движущая сила переноса кислорода из воздуха в водную фазу является наибольшей;
• Вентиляция должна быть с мелкими пузырьками в условиях турбулентного потока движения жидкости и должна захватывать большую площадь поверхности раздела в пользу переноса массы и диффузии в объеме воды для ускорения;
• Для осаждения Fe (OH)2 кислород необходим непосредственно в Fe (OH)2. Хлопья транспортируют, например, посредством высокоскоростной мешалки.
3 Использование новых систем вентиляции в Шварце Пумпе
Технологическое проектирование GWRA Шварце Пумпе было уже спроектировано в конце 1950 года и разработано в 1961 году фирмой Kаdner и опубликовано в том же году в журнале «Из воды».
Для вентиляции были построены 4 прямоугольных бассейна с мощностью 975 м3/час. Распределение воздуха в бассейне происходит относительно центральной оси бассейна, являющейся основной распределительной ситемой, соединенной стальной трубой.
Таким образом, грубое распределение воздушных пузырьков было достигнуто в бассейне. Это вентиляция была использована лишь в течение короткого времени, а затем перестроена.
В связи с увеличением доли наклона грунтовых вод пришлось закрыть трубопроводы GWRA Шварце Пумпе, что привело к увеличению концентрации Fe (II) в сырье до 100-150 мг/л. При этих условия уже не могла использоваться старя технология без принудительной вентиляции. Первоначальные системы вентиляции в 1999 году больше не были доступны, и эти способы очистки были выведены из эксплуатации, стояла проблема установления новых систем вентиляции. Были использованы следующие части устройств в качестве возможных мест для поступления кислорода: водопропускные трубы, бак, аэротенк. Эти части устройства находились в направлении потока при добавлении извести, где потребность в кислороде является наибольшей. Они были использованы в контактном баке аэротенка для очистки городских сточных вод. Их главное преимущество — сочетание технологических стадий и перемешивание, также проветривание в устройстве, что делает их почти идеальными, подходит для вышеупомянутых требований, — быстрая, эффективная передача кислорода и быстрое окисление железа (II). Аэратор полностью наклонён в воду, также установлен полый вал в конце спирального пропеллера. Вентиляция основана на всасывании воздуха через полый вал и тонкое распределение пузырьков воздуха в спиральном винте, который передает воду вниз в наклонную балку.
Интенсивное перемешивание и распределение пузырьков воздуха является высоким показателем аэрирования. Под использованием кислорода понимают процентное содержание растворенного кислорода в воде в расчете на общее количество подаваемого в систему вентиляции воздуха. Эти диффузоры предназначены для аэрации тонких пузырей через выпускное отверстие. В зависимости от количества выпускаемого воздуха, мембранные перегородки могут открываться полностью либо нет. Таким образом, размер пузырьков определяется пропускной производительностью (м³ воздуха на м² поверхности мембраны). Следовательно, чем ниже пропускная способность, тем лучше использование кислорода.
С другой стороны, при этой нагрузке вентилятора, количество использованного кислорода на глубине гораздо ниже. Время пребывания пузырьков в воде зависит от требований к степени очистки воды. С этой точки зрения присоединение мембраны на дне аэротенка лишь улучшает процесс очистки. Этот механизм соответствует первоначальной концепции аэротенка. В этих бассейнах, предназначенных для непрерывной работы, существует риск засорения аэратора твердым осадком. Таким образом, этот механизм не рекомендуется.
Для организации мембранных диффузоров применяют нетрадиционный раствор, используя конструкцию из особенных водопропускных труб. Сильный ток в опорной трубе вентиляции позволяет в этой точке подачу воздуха с относительно низким давлением. Новые системы вентиляции для повышения эффективности в очистке шахтной воды были применены в Лужице. Были испытаны в экспериментальном тесте два насоса.
4 Результаты
Определение утилизации кислорода определяли путем измерения газового состава воды. Измерение газового состава воды в водопропускных трубопроводах привело к остаточному содержанию кислорода (4-5%). Это очень высокое значение достигается потому, что входной кислород сразу же реагирует после добавления извести.
Проверить систему вентиляции во всех шахтных водах можно с применением системы очистки при максимальной нагрузке железа 450 кг/час Fe (II). Скорость окисления зависит от Fe (II), концентрации парциального давления кислорода и рН. По отношению к Fe (II) и кислороду в реакции первого порядка, т.е. скорость окисления линейно зависит от концентрации исходных веществ (Fe (II) и О2 (растворенного) при прочих неизменных условиях реакции. По отношению к ОН- концентрация ионов – это реакция второго порядка. Это означает, что с увеличением рН на одну единицу (десятикратное увеличение ОН- концентрации ионов), скорость реакции на коэффициент 100 увеличивается. Выше рН 8 скорость реакции настолько велика, что молекула железа (II) является окисленной диффузией, то есть последующей доставкой окислителя диффузионным способом. Кислород является определителем скорости шага протекания реакции.
Другие критерии оценки
Стандартный метод очистки полученной питьевой воды из лужицкого лигнита представляет собой осаждение гашеной известью, используемой как суспензия извести (или в виде сухой дозы). Железо содержится в количествах, зависящих от степени очистки шахтных вод, например 10-600 мг/л. В конце 1990 года на водоочистных сооружениях Лужицы не было активных вентиляционных устройств для окисления двухвалентного железа.
В связи с увеличением доли наклона грунтов и образованием открытых канав необходимо было закрыть водоочистные станции шахты. Также произошло резкое увеличение концентрации железа (II) в сырье до 100 и 150 мг/л. В этих условиях технология не могла поддерживаться без принудительной вентиляции.
Список использованной литературы:
3. Сигг Л., Штумм В. (1994): Водная Химия — Введение в химию водных растворов и природных вод. — Штутгарт, ИСБН 3-519-23651-6.
4. Фукс Л., Эбернс Т. (1998): Вентилируемые накопители сточных вод. — Вода, гидротехника (ВВт) 3: 8-1 с.