Технологии удаления железа и марганца из воды
Осветление воды
Содержание железа в воде коммунальных водопроводов не должно превышать 0,3 мг/л. В природных же водах концентрация солей железа колеблется от нескольких сотых долей до нескольких десятков мг/л. Большие концентрации солей железа чаще встречаются в артезианских водах.
Выбор метода зависит от того, в каком количестве и в каких соединениях присутствует железо в воде, а также от требований к качеству воды. Аэрацию (окисление) применяют преимущественно при обезжелезивании подземных вод, коагуляцию при удалении железа из поверхностных вод, известкование и катионирование рационально применять в тех случаях, когда помимо обезжелезивания требуется умягчить воду и снизить содержание железа до минимума. Для выбора метода обезжелезивания воды в каждом конкретном случае необходимо произвести анализ воды на мутность, цветность, содержание двухвалентного и трехвалентного железа, общую и карбонатную жесткость, рН, окисляемость, количество хлоридов и сульфатов. Исходя из данных анализа следует осуществить пробное обезжелезивание воды.
Для обезжелезивания воды практическое применение нашли следующие основные методы:
Для быстрого перемещения между категориями воспользуйтесь рубрикатором
В подземных водах, в которых отсутствует кислород, железо содержится обычно в виде растворимых солей двухвалентного железа: бикарбонатов, сульфатов или хлоридов. В поверхностных водах железо может находиться в виде коллоидных и тонкодисперсных взвесей.
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.
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.
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.
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.
СТОИТ ОТМЕТИТЬ: 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. Современные эффективные способы удаления органического железа – сорбция на специальных слабоосновных анионитах (органопоглотителях) и ультрафильтрация.
При применении методов безнапорной аэрации, окисления сильными окислителями или фильтрации на регенерируемых каталитических материалах возможно одновременное удаление сероводорода, который достаточно часто сопутствует растворенному железу.
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.
Для удаления железа и марганца в качестве ионообменных материалов применяются искусственные цеолиты (Crystal Right: CR-100; CR-200), а также смеси катионитов и анионитов, но эффективность и срок службы последних гораздо ниже чем у искусственного цеолита.
МАРГАНЕЦ, находящийся в природных водах в виде карбонатов, сульфатов и органических соединений, обычно сопутствует железу. В большинстве случаев концентрация его в воде не превышает 0,1-0,5 мг/л, но в районах залегания марганцевых руд может достигнуть нескольких десятков миллиграммов в 1 л. Двухвалентные соединения марганца, как и железа, окисляются кислородом воздуха, но значительно медленнее. Поэтому после аэрации необходимо пропустить воду через контактные фильтры с катализаторами, ускоряющими окисление. Контактные фильтры загружаются пиролюзитом, «черным песком» или катионитом с нанесенной на поверхность зерен пленкой оксида марганца. После контактных фильтров воду пропускают через осветлительные фильтры. Как было указано, при обезжелезивании известкованием достигается попутное удаление марганца. Также марганец хорошо удаляется на ионитных фильтрах. О способах удаления железа из воды Вы можете прочитать выше.