1 Виды железа, встречающегося в скважинной воде: двухвалентное и трехвалентное

2 Методы очистки воды от железа

2.1 Установка обезжелезивателя без аэрации (железо до 1-3 мг/л)

2.2 Установка аэрации в сочетании с обезжелезивателем (железо от 3 до 10 мг/л)

2.3 Обезжелезивание методом ионного обмена (железо до 20 мг/л и в сочетании с марганцем, жесткостью и органикой)

2.4 Обезжелезивание гипохлоритом натрия

3 Сравнение областей применения и технико-экономических показателей систем обезжелезивания воды из скважины

1 Виды железа, встречающегося в скважинной воде: двухвалентное и трехвалентное

В зонах природы, для которых характерна чрезмерная влажность, повышенная концентрация железа в подземных и поверхностных источниках воды – довольно естественное явление. В нашей стране такими территориями являются Сибирь, Центральная часть, а также Дальний Восток.

Горные породы и минералы, в составе которых имеется железо, в процессе растворения и выветривания попадают в естественные источники воды. Также источником значительного количества железа являются промышленные и бытовые сточные воды. Плохо очищенная, либо совсем не прошедшая процедуру фильтрации вода из стоков после сброса насыщает водные источники разнообразными соединениями в виде растворенного железа, или взвесей (в коллоидной форме).

Показатели содержания железа, марганца, двуокиси углерода в воде из артезианской скважины значительно превышают эти же показатели в воде с поверхностных источников. Кроме того, такая вода характеризуется пониженным значением pH.

Вода с избыточным наличием железа при наливании в емкость обладает прозрачностью и может показаться чистой, но в процессе контакта с кислородом, содержащимся в воздухе, осуществляется окисление железа, что придает воде характерный желто-бурый оттенок. Сосредоточение железа в воде больше, чем 0,3 мг/л, оставляет рыжие потеки на поверхности сантехники. Если концентрация превышает 1 мг/л, вода будет мутная, рыжего цвета, также для нее будет характерен вкус металла. Такую воду крайне опасно использовать для питья и приготовления продуктов, так как это может повлечь серьезные осложнения со здоровьем, кроме того, и в технических целях такую воду нельзя применять, так как есть риск порчи трубопроводов, котельного оборудования и бытовой техники. Стандартная норма содержания железных соединений в воде -  не более 0,3 мг/л.

Еще одним параметром, влияющим на концентрацию железа в природной воде, являются сезонные изменения, характерные для разных территорий страны.

Железо в воде может пребывать в двухвалентной или трехвалентной форме.

Двухвалентное железо. В скважинной воде железо находится в двууглекислом или сернокислом виде. Двухвалентная форма – это вещество в растворенном состоянии. Для обезжелезивания скважинной воды часто актуальны технологии аэрации, фильтры ионного обмена или обратный осмос.

Трехвалентное железо создается в процессе контакта растворенного железа с кислородом и являет собой коллоидные (твердые) частицы вещества, выпадающего в осадок в ходе отстаивания воды. Трехвалентное железо легко убирается при помощи механических и мембранных фильтров.

По типу происхождения железо в воде может быть органическим и неорганическим. Неорганическое железо – это разнообразные соли, оксиды и гидроксиды. Органические соединения железа чаще всего имеют нерастворимую структуру и представлены в виде трудноудаляемых взвешенных частиц. Коллоидные элементы имеют высокий поверхностный заряд и малый размер, за счет чего образуют в воде неосаждающуюся субстанцию, значительно повышая мутность воды.

Железо может быть также бактериальным. Оно возникает в результате деятельности железобактерий. Вода с железом в такой форме характеризуется наличием радужной пленки на поверхности. Внутри труб в таком случае будут наблюдаться желеобразные осадки.

Любой тип железа в воде крайне опасен, особенно при его высоких концентрациях. Сам по себе элемент, в допустимой концентрации не несет вреда. Но как только допустимый уровень повышается, железо соединения железа приносят массу неудобств. Это касается влияния на здоровье человека. Примеси имеют накопительный эффект и при высоком содержании начинают оказывать разрушительное воздействие. Железо имеет свойство вытеснять из организма другие элементы, провоцируя их дефицит. К тому же негативно влияет на состояние пищеварительного тракта, разрушает иммунную систему. Так же железная вода имеет способность разрушать трубы и сантехнические приборы. В трубопроводе появляется налет и отложения, начинается коррозия металла, появляются свищи. На сантехнике появляются рыжие пятна, которые нелегко отмыть. Использовать такую воду в бытовых или промышленных целях не рекомендуется. Да и не возникает желания из-за визуального загрязнения.

