Качество воды:

Проблемы и решения. Архив на сайте www.1os.ru

Выпуск подготовлен экологическим предприятием ООО "Очистные сооружения"

Методы удаления железа из воды

Удаление из воды железа - без преувеличения одна из самых сложных задач в водоочистке. Даже беглый обзор существующих способов борьбы с железом позволяет сделать обоснованный вывод о том, что на данный момент не существует универсального экономически оправданного метода, применимого во всех случаях жизни. Каждый из существующих методов применим только в определенных пределах и имеет как достоинства, так и существенные недостатки. Выбор конкретного метода удаления железа (или их комбинации) в большей степени зависит от опыта водоочистной компании.

Итак, к существующим методам удаления железа можно отнести:

• Окисление
• Каталитическое окисление
• Ионный обмен
• Мембранные методы
• Дистилляция

Окисление кислородом воздуха или аэрацией, хлором, перманганатом калия, перекисью водорода, озоном с последующим осаждением (с коагуляцией или без нее) и фильтрацией.

Традиционный метод, применяемый уже много десятилетий. Так как реакция окисления железа требует довольно длительного времени, то использование для окисления только воздуха требует больших резервуаров, в которых можно обеспечить нужное время контакта. Это наиболее старый способ и используется только на крупных муниципальных системах. Добавление же специальных окислителей ускоряет процесс. Наиболее широко применяется хлорирование, так как параллельно позволяет решать проблему с дезинфекцией. Наиболее передовым и сильным окислителем на сегодняшний день является озон. Однако установки для его производства довольно сложны, дороги и требуют значительных затрат электроэнергии, что ограничивает его применение. Необходимо отметить также, что в концентрированном виде (например, на точке ввода в воду) озон является ядом (как, собственно говоря, и многие другие окислители) и требует очень внимательного к себе отношения.

Частицы окисленного железа имеют достаточно малый размер (1-3 мкм) и поэтому осаждаются достаточно долго, поэтому применяют специальные химические вещества -коагулянты, способствующие укрупнению частиц и их ускоренному осаждению. Применение коагулянтов необходимо также потому, что фильтрация на муниципальных очистных сооружениях осуществляется в основном на устаревших песчаных или антрацитовых осветлительных фильтрах (не способных задерживать мелкие частицы). Однако даже применение более современных фильтрующих засыпок (например, алюмосиликатов) не позволяет фильтровать частицы размером менее 20 микрон. Проблему могло бы решить применение специальной керамики, но она достаточно дорого стоит (так как не производится в России).

У всех перечисленных способов окисления есть ряд недостатков:

1. если не применять коагулянты, то процесс осаждения окисленного железа занимает долгое время, в противном же случае фильтрация некоагулированных частиц сильно затрудняется из-за их малого размера;
2. эти методы окисления (в меньшей степени это относится к озону) слабо помогают в борьбе с органическим железом;
3. наличие в воде железа часто (а практически всегда) сопровождается наличием марганца; марганец окисляется гораздо труднее, чем железо и, кроме того, при значительно более высоких уровнях рН.

Все вышеперечисленные недостатки сделали невозможным применение этого метода в сравнительно небольших бытовых и коммерческо-промышленных системах, работающих на больших скоростях.

Наиболее распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в высокопроизводительных локальных очистных системах. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления).

Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца (MnO₂). Эти фильтрующие "засыпки" отличаются между собой как своими физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца и поэтому эффективно работают в разных диапазонах значений характеризующих воду параметров. Однако принцип их работы одинаков. Железо (и в меньшей степени марганец) в присутствии диоксида марганца быстро окисляются и оседают на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой.

Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители. Наиболее распространенным является перманганат калия KmnO₄, так как его применение не только активизирует реакцию окисления, но и компенсирует "вымывание" марганца с поверхности гранул фильтрующей среды, то есть регенерирует ее. Используют как периодическую, так и непрерывную регенерацию.

Все системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида марганца кроме специфических имеют и ряд общих недостатков.

