Обезжелезивание и деманганация

Обезжелезивание — удаление железа и марганца из воды — это сложная задача для быта и производства. Нет универсального метода на все случаи, который был бы при этом экономически оправдан на всех объектах. Если бы он был — мы бы все о нем знали. Однако, методов много и каждый из них применим в определенных пределах и, конечно, имеет свои недостатки.

Читать учебники по водоочистке трудно — их много и они почти все написаны в 60-х годах прошлого века в то время, когда индивидуальных систем очистки воды еще не было, а были крупные районные и поселковые станции. Штудировать форумы тоже тяжело — слишком много флуда, ругани, информация очень противоречива.

Данный пост поможет Вам теоретически подготовиться к решению своих задач.

Итак, давайте разбираться… что же такое обезжелезивание воды и… Как убрать железо в современных российских реалиях?

Для начала определимся с понятиями. Железо в воде. Есть железо общее (по нему делают анализ обычно), есть железо растворенное (двухвалентное), есть железо нерастворенное (трехвалентное), т.е. как бы в виде частиц. Мы видим эти частицы как цветность и мутность воды, так же, как хлопья или слизь оранжевых и красных оттенков. Это гидролизованная ржавчина, гидроксид или гидроокись. Называют по-разному. Иногда «железо» в воде может быть черным — это уже продукты метаболизма бактерий. Так называемое органическое железо.

Признаки железа в воде:

• Запах. Конечно! Мы все знаем запах железа с детства, когда на руках оставался запах металла после турника и качелей.
• Вкус. Вкус железа трудно спутать с чем-то еще. Попробуйте воду на вкус и вы поймете есть в ней железо или нет.
• Мутность. Вода бывает мутной от окислившегося железа. Обычно эта мутность довольно стабильна и не хочет осаждаться.
• Цвет. Красноватые, рыжеватые оттенки — признак окисления железа в воде.
• Осадок. Когда реакция окисления железа завершится — железо выпадет в осадок на дно емкости, вода снова станет прозрачной.

Рыжие несмываемые следы на сантехнике — самый верный признак необходимости удаления железа из воды.

Железо, как и другие металлы, например марганец, в бытовой водоподготовке удаляются несколькими различными методами. Перечислим их в порядке актуальности:

1. Окисление и последующая фильтрация «твердых» фракций
2. Окисление и фильтрация пиролюзитом (MnO2)
3. Ионный обмен (умягчение)
4. Обратный осмос (опреснение, обессоливание)

Я подготовил для Вас коротенькую таблицу для сравнительного анализа методов, применяемых в бытовой водоподготовке.

Выбор метода обезжелезивания зависит от множества различных факторов, таких, например как:

• требуемый объем чистой воды в час и в сутки,
• содержание железа, марганца, сероводорода в исходной воде
• pH (водородный показатель) — чрезвычайно важный параметр
• перманганатная окисляемость
• другие загрязнения воды

Основополагающий фактор, конечно — это экономическая целесообразность, а в случае частного загородного жилья — кошелек хозяина. В таблице выше показана начальная стоимость метода обезжелезивания и стоимость последующей эксплуатации по отношению к получаемому объему чистой воды.

Так, например, окисление (промежуточная емкость, аэрация или дозация гипохлорита) с последующей фильтрацией — это способ требующий вложений. Оборудование аэрации стоит от 650$, обезжелезиватель от 250-400$, но мы получаем МНОГО воды 1-2 и более кубов в час, десятки кубов в сутки, количество ограничено в основном объемом загрузки (диаметром и толщиной слоя).

ПРИМЕР: для сорбентов АС/МС допустимая скорость фильтрации до 20м/ч при диаметре колонны в 13 дюймов (площадь круга = 0,08м получаем не менее 1,6 м3 воды в час и примерно 37 кубов воды в сутки (час кладу на пару промывок). Среднее потребление большого дома 1,5-2 м3/сутки.

Итак, рассмотрим различные методы удаления железа:

Содержание [Скрыть]

• 0.1 Окисление и последующая фильтрация.
• 0.2 Окисление и фильтрация пиролюзитом (MnO2).

