CC BY
15
УДК 54.05
Конев М.Д. студент магистрант Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет СОДЕРЖАНИЕ ЖЕЛЕЗА В ВОДЕ И СПОСОБЫ ЕГО УДАЛЕНИЯ
Аннотация: Представлены виды содержания железа в воде. Проведен обзор основных существующих способов очистки воды от растворенного железа. Выявлены их преимущества и недостатки.
Ключевые слова: водоснабжение, питьевая вода, отчистка, металлы.
Konev M.D.
Master's Degree student Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering CONTENT OF IRON IN WATER AND METHODS OF ITS
REMOVAL
Abstract: The types of iron content in water are presented. The review of the main existing methods of water purification from dissolved iron is carried out. Their advantages and disadvantages are revealed.
Keywords: water supply, drinking water, cleaning, metals.
Обеспечение населения водой нормативного качества имеет приоритетное санитарно - гигиеническое значение, так как предотвращает организм людей от различных заболеваний.
В России к качеству питьевой воды предъявляются нормативные требования согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Согласно п. 3.1. СанПиН 2.1.4.1074-01 вода в централизованных системах питьевого водоснабжения должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. Согласно п. 3.1. СанПиН 2.1.4.1074-01 качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед ее поступлением в распределительную сеть, а также в точках водоразбора наружной и внутренней водопроводной сети. Вместе с тем, исходная природная вода в источнике водоснабжения, как правило, не соответствует питьевому стандарту.
Двухвалентное железо (Fe+2) обычно содержится в воде в растворенном состоянии и невидимо невооруженным глазом. В присутствии двухвалентного железа вода кажется прозрачной. Когда же эта вода некоторое время находится в контакте с воздухом, железо окисляется и переходит в трехвалентную форму, и вода приобретает рыжий цвет.
Трехвалентное железо (Fe+З), или окисленное, присутствует в воде в коллоидной форме (образует очень мелкие частицы рыжего цвета). Вода,
содержащая трехвалентное железо, часто содержит и некоторую долю двухвалентного железа. Осаждение коллоидного железа может сопровождаться образованием и ростом железобактерий.
Бактериальное железо (железобактерии) часто сопутствует минеральным отложениям Fe3+ и состоит из живых и мертвых бактерий, их оболочек и продуктов жизнедеятельности. Бактериальное железо достаточно легко отличить от минерального железа: это мягкие, вязкие, слизистые отложения. В некоторых случаях они безвредны, в других - наносят огромный ущерб. В трубопроводе и водоочистном оборудовании железобактерии часто становятся причиной язвенной коррозии железа и стали и сильно ускоряют образование железных отложений.
Для удаления двухвалентного железа можно использовать методы, традиционно применяемые для очистки воды от растворенных неорганических ионов. Это обратный осмос и ио0нный обмен.
Нерастворенное трехвалентное железо, присутствующее в виде мелкодисперсных частиц, можно удалить с помощью ультрафильтрации.
Существует большое многообразие систем обезжелезивания, работающих по принципу каталитического окисления железа, в процессе которого двухвалентное железо (растворенное) переходит в форму трехвалентного железа (нерастворенного), оседающего на фильтрующей загрузке. Такие системы получили название "фильтры-обезжелезиватели".
У каждого из методов есть свои преимущества, недостатки и ограничения по применению.
Системы обратного осмоса наиболее эффективны для удаления растворенного железа и по многим параметрам превосходят ионообменные смолы. Поскольку ионы Fe2+ намного крупнее пор обратноосмотических мембран, мембраны эффективно задерживают растворенное железо. При этом задержанное железо не накапливается в мембране, а сливается в дренаж с концентратом, что предотвращает проблему закупоривания пор мембраны. При pH = 7 системы обратного осмоса прекрасно очищают воду с содержанием железа до 10-20 мг/л, а при более низких pH без осложнений работают на большем содержании.
