Центр Водоподготовительных Технологий
тел.: +7 (473) 222-3-444
 


+7 (473) 222-3-444
247-1-027

Очистка воды от железа, марганца и сероводорода


Ржавые пятна на раковине, посуде, ткани и других поверхностях, характерный металлический привкус, а также специфический цвет напитков, а иногда даже вкус еды – все эти признаки присутствия железа в воде хорошо знакомы жителям Воронежской области. Ведь вода на территории нашего региона всегда стабильно превышала показатели норм СанПиН 2.1.4.1074-01 по содержанию железа, марганца и солей жесткости.

Присутствие железа в воде становится ощутимым даже при концентрации в 0.3 мг/л.

Являясь одним из самых распространенных в природе элементов, железо попадает в подземные воды благодаря возможности осуществления для него окислительно-восстановительной реакции. Проходя через грунтовые породы, вода участвует в минерально-солевом обмене, то обогащаясь одними соединениями, то теряя их. Обогащенная углекислым газом вода способна восстанавливать некоторые элементы, переводя их из одних степеней окисления в другие.

Благодаря такому воздействию нерастворимые в воде соединения, содержащие ионы трехвалентного железа Fe+3, переходят в растворимые в воде соединения, включающие в себя ионы двухвалентного железа Fe+2. Обратный процесс перехода иона двухвалентного железа Fe+2 в ион трехвалентного железа Fe+3 тоже легко осуществим. Под действием кислорода воздуха происходит окисление иона железа Fe+2 до Fe+3. В результате чего возможен переход от растворимых солей двухвалентного железа в нерастворимые в воде соединения железа трехвалентного.

Для того чтобы убедиться в легкости перехода соединений, содержащих ионы железа Fe+2, в соединения, включающие в себя ионы железа Fe+3, проведем небольшой эксперимент. Стакан с прозрачной водой, содержащей растворимые соли железа оставим на воздухе. Через некоторое время благодаря кислороду воздуха произойдет окислительно-восстановительная реакция, и вода станет сначала мутной, а затем на дне стакана образуется коричневый осадок нерастворимой гидроокиси железа Fe(OH)3.

Кроме этого, железо в воде может находиться в виде мелкодисперсного осадка, придавая характерную мутность воде, или быть химически связанным в комплексных соединениях.

Для того чтобы выбрать наиболее подходящий метод очистки воды от железа необходимо знать, в каком состоянии находится железо в вашей воде. На основе степени окисления железа принято выделять несколько основных форм его присутствия в воде:

  • Элементарное железо (Fe0). Элементарное железо нерастворимо в воде. В присутствии влаги и воздуха оно окисляется до трехвалентного состояния (Fe+3), превращаясь в окись железа Fe2O3. Именно так происходит процесс образования ржавчины.
  • Двухвалентное железо (соединения, содержащие Fe+2). Соединения, содержащие двухвалентное железо, почти всегда являются растворимыми в воде.
  • Вода, содержащая соединения двухвалентного железа, бесцветна и прозрачна при наливании, однако, при стоянии в ней образуется красно-коричневый осадок.
  • Трехвалентное железо (соединения, содержащие Fe+3). Вода, содержащая соединения трехвалентного железа, при наливании окрашена и образует красно-коричневый осадок.
  • Гидроокись трехвалентного железа Fe(OH)3 практически нерастворима. Растворимыми в воде являются некоторые соли трехвалентного железа Fe+3, например, хлорид железа FeCl3 или сульфат железа Fe2(SO4)3. Образование этих соединений железа, как правило, наблюдается в слабокислых водах.
  • Органическое железо. Органическое железо может присутствовать в различных формах, а также в виде комплексов. Эти соединения бывают растворимыми, но также могут образовывать мелкодисперсные осадки.
  • Органические молекулы могут связывать железо, кальций и другие металлы, удерживая их в растворе. Эта их способность основана на том, что многие органические соединения, зачастую, являются хорошими комплексообразователями. Благодаря этому органические молекулы способны удерживать железо в растворимых комплексных соединениях, называемых хелатами. Подобные соединения имеют клешнеобразную структуру, что и обуславливает их название – «хелаты». Связывающая железо порфириновая группа гемоглобина и связывающий магний хлорофилл растений – вот примеры комплексообразующих групп хелатного типа. Гуминовая кислота, имеющая большое значение для катионного обмена в почве, также является хорошим хелатным агентом.
  • Вода, содержащая растворимое органическое железо, имеет желто-коричневую окраску. Малые размеры нерастворимого органического железа затрудняют возможность очистки воды от них.
  • Бактериальное железо. Некоторые виды бактерий могут использовать энергию, выделяемую при окислении ими двухвалентного железа, которое становится частью слизистой оболочки клетки. Вода, содержащая бактериальное железо, может иметь радужную пленку на поверхности и образовывать желеобразные отложения в водопроводной системе.
    Существует гипотеза, исходя из которой, крупные месторождения железных руд являются доисторическими кладбищами железобактерий, сконцентрировавших железо на малом пространстве.