• 1 Ионный обмен (Умягчение)
  • 1.1 Обратный осмос.

Окисление и последующая фильтрация.

В зависимости от количества кислорода, растворенного в воде железо может находиться в:

• двухвалентном Fe(OH)2 растворенном и
• трехвалентном Fe(OH)3 нерастворенном состоянии…

Которое в свою очередь можно разделить на коллоидную форму — золь трехвалентного железа (выглядит, как мутная вода) и крупные хлопья, способные выпадать в осадок.

Суть метода ОКИСЛЕНИЯ заключается в том, чтобы перевести железо из растворенного (двухвалентного Fe(OH)2) состояния в «твердое» нерастворенное трехвалентное Fe(OH)3 за счет присоединения к молекуле железа еще одного иона OH. В этом случае железо, а так же многие другие вещества (марганец, сероводород, органика) не может больше оставаться в растворенном виде и образует относительно крупные образования молекул — коллоиды и более крупные частицы, которые могут быть удалены механически — отфильтрованы.

Поскольку в глубинных скважинах кислорода в воде практически нет, то вода, содержащая большую концентрацию растворенных металлов выходит на поверхность абсолютно прозрачная и, поимев контакт с воздухом, мутнеет, либо окрашивается в оттенки рыжего через некоторое время (от получаса до суток). А еще через какое-то время (1-3 суток) может снова стать прозрачной и безвкусной, на дне образуется осадок.

Мутность измеряют специальным прибором, используя единицу измерения ЕМФ для определения мутности воды

Из колодцев, поселковых водопроводов и открытых источников вода часто идет мутная, что говорит о содержании в воде различных взвесей (окисленных до трехвалентного состояния металлов, органических веществ, песка, глины) в виде коллоидных частиц — слишком мелкие, чтобы видеть глазом, но достаточно крупные, чтобы мешать прохождению светового потока. Это происходит из-за повышенного содержания кислорода в такой воде. Вода растворяет в себе газы при определенных физико-химических условиях. Если поместить воду в открытую емкость, со временем количество растворенного кислорода, в такой воде установится в зависимости от температуры, и парциального давления. Тоже самое касается и цветности воды. Кислород обладает способностью к диффузии — проникновению сквозь стенку трубы в воду. Поэтому длинный водопровод часто несет в себе мутную воду, если вода изначально железистая.

Методы окисления, используемые в быту и на мелких производствах:

• Открытая емкость. Суть процесса — разбрызгать (аэрировать) воду над емкостью, в которой она накапливается в количестве достаточном для прохождения процесса окисления металлов и выхода сероводорода, либо остаточного хлора. Далее следует насос второго подъема, который забирает воду с поверхности воды в емкости и заталкивает ее снова в трубу, по которой вода подается на фильтр, например обезжелезиватель. Почитать больше…
• Напорная аэрация. Воздух подается в водопроводную трубу с помощью компрессора под напором, превышающим напор воды. Далее, для разделения воды насыщенной кислородом от пузырьков (нерастворенного воздуха) используется колонна аэрации. Это пустой баллон с системой трубок внутри. Вода забирается на обезжелезиватель со дна емкости. В верхней части баллона есть воздухоотводная трубка длинной в четверт высоты баллона. На ее длину формируется воздушный пузырь. Чтобы вода не выбрасывалась из колонны используется воздухоотводный клапан с поплавковым механизмом, выпускающий наружу только воздух. Компрессор приводится в действие реле протока, установленным после системы водоочистки. Почитать больше…
• Дозация гипохлорита. Гипохлорит NaClO — активное вещество, охотно отдающее кислород для окисления всего, что может быть окислено. Рабочий раствор подается в водопровод с помощью насоса-дозации. Далее возможно наличие контактной (пустой) емкости, в которой жидкость задерживается для продления реакции окисления. В любом случае затем вода подается на фильтр (обезжелезиватель). После обезжелезивателя как правило устанавливают угольный фильтр, который может так же выполнен в виде колонны загруженной активированным углем. Почитать больше…
• Озонирование воды. Озон — очень активный окислитель. Он производится генератором озона и подается в водопровод. Реакции окисления с озоном происходят быстрее, но стоимость оборудования делает не актуальной установку такого оборудования для бытовой водоочистки.

