Очистка подземных вод, содержащих сероводород, пероксидом водорода

Очистка подземных вод, содержащих сероводород, пероксидом водорода

Сельские поселения Ростовской области испытывают большой дефицит в качественной питьевой воде. Источником питьевого водоснабжения большинства сельских районов являются подземные воды [1].

Подземные воды южной и юго-восточной части Ростовской области, отличаются повышенным содержанием сероводорода и железа [2,3]. Поэтому очистка подземных вод от выше указанных компонентов является актуальной и первостепенной задачей обеспечения сельского населения качественной питьевой водой.

Объектом исследований являлись подземные воды Егорлыкского района Ростовской области, являющиеся источником питьевого водоснабжения станицы Егорлыкской. Химический состав подземных вод показал их несоответствие питьевому качеству по ряду показателей [3], в частности, по сероводороду, содержание которого превышает ПДК в 1000 раз. Исходя из выше изложенного очевидно, что первоочередной задачей по доведению данной воды до питьевого качества является удаление из нее сероводорода.

Существует несколько методов удаления сероводорода из подземных вод: физический, биохимический, химический [4,5].

Наиболее полное удаление сероводорода из воды обеспечивает химическая очистка, заключающаяся в окислении Н₂S с помощью таких сильных окислителей, как хлорсодержащие реагенты, озон и других до свободной серы, тиосульфатов, сульфидов и сульфатов. Так, в качестве окислителя Н₂S применяют газообразный хлор или хлорную известь из расчета 3−4 мг активного хлора на один мг сероводорода [5].

В настоящее время многолетняя практика выявила множество негативных аспектов применения газообразного хлора. Это, прежде всего, наличие экологически опасного хлорного хозяйства, которое всегда является потенциальным источником чрезвычайных ситуаций. Газообразный хлор является ядовитым веществом, относящемся ко второму классу опасности, для которого ПДК в воздухе составляет 1 мг/м³ (ГН 2.2.5.686−98). При высоком содержании в воде органических соединений последующее хлорирование приводит к образованию хлорорганических соединений, обладающих канцерогенным действием [6,7].

В последнее время большинство станций очистки воды переходят на использование в качестве дезинфектанта (и окислителя) гипохлорита натрия (ГХН) [8]. Одним из основных аспектов, ограничивающим использование ГХН для обезвреживания сероводорода на станции очистки Егорлыкского сельского поселения, является финансовая составляющая.

Кроме того, для получения раствора ГХН на месте (электролизом) необходимо приготовление раствора NaCl. Для этого предъявляются особые требования к качеству воды, а именно, минимальная жесткость. Учитывая химический состав подземных вод ст. Егорлыкской, отличающихся достаточно высоким содержанием кальция, магния, гидрокарбонатов, необходимо проводить дополнительную деминерализацию воды [2].

Эффективным методом удаления сероводорода из воды, на наш взгляд, является окисление пероксидом водорода.

Преимуществом использования пероксида водорода в практике водоподготовки является: возможность использования реагента в широком интервале значений концентраций, температуры и рН; высокая селективность окисления различных примесей; хорошая растворимость Н₂О₂ в различных реакционных средах: водных и не водных, гомогенных и гетерогенных; относительно малая, по сравнению с хлором коррозийная активность, что позволяет применять оборудование из стали; отсутствие экологически опасных продуктов разложения [10].

В связи с выше изложенным, целью работы являлось изучение необходимого времени контакта обрабатываемой воды с 30%-ным раствором пероксида водорода для удаления из неё сероводорода.

Необходимо отметить, что в результате окисления растворенного сероводорода, пероксидом водорода сера образуется в воде в коллоидном виде и образует достаточно крупные ассоциаты желтого цвета, распределенные в объеме воды. Коллоидная сера, находясь в воде в высокодисперсном состоянии и обладая высокой агрегативной устойчивостью, относится к трудно фильтруемым золям [11], поэтому без предварительной дестабилизационной обработки не может быть полностью удалена из воды методом обычного осаждения, фильтрации, центрифугирования и флотации. Для коагуляции наиболее эффективным является полиоксихлорид алюминия марки «АКВА — АУРАТ ^ТМ 30» [9,11]. При его использовании отпадает необходимость в дополнительных реагентах, обеспечивается предельно допустимое содержание алюминия в очищенной воде. Кроме того, данный коагулянт весьма эффективен для удаления из воды растворимых соединений железа.

Окисление сероводорода и его растворенных форм пероксидом водорода описываются уравнениями:

Н₂S + H₂O₂ > 2H₂O + Sv (удельная доза 1,0 г/г) (1).

HS^- + H₂O₂ + H⁺ > 2H₂O +Sv (удельная доза 1,03 г/г) (2).

S^-2 + 4H₂O₂ > SO₄^2- + 4H₂O (удельная доза 4,25 г/г) (3).

