Форми заліза в природних джерелах
У воді поверхневих джерел залізо знаходиться зазвичай у формі органо-мінеральних колоїдних комплексів, зокрема, у вигляді гуміновокіслого заліза і тонкодисперсної суспензії гідроксиду заліза. У річковій воді, забрудненій кислотними стоками, зустрічається сульфат двовалентного заліза FeSOi. Через наявність в річковій воді розчиненого кисню двовалентне залізо Fe; "окислюється в тривалентне Fe" ". При появі у воді сірководню HiS утворюється тонкодисперсна суспензія сульфіду заліза FeS.
Підземні джерела води в переважній більшості характеризуються наявністю розчиненого бікарбонату двовалентного заліза Fe (HCCb): \ який цілком стійкий за відсутності окислювачів і рН> 7,5. При високій карбонатної твердості, рН> 10 і змісті Fe - "" МОмг / л бікарбонат може гідролізувати з утворенням вуглекислоти.
Концентрація заліза в підземних ґрунтових водах знаходиться в межах від 0,5 до 50 иг / л. У Центральному регіоні РФ, включаючи Підмосков'ї, ця величина змінюється в діапазоні 0,3-10 мг / л. найбільш часто - 3-5 мг / л, в залежності від географічного розташування і глибини джерела.
Анаеробна (яка не має контакту з повітрям) прозора грунтова вода може містити сполуки двовалентного заліза (Fe ") до декількох мг / л без її помутніння при прямій подачі з джерела. Однак при контакті з киснем повітря двовалентне залізо окислюється до тривалентного колоїдного стану, надаючи воді характерний червоно-коричневий відтінок.
Користувач часто спостерігає таку картину; в перший момент вода, отримана з свердловини, здається абсолютно чистою і прозорою, але з плином часу (від декількох хвилин до декількох годин) мутніє, набуваючи специфічний відтінок. При відстоюванні води муть осідає, утворюючи бурий пухкий осад (гідроксид тривалентного заліза). Процес окислення Fe- "до FeJ" каталитически прискорюють присутність у воді солей міді, а також контакт води з раніше випав осадом FefOHb.
Залежно від умов (значення рН, температура, наявність у воді окислювачів або відновників, їх концентрація) окислення може передувати гідролізу, йти паралельно з ним або окислення може піддаватися продукт гідролізу двовалентного заліза FefOHfe.
Вибір оптимального методу обезжелезнванія води залежить від знання форм заліза, присутніх в природних водах. Відповідно до вимог СНиП 2.04.02-84 * метод знезалізнення води, розрахункові параметри і дози реагентів слід приймати на основі результатів технологічних досліджень, виконаних безпосередньо у джерела водопостачання.
методи знезалізнення
Для знезалізнення поверхневих вод використовуються тільки реагентні методи з подальшою фільтрацією. Знезалізнення підземних вод здійснюють фільтруванням в поєднанні з одним із способів попередньої обробки води - аерацією (спрощеної, і в спеціальних пристроях), коагуляцією і висвітленням, введенням окислювачів - хлору, гіпохлориту натрію або кальцію, озону, перманганату калію. При мотивованій обгрунтуванні застосовують катіонірованіе, діаліз, флотацію, електрокоагуляцію і інші методи.
Для видалення з води заліза, що міститься у вигляді колоїду гідроксиду заліза Fe (OH):> або у вигляді колоїдальних органічних сполук, використовують коагулирование сульфатом алюмінію або залізним купоросом з додаванням хлору або гіпохлориту натрію. Як наповнювачі для фільтрів, в основному, використовують пісок, антрацит, сульфоуголь, керамзит, пиролюзит, а також фільтруючі матеріали з нанесеним каталізатором, який пришвидшує процес окислення двовалентного заліза в тривалентне. Останнім часом все більшого поширення набувають саме такі наповнювачі.
аерація
В процесі аерації кисень повітря окисляє двовалентне залізо, при цьому з води видаляється вуглекислота, що прискорює процес окислення і наступний гідроліз з утворенням гідроксиду заліза.
Метод спрощеної аерації заснований на здатності води, що містить двовалентне залізо і розчинений кисень, при фільтруванні через зернистий шар виділяти залізо на поверхні зерен завантаження, утворюючи каталітичну плівку з іонів і гідроксидів дво- і тривалентного заліза. Плівка активно інтенсифікує процес окислення і виділення сполук заліза з води. Потрібно відзначити: ряд домішок в очищується воді, таких як сірководень, вільна вуглекислота, колоїдна кремнієва кислота, аміак, помітно погіршують каталітичні властивості плівки.
Цей метод допустимо, якщо концентрація заліза у воді не перевищує 10 мг / л, а значення рН - понад 6,8. (Є також обмеження значень лужності, перманганатная окислюваність, вмісту сірководню, амонійних солей і сульфідів.) В інших випадках необхідна попередня аерація води в аераторах з додаванням в неї необхідних реагентів (хлор, гіпохлорит натрію, перманганат калію та ін.).
При вмісті заліза у воді у вигляді сульфату FeSOi аерація води не дозволяє провести її знезалізнення через утворення кислоти, що знижує значення рН води менше 6,8, при цьому процес гідролізу майже припиняється. Для видалення з води кислоти потрібно її вапнування з осадженням погано розчинної гіпсу CaSCk Після вапнування необхідні відстоювання і фільтрування води.
