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).

Комплексное железо, это соединения, которые включают Fe 2 + или Fe 3+:
• 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].

Диаграмма Пурбэ устойчивости железа в подземных водах.png

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:

Formula-eliminating-iron-The-rate-oxidised-by-oxygen_articlewidth.png

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.

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 22. Система удаления железа под давлением
На фото 17 приведен пример такой конструкции.
  Фото 17. Физико-химическое удаление железа: типичный пример установки под давлением производительностью 600 м3·дж–1
В гравитационных установках используется каскад атмосферного давления (аэрация, распыление...) с последующей гравитационной фильтрацией или фильтрацией под давлением (в последнем случае с откачкой или без нее). На рисунке 23 показаны три примера конструкции, выполненной с использованием этого принципа (с обратной промывкой водой и воздухом).
  Рисунок 23. Примеры физико-химических систем удаления железа, включая открытую аэрацию
Окисление также может быть осуществлено с использованием озона, как в случае установки Крисси, которая включает в себя (рис. 24):
• 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–1;
• песок ES = 0,5 мм, H = 0,4 м
• гидроантрацит ES = 0,85 мм, H = 0,5 м.
  Рисунок 24. Крисси DWTP (Сона и Луара, Франция) для Водного совета Nord de Chalon. Схема установки – Вместимость: 7200 м3 · j–1
удаление железа с помощью осаждения
Стадия осаждения должна быть установлена между аэрацией и фильтрацией (см. Пример системы Mimizan (Франция), рисунок 25) в следующих случаях:
  Рисунок 25. Mimizan DWTP (Ланды, Франция) – Вместимость: 9 600 м3 · дж–1
• высокое содержание железа в сырой воде приводит к чрезмерному количеству осадка;
• наличие цвета, мутности, гуминовых кислот, хелатообразующих агентов и т.д. приводит к значительному снижению кинетики окисления и осаждения железа и / или требует добавления коагулянта (квасцов или хлорида железа) в количествах, превышающих приблизительно десять г · м3 коммерчески доступного продукта.
В этом случае процессы осветления при контакте с твердыми веществами будут особенно подходящими для обработки этой воды. В качестве альтернативы, легкие хлопья гидроксида железа, полученные из грунтовых вод, обычно без мутности, также хорошо подходят для флотации растворенным воздухом.
обработка в сочетании с удалением карбонатов
Удаление карбонатов с помощью извести создает высокий уровень pH и способствует удалению железа и марганца. Соответственно, почти весь карбонат железа выпадет в осадок при рН 8,2 (особенно если это происходит одновременно с выпадением CaCO 3), а почти весь гидроксид железа выпадет в осадок при рН 10,5 (рисунок 26).
  Рисунок 26. Растворимость железа в зависимости от рН в воде средней щелочности
Таким образом, частичное удаление карбоната при рН в районе 8 может привести к полному удалению железа. В некоторых случаях, особенно в реакторе для удаления карбонатов с псевдоожиженным слоем (см. Раздел gyrazur, реактор для гранулированной контактной массы), тот же рН обеспечивает удовлетворительное удаление марганца, тогда как теоретически последнее должно сочетаться с полным удалением карбонатов при рН 9,5 или 10. Этот принцип используется на заводе в Ратингене в Германии (рисунок 27): на этом заводе осуществляется частичное удаление карбонатов, удаление железа, удаление марганца и нитрификация.
  Рисунок 27. Ratingen DWTP (Германия) – Принципиальная схема установки – Производительность: 24 000 м3 · дж–1
биологическое удаление железа – процесс ferazur
принцип
Было показано (см. Также раздел цикл железа и марганца и биологическое удаление железа и марганца ), что благодаря выработке ферментов и биополимеров многие бактерии способны биологически окислять железо, катализируя окисление двухвалентного металла с использованием растворенного кислорода, даже при низких концентрациях, и фиксируя его в своей клетке мембраны, их оболочки, стебли и т. Д. Образовавшиеся осадки затем будут прочно прилипать к бактериальным полимерам. Кроме того, в отличие от того, что происходит при физико-химическом удалении железа, оксигидроксиды кристаллического типа, особенно лепидокрокит (γ-FeOOH). Тогда условия, применимые для удаления осадка железа через биологические фильтры, будут намного лучше, чем на установках, работающих в физико-химическом режиме. Эти бактерии, вероятно, будут развиваться в условиях, когда физико-химическое окисление железа невозможно. Например:
