Особенности состава подземных вод объясняются условиями их формирования. При контакте подземных вод с окружающими их горными породами, в воду поступают химические элементы, входящие в состав этих пород. Железо и марганец растворяются подземными водами в местах, куда не проникает кислород, например под плотными водонепроницаемыми породами, куда не проникают дождевые и талые воды. В местах, куда с дождевыми или другими водами поступает кислород, железо и марганец находятся в окисленном, нерастворимом состоянии и содержание этих элементов в подземных водах чрезвычайно низко.
Содержащиеся в артезианской воде ионы двухвалентного железа наиболее просто удаляются путем аэрации и фильтрования через фильтрующий материал, обработанный катализатором, ускоряющим процесс окисления двухвалентного (растворенного) железа в трехвалентное (нерастворенное). При наличии в воде коллоидного двухвалентного железа (что встречается довольно часто в Самарской области) требуется проведение нескольких проб воды на содержание железа в разные периоды года и пробного обезжелезивания. При невозможности провести его на первой стадии проектирования выбирают один из приведенных ниже методов на основании проведенного пробного обезжелезивания в лаборатории или опыта работы аналогичных установок.
Для обезжелезивания подземных вод используются реагентные и безреагентные методы.
Безреагентные методы
1) Удаление железа аэрацией с последующим фильтрованием через инертный фильтрующий материал ("Сорбент АС", "Сорбент МС", "Birm", "Ecoferox" и т.д.) которое возможно при соблюдении следующих основных условий:
- щелочность исходной воды должна быть более 2 мг-экв/л;
- перманганатная окисляемость воды мг на 1 л О2 - менее 0,15 {Fe2+} , где Fe2+ - содержание двухвалентного железа в исходной воде, мг/л;
- содержание аммонийных солей — менее 3 мг/л (в пересчете на NH4);
- содержание сульфидов — менее 0,2 мг/л (в пересчете на H2S);
- pH воды после аэрации и гидролиза железа — более 7.
Этот метод наиболее прост при эксплуатации оборудования заказчиком. Также нет необходимости в использовании расходных материалов (реагентов-окислителей). На опыте недостатком данного метода является существенное ограничение по содержанию растворенного железа и марганца и контроль рН исходной воды.
2) Одним из перспективных и сравнительно новых методах безреагентного окисления железа является озонирование. Озон О3 является более сильным окислителем, чем гипохлорит натрия и оказывается более эффективным для окисления детергентов, гербицидов, пестицидов и фенолов и др. Одновременно с обеззараживанием осуществляется процесс окисления двухвалентных железа и марганца, обесцвечивание воды, а также ее дезодорация и улучшение органолептических свойств (вкус, запах и др.).
Озон вырабатывают из воздуха в специальных аппаратах-озонаторах. В озонаторе при прохождении электрического разряда через разрядное пространство с воздухом происходит разряд коронного типа, в результате чего из кислорода воздуха образуется озон.
Доза озона зависит от цели, для которой используют озонирование воды. Для обеззараживания фильтрованной воды доза О3 составляет 1-3 мг/л, для обработки артезианских вод 0,75-1 мг/л. При введении озона для окисления железа, обесцвечивания воды с одновременным обеззараживанием доза может доходить до 4 мг/л.
Озоно-воздушную смесь из озонатора вводят в исходную воду с помощью специальных устройств (эжекторов или через сеть пористых труб, уложенных в камерах смешения).
Содержание остаточного озона после камер смешения не должна превышать 0,3 мг/л. Продолжительность контакта озона с водой зависит от состава исходной воды, концентрации озона в озоно-воздушной смеси, конструкции самого смесителя, температуры воды и составляет в среднем 5-15 минут.
Недостатком данного метода является высокая токсичность озона и его способность к поражению органов дыхания. Предельно-допустимая концентрация озона в воздухе рабочего помещения не должна превышать 0,1 мг/м3. Для сравнения: в соответствии с нормативными данными для хлора эта величина в 10 раз менее жесткая и равна 1 мг/м3.
Метод озонирования воды имеет блестящие перспективы, но оборудование достаточно дорогостоящее и сложное в эксплатации для необученного персонала, требует специальных условий для использования (требуется устройство приточно-вытяжной вентиляции, осушителя воздуха, деструктора озона, датчиков содержания О3 в воде и окружающем воздухе).
Реагентные методы
Реагентные методы очистки воды от растворенного железа применяются в случаях, когда при опытном обезжелезивании аэрационными методами не удается достигнуть требуемого эффекта. Обычно это происходит при больших концентрациях железа и присутствия его в трудноокисляемых формах. Реагенты в обрабатываемую воду вводятся с целью повышения рН и, тем самым, ускорения гидролиза железа и хлопьеобразования, коагуляции хлопьев, окисления закиси железа. Как правило, в реагентных методах обезжелезивания применяется и аэрация, так как в этом случае уменьшается расход реагентов для подщелачивания и окисления. Для подщелачивания воды наиболее эффективно применение извести, для окисления железа - хлора.
1) Метод окисления растворенного железа Fe 2+ и марганца Mn2+ раствором перманганата калия KMnO4 с фильтрованием воды через напорные фильтры с омарганцованным песком или другой каталитической загрузкой ("Manganese Greensand", "Greensand Plus", "MTM" и т.д.) при соблюдении перечисленных в п. «1» условий. Высоту слоя фильтрующей загрузки следует принимать не менее 900 мм и скорость фильтрования принимать согласно требований производителя фильтрующей загрузки. При расчете установок должна предусматриваться возможность периодического введения в обрабатываемую воду 2-3 мг/л марганцовокислого калия КМnO4 во время регенерации фильтра. Этот метод сложнее, чем изложеннный в п. «1» в отношении эксплуатационных характеристик оборудования и требует периодического приготовления реагента-окислителя для восстановления фильтрующей способности загрузки. В настоящее время процесс приготовления регенерационного раствора полностью автоматизирован.
2) Удаление повышенного содержания растворенного железа, марганца, аммония и соединений сероводорода путем предварительного окисления раствором гипохлорита натрия. Для более эффективного окисления требуется не менее 20 минут контакта реагента с исходной водой в контактной камере соответствующего объема. В случае низкого рН исходной воды (менее 6,8-6,5) требуется подщелачивание для ускорения реакции. Непрореагировавший свободный хлор и его соединения должны удаляться на сорбционных фильтрах.
3) Удаление ионного железа катионированием на смешанной универсальной загрузке. Этот метод применим в случаях, когда требуется умягчение воды, и в обрабатываемой воде отсутствует растворенный кислород. Величина рН воды после гидролиза железа определяется расчетом с учетом увеличения содержания свободной углекислоты CO2 и снижения щелочности HCO3 после обезжелезивания. Данный метод предполагает использование загрузок смешанного типа, регенерируемых раствором таблетированной соли NaCl (искуственный цеолит "Crystal-Right CR-100, CR-200, универсальная загрузка "Ecomix" в различных сочетаниях).