Знезалізнення води
"Если вам врачи припишут железо,
вы же не будете рельсу кушать!"
(з лекції по хімії)
Значна частина території України лежить на Українському кристалічному
щиті. Тому підземні води, що використовуються для питного водопостачання
й забираються, як правило, з глибин до 50…100 м, мають у своєму складі
домішки заліза. Мабуть, кожен третій громадянин має проблеми з т. зв.
"іржавою" водою. При цьому мало хто розрізняє, походить це залізо
безпосередньо зі свердловини, чи внаслідок корозії - з водопровідних мереж.
Але проблема знезалізнення підземних вод в умовах України не є настільки
складною, як це нам намагаються довести. В переважній більшості підземних
джерел залізо знаходиться у формі бікарбонату Fe(HCO3)2, який є нестійкою
сполукою і легко гідролізується та окислюється за реакціями:
Після спрощеної аерації гідроксид заліза Fe(OH)3 випадає у відстійниках
або затримується на поверхні зерен та в порах фільтруючого матеріалу.
При цьому процес знезалізнення є автокатолітичним тому, що накопичений
гідроксид заліза підсилює процеси окислення та сам являється свого роду
сорбентом. Тобто залізо само себе й затримує…
Ця проста модель підтверджується численними натурними даними. Головними
умовами для успішного перебігу процесу є відношення концентрації іонів
заліза (ІІ) до загальної концентрації заліза ? 70%, наявність у воді розчинного
кисню у кількості 0,6…0,9 мг на 1 мг заліза (II) та показник pH?6.8. Проте,
в реальних умовах ці обмеження можуть бути й не такими жорсткими. Інколи
для початку процесу водоочищення достатнім є розрив потоку води. З іншого
боку, існує потенційна можливість наявності у воді стійких органічних
та інших сполук заліза, для руйнування яких потрібні сильні окислювачі.
Довідка
Залізо є есенційним (життєво важливим) елементом, що бере участь в окисно-відновних
реакціях. Воно включилось у метаболізм (обмін речовин) живих організмів
вже на стадії виникнення кровоносних систем. В людському організмі понад
90 % заліза пов`язано з гемоглобіном.
Доросла людина з їжею одержує за добу 60…110 мг заліза. З організму залізо
видаляється головним чином через кишечник. Навіть при концентраціях 5…10
мг/дм3 з водою людина може одержати не більше 30 мг заліза. За органолептичною
ознакою, тобто тією, що впливає на смак і колір води, концентрація заліза
лімітована рівнем 0,3 мг/дм3.
Токсикологічні аспекти дії заліза на організм людини ще не до кінця встановлені
та інтенсивно вивчаються. Проте надлишок будь-якого хімічного елементу
(будь то сірка, залізо, цинк або золото) в людському організмі призводить
до патологій.
Зараз можна констатувати, що залізо сприяє виникненню захворювань селезінки
й печінки. В першому випадку при інтоксикації залізом відзначене збільшення
відносної маси селезінки. В другому - з`являються важкі хвороби типу цирозу
та зростання кількості ліпідів (жирів) у сироватці крові. Більше інформації
є про спільний вплив комбінацій заліза та ін. металів (марганцю, свинцю,
міді, цинку). Відзначено окремий або спільний з марганцем вплив на печінку,
що призводить до захворювань гемосидеритом. При тривалому пероральному
надходженні заліза в організм можуть спостерігатися ознаки гастроентериту
без ознак інтоксикації.
Таким чином, при виборі методу знезалізнення технологи перебувають між
двох полюсів: від спрощеної аерації та фільтрування до використання озону,
перманганату калію та інших реагентів-окислювачів і спеціально модифікованих
сорбентів. Складність адекватного врахування реальних окисно-відновних
умов водного середовища є головною аргументацією на користь проведення
спеціальних пробних вишукувань на об`єкті. Проведення таких досліджень
регламентоване всіма нормативними документами, що є "законами"
для проектувальників. Але, чи дотримуються їх на об`єктах, це вже інше
питання.
Саме проведення пробних вишукувань є одним з "каменів спотикання"
на шляху масового впровадження систем знезалізнення води в Україні. Ці
дослідження наочно продемонстрували б, що очищення підземної води від
заліза в Україні не являє собою особливої технологічної проблеми. Головна
проблема полягає у відсутності в комунальних служб та чиновників стимулів
до влаштування станцій знезалізнення.
Шар проблем, пов`язаних з вилученням заліза з підземних вод, відноситься
й до деманганації. Але окисно-відновний потенціал марганцю Eh = -0.40
B за абсолютною величиною нижчий від потенціалу заліза Eh = -0.56 B. Це
визначає відносну стабільність сполук марганцю у воді та технологічну
пріоритетність процесу знезалізнення. Іншими словами, для успішного перебігу
процесу деманганації необхідне майже повне попереднє вилучення з води
заліза. При цьому яку б ефективну та надійну технологію ми б не використовували,
залізо буде вилучатись у першу чергу й "пригнічувати" процес
деманганації. Наявність у підземній воді цих двох компонентів зумовлює
застосування двоступеневих схем водоочищення.