Вне зависимости от того каким именно методом были окислены металлы и сероводород, растворенные в воде следующей ступенью водоочистки идет фильтрация. Отфильтровать частицы можно и с помощью очень мелкой сетки (мембраны) и с помощью нетканых полипропиленовых картриджей. Но эти методы не эффективны, потому что частицы окисленных металлов слишком малы — пол мкм, в том время, как сетка самого мелкого полипропиленового фильтр имеет ячейку 1 мкм.

В современной бытовой водоочистке фильтрация происходит с помощью напольных засыпных фильтров колонного типа с механизмом промывки загрузки, установленном сверху на баллоне.

Загрузкой называют все зернистые компоненты, которые засыпаются в колонну фильтра через верхнее отверстие (единственное в баллоне). Загрузка имеет свой срок службы, который может быть от 3-х до 10 и более лет.

Механизм промывки может быть автоматическим, либо ручным. Загрузка (кварцевый песок, сорбент, различные гранулы) промывается периодически, раз в несколько дней. На промывку загрузки в среднем уходит 200-500л воды (для бытовой системы на дом). Все стоки с обезжелезивателя вне зависимости от метода окисления воды могут быть направлены в септик или станцию аэрации типа «Топас». Да, это совершенно безопасно для септиков и станций аэрации.

В качестве корпуса фильтра используются композитные легкие баллоны (они же колонны, емкости) стандартных типоразмеров от 08 до 18 дюймов в диаметре. Они так же различаются по высоте от 35 до 65 дюймов. Есть баллоны и других размеров, но для наших целей они не актуальны. Под конкретные задачи водоочистки подбирается подходящая колонна — нужных диаметра и высоты.

Таблица типоразмеров баллонов, используемых в бытовых системах водоочистки:

Фильтрация воды в колонных фильтрах обезжелезивания происходит при прохождении воды сквозь загрузку сверху вниз. Основные загрязнения (крупные частицы) осаждаются на поверхности фильтрующего слоя, более мелкие фракции, в том числе коллоиды сорбируются в средних и нижних слоях. Кроме того многие загрузки обладают каталитическими свойствами, то есть ускоряют и усиливают реакцию окисления и выпадения в осадок загрязнений воды, в таком случае все, что было выделено из раствора в твердую фракцию задерживается в толще загрузки. Есть еще более интересные загрузи, обладающие АВТОкаталитическими свойствами, т.е. они самостоятельно без участия внешнего окислителя удаляют растворенные вещества, но об этом поговорим позже.

Более продробно устройство фильтра описано в этой статье…

Клапан управления обезжелезивателем PENTAIR 363

Сверху на фильтре устанавливают клапан управления.

Клапан управления представляет собой систему каналов, по которым движется вода, запорный механизм, направляющий воду по нужному на данном этапе цикла каналу и блок управления с электроприводом для автоматического клапана, либо ручку для ручного переключения режимов для ручного клапана управления.

Фильтры бывают трехцикловые для безреагентных обезжелезивателей, либо пятицикловые для реагентной промывки. Реагентная промывка — это не просто взрыхление загрузки, а пропускание через загрузку реагента (например, раствора перманганата калия) для более глубокой очистки загрузки и восстановления ее каталитических свойств.

Переключая режимы с помощью ручки, либо автоматически за счет электронного блока управления мы организуем промывку фильтра.

Во время промывки фильтра вода не поступает к потребителю, а выбрасывается в дренаж (канализацию).

Промывка происходит в несколько этапов, там есть свои важные нюансы. Рекомендую изучить данный материал.

После завершения очередной промывки фильтр снова готов к работе. Загрузка фильтра при правильной эксплуатации обычно «живет» (работает) от 3-5 лет.