Во-первых, они 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. Таким образом, вся каталитическая способность фильтрующей засыпки сводится к нулю. Практически "на нет" сводится и способность фильтрующей среды удалять железо, так как в фильтрах этого типа просто не хватает времени для естественного протекания реакции окисления.

Во-вторых, системы этого типа все равно не могут справиться со случаями, когда содержание железа в воде превышает 10-15 мг/л, что совсем не редкость. Присутствие в воде марганца только усугубляет ситуацию.

Ионный обмен как метод обработки воды известен довольно давно и применялся (да и теперь применяется) в основном для умягчения воды. Раньше для реализации этого метода использовались природные иониты (сульфоугли, цеолиты). Однако с появлением синтетических ионообменных смол эффективность использования ионного обмена для целей водоочистки резко возросла.

С точки зрения удаления из воды железа важен тот факт, что катиониты способны удалять из воды не только ионы кальция и магния, но и другие двухвалентные металлы, а значит и растворенное двухвалентное железо. Причем теоретически, концентрации железа, с которыми могут справиться ионообменные смолы, очень велики. Достоинством ионного обмена является также и то, что он "не боится" спутника железа - марганца, сильно осложняющего работу систем, основанных на использовании методов окисления. Главное же преимущество ионного обмена то, что из воды могут быть удалены железо и марганец, находящиеся в растворенном состоянии. То есть совсем отпадает необходимость в такой капризной и "грязной" (из-за необходимости вымывать ржавчину) стадии, как окисление.

Однако на практике, возможность применения катионообменных смол по железу сильно затруднена. Объясняется это следующими причинами:

Во-первых, применение катионитов целесообразно там, где существует также и проблема с жесткостью воды, так как железо удаляется из воды вместе с жесткостью. Там, где ситуация с жесткостью достаточно благополучная, применение катионообменных смол нерационально.

Во-вторых, ионообменные смолы очень критичны к наличию в воде трехвалентного железа, которое "забивает" смолу и очень плохо из нее вымывается. Именно поэтому нежелательно наличие в воде не только уже окисленного железа, но и растворенного кислорода и других окислителей, наличие которых может привести к его образованию. Этот фактор накладывает также ограничение и на диапазон рН, в котором работа смол эффективна.

В-третьих, при высокой концентрации в воде железа, с одной стороны возрастает вероятность образования нерастворимого трехвалентного железа (со всеми вытекающими отрицательными последствиями - см. выше) и, с другой стороны, гораздо быстрее истощается ионообменная ёмкость смолы. Оба этих фактора требуют более частой регенерации, что приводит к увеличению расхода соли.

В-четвертых, наличие в воде органических веществ (в том числе и органического железа) может привести к быстрому "зарастанию" смолы органической пленкой, которая одновременно служит питательной средой для бактерий.

Тем не менее, именно применение ионообменных смол представляется наиболее перспективным направлением в деле борьбы с железом и марганцем в воде. Задача заключается в том, чтобы подобрать такую комбинацию ионообменных смол (подчас весьма сложную и многокомпонентную), которая была бы эффективна в достаточно широких пределах параметров качества воды.

Мембранные технологии достаточно широко используются в водоподготовке, однако удаление железа отнюдь не главное их предназначение, скорее побочный эффект. Этим и объясняется тот факт, что применение мембран пока не входит в число стандартных методов борьбы с присутствием в воде железа. Основное назначение мембранных систем - удаление бактерий, простейших и вирусов ("холодная стерилизация"), частичное или глубокое обессоливание, подготовка высококачественной питьевой воды. То есть они предназначены для глубокой доочистки ("полировки", как говорят американцы) воды.

Тем не менее, микрофильтрационные мембраны пригодны для удаления уже окисленного трехвалентного железа, ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны также способны удалять коллоидное и бактериальное железо, а обратноосмотические мембраны удаляют даже растворенное органическое и неорганическое железо (и марганец, кстати, тоже).