Примеси железа могут содержаться в любой скважинной воде. Даже артезианские скважины подвержены такому загрязнению. Элемент железа может там образовываться по нескольким причинам. Грунтовые воды проделывают длинный путь, проходя различные пласты. Со временем в них накапливаются различные примеси, одним из которых могут быть соединения железа. В случае с бактериальным железом, возможно попадание через трубы при бурении скважин или особенностей местности.

Существует достаточно много способов удаления железа из воды. Начиная от народных методов отстаивания и замораживания до установки современных систем фильтрации. Конечно, более оптимальным вариантом станет применение специальных фильтров. Народные методы уже давно устарели и могут использоваться только в самых крайних случаях. Тем более что существует довольно много способов удаления примесей железа из скважинной воды с помощью специальных элементов фильтрации. Как правило, удаление примесей железа происходит при окислении среды. То есть необходимо сначала окислить воду, тогда железо перейдет в нерастворенную форму и его можно будет удалить. Растворенное железо не выпадает в осадок и его удалить достаточно сложно. Как и коллоидное, частицы которого имеют слишком меленький диаметр и массу, по сути являясь практически пылью. Но один метод все же предусматривает отсутствие изменения среды.

2       Методы очистки воды от железа

2.1      Установка обезжелезивателя без аэрации (железо до 1-3 мг/л)

Существуют методы очистки скважинной воды, не требующие аэрационных установок и использования химических элементов.

Данные методы актуальны если исходная вода отвечает следующим требованиям:

- содержание сероводорода не более 0,004 мг/л,

- общее содержание железа не более 3 мг/л,

- содержание марганца не более 0,3 мг/л,

- pH не менее 7,5.

Очищающий материал в таких установках состоит из двух фильтрующих компонентов, сочетающихся в зависимости от необходимой производительности в специально подобранных пропорциях. Первый материал выполняется на основе диоксида марганца из нескольких природных элементов и выполняет роль окислителя и катализатора. В результате взаимодействия фильтрующего материала с входящей водой происходит каталитический процесс окисления, за счет чего марганец, сероводород и железо преобразуются в нерастворимую взвесь, которая затем задерживается в слое второго фильтрующего материала – специального сорбента. Задержанные загрязнения вымываются обратным током входящей воды в процессе промывки фильтров. В зависимости от модели управляющего блока регулирование процесса промывки может быть реализовано вручную либо в автоматическом режиме.

Рис. 1 Фильтр обезежелезиватель с ручным и автоматический клапаном

Обезжелезивание воды из скважины без аэрационной установки является бюджетным решением, подходящим для использования в частном доме, коттедже.

Такие установки помогают удалить примеси железа, но только в случае их небольшой концентрации. Фильтрующий материал обязательно промывать и периодически заменять на новый. Сорбенты состоят из гранул. Они могут быть разного размера и формы. Они имеют пористую структуру. Самый яркий пример сорбента-уголь. При прохождении потока воды с растворенным железом, примеси застревают в порах. Со временем фильтрующее вещество засоряется и не может далее выполнять свои функции. В этом случае необходима обязательная промывка. Так же у каждой загрузки есть свой ресурс выработки. То есть при истечении определенного времени фильтрующий материал начинает терять свои свойства. Эта проблема решается заменой сорбента.

Преимуществом данного метода является его экологичность, потому что в процессе фильтрации не используется никаких химических веществ. Расход на эксплуатацию системы невелик. Сорбенты сами по себе недорогие, а при низкой или средней производительности их срок службы значительно увеличивается. Стоимость таких установок невелика. Но при этом они не способны к быстрой фильтрации, что позволяет их использовать только для бытового обезжелезивания. Для промышленных масштабов такой вариант будет нецелесообразным, ввиду большого расхода. Еще один недостаток в том, что такие системы не могут справиться с высоким содержанием железа.

2.2       Установка аэрации в сочетании с обезжелезивателем (железо от 3 до 10 мг/л)

Аэрация воды – это первый этап по ее очистке от вредных примесей посредством обогащения кислородом. Аэрация обычно проводится в сочетании с дополнительными способами очистки, например, с фильтром-обезжелезивателем. Во время аэрации вода принудительно обогащается кислородом посредством распыления либо запусканием воздушных пузырьков.

Помимо устранения железа аэрационные установки также решают проблемы переизбытка разнообразных газов, растворенных в воде, с их помощью можно избавляться от микроорганизмов и бактерий, органических соединений.

Аэрация бывает напорная и безнапорная.

