Для обезжелезивания воды практическое применение нашли следующие основные методы:
-
Аэрация (окисление) с последующим удалением выпавшей гидроокиси железа путем отстаивания и (или) фильтрования (в том числе фильтрования на каталитических материалах);
-
Окисление сильными окислителями (хлор, озон...) с последующим фильтрованием продуктов окисления, совместно с данным методом может применяться коагуляция;
-
Фильтрованием на каталитических материалах (в том числе регенерируемых);
-
Фильтрованием на инертных материалах с образованием каталитической пленки;
-
Известкование с последующим удалением выпавшей гидроокиси железа путем отстаивания и фильтрования, известкование может комбинироваться с аэрацией;
-
Коагуляция, которая может комбинироваться с предварительным разрушением органических веществ хлором, с известкованием или аэрацией;
-
Катионирование.
АЭРАЦИЯ (ОКИСЛЕНИЕ)
При контакте подземной воды с воздухом двухвалентное железо окисляется кислородом воздуха в трехвалентное. Коллоид гидрата окиси железа при рН>6,5-6,8 коагулирует с образованием бурого хлопьевидного осадка. С повышением рН воды возрастает как скорость окисления закисного железа в окисное, так и скорость гидролиза и коагуляции. Поэтому удаление железа из воды ведут при рН большем нормы. Окисление железа и одновременное удаление из воды углекислоты, что ускоряет окисление, обычно достигаются аэрацией.
При использовании напорной аэрации воздух вводят непосредственно в подающий трубопровод, с нормой расхода 2 - 3 л на 1 г железа (II). Если в исходной воде более 40 мг/л свободной углекислоты и более 0,5 мг/л сероводорода, то следует использовать метод безнапорной аэрации. В этом случае перед напорным фильтром необходимо установить промежуточную емкость со свободным изливом воды и повысительный насос.
Установки для обезжелезивания воды аэрацией могут быть открытыми - самотечными и закрытыми - напорными.
Установки открытого типа состоят из устройств для аэрации воды, отстойников или контактных резервуаров и осветлительных фильтров для удаления из воды остатков гидроокиси железа. Если обезжелезиванию подвергаются артезианские воды, содержащие не более 5 мг/л железа, то можно обойтись без отстойников.
Напорные установки применяются обычно при производительности системы не более 5000-6000 м3/сут.
При содержании железа в воде в количестве более чем 8-10 мг/л частая промывка фильтра напорных установок обезжелезивания и деманганации приводит к повышенному расходу воды на собственные нужды , но они более целесообразны в гигиеническом отношении.
При низких рН воды, от 5,0 до 7,0, окисление окисного железа протекает медленно, и ускорить этот процесс можно с помощью катализатора марганца. В этом случае используют два фильтра: первый, контактный загружают слоем «марганцевого песка», представляющим собой основу (кварцевый песок, вулканит и т.п.), покрытую окислами марганца, который в течение 10-минутного контакта окисляет 99,5 % находящегося в воде закисного железа. Контактный фильтр может быть также загружен пиролюзитом или алюмосиликатом - минералом, содержащим оксид марганца. Пленка окислов марганца держится на основе до 6 лет, срок службы каталитических материалов содержащих оксид марганца может доходить до 15 лет. Второй фильтр, осветлительный, загружается песком или другим фильтрующим материалом.
РЕАГЕНТЫ - ОКИСЛИТЕЛИ, в первую очередь хлор, с целью обеззараживания, а также удаления железа (в том числе и органического), 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. 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 (NaCIO2), причем этот метод находит применение как на крупных станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах.
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.
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). Время контакта обеспечивается контактным, напорным или безнапорным, резервуаром.
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, одновременно обеспечивающее обеззараживание, обесцвечивание и дезодорацию воды, улучшение ее органолептических свойств, окисление двухвалентных железа и марганца.
КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ЗАГРУЗКИ применяются в современных высокопроизводительных компактных системах. В качестве материала загрузки используются природные минералы, 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, MTM (зарубежные наполнители). Эти фильтрующие материалы различаются как своими физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца и поэтому эффективно работают в разных диапазонах значений параметров воды.
