У природній воді, особливо в воді підземних джерел, у великих кількостях в розчиненому вигляді міститься залізо і часто, марганець. Норми їх вмісту в питній воді становлять по СанПіН 2.1.4.1074-01 0,3 мг / л для заліза і 0,1 мг / л для марганцю. Вимоги багатьох виробництв значно жорсткіше.
Видалення заліза з води називають знезалізнення. Часто одночасно з води видаляється і марганець, т. Е. Проводиться деманганация.
Залізо знаходиться в воді в наступних формах:
- двухвалентное - розчинена у вигляді іонів Fe2 +;
- трехвалентное (хоча хлориди і сульфати Fe3 + добре розчинні у воді, іони Fe3 + повністю гідролізуються в нерозчинний гідроксид Fe (OH) 3, який знаходиться в вигляді суспензії або осаду);
- органічне залізо (знаходиться в вигляді різних розчинних комплексів з природними органічними кислотами (гуматов), маючи, як правило, колоїдну структуру);
- бактеріальне залізо - продукт життєдіяльності железобактерий (залізо знаходиться в їх оболонці).
У підземних водах присутня, в основному, розчинене двовалентне залізо у вигляді іонів Fe2 +. Тривалентне залізо з'являється після контакту такої води з повітрям і в зношених системах водорозподілу при контакті води з поверхнею труб.
У поверхневих водах залізо вже окислено до тривалентного стану і, крім того, входить до складу органічних комплексів і железобактерий. Підхід до очищення таких вод від заліза різний.
Якщо у воді присутня тільки тривалентне залізо у вигляді суспензії, що буває в системах, що харчуються підземною водою через водонапірні башти, досить простого відстоювання або механічної фільтрації на фільтрах з розміром пір менше 5 мкм.
Для вилучення розчинених у воді двовалентного заліза і марганцю спочатку необхідно їх окислити і перевести в нерозчинну форму. Для окислення використовують кисень повітря, хлор, озон, перманганат калію. Частинки окислених заліза і марганцю у вигляді гидроокисей фільтруються на гранульованої завантаженні. Ця операція зазвичай пов'язана з механічною фільтрацією води і може проводитися на традиційних піщаної, антрацитовой або гравійної загрузках. Однак їх ефективність низька, оскільки процес окислення і формування пластівців досить тривалий.
2Fe2 + + O2 + 2H + = 2Fe3 + + 2OH
Fe3 + + 3OH? = Fe (OH) 3
Такі матеріали починають ефективно працювати тільки після нарощування на їх частинках шарів гідроксиду заліза Fe (OH) 3, що працює як каталізатор подальшого окислення.
Принципово новими продуктами, що з'явилися в останнє десятиліття, є спеціальні каталітичні завантаження, що дозволяють з високою ефективністю проводити знезалізнення і деманганации води. До них відносяться Бірма (Birm) , Пиролюзит, магнетит, Грінсенд (Manganese Greensand, MZ-10) і MTM і їх аналоги з іншими назвами, виробництва конкуруючих фірм. Це природні матеріали, що містять діоксид марганцю, наприклад, типу пиролюзита, або цеоліти, в які при відповідній обробці вводиться діоксид марганцю. При пропущенні води, що містить двовалентне залізо і полівалентний марганець, через шар таких наповнювачів відбувається окислення заліза і марганцю і їх переклад в нерозчинну гідроокис, осідають на завантаженні.
Бірма (Birm) являє собою гірську породу, що містить природний діоксид марганцю, ефективно працює при наявності у воді розчиненого кисню повітря. У разі, коли вміст заліза незначно (одиниці мг в 1 літрі), при пропущенні води через каталітичну завантаження типу Birm) міститься у воді кисню виявляється досить для окислення заліза. Утвориться гідроокис фільтрується на шарі завантаження. При більшому вмісті заліза у воді (до 10 мг / л) або нестачі розчиненого кисню (наприклад, в підземних водах) для окислення всього заліза в воду необхідно ввести кисень повітря. Він може бути поданий прямо в живильний трубопровід за допомогою ежектора або компресора або методом об'ємної аерації. Сам фільтр по влаштуванню і блок автоматичного управління аналогічні механічному, але установка обов'язково забезпечена автоматичним воздухоотделітелем. При додатковому введенні повітря бажано мати до фільтра Деаераційно колону. Об'ємна аерація дозволяє, крім того, отдуть з води присутній сірководень і створити буферний запас води.
Грінсенд (Manganese Greensand, MZ-10) і його хімічний аналог МТМ є пористі носії (цеоліти), в структуру яких введено марганець. Greensand (в перекладі з англійської - зелений пісок) - це мінерал глауконіт. Manganese Greensand є натрієвих глауконитом (NaZ), попередньо обробленим розчином хлориду марганцю, який є незворотнім поглинається цеолітом.
