Методы обезжелезивания воды

Зачем нужно обезжелезивание воды? Дело в том, что в природной воде содержится множество растворённых элементов, включая железо. В поверхностных источниках присутствие железа незаметно, но в грунтовых водах может обнаружиться металлический привкус и коричневый осадок. Эти два признака свидетельствуют о чрезмерном содержании железа, которое в некоторых регионах РФ доходит до 60 мг/л. Норматив содержания железа для питьевой воды — 0,3 мг/л. Небольшое превышение ухудшает вкус воды, а концентрация выше 3 мг/л уже опасна для здоровья.

Способы обезжелезивания воды

Как же защитить себя? Выделяется несколько способов обезжелезивания воды:

• безреагентный;
• реагентный;
• электрохимический;
• безокислительный.

Безреагентное обезжелезивание воды

Безреагентный метод обезжелезивания воды основан на естественном окислении: растворённое железо, окисляясь, обращается в ржавчину и выпадает в осадок.

Реагентное обезжелезивание воды

В реагентном методе обезжелезивания воды тоже участвуют засыпки, но обработанные сильным окислителем: перманганатом калия (марганцовкой) или гипохлоритом натрия. Для поддержания работы фильтра необходимо постоянно обновлять реагент, что относится к недостаткам этого способа наряду с опасностью используемых соединений.

Электрохимическое окисление

Этот метод основан на электролизе. Под действием тока положительный электрод (анод) окисляет, выделяя молекулы железа из раствора, а отрицательный электрод (катод) притягивает и удерживает их. Компактный блок электрохимического окисления легко разместится даже в квартире.

Безокислительные методы

Безокислительные технологии очистки предназначены для небольших объемов воды с малой концентрацией железа. Сюда относится ионный обмен, при котором специальные смолы задерживают в себе ионы железа, выделяя вместо них ионы натрия, а также обратный осмос, очищающий воду при помощи мембраны, не пропускающей крупные молекулы, в том числе железо.

Столкнувшись с проблемой излишка железа в воде, найдите своё решение и пейте здоровую воду!

www.alto-lab.ru

Ионный обмен (Умягчение)

Для удаления различных примесей из воды, в том числе растворенных металлов и органических соединений уже более 50 лет используют ионообменные смолы — катиониты и аниониты в различных комбинациях, требующие регенерации поваренной солью NaCl в таблетках.

Процесс удаления солей и металлов на ионообменных смолах называется умягчением. Изначально этот метод применялся и сейчас применяется в основном для удаления солей жесткости (соли кальция, магния). Однако, сейчас есть большой выбор ионообменных смол и для удаления железа, а так же органики.

Ионообменные смолы — это очень обширная тема. Мы говорим здесь исключительно о бытовой водоочистке и я буду сообщать только то, что следует знать о смолах в ключе нашей задачи — очистить воду в частом доме, либо на малом производстве от растворенных металлов.

Что же представляет из себя Смола? Это синтетические шарики, изготовленные из полимерных материалов. Они очень мелкие, их много, они похожи на мелкую икру минтая, щуки или на «тобико» — икру летучей рыбы. Мы, монтажники водоочистки, даже ради забавы называем смолу «икрой» на профессиональном сленге.

Суть процесса умягчения принципиально отличается от обезжелезивания. Смолы не окисляют и не переводят растворенные вещества в твердую форму для последующего фильтрования, а замещают («впитывают») растворенные вещества в воде на катионы натрия, который не придает воде такого свойства, как жесткость. Общая солевая насыщенность воды при этом остается неизменной или даже возрастает. Это зависит от типа растворенных веществ, которые забирает смола.

Исходя из вышесказанного возникает важный параметр ионообменных смол — ионообменная емкость смолы. Емкость смолы подобна емкости электрической батарейки. Есть запас натрия, который в процессе ионного обмена постепенно расходуется, тем самым снижается способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий — заканчивается и очистка — вода проходит через толщу смолы не изменяя своих свойств.

Мы заранее рассчитываем работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенрацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения емкости. Этот период называется в водоочистке фильтроциклом. О расчете количества смолы, соли для регенерации, фильтроцикла читайте в статье об умягчении.

Такие мультикомпонентные загрузки, как Экотар, Экомикс, FeroSoft, АПТ-2, Ionofer c различными индексами А, В, С и т.д. предназначены для удаления ионным путем растворенных солей, металлов, органических соединений, а также широкого спектра других веществ: тяжелые металлы, ионы аммония, железоорганические соединения, фосфор, кальций, кремний и многие другие.

Как я уже сказал — смола регенерируется с помощью таблетированной поваренной соли NaCl, соль продается на всех строительных рынках, в магазинах сантехники, стоит примерно 7$ за 30кг мешок. Расход соли определяется в основном количеством удаляемых веществ.

В среднем около 1 мешка соли в месяц уходит на умягчение воды.