Не поринаючи в теоретичні глибини, спробуємо вдатись до простої логіки.
Якщо для вилучення заліза з води достатньо впровадити спрощену аерацію
та фільтрування через пісок або, навіть, щебінь, то навіщо для цього ж
застосовувати дорогі реагенти-окислювачі, сорбенти або іонообмінні фільтруючі
матеріали?
Враховуючи це, можна розглянути наступну просту концепцію влаштування
систем очищення підземних вод від заліза та інших компонентів. Поза залежністю
від конкретної конструкції споруд система повинна включати, як мінімум,
два ступені. Перший ступінь має розглядатись як "технічний"
і розраховуватись на підготовку господарсько-побутової води з питомою
витратою 150…350 л/д. на людину. На другому ступені здійснюється доочищення
(кондиціювання) води для питних потреб з витратою 3…5 л/д. на людину.
І-й ступінь водоочищення, варіант улаштування якого наведений на Мал.
1, призначений для попереднього очищення води від заліза, грубих домішок
та розчинних газів (переважно сірководню).
Станція знезалізнення найкраще реалізується на водозаборі або у якомусь
іншому централізованому пункті (насосній ІІ-го підйому, котельні тощо),
де можна забезпечити кваліфіковану експлуатацію споруд. Вона включає безнапірний
фільтр (фільтри) "ФОУ" зі спрощеним аератором. Аерована вода
фільтрується через шар зерненного (фракціонованого) завантаження. Як правило,
така станція достатньо ефективна для вилучення до 10…15 мг/л заліза, а
також видаляє такі супутні домішки, як сірководень та інші розчинні гази.
Але досвід показує, що надійна гарантія від "проскоків" заліза
у питну воду може бути надана тільки при наявності другого ступеня фільтрування.
ІІ-й ступінь водоочищення прив`язується до конкретного водоспоживача і
призначений для вирішення додаткових спеціальних вимог (наприклад, деманганації
води). Цей ступінь також виконує функції кондиціювання води та її знезаражування.
В залежності від конкретних вимог до якості води у склад цього ступеня
можуть входити один, два або більше фільтрів, як це показано на мал. 2.
На цьому етапі може застосовуватися будь-яке спеціальне обладнання та
сорбенти - в залежності від місцевих умов та платоспроможності замовника.
Проте треба мати на увазі, що за певних окисно-відновних умов фільтруючі
завантаження із штучним покриттям окислами марганцю починають "віддавати"
його у питну воду. Окрім того, активоване вугілля має особливість залпом
"скидати" у фільтрат забруднення, накопичені за попередній проміжок
часу.
Тут слід указати на одне помилкове уявлення. Вважається, що малопотужні
локальні (тим більше, побутові) водоочисні установки більш прості конструктивно
та надійніші в експлуатації, ніж промислові станції. Цілком обґрунтовано
зауважимо: вкрай нестаціонарні режими експлуатації локальних (у т.ч. побутових)
фільтрів, які повністю залежать від особливостей кожного споживача, значно
ускладнюють процес водоочищення. І головну проблему становить неможливість
постійного контролю якості очищеної води. Так у нічні години проток води
через локальні водоочисні споруди відсутній, а ранковий початок водорозбору
призводить до надходження в мережу води, забрудненої продуктами корозії
та життєдіяльності мікроорганізмів. Потрібний деякий час для обміну води
в мережі.
Вищевказане додатково свідчить про необхідність попереднього технологічного
обґрунтування локальних схем водоочищення. Ідеальним варіантом було б
улаштування постійних сервісних пунктів, які б у початковий період експлуатації
таких установок визначали фактичні параметри експлуатації та постійно
контролювали їх роботу.
І, до речі, про корозію… Недооцінка ролі корозії призводить до того, що
на водозаборах застосовуються водоочисні станції, але це не поліпшує якість
води у споживача (в т.ч. концентрації заліза). Оцінка корозійної активності
води за допомогою традиційних методик не завжди відтворює реальні умови
внаслідок сильного впливу мікробіологічного елементу. Мікробіологічна
корозія майже завжди має місце при використанні підземних вод. Бактерії-анаероби
споживають метал (залізо) труб і переводять його в таку ж саму іонну форму
(Fe+2), в якій перебуває природне залізо у підземних водах. Це залізо
також осідає у нижній частині труб, створюючи сприятливе середовище для
розвитку тих же анаеробних бактерій. Вочевидь, у подібних випадках не
треба дезорієнтувати замовника, а перенести основний наголос на оптимізацію
систем розподілення води та заміну матеріалу труб.
Таким чином, афоризм, винесений в епіграф статті, має багатошарове значення.
Перед тим, як братись за вирішення проблеми із залізом у питній воді,
треба, як мінімум, розібратись, що це за залізо і звідки воно походить.
Вибрати спосіб вилучення цього заліза, починаючи з найпростіших методів
та обладнання. А вже потім, після первинного вилучення заліза, застосовувати
методи спеціального водоочищення.
О.Ю.Кулішенко,
В.Т.Остапенко,
Т.Б.Кравченко
ІКХХВ НАН України (м. Київ)