Важным условием успешной работы системы обратного осмоса является отсутствие кислорода, чтобы предотвратить окисление и образование дисперсного железа в исходной воде, которое может оседать на мембране. Это условие легко выполняется, поскольку системы обратного осмоса герметичны.
Системы обратного осмоса могут применяться и для удаления трехвалентного железа, если оно присутствует в не очень высоких концентрациях. Они также эффективны также для очистки воды от распространенного спутника железа - марганца.
Обратный осмос очень трудоемкий и дорогой процесс. При выборе этого метода очистки нужно знать полный химический состав воды. Наряду с железом при обратном осмосе происходит процесс обессоливание, поэтому
нужно применять его при больших концентрациях соли.
Для удаления двухвалентного железа используется катионообменная смола, которая замещает железо на натрий, аналогично замещению кальция и магния при умягчении. Ионообменные смолы эффективно работают при низком содержании двухвалентного железа (1-2 мг/л).
Серьезным осложнением работы смолы является возможное окисление железа и переход в форму трехвалентного. Трехвалентное железо обволакивает смолу, закупоривает центры обмена ионов и поры смолы. Поскольку в кислых растворах процесс окисления железа сильно замедляется, необходимо, чтобы pH воды был ниже 7. Но загрязнение смолы железом рано или поздно происходит, и в этом случае требуется производить замену фильтрующей загрузки.
Фильтрация с использованием различных способов окисления - очень распространенный метод удаления растворенного железа.
Применение фильтрующей среды greensand - самая старая из технологий обезжелезивания. Для регенерации greensand используется перманганат калия (марганцовка). Как только вода входит в контакт с Greensand, двухвалентное железо окисляется и отфильтровывается, а затем вымывается из фильтрующей среды в процессе обратной промывки. Greensand эффективен при содержании железа до 10-15 мг/л, высоком pH (не менее 7) и невысоком содержании сероводорода и марганца.
Недостаток метода - при сбоях в работе блока управления перманганат калия может попасть в очищенную воду.
Диоксид марганца - это природная добываемая руда, которая имеет свойство удалять из воды железо, марганец и сероводород. Емкость его превышает емкость greensand, к тому же он не требует химической регенерации.
Диоксид марганца эффективен при невысоких концентрациях железа и при значении pH более 7. Для эффективной работы требуется присутствие в воде растворенного кислорода или предварительное окисление.
Birm удаляет из воды железо и марганец, но неэффективен по отношению к сероводороду. Подобно диоксиду марганца, может применяться только при небольшом содержании железа и высоком pH, а также требует наличия растворенного кислорода или предварительного окисления.
Redox среда состоит из 2 компонентов: 85% меди и 15% цинка. Эти два металла создают в фильтрующей среде небольшое электрическое поле, которое препятствует росту бактерий. Для эффективности действия среды также требуется соответствующее содержание растворенного кислорода. Redox достаточно эффективен при удалении железа и сероводорода, но не оказывает воздействия на марганец. Redox может применяться борьбы с железобактериям и пр.
Самый большой недостаток redox - его вес. Он почти в 2 раза тяжелее других минералов, при этом скорость потока при обратной промывке должен быть более чем в 2 раза выше скорости потока для других минералов. Не
всегда есть возможность обеспечить поток, достаточный для регенерации redox.
Предварительное окисление железа перед подачей на фильтры-обезжелезиватели достигается путем аэрации, хлорирования, введения пероксида водорода, озонирования и пр.
Значение pH исходной воды очень сильно влияет на скорость перехода железа из двухвалентного (растворенного) в трехвалентное (твердое) состояние. Чем выше pH, тем быстрее железо перейдет в форму трехвалентную, которое можно будет отфильтровать. При использовании обезжелезивателя минимальное значение pH = 6,5. Это рекомендация большинства производителей. Однако многие профессионалы водоочистки со стажем считают, что необходимое условие - pH выше 7, а при pH от 8,0 до 8,5 значительно увеличиваются шансы эффективного обезжелезивания.