Обратный осмос.

Системы обратного осмоса — это принципиально иной метод очистки воды.
есь мы имеем дело с фильтрованием воды сквозь мембрану. Грубо говоря это сетка, через которую проходят молекулы воды, но не проходят молекулы солей жесткости и растворенных металлов. При этом задержанные молекулы не образуют осадка на поверхности мембраны, а сразу же сливаются в дренаж (канализацию). В процессе фильтрации в обратном осмосе вода разделяется на два потока — пермеат (очищенная)  и концентрат (грязная вода).

В среднем на 1 куб.м. очищенной воды мы получаем полтора куба концентрата, который надо куда-то сливать.

Системы обратного осмоса эффективны при удалении растворенных металлов и солей жесткости. Они не замещают одни вещества другими, как ионообенные смолы, а реально очищают воду от примесей, в этом огромное преимущество обратного осмоса. Но это, пожалуй, самый дорогой процесс очистки воды и по причинам целесообразности его реже всего используют для удаления растворенного железа и марганца.

Однако, при высоких содержаниях растворенного двухвалетного Fe2+ железа и низком pH<7 осмос может быть весьма эффективен для удаления 20 и выше мг, потому что молекулы железа гораздо крупнее пор мембраны — их легко фильтровать.

ochistkavodi.ru

СТАТЬИ

ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА.
(автор: Ген.директор компании «МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» — С.В.Черкасов)

1. ВВЕДЕНИЕ
2. ПРИРОДНЫЕ ФОРМЫ ЖЕЛЕЗА В ВОДЕ.
     2.1. Формы железа в поверхностных водах.
     2.2. Формы железа в скважных водах.
3. МЕТОДЫ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ВОДЫ.
4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА.
     4.1. Аэрация.
     4.2. Дозирование в воду сильных окислителей.
          4.2.1. Хлорирование.
          4.2.2. Озонирование.
          4.2.3. Коагуляция.
5. КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ.
     5.1. Ионообменный метод удаления железа.
     5.2. Обезжелезивание мембранными методами.
     5.3. Биологическое обезжелезивание.

1. ВВЕДЕНИЕ

     Во многих регионах РФ, в том числе в Москве и Подмосковье, содержание железа в воде для большинства источников водоснабжения превышает допустимое рекомендациями СанПиН 2.1.4.1074-01.
раничение на содержание железа в питьевой воде введено в СанПиН по органолептическим признакам имеет ПДК равным 0,3 мг/л. Избыточное количество железа в воде при ее употреблении просто в быту приводит к неблагоприятному воздействию на кожу, влияет на морфологический состав крови, может быть причиной возникновения аллергических реакций.
     Вода, содержащая железо в концентрациях 1,0-1,5 мг/л и более, имеет желтовато-бурую окраску, повышенную мутность, железистый привкус, поэтому непригодна для питья. И даже в таких концентрациях железо не представляет прямой угрозы здоровью человека (если не пить ее постоянно), но и в менее низких концентрациях оно может причинить значительный вред бытовой и промышленной технике. Так уже при содержании общего железа 0,5 мг/л начинается интенсивное образование рыхлого шлама из хлопьевидных осадков в системах водоснабжения. Скопления шлама вызывают засоры со всеми вытекающими из этого последствиями, как для систем водоснабжения, так и для промышленной и бытовой техники. Страдает от повышенных концентраций железа также «белизна» ванн, раковин и другой сантехники. А во многих производствах (медицинская, пищевая, электронная  отрасли промышленности и др.) требуется еще более высокая степень очистки воды от примесей этого элемента. Особенно это актуально при дальнейшем использовании в процессах очистки воды таких ступеней как обратный осмос, электродеионизация.
тя и не менее важно защитить от железа обычную стадию умягчения воды.
     Именно поэтому удаление железа из воды (обезжелезивание), понижение его концентрации до допустимых норм является одной из самых насущных задач водоподготовки.
     Содержание железа в разных источниках водоснабжения значительно отличается как по форме соединений железа, так и по его суммарной концентрации.
     Анаэробная (не имеющая контакта с воздухом) прозрачная грунтовая вода может содержать соединения двухвалентного железа (Fe⁺²) до нескольких мг/л без ее помутнения при прямой подаче из источника. Однако при контакте с кислородом воздуха двухвалентное железо окисляется до трехвалентного коллоидного состояния, придавая воде характерный красно-коричневый оттенок.
     Поэтому для начала давайте разберемся с формами существования железа в природных водах (колодец, песчаная скважина, артезианская скважина), а далее обсудим методы очистки.

2. ПРИРОДНЫЕ ФОРМЫ ЖЕЛЕЗА В ВОДЕ.

2.1. Формы железа в поверхностных водах.

