Menu

Odżelazianie i odmanganianie

Żelazo i mangan w wodzie

Żelazo

Chociaż zalicza się do pierwiastków życia niezbędnych w naszym organizmie, w wodzie wodociągowej stanowi składnik niepożądany. Już niewielkie ilości żelaza >1 mgFe/dm3 , mogą powodować powstawanie brudnych, brązowych zacieków na przyborach sanitarnych. Żelazo w ilościach kilkugramowych może  zniszczyć bieliznę w pralce i zmienić diametralnie smak wody na nieprzyjemny i metaliczny. Tymczasem w wodzie z ujęcia zawartość żelaza   dochodzi nawet do 30 i więcej mgFe/dm3 (wartość dopuszczalna – 0,2 mgFe/dm3).

            W wodach głębinowych żelazo występuje głównie w postaci  dwuwartościowej Fe2+, jako wodorowęglan żelazawy Fe(HCO3)2 lub siarczan żelazawy FeSO4. Oba związki są nietrwałe i dość łatwo ulegają procesowi hydrolizy, a przy zetknięciu się z atmosferą, wskutek rozpuszczania się w wodzie tlenu, utleniają się do żelaza trójwartościowego, tworząc w wodzie wodorotlenek żelazowy Fe(OH)3 w myśl reakcji (zobaczmy to na przykładzie kwaśnego węglanu):

 

                       

Fe(HCO3)2 + H2O ® Fe(OH)2 +H2CO3 ® Fe(OH)2 + H2O + CO2­

2 Fe(OH)2 + O + H2O ® 2Fe(OH)3¯

 

            Wodorotlenek żelazowy Fe(OH)3 jest związkiem trudno rozpuszczalnym w wodzie, wydziela się w postaci ciemnoczerwonych kłaczków i dość łatwo daje się odfiltrować na złożach piaskowych. Proces kłaczkowania nadaje wodzie specyficzną barwę. Jeśli wyciągniemy wiadro ze studni i po kilku dniach woda zmieni  barwę na żółtą, to jest to właśnie efekt wytrącania się związków żelaza.

                W wodach powierzchniowych (rzadko w podziemnych), żelazo występuje też w postaci koloidalnych, zawieszonych cząstek FeS, Fe(OH)3 lub jako związek organiczny (humus). Wszystkie te postacie nie podlegają procesowi hydrolizy i są trudne do usunięcia z wody, nadając jej naturalną  barwę od jasno słomkowej, do koloru herbaty. 

 

Mangan

 

            Jest pierwiastkiem znacznie rzadziej występującym w wodzie. Stężenie manganu może się wahać od 0-10 mgMn/dm3 (wartość dopuszczalna – 0,05 mgMn/dm3 ), przy czym sporadycznie spotkamy go w wodach powierzchniowych, częściej natomiast w wodach głębinowych, gdzie obecny jest w postaci rozpuszczalnej dwuwartościowej i tworzy sole (chlorki, siarczany). W postaci utlenionej jako dwutlenek manganu MnO2 staje się nierozpuszczalny w wodzie tworząc czarne osady. Mangan, podobnie jak żelazo jest pierwiastkiem niepożądanym w wodzie z ujęcia, na bieliźnie i przyborach sanitarnych pozostawia brunatne plamy, stanowi też pożywkę dla bakterii.  

 

USUWANIE ŻELAZA I MANGANU

 

            Oba pierwiastki nie są szkodliwe dla zdrowia człowieka, dlatego w kategorii zanieczyszczeń wody traktowane są jako związki uciążliwe, mogące powodować:

- zmianę smaku i zapachu wody,

- zanieczyszczenie przyborów sanitarnych i urządzeń osadami tlenków,

- wzrost zagrożenia rozwoju bakterii anaerobowych, żelazistych (np. Crenothrix, Leptothrix, Gallionelia, itp.) odpowiedzialnych w dużej mierze za korozję instalacji.

- w procesach uzdatniania wody – blokadę zdolności jonowymiennej jonitów i zarastanie membran osmotycznych w systemach odwróconej osmozy

Usuwanie żelaza i manganu wymaga precyzyjnego określenia stopnia zanieczyszczenia wody ww. pierwiastkami i ich charakteru. 