При використанні напірних фільтрів повітря вводять безпосередньо в подаючий трубопровід, з нормою витрати 2 л на 1 г заліза (II). Якщо у вихідній воді більше 40 мг / л вільної вуглекислоти і більше 0,5 мг / л сірководню, то повітря в трубопровід не вводять. У цьому випадку перед напірним фільтром необхідно встановити проміжну ємність з вільним зливом води і повисітельний насос.
Коли необхідно видалити з води залізо при концентрації його у воді більше 10 мг / л і збільшити значення рН до більш 6,8, здійснюється аерація в спеціальних пристроях - дегазатор. Вода в них збагачується киснем, і відбувається окислення заліза. Потім вона подається на фільтр, де в обсязі наповнювача завершуються освіту пластівців гідроксиду тривалентного заліза і їх затримання.
Метод "сухий фільтрації"
Метод полягає в фільтруванні повітряно-водної емульсії через "суху" (незатопленним) зернисту завантаження шляхом створення в фільтрі вакууму або нагнітання великої кількості повітря з подальшим відсмоктуванням з піддонного простору. При цьому на поверхні фільтруючого завантаження утворюється адсорбционно-каталітична плівка із з'єднань заліза (і марганцю, якщо він присутній у воді), що підвищує ефективність процесів знезалізнення і деманганации. Як завантаження зазвичай використовують пісок, керамзит, антрацит, вініпласт та ін.
Коагулирование, освітлення, флокулірованіе
З поверхневих вод, як правило, необхідно видалити суспензії і колоїдно-дисперсні речовини, що включають сполуки заліза. Звільнення води від суспензій і колоїдних речовин можливо здійснити тільки шляхом введення спеціальних реагентів-коагулянтів. Коагулянт утворює у воді пластівці, які адсорбують на своїй поверхні колоїди і виділяються у вигляді осаду. Як коагулянтів застосовують сульфат алюмінію (при рН вихідної води 6,5-7,5), сульфат заліза (залізний купорос), хлорне залізо (рН = 4-10), полігідроксіхлорід алюмінію.
Для інтенсифікації процесу коагуляції в воду додатково вводять фло-кулянти.
Доза хлору, в залежності від вмісту заліза, може становити 5-20 г на 1 Mj води при контакті, по крайней мере, в протягом 30 хв (не тільки для окислення заліза, але і для надійного знезаражування).
Однак цей метод обробки води має цілу низку недоліків, в першу чергу пов'язаних зі складною транспортуванням і зберіганням великих обсягів рідкого високотоксичного хлору. Тому в останні роки все ширше використовують обробку води розчином гіпохлориту натрію (NaCIO), причому цей метод знаходить застосування як на великих станціях водопідготовки, так і на невеликих об'єктах, в тому числі і в приватних будинках. Водні розчини гіпохлориту натрію одержують хімічним або електрохімічним методом за сумарною реакції.
В процесі окислення заліза гіпохлоритом натрію не відбувається підкислення води, а це дуже важливо для процесу фільтрації. Крім того, розчин гіпохлориту натрію (як товарний, так і електрохімічний) - лужний, що сприятливо для фільтрування,
Окислення двовалентного заліза досягається також введенням в вихідну воду перед фільтрами розчину перманганату калію КМПО. З метою обробки складних вод і економії досить дорогого перманганату калію він може використовуватися в поєднанні з гіпохлоритом натрію.
Один з перспективних методів окислення заліза - озонування (див. А-Т 26.302), одночасно забезпечує знезараження, знебарвлення і дезодорацію води, поліпшення її органолептичних властивостей, окислення двовалентних заліза і марганцю.
При фільтруванні через шар іоніту залізо буде затримуватися і поглинатися іонітом раніше і краще кальцію і магнію. І обмінна ємність іоніту по кальцію і магнію буде швидко зменшуватися. Тому видалення з води заліза методом іонного обміну (катіонірованіе) допускається, коли одночасно з знезалізнення потрібно пом'якшення води. Однак в цьому випадку можливо тільки витягти залізо в розчиненої двухвалентной формі. При наявності у воді кисню іон Fe 2+ окислюється, що утворюється гідроксид заліза Fe (OH) 3 погано розчинний у воді і, осідаючи на зернах ионита, "закриває" його пори. Ресурс роботи іонообмінного матеріалу буде значно знижений.
Їх дія заснована на здатності з'єднань марганцю порівняно легко змінювати валентний стан. Двовалентне залізо в вихідної воді окислюється вищими оксидами марганцю. Останні відновлюються до нижчих щаблів окислення, а далі знову окислюються до вищих оксидів розчиненим киснем і перманганатом калію,
Згодом велика частина окисленого і затриманого на фільтруючому матеріалі заліза вимивається в дренаж при зворотній промивці. Таким чином, шар гранульованого каталізатора служить одночасно і фільтруючим середовищем. Для поліпшення процесу окислення в воду можуть додаватися додаткові хімічні окислювачі.
При проведенні процесу слід мати на увазі, що для ефективного окислення сполук заліза (і марганцю) необхідно як наявність каталізатора, який тільки прискорює процес, так і реагенту-окислювача. У ролі окислювача можуть виступати розчинений кисень, вищі з'єднаннямарганцю, хлор, гіпохлорит. Він вводиться ззовні або входить до складу фільтруючого завантаження. В останньому випадку слід визначити ресурс завантаження, виходячи зі складу води і її витрати, а також забезпечити своєчасну регенерацію або заміну фільтруючого матеріалу.