Удаление железа из воды
Железо является важным микроэлементом, который жизненно необходим организму человека. В необходимом количестве люди получают железо с пищей, богатой ионами железа, фруктами, витаминами и пр.
Чаще всего высокие концентрации железа встречаются в скважинной воде в виде ионов двухвалентного железа. В водах поверхностных водоемов редко можно встретить высокие концентрации железа в ионной форме. Скорее оно будет находиться в виде железо-органических комплексов.
Ограничение на содержание железа в питьевой воде ежедневного использования принято равным 0,3 мг/л. Вода, содержащая железо в больших концентрациях имеет желтоватый цвет, неприятный железистый привкус и запах, поэтому непригодна для питья. Однако, даже в концентрациях 1,0-1,5 мг/л железо не представляет прямой угрозы здоровью человека (если не пить ее постоянно). Продолжительное употребление для питья такой воды может привести к заболеваниям кроветворной системы, желудочно-кишечного тракта, к различным аллергическим заболеваниям и пр. Поэтому, при подготовке питьевой воды удалению железа уделяют особое внимание.
Кроме возможного негативного воздействия на здоровье людей железо в воде может нанести большой вред промышленному оборудованию, котлам, водопроводам и системам отопления и орошения.
В процессах промышленной очистки воды железо быстро загрязняет системы умягчения и обессоливания воды, поэтому удаление железа становится одной из важнейших задач водоподготовки.
Удалить железо из воды можно несколькими способами:
Окисление
(кислородом воздуха или аэрацией, хлором, перманганатом калия, перекисью водорода, озоном) с последующим осаждением (с коагуляцией или без нее) и фильтрацией. Удаление окисленного железа отстаиванием без коагуляции и фильтрования малоэффективно, в виду необходимости применения больших резервуаров, а также, потому что размер образовавшихся частиц трехвалентного железа близок к 1-3 мкм и скорость их осаждения очень низкая.
Каталитическое окисление
Реакция окисления железа происходит на поверхности специальной фильтрующей загрузки, обладающей свойствами катализатора (при этом загрузка не расходуется). В настоящее время распространены фильтрующие загрузки на основе диоксида марганца (MnO2), такие как Бирм, Гринсанд, МЖФ и пр. Принцип их работы одинаков. Железо в присутствии диоксида марганца довольно быстро окисляется поверхности гранул фильтрующей загрузки и оседает в ней. Слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой.
Наряду с высокой технологичностью каталитической технологии обезжелезивания, ей присущ и ряд недостатков:
- Низкая эффективность удаления железа находящегося в органо-комплексах;
- Наличие промывных вод фильтров
- Низкая эффективность при высоких концентрациях железа (более 15-20 мг/л) без применения дополнительных сильных окислителей (хлор, озон, перманганат калия);
Ионный обмен
Катиониты удаляют из воды не только ионы кальция и магния, но и другие двухвалентные металлы, а значит и растворенное двухвалентное железо. Важен факт, что теоретически, концентрации железа, с которыми могут справиться ионообменные смолы, могут быть очень велики. Также важным является факт, что катионитам не страшен марганец, который практически всегда есть в воде, содержащей железо. Если железо и марганец растворены в воде (т.е. в виде двухвалентных ионов), то катионит без проблем их удалит вместе с ионами жесткости. Однако, на практике, для удаления железа из воды катиониты применяют достаточно редко, потому что:
- Смолы очень «чувствительны» к присутствию в воде трехвалентного железа, которое «отравляет» смолу и трудно вымывается при регенерации солью. Это окисленное железо может появиться в воде в виду присутствия в ней растворенного кислорода и прочих окислителей.
- Наличие железа в воде требует увеличения расхода соли на регенерацию катионита.
- Присутствие органики или железа в органо-комплексах приводит к образованию пленки на зернах загрузки, что создает условия для появления бактерий и пр.
Для эффективного применения катионитов для удаления железа из воды необходимо разрабатывать для каждой конкретной задачи более сложную систему фильтров (возможно, с несколькими типами смол), которые смогут работать в широком диапазоне параметров качества воды.
Мембранные методы
Мембранные методы также позволяют удалить железо из воды, а вместе с ним и много других веществ. Однако применять системы обессоливания воды с целью удаления железа абсолютно нецелесообразно как с технической, так и с экономической точки зрения. Мембранные элементы намного чувствительнее к наличию трехвалентного и органического железа в воде, чем катиониты. Мембраны отвечают на наличие трехвалентного железа резким снижением производительности, что приводит к необходимости частых химических моек с остановом оборудования.
На основании вышесказанного, можно утверждать, что удаление железа из воды есть одна из самых сложных технических задач и для ее решения следует применять комплексные методы. Их выбор напрямую зависит от требуемого объема очищаемой воды и назначения этой воды. Наиболее часто в промышленной водоподготовке воды применяют окисление железа (воздухом или окислителями) совместно с каталитическим окислением, либо окисление с коагуляцией и фильтрованием.
Выбор метода всегда оснуется на изучении химсостава воды и требованиям к очищенной воде.
Установки обезжелезивания воды
ТИПОВАЯ КОМПЛЕКТАЦИЯ установки обезжелезивания воды:
-
- Корпус-фильтр в виде баллона из коррозионностойкого материала (стеклопластика, нержавеющей стали и т.п.).
- Блок управления (многоходовой клапан управления с контроллером) либо клапанная система с контроллерами для автоматической регенерации фильтра.
- Входной и выходной патрубок, а также дренажный патрубок для слива промывной воды.
- Центральный распределительный стояк (водоподъемная труба).
- Дренажно-распределительная система (щелевой колпачок).
- Монтажный комплект портов для подсоединения к трубам (может различаться для разных клапанов управления).