Окисление и фильтрация пиролюзитом (MnO2).

Этот метод прекрасно подходит для удаления небольшого количества двухвалентного железа Fe(OH)3 в простых условиях и для небольшого расхода воды. Высокий pH, отсутствие органики и сероводорода в воде — обязательные условия. Суть метода в том, чтo мы окисляем железо с помощью волшебного компонента загрузки фильтра без аэрации, без дозации, без озона, без реагентов — только обезжелезиватель с загрузкой: сорбент + пиролюзит.

Пиролюзит — это природный минерал. Диоксид марганца. Его применяют для производства батареек. Из него делают марганцовку (KMnO₄) и вообще он довольно широко применяется в химической промышленности. В водоподготовке пиролюзит MnO2 используется, как каталитический материал удаления железа, марганца, органический соединений, сероводорода, потому что пиролюзит является неплохим окислителем.

Пиролюзит в водоподготовке — материал уникальный. Почти все каталитические материалы сделаны с использованием пиролюзита:

BIRM — это легкий сложнопористый алюмосиликат с нанесением пиролюзита в качестве наружнего каталитического слоя. Идея — супер, но живет не долго и боится органики.

Greensand Plus — кварцевый песок с нанесением пиролюзита на поверхность крупиц. Работает только при постоянной дозации гипохлорита или промывке марганцовкой.

МЖФ, МСК, Pyrolox, Сорбент МС и множество других материалов — все это сделано с применением пиролюзита.

Обезжелезиватель на пиролюзите. Умягчитель — опция. Его может и не быть.

При этом пиролюзит — это минерал, содержащий 75-95% MnO2, он поставляется гранулированным, подходящей фракции. Дешевый, но очень тяжелый. Для его промывки требуется быстрый поток воды. Чем больше диаметр колонны, тем больше требуется давление в системе для создания потока нужной скорости для ожижения загрузки.

Однако, пиролюзит можно использовать, как реагентную добавку к сорбенту МС для удаления без окисления небольшого количества железа и марганца. У Вас одна колонна — обезжелезиватель с загрузкой — сорбент + пиролюзит. Без реагентов. Без аэрации или другого вида окислителя. Эта система в некоторой степени уникальна. Никакой другой материал, кроме пиролюзита не способен годами окислять металлы растворенные в воде без активного окисления или реагентной регенерации. Потому что мы используем не продукты, содержащие пиролюзит (BIRM, Greensand, МЖФ и т.п.), а собственно, сам пиролюзит. В процессе эксплуатации он практически не расходуется, может немного «пылить» — давать серую воду — истираясь вымываться в водопровод в режиме фильтрации, но это касается не только пиролюзита, а всех вообще загрузок. Можно поставить угольный фильтр с картриджем на выходе, чтобы избежать попадания частиц пиролюзита в водопровод и я рекомендую устанавливать систему обратного осмоса для получения питьевой воды на кухне, т.к. при некоторых дополнительных условиях пиролюзит может отдавать марганец потребителю, возможно незначительное превышение ПДК.

Условия использования ПИРОЛЮЗИТА в качестве окислителя железа:

• Железо Fe(OH)2 <3мг/л
• Марганец Mn2+ <0,2мг/л
• pH >6,8
• Перманганатная окисляемость <2
• Сероводород < 0,005

Если данные условия соблюдаются — я рекомендую использовать колонну 1354 для получения до 1,5 куб м чистой воды в час. Промывку фильтра следует делать раз в несколько дней. В случае с ручным клапаном допустимо растянуть цикл для промывки раз в неделю.

Стоимость обезжелезивателя на пиролюзите здесь…

Ионный обмен (Умягчение)

Для удаления различных примесей из воды, в том числе растворенных металлов и органических соединений уже более 50 лет используют ионообменные смолы — катиониты и аниониты в различных комбинациях, требующие регенерации поваренной солью NaCl в таблетках.

