Содержание железа — одна из важнейших характеристик качества воды. Если этот показатель превышает допустимые значения, вода становится непригодной для использования в промышленности и быту. Проблема очистки поверхностных и подземных вод от железа актуальна для многих регионов нашей страны, включая Северо-западный федеральный округ.
В природных водах железо содержится в разных концентрациях и в разных соединениях. Это приводит к необходимости использования множества различных методов обезжелезивания. Обычно в основе большинства из них лежит окисление железа до нерастворимого гидроксида (Fe(OH)3) с последующим фильтрованием на напорных фильтрах. Решение о выборе конкретного способа обезжелезивания принимается с учетом данных, полученных в ходе химического анализа воды, а также на основании технологических изысканий, в ходе которых моделируются условия очистки воды в каждом отдельном случае.
Как правило, в подземных водах железо находится в виде раствора частично гидролизованного бикарбоната (Fe(HCO3)2). При взаимодействии с кислородом двухвалентное железо окисляется и становится трехвалентным. Малорастворимый осадок гидроокиси приводит к образованию коллоидного раствора, который и обусловливает высокую цветность воды.
В поверхностных водах железо чаще всего находится в виде разнообразных органических соединений. В их состав входят коллоидные частицы железа, которые поглощаются поверхностью органического гидрофильного коллоида, придающего железу высокую стабильность.
Повышенное содержание железа в водопроводной воде населенных пунктов нередко обусловлено, так называемым, вторичным загрязнением. Большинство вод Северо-западного региона отличаются низким солесодержанием и высокой коррозионной активностью, поэтому при транспортировке воды к потребителю наблюдается ее взаимодействие с материалом трубопроводов, и, как следствие, загрязнение продуктами коррозии.
Методы обезжелезивания воды условно делятся на два вида: реагентные и безреагентные. К последним методам относятся электрокоагуляция, аэрация и фильтрование, озонирование и катионирование. Самым популярным безреагентным методом является аэрация в сочетании с фильтрованием, которое происходит на специальных напорных фильтрах. Среди основных преимуществ этого метода ‒ экономичность, простота и отсутствие расходных материалов. Метод аэрации можно использовать в случае, если вода обладает следующими характеристиками:
Реакция окисления железа: 4Fe2+ + 8HCO- + O2 + 2H2O -> 4Fe(OH)3 + 8CO2
Скорость и полнота прохождения данной реакции зависят от условий протекания. Наибольшая скорость окисления двухвалентного железа в трехвалентное и дальнейший гидролиз последнего достигается при окислении в присутствии катализаторов, т.е. при взаимодействии воды с оксидами марганца или с ранее образовавшимся осадком гидроокиси железа. Поэтому в качестве наполнения фильтров часто используются материалы, модифицированные путем обработки соединениями марганца. Также необходимо отметить адсорбционные свойства пленки, образующейся на зернах фильтрующего материала. Наличие большого количества связанной воды и ее высокая удельная поверхность говорят о том, что такая пленка является достаточно сильным адсорбентом губчатой структуры.
Если вода имеет низкие показатели щелочности и рН, высокую окисляемость и концентрацию железа более 10 мг/л, используется реагентный метод очистки воды от железа. В этом случае применяются более сильные окислители, например, перманганат калия или реагенты с содержанием активного хлора. Для их ввода применяют специальные дозирующие насосы, которые позволяют подавать окислители с высокой точностью, пропорционально расходу воды на объекте. Для перемешивания воды с реагентами и обеспечения необходимого для прохождения реакции окисления времени, используются камеры смешения и отстойники. Хлопья окисленного железа удаляются из воды путем фильтрации.
При обезжелезивании воды из поверхностных источников водозабора, где большая часть железа представлена в виде железоорганических комплексов, также рекомендуется реагентная схема очистки с применением окислителей и коагулянтов.
Обработанная реагентами вода под давлением подается на фильтры. Эффективность удаления окисленного железа на фильтрах зависит от ряда параметров:
Как уже отмечалось, наиболее эффективно процесс очистки воды от железа проходит при контакте с модифицированными фильтрующими загрузками, которые содержат диоксид марганца, например, Greensand, BIRM, MTM, AMDX, отечественный «черный песок» и другие. Эти модифицированные загрузки не только связывают осадок окисленного железа, но и ускоряют сам процесс окисления. При прохождении через фильтрующие материалы двухвалентное железо окисляется высшими оксидами марганца (MnO2), которые восстанавливаются до более низких степеней окисления (MnO, Mn2O3), а затем вновь окисляются кислородом или перманганатом калия до MnO2. Для каждого из модифицированных фильтрующих материалов разработаны специфические условия применения и определены окислители, в комбинации с которыми они работают.
Методы обезжелезивания по принципу ионного обмена используются в том случае, если вместе с удалением железа необходимо удалить соли кальция и магния, т.е. соли жесткости.
В последние годы получили распространение фильтрующие материалы комбинированного действия на основе катионообменных смол, такие как Ecomix, Ecotar. Эти загрузки являются смесью нескольких сорбционных и ионообменных фильтрующих материалов и позволяют в одну стадию и в одном фильтре решить сразу несколько задач, включая удаление железа, органических соединений, солей жесткости, марганца, аммония. Несмотря на относительно высокую стоимость, эти универсальные загрузки позволяют значительно снизить затраты на устройство систем очистки воды, т.к. один универсальный фильтр дает возможность отказаться от использования 2-3х отдельных аппаратов. Регенерация материалов комбинированного действия производится раствором поваренной соли так же, как и традиционных катионообменных смол.
При этом необходимо помнить, что таким образом можно удалять железо только в неокисленной 2-х валентной форме. 3-валентное, окисленное до гидроксида железо в процессе ионного обмена участвовать не будет.
Т.о., выбор технологии очистки природных вод от железа не может быть сведен к нескольким стандартным вариантам. Решение о применении того или иного метода обезжелезивания должно приниматься с учетом качества исходной воды, требований к составу очищенной воды, экологической безопасности, оценки капитальных и эксплуатационных затрат.