     Как ни странно, поверхностные воды (или так называемая «верховодка») служат основным источником водозабора для водоснабжения городов, крупных посёлков, промышленных предприятий, коттеджей и дач. Содержание железа в таких источниках обычно находится в пределах десятых долей миллиграмма на литр воды, но может превышать допустимую норму (0,3 мг/л).
к правило, железо поверхностных вод встречается в составе комплексов с солями гуминовых кислот (гуматы). Естественно, что повышенное содержание железа наблюдается в болотных или торфянистых водах, где концентрация гумусовых веществ велика. В этом случае содержание железа в воде может достигать 10 мг/л,  а иногда 25 мг/л.
     Гуминовые комплексы железа относят к так называемому растворимому органическому железу. К органическому железу относят еще и коллоидное железо, находящееся в воде во взвешенном состоянии в составе коллоидных частиц, образованных крупными органическими молекулами (танины, лигнины), а также бактериальное железо, которое получается в процессе жизнедеятельности железобактерий, окисляющих двухвалентное железо до трёхвалентного состояния. Бактериальное железо сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерий, создающих радужные пленки на поверхности водоемов (баков) или слизистые сгустки и пленки в системах водоснабжения (наша справка).

     Гуминовые комплексы железа являются чрезвычайно устойчивыми комплексными соединениями железа. Поэтому процесс «обезжелезивания» таких комплексов складывается из достаточно большого количества стадий, которые мы опишем немного позже.
Все приведенные данные относятся также к колодезным водам и водам, полученным из, так называемых, «песчаных скважин».

2.2. Формы железа в скважных водах.

     Скважинные инфильтрационные воды забираются с небольшой глубины (поверхностные скважины или песчаные) и по своему составу близки к составу поверхностных вод с невысоким, но вполне вероятно, превышающим ПДК содержанием железа. Они, как правило, обогащены кислородом и поэтому в инфильтрационных водах железо присутствует в трехвалентной форме. Однако в последнее время при очистке от железа воды, добытой из песчаной скважины, специалистам приходится сталкиваться с тем, что эта вода имеет все тенденции и состав, чтобы быть отнесенной к поверхностным водам. А самое главное иногда, эти воды содержат железо, концентрация которого в десятки раз превышает ПДК. При этом чаще всего это гуматы железа.
     Артезианские воды, забираемые с большой глубины (так, что между ними и инфильтрационными водами находится хотя бы один водонепроницаемый слой, наиболее пригодны для использования в качестве питьевой воды. Они лучше других вод очищены природными фильтрами от антропогенных загрязнений и защищены от проникновения болезнетворных микроорганизмов. В то же время именно в таких глубинных скважинных водах концентрация железа порой бывает наиболее высокой. В подземных водах с малыми значениями pH и с низким содержанием растворенного кислорода может наблюдаться концентрация железа до нескольких десятков миллиграммов в 1 л. В районах же залегания сульфатных руд и зонах молодого вулканизма концентрации железа могут достигать сотен миллиграммов на литр.
     В артезианских скважинных водах железо преимущественно присутствует в двухвалентном состоянии, обычно в виде растворенного бикарбоната – Fe(HCO₃)₂. Встречаются также карбонатная (FeCO₃), сульфатная (FeSO₄) и сульфидная (FeS) формы растворенных соединений двухвалентного железа. В трехвалентном состоянии растворенное железо встречается крайне редко в виде сульфатов (Fe2(SO4)3) или растворимых органических комплексов.

3. МЕТОДЫ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ВОДЫ.

     Необходимая степень обезжелезивания воды определяется конечными целями, для которых эта вода будет использоваться. И хотя на сегодняшний день не существует единого универсального метода комплексного удаления всех существующих форм железа из воды, но используя ту или иную схему очистки, все равно можно добиться желаемого результата в каждом конкретном случае.
     Окисление двухвалентного железа (Fe²⁺) кислородом, содержащимся в воде, происходит медленно. Его скорость зависит от величины рН среды и достигает приемлемой для практических целей при значении рН > 8. 
     Для примера, в замкнутой системе (без доступа воздуха) двухвалентное железо (Fe²⁺) полностью окисляется около 24 часов, а в открытой системе в течение 4 – 6 часов.
     Поэтому для интенсификации процесса окисления железа прибегают к подщелачиванию воды, ее перемешиванию, аэрации, обработке хлором или каким-либо другим окислителем. Данную стадию можно назвать – стадией предварительной подготовки воды для обезжелезивания.
     Таким образом, в целом, традиционные методы предварительной подготовки воды для обезжелезивания основываются:

• на окислении двухвалентного железа кислородом воздуха (аэрация);
• на химическом воздействии на двухвалентное железо или его соединений сильных окислителей (активный хлор, перманганат калия, перекись водорода, озон и т.д.).

