Методы обезжелезивания воды

Необходимая степень обезжелезивания воды определятся 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, используя ту или иную схему очистки, можно добиться желаемого результата в каждом конкретном случае.

  • Окислительное
  • Аэрация
  • Окисление двухвалентного железа с добавлением сильных окислителей
  • Осаждение коллоидного железа традиционным промышленным способом
  • Каталитическое окисление с фильтрацией
  • Ионообменный метод удаления железа
  • Обезжелезивание мембранными методами
  • Биологическое обезжелезивание

Окислительное обезжелезивание

Традиционные методы обезжелезивания воды основываются на окислении двухвалентного железа кислородом воздуха (аэрация) и сильными окислителями (хлор, перманганат калия, перекись водорода, озон) до трехвалентного состояния, с образованием нерастворимого гидроксида железа (III), который впоследствии удаляется отстаиванием, отстаиванием с добавлением коагулянтов и флоккулянтов и (или) фильтрацией.

Аэрация

Окисление железа аэрацией может проводиться: фонтанированием (так называемые брызгальные установки), душированием, с помощью инжектора, эжектора или компрессора, введением воздуха в трубу под напором, барботацией. Во многих случаях вода, прошедшая обезжелезивание аэрацией с последующим остаиванием и фильтрацией, уже оказывается пригодной к употреблению в качестве питьевой. По такой упрощенной схеме обезжелезивание эффективно, общего), концентрация H2S не более 2,5 мг/л. Окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) воды после аэрации не должен быть ниже 100 мВ, а индекс стабильности (индекс Ланжелье) не менее 0,05. Когда исходная концентрация железа не превышает 10 мг/мл при содержании двухвалентного железа не менее 70%. Выбор способа упрощенной аэрации зависит от параметров исходной воды. Так, если концентрация сероводорода выше 0,5 мг/л, а свободной углекислоты – более 40 мг/л, 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.

Окисление двухвалентного железа

Добавление в воду сильных окислителей значительно интенсифицирует процесс окисления двухвалентного железа. Наиболее широко применяется хлорирование, позволяющее также решить проблему дезинфекции воды, а наиболее эффективным оказывается озонирование. Хотя бы еще потому, что, за исключением озона, другие окислители оказываются малоэффективными по отношению к органическому железу. Однако озонирование является и наиболее дорогостоящим методом, требующим больших затрат электроэнергии. Кроме того, практически всегда обезжелезивание происходит одновременно с удалением из воды марганца, который окисляется значительно труднее, чем железо, и при более высоких значениях pH.

Осаждение коллоидного железа

В обычных условиях процесс осаждения коллоидных частиц гидроксида трехвалентного железа (размер частиц 1–3 мкм) при отстаивании происходит медленно. Укрупнения частиц и, следовательно, ускорения осаждения достигают добавлением коагулянтов. Этого же требует использование на очистительных сооружениях песчаных или антрацитовых фильтров, не способных задерживать мелкие частицы. Так же плохо эти фильтры задерживают органическое железо. 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 и ионообмена.

Каталитическое окисление с фильтрацией

Это наиболее применяемый сегодня метод для промышленного водоснабжения не самых крупных предприятий, отдельных коттеджей. Установки для каталитического окисления и фильтрации компактны и отличаются достаточно высокой производительностью (0,5–20,0 м3/ч и более в зависимости от сорбента, исходных качеств воды, геометрических характеристик резервуара – баллона из стекловолокна или нержавеющей стали). Реакция окисления железа происходит внутри резервуара установки на гранулах засыпки – специальной фильтрующей среды с каталитическими свойствами. В первую очередь каталитические и фильтрующие свойства этих материалов определяются их высокой пористостью, обеспечивающей среду для протекания реакции окисления и обусловливающей способность к абсорбции.
Широко применяется в качестве каталитической засыпки синтетический материал Birm, позволяющий эффективно и экономично удалять из воды соединения железа и марганца низких и средних концентраций. В установки с засыпкой из Birm подается предварительно аэрированная вода. Доля растворенного в ней кислорода должна быть не менее 15% доли железа (или железа и марганца). Высокая пористость материала и малая насыпная масса (0,7–0,8 г/см3) позволяют легко удалять осадки при обратной промывке. Щелочность в исходной воде должна быть в два раза больше, чем концентрация хлоридов и сульфатов. Недостатками материала Birm являются его высокая склонность к истиранию, из-за чего за год теряется до 10–15 % засыпки, и не самый широкий диапазон рабочих значений pH – 8,0–9,0. Его преимущество – невысокая стоимость.