Таким образом, можно сделать вывод: вода, поступающая к нам из централизованного городского водоснабжения, как правило, приобретает железо уже в процессе движения к потребителю по старым трубам, покрытым ржавчиной, железобактериями, а также другими видами отложений; а вода, подающаяся из артезианских скважин, может иметь все перечисленные формы железа сразу в зависимости от глубины скважины, характера водоносных слоев и близости источников техногенных загрязнений.

Существуют некоторые общие способы очистки воды от железа. В общем смысле все эти процессы являются «обезжелезиванием воды». Используя наиболее приемлемую схему обезжелезивания в процессе водоподготовки, можно добиться требуемой степени очистки воды от всех соединений железа.

Обезжелезивание воды

Основываясь на химических представлениях о возможности осуществления окислительно-восстановительной реакции, в результате которой растворенное в воде железо Fe+2 можно перевести в железо со степенью окисления +3, осуществляется один из самых традиционных методов обезжелезивания воды. Под воздействием окислителей, в качестве которых используют кислород воздуха, хлор, перманганат калия, перекись водорода и озон, двухвалентное железо Fe+2 переводят в железо Fe+3, которое в виде нерастворимой гидроокиси железа Fe(OH)3 затем осаждается или отфильтровывается.

Для перевода двухвалентного железа Fe+2 в трехвалентное Fe+3 используют различные обезжелезиватели – водоподготовительные установки, направленные на ускорение процесса окисления ионов железа и марганца с последующим осаждением их окислов на гранулах сорбента.

Обезжелезиватели бывают колонного типа (описаны ниже) и кабинетного типа (Waterboss).

Обезжелезиватели колонного типа состоят из баллона, который еще называют колонной или танком; управляющего клапана, а также из сорбента. Работа обезжелезивателя, которая заключается в фильтрации воды и регенерации сорбента, осуществляется в автоматическом режиме. Для наполнения колонн используют различные сорбенты, каждый из которых способен работать лишь в сочетании с определенным окислителем.

Что же было прародителем нынешних сорбентов, используемых для очистки воды от соединений железа?

Первоначально для фильтрации выпавшего осадка гидроокиси железа применяли дешевый инертный материал – дробленый кварц, который так же известен как кварцевый песок. Со временем было замечено, что порыжевший, покрывшийся в процессе работы пленкой гидроокиси железа Fe(OH)3 кварцевый песок удаляет растворенное железо быстрее и качественнее, чем только что введенный в реакцию пока еще чистый дробленый кварц. Было установлено, что покрытый пленкой гидроокиси железа кварцевый песок обладает не только сорбционными свойствами, но и участвует как катализатор в окислительно-восстановительной реакции перехода двухвалентного железа Fe+2 в трехвалентное Fe+3.

В результате научных поисков было найдено, что в качестве каталитического покрытия сорбента все-таки лучше использовать оксид марганца. А в качестве самого сорбента – природные и искусственные цеолиты, к которым относятся алюмосиликаты. В зависимости от содержания оксида марганца на поверхности сорбента меняется плотность фильтрующей среды, скорость катализа, емкость засыпки по железу и так называемая буферная емкость - то количество железа, которое катализатор среды может окислить сам, без помощи растворенного в воде кислорода.