     Эти методы позволяют предварительно подготовить воду для перевода железа из двухвалентного в трехвалентное состояние с образованием нерастворимого гидрооксида железа (III). 
     Более подробно способы предварительной подготовки воды для обезжелезивания мы рассмотрим чуть ниже.
     Однако выбор стадий очистки обезжелезивания воды на этом не оканчивается, поскольку после выбора способа предварительной подготовки воды для обезжелезивания необходимо выбрать способ ускорения реакции окисления, а также метод удержания нерастворимого гидрооксида железа (III), который, впоследствии, может удаляться отстаиванием и (или) фильтрацией с добавлением коагулянтов (флокулянтов), если это потребуется.
     В настоящее время наиболее широко применяемым для промышленного водоснабжения отдельных предприятий, отдельных коттеджей или коттеджных поселков является метод каталитического обезжелезивания. Метод основан на ускорении процесса реакции окисления  из двухвалентного состояния железа в трехвалентное в слое зернистого материала – катализатора обезжелезивания. 
     При этом реакция окисления железа происходит внутри напорного резервуара на скорых насыпных фильтрах, в которых засыпным слоем служит специальная фильтрующая среда с каталитическими свойствами. В первую очередь каталитические и фильтрующие свойства этих материалов определяются их высокой пористостью, обеспечивающей среду, как для протекания реакции окисления двухвалентного железа, так и обуславливающей способностью к удержанию окисленного трехвалентного железа внутри насыпного слоя. Сравнительные характеристики катализаторов обезжелезивания приведены в Таблице 1.
     Выбор катализатора обуславливается только качеством исходной воды и необходимой скоростью объемной фильтрации. При этом необходимо учитывать вроде бы незначительные факторы: значение рН исходной воды, совместимость каталитического слоя с дозируемыми реагентами и пр.
Необходимо учесть и тот фактор, что практически всегда обезжелезивание происходит одновременно с удалением из воды марганца, который окисляется значительно труднее, чем железо, и при более высоких значениях pH. То есть, при высоком содержании марганца в исходной воде лучше всего осуществить пропорциональное дозирование щелочного раствора для увеличения рН.
     Казалось все … НЕТ! Дело в том, что даже «самый хороший катализатор обезжелезивания» сможет удержать коллоидные частицы железа в диапазоне 10 – 25 мкм, остальные «проскользнут» дальше в систему водоснабжения. Исследования показали, что размер этих частиц составляет 1 – 7 мкм. Поэтому на финише необходим «фильтр-полицейский», которым, как правило, является патронный фильтр с картриджами глубинного типа, 5 мкм с переменной плотностью укладки волокон и пост-фильтром 1 мкм.  
     Итак, блок схема процесса обезжелезивания воды в идеале должна выглядеть следующим образом:

• предварительная подготовка;
• фильтр каталитического обезжелезивания;
• патронный фильтр с глубинными картриджами.

     Давайте кратко разберем весь процесс обезжелезивания постадийно.

4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА.

4.1. Аэрация.

     Аэрация может проводиться:

• фонтанированием (так называемые брызгальные установки);
• душированием (разбрызгиванием внутри некой емкости исходной воды);
• барботажем слоя воды воздухом;
• инжектированием, эжектированием (введением потока воздуха в поток воды за счет перепада давления);
• введением потока воздуха в поток воды с помощью компрессора под напором (что чаще всего используется).

     Во многих случаях вода, прошедшая обезжелезивание аэрацией с последующим отстаиванием и фильтрацией, уже оказывается пригодной к употреблению в качестве питьевой. По такой упрощенной схеме обезжелезивание эффективно, когда исходная концентрация железа не превышает 10 мг/л (при содержании двухвалентного железа не менее 70% от общего), концентрация H₂S не более 2,5 мг/л. Окислительно-восстановительный потенциал воды (редокс – потенциал (Red-Ox или Eh)) после аэрации не должен быть ниже 100 мВ, а индекс стабильности (индекс Ланжелье) не менее 0,05. 
     Выбор способа упрощенной аэрации зависит от параметров исходной воды. Например, для полного окисления двухвалентного железа Fe²⁺ в пределах до 5 мг/л требуется проводить аэрацию в течение 14 мин. В ходе аэрации происходит временное снижение рН воды. После завершения гидролиза величина рН воды повышается. Но, если концентрация сероводорода выше 0,5 мг/л, а свободной углекислоты – более 40 мг/л, то введения воздуха в трубопровод под напором не требуется – достаточно предусмотреть открытую емкость со свободным изливом в нее воды. Аналогичного эффекта можно достичь с помощью фонтанирования или душирования. Если же содержание железа в исходной воде выше 10 мг/л, то необходимо применять двухступенчатую схему обезжелезивания с предварительным дозированием какого-либо сильного окислителя и предварительной очистке воды на насыпных механических фильтрах. Об этом мы поговорим позже.
     Не входящее в состав органических комплексов двухвалентное железо в присутствии кислорода воздуха или же кислорода, растворенного в воде, окисляется до трехвалентной формы. Этот процесс описывается следующим образом:

Fe²⁺ + O₂ + H₂O → Fe(OH)₃ + H⁺

     Скорость данной реакции в обычных условиях невелика. Достаточно привести простой пример  — время окисления кислородом воздуха двухвалентного железа в трехвалентное состояние будет порядка сорока минут. 
     Правда в щелочной среде химическое равновесие в указанной выше реакции еще более смещается вправо, возрастает и скорость реакции окисления за счет удаления из реагентной среды ионов водорода при образовании с гидроксильными ионами молекул воды. Поэтому при высоких значениях pH (> 8,0) основной формой существования железа в воде является нерастворимый гидроксид железа (III) – Fe(OH)₃, находящийся во взвешенной коллоидной форме. Растворимым же Fe(OH)₃ становится лишь при очень низких значениях pH (< 4), крайне редко встречающихся в природных условиях.
     И все-таки, встает дилемма либо мы окисляем за счет аэрации двухвалентное железо в трехвалентное в какой-либо огромной емкости  (при этом происходит его естественное осаждение), либо необходимо каким-то образом ускорить эту реакцию окисления.
     Для этого, как мы уже упоминали выше, в настоящее время наиболее востребованным является метод каталитического обезжелезивания с использованием в качестве стадии предварительной подготовки воды напорную или безнапорную аэрацию. Чем он выгоден для производства воды мы рассмотрим далее.
     Принципиальные технологические схемы напорной аэрации и безнапорной аэрации воды. (Рис.).

4.2. Дозирование в воду сильных окислителей.

     Добавление в воду сильных окислителей значительно интенсифицирует процесс окисления двухвалентного железа. Этот процесс применяется реже, чем аэрация воды. Однако после обработки этим методом разных вод содержание железа во всех случаях остается меньше 0,1 мг/л, причем этот метод всегда эффективен, когда аэрация воды бессильна. Посмотреть технологическую схему.
     Например, именно под действием окислителей происходит разрушение гуматов, лигнинов и других органических соединений железа, которые переходят в форму неорганических солей трехвалентного железа, после чего они легко гидролизуются.
     Расчет установки для обработки воды сильными окислителями в первую очередь требует определить расход активного вещества на процессы окисления как двухвалентного железа, так и, обеззараживания и разрушение сероводорода. 
     Использование реагентов-окислителей, в первую очередь хлора, с целью обеззараживания, а также удаления железа, используется в России с начала ХХ века. Наиболее широко применяется хлорирование, позволяющее как провести процесс окисления двухвалентного железа, так и решить проблему дезинфекции воды.
     Поскольку объем информации в данной области достаточно велик, то в данной публикации мы кратко рассмотрим два наиболее распространенных способа обработки воды для ее обезжелезивания: хлорирование и озонирование.

4.2.1. Хлорирование.

     Обработку воды хлором осуществляют с помощью хлораторов, в которых газообразный (испаренный) хлор абсорбируют водой. Хлорную воду из хлоратора подают к месту потребления. 
     Хотя данный метод обработки воды и является наиболее распространенным, но, тем не менее, он обладает целым рядом недостатков. В первую очередь это связано со сложной транспортировкой и хранением жидкого высокотоксичного хлора. На станциях водоподготовки необходимо наличие экологически опасных стадий хлорного хозяйства, таких как разгрузка емкостей с жидким хлором и его испарения для перевода в рабочую форму. Создание рабочих запасов хлора на складах представляет опасность не только для рабочего персонала станции, но и для населения. 
     В результате окисления двухвалентного железа при обработке воды образуется гидрооксид железа, либо продукты неполного гидролиза — основные соли железа различного состава. Этот процесс можно условно описать следующим уравнением:

2Fe²⁺ + Cl₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₃↓  + 2HCl

     Хлор также окисляет двухвалентный марганец, разрушает органические вещества и сероводород.
Как альтернативу хлорированию в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлоритом натрия , причем этот метод находит применение, как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах. Подача раствора гипохлорита натрия в обрабатываемую воду осуществляется с помощью насосов-дозаторов путем пропорционального дозирования.
     Гипохлорит натрия обладает рядом свойств, ценных в техническом отношении. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании, например, в противоположность хлорной извести. Во-вторых, применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, так как он не содержит солей кальция и магния как хлорная известь или гипохлорит кальция. И наконец, гипохлорит натрия можно получить на месте методом электролиза обычной поваренной соли. 
     Бактерицидный же эффект раствора NaClO, полученного электролизом непосредственно на месте, выше, чем у других дезинфектантов, действующим началом которых является активный хлор. Кроме того, он обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом из-за более высокого содержания хлорноватистой кислоты (HClO) и наличия активных радикалов. 
     Окисление двухвалентного железа происходит в соответствии со следующим уравнением:

2Fe(HCO₃)₂ + NaClO + H₂O = 2Fe(OH)₃↓ + 4CO₂↑ + NaCl 

     Расчет установки для обработки воды гипохлоритом натрия в первую очередь требует определить расход активного хлора на процессы окисления, обеззараживания и разрушение сероводорода.

