«« к оглавлению
Очистка воды от железа и марганца
продолжение >>
Содержание железа и марганца в воде питьевого качества не должно превышать значений 0,3 и 0,1 мг/л соответственно. Для подземных вод
большинства регионов страны характерно превышение этих нормативов в разы и даже десятки раз.
Повышенное содержание в воде марганца неблагоприятно сказывается на высшей нервной деятельности человека, наблюдается снижение активности
ферментов холинэстеразы и церутоплазмина крови, увеличивается митотическая активность клеток костного мозга и др. Повышенная концентрация железа
также вредна для организма человека. Оно может накапливаться в печени в виде коллоидных оксидов железа, получивших название гемосидирина,
который вредно воздействует на клетки печени, вызывая их разрушение. Кроме того, вода от железа имеет желто-бурую окраску, неприятный привкус.
Существуют различные методы очистки воды от этих соединений, которые можно условно разделить на реагентные и безреагентные.
Основой безреагентных методов является предварительное аэрирование воды, которое может осуществляться
различными способами, и последующее фильтрование через зернистую загрузку, например через кварцевый песок. К реагентным относятся
методы, связанные с применением хлора, перманганата калия, озона, извести, коагулянтов и т.п., которые добавляют непосредственно в воду. И в том,
и в другом случае главной целью является окисление ионов примеси, поскольку в окисленном состоянии они, как правило, нерастворимы, и отделение
образующейся взвеси тем или иным способом, например фильтрацией или отстаиванием.
Заметим, что ионообменные материалы практически не применяются для обезжелезивания и деманганации, поскольку они необратимо связывают
удаляемые ионы и емкость загрузки быстро насыщается. По этой же причине не очень эффективны сорбенты, такие как активированный уголь. После
быстрого насыщения уголь приближается по свойствам к обычному песку.
Для очистки подземных вод от Fe и Mn в небольших концентрациях целесообразно применять безреагентные методы. При высоком содержании
железа и присутствии его в виде комплексных трудноокисляемых соединений необходимо использовать более эффективные окислители, чем кислород
воздуха, например озон или хлор. В отличие от Fe, марганец медленно окисляется кислородом при рН<8. Таким образом, его удаление из воды
представляет собой более сложную задачу по сравнению с удалением железа.
Использование реагентов для предварительной обработки воды преследует обычно три цели:
• применение сильных окислителей для более активного и быстрого окисления ионов Fe(2+), Mn(2+) – хлор, озон, перманганат калия;
• смещение рН (водородного показателя) в щелочную сторону рН>7, поскольку чем выше рН, тем хуже растворимость соединений железа и марганца
– для этого применяют известь, соду и другие щелочные реагенты;
• проведение коагуляции, то есть гидролиза добавляемых в воду соединений-коагулянтов с последующим образованием хлопьев осадка, на
поверхности и в объеме которых задерживаются трудноотделимые примеси. Получившийся осадок удаляют. В качестве коагулянтов используют сернокислый
алюминий, оксихлорид алюминия, хлорид железа и другие соединения.
Механизм окисления и фильтрации. Выбор фильтрующих загрузок
Известно, что окисление ионов железа в воде при комнатной температуре – медленный процесс. Обычно сразу после подачи воды из скважины она
является бесцветной и прозрачной. Образование мелкодисперсных частиц гидроксида железа (3+), придающих воде желтую окраску, происходит через
1-2 часа, а выпадение осадка – через 10-20 часов и более.
Однако, было замечено, что фильтровать воду после ее аэрации можно практически сразу. При этом эффективность песчано-гравийных фильтров
увеличивается в течение первых 2 часов работы и выходит на стационарное значение. Следовательно, процессы внутри фильтра протекают значительно
быстрее, чем в объеме воды. Почему?
Было установлено, что первые же порции дисперсного железа, выделившиеся на поверхности зерен песка (или любой другой зернистой загрузки), образуют
каталитическую пленку , которая активно ускоряет процесс окисления и выделения железа из воды. Это явление называется автокатализом, и
означает, что само окисляемое вещество является катализатором дальнейшего окисления.
После образования первого слоя процесс выделения железа на зернах не прекращается, а наоборот, усиливается, что при работе фильтра приводит
к образованию адсорбционного слоя губчатой структуры с высокой удельной поверхностью. Таким образом, песок приобретает свойства сорбента и
катализатора. Непосредственно при работе фильтра происходит непрерывное обновление каталитической пленки. Растворенный марганец принимает аналогичное
участие во всех описанных процессах.
Конечный результат будет близким для загрузок из кварцевого песка, цеолитов, антрацита, активированного угля, то есть тех загрузок,
которые изначально не обладают специфическими свойствами по удалению железа. Некоторые отличия будут наблюдаться только из-за различий в
крупности зерен, способности к адгезии (прилипанию) по отношению к соединениям железа, удельной поверхности и пористой структуре исходных
загрузок.
Поскольку был установлен автокаталитический механизм удаления железа и марганца на зернистых загрузках, логично было в качестве следующего
шага использовать специально приготовленные катализаторы с нанесенными и закрепленными активными железо-марганцевыми композициями. Во-первых,
так можно избавиться от периода «разрабатывания», в течение которого загрузка малоэффективна. Кроме того, варьируя концентрацию и соотношение
между наносимыми компонентами, способы нанесения и обработки катализатора, активизирующие и защищающие добавки, удалось значительно повысить эффективность
загрузок и, как следствие, скорость фильтрования. Указанные каталитические загрузки производятся на Западе: BIRM (Clack Co., США), Manganese Greensand
(Intersand Inc., США), MTM и др., а в последнее время и в России, например МЖФ («Альянс-Нева», С-Пб.), хотя они еще недостаточно распространены,
а специалисты зачастую просто не информированы об их свойствах.