Среди торговых марок сорбентов выделим три, представляющие максимальный интерес, а именно:

  • Сорбент DMI. Это среда, предназначенная для удаления из воды железа и марганца, без необходимости регенерации раствором перманганата калия. Благодаря уникальной микропористой структуре, DMI-65 позволяет эффективно снижать содержание железа до значения 0,005 мг/л, а марганца до 0,001 мг/л. Принцип действия DMI-65, который представляет собой катализационный песок, базируется на окислении растворенных железа и марганца, а также последующем осаждении их окислов в толще загрузки. Среда DMI-65 производится австралийской компанией Quantum Filtration более 20-ти лет. Quantum DMI-65 хорошо зарекомендовал себя в странах Юго-восточной Азии, в Японии и Австралии. Quantum DMI-65 требует непрерывного дозирования раствора гипохлорита натрия. Среда была протестирована и сертифицирована Water Quality Association на соответствие международному стандарту NSF/ANSI 61. На сегодняшний день компания Аквафор для производства обезжелезивателей использует данный сорбент.
  • Сорбент Greensand (производство США). В процессе обработки глауконитового песка в состав Greensand вводятся высшие оксиды марганца, обеспечивающие дополнительную окислительную способность этого материала. К тому же кроме собственных каталитических и окислительных свойств Greensand связывает такие окисляющие агенты, как перманганат калия, хлор, растворенный кислород. Все это обеспечивает высокую скорость и полноту протекания окислительно-восстановительных реакций с участием данного сорбента. Greensand обладает высочайшей поглощающей способностью, что делает его эффективным даже при очистке воды с высокими концентрациями железа и марганца (суммарно до 10 мг/л) в широком диапазоне pH (6,2–8,8). Системы с засыпкой из этого материала применяются для очистки воды из скважин любой глубины. При этом имеющийся в воде сероводород окисляется до нерастворимых сульфатов. Сорбент Greensand не подвержен воздействию микроорганизмов, органических примесей и не требует дезинфекции. Регенерация сорбента осуществляется раствором перманганата калия с последующей промывкой исходной водой. Однако, использование для регенерации перманганата калия носит некоторые ограничения. Во-первых, должна быть централизованная или автономная система канализации без биоочистки. Или, в случае биоканализации, необходимо установить отдельный отвод для обезжелезивателя на основе сорбента Greensand. Таким образом, можно будет избежать губительного воздействия химических реактивов, используемых для регенерации системы, на биологические антисептики с живыми микроорганизмами. Во-вторых, с недавних пор перманганат калия признан прекурсором, а поэтому запрещен для свободной продажи. Все это вносит некоторые затруднения для использования обезжелезивателей на основе сорбента Greensand.
  • Сорбент МЖФ (производство Россия). МЖФ - это гранулированный материал, обладающий каталитической активностью в окислительно-восстановительных реакциях железа и марганца с растворенными в воде окислителями: кислородом воздуха, озоном, перманганатом калия или гипохлоритом натрия. Сорбент МЖФ - это фильтрующий материал, удерживающий в межзерновом пространстве продукты гидролиза окисленных форм железа и марганца. Данный сорбент эффективно удаляет растворенные в воде железо с концентрацией до 50 мг/л и марганец с концентрацией до 2 мг/л при значениях рН ниже 6,0, низкой щелочности и при высоком содержании углекислоты. Фильтрующая среда МЖФ нейтрализует растворенную в воде углекислоту с эффективностью 80-90%. МЖФ стабильно поддерживает рН отфильтрованной воды в общепринятом для питьевой воды диапазоне: 6,5-8,5. Кроме того МЖФ удаляет содержащиеся в воде сероводород, соли тяжелых металлов (например, Zn, Ni, Cr, Al, Cd, Cu, Pb) и органические загрязнения (гуматы и остатки фульвовых кислот). Данный сорбент не чувствителен к остаточному хлору и анионному фону. Еще одним значительным преимуществом этого сорбента является то, что он не слеживается даже при 100% заполнении межзернового пространства продуктами гидролиза. А также он не теряет активности при истирании, что обусловлено равнозначностью его химического и фазового составов по всему объему зерна. Необходимым условием работы сорбента МЖФ является либо искусственная аэрация, либо регулярная дозация реагентов-окислителей, в качестве которых используются перманганат калия или гипохлорит натрия.

В случае безреагентного обезжелезивания в качестве окислителя используют кислород воздуха. Который является самым доступным из окислителей, но для его работы необходимо, чтобы было большое открытое пространство для естественной аэрации воды, либо должна осуществляться искусственная аэрация. Для этого в систему с обезжелезивателем должен быть включен компрессор или эжектор для подачи кислорода воздуха. В некоторых случаях для этих целей ставят аэрационную колонну.

В случае реагентного обезжелезивания система фильтрации должна быть дополнительно укомплектована дозирующим оборудованием для ввода реагентов-окислителей. Как правило, в качестве такого оборудования используется насос-дозатор.

