Очистка воды от железа

Естественные состояния железа

Железо обычно содержится в виде оксида железа и осаждается в поверхностных водах, часто в сочетании с взвешенными твердыми веществами. С другой стороны, железо содержится в большинстве подземных вод, которые лишены кислорода: это восстановленное железо Fe (II) находится в растворенной и часто комплексной форме.

Двухвалентное железо. В свободном виде оно существует в ионизированной форме: как правило, Fe2+ или, реже, FeOH+ (pH> 8,3). В воде с высокой щёлочностью ион Fe 2 + будет в основном находиться в виде гидрокарбоната (или бикарбоната). Растворимость двухвалентного железа повышается при снижении уровня pH и щёлочности воды.
 
Когда концентрация растворенного железа остается выше теоретического значения, вместо осаждения избытка Fe2+ в форме FeCO3 (карбоната железа) следует подозревать наличие хелатированного железа, что является источником трудностей при применении физико-химической обработки воды.

В присутствии H₂S растворимость намного ниже (из-за низкого значения продукта растворимости сульфида железа, который, соответственно, выпадает в осадок).
• минеральные: силикаты, фосфаты или полифосфаты, сульфаты, цианиды;
• органические: это явления комплексообразования, которые, в частности, связаны с гуминовыми, фульвовыми, дубильными кислотами;
• железо часто встречается в сочетании с марганцем.

Следовательно, для определения способа обезжелезивания воды недостаточно просто знать общее содержание железа; также необходимо знать форму, в которой оно находится. Необходимо выполнить следующие измерения: температура, рН, окислительно-восстановительный потенциал, растворенный O2, доступный CO2, растворенное железо, определить концентрации растворенного кремнезема и органического вещества (две наиболее частые причины образования комплексов), а также параметры, которые могут потребовать обработки, связанной с удалением железа или проводимой одновременно с ним (Mn, NH4,H₂S). 

Форма, в которой железо содержится в воде, будет в первую очередь зависеть от рН и от окислительно-восстановительного потенциала; рисунок 1 демонстрирует, что возможен переход от растворенной формы железа (например, Fe2 + или FeOH +) к осажденной форме (FeCO3, Fe (OH) 2 или Fe(OH)3) путем повышения окислительно-восстановительного потенциала (окисления), или рН, или того и другого вместе. Различные возможные физико-химические обработки основаны на этих принципах и, более конкретно, на последовательности [Окисление Fe 2+ – осаждение Fe(OH)3с последующей фильтрацией].

Рисунок 1. Диаграмма стабильности железа

Физико-химическое удаление железа

Этот метод с окислением кислородом воздуха и фильтрацией используется уже много лет, особенно для артезианской воды. При необходимости его можно дополнить рядом других обработок, таких как: коррекция рН, химическое окисление, флокуляция, осветление. Всегда рекомендуется аэрировать воду с низким содержанием кислорода, полученную из глубоких пластов, даже если также используется химический окислитель (для предотвращения проблем: коррозии, вкуса и запаха). Аэрация становится тем более необходимой, когда вода содержит H₂S.

Озон и перманганат калия являются лучшими дополнительными окислителями, особенно при наличии сложного железа. Если вода содержит большое количество органического вещества или марганца, дозируемое количество должно быть определено экспериментально, если это возможно.

Простое удаление железа без осаждения (аэрация-фильтрация)

Этот процесс применяется к грунтовым водам, имеющим максимальное содержание железа до 7 мг/литр и, кроме того, не имеющим каких-либо других неблагоприятных свойств: марганца, цвета, мутности, гуминовых кислот; допустимы низкие уровни содержания аммония и умеренное углекислотное воздействие.

Первый этап удаления железа будет основан на окислении двухвалентного железа с использованием кислорода, взятого из воздуха. Аэрация может осуществляться либо при атмосферном давлении, либо при давлении воды сети; в последнем случае это позволяет избежать необходимости разрыва потока воды и использования дополнительной насосной станции. С другой стороны, аэрация при атмосферном давлении (безнапорная) часто может использоваться для более экономичного удаления CO₂ и H₂S.