Процесс удаления солей и металлов на ионообменных смолах называется умягчением. Изначально этот метод применялся и сейчас применяется в основном для удаления солей жесткости (соли кальция, магния). Однако, сейчас есть большой выбор ионообменных смол и для удаления железа, а так же органики.

Ионообменные смолы — это очень обширная тема. Мы говорим здесь исключительно о бытовой водоочистке и я буду сообщать только то, что следует знать о смолах в ключе нашей задачи — очистить воду в частом доме, либо на малом производстве от растворенных металлов.

Что же представляет из себя Смола? Это синтетические шарики, изготовленные из полимерных материалов. Они очень мелкие, их много, они похожи на мелкую икру минтая, щуки или на «тобико» — икру летучей рыбы. Мы, монтажники водоочистки, даже ради забавы называем смолу «икрой» на профессиональном сленге.

Удаление железа ионным путем. Перед умягчителем ставится осадочный фильтр. Впрочем, его может и не быть, если железо и марганец находятся в воде полностью растворенными.

Суть процесса умягчения принципиально отличается от обезжелезивания. Смолы не окисляют и не переводят растворенные вещества в твердую форму для последующего фильтрования, а замещают («впитывают») растворенные вещества в воде на катионы натрия, который не придает воде такого свойства, как жесткость. Общая солевая насыщенность воды при этом остается неизменной или даже возрастает. Это зависит от типа растворенных веществ, которые забирает смола.

Исходя из вышесказанного возникает важный параметр ионообменных смол — ионообменная емкость смолы. Емкость смолы подобна емкости электрической батарейки. Есть запас натрия, который в процессе ионного обмена постепенно расходуется, тем самым снижается способность смолы забирать из воды растворенные вещества. Когда заканчивается натрий — заканчивается и очистка — вода проходит через толщу смолы не изменяя своих свойств.

Мы заранее рассчитываем работу умягчителя таким образом, чтобы сделать регенрацию (промывку) смолы раствором поваренной соли до наступления ощутимого снижения емкости. Этот период называется в водоочистке фильтроциклом. О расчете количества смолы, соли для регенерации, фильтроцикла читайте в статье об умягчении.

Такие мультикомпонентные загрузки, как Экотар, Экомикс, FeroSoft, АПТ-2, Ionofer c различными индексами А, В, С и т.д. предназначены для удаления ионным путем растворенных солей, металлов, органических соединений, а также широкого спектра других веществ: тяжелые металлы, ионы аммония, железоорганические соединения, фосфор, кальций, кремний и многие другие.

Как я уже сказал — смола регенерируется с помощью таблетированной поваренной соли NaCl, соль продается на всех строительных рынках, в магазинах сантехники, стоит примерно 7$ за 30кг мешок. Расход соли определяется в основном количеством удаляемых веществ.

В среднем около 1 мешка соли в месяц уходит на умягчение воды.

Обратный осмос.

Системы обратного осмоса — это принципиально иной метод очистки воды. Здесь мы имеем дело с фильтрованием воды сквозь мембрану. Грубо говоря это сетка, через которую проходят молекулы воды, но не проходят молекулы солей жесткости и растворенных металлов. При этом задержанные молекулы не образуют осадка на поверхности мембраны, а сразу же сливаются в дренаж (канализацию). В процессе фильтрации в обратном осмосе вода разделяется на два потока — пермеат (очищенная)  и концентрат (грязная вода).

В среднем на 1 куб.м. очищенной воды мы получаем полтора куба концентрата, который надо куда-то сливать.

Системы обратного осмоса эффективны при удалении растворенных металлов и солей жесткости. Они не замещают одни вещества другими, как ионообенные смолы, а реально очищают воду от примесей, в этом огромное преимущество обратного осмоса. Но это, пожалуй, самый дорогой процесс очистки воды и по причинам целесообразности его реже всего используют для удаления растворенного железа и марганца.

Однако, при высоких содержаниях растворенного двухвалетного Fe2+ железа и низком pH<7 осмос может быть весьма эффективен для удаления 20 и выше мг, потому что молекулы железа гораздо крупнее пор мембраны — их легко фильтровать.