W przypadku wód podziemnych o stosunkowo wysokiej klarowności i czystości bakteryjnej, przy występowaniu węglanów i siarczanów żelazawych stosowane jest powszechnie napowietrzanie wody, a następnie jej filtracja.  Napowietrzanie prowadzone jest przez rozdeszczenie wody (filtry powolne w dużych instalacjach) lub za pomocą aeratorów  doprowadzających powietrze do wody z wykorzystaniem sprężarki lub na zasadzie iniektora (instalacje domowe).  Sedymentacja i filtracja kłaczkującego osadu zachodzi bezpośrednio w złożu. Osad wodorotlenku żelazowego jest dość łatwy do usunięcia, dlatego jako złoże filtracyjne może być stosowany zwykły piasek. 

Przy wodzie głębinowej zawierającej żelazo i mangan wskazane jest wcześniejsze podniesienie pH wody. Utlenianie manganu łatwiej jest bowiem prowadzić w odczynie wody alkalicznym (pH powinno wynosić powyżej 9,5), skraca to znacznie czas  utleniania manganu do nierozpuszczalnego w wodzie MnO2.  

Dobre wyniki daje usuwanie manganu na złożu katalitycznym (wpracowanym), w którym ziarna pokryte są warstwą tlenków manganu. Złoże takie wykazuje silne właściwości sorpcyjne (gromadzi na swojej powierzchni jony manganu, a także innych metali), może też utleniać jony Mn2+ do postaci Mn3+. Mangan trójwartościowy jest natomiast podatny na dalsze utlenianie tlenem rozpuszczonym w wodzie do postaci Mn4+ i tworzenia nierozpuszczalnej formy MnO2. Złoża katalityczne mogą być pochodzenia naturalnego, stosuje  się w tym wypadku np. braunsztyn (ruda manganowa) lub wytworzone sztucznie. Przy zastosowaniu złóż katalitycznych  można zrezygnować z korekty pH wody. Złoża katalityczne (nie wszystkie) ulegają z czasem „wyczerpaniu” i wymagają regeneracji. Stosuje się przy tym najczęściej roztwór nadmanganianu potasu.

W praktyce każde złoże (także wypełnione zwykłym piaskiem) staje się katalityczne, wskutek osadzania się na ziarnach piasku tlenków manganu i żelaza. Okres „wpracowania” trwa do dwóch tygodni, dopiero wtedy złoże jest w pełni sprawne i zaczyna usuwać mangan z wody. Proces płukania odżelaziacza niszczy jednak wytworzoną już strukturę katalityczną i cały proces wpracowania zaczyna się od nowa. Złoża naturalnie katalityczne potrafią natomiast usuwać mangan już od pierwszych godzin pracy. Proces płukania nie powoduje w tym wypadku utraty zdolności katalitycznych.

Jeśli zawartość żelaza i manganu w wodzie jest znaczna, proces uzdatniania powinien być dwuetapowy, przy czym w pierwszej kolejności należy usuwać z wody żelazo a potem mangan. Obecnie coraz częściej stosowane są złoża wielowarstwowe do jednoczesnego usuwania żelaza i manganu w jednym cyklu pracy, zawierające zarówno antracyt jak i piasek manganowy. Dobór procentowy poszczególnych składników prowadzi się w oparciu o skład wody i prędkość filtracji.

            Żelazo występujące w wodzie w postaci koloidalnej lub w połączeniu ze związkami organicznymi jest znacznie trudniejsze do usunięcia. Samo napowietrzanie wody tu nie wystarcza, konieczne są procesy chemicznego strącania, czyli dodawania do wody specjalnych substancji (koagulantów),  powodujących łączenie się małych, zawieszonych cząstek koloidów w większe skupiska zdolne do sedymentacji (opadania). Najczęściej stosowanym koagulantem jest mleko wapienne lub siarczan glinu. Obie metody wymagają drogich urządzeń i stosowane są na skalę przemysłową. W warunkach domku jednorodzinnego wodę zawierającą koloidalne żelazo można próbować uzdatniać na filtrach katalitycznych. Zwiększenie pojemności filtra uzyskamy tutaj stosując wcześniej filtrację mechaniczną na filtrach włókninowych, w których zostaje zatrzymana dość znaczna ilość żelaza koloidalnego. Podstawowym warunkiem takiego schematu uzdatniania jest jednak brak w wodzie związków organicznych. 

TABELA 1 Najczęściej stosowane złoża w procesie odżelaziania i odmanganiania wody.