• содержание растворенного кислорода от 0,2 до 0,5 мг· м3;
• рН < 7,2;
• Окислительно-восстановительный потенциал: от 100 до 200 мВ;
• Относительная влажность: немного выше 14.
Когда относительная влажность падает ниже 14, эти бактерии становятся неактивными; с другой стороны, когда относительная влажность повышается примерно до 20, возникает конкуренция с окислением и физико-химическим осаждением. Рисунок 28 зона 1 определяет предпочтительную область биологического удаления железа.
В действительности граница разделения между областями физико-химического и биологического удаления железа несколько размыта; в “физико-химической” области присутствие ингибитора может замедлить кинетику окисления и позволить процессу биологического удаления железа доминировать. Вот почему пилотное испытание часто может быть полезным при установлении оптимальных условий эксплуатации.
  Рисунок 28. Диаграммы стабильности железа и марганца и соответствующие области активности бактерий, окисляющих железо (1) и марганец (2)
преимущества биологического удаления железа
По сравнению с физико-химическим процессом эти преимущества можно суммировать следующим образом:
• быстрое окисление: нет необходимости в окислительной колонне; все, что требуется, - это подача сжатого воздуха в линию;
• реагенты (такие как: дополнительный окислитель, коррекция рН, флокулянт) не требуются;
• большая удерживающая способность: окисленное железо удаляется в гораздо более компактной форме. Это обеспечивает фильтрующую способность (в данном случае всегда состоящую из однородного песка), которая примерно в 5 раз выше;
• высокая скорость фильтрации: благодаря прочной природе биологических хлопьев и более высокому содержанию песка (1,1-1,5 мм) фильтрация может быть примерно в пять раз быстрее, чем в физико-химическом режиме, при сохранении того же времени цикла фильтрации; в некоторых случаях эти скорости могут достигать 40 м ·ч–1 и даже 50 м· ч–1;
• экономичная обратная промывка : процент воды для обратной промывки примерно в 5 раз ниже, чем при физико-химическом процессе удаления железа, и в некоторых случаях фильтры можно промыть сырой водой. Однако обратная промывка фильтров хлорированной очищенной водой не рекомендуется, поскольку это может частично уничтожить популяцию бактерий, удаляющих железо;
• более легкая обработка осадка: более концентрированные воды обратной промывки особенно подходят для сгущения и обезвоживания.
utilisation
Установка биологического удаления железа под давлением будет включать в себя (рис. 29):
• система регулируемой аэрации (1); эта аэрация может осуществляться либо в статическом смесителе, либо в диффузионной камере для систем под давлением с впрыском воздуха (2), либо путем рециркуляции части аэрированной очищенной воды (3);
• реактор Ferazur (4), который имеет высокую скорость прохождения;
• при необходимости, дополнительная система аэрации (5) для повышения содержания кислорода до уровня, подходящего для распределения;
• при необходимости, резервуар для нехлорированной воды обратной промывки (6), когда сырая вода не может быть использована для обратной промывки;
• резервуар для очищенной воды (7) после хлорирования (8);
• последовательность обратной промывки, включающая обратную промывку сырой водой (9) или очищенной водой (10) и воздуходувкой (11).
  Рисунок 29. Биологическое удаление железа под давлением. Принципиальная схема и возможные варианты (2 или 3 и 9 или 10)
На фото 18 показана полномасштабная установка.
  Фото 18. Биологическое удаление железа – West Pinchbeck DWTP (Anglian Water, Великобритания). Вместимость: 36 000 м3 · дж–1
Фильтрация также может осуществляться самотеком в открытых гравитационных фильтрах, особенно в случае высоких скоростей потока, как в случае с планом Ломе (Того) (фото 19). Здесь каскад был специально разработан на основе свойств сырой воды, чтобы соответствовать условиям, необходимым для биологического удаления железа.
  Фото 19. Гравитационное биологическое удаление железа – Ломе DWTP (Того). Вместимость: 52 800 м3 · j–1 – четыре фильтра площадью 24,5 м2
Примечание: система биологического удаления железа запускается медленнее, чем физико-химическая обработка. Обычно для этого требуется от 1 до 10 дней посева (с использованием окисляющих железо бактерий, естественно присутствующих в сырой воде).
При наличии H2s он должен быть удален либо путем аэрации на входе (гравитационное удаление железа), либо биологически (обработка под давлением) (см. Раздел удаление h2s).

Вернуться к списку