Обезжелезивание воды⁠⁠

Каким способом очищать воду от железа или не очищать – каждый решает сам.

Cтатья обзорная.

Цель статьи ознакомить читателей с существующими методами.

Прежде чем решить проблему, как производить обезжелезивание воды, нужно разобраться, сколько железа содержится в источнике. В идеале сделать химический анализ воды классическим способом, если такой возможности нет, можно приобрести промышленный экспресс набор (предел обнаружения от 0,01 до 10 мг/л). Норма по содержанию железа в питьевой воде не более 0,3 мг/л.

Вода в природных источниках может содержать повышенное содержание железа. Этот элемент может привести к проблемам со здоровьем (аллергии, заболеваниям желудочно-кишечного тракта, может стать причиной заболеваний сердца, печени, почек), способствует размножению бактерий и коррозии оборудования.

В подземных водах железо чаще всего встречается в растворенном состоянии в виде двууглекислого соединения Fe(HCO3)2.

В водах поверхностных источников железо может находится в виде органических соединений (гуминовокислое железо) или в виде сернокислого соединения FeSO4.

Методы обезжелезивания.

1. Обратный осмос;

2. Аэрация;

3. Многокомпонентные ионообменные смолы;

4. Реагентный;

4.1.Применение гипохлорита натрия;

4.2. Коагуляция и осветление;

4.3. Озонирование.

5. Биологическое обезжелезивание.

Каждый из приведенных методов имеет свои плюсы, а так же свои минусы.

1. Обратный осмос

Метод обратного осмоса позволяет удалять до 98% растворённого в воде двухвалентного железа. Очистка воды данным методом подходит, если концентрация железа не превышает 0,3 мг/литр. Данный метод дорогостоящий и не предназначается конкретно для обезжелезивания. Это происходит в процессе обессоливания (обратный осмос). Кроме того, мембраны легко подвергаются зарастанию органической плёнкой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами, в том числе ржавчиной, а также поглощают растворённое двухвалентное железо и теряют способность эффективно задерживать другие вещества.

Более подробно вы можете прочесть в моих статьях

Часть 1. https://pikabu.ru/story/promyishlennyie_sistemyi_filtratsii_...

Часть 2. https://pikabu.ru/story/chast_2_membranyi_promyishlennogo_ob...

Часть 3. https://pikabu.ru/story/chast_3_vidyi_zagryazneniy_obratnoos...

Часть 4. https://pikabu.ru/story/chast_4_kak_ochishchayutsya_obratnoo...

Однако применение мембранного метода оправдано там, где просто необходима высокая степень очистки воды, в том числе от железа, например, в медицинской и пищевой промышленности.

2. Аэрация

Аэрация представляет собой процесс насыщения воды воздухом, при этом происходит окисление железа и оно выпадает в осадок, который удаляется механической фильтрацией.

Очистка воды данным методом подходит, если концентрация железа не превышает 6 мг/литр.

Аэрация воды воздухом осуществляется с использованиями компрессора, эжектора или душирования. Установки аэрации подразделяются на напорные и безнапорные.

Напорная аэрация подразумевает отсутствие потери давления в трубопроводе.

При напорной аэрации воздух подается в трубопровод при помощи компрессора или эжектора. Далее водо-воздушная смесь подается в контактную камеру. Из контактной камеры вода поступает на систему фильтрации практически без потери исходного давления. При использовании напорной аэрации воды в верхней части контактной камеры устанавливают воздухосбросный клапан для удаления лишнего воздуха и удаленных из воды газов. Контактная камера, распределительный оголовок с трубками и восдухосбросный клапан в сборе называются аэрационной колонной.

Финальный этап фильтрования происходит через каталитический уголь.

Безнапорная аэрация воды подразумевает разрыв струи и для подачи воды на последующие стадии очистки необходим насос второго подъема.

Установки безнапорной аэрации воды состоят из контактной камеры (ёмкости), аэратора (компрессора, безнапорного эжектора или системы душирования), насоса или насосной станции второго подъема. При безнапорной аэрации в самой накопительной емкости происходит отстаивание.

Финальный этап фильтрования происходит через каталитический уголь.

3. Многокомпонентные ионообменные смолы;

Ионообменная смола представляет собой скопление достаточно мелких (меньше миллиметра в диаметре) шариков, изготовленные из специальных полимерных материалов, которые называют смолой.

Очистка воды данным методом подходит, если концентрация железа не превышает 15 мг/литр.