Wybrane właściwości i parametry pracy
Bewaclean
Birm
Filter AG
Greensand
MTM
Purolite MZ-10
Przeznaczenie
Usuwanie żelaza i manganu, korekta pH wody, usuwanie agresywnego CO2
Usuwanie żelaza i manganu
Usuwanie żelaza i manganu
Usuwanie żelaza, manganu i siarkowodoru
Usuwanie zelaza, manganu i siarkowodoru
Usuwanie żelaza, manganu i siarkowodoru
Forma fizyczna
Złoże mineralne koloru kremowego do jasnobrązowego
Granulat filtracyjny o właściwościach katalitycznych koloru czarnego
Granulat z dużą zawartością dwutlenku krzemu, kolor jasnoszary do białego
Materiał filtracyjny otrzymywany z glaukonitu koloru czarnego
Materiał filtracyjny w kolorze ciemnego brązu
Materiał filtracyjny otrzymywany z przetwarzania glaukonitu, czarne,, bryłkowate granulki
Gęstość nasypowa (g/l)
1400-1600
700-800
320-420
1360
430
1350
max wysokość wypełnienia filtra
70%
50%
50%
50%
50%
50%
Prędkość przepływu podczas pracy m/h
10-15
9-12
12
8-12
8-12
5-12
Prędkość przepływu podczas płukania m/h
25-35
25-29
20-24
25-29
20-24
-
Zdolność odżelaziania mg Fe/l
Do 10
-
-
Do 15 mg/l (Fe+Mn),
Do 5 mgl H2S
-
Do 10 mg/l (Fe+Mn)
Zdolność odmanganiania mgMn/l
Do 2
-
-
 
-
 
Wymagane pH wody
-
>6,8 przy usuwaniu Fe,
8-9 przy usuwaniu Mn
Szeroki zakres
6,2-8,5
6,2-8,5
6,5-8,5
Ekspansja złoża podczas płukania
-
20-40%
20-40
40%
20-40
40%
Regeneracja
Nie wymaga
Nie wymaga
Nie wymaga
3 g KmnO4 /l złoża
3 g KmnO4 /l złoża
3 g KmnO4 /l złoża
Uwagi
Złoże ulega stopniowemu rozpuszczania 5-15 mg/m3 wody uzdatnionej
Woda nie może zawierać siarkowodoru i oleju, zawartość związków org. max.4-5 mg/l, zawartość tlenu w wodzie minimum 15% (Fe +Mn)
Lekkie złoże o małym spadku ciśnienia, krótki czas płukania
max temp. 26,7°C, ulega rozpuszczeniu około 2% /rok
max temp. wody 38°C
max temp. wody 40°C

 

   Wymiana jonowa
 
            Jony żelaza i manganu można też usuwać za pomocą wymiany jonowej. Nadają się do tego celu szczególnie kationity silnie kwaśne, regenerowane kwasem solnym (cykl wodorowy). Woda po kationicie ma w tym wypadku odczyn kwaśny i musi być dodatkowo filtrowana przez anionit, a cały proces uzdatniania nosi nazwę demineralizacji. Z uwagi na usunięcie prawie wszystkich jonów z wody nie nadaje się ona jednak do picia i wymaga ponownej remineralizacji związkami wapnia i magnezu.
            Stosowanie do usuwania żelaza kationitów słabo kwaśnych, regenerowanych solą kuchenną daje gorsze rezultaty i to tylko w odniesieniu do żelaza w związkach nieorganicznych. 
            Usuwanie żelaza dwuwartościowego na jonitach wymaga przeliczenia zawartości żelaza w wodzie na równoważną im zawartość jonów wapnia. Innymi słowy – oszukujemy urządzenie projektując je na większą (niż w rzeczywistości) twardość wody.  Każdy mg żelaza zwiększa przy tym teoretyczną twardość nawet o kilka mval/dm3 . Wymusza to częstszą regenerację jonitu, tym samym znacznie zwiększa koszty uzdatniania wody.  W praktyce usuwanie żelaza tą metodą jest opłacalne przy stężeniu jonów Fe2+ nie przekraczającym 2mg/dm3 i stosowane jest najczęściej jako II-stopień uzdatniania wody.
Żelazo w postaci koloidalnej potrafi bezpowrotnie zablokować grupy jonowymienne, usuwanie go przez jonit słabo kwaśny będzie się wiązało z koniecznością okresowej wymiany złoża.
             