Na2Z + MnCl2 = MnZ + 2 NaCl
При подальшому контактуванні з розчином перманганату калію на поверхні частинок утворюється шар вищих оксидів марганцю:
MnZ + 2 KMnO4 = K2 Z (MnO) Mn2 O7
У такій формі марганцевий цеоліт служить джерелом кисню, який окисляє іони двовалентних заліза і марганцю до тривалентних. У окисленні стані залізо і марганець осідають вигляді нерозчинних гідроксидів:
K2Z (MnO) Mn2O7 + 4Fe (HCO3) 2 = K2Z + 3MnO2 + 2Fe2O3 + 8CO2 + 4H2O
Плівка вищих оксидів марганцю витрачається на окислення заліза і марганцю, і тому необхідно її постійне або періодичне відновлення. Для цього завантаження або попередньо обробляється розчином перманганату калію, або його постійно дозують в воду за допомогою системи пропорційного дозування (насоса-дозатора) перед її надходженням у фільтр. Використання перманганату калію спільно з даними завантаженнями дозволяє також видалити з води сірководень, окисли його до елементарної сірки, і частково органічні речовини і біологічні забруднення, забезпечуючи знезараження води.
а
б
в
а - подача повітря компресором або ежектором; б - об'ємна аерація; в - дозування перманганату
У першому варіанті обробка перманганатом калію проводиться при кожній регенерації завантаження. Регенерація включає в себе розпушування завантаження подачею води знизу, при цьому з шару видаляються затримані гідроксиду металів і механічні забруднення. Потім в фільтр зверху подається розчин перманганату калію в розрахунковій кількості, і після його пропуску завантаження відмивається водою до відсутності в ній слідів марганцівки. Для проведення ефективної регенерації кількість перманганату калію береться з великим надлишком, який надходить в стічні води. Якщо для очищення стоків використовуються біосептікі, як це прийнято в сучасних котеджах, що надійшов в них перманганат повністю вбиває мікроорганізми і виводить септик з ладу.
У цьому варіанті сам фільтр і пристрій автоматичного керування аналогічні фільтру пом'якшення (див. Нижче), в сольовому баку якого знаходиться розчин перманганату.
У другому випадку регенерація фільтру проводиться традиційної зворотним промиванням, аналогічно з механічними фільтрами.
Порівнюючи ці два способи, можна відзначити, що при безперервному дозуванні перманганат калію використовується в стехиометрическом кількості. Однак при зміні складу води, наприклад, сезонному, можливо або недоокислених заліза і марганцю, або потрапляння не прореагував надлишку перманганату в очищену воду. Останнє призводить до перевищення ГДК по марганцю і появи на сантехніці трудноудаляємиє забруднень.
Обробка завантаження перманганатом при регенерації, як зазначалося, вимагає великих витрат дорогого реагенту і виводить з ладу септики.
Зроблений р асчет для очищення 0,8 м3 на добу води, що містить 4,0 мг / л двовалентного заліза і 0,3 мг / л марганцю, показав, що при періодичної регенерації з рекомендованим виробником витратою, рівним 2 г KMnO4 на 1 л завантаження , річне споживання складе 17,2 кг KMnO4. При безперервному дозуванні в кількості, розрахованому для повного окислення заліза і марганцю, річне споживання складе 1,34 кг KMnO4. Отже, в першому випадку надлишкові майже 16 кг KMnO4 будуть скинуті в каналізацію з відповідним результатом.
Грінсенд має велику щільність і вимагає більшої витрати води на розпушування, ніж МТМ, але забезпечує більш тонку фільтрацію. Застосування завантажень типу Grееnsаnd, MZ -10, MTM дає можливість видаляти до 20 мг / л заліза і до 5 мг / л марганцю.
Найбільш складно видалити залізо, що входить до складу органічних сполук і біологічних об'єктів. Необхідно або зруйнувати органічні комплекси, або, навпаки, їх агрегатувати для створення умов для осадження, або витягти їх з розчину.
Органічні комплекси гумінових і фульвокислот дуже стійкі і при обробці звичайними окислювачами важко і не повністю руйнуються. Хлорування дає незначний ефект і призводить до появи токсичних продуктів. Більш ефективно і екологічно безпечно для споживача озонування. Оскільки різні води істотно відрізняються за складом, ефективність такої обробки може бути встановлена тільки при експериментах з конкретним зразком води. У ряді випадків озонування не дає відчутного ефекту.
Стандартним методом видалення органічних забруднень є сорбція на активованому вугіллі. Цей спосіб широко використовується в промисловості і муніципальної водопідготовки. Застосовується фільтрація через шар гранульованого вугілля або введення пилоподібного вугілля. Найкращі результати виходять при спільному використанні пилоподібного вугілля і коагуляції.
Коагуляція солями заліза або алюмінію дає, як правило, хороші результати з видалення органічного заліза.
Сучасними ефективними методами видалення органічних забруднень є сорбція на спеціальних слабоосновних аніонітах - органопоглотітелях (скавенжерах), і ультрафільтрація на мембранах . При обробці води, що містить залізо, яке перебуває в дуже міцному комплексі з гуматами, який не руйнувався хлором і озоном, застосування органопоглотітеля дозволило одним його обсягом очистити від заліза і органічних домішок до 20000 обсягів води.
Обробка цієї ж води солями алюмінію в режимі контактної коагуляції також дала хороші результати.
Бактеріальне залізо видаляється як методами коагуляції і ультрафільтрації, так і з використанням железобактерий.
