Наряду со снижением жесткости задачи удаления сероводорода, железа и марганца являются наиболее значимыми в современной водоподготовке.
Когда говорят о повышенном содержании железа в воде, следует различать 3 случая:
повышенное содержание трехвалентного железа (присутствующего в воде в виде гидратов окиси или «ржавчины»);
повышенное содержание двухвалентного (закисного) железа, присутствующего в виде растворимых солей;
повышенное содержание двухвалентного (закисного) железа, присутствующего в виде устойчивых органических комплексов (солей гуминовой и фульвиновой кислот);
Первый случай характерен для всех типов воды, особенно проявляется в случае распределенных сетей водопроводов в современных городах, поскольку состояние сетей водоснабжения зачастую оставляет желать лучшего. Эта задача эффективно решается осветлением воды.
Второй случай типичен для подземных вод и характеризуется наличием двухвалентного железа, сероводорода и двухвалентного марганца. Такое повышенное содержание вызвано присутствием в геологических пластах минералов, содержащих железо, сульфиды, марганец (пирит, железный колчедан и т.п.) отсутствием доступа кислорода к подземной воде, поэтому возможно существование в равновесных условиях всех восстановленных форм (железо, марганец и сероводород) отдельно или вместе взятых.
В третьем случае наблюдается интенсивная цветность (от лимонно-желтого до оранжевого и красновато-оранжевого или коричневого оттенка), а вода имеет не отделяющуюся и не отстаивающуюся со временем мутность коллоидного (мелковзвешенного) характера. Для обработки такой воды необходимо совместное применение традиционных методов окисления (например, аэрация) с действием сильных окислителей (озон, хлор).
Здесь и далее будет рассмотрен опыт, накопленный в практике водоподготовки, касающийся второго случая.
Повышенное содержание двухвалентного железа (случай 2) характеризуется следующими признаками:
исходная вода абсолютно прозрачна, имеет слегка желтоватый оттенок или не имеет такового, металлический привкус;
при отстаивании при контакте с кислородом воздуха приобретает характерный «ржавый» цвет и становится мутной;
после длительного отстаивания верхний прозрачный слой воды не содержит железо и металлическим привкусом не обладает, под ним имеется слой осадка «ржавого» цвета;
Признаки повышенного содержания сероводорода:
исходная вода абсолютно прозрачна или слегка мутновата, имеет запах сероводорода («тухлых яиц»);
при отстаивании при контакте с кислородом воздуха она становится белесо-мутной;
после длительного отстаивания верхний слой является прозрачным, не обладает запахом и под ним обнаруживается желтовато-белый, «жирный» осадок элементарной серы.
Для повышенного содержания марганца характерно выпадение темно-коричневого или черного осадка со временем.
Повышенное содержание железа, сероводорода и марганца оказывает влияние не только на бытовые приборы, отопительное оборудование (образование «ржавых» подтеков, налета, отложений), не только делает воду непригодной к бытовому и промышленному использованию, но и наносит серьезный вред здоровью человека (так, повышенное содержание железа, по данным американских медиков, способствует повышению вероятности инфарктов у мужчин в возрасте до 50 лет).
Методы удаления закисного железа, марганца и сероводорода в общем случае предполагают перевод их соединений в нерастворимую форму окислением (сероводорода — в серу, железа — из двухвалентной в трехвалентную, марганца — из двухвалентного в четырехвалентный) с последующим осветлением.
Окисление достигается следующими способами: действием на воду сильных окислителей в твердом и жидком виде (гипохлорита натрия, перекиси водорода), использованием кислорода воздуха в качестве окислителя (проводят предварительную аэрацию воды кислородом воздуха, окисление озоном (озонирование) и др. Так, например, при использовании хлора происходит следующий процесс:
4Fe(HCO3)2 + 2Cl2 + 4 H2O = 4 Fe(OH)3v + 8 CO2^ + 4 HCl
Использование кислорода воздуха для окисления железа и сероводорода представляется наиболее выгодным, так как за счет его использования снижаются эксплуатационные затраты и фактически такое использование можно считать безреагентным методом.
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 + 8CO2.
Смешение обрабатываемой воды с кислородом проводят в аэраторах для воды насадочного типа (подачей воздуха и воды противотокам по поверхности пористого наполнителя - насадки), аэраторах воды барботажного типа (подачей воздуха под давлением через слой обрабатываемой воды). В технологической практике ООО «ЮгАкваСистемы» наиболее часто применяется смешение воды с кислородом воздуха при помощи водогазовых струйных насосов – аэрационных эжекторов. При этом за счет области пониженного давления внутри такого эжектора происходит диспергирование (дробление на мелкие капли) воды и смешение воды с воздухом осуществляется наиболее полно.
В последнее время для окисления двухвалентного железа, марганца и сероводорода применяются методы каталитического окисления (гетерогенный катализ) на поверхности каталитически-активных сред, содержащих соединения четырехвалентного марганца (GreenSand, МЖФ, MTM, Birm, Quantum и т.п).
Таким образом, стало возможным последовательное окисление и осветление в напорных фильтрах с каталитически-активной загрузкой серии HFI. Принципиальная работа и устройство таких фильтров подобна работе ионообменных фильтров. В качестве реагента для регенерации (восстановления окисляющей способности) каталитической загрузки используют перманганат калия (марганцовку).
4Fe(HCO3)2 + 3 MnO2 + 2 H2O = = 4 Fe(OH)3v + Mn2O3 + MnO + 8 CO2^ 3 MnO + 2 KMnO4 + H2O = 5 MnO2 + 2 KOH 3?Mn2O3 + 2 KMnO4 + H2O = 8 MnO2 + 2 KOH
В процессе работы большая часть окисленного и задержанного на фильтрующем материале железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора служит одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду перед подачей на фильтр могут добавляться дополнительные химические окислители.
Наряду с отдельными методами применяют и их различные комбинации. Так, мы предлагаем установки удаления сероводорода ,железа и марганца серии HFR, работающие по принципу предварительной аэрации (смешением воды с кислородом воздуха) с дальнейшим окислением в контактной емкости, на поверхности каталитически-активной загрузки и последующей фильтрацией через слой этой же загрузки, как показано на слайде. Использование подобной комбинации методов водоподготовки позволяет получить высокую надежность и степень очистки воды от соединений железа, серы и марганца.
При этом протекают следующие процессы:
4Fe(HCO3)2 + 3 MnO2 + 2 H2O = = 4 Fe(OH)3v + Mn2O3 + MnO + 8 CO2^ 3 MnO + 2О2 + H2O = 3 MnO2 + 2 OH- Mn2O3 + O2 + H2O = 2 MnO2 + 2 OH-
Таким образом, в реакциях окисления окислов марганца не принимает участие дорогостоящий реагент (перманганат калия) и восстановление рабочей емкости загрузки происходит за счет окислительных свойств кислорода воздуха. Такой метод является гораздо более целесообразным с экономической точки зрения, особенно в отношении к промышленному его применению.