Установка напорной аэрации с обезжелезивателем осуществляет насыщение воды кислородом в герметичной емкости под давлением. Принцип работы: скважинная вода поступает в аэрационную колонну. Получив сигнал от датчика потока, включается компрессор, нагнетающий воздух в трубу, установленную перед аэрационной колонной. Вода перемешивается с пузырьками воздуха, при этом избыточный воздух удаляется через предусмотренный воздухоотвод. Обогащенная кислородом вода из колонны уходит на следующий этап очистки – в фильтр-обезжелезиватель. Благодаря каталитической засыпке, усиливается реакция окисления элементов в растворенном состоянии. Окисляясь, вредные примеси преобразуются в твердую форму и оседают в зернах фильтрующего слоя. Все выпавшие загрязнения вымываются в процессе обратной промывки.

Состав установки напорной аэрации с обезжелезивателем: компрессор, датчик потока, аэрационная емкость, датчик расхода, распределительный оголовок, воздушный клапан, фильтр с обезжелезивающей загрузкой.

Рис. 2 Напорная аэрация

Установка безнапорной аэрации с обезжелезивателем применяется для удаления из воды избытка вредных примесей, таких как, метан, марганец, сероводород, железо. Этот метод очень эффективен, если присутствует плохой запах, повышены значения параметров цветность и мутность. Данный способ фильтрации признан безопасным и экологичным.

Схема работы установки безнапорной аэрации: сквозь специальные форсунки происходит рассеивание воды из скважины, поступающей в аэрационную емкость. Кислород из атмосферного воздуха перемешивается с каплями воды в процессе их падения в бак, на дно которого мембранным компрессором нагнетается дополнительный воздушный объем. В ходе химической реакции молекул воды и кислорода железо и другие нежелательные примеси из растворимого состояния переходят в нерастворимое, образуя взвешенные частицы. Последние оседают в обезжелезивателе, так же, как в схеме с напорной аэрацией.

Конструкционным отличием от системы с напорной аэрацией является то, что на выходе нужна насосная установка для обеспечения давления.

Безнапорная аэрация гарантирует достаточную продолжительность взаимодействия кислорода из воздуха и воды для обеспечения максимального окисления. Это является одним из преимуществ данного метода. Кроме того, в аэрационной емкости всегда присутствует остаток воды, что актуально в ситуациях с перебоями водоснабжения.

Безнапорная аэрация успешно используется в частных домах и на промышленных предприятиях, так как размеры и состав установки могут варьироваться в зависимости от требуемой производительности.

Рис. 3 Безнапорная аэрация воды

В случаях, когда концентрация отрицательно влияющих на качество воды примесей значительно превышена рекомендуется использовать аэрационный метод совместно с обезжелезиванием гипохлоритом натрия.

Такие установки имеют множество преимуществ. В первую очередь это безопасность метода. Так как не используются реагенты, а окислителем выступает кислород. Во вторых позволяет насыщать воду кислородом, что улучшает её органолептические свойства. По стоимости аэрационные колонны так же не слишком дорогие. Возможность автоматизации системы значительно упрощает эксплуатацию. Особого сервисного обслуживания система не требует, что делает её очень неприхотливой в использовании. Недостатком метода считается его медлительность. То есть при высокой производительности такой способ не подойдет. Только в случае добавления реагентов для увеличения скорости окисления. Но в этом случае теряется преимущество-экологичность. И такую воду уже нежелательно использовать как питьевую. Еще один минус в габаритности системы. Аэрационные установки занимают достаточно много места.

Однако, метод аэрации очень популярен для загородных участков и ценится за неприхотливость в использовании. В промышленном производстве, аэрация является одним из этапов водоподготовки. При добавлении химикатов, при увеличении производительности, метод аэрации можно применять при более высоких концентрациях железа.

Если используется метод напорной аэрации, то желательно монтировать установку подальше от жилых помещений. Проблема в шуме, который издает компрессор. Поэтому в загородных домах такие системы устанавливают в подвальном помещении либо в отдельно строении.

2.3       Обезжелезивание методом ионного обмена (железо до 20 мг/л и в сочетании с марганцем, жесткостью и органикой)

Технология ионного обмена для обезжелезивания обладает рядом существенных преимуществ, по сравнению с другими методами:

 - Простая конструкция обуславливает легкость эксплуатации, нет необходимости в трудоемком обслуживании, необходимо всего лишь регулярно производить смену картриджей с ионообменной смолой в установке.

 - Универсальность – применяется для обезжелезивания не только скважинной воды, но кроме того, успешно осуществляет очистку сточных вод в промышленных масштабах. Установки для обезжелезивания в бытовых условиях, а также для производственных объектов одинаковы по принципу действия и конструкционному устройству и рознятся только размерами рабочих баков и составом активных реагентов.

 - Высокая эффективность – максимальный уровень очистки воды от железа, а также других вредных примесей, обладающих способностью к обмену ионами.

Как правило, к методу ионного обмена прибегают в случае одновременной необходимости снизить жесткость и содержание железа в воде. Данная технология особенно эффективна при высоком показателе минеральных солей (100-200 мг/л).

В ионообменных фильтрах используется способность ионитов (ионообменных материалов) замещать отрицательно или положительно заряженные ионы в воде на такое же количество ионов ионита. Иониты – это почти нерастворимые в воде соединения органического либо неорганического происхождения, имеющие в составе активный анион или катион. Катионы замещают положительно заряженные частицы солей, а анионы – отрицательно заряженные. Для удаления железа и умягчения воды в качестве ионитов применяют синтетические ионообменные смолы.

Катиониты устраняют из воды почти все находящиеся в ней двухвалентные металлы, заменяя их анионами натрия.

Конструкция ионообменного фильтра для обезжелезивания воды из скважины состоит из:

- баллона с фильтрующей загрузкой (ионообменной смолой),

- клапана подачи воды с электронным управлением,

- емкости для регенерирующего раствора.

Схема работы ионообменного фильтра: вода поступает из источника и протекает сквозь ионообменную смолу, наполняющую фильтр, в процессе чего ионы тяжелых металлов и солей жесткости заменяются на ионы фильтрующего материала. После чего дегазатор устраняет из воды кислород и диоксид углерода. Очищенная вода уходит в потребительский канал.

Одним из преимуществ метода является то, что это обратимый процесс и предусмотрен механизм регенерации фильтрующей загрузки. Обычно это выполняется щелочными или кислотными растворами, продлевая таким образом срок эксплуатации установки.

Несмотря на высокую эффективность технологии ионного обмена для удаления железа, существует несколько моментов, ограничивающих ее применение:

- Нельзя использовать для очистки воды, содержащей железо в трехвалентной форме, так как фильтрующая смола быстро загрязняется и приходит в негодность.

- Наличие в воде кислорода и прочих окисляющих веществ также недопустимо, так как ведет к образованию железа в твердой форме.

- Показатель pH должен быть не более 6,5 в виду вышеуказанных моментов.

- Рекомендуется ионообменный фильтр использовать там, где повышенная концентрация железа наблюдается в совокупности с избыточной жесткостью, иначе это будет нерационально.

Рис. 4 Ионообменный фильтр

Ионообменные установки могут использоваться в любой сфере. Для бытового использования существую компактные фильтры, которые также работают на основе ионной смолы. Для промышленного производства оборудование более масштабно. Для увеличения производительности можно установить несколько ионных колонн. Чаще всего такое предусмотрено в промышленном производстве. Суть в том, что устанавливают две или три колонны с ионной загрузкой. Они могут работать как одновременно, так и по очереди. При переменной фильтрации устройств, регенерация также начинается по очереди. То есть сначала вырабатывается запас ионной смолы в первой колонне, она уходит на регенерацию и включается вторая. Когда у второй подходит время промывки, снова активируется первая. При монтаже трех и более ионных установок они могут также работать по несколько штук одновременно. Объединяются они блоком управления. Устанавливается на каждую колонну по отдельности или объединяет все сразу. Именно этот элемент следит за очередностью работы оборудования и начале режима регенерации.

Ионный метод позволяет не только удалять примеси железа, но и одновременно умягчать воду. Ионная смола позволяет удалять примеси железа без предварительного окисления. При этом расходы на эксплуатацию системы останутся прежними. Ионная смола требует только регенерации солевым раствором. И желательно автоматизировать систему.

2.4       Обезжелезивание гипохлоритом натрия

Использование производных хлора для нейтрализации железа, а также для обеззараживания воды успешно применяется с начала 20го века. Хлорсодержащие вещества обычно в 100% случаев устраняют находящееся в ней железо. Использование гипохлорита натрия востребовано там, где другие способы обезжелезивания не дают нужного результата.

Гипохлорит натрия NaClO в виде водного раствора используют с целью обеззараживания, а также для устранения из воды органических и серных соединений, и железа в растворенной форме.

Гипохлорит натрия представляет собой жидкость зеленовато-желтого оттенка и является очень сильнодействующим окислителем. Обезжелезивание с помощью гипохлорита натрия актуально в случаях, когда напорная аэрация и другие способы не способны дать нужное качество воды на выходе, так как в исходной скважинной воде присутствуют значительные концентрации железа, марганца, сероводорода и органических веществ.