Материал BIRM представляет собой синтетический алюмосиликат с нанесенными на его поверхность соединениями железа и марганца. Он
отличается высокой пористой поверхностью и малым насыпным весом (0,7-0,8 г/см3), что обеспечивает его высокую активность и упрощает промывку
обратным потоком воды. Недостатками материала BIRM являются склонность к истиранию, а также способность постепенно «отравляться» различными
примесями в воде – сероводородом, коллоидной кремнекислотой, свободной углекислотой, нефтепродуктами и др.
На основе природного доломита , содержащего карбонаты кальция и магния, изготавливаются такие фильтрующие материалы, как Магнофилт,
Дамфер, а также российский МЖФ. Преимуществом их является способность корректировать рН очищаемой воды в результате нейтрализации образующихся
в процессе фильтрования кислот. Поясним сказанное.
Окисление растворенных железа и марганца, например, кислородом, описывается следующим образом:
4 Fe(2+) + O2 + 10 H2O = 4 Fe(OH)3 + 8 H(+)
2 Mn(2+) + O2 + 2 H2O = 2 MnO2 + 4 H(+)
На окисление 1 мг железа (2+) расходуется 0.143 мг растворенного кислорода. Щелочность воды при этом снижается на 0.036 мг-экв/л, поскольку при
окислении одного иона металла, как видно из приведенных реакций, образуются 2 иона водорода. Если бы в воде имелись только анионы сильных кислот
– хлориды и сульфаты, то окисление 1 мг железа или марганца в 1 литре воды приводило бы к понижению значения рН на 2,5 единицы, что равнозначно
увеличению концентрации свободной кислоты в 250 раз. Из-за этого эффективность дальнейшей очистки должна резко падать, поскольку, как отмечалось выше,
в кислой среде соединения железа и марганца не склонны к выпадению в осадок.
На самом деле, в исходной воде имеются другие анионы, придающие ей буферные свойства – гидрокарбонаты и карбонаты. Они частично связывают
ионы водорода, и из-за этого наблюдаемое понижение рН несколько меньше. Однако, в любом случае, фильтрующие материалы, которые не способны
корректировать значение рН очищаемой воды (подщелачивать ее), могут удалять не более 5 мг/л растворенного железа, а для удаления марганца
вообще малоэффективны.
Роль корректора рН как раз и играют такие носители, как доломит. При его термической обработке в процессе приготовления катализатора карбонат
магния переходит в оксид MgO, который имеет щелочные свойства. Ко всему прочему, зерна доломита обладают высокой механической прочностью, и
поэтому почти не истираются при эксплуатации.
Из глауконитового зеленого песка получают еще один широко распространенный материал для каталитической фильтрации – Manganese Greensand (MGS).
В процессе приготовления в глауконит вводят оксиды марганца, обладающие высокой каталитической активностью и дополнительной окисляющей способностью.
За счет этого материал способен окислять не только ионы растворенных металлов, но и сероводород до нерастворимых сульфатов. Поэтому данный
фильтрующий материал эффективен при очистке воды с высоким содержанием железа и марганца в широком диапазоне рН. Регенерация MGS проводится
раствором перманганата калия.
Ту или иную фильтрующую загрузку обычно выбирают исходя из состава очищаемой воды, применяемой технологической схемы и конструкции оборудования.
Конструкция фильтров
Фильтр представляет собой вертикальную колонну с верхней и нижней дренажно-распределительной системой. Колонну заполняют поддерживающим
слоем гравия, а затем основной загрузкой. При использовании катализаторов высота колонны должна быть не менее 1100 мм , высота фильтрующего слоя
– не менее 750- 800 мм . При использовании песка, цеолита и других материалов размеры колонны значительно больше. Фильтрация происходит
при движении воды сверху вниз. Колонна заполняется не до самого верха для того, чтобы при подаче обратного потока воды загрузка могла всплывать
и взрыхляться, что нужно для ее нормальной промывки и предотвращения слеживания (необратимого уплотнения). Управление потоком воды, то есть
переключение из режима фильтрации в режимы промывки, обработки реагентом и т.п., производят с помощью кранов, установленных на внешней обвязке
фильтра. Управление может быть автоматизировано, тогда применяют специальные клапаны, которые выбирают нужный режим работы по таймеру или по показаниям
счетчика расхода воды. Контроллер клапана обычно программируется на проведение промывки и регенерации фильтра в определенные дни недели и часы.
Дренажно-распределительная система служит для того, чтобы:
• предотвращать вынос фильтрующего материала во время фильтрации и промывки;
• обеспечивать равномерную подачу и сбор воды по всей площади сечения фильтра.
Верхнюю дренажную корзину используют не всегда, а только для мелких и легких загрузок. Нижний дистрибьютор для колонн диаметром менее 400
мм обычно представляет собой цилиндрический или конический щелевой колпачок, а для колонн большего диаметра – лучевую систему с щелевыми отверстиями.
Если регенерация фильтра включает реагентную обработку загрузки (например, обработку KMnO4), то в состав фильтра входит также бак-дозатор реагента
с поплавковым регулятором уровня заполнения, либо насос-дозатор.
Фильтр подключают к водопроводу, а также к канализации для сброса промывной воды.
продолжение >>
«« к оглавлению
Copyright © 2006 «АкваФрешСистемс»
Прайс-лист на комплектующие и оборудование для очистки воды