Также довольно широко применяются каталитические засыпки на основе природных минералов, таких как цеолит, глауконит. Используется и синтетический цеолит. Из глауконитового зеленого песка получают еще один широко распространенный материал для каталитической окислительной фильтрации – Glauconite Manganese Greensand. В процессе обработки глауконитового песка в состав Greensand вводятся высшие оксиды марганца, обеспечивающие дополнительную окислительную способность этого материала. К тому же кроме собственных каталитических и окислительных свойств Greensand связывает такие окисляющие агенты, как перманганат калия, хлор, растворенный кислород. Все это обеспечивает высокую скорость и полноту окислительных реакций. Greensand обладает высочайшей поглощающей способностью, эффективен при очистке воды с высокими концентрациями железа и марганца (суммарно до 10 мг/л) в широком диапазоне pH – 6,2–8,8. Системы с засыпкой из этого материала применяются для очистки воды из скважин любой глубины. Сероводород окисляется до нерастворимых сульфатов. Осадки фильтруются слоем Greensand и сопутствующими фильтрующими слоями. Сорбент не подвержен воздействию микроорганизмов, органических примесей, не требует дезинфекции. Регенерация среды проводится раствором перманганата калия с последующей промывкой исходной водой.
Существуют и другие материалы с каталитической и окислительной активностью применяемые в качестве засыпок для фильтров-обезжелезивателей, но на примере вышеуказанных можно получить представление об основных принципах удаления железа данным способом.

Автоматический реагентный обезжелезиватель с окислительной фильтрующей средой устроен следующим образом: баллон, являющийся корпусом фильтра, заполнен фильтрующей средой. В верхней части баллона закреплен автомат, меняющий направление потоков воды во время фильтрации и циклов регенерации и соблюдающий оптимальную продолжительность каждого цикла. Автомат управляется таймером или расходомером. От автомата внутри баллона через всю фильтрующую среду проходит так называемая водоподъемная труба. Фильтр соединен с реагентным баком гибкой трубкой. 

Во время фильтрации вода проходит через фильтрующую среду сверху вниз, поднимается по водоподъемной трубке и выходит из обезжелезивателя. Далее следует цикл обратной промывки: вода из входного штуцера направляется в водоподъемную трубку, взрыхляет марганцевый цеолит, вынося загрязнения в канализацию. Затем идет реагентная обработка раствором марганцовки, восстанавливающая химическую активность фильтрующей среды. После этого следует цикл промывки марганцевого цеолита от остатков марганцовки. И, наконец, цикл пополнения реагентного бака водой, который обычно совмещен с циклом прямой промывки, во время которого фильтрующая среда "уминается" потоком воды. После окончания регенерации фильтр снова готов к работе. 
Обезжелезиватели с реагентной промывкой требуют периодического пополнения реагентного бака марганцовкой и регулярной прочистки эжектора реагентной линии - места выпадения окисляющегося марганцовкой растворенного железа. 
Конструкция безреагентного обезжелезивателя с каталитической фильтрующей средой отличается отсутствием реагентного бака и соответствующих циклов регенерации. Загрязнения удаляются при обратной промывке, затем сразу следует цикл прямой промывки. 
К плюсам подобного оборудования следует отнести безреагентную работу. Минусы - фильтрующая среда работает в более жестких условиях. Так как скорость работы каталитической среды меньше, ее требуется в два раза больше для достижения той же производительности. При поступлении воды непосредственно из скважины требуется оборудование для ее аэрации, контактная емкость при наличии сероводорода или содержании железа выше определенного уровня и система автоматики для управления аэрирующим оборудованием. Опасность завоздушивания баллона при работе в напорной линии и как следствие - вероятность гидравлических ударов. 