Если выбирать систему окисления железа с последующей фильтрацией, то при выборе оборудования необходимо учитывать температуру воды, pH, щелочность, содержание растворенного кислорода и другие параметры, которые могут значительно повлиять на эффективность очистки. При эксплуатации необходимо строго следовать рекомендациям производителя, устанавливая скорость прямого потока воды, скорость потока при обратной промывке, максимальное содержание входного железа и другие ограничения, которые указывает производитель для эффективной работы своего оборудования и фильтрующего материала.
Самые распространенные причины плохой работы фильтра-обезжелезивателя - неполное окисление железа, низкая скорость потока при обратной промывке, недостаточно частое проведение регенерации фильтрующего материала или подача на фильтрацию большого потока воды.
Все эти факторы могут стать причиной нестабильной работы фильтров-обезжелезивателей. Для обеспечения стабильного результата при обезжелезивании целесообразно предпочесть системы обратного осмоса.
Ультрафильтрационные мембраны с размером пор около 0,05 микрон прекрасно задерживают коллоидное железо. Ультрафильтрационные установки с режимами периодического сброса концентрата и обратной промывки мембран обеспечивают эффективное удаление трехвалентного железа. Для эффективности очистки с помощью ультрафильтрации все железо должно быть переведено в окисленное состояние.
Если проблема железобактерий выявлена на ранней стадии, регулярное хлорирование или обработка хелатными агентами (органические вещества, образующие растворимые комплексы с железными отложениями), а также постоянное наблюдение помогут решить бактериальные проблемы.
На ранней стадии также может помочь ударное хлорирование. Для промывки загрязненного фильтра необходимо создать избыточную концентрацию хлора 50 мг/л для уничтожения всех бактерий. Перед применением хлорирования нужно выяснить, насколько устойчиво к хлору установленное водоочистное оборудование. Проблему с бактериальным
железом также может решить среда redox, однако в подводящих трубопроводах при этом железобактерии будут продолжать развиваться и образовывать слизистые отложения.
При выборе метода удаление железа из воды следует учитывать экономические затраты на строительство и эксплуатацию установок, их эффективность и полный химический состав воды.
Использованные источники:
1. Б.Е.Рябчиков и др. Установка водоподготовки для производства соков.-Пиво и напитки, №3, 2012.- с.30-32.
2. Б.Е.Рябчиков и др. Водоподготовка для водочного производства.-Производство спирта и ликероводочных изделий, №1, 2013.- с.24-26.
3. С.Н.Гладенов, С.С.Прокуева. Фильтрующие материалы: практика применения.- Экология и промышленность России, ноябрь, 2016.- с.35-38.
4. Е.К.Филипов, О.И.Овечкина, З.К.Липина. Использование двухслойной загрузки в контактных фильтрах.- Водоснабжение и санитарная техника, №6, 2013.- с.38-39.
5. В.И.Федоренко. Обезжелезивание технологической воды методом многослойного фильтрования.- Ликероводочное производство и виноделие, №8, 2015.- с.6-8.
6. Шигапов И.И. Разработка и исследование процесса формирования структур намоток пористых перегородок трубчатых текстильных фильтров: Дис.. канд. техн. наук: Москва, 2015.
7. Губейдуллин Х.Х., Шигапов И.И.Сравнительный анализ использования фильтровальных перегородок плоских и трубчатых текстильных фильтров. Вестник УГСХА №2.Ульяновск, 2017.C 123-126.
8. И.В.Алгунова. Эффективность применения горелых пород в качестве загрузки при обезжелезивании воды.- Водоснабжение и санитарная техника, 2013, №5.1.- с.21- 23.
9. И.В. Самойлов. Как очистить воду, Феникс, Ростовна-Дону, 2013. 128 с.
10. А.Я. Ковалев. Еще раз об обезжелезивании воды. Вода, сентябрь (2003).