- Гравийная подложка (поддерживающий слой из гравия).
- Фильтрующая среда — загрузка фильтра (может состоять из одного или нескольких компонентов).
Для фильтров с химической регенерацией фильтрующей среды к вышеперечисленным сборочным единицам добавляются:
— Бак для хранения реагента (соль, марганцовка).
— Солепровод и солезаборные устройства, фиттинги для их подсоединения.
Корпус фильтра изготовлен из полиэтилена высокой плотности с наружным покрытием из стекловолокна на эпоксидной смоле.
В корпусе имеется верхнее резьбовое отверстие для установки дренажно-распределительной системы, загрузки фильтрующих материалов, крепления управляющего клапана.
Дренажно-распределительная система фильтра включает в себя:
— верхний щелевой экран;
— вертикальный коллектор;
— дренажное устройство в виде одного щелевого колпачка или шести щелевых лучей.
Верхний экран служит для предотвращения выноса в канализацию ионообменной смолы
при ее обратной промывке.
В состав управляющего клапана входят:
— многоходовой клапан, переключение которого во время регенерации фильтра полностью заменяет стандартную запорно-регулирующую арматуру;
— встроенный эжектор для отбора раствора соли из бака-солерастворителя и защитный экран эжектора;
— двигатель многоходового клапана;
— адаптер для присоединения многоходового клапана ко второму фильтру;
— один крыльчатый счетчик воды специальной конструкции, монтируемый на многоходовом клапане.
В состав реагентного бака входят следующие элементы:
— корпус и крышка из полиэтилена высокой плотности;
— заборник;
— решетка;
— шахта;
— переливной штуцер;
— гибкий шланг для присоединения заборника к блоку управления;
— набор реагент-тестов для экспресс-определения железа и/или марганца.
— соединительный кабель запрета регенерации (напр. в системах триплекса).
— электромагнитный и/ или обратный клапан.
Дополнительное оборудование (опции):
-
-
- Насосная станция с гидроаккумулирующим баком и частотным преобразователем.
- Фильтр патронный картриджный 5 – 10 мкм для исходной и/или очищенной воды.
- Соединительный кабель запрета регенерации (напр. в системах триплекса).
- Электромагнитный и/ или обратный клапан.
- Накопительная емкость исходной/очищенной воды с поплавковыми выключателями.
-
Описание работы установки обзжелезивания воды:
Принцип действия фильтра: неочищенная вода через входной патрубок поступает внутрь фильтра, проходит сверху вниз через слой фильтрующей среды и, очистившись, через нижний щелевой колпачок попадает в водоподъемную трубу, по которой уже движется вверх к выходному патрубку.
В процессе работы фильтры засоряются, поэтому периодически их необходимо промывать исходной водой (в случае повышенного содержания железа и марганца требуется промывка отфильтрованной водой) или восстанавливать (регенерировать). При этом различают как обратную, так и прямую промывку, а также реагентную регенерацию, когда фильтрующая среда промывается специальным реагентом, например, марганцовкой.
В связи с этим фильтры засыпного типа подразделяются на два подтипа:
1. Фильтры засыпного типа с безреагентной регенерацией путём обратной промывки.
Наиболее часто технологический цикл регенерации такого фильтра состоит из двух ступеней:
а) Обратная (взрыхляющая) промывка.
Заключается в том, что неочищенная вода через входной патрубок подается сразу в водоподъемную трубу (стояк). Через нижний распределитель вода проходит снизу вверх сквозь фильтрующую загрузку, взрыхляет ее, вымывает все засоряющие фильтр частицы и через дренаж сливается в канализацию. Таким образом, направление потока воды здесь меняется на обратное, откуда и название — обратная промывка.
б) Прямая (быстрая) промывка.
В этом режиме вода течет в том же направлении, что и при нормальном цикле фильтрации, однако очищенная вода поступает не в выходной патрубок, а сбрасывается в дренаж. Смысл ее в том, чтобы сбросить через дренаж остатки загрязняющих частиц и уплотнить фильтрующую загрузку после цикла обратной промывки.
Следует отметить, что засыпные фильтры с безреагентной регенерацией для обезжелезивания воды должны применяться в сочетании с предварительной подготовкой воды с помощью аэрационной, дозирующей или аэрационно-дозирующей системы. Выбор метода предварительной подготовки воды зависит от ряда условий, связанных с качеством исходной воды и других особенностей конкретного водоисточника.
2. Фильтры засыпного типа с реагентной (химической) регенерацией фильтрующей среды.
Данный вид регенерации используется, в основном, для ионообменных или многофункциональных фильтров засыпного типа, так как позволяет наиболее полно восстановить окислительную способность каталитической загрузки (например, Manganese Greensand). Технологический цикл регенерации этих фильтров, как правило, включает три ступени:
а) Обратная промывка (описание см. выше).
б) Промывка фильтрующей среды реагентом.
Концентрат регенерирующего раствора (соль, марганцовка) находится в специальной емкости, расположенной рядом с баком фильтра и соединенной с полостью фильтра отдельным трубопроводом. По сигналу с контроллера раствор начинает засасываться в клапан управления и смешиваться в определенной пропорции с поступающей на фильтр водой, при этом выходной патрубок перекрывается и открывается дренаж. Проходя через слой фильтрующей загрузки растворенный реагент восстанавливает ее фильтрующую способность и затем сбрасывается в дренаж. Направление потока воды такое же, как и в цикле нормальной фильтрации.
в) Прямая промывка (описание см. выше).
На практике при химической регенерации фильтрующей среды ступеней этой регенерации может быть больше, поскольку добавляются вспомогательные процессы: пополнение реагентного бака водой, дополнительное взрыхление фильтрующего слоя и другие.