пероксид водород сероводород вода Форма сероводорода в воде зависит от величины рН воды. В кислой среде присутствует в основном свободный сероводород (H₂S), в слабощелочной — в виде ионов HS?, в сильнощелочной среде при рН > 10 — в виде ионов S^-2. Результаты исследования проб воды из скважин и резервуара ст. Егорлыкской показали, что вода обладает слабощелочной реакцией среды — в резервуаре рН ~ 8, хотя по отдельным скважинам значение водородного показателя может достигать 8,7. Следовательно, сероводород находится в виде ионов HS?, которые крайне плохо поддаются удалению из воды физическими методами, в частности аэрационной дегазацией. Выше указанное явилось основанием для рекомендации обезвреживать исследуемые подземные воды реагентным способом, а именно, пероксидом водорода.

Исходя из стехиометрического уравнения (2) были определены дозы пероксида водорода и объем 30% раствора Н₂О₂, необходимые для обезвреживания сероводорода в виде гидросульфид-ионов при их различном содержании. Результаты расчетов представлены в табл.1.

Таблица 1.

Дозы Н₂О₂ и объемы 30% раствора пероксида водорода необходимые для обезвреживания сероводорода в виде HS-;

С целью определения необходимого времени контакта пероксида водорода с обрабатываемой водой была экспериментально изучена химическая реакция, описываемая уравнением (2).

При протекании выше указанной реакции на 1 мг НSЇ требуется 1,03 мг в пересчете на чистый H₂O₂. Экспериментально установлено, что с момента приливания 3,1 мл 30% раствора H₂O₂ к 1 л обрабатываемой воды, до начала появления опалесценции затрачивается в среднем 6,94 мин (416,4 с). Определение проводили в 3-х кратной повторности.

Условная скорость начала протекания реакции (V) определялась как величина обратно пропорциональная промежутку времени с момента приливания раствора H₂O₂ к обрабатываемой воде до начала появления опалесценции, и равна 0,0024 моль/(л· с). Аналогичным образом определяли V при увеличении концентрации пероксида в растворе, результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты экспериментальных определений времени протекания реакции.

На основании экспериментальных данных построили графическую зависимость времени начала протекания реакции (ф) от концентрации пероксида водорода в пересчете на чистый Н₂О₂ (рис. 1).

Рис. 1 — Зависимость времени протекания реакции окисления сероводорода в зависимости от концентрации Н₂О₂

Коэффициент корреляции равен = 0,9845.

Полученное уравнение зависимости ф =ѓ позволяет установить расчетным путем минимальный промежуток времени, необходимый для контакта обрабатываемой воды с пероксидом водорода.

Вывод

Сравнительная оценка используемых химических окислителей для обезвреживания сероводорода показала преимущество пероксида водорода над хлорсодержащими реагентами. Изучена зависимость времени протекания реакции окисления сероводорода от концентрации Н₂О₂ в пересчете на чистый пероксид водород, на основании которой получено уравнение для расчета минимального времени контакта обрабатываемой воды с раствором пероксида водорода при различном содержании в ней сероводорода.

• 1. Экологический атлас Ростовской области: Водные ресурсы Ростовской области
• 2. Разработка схем водоснабжения и водоотведения Егорлыкского сельского поселения Егорлыкского района Ростовской области / Проект схем водоснабжения и водоотведения. — Ростов на Дону: ГУП РО «УРСВ», 2013. — 101 с.
• 3. Ганичева Л. З. Современное состояние подземных вод в районе промышленных городов Ростовской области // Инженерный вестник Дона, 2013, № 2
• 4. Дегазация. Удаление сероводорода из воды // Национальный центр водных технологий
• 5. Очистка воды от сероводорода // Водоснабжение, очистка и качество воды
• 6. Chemical changes of organic compounds in chlorinated water: X. Formation of polychlorinated methylphenoxymethylphenols (predioxins) during chlorination of methylphenols in dilute aqueous solution / S. Onodera, K. Yamada, Y. Jamaji, Sh. Ishikura, S. Suzuki // Journal of Chromatography A. — 1986. — Vol. 354. — pp. 293−303.
• 7. DBPs formation and genotoxicity during chlorination of pyrimidines and purines bases / B. Zhang et al. // Chemical Engineering Journal. — 2017. — Vol. 307. — pp. 884−890.
• 8. Бреус С. А., Скрябин А. Ю., Фесенко Л. Н. Разработка технологии очистки природной воды для питьевых целей на период чрезвычайных ситуаций: производство активного хлора электролизом воды // Инженерный вестник Дона, 2016, № 2
• 9. Линевич, С. Н. Электрокинетическая характеристика коллоидной серы, образующийся при окислительной обработке сероводородных вод / С. Н. Линевич, С. И. Игнатенко // Технические аспекты рационального использования курортных ресурсов: Межвуз. сб. — Новочеркасск, НПИ, 1982. — с. 83−87.
• 10. Денисов, В. В. Внедрение экологически безопасных технологий в питьевом водоснабжении / В. В. Денисов, В. В. Гутенев, А. П. Москаленко, Е. В. Гутенева // Экология и промышленность России. — 2001. № 5. — С. 29−31.
• 11. Особенности коагуляционной обработки сероводородсодержащих вод на Ейском групповом водопроводе / С. Н. Линевич, С. В. Гетманцев, И. А. Кудинов [и др.] // Водоснабжение и сан. техника. — 2004. — № 9. — с. 21−24.