Для оптимизации работы фильтра (снижения нагрузки на фильтр при пиковых производительностях, для промывки чистой водой и т.д.) возможно дополнительное использование накопительных емкостей для чистой воды.

Фильтры-обезжелезиватели вне зависимости от наполнителя достаточно неприхотливы в работе и лишь требуют еженедельной промывки, которые проходят в автоматическом режиме. Такие промывки позволяют предотвратить слеживание фильтрующей среды сорбента.

Обезжелезивание можно осуществлять также при помощи хлорирования и озонирования воды. Хлорирование воды позволяет параллельно решать также проблему дезинфекции воды.

Деманганация воды (удаление из воды соединений марганца)

В подземных водах марганец находится в незначительных количествах в виде бикарбоната. В поверхностных водах марганец может содержаться в виде сульфата. Как правило, соединения, содержащие марганец присутствуют в воде вместе с растворенным железом Fe+2.

Заметить, что в воде присутствует большое количество соединений марганец можно по нескольким признакам:

  • присутствие соединений марганца делает воду мутной и темной;
  • при стоянии в воде образуется черный осадок;
  • при длительном контакте с водой, содержащей большое количество марганца, происходит окрашивание рук и ногтевых пластин в черный цвет.

Марганец способен накапливаться в трубах, создавая отложения. Также существуют «марганцевые» бактерии, которые подобно железобактериям, могут становиться причиной закупорки труб.

Необходимо очищать питьевую воду от содержащихся в ней соединений марганца, иначе это может негативно сказаться на вашем здоровье. Кроме того, если пренебрегать удалением из воды соединений марганца, это может привести к значительно более быстрому износу бытовой техники и систем отопления. Деманганация позволяет снизить содержание данного металла в воде, а также способствует удалению цветности воды.

Марганец, находящийся в воде в растворенном состоянии, удаляется вместе с железом. Тем самым очистка воды от железа приводит к снижению концентрации марганца. Но надо учитывать, что марганец окисляется медленнее, чем железо, и требует большего количества кислорода при аэрационном окислении.

Использование водоподготовительных установок на основе описанных для обезжелезивания сорбентов приводит и к удалению марганца. Кроме этого, для осуществления процесса деманганации возможно использование ионообменной смолы как в установках для умягчения воды. Однако, следует помнить, что ионообменным смолам вредно присутствие нерастворимой гидроокиси железа Fe(OH)3, которая забивает смолу и не вымывается из нее. Поэтому, специалисты всегда рекомендуют первоначально осуществлять очистку воды от содержащихся в ней соединений железа и марганца, а лишь затем приступать к ее умягчению при помощи ионообменных смол. Такая последовательность позволит вам увеличить срок службы фильтров-умягчителей и очистить воду от присутствующих соединений железа и марганца.

Удаление сероводорода

Сероводород - бесцветный газ с характерным запахом гниющего белка. Сероводород очень ядовит. Длительное вдыхание воздуха, содержащего этот газ даже в небольших количествах, вызывает тяжёлые отравления. Сероводородная вода при стоянии на воздухе, особенно на свету, скоро становится мутной от выделяющейся серы. Это происходит в результате окисления сероводорода кислородом воздуха.

Сероводород - сильный восстановитель. Именно это свойство сероводорода препятствует окислению духвалентного железа Fe+2, присутствующего в воде, в железо трехвалентное Fe+3.

При действии сильных окислителей сероводород окисляется до диоксида серы или до серной кислоты, в зависимости от условий (pH раствора, температуры, концентрации окислителя).

Наличие сероводорода в воде не только придает ей неприятный запах и негативно воздействует на здоровье потребителей такой воды, но и несет ряд дополнительных трудностей, связанных с использованием воды, содержащей большое количество соединений серы. Ведь сероводород и гидросульфиды, присутствующие в воде, способствуют значительной интенсификации процессов коррозии стали. Продуктом такой коррозии является сернистое железо FeS. Оно не образует плотной защитной пленки на металле и не защищает железо от дальнейшей коррозии.

Так же, как и в случае деманганации, удаление сероводорода из воды осуществляется параллельно с удалением соединений железа при помощи использования фильтров-обезжелезивателей с описанными ранее сорбентами.

Таким образом, использования одной водоподготовительной установки (фильтра-обезжелезивателя) позволит вам одновременно осуществить очистку воды от содержащихся в ней вредных соединений железа, марганца и сероводорода.

Полный комплекс услуг по водоподготовке