Практическое же применение мембран для работы по железу ограничено следующими факторами:

Во-первых, мембраны даже в большей степени, чем гранулированные фильтрующие среды и ионообменные смолы, критичны к "зарастанию" органикой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами (в данном случае ржавчиной). Это означает, что мембранные системы требуют достаточно тщательной предварительной подготовки воды, в частности - удаления взвесей и органики. То есть мембранные системы применимы либо там, где нет органического, коллоидного, бактериального и трехвалентного железа, либо проблема с этими загрязнениями должна быть предварительно решена другими методами.

Во-вторых, стоимость. Мембранные системы весьма и весьма недешевы. Их применение рентабельно только там, где требуется очень высокое качество воды (например, в пищевой промышленности).

Дистилляция является давно известным и проверенным способом глубокой очистки воды. Принцип дистилляции фактически повторяет круговорот воды в природе.

Вода, испаряясь, освобождается практически ото всех растворенных и нерастворенных примесей. В дистилляторах для ускорения естественного процесса испарения воды применяется нагревание (в подавляющем большинстве случаев с помощью электричества) воды до температуры кипения, что приводит к интенсивному образованию пара. При этом механические частицы, содержащиеся в воде (включая бактерии, вирусы и прочие микроорганизмы, а также коллоиды и взвешенные частицы) оказываются слишком тяжелыми, чтобы быть подхваченными паром. Одновременно почти все растворенные в воде химические вещества (включая соли железа, других тяжелых металлов, соли жесткости и т.д.) достигают предела своей растворимости (за счет повышенной температуры и особенно увеличения концентрации - вода постоянно улетучивается) и выпадают в осадок. Таким образом, вместе с паром могут "уйти" только летучие органические соединения (среди которых, правда и такие опасные, как тригалометан - потенциальный канцероген - и другие). Именно поэтому в дистилляторах часто устанавливают фильтр доочистки на основе активированного угля.

В дальнейшем пар, охлаждаясь (в природе - в верхних слоях атмосферы, в дистилляторах - в специальных конденсаторах, простейшим из которых является змеевик), конденсируется, опять превращаясь в воду. Этот конденсат и является той высокоочищенной водой, которую называют дистиллятом. Иногда дистиллированную воду "прогоняют" через дистиллятор еще раз и получают так называемый би-дистиллят.

Дистиллированную воду достаточно широко используют в промышленности, медицине, в химических лабораториях. Хорошо всем известный пример использования дистиллированной воды - заливка в аккумуляторы автомобиля. В процессах же водоснабжения дистилляторы не нашли широкого применения.

И дело здесь совсем не в непригодности дистиллированной воды для питья. Вредность такой воды из-за отсутствия в ней "полезных" минеральных веществ - это скорее укоренившийся предрассудок. Дистиллированная вода действительно имеет невысокие вкусовые качества, часто ее вкус характеризуют как "затхлый". Связано это с тем, что такая вода - это действительно жидкость без вкуса и запаха (см. любой учебник по химии). То есть вкус дистиллированной воды не затхлый - он никакой. Мы же привыкли, что вода имеет вкус (пусть даже едва уловимый), который определяется ее минеральным составом и, в большой степени, наличием растворенных газов. Однако с точки зрения влияния на здоровья нет никаких свидетельств того, что дистиллированная вода непригодна для питья.

Ограниченность же применения дистилляторов в настоящее время объясняется следующими причинами:

1. дистилляторы имеют малую производительность;
2. в бойлере дистиллятора постоянно образуются осадок, накипь и т.п., которые надо вычищать;
3. дистилляторы излучают тепло и в довольно значительных количествах;
4. дистилляторы потребляют значительное количество электроэнергии, что для многих применений делает их использование менее рентабельным, чем обратный осмос или деминерализация на ионообменных смолах.

Обсудить выпуск

Выпуск подготовлен экологическим предприятием ООО "Очистные сооружения"
Наши тематические форумы:

• ПРОМЫШЛЕННАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ
• БЫТОВАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ

Присылайте свои пожелания на адрес: info@1os.ru