При этом методе необходимо помнить: кислотно-щелочной баланс должен быть ниже 7, т.к. окисленное железо переходит в трехвалентную форму, что значительно ухудшает качество реакции и загрязняет фильтрующие элементы. Кроме того, негативно влияют органические вещества, присутствующие в воде, они могут привести к возникновению бактерий на смоле.

Наряду с многокомпонентными ионообменными смолами могут применятся каталитические загрузки.

Очистка воды данным методом подходит, если концентрация железа не превышает 15 мг/литр.

В качестве каталитической загрузки используются дробленый пиролюзит, "черный песок", сульфоуголь и МЖФ (отечественные загрузки); Manganese Green Sand (MGS), Birm, MTM (зарубежные наполнители). Эти фильтрующие материалы различаются по своим физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца.

4. Реагентный;

4.1. В некоторых случаях нельзя обойтись без химического метода обезжелезивания, так например, при концентрации железа более 18 мг/литр, низком уровне щелочности и высоком количестве органики.

При реагентном методе обезжелезивания применяются сильные окислители, например, гипохлорит натрия (NaOCl) (белизна), который дозируется в воду с помощью насоса дозатора.

Этот метод находит применение, как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах.

Гипохлорит натрия обладает рядом свойств, ценных в техническом отношении. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, так как он не содержит солей кальция и магния. Бактерицидный эффект раствора NaClO, кроме того, гипохлорит натрия обладает большим окислительным действием.

Окисление двухвалентного железа происходит в соответствии со следующим уравнением:

2Fe(HCO3)2 + NaClO + H2O = 2 Fe(OH)3↓ + 4 CO2↑ + NaCl {1}

Выпавший осадок удаляется при последующей фильтрации.

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

Требуемый расход активного хлора на обработку воду = АХ (в пересчете на 100% хлор, г/ч) определяется следующим выражением:

AX = Qчас * {Дх + [Fe2+] * KFe] + [Mn2+] * KMn + [H2S] * KCB},

где Qчас - объемный расход воды (максимальный), м3/ч;

Дх - доза активного хлора для обеззараживания воды, мг/л;

[Fe2+] - содержание двухвалентного железа в исходной воде, мг/л;

KFe - расход активного хлора для окисления железа (0,67 мг активного хлора на 1 мг двухвалентного железа);

[Mn2+]- содержание двухвалентного марганца в исходной воде, мг/л;

KMn - расход активного хлора для окисления двухвалентного марганца (1,3 мг активного хлора на 1мг марганца);

[H2S] - содержание сероводорода в исходной воде, мг/л;

KCB - расход активного хлора для разрушения сероводорода (2,1 мг активного хлора на 1 мг сероводорода).

Как следует из уравнения реакции {1} в процессе окисления железа гипохлоритом натрия не происходит подкисления воды, а это очень важно для процесса фильтрации. Кроме того, раствор гипохлорита натрия щелочной, что благоприятно для фильтрования.

Финальный этап фильтрования происходит через каталитический уголь.

4.2. Коагуляция и осветление

Из поверхностных вод, как правило, необходимо удалить взвеси и коллоидно-дисперсные вещества, включающие соединения железа. Освобождение воды от взвеси и коллоидных веществ возможно осуществить только путем ввода специальных реагентов-коагулянтов. Данный метод обработки воды называют коагуляцией. Коагулянт образует в воде хлопья, которые адсорбируют на своей поверхности коллоиды и выделяются в виде осадка.

Рабочий режим и оборудование для осветления и коагуляции исходной воды выбирают исходя из характера и уровня содержания загрязнений. При этом если необходимо одновременно повысить щелочность воды и снизить ее солесодержание, рассматриваемые процессы совмещают с известкованием.

Процесс коагуляции достаточно сложен и нет строгих стехиометрических соотношений между дозой коагулянта и количеством растворенных коллоидных веществ в исходной воде. Поэтому дозу определяют методом пробного коагулирования.

В качестве коагулянтов применяют:

сульфат алюминия (глинозем) Al2(SO4)3 * 18 H2O при рН исходной воды 6,5-7,5;

сульфат железа (железный купорос) FeSO4 * 7 H2O при рН воды 4-10;

хлорное железо FeCl3 * 6 H2O для воды с рН 4-10.

Для интенсификации процесса коагуляции в воду дополнительно вводят флокулянты (наиболее распространен полиакриламид). Флокулянты способствуют укрупнению осадка и ускоряют процесс слипания осаждаемых коллоидных и взвешенных частиц.

