Важным критерием при выборе метода обезжелезивания воды являются финансовые затраты на приобретение самой установки и ее обслуживание. Какую же установку водоочистки выбрать для своего дома, что цена системы и качество очистки были оптимальны?
Железо в природных водах может содержаться либо в ионной форме (в виде двухвалентного железа, а также в виде неорганических и органических коллоидов), либо в форме комплексных соединений двух- и трехвалентного железа или тонкодисперсной взвеси гидрата окиси железа.
Вам приходилось замечать, как на открытом воздухе прозрачная вода начинает приобретать желтоватый оттенок? Это свидетельствует, что в составе воды присутствует двухвалентное железо (Fe2+). Спустя некоторое время, на дне сосуда появлялись рыжеватые и красноватые частички? А это уже результат окисления двухвалентного железа и его перехода в трехвалентную форму (Fe3+).
Осаждение этих частиц в трубопроводах и вызывает появление ржавчины. Однако, при водоподготовке, такое железо легче всего удалять.
Маленькие частицы железа, имеющие размер менее 0,1 мкм — это коллоидное железо (встречается редко), которое образует суспензию. Оно не отфильтровывается механическими фильтрами и удаляется окислением или переводом в другую форму, а затем фильтрацией.
Железо в соединениях с органическими веществами, например, гумусовой кислотой, считается органическим и является наиболее сложно удаляемым.
Бактериальное железо принимает студенистую или волокнистую структуру, благодаря скоплениям железистых бактерий, которые используют железо в метаболических процессах. Такая форма железа может приводить к образованию пленок на поверхности воды, однако встречается крайне редко.
В подземных водах железо чаще всего встречается в виде растворенного двухвалентного железа, а в поверхностных водах – в виде комплексных соединений, либо в виде коллоидных или тонкодисперсных взвесей.
Выбору метода обезжелезивания воды должно предшествовать ее пробное обезжелезивание, так как количественное содержание железа, указываемое в анализах, не дает представления о форме, в которой железо присутствует в воде. Пробное обезжелезивание воды заключается в моделировании обезжелезивающей установки по тому или иному существующему методу устранения из воды железа, а именно:
1) аэрацией воды с последующим ее фильтрованием или отстаиванием и фильтрованием;
2) коагулированием;
3) известкованием;
4) хлорированием и коагулированием.
По результатам пробного обезжелезивания воды выбирают такой метод, при котором достигается требуемый эффект обезжелезивания воды при наименьших эксплуатационных затратах.
Методика пробного обезжелезивания описана в «Технических указаниях на проектирование и эксплуатацию установок по обезжелезиванию воды фильтрованием».
Для обезжелезивания подземных вод чаще всего применяют аэрацию воды без добавления реагентов. Согласно нормативным данным, обезжелезивание фильтрованием с так называемой «упрощенной аэрацией» может применяться для подземных вод при общем содержании железа до 10 мг/л (в том числе двухвалентного железа не менее 50%), рН не менее 6,7, щелочности не менее 1 мг-экв/л, содержании сероводорода до 1 мг/л и перманганатной окисляемости не более 6-7 мг/л.
Классическая установка обезжелезивания воды, работающая по методу «упрощенной аэрации», состоит из фильтров, загруженных песком, антрацитом, керамической крошкой и т.п. Крупность фильтрующей загрузки принимается в пределах 0,8-1,8 мм (при высоте слоя загрузки 1 м и скорости фильтрования 5-7 м/ч) или 1-2 мм (при высоте слоя загрузки 1,2 м и скорости фильтрования 8-10 м/ч).
Для окисления двухвалентного железа в трехвалентное, задерживаемое фильтром в виде гидрата окиси, требуется обогащение воды кислородом в количестве 0,6-0,9 мг на 1 мг двухвалентного железа.
Аэрация при данном методе осуществляется простейшими приемами при открытых фильтрах изливом воды из подающей трубы в карман или центральный канал фильтра с высоты 0,5-0,6 м, при скорости выхода из трубы 1,5-2 м/с. При применении напорных фильтров, воздух можно подавать компрессором в трубу, по которой вода поступает в фильтры.
Возможность применения метода обезжелезивания воды «упрощенной аэрацией» и фильтрованием в каждом конкретном случае перед разработкой проекта станции обезжелезивания проверяется пробным обезжелезиванием, выполняемым у используемой скважины.
Если пробным обезжелезиванием определено, что метод «упрощенной аэрации» и фильтрования не дает необходимых результатов, тогда можно применить более интенсивную аэрацию, сущность которой заключается в насыщении воды кислородом воздуха. За счет этого кислорода происходит окисление двухвалентного железа, содержащегося в воде, в трехвалентное. При определенных значениях рН воды трехвалентное железо гидролизуется (разлагается в воде) и образовавшаяся гидроокись железа коагулирует (т.е. сворачивается и сгущается).
Скорость процессов окисления, гидролиза и коагуляции гидроокиси железа возрастает с увеличением рН воды. Указанные процессы быстро завершаются при рН = 7,5. Значение рН воды подземных источников часто ниже этой величины. Для поднятия значения рН воды до 7,5 из нее должно быть удалено некоторое количество свободной углекислоты.
Аэрация воды с целью удаления углекислоты может осуществляться либо на вентиляторных градирнях (дегазаторах), либо на так называемых контактных градирнях, работающих при естественной вентиляции.
На рисунке показана схема обезжелезивающей установки с вентиляторным дегазатором. Вода из скважин поступает на дегазатор (1) и далее сливается в контактный резервуар (2). Контактный резервуар служит для завершения процесса окисления двухвалентного железа в трехвалентное, гидролиза последнего и для образования хлопьевидного осадка гидрата окиси железа.
Схема обезжелезивающей установки с вентилято
Из контактного резервуара вода насосом (3) или, если позволяет рельеф местности, самотеком поступает на осветительные фильтры (4) (открытые или напорные). Назначение фильтров - задерживать хлопья гидрата окиси железа, которые поступают с водой из контактного резервуара. После фильтров вода сливается в резервуар чистой воды (5) и далее подается потребителям.
Поскольку артезианская вода при проходе через очистные сооружения может лишиться своей бактериальной чистоты, желательно ее обеззараживание. Его осуществляют хлорированием или бактерицидным облучением воды.
В последние годы для обезжелезивания подземных вод начали применять катализаторы. В качестве катализаторов применяют либо природный минерал пиролюзит, либо обычный кварцевый песок, обработанный окислами марганца («черный песок»). Сущность этого способа заключается в том, что в присутствии окислов марганца процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное значительно ускоряется и может быстро осуществляться даже при пониженных рН воды.
Установка по обезжелезиванию воды в этом случае состоит из двух последовательных групп фильтров. Первую группу фильтров загружают либо пиролюзитом, либо омарганцованным песком. Крупность зерен загрузки принимают 0,7-1,5 мм, высоту слоя загрузки - 900 мм, скорость фильтрования - 15 м/ч. Для восстановления окислительных свойств «черного песка» следует предусматривать периодическое добавление в обезжелезиваемую воду перманганата калия из расчета 2-3 мг/л. Фильтры второй группы - песчаные, такие же, как и при обезжелезивании воды аэрацией.
При удаления железа из воды поверхностных источников чаще всего прибегают к реагентным способам. Например, коагулирование, иногда приходится комбинировать с предварительным хлорированием воды для разрушения органических соединений железа или защитных коллоидов, препятствующих коагуляции коллоидных соединений железа. Так, на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,64 мг хлора, а щелочность воды при этом снижается на 0,018 мг-экв/л. В качестве окислителей Fe2+ используют и такие реагенты как озон, перманганат калия и т.п. Образующиеся в результате соединения закисного и окисного железа извлекаются из воды фильтрованием.
Обычно обезжелезивание поверхностных вод проводят одновременно с их осветлением на тех же установках. Если необходимо одновременное обезжелезивание и частичное смягчение воды, то прибегают к ее известкованию. Известкование является надежным универсальным методом обезжелезивания воды и приводит в то же время к снижению ее карбонатной жесткости.
Следует отметить, что вода, очищенная реагентными способами не является абсолютно безопасной для употребления.
Причина этого – попадание в состав воды дополнительных химических элементов. Например, постоянное питье хлорированной воды наносит существенный удар по иммунной системе человека, провоцирует сердечно-сосудистые заболевания, а также нарушения деятельности головного мозга и пищевой системы. А вот, антисептическое действие перманганата калия обязано, прежде всего, его токсичности, которая раздражает поверхность слизистых оболочек и стенки внутренних органов. Хроническое воздействие даже минимальных концентраций этого вещества может иметь мутагенный эффект.
Кроме того, стоимость реагентов, необходимых для фильтрации, через 3-5 лет составит сумму, равную стоимости всей системы очистки воды.
Подводим итоги:
Важным критерием при выборе метода обезжелезивания воды являются финансовые затраты на приобретение самой установки и ее обслуживание.
Реагентные установки обезжелезивания стоят дешевле, однако требуют регулярных затрат в процессе работы на приобретение окислителей железа и частой замены фильтрующих материалов.
Безреагентные установки имеют более высокие цены, поскольку в их комплектацию входят дополнительные элементы (воздушный компрессор, датчик потока и т.п.) но, при этом отсутствуют эксплуатационные затраты и попадание в воду дополнительных элементов, которые могут иметь свое специфическое влияние на качество воды, а значит и на организм человека.
Именно поэтому, в последнее время набирает популярность и растет число пользователей безреагентных или экологических систем очистки природных вод, которые имеют высокую степень очистки и при этом являются абсолютно безопасными с точки зрения питьевого употребления воды.
Таким образом, для принятия правильного решения по выбору установки обезжелезивания, необходимо взвесить все факты, проконсультироваться с профессионалами, изучить рынок предложений и отдать предпочтение современным, продуктивным и экологически чистым технологиям.
При подготовке статьи были использованы материалы:
1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1974. - 480 с.
2. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учебн. Пособие для вузов. - М.: Изд-во МГУ, 1996 г. - 680 с.
3. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. – М.: Де Ли принт, 2004. – 328 с.
Автор: Ольга Белова