URZĄDZENIA
 
            Poniżej skupimy się na rozwiązaniach odżelaziaczy i odmanganiaczy   na potrzeby ujęć indywidualnych (domki jednorodzinne, bary, małe hotele, itp.). Dla łatwiejszego zrozumienia tematu podzielimy jednocześnie te ujęcia na trzy kategorie:
- instalacje działające sezonowo o małym wydatku (domki letniskowe, dacze)
- instalacje zasilane z własnej studni poprzez hydrofor
- uzdatnianie wody wodociągowej z sieci lub z ujęcia z pompą samozasysającą
 
Instalacje sezonowe
 
            Charakteryzują się okresowym poborem wody, głównie w miesiącach letnich. Poza sezonem instalacja jest opróżniana z wody. Najlepszym rozwiązaniem są tutaj filtry narurowe z wymiennymi wkładami. W zależności od zawartości żelaza i jego charakteru możemy stosować filtry jednostopniowe ze złożami katalitycznymi lub wielostopniowe, poprzedzone wkładem mechanicznym dla wychwytywania mętności wody i żelaza koloidalnego (zwiększamy żywotność odżelaziacza). O potrzebie wymiany wkładu decyduje jego chłonność, czyli maksymalna ilość mg Fe zatrzymywanych w złożu. 
              Dla wkładów katalitycznych zdolność pochłaniania żelaza wynosi około 1-1,5 g/l wkładu. Można więc obliczyć, że jeden litr wkładu przefiltruje nam 1000 litrów wody o zawartości żelaza do 1,5 mg/l. Trzeba w tym wypadku zrobić badanie wody i obserwować wskazania wodomierza.
            Zaletą powyższego rozwiązania jest możliwość demontażu filtra na okres zimy. 
 
Instalacje z własną studnią i hydroforem
 
            Są najbardziej korzystnym rozwiązaniem z punktu widzenia napowietrzania wody. Aspirator umieszczamy w tym wypadku przed hydroforem; w czasie ładowania hydrofora przez pompę duży przepływ wody przez napowietrzacz zapewnia poprawne jego działanie. Zbiornik hydrofora pozwala też na wstępny kontakt wody z zassanym powietrzem (pełni rolę komory kontaktowej), dzięki czemu żelazo ma odpowiednio długi czas na utlenianie. Nie należy się przy tym obawiać zarastania hydrofora osadami wodorotlenku żelazowego, cząsteczki wytrącanego Fe(OH)3 nie mają zdolności do kłaczkowania w warunkach zbiornika. Proces ten zachodzi dopiero w złożu odżelaziacza.
            Jako odżelaziacz możemy zastosować w tym wypadku zbiornik wypełniony piaskiem i żwirem o różnej granulacji.  Przy zawartości w wodzie manganu konieczne będzie podwyższenie pH wody, np. przez dosypanie do złoża prażonego dolomitu (skała magnezowa). 
            Przepływ wody w złożu prowadzony jest z góry na dół, po całkowitym wypełnieniu, złoże poddawane jest płukaniu wodą lub wodą i powietrzem. Proces płukania wymaga odwrotnego przepływu wody z dołu do góry. Następuje w tym wypadku tzw. ekspansja złoża, ziarna piaski i żwiru zostają uniesione do góry uwalniając nagromadzony osad. Aby nie dopuścić do wypłukiwania wraz z osadami samego złoża, proces musi być prowadzony z odpowiednią prędkością, samo złoże nie może też wypełniać w stanie suchym więcej niż 50% zbiornika.
            Proces płukania może być prowadzony ręcznie lub automatycznie. To drugie rozwiązanie wymaga zakupu głowicy sterującej. Głowice umożliwiają ustawienie procesu płukania na dowolną porę dnia, tak aby nie kolidowało to z korzystaniem z przyborów. Fabryczne ustawienie większości urządzeń przeprowadza płukanie pomiędzy 2-3 w nocy. Podczas płukania woda przepływa z obejściem odżelaziacza, tzw. by-passem.
 
Ujęcia z pompą samozasysającą, woda z dużą ilością manganu, odżelazianie wody wodociągowej
 
            We wszystkich powyższych przypadkach usuwanie żelaza i manganu z wody jest dość kłopotliwe. W instalacjach z pompą samozasysającą mała pojemność zbiornika hydroforowego wyklucza zastosowanie aspiratora (zbyt krótki czas kontaktu wody z powietrzem). Podobny problem spotkamy przy uzdatnianiu wody wodociągowej wtórnie zanieczyszczonej żelazem (np. pochodzącym z korozji starych przewodów) lub zawierającej żelazo koloidalne.  Przepływ wody w takiej instalacji, pod własnym ciśnieniem sieci uniemożliwia prawidłowe działanie aspiratora (efekt iniekcji w zwężce Venturiego wymaga dużej prędkości przepływu wody, czego nie zapewnia odkręcenie kurka).
Utlenianie związków żelaza i manganu w wodzie wymaga w takich przypadkach zastosowania złóż katalitycznych regenerowanych  nadmanganianem potasu KMnO4. Konieczny jest tutaj dodatkowy zbiornik na nadmanganian i specjalna głowica sterująca do odżelaziacza.
             Jeśli zawartość żelaza jest stosunkowo mała i nie ma ono postaci koloidalnej można zastępczo stosować wymianę jonową.  
 
Odżelaziacze i odmanganiacze butlowe produkowane są o różnych wydajnościach i zastosowaniach.  Chociaż  różnią się nazwą i występują pod różnymi szyldami, zasada działania i budowa są tutaj bardzo zbliżone. Dla użytkownika powinny liczyć się w zasadzie dwa elementy: skład złoża i głowica sterująca. Złoża dobierane są często pod użytkownika i dopasowywane do składu wody z ujęcia, w wielu wypadkach zbudowane są nawet z kilkunastu składników. Dobór procentowy poszczególnych warstw stanowi jednocześnie tajemnicę firmy i jest efektem wieloletnich doświadczeń.  Głowica sterująca odpowiada z kolei za jakość pracy urządzenia. Jeśli jest trwała, popracuje nawet kilkanaście lat, jeśli nie – jej wymianę możemy przeżyć zaraz po okresie gwarancyjnym.
Na rynku dostępne są co najmniej trzy rodzaje głowic:
-          talerzowe (dyskowe) – są najtańsze, ale podatne na zanieczyszczenia
-          tłokowe – posiadają efekt samoczyszczący, są bardziej trwałe od dyskowych,
-          klapowe – najbardziej doskonałe i trwałe, ich wadą jest jednak drogi i skomplikowany serwis.
 
Dobór odżelaziacza
 
            Prowadzi się w oparciu o przewidywany przepływ wody i jej skład (konieczna jest analiza). Odżelaziacze w swojej charakterystyce mają  podaną pojemność redukcyjną żelaza   w g Fe, określającą maksymalną ilość jonów żelaza jaką są w stanie zatrzymać w złożu. Wartość 15,0 g Fe oznacza np., że odżelaziacz może przefiltrować do 15000 litrów wody o zawartości 1 mg Fe/l pomiędzy dwoma regeneracjami. Przy dziennym zużyciu wody w domu rzędu 200 l i zawartości żelaza 3 mg/l oraz manganu 1 mg/l, dobór prowadzi się następująco:
-          przeliczeniowa zawartość żelaza = 3 + 2x1 = 5 mg/l (mangan liczy się podwójnie)
-          dobowa ilość żelaza = 200x5 = 1000 mg Fe
-          dobierając filtr o zdolności redukcyjnej 15 g Fe trzeba będzie zaprogramować regenerację raz na dwa tygodnie (w praktyce lepiej jest nawet ten okres skrócić).
Powyższy dobór jest oczywiście dużym przybliżeniem nie uwzględniającym wszystkich parametrów ujęcia. Warto też zauważyć, że maksymalny odstęp pomiędzy regeneracjami nie powinien być dłuższy niż 14 dni. Sztuczne wydłużanie tego okresu (np. w związku z mniejszym zużyciem wody) jest niekorzystne dla złoża i może powodować jego sklejanie. Utrudnia to późniejszą ekspansję przy płukaniu.
Popłuczyny – duży problem
            Ścieki po płukaniu odżelaziacza są bardzo mocno zanieczyszczone, przy urządzeniach regenerowanych nadmanganianem są dodatkowo szkodliwe dla procesów biologicznego oczyszczania. Bezpośrednio odprowadzanie ich do kanalizacji jest dużym błędem, rury dość szybko ulegną zamuleniu, pokrywając się twardymi, trudnymi do usunięcia osadami. W warunkiem własnej działki możemy praktycznie rozważać dwa rozwiązania:
-          osadnik zanieczyszczeń (odmulacz) na przewodzie kanalizacyjnym
