Очистка сточных вод от железа

В большинстве регионов России содержание железа в воде превышает допустимое СанПиНом 2.1.4.1074-01 количество. В питьевой воде содержание железа по органолептическим признакам имеет ПДК 0,3 мг/л. Чрезмерное количество железа негативно влияет на кожу, морфологический состав крови, может вызвать аллергию.

Вода с высоким содержанием железа обладает желтовато-бурой окраской, мутная, имеет железистый привкус и непригодна для употребления. Кроме того, такая вода наносит вред промышленной и бытовой технике. Образуется рыхлый шлам, который вызывает засоры и желтизну белых поверхностей сантехники.

Важной задачей водоподготовки является удаление железа из воды (обезжелезивание), снижение его концентрации до норм ПДК.

Природные формы железа в воде

Рассмотрим два вида природной воды – в поверхностных стоках и в скважинах.

Формы железа в поверхностных водах

Основным источником забора воды для обеспечения нужд городов, поселков, производственных предприятий, коттеджных и дачных поселков являются поверхностные воды. Обычно железа в таких источниках всего несколько десятых долей миллиграмма на литр воды, но бывают случаи превышения нормы. Преимущественно железо в поверхностных водах находится вместе с солями гуминовых кислот (гуматы). В болотах и торфянистых водах наблюдается повышенное содержание железа, т.к. там повышенная концентрация гумусовых веществ. Предел может составить от 10мг/л до 25 мг/л.

Гуминовые комплексы железа относятся к растворимому органическому железу. К нему также относят коллоидное железо, которое находится в воде во взвешенном состоянии, образованное крупными органическими молекулами (танинами, лигнинами) и бактериальное железо, образованное в результате жизнедеятельности железобактерий, которые окисляют двухвалентное железо до трехвалентного.

Формы железа в скважинных водах

Скважинные инфильтрационные воды забирают с небольшой глубины (поверхностные или песчаные скважины). Как правило, в них присутствует много кислорода и поэтому железо присутствует в трехвалентной форме.

Артезианские воды, которые забирают с большой глубины, наиболее пригодны для питья. Они более защищены от деятельности болезнетворных микроорганизмов и лучше очищены природными фильтрами, но, при этом, здесь наблюдается наиболее высокая концентрация железа.

В артезианских водах железо преобладает в двухвалентном состоянии, как правило в виде растворенного бикарбоната Fe(HCO₃)_2.  Также встречается карбонатная (FeCO₃), сульфатная (FeSO₄) и сульфидная (FeS) формы растворенных соединений двухвалентного железа. В 3-хвалентном состоянии попадается очень редко в виде сульфатов (Fe₂(SO4)₃  или растворимых органических комплексов.

Очистка воды от железа

Общеизвестными токсичными компонентами являются соединения железа и другие тяжелые металлы. При выветривании и эрозии почвы этот металл попадает в пресную воду, содержание в ней не должно превышать 0,3 мг/л.  В противном случае возможно обнаружение по запаху, привкусу металла, а при окислении жидкость из-за него приобретет коричневый оттенок, бурый осадок.

В виде связанных соединений, а именно гидрооксидов и солей, примеси поступают в стоки в результате производственной деятельности человека. Допустимые нормы могут быть превышены, и это опасно для здоровья человека.

Особым токсичным эффектом обладают их растворенные формы.

Биологические очистные сооружения соединения металлов (Ме) практически не удаляют.  Имеет место лишь частичная их сорбция на биомассе активного ила.

При длительном их накоплении происходит образование прочных связей с белком биоценоза. В результате окислительная способность его ухудшается.

Поэтому организация процесса изъятия металлов из производственных сливов требует серьезной проработки метода очистки сточных вод.

На заключительном этапе обработки жидких отходов достаточно высокую степень изъятия солей металлов дает установка специальных сорбционных фильтров с применением угольных материалов.

Более подробно об очистке сточных вод от тяжелых металлов читайте в статье «Очистка сточных вод от металлов».

Черный металл

Металлы с неметаллами образуют соли, а с кислородом - окислы. Железо встречается в стоках гальванических цехов, шахтном производстве, и т.д. Оно постоянно находится в водах городских очистных сооружений.

Степень удаления зависит от природы металла, начальной концентрации в загрязненных жидкостях, химических свойств дозы ила, времени взаимосвязи сточных вод с илом.

Устранение Fe в первичных отстойниках 0-25 %, а в аэротенках 75%.

Соотношение нерастворимых и растворимых форм Fe разное для различных типов сточных вод и это необходимо определять экспериментально. Делать это нужно периодически на таких сооружениях биоочистки, где возникает токсическое «стрессирование» активного ила, которое вызывается соединениями растворенного железа и других металлов.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) существуют только для растворимых форм, если указан ПДК общего содержания металла, например, общее железо, то в это понятие входит суммарное содержание в воде всех его растворимых валентных форм.

В процессе механической и биологической очистки нерастворимые соединения железа за счет осаждения и биосорбции хорошо выводятся из стоков, а растворимые удаляются меньшей долей.

Главными физико-химическими факторами, влияющими на интенсивность шокового воздействия металлов на активный ил, являются: температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие загрязняющих агентов в воде, недостаток или дисбалансированный состав питательных веществ.

Главными биологическими факторами - рабочая доза активного ила (количество биомассы, на которую будет распространено действие токсических веществ); количество биополимерного геля, служащего детоксикатором; возраст и адаптационные свойства активного ила.

Чистим воду от железа

Удалить его возможно, превратив в нерастворимый элемент, сначала привести в Fe³, после пропустить через фильтр. К воде на производстве требования еще жёстче.

В жидкости железо представляет собой: двухвалентное Fe²⁺ ,трехвалентное Fe³ органическое, бактериальное.

Рассмотрим несколько вариантов обезжелезивания сточных вод.

Аэрация

Способы проведения аэрации мнообразны:

• фонтанирование (используются брызгальные установки)
• душирование (происходит разбрызгивание внутри некой емкости исходной воды)
• барботаж слоя воды воздухом
• инжектирование, эжектирование (введение потока воздуха в поток воды за счет перепада давления)
• введениее потока воздуха в поток воды с помощью компрессора под напором (наиболее применимый метод)

Часто вода, которая прошла обезжелезивание аэрацией с дальнейшим отстаиванием и фильтрацией, уже считается пригодной для питья. Эта схема работает, если:

• исходная концентрация железа не выше 10 мг/л (при содержании 2хвалентного железа не менее 70% от общего
• концентрация концентрация H₂S не более 2,5 мг/л
• редокс – потенциал (Red-Ox или Eh) после аэрации не должен быть ниже 100 мВ
• индекс стабильности (индекс Ланжелье) не менее 0,05
  
  При наличии железа в исходной воде выше 10 мг/л следует использовать двухступенчатую схему обезжелезивания с предварительным дозированием сильного окислителя и очистке воды на механических насыпных фильтрах.

Не входящее в состав органических комплексов двухвалентное железо в присутствии кислорода воздуха или же кислорода, растворенного в воде, окисляется до трехвалентной формы. Этот процесс описывается следующим образом:

Fe²⁺ + O₂ + H₂O → Fe(OH)₃ + H⁺

Скорость данной реакции в обычных условиях невелика.

В настоящее время более актуальным является метод каталитического обезжелезивания с применением стадии предварительной подготовки воды в виде напорной или безнапорной флотации.

Схема напорной флотации

Биологическая очистка

Представляет собой использование микроорганизмов – железобактерий. Благодаря этим бактериям закисное железо окисляется с двухвалентного до трехвалентного состояния. Этот способ безопасный. Применяется при высоком содержании железа свыше 40 мг/л, при избытке сероводорода и углекислоты. После использования необходимо освободить воду от продуктов жизнедеятельности бактерий процессом адсорбции и проводят ультрафиолетовое обеззараживание.

Минус метода – долгий процесс. Также требуются большие очистные емкости.

Окисление

Если добавить в воду сильные окислители, то процесс окисления двухвалентного железа пойдет более активно. Данный метод используют реже, чем аэрацию. После использования этого метода содержание железа составляет менее 0,1 мг/л.

Технологическая схема обработки поверхностых вод

Благодаря действию окислителей разрушаются гуматы, лигнины и иные органические соединения железа. Они преобразуются в форсу неорганических солей трехвалентного железа и далее с легкостью гидролизуются.

Рассмотрим два наиболее применимых метода обезжелезивания воды – хлорирование и озонирование. Хлорирование используют в России с начала  ХХ века.

Хлорирование

Этот метод наиболее распространен, но у него очень много недостатков. Основной – сложность транспортировки и хранения высокотоксичного хлора.

Обработка воды хлором происходит при помощи хлораторов, в которых газообразный хлор абсорбируют водой.

При окислении 2хвалентного железа при обработке воды получается гидрооксид железа:

2Fe²⁺ + Cl₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₃↓  + 2HCl

Альтернативой хлорированию является обработка воды гипохлоритом натрия. Он одинаково применяется как на крупных станциях водоподготовки, так и на небольших объектах и в частных домах.

Преимущества гипохлорита натрия:

• Водные растворы не оставляют взвесей и их не нужно отстаивать
• Не увеличивается жесткость воды из-за отсутствия солей кальция и магния
• Легко получить на месте методом электролиза поваренной соли

Окисление двухвалентного железа происходит в соответствии со следующим уравнением:

2Fe(HCO₃)₂ + NaClO + H₂O = 2Fe(OH)₃↓ + 4CO₂↑ + NaCl 

Расчет установки для обработки воды гипохлоритом натрия в первую очередь требует определить расход активного хлора на процессы окисления, обеззараживания и разрушение сероводорода.

Озонирование

Достоинства применения озонирования:

• Не увеличивает солевой состав очищаемой воды
• Не загрязняет продуктами основных и побочных реакций
• Процесс автоматизирован

Озон получают из технического кислорода или атмосферного воздуха прямо на очистных установках. Необходимо определить расход озона на процессы окисления двухвалентного железа, а также обеззараживания и разрушения сероводорода. Главным показателем для расчета служит время контакта озона с водой.

Ионный обмен

Он более известен чем те, которые представлены выше и раньше использовался, чтобы умягчить жидкость. В современном мире используют высокомолекулярные соединения, образующиеся в результате реакции полимеризации, или концентрации химических веществ (стирола, этилена и т.д) - синтетические смолы, результативность улучшилась. Здесь применяются катионы, которые убирают Fe из воды в растворенном виде.

Катиониты могут удалить из воды не только растворенное железо, но и кальций и магний.

Минус - этот метод довольно сложный, потому что катионы уменьшают жёсткость воды.
Именно этот способ более эффективен. Но при подборе оптимальной комбинации ионообменных смол возникает сложность.

Использование мембран

Микрофильтрационные мембраны можно использовать для удаления коллоидных частиц гидроксида железа (III), ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны удаляют коллоидное и бактериальное органическое железо. При помощи обратного осмоса можно избавиться от 98% растворенного в воде двухвалентного железа.

Как правило, мембранные технологии дороги и не применяются конкретно только для обезжелезивания. Еще один минус мембран – они достаточно просто зарастают органической биопленкой и забиваются нерастворимыми частицами.

Гарантированный срок службы с сохранением заявленных свойств производители обратноосмотических мембран дают при содержании общего железа в воде не более 0,1-0,3 мг/л, взвешенных примесей не более 5 мг/л и коллоидном индексе не более 2-4 единиц.

Но, тем не менее, данный метод применяют там, где необходима высокая степень очистки воды – это медицинская и пищевая промышленность.

Таким образом, мы рассмотрели основные методы очистки сточных вод от железа. Простой способ избавится от Fe - это отстаивание жидкости на воздухе в течение времени, за которое оно станет осадком.

После жидкость нужно направить на лабораторный анализ. И из этих данных можно будет сделать вывод, какое водоочистное оборудование необходимо использовать для большей эффективности.