Гипохлорит натрия имеет свойство разрушать органические соединения железа, гуматы и преобразовывать их в соли трехвалентного железа, которые легко подвергаются процессу гидролиза. В следствие чего образуется осадок, легко удаляемый при помощи сорбционных фильтров и т.п. Особенностью метода является то, что гипохлорит натрия, окисляя железо, не вызывает подкисления воды, что имеет важность для дальнейшей фильтрации.

Обезжелезивание гипохлоритом натрия эффективно применяют и в промышленных масштабах и на малых объектах, в том числе в коттеджах.

В общем случае схема обезжелезивания выглядит следующим образом: посредством дозирующего комплекса в подготавливаемую воду поступает раствор гипохлорита натрия, после чего вода направляется для дальнейшей обработки в аэрационную колонну либо фильтр-обезжелезиватель.

Состав фильтрующей установки:

- импульсный счетчик воды,

- емкость с гипохлоритом натрия,

- бак для окисления,

- дозирующий насос,

- насос вторичного подъема,

- обезжелезиватель.

Рис. 5 Схема фильтра обезжелезивателя с гипохлоридом натрия

Принцип работы: импульсный счетчик при расходовании воды подает сигнал на дозирующий насос, который осуществляет впрыскивание реагента во входящую воду. Чтобы окисление произошло наиболее интенсивно и качественно, взаимодействие гипохлорита и воды должно длиться от 30 минут и более, для этого вода поступает в накопительный бак. Железо окисляется и принимает трехвалентную форму, а углекислый газ во время этой реакции улетучивается. После чего вода направляется для дальнейшей фильтрации в фильтр-обезжелезиватель, где на зернах засыпки происходит осаждение взвешенных частиц железа, марганца и других соединений. Регенерация фильтрующего слоя в обезжелезивателе реализуется посредством потока воды обратной промывки.

Очистка воды гипохлоритом натрия обладает рядом преимуществ в сравнении с другими способами:

Возможность точной дозировки – зная химический состав исходной воды можно точно рассчитать необходимое количество реагента.

Экономически выгодно – благодаря низкой стоимости гипохлорита натрия, система по очистке воды будет значительно дешевле аналогичных установок, действующих по другому методу (например, в сравнении с методом аэрации).

Гибкость системы – в зависимости от нужно количества чистой воды на выходе подбираются насосы различной мощности и с разными схемами управления.

Бесшумность – дозирующий насос обладает гораздо меньшим уровнем шума по сравнению с компрессором в аэрационной установке.

Использование гипохлорита натрия значительно сокращает время окисления среды. При этом в воде не остается никаких продуктов распада, как в случае с хлором. Гипохлорит натрия способен обеззараживать воду. Чаще всего используется на промышленных производствах, так как необходимо обязательное дозирование вещества. При повышении количества добавляемого реагента могут образовываться дополнительные соединения. Также не вся доза будет использована для окисления и часть элементов может попасть в чистую воду. А гипохлорит хоть и является не агрессивным реагентом, все же химическое вещество.

 3 Сравнение областей применения и технико-экономических показателей систем обезжелезивания воды из скважины

Выбирая метод обезжелезивания важно ориентироваться на основные критерии фильтрации. Ими являются производительность, назначение и степень концентрации примесей. В бытовых условиях для обезжелезивания подойдет безреагентный метод со средней производительностью. То есть в данном случае приоритетнее способ аэрации или фильтров обезжелезивателей. Можно установить ионную систему фильтрации.

Для промышленных предприятий обезжелезивание является лишь этапом системы водоподготовки. Могут использоваться любые методы. И в этом случае основным критерием для выбора будет производительность и концентрация железа в воде. Также актуальным вопросом являются расходы на эксплуатацию. Самые минимальные затраты у безреагентных способов. В этом случае затраты могут быть только на электричество и замену фильтров по истечению срока эксплуатации. К остальным методам можно добавить еще некоторые пункты расходов. Ионная смола требует регенерации и приобретения таблетированной соли. Реагентный способ предполагает наличие химических веществ.

Выбор метода обезжелезивания скважинной воды подбирается на основе химического анализа и особенностей назначения. То есть нет такого метода, который подходил бы для любой воды без ограничения. У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. И для каждого конкретного случая подбирается свой метод обезжелезивания.

 Ниже представлено видео по сборке фильтра обезжелезивателя воды

Ниже представлено видео по сборке ионообменного фильтра