УДК 628.1

Квартенко Александр Николаевич, к.т.н.

Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина

Некоторые аспекты теоретических основ комплексной очистки подземных железосодержащих вод с низким щелочным резервом

Подземные воды Северо Западных регионов Украины, Белоруского Полесья, Западных воеводств Польской республики в большинстве своем имеют подпитку из лесных болот и озер, что ведет к появлению в них устойчивых фосфатных, фульватных, гуматных комплексов железа и марганца. В классификациях железисто-марганцовых вод, позволяющих в первом приближении выбрать технологическую схему кондиционирования, основными критериями дифференциации являются: минеральная и органическая содержащаяся в воде железа и марганца; бикарбонатная щелочность; окислительно-восстановительный потенциал среды; индекс стабильности; микробиологические свойства воды. Сложность в выборе надежной и экономически обоснованной технологии подготовки подземных вод для хозяйственно-питьевых целей появляется в тех случаях, когда они характеризуются низкими значениями щелочности ( < 2 мг-экв/л) и рН (< 6.5); высокой цветностью (³ 50^о Pl-Cb шкалы) и окисляемостью (> 5-6 мг О /л); значительным содержанием СО₂ (³ 60-120 мг/л), аммиаком (³ 2.5-3.0 мг/л) и железа (³ 4-20 мг/л), а также в различных их сочетаниях. На основании теоретического анализа, а также основываясь на исследованиях, проведенных на реконструированных либо вновь построенных по нашим рекомендациям станциях водоподготовки, предлагается концепция эндогенного окисления железоорганических, азотаммонийных соединений и легкоокисляемой органики продуктами внутриклеточного метаболизма активированных в биореакторах ферро и марганцеокисляющих бактерий. Активация процессов водоочистки достигается в результате: обработки исходной воды переменным (ПеМП) либо постоянным (ПМП) магнитным полем, оптимизацией параметров рН-Eh системы. При очистке вод с низким щелочным резервом (менее 2 мг-экв/л) для ускорения процессов окисления предлагается перед системой аэратор - биореактор повышать бикарбонатную щелочность обрабатываемой воды, связывая агрессивную углекислоту. Предложенная нами концепция базируется на теориях: кластерной структуры воды [2], окисления гидрокарбонатов и железоорганических соединений продуктами внутриклеточного метаболизма ферробактерий [3], а также механизмов магниторецепции микроорганизмов [4]. Известно, что основным продуктом метаболизма железобактерий является пероксид водорода окисляющий ионы Fe²⁺ согласно реакции:

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2Н+ 2Fe³⁺ + 2H₂O.

Кроме того пероксид водорода окисляет и железоорганические комплексы:

R-C(O)-O-Fe-O-C(O)-R + Н₂О₂→ Fe³⁺+2 RCOOH

По нашему мнению при наложении извне постоянного либо переменного магнитного поля система активируется за счет возникновения внутри модуля насадки огромного числа микромагнитов из орудненных капсул, притягивающих к себе кислород, кислородные радикалы, ионы Fe²⁺, а также чехлы с действующими ферробактериями. Образуется система (рис.1) состоящая из внешнего макро- и множества внутренних неоднородных микромагнитных полей, наложение сил которых способствует возникновеннию так называемого синергетического эффекта, усиливающего силу воздействия МП как на микрофлору так и на изменение структуры воды проходящей через этот «магнитный преобразователь». Кислородные радикалы, выделяющиеся в процессе ферментативного окисления соединений железа [3], не накапливаються на поверхности клеток, а мигрируют к полюсам соседних микромагнитов (артефактов чехлов ферробактерий), которые из практически инертного осадка превращаються под воздействием магнитного поля в активные макрочастицы. К поверхности таких макрочастиц притягиваються находящиеся в системе кислород и его радикалы, окисляющие сорбированные на их поверхности ионы Fe²⁺. Кислород, как истинный парамагнетик, в данной активированной системе направляеться адресно как к намагниченным артефактам, так и к ферробактериям – ускоряя процессы ферментативных реакций.

Рис.1. Схема взаимодействия орудненных артефактов, ферробактерий и продуктов их метаболизма с ионами Fe² и железоорганическими комплексами под воздействием ПМП

Как показали наши исследования [5], подземные воды богатые органикой, после очистки в биореакторах содержат высокодисперсный отрицательно заряженный, трудно осаждаемый растворами коагулянтов золь. При низкой щелочности обрабатываемой воды решение данной задачи cущественно это усложняет процесс водоочистки. Для решения этой задачи в общую технологическую схему водоочистки после биопредподготовки обоснованным является коагуляция высокоустойчивых примесей в магнитном поле. Согласно гипотезе предложеной Е.В. Вильсоном, Н.С. Серпокрыловым, С.В. Гетманцевым [7], о механизме взаимодействия органических кислот с полиядерными гидроксокомплексами на примере иона [Al₁₃ O₁₁(OH)₂₄ H₂O₁₂]⁷⁺ - органические кислоты в слабощелочной области несут отрицательный заряд тогда как полиядерные гидроксокомплексы – положительные. В результате чего происходит координация взаимодействия между алюминием и кислотой. Осуществление взаимодействия по такому механизму зависит от возможности разрыва связей иона алюминия с кислородом гидроксида (Al-О(Н)) или иона алюминия с кислородом воды (Al-О(Н₂)). Известно, что аквакомплексы вступают в обменные реакции с ионом водорода функциональных груп органических кислот. Связь металла с кислородом воды в гидроксокомплексе слабее чем в аква комплексе, последняя примерно равна связи М-(ОН) в гидроксокомплексе. Основываясь на этом нами предложена гипотеза о возможности ускорения разрыва связи (Al-О(Н)) под воздействием ПМП определенной силы и интенсификации процесса коагулирования таких комплексов. В результате взаимодействия органических кислот с полиядерными гидроксокомплексами образуются крупные ассоциаты с разветвленной структурой [6], которые более склонны к седиментации, чем мелкие комплексы.

Список использованных источников:

1.Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. – М. Стройиздат, 1987. – 240с.

2. Зенин С.В.. "Исследование структуры воды методом протонного магнитного резонанса", Докл. Акад. Наук, 332(3), 328-329 (1993).

3. Сафонов Н. А., Квартенко А. Н, Сафонов А. Н. Самопромывающиеся водоочистные установки. Монография - Ровно: РГТУ, 2000. 155 с.

4. Kirschvik J.L.,Jones D.S. Magnetite Biomineralization and Magnetoreception in Organism: A New Biomagnetizm (Topics in Geobiology, Vol. 5) (New York: Plenum Press, 1985).

5. М..Г. .Журба, А.Н. Квартенко. Активация биофлокуляционных процессов водоподготовки в постоянном магнитном поле. Вода. Химия и экология. Всероссийский научно-практический журнал, №3 2009. с. 20-27.

6. А.Н. Квартенко., М..Г. .Журба, Теоретическое обоснование кондиционирования подземных вод сложного физико-химического состава в постоянном магнитном поле. Вода. Химия и экология. Всероссийский научно-практический журнал, №11, 2010 г, с.24-33.

7. Н.С. Серпокрылов, Е.В. Вильсон, С.В. Гетманцев, А.А. Марочкин «Экология очистки сточных вод физико-химическими методами». – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. – 264с.