4.2.2. Озонирование.

     Перспективность применения озонирования как деструктивного метода (в том числе для окисления двухвалентного железа) обусловлена тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемой воды, мало ее загрязняет продуктами основных  и побочных реакций, а сам процесс легко поддается полной автоматизации.  Озон можно получать непосредственно на очистных установках, причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух. 
     В процессе обработки воды озон, подаваемый в реакционную  камеру в виде озоно-кислородной или озоно-воздушной смеси, вступает в сложный многостадийный процесс физико-химических взаимодействий с водой и содержащимися в ней загрязнениями.
     Первоначально взаимодействие озона с водной средой обусловлено процессами диффузионной и турбулентной массопередачи на границе раздела фаз газ-жидкость, образованной всплывающими газовыми пузырьками. В результате этого одна часть молекул озона оказывается абсорбированной на внешней поверхности пузырьков, другая же растворяется в воде. Это так называемое «прямое окисление». Реакции прямого окисления веществ озоном описываются окислительно-восстановительными уравнениями, результатом которых с учетом полноты завершения процесса могут быть вещества с большей положительной валентностью или окислы находивших в воде веществ. 
     В дальнейшем же действие озона сопровождается химическими взаимодействиями с загрязнениями, которые условно можно представить тремя основными типами: окисление радикалами, озонолиз, озонокатализ. Так называемое непрямое окисление.
     Этот процесс происходит при большом числе активных радикалов, например ОН*, образующихся в результате саморазложения озона в воде. Скорость непрямого окисления прямо пропорциональна количеству разложившегося озона и обратно пропорциональна концентрации присутствующих в воде загрязнителей. Некоторые вещества подвергаются лишь прямому окислению, а другие, такие как органические кислоты с малой молекулярной массой, только лишь окислению радикалами. Полное же окисление может осуществляться только лишь совместным или последовательным воздействием прямого окисления и окисления радикалами. 
     Расчет установки для обработки воды озоном в первую очередь требует определить его расход на процессы окисления как двухвалентного железа, так и, обеззараживания и разрушение сероводорода, а самое главное – вычислить время контакта озона с водой.

4.2.3. Коагуляция.

     В обычных условиях процесс осаждения коллоидных частиц гидрооксида трёхвалентного железа (размер частиц 1-3 мкм) при отстаивании происходит медленно. Укрупнение этих частиц а, следовательно, ускорение осаждения достигают добавлением коагулянтов. Этого же требует применение на водоочистных сооружениях традиционных песчаных или антрацитовых фильтров, которые неспособны задерживать мелкие частицы. Так же плохо эти фильтры задерживают органическое железо.
     Внесение в обрабатываемую воду  коагулянтов производят с помощью насосов-дозаторов методом пропорционального дозирования. 
     Медленное осаждение коллоидных частиц гидроксида железа (III) вкупе с малой эффективностью применения окислителей и аэрации по отношению к органическому железу, а также ограничение по верхней концентрации железа в исходной воде затрудняет применение традиционной промышленной схемы обезжелезивания в сравнительно небольших автономных системах, работающих с высокой производительностью. В таких схемах применяются иные установки, обезжелезивание в которых проводится по принципам каталитического окисления с последующей фильтрацией или ионного обмена.

wwtec.ru

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

В воде поверхностных источников железо находится обычно в форме органо-минеральных коллоидных комплексов, в частности, в виде гуминовокислого железа и тонкодисперсной взвеси гидроксида железа. В речной воде, загрязненной кислотными стоками, встречается сульфат двухвалентного железа FeSO4. Из-за наличия в речной воде растворенного кислорода двухвалентное железо Fe2+ окисляется в трехвалентное Fe3+. При появлении в воде сероводорода H2S образуется тонкодисперсная взвесь сульфида железа FeS.

Подземные источники воды в подавляющем большинстве характеризуются наличием растворенного бикарбоната двухвалентного железа Fe(HCO3)2, который вполне устойчив в отсутствие окислителей и рН>7,5. При высокой карбонатной жесткости, рН>10 и содержании Fe2+>10 мг/л бикарбонат может гидролизоваться с образованием углекислоты.

Концентрация железа в подземных грунтовых водах находится в пределах от 0,5 до 50 мг/л. В Центральном регионе РФ, включая Подмосковье, эта величина изменяется в диапазоне 0,3–10 мг/л, наиболее часто – 3–5 мг/л, в зависимости от географического местоположения и глубины источника.

Анаэробная (не имеющая контакта с воздухом) прозрачная грунтовая вода может содержать соединения двухвалентного железа (Fe2+) до нескольких мг/л без ее помутнения при прямой подаче из источника. Однако при контакте с кислородом воздуха двухвалентное железо окисляется до трехвалентного коллоидного состояния, придавая воде характерный красно-коричневый оттенок.