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.
Каталитические наполнители позволяют вести процесс фильтрования со скоростями до 15 м/ч при высоте слоя наполнителя менее 1 м.
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, хлор, гипохлорит, высшие соединения марганца. Марганец вводится извне (например раствор перманганата калия) 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.
ФИЛЬТРОВАНИЕ НА ИНЕРТНЫХ МАТЕРИАЛАХ. В последние годы в практику внедряется новый метод обезжелезивания воды фильтрованием. Метод обезжелезивания воды фильтрованием основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтрации через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен, образуя каталитическую пленку, состоящую в основном из гидрата окиси железа. Эта пленка активно влияет на процесс окисления и выделения железа из воды и значительно его интенсифицирует. Необходимым условием образования и действия пленки является наличие в воде кислорода. При полном отсутствии кислорода процесс прекращается. Метод фильтрования не требует предварительного окисления двухвалентного железа. Процесс образования пленки сопровождается постепенным снижением концентрации железа в фильтрате. Происходит «зарядка» загрузки (один раз, в самом начале при пуске станции), после завершения которой достигается полный и стабильный эффект обезжелезивания. Принципиальная схема обезжелезивания воды методом фильтрования состоит в следующем. Вода из скважин поступает на фильтр, проходит сверху вниз через слой фильтрующей загрузки и отводится в резервуар чистой воды. Кислородом вода обогащается непосредственно при поступлении на фильтр. На пути в резервуар она подвергается обеззараживанию. В состав основных сооружений станции обезжелезивания воды фильтрованием входят фильтры и резервуар чистой воды. Отсутствие специальных аэрационных устройств (градирен) и контактных емкостей упрощает эксплуатацию и удешевляет стоимость станций.
ИЗВЕСТКОВАНИЕ применяется когда железо одной аэрацией в необходимой степени из воды не удаляется, а применение каталитических материалов или методов окисления реагентами экономически нецелесообразно.
Так, например, если двухвалентное железо находится в виде сульфата железа, то при его гидролизе образуется серная кислота, которая задерживает дальнейший гидролиз. Доза извести должна быть достаточной, чтобы рН воды было не менее 8,3. Растворенного в воде кислорода обычно достаточно для окисления закисного железа. Если же при опытном обезжелезивании выясняется, что кислорода в воде недостаточно, то одновременно с введением извести воду аэрируют или хлорируют. Известкование является наиболее надежным, хотя и достаточно дорогим (стоимость комплекса оборудования) методом обезжелезивания.
КОАГУЛЯЦИЯ используется для удаления гуматов железа и других коллоидных соединений содержащихся в поверхностных водах. В качестве реагентов используются: сульфат алюминия (при рН исходной воды 6,5-7,5), сульфат железа (железный купорос), хлорное железо (рН = 4-10), полигидроксохлорид алюминия, их смесью или коагулянт с добавкой извести или хлора. Применение коагулянтов на основе железа ведет к более полному удалению железа из воды. Оптимум адсорбции ионов железа хлопьями коагулянтов лежит в интервале рН 5,7-7,5. В ряде случаев обезжелезивание улучшается при предварительном хлорировании воды, благодаря которому разрушаются гуминовые вещества и защитные коллоиды.
ПРИ КАТИОНИРОВАНИИ железо будет задерживаться и поглощаться ионитом раньше и лучше кальция и магния. И обменная емкость ионита по кальцию и магнию будет быстро уменьшаться. Поэтому удаление из воды железа методом ионного обмена (катионирование) допускается, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды. Однако в этом случае возможно только извлечь железо в растворенной двухвалентной форме.
Катионитовые фильтры освобождают воду лишь от железа, находящегося в ионной форме. Железо в виде коллоида или взвеси катионитовые фильтры практически не задерживают. Обезжелезивание воды этим методом целесообразно в том случае, если вода прозрачна, расход ее невелик и желательно одновременное глубокое умягчение воды.