Фильтры-обезжелезиватели вне зависимости от наполнителя достаточно неприхотливы в работе и требуют только промывки во избежание слеживания фильтрующей среды, проходящей в автоматическом режиме.

Ионообменный метод удаления железа

Для удаления железа этим методом применяются катиониты. Причем все шире на смену цеолиту и другим природным ионитам приходят синтетические ионообменные смолы, эффективность использования ионного обмена при этом значительно возрастает. 
Любые катиониты способны удалять из воды не только растворенное двухвалентное железо, но также и другие двухвалентные металлы, в частности кальций и магний, для чего они в первую очередь и применяются. Теоретически методом ионного обмена можно удалять из воды очень высокие концентрации железа, при этом не потребуется стадии окисления растворенного двухвалентного железа с целью получения нерастворимого гидроксида. Однако на практике возможности применения данного метода значительно ограничены.
В первую очередь применение ионного обмена для обезжелезивания ограничивает присутствие трехвалентного железа, которое быстро «забивает» смолу и плохо оттуда вымывается. Поэтому любое присутствие в воде, проходящей через ионообменник, кислорода или других окислителей крайне нежелательно. Это же накладывает ограничение и на диапазон значений pH, в которых смола эффективна. Во многих случаях использование ионообменных смол для обезжелезивания нецелесообразно, т. к., обладая более высоким сродством к катионитам, железо значительно снижает эффективность удаления на них ионов кальция и магния, проведения общей деминерализации. Наличие в воде органических веществ, в том числе органического железа, приводит к быстрому зарастанию ионообменной смолы органической пленкой, служащей питательной средой для бактерий. Поэтому ионообменные катиониты применяются для обезжелезивания обычно лишь в тех случаях, когда требуется доочистка воды по этому параметру до самых низких концентраций и когда возможно одновременное удаление ионов жесткости.

Обезжелезивание мембранными методами

Микрофильтрационные мембраны пригодны для удаления коллоидных частиц гидроксида железа (III); ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны способны удалять кроме этого коллоидное и бактериальное органическое железо, а метод обратного осмоса позволяет удалять до 98% растворенного в воде двухвалентного железа. Однако мембранные методы дорогостоящи и не предназначаются конкретно для обезжелезивания. Это происходит в процессе обеззараживания воды (микрофильтрационные мембраны), при глубокой ее очистке (ультрафильтрационные и нанофильтрационные) или обессоливании (обратный осмос). Кроме того, мембраны легко подвергаются зарастанию органической пленкой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами, в том числе ржавчиной, а также поглощают растворенное двухвалентное железо и теряют способность эффективно задерживать другие вещества. 

Фирмы-производители обратноосмотических мембран гарантируют сохранение их технологических свойств в период эксплуатации при содержании общего железа в воде не более 0,1–0,3 мг/л, взвешенных примесей – не более 0,5–0,6 мг/л, перманганатной окисляемости – не более 5 мг О2/л и коллоидном индексе не более 2–4 единиц (параметры, учитывающие содержание органического железа). 
Однако применение мембранных методов оправдано там, где просто необходима высокая степень очистки воды, в том числе и от железа, например, в медицинской или пищевой промышленности.

Биологические обезжелезивание

Этот метод подразумевает использование железобактерий, окисляющих двухвалентное растворенное железо до трехвалентного, в целях очистки воды, с последующим удалением коллоидов и бактериальных пленок 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 40 мг/л. Также применяют биологическое обезжелезивание, если в воде высоко содержание сероводорода и углекислоты. Такая вода с очень низким показателем pH не может быть очищена от избыточного железа методом упрощенной аэрации. Ее подвергают фильтрации через колонии бактерий на медленных фильтрах с песчано-гравийной загрузкой. Затем подвергают сорбционной очистке для задержания продуктов жизнедеятельности бактерий и ультрафиолетовому обеззараживанию.