Пользователь зачастую наблюдает следующую картину: в первый момент вода, полученная из скважины, кажется абсолютно чистой и прозрачной, но с течением времени (от нескольких минут до нескольких часов) мутнеет, приобретая специфический оттенок. При отстаивании воды муть оседает, образуя бурый рыхлый осадок (гидроксид трехвалентного железа). Процесс окисления Fe2+ до Fe3+ каталитически ускоряют присутствие в воде солей меди, а также контакт воды с ранее выпавшим осадком Fe(OH)3.

В зависимости от условий (значение рН, температура, наличие в воде окислителей или восстановителей, их концентрация) окисление может предшествовать гидролизу, идти параллельно с ним или окислению может подвергаться продукт гидролиза двухвалентного железа Fe(OH)2.

Выбор оптимального метода обезжелезивания воды зависит от знания форм железа, присутствующих в природных водах. В соответствии с требованиями СНиП 2.04.02-84* метод обезжелезивания воды, расчетные параметры и дозы реагентов следует принимать на основе результатов технологических изысканий, выполненных непосредственно у источника водоснабжения.

Методы обезжелезивания Для обезжелезивания поверхностных вод используются только реагентные методы с последующей фильтрацией. Обезжелезивание подземных вод осуществляют фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработки воды – аэрацией (упрощенной, и в специальных устройствах), коагуляцией и осветлением, введением окислителей – хлора, гипохлорита натрия или кальция, озона, перманганата калия. При мотивированном обосновании применяют катионирование, диализ, флотацию, электрокоагуляцию и другие методы.

Для удаления из воды железа, содержащегося в виде коллоида гидроксида железа Fe(OH)3 или в виде коллоидальных органических соединений, используют коагулирование сульфатом алюминия или железным купоросом с добавлением хлора или гипохлорита натрия.

В качестве наполнителей для фильтров, в основном, используют песок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а также фильтрующие материалы с нанесенным катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное. В последнее время всё большее распространение получают именно такие наполнители.

Аэрация

В процессе аэрации кислород воздуха окисляет двухвалентное железо, при этом из воды удаляется углекислота, что ускоряет процесс окисления и последующий гидролиз с образованием гидроксида железа.

Метод упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен загрузки, образуя каталитическую пленку из ионов и гидроксидов двух- и трехвалентного железа. Пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения соединений железа из воды. Нужно отметить: ряд примесей в очищаемой воде, таких как сероводород, свободная углекислота, коллоидная кремниевая кислота, аммиак, заметно ухудшают каталитические свойства пленки.

Этот метод допустим, если концентрация железа в воде не превышает 10 мг/л, а значение рН – более 6,8. (Есть также ограничения значений щелочности, перманганатной окисляемости, содержания сероводорода, аммонийных солей и сульфидов.) В других случаях необходима предварительная аэрация воды в аэраторах с добавлением в нее необходимых реагентов (хлор, гипохлорит натрия, перманганат калия и др.).

При содержании железа в воде в виде сульфата FeSO4 аэрация воды не позволяет провести ее обезжелезивание из-за образования кислоты, понижающей значение рН воды менее 6,8, при этом процесс гидролиза почти прекращается. Для удаления из воды кислоты требуется ее известкование с осаждением плохо растворимого гипса CaSO4. После известкования необходимы отстаивание и фильтрование воды.

При использовании напорных фильтров воздух вводят непосредственно в подающий трубопровод, с нормой расхода 2 л на 1 г железа (II). Если в исходной воде более 40 мг/л свободной углекислоты и более 0,5 мг/л сероводорода, то воздух в трубопровод не вводят. В этом случае перед напорным фильтром необходимо установить промежуточную емкость со свободным изливом воды и повысительный насос.

Когда необходимо удалить из воды железо при концентрации его в воде более 10 мг/л и увеличить значение рН до более 6,8, осуществляется аэрация в специальных устройствах – дегазаторах. Вода в них обогащается кислородом, и происходит окисление железа. Затем она подается на фильтр, где в объеме наполнителя завершаются образование хлопьев гидроксида трехвалентного железа и их задержание.

Метод «сухой фильтрации» Метод заключается в фильтровании воздушно-водной эмульсии через «сухую» (незатопленную) зернистую загрузку путем создания в фильтре вакуума или нагнетания большого количества воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. При этом на поверхности фильтрующей загрузки образуется ад-
сорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), повышающая эффективность процессов обезжелезивания и деманганации. В качестве загрузки обычно используют песок, керамзит, антрацит, винипласт и др.