При достаточном содержании в воде карбонатной жесткости (выше 1 мг-экв/л) коагулянты вначале образуют неустойчивые бикарбонаты, которые разлагаются с образованием хлопьев гидроксидов:

Al2(SO4)3 + 3 Са(HCO3)2 = 2 Al(HCO3)3 + 3 CaSO4

FeSO4 + Ca(HCO3)2 = Fe(HCO3)2 + CaSO4

2 Al(HCO3)3 = 2 Al (OH)3↓ + 6 CO2

4 Fe(HCO3)2 + O2 + 2 H2O = 4 Fe(OH)3↓ + 8 CO2

Для образования хлопьев гидроксида железа необходимо наличие в воде растворенного кислорода.

Если карбонатная жесткость исходной воды невелика, то ее подщелачивают раствором гидроксида натрия или «известковым молоком» (раствор Ca(OH)2):

4 FeSO4 + 4 Ca(OH)2 + 2 H2O + O2 = 4 Fe(OH)3 ↓ + 4 CaSO4

Осветление и обесцвечивание мутных вод с повышенной жесткостью предпочтительнее осуществлять коагулянтами при высоких значениях рН, а цветных мягких вод - при пониженных рН.

При реализации процесса коагуляции температуру воды поддерживают в пределах 20-25 оС, а при осуществлении коагуляции с известкованием воду подогревают до 30-40 оС.

Дозу коагулянта сульфата алюминия обычно принимают в пределах 0,5-1,2 мг-экв/л. Для воды с умеренным (до 100 мг/л) содержанием взвеси и с небольшой окисляемостью дозу понижают, а для вод с содержанием железа и с высокой окисляемостью (15 мг/л О2 и выше) ее повышают до 1,5 мг-экв/л.

4.3. Озонирование.

Обогащение озоном – еще один способ окисления водорастворимого железа.

Очистка воды данным методом подходит, при концентрации железа от 18 до 50 мг/литр.

Газ синтезируется из кислорода в специальном устройстве, после чего он поступает в емкость с жидкостью. Очищенная от примеси вода проходит в фильтр тонкой очистки, а из него – в систему водоснабжения.

Преимущества озонирования очевидны: процесс очищения проходит очень быстро, при этом вода обогащается кислородом, а болезнетворные бактерии погибают.

Недостатки:

метод считается одним из самых дорогостоящих;

озон сам по себе весьма токсичен, поэтому при эксплуатировании установки следует строго следовать правилам техники безопасности;

после очищения озонатором, вода приобретает окислительную способность, из-за чего водопроводные трубы и емкости для хранения питьевой воды должны быть выполнены из стойкого материала (ПВХ, нержавеющая сталь);

при неправильном использовании установки повышается риск обогащения воды токсичными продуктами окисления, которые будут во много раз опаснее примесей, присутствующих в воде до озонирования;

из-за своей высокой реакционноспособности озон быстро разлагается и его бактерицидное действие становиться весьма недолгим.

5. Биологическое обезжелезивание.

Этот метод подразумевает использование железобактерий, окисляющих двухвалентное растворённое железо до трёхвалентного, в целях очистки воды, с последующим удалением коллоидов и бактериальных плёнок в отстойниках и на фильтрах.

В некоторых случаях это оказывается единственным приемлемым способом снизить содержание железа в воде. Прежде всего – когда концентрации железа в воде особенно велики, свыше 30 мг/л.

Чтобы микроорганизмы нормально существовали, нужно поддерживать кислую среду на низком уровне, одновременно обеспечивая подачу кислорода из воздуха.

Также применяют биологическое обезжелезивание, если в воде высоко содержание сероводорода и углекислоты. Такая вода подвергается фильтрации через колонии бактерий на медленных фильтрах с песчано-гравийной загрузкой. Затем подвергают сорбционной очистке для задержания продуктов жизнедеятельности бактерий и ультрафиолетовому обеззараживанию.

Безусловно, такой метод экологичен и эффективен, однако у него есть большой минус: низкая скорость процесса. Кроме того, чтобы производительность очистки была на должном уровне, необходимо иметь очистные емкости больших размеров.

Список использованной литературы:

В.Г. Арсенов «Водоснабжение промышленных предприятий».

М. Иванов «Цветность воды», статья в журнале Аква-Терм декабрь 2012 года

Е. Хохрякова «О выборе метода обезжелезивания воды», статья в журнале Аква-Терм июль 2008 года

В. В. Банников «Обезжелезивание и деманганация воды»,

В.В. Кулаков, Е.В. Сошников, Г.П. Чайковский «Обезжелезивание и деманганация подземных вод».

А.К. Запольский, А.А. Баран «Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды», 1987.

С.В.Черкасов «ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА»,

Б. Е. Рябчикова «Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования»