Установка обезжелезивания воды (методы обезжелезивания воды)

Содержание железа в природных источниках

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 FeSOi. Из-за наличия в речной воде растворенного кислорода двухвалентное железо Fe;" окисляется в трехвалентное Fe"". При появлении в воде сероводорода HiS образуется тонкодисперсная взвесь сульфида железа FeS.

Подземные источники воды в подавляющем большинстве характеризуются наличием растворенного бикарбоната двухвалентного железа Fe(HCCb):\ который вполне устойчив в отсутствие окислителей и рН>7,5. При высокой карбонатной жесткости, рН>10 и содержании Fe-""МОмг/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 (Fe") 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 Fe-" до FeJ" каталитически ускоряют присутствие в воде солей меди, а также контакт воды с ранее выпавшим осадком FefOHb.

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 FefOHfe.

Выбор оптимального метода обезжелезнвания 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.

Выбор метода 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):> 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. 

1 Метод. Аэрация железа.
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 FeSOi 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 CaSCk 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.

2 Метод. Фильтрация через зернистую загрузку.

 
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 адсорбционно-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.

3 Метод. Коагуляция, осветление, флоакуляция

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 фло-кулянты.

4 Метод. Реагентное окисление железа

 
Реагенты-окислители, в первую очередь хлор, с целью обеззараживания, а также удаления железа, используются в России с начала XX 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 Mj 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 (NaCIO), 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 КМпО. 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.

5 Метод. Фильтрование с применением фильтрующих сред из каталитического материала
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, МФО-47 и МЖФ (отечественные загрузки); Manganese Green Sand (MGS), Birm, MTM (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.

Е. Хохрякова АКВД-ТЕРМ, www.aqua-lherm.ru, сентябрь-октябрь № 5 (27) 2005