Коагулирование, осветление, флокулирование

Из поверхностных вод, как правило, необходимо удалить взвеси и коллоидно-дисперсные вещества, включающие соединения железа. Освобождение воды от взвесей и коллоидных веществ возможно осуществить только путем ввода специальных реагентов-коагулянтов. Коагулянт образует в воде хлопья, которые адсорбируют на своей поверхности коллоиды и выделяются в виде осадка. В качестве коагулянтов применяют сульфат алюминия (при рН исходной воды 6,5–7,5), сульфат железа (железный купорос), хлорное железо (рН = 4–10), полигидроксихлорид алюминия.

Для интенсификации процесса коагуляции в воду дополнительно вводят флокулянты.

Обработка воды окислителями Реагенты-окислители, в первую очередь хлор, с целью обеззараживания, а также удаления железа, используются в России с начала ХХ в. После обработки разных вод этим методом содержание железа во всех случаях становится меньше 0,1 мг/л, причем и тогда, когда не работают другие методы. Под действием хлора происходят разрушение гуматов и других органических соединений железа и переход их в форму неорганических солей трехвалентного железа, которые легко гидролизуются с выпадением в осадок.

Доза хлора, в зависимости от содержания железа, может составлять 5–20 г. на 1 м3 воды при контакте, по крайней мере, в течение 30 мин (не только для окисления железа, но и для надежного обеззараживания).

Однако этот метод обработки воды обладает целым рядом недостатков, в первую очередь связанных со сложной транспортировкой и хранением больших объемов жидкого высокотоксичного хлора. Поэтому в последние годы всё шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), причем этот метод находит применение как на крупных станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах. Водные растворы гипохлорита натрия получают химическим
или электрохимическим методом по суммарной реакции.

В процессе окисления железа гипохлоритом натрия не происходит подкисления воды, а это очень важно для процесса фильтрации. Кроме того, раствор гипохлорита натрия (как товарный, так и электрохимический) – щелочной, что благоприятно для фильтрования.

Окисление двухвалентного железа достигается также введением в исходную воду перед фильтрами раствора перманганата калия KMnO4. С целью обработки сложных вод и экономии достаточно дорогостоящего перманганата калия он может использоваться в сочетании с гипохлоритом натрия.

Один из перспективных методов окисления железа – озонирование (см. А-Т 26.302), одновременно обеспечивающее обеззараживание, обесцвечивание и дезодорацию воды, улучшение ее органолептических свойств, окисление двухвалентных железа и марганца.

Фильтрование с применением каталитических загрузок
Наиболее распространенный метод удаления железа и марганца, применяемый в высокопроизводительных компактных системах, – фильтрование с применением каталитических загрузок. В качестве последних используются природные материалы, содержащие диоксид марганца или загрузки, в которые диоксид марганца введен при соответствующей обработке. К ним относятся дробленый пиролюзит, «черный песок», сульфоуголь и МЖФ (отечественные загрузки); Manganese Green Sand (MGS), Birm, МТМ (зарубежные наполнители).

Эти фильтрующие материалы различаются как своими физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца и поэтому эффективно работают в разных диапазонах значений характеризующих воду параметров.

Их действие основано на способности соединений марганца сравнительно легко изменять валентное состояние. Двухвалентное железо в исходной воде окисляется высшими оксидами марганца. Последние восстанавливаются до низших ступеней окисления, а далее вновь окисляются до высших оксидов растворенным кислородом и перманганатом калия.

Впоследствии большая часть окисленного и задержанного на фильтрующем материале железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора служит одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители.

При проведении процесса следует иметь в виду, что для эффективного окисления соединений железа (и марганца) необходимо как наличие катализатора, который только ускоряет процесс, так и реагента-окислителя. В роли окислителя могут выступать растворенный кислород, высшие соединения марганца, хлор, гипохлорит. Он вводится извне или входит в состав фильтрующей загрузки. В последнем случае следует определить ресурс загрузки, исходя из состава воды и ее расхода, а также обеспечить своевременную регенерацию или замену фильтрующего материала.

Отметим: системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида марганца неэффективны в отношении органического железа; более того, при наличии в воде любой из форм органического железа, на поверхности гранул фильтрующего материала со временем образуется органическая пленка, изолирующая катализатор (диоксид
марганца) от воды. Кроме того, они не могут справиться со случаями, когда содержание железа в воде превышает 10–15 мг/л. Присутствие в воде марганца еще более ухудшает эффективность обезжелезивания.

Каталитические наполнители позволяют вести процесс фильтрования со скоростью 10 м/ч при высоте слоя наполнителя 1 м.

Современные эффективные способы удаления органического железа – сорбция на специальных слабоосновных анионитах (органопоглотителях) и ультрафильтрация.

aqua-therm.ru

Другие статьи по теме:

Фильтр для обезжелезивания воды из скважины Пластиковая обсадная труба для скважин Оголовок скважинный герметичный Как обезжелезить воду из скважины Как очистить воду из скважины Обезжелезиватель воды из скважины