Обезжелезивание и удаление марганца из воды с помощью озонирования

Удаление железа и марганца из воды

Использование озонирования при удалении железа и марганца из воды

Железо и марганец - наиболее часто встречающиеся металлические примеси в природной воде, причем чаще всего они встречаются вместе. Хотя железо и не является токсичным веществом, но его присутствие в воде приводит к ухудшению ее органолептических и вкусовых свойств и появлению бурого осадка на поверхностях, вступающих в контакт с водой. Марганец же является загрязнителем, который относится к категории опасных веществ.

Оба загрязнителя должны быть устранены из воды до указанного в стандартах уровня. В частности, для питьевой воды норма содержания марганца и железа указана в СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» и СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости».

п. 4.2 СанПиН 2.1.4.1116-02 (в скобках указаны значения п. 3.4 СанПиН 2.1.4.1074-01)

Безвредность воды по химическому составу определяется ее соответствием нормативам по содержанию токсичных металлов I, II и III классов опасности.

Марганец (Mn)0.05 (0.1)
Железо (Fe, суммарно)0.3 (0.3)

Часто железо и марганец содержатся в воде в виде органических соединений, что значительно усложняет процесс фильтрации. Стандартные методы обезжелезивания и деманганации воды (аэрация, известкование, катионирование) в этом случае неэффективны. В России эта проблема особенно актуальна в нефтеносных районах, где вода практически всегда содержит большое количество примесей органических веществ (нефтепродуктов) и растворенных газов, имеет повышенную цветность и мутность.

Станция очистки воды в Белмонте

В вышеуказанных случаях необходимо предварительное окисление органических соединений с помощью озона. Окисляя комплексные соединения, озон вызывает осаждение железа и марганца. После чего остается только отфильтровать воду от выпавших в осадок металлов при помощи угольных и песчаных фильтров или путем длительного отстаивания.

Обзор технологии деманганации и обезжелезивания

Для окисления железа или марганца, содержащихся в комплексной связи с анионными группами и веществами, придающими воде повышенную цветность, весьма целесообразно применение озона. Окисляя названные комплексные соединения, озон устраняет цветность воды и вызывает осаждение железа и марганца. Процесс окисления преобразует растворимые соли в нерастворимые, поэтому необходимо последующее фильтрование или отстаивание воды для освобождения ее от выпадающих осадков. Окисление металлов озоном эффективно протекает при любых значениях pH, встречающихся в природных водах.

Схема удаления железа и марганца в небольших концентрациях

Традиционно для обезжелезивания воды используется аэрация, но окисление железа при продувании воздуха идет не слишком интенсивно и имеет место ограничение по концентрации железа, связанное с необходимостью использовать большие потоки воздуха и, соответственно, громоздкую аппаратуру. Озон снимает все эти ограничения: окисление и железа, и марганца идет очень эффективно. При повышенных концентрациях железа (более 15 мг/л) целесообразно применять двухэтапную очистку воды. Основное количество железа удаляется методом аэрации, после чего для удаления оставшегося железа используется озон.

Что касается марганца, то превращение Mn под воздействием кислорода из воздуха в двухвалентный нерастворимый гидрат Mn(OH)4 требует при отсутствии катализатора величины pH>10. Между тем озон вызывает полное осаждение Mn при отсутствии катализатора уже при величине pH=6.5.

Станция очистки воды в Аштоне

Ситуация усложняется при высоких концентрациях марганца в воде, поскольку озон будет окислять Mn+2 до Mn+7, который вступая в реакцию с кислородом образует растворимый в воде перманганат MnO4. С такой ситуацией столкнулись на городской станции очистки воды в городе Аштоне (Англия). Отмирание и распад водорослей в водохранилище приводил к появлению в воде растворенного марганца в количестве 0,5 мг/л. Озонирование такой воды приводило к повышению цветности с 22 градусов в исходной воде до 86 градусов в озонированной. Вода немедленно приобретала розовый цвет, который изменялся на желтый приблизительно через 30 минут контакта с озоном.

Для устранения такого количества марганца используется технологическая схема двойного озонирования воды: первичное озонирование исходной воды, фильтрование и вторичное озонирование фильтрата. При такой схеме обработки марганец, окисляясь, переходит в нерастворимую форму, и осадок удаляется фильтрованием. Цветность воды снижается до нормативной величины.

Схема удаления железа и марганца в небольших концентрациях

Необходимое для обезжелезивания и деманганации количество озона подбирается опытным путем. Обычно используется следующее соотношение: 1 мг озона на один мг железа и 4 мг озона на 1 мг марганца. Более точные значения могут быть получены путем проведения экспериментов с образцами воды и запуска пилотной установки.

4 мг

– количество озона, обычно используемое для окисления 4 мг железа или 1 мг марганца

Химия взаимодействия озона с железом и марганцем

Рассмотрим химию взаимодействия озона с железом и марганцем.

Реакция между растворенным железом и озоном

2Fe+2 + O3 + H2O → 2Fe+3 + O2 + 2OH-

Fe+3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+

Из реакции следует, что в отсутствие органических примесей необходимо 0,43 мг озона на 1 мг железа.

Из реакции видно, что озон окисляет Fe+2 до Fe+3. В свою очередь Fe+3, вступая в реакцию с молекулами воды, образует твердый осадок Fe(OH)3, который может быть удален механическими фильтрами. Реакция протекает при значениях pH от 6 до 9. Избыточный озон может быть использован для дальнейшей дезинфекции.

Реакция между растворенным марганцем и озоном

Mn+2 + O3 + H2O → MnO2↓ + 2H+ + O2

2Mn+2 + 5O3 + 3H2O ↔ 2MnO4- + 5O2 + 6H+

Из реакции следует, что в отсутствие органических примесей необходимо 0,87 мг озона на 1 мг марганца.

Из реакции видно, что озон окисляет Mn+2 до Mn+4, который вступая в реакцию с кислородом, образует нерастворимый в воде диоксид марганца MnO2. Диоксид марганца может быть удален механическими фильтрами. Реакция наиболее эффективно протекает при значениях pH около 8.

Остаточный озон будет окислять Mn+2 до Mn+7, который вступая в реакцию с кислородом, будет образовывать растворимый в воде перманганат MnO4-. Если в воде присутствуют органические соединения, то через некоторое время перманганат распадется до диоксида марганца MnO2.

Наличие органических соединений увеличивает количество озона, необходимого для очистки воды, поскольку часть озона задействуется для окисления органических соединений.

Схемы удаления железа и марганца из воды с описанием

Производство озона

  1. Атмосферный воздух очищается от сильных загрязнителей и частиц при помощи фильтра предварительной очистки.
  2. Очищенный воздух поступает в концентратор кислорода, где преобразуется в газовую смесь с 85 – 95 % содержанием кислорода.
  3. Кислород подается в генератор озона. В его ячейках под действием коронного разряда из кислорода производится озон.

Озонирование и фильтрация воды для крупных объектов (нажмите на изображение для просмотра в полном размере)

Схема удаления железа и марганца с озонированием воды путем барботирования

Пояснения к рисунку:

  1. Вода с высоким содержанием железа и марганца поступает в контактную емкость.
  2. В контактной емкости происходит барботирование воды (пропускание пузырьков газа через слой жидкости). В результате железо и марганец окисляются до нерастворимых соединений.
  3. Часть соединений осаживается прямо в контактной емкости. Периодически происходит промывка контактной емкости для удаления осадка.
  4. Другая часть соединений существует в виде взвешенных в воде частиц. После контактной емкости озонированная вода проходит механическую очистку в угольном и песчаном фильтрах, где из нее удаляются остатки металлов.
  5. Нерастворенный озон из контактной емкости сбрасывается в атмосферу через деструктор озона, чтобы избежать превышения предельно допустимых концентраций озона в воздухе помещения (цеха).

Озонирование и фильтрация воды для средних и мелких объектов (нажмите на изображение для просмотра в полном размере)

Схема удаления железа и марганца с озонированием воды путем инжекции

Пояснения к рисунку:

  1. Часть уже отфильтрованной воды забирается с выхода системы очистки и смешивается с озоном с помощью эжектора Вентури. Такая схема позволяет предотвратить засорение и выход из строя бустерного насоса.
  2. Вода с высоким содержанием железа и марганца смешивается с озонированной водой и поступает в контактную емкость.
  3. В результате железо и марганец окисляются до нерастворимых соединений.
  4. Часть соединений осаживается прямо в контактной емкости. Периодически происходит промывка контактной емкости для удаления осадка.
  5. Другая часть соединений существует в виде взвешенных в воде частиц. После контактной емкости озонированная вода проходит механическую очистку в угольном и песчаном фильтрах, где из нее удаляются остатки металлов.
  6. Нерастворенный озон из контактной емкости сбрасывается в атмосферу через деструктор озона, чтобы избежать превышения предельно допустимых концентраций озона в воздухе помещения (цеха).