Скорость, с которой двухвалентное железо окисляется кислородом, зависит от ряда факторов, в частности: температура, рН, содержание железа и растворенного кислорода. Эту реакцию можно записать следующим образом:

Полученный осадок будет в основном представлять собой хлопья гидроксида Fe(OH)₃. При высокой щёлочности воды возможно образование карбоната железа FeCO₃. Чем выше рН и чем ближе вода к точке насыщения кислородом, тем быстрее кинетика реакции окисления. С другой стороны, при наличии гуминовых кислот скорость окисления железа замедляется.

При оптимальных условиях эффективный размер фильтрующей среды может составлять от 0,6 до 1 мм, а скорость фильтрации - от 5 до 15 м/ч. Масса железа, отсеиваемого на единицу площади фильтрации, может варьироваться: от 200 до 1000 г железа на м2 песка, в зависимости от конкретного случая, и до 2000 г · м2 на фильтре с двумя средами (антрацит + песок). Изначально высокое содержание Fe²⁺ способствует высокой способности удерживания (фильтрования).

Некоторые вещества, такие как гуминовые кислоты, силикаты, фосфаты и полифосфаты, действуют как ингибиторы окисления, осаждения или фильтрации гидроксида железа. Присутствие кремнезема приводит к образованию FeSiO(OH)3 2+, соединения, стабильного в базовом водном растворе. Эти эффекты можно преодолеть с помощью дополнительных обработок: окисления (перманганат калия, озон), коагуляции или флокуляции в зависимости от случая.

1. Напорные системы обезжелезивания воды

Системы, работающие под давлением, представляют собой наиболее распространенный тип установки, и включают в себя:
• окислительная контактная колонна (камера), обеспечивающая хорошее перемешивание водовоздушной смеси;
• напорный фильтр с загрузкой, который промывается обратным током очищенной воды.

Рисунок 2. Технологическая схема системы удаления железа под давлением

Фото 1. Пример конструкции системы удаления железа под давлением производительностью 720,0 м3/сутки

2. Системы обезжелезивания с безнапорной аэрацией

В системах обезжелезивания с безнапорной аэрацией применяется контактная емкость, сообщающаяся с атмосферой. Насыщение кислородом воздуха в таких системах обеспечивается за счет распыления, стекания, барботирования или принудительного нагнетания воздушной смеси компрессором. Последующая фильтрация аэрированной воды осуществляется посредствам установок напорной или безнапорной фильтрации. Примеры таких систем указаны на рис. 3.

Рисунок 3. Примеры физико-химических систем удаления железа, включая открытую аэрацию

Системы напорной фильтрации принято использовать при максимальной производительности до 400,0 м3/час (~10 000,0 м3/сутки), свыше целесообразно устройство систем безнапорной фильтрации.

При высоком содержании органического железа или растворённых газов в воде возможно комбинирование системы безнапорной аэрации с другими окислителями, например озоном. Пример подобного устройства отображен на рис. 4

Рисунок 4. Система предварительной безнапорной аэрации и озонирования с последующим фильтрованием через двойной слой загрузки

Представленная система имеет следующие особенности:
 • каскадная аэрация. Этот каскад расположен над озонирующим резервуаром и обеспечивает первоначальное окисление с использованием остаточного озона, который выходит из озонирующего резервуара;
 • озонирующий резервуар для основной стадии окисления железа;
 • инъекция альгината для улучшения качества хлопьев;
 • двойная фильтрация среды;
 • скорость фильтрации: 7 м/ч;
 • песок фракции = 0,5 мм, высота слоя H = 0,4 м;
 • гидроантрацит фракции = 0,85 мм, высота слоя H = 0,5 м.

Помимо освещенных методов удаления воды в этой статьи есть и другие технологии, такие как отстаивание, биологической удаление железа, обработка в сочетании с удалением карбонатов и т.д., однако последние редко применимы в данной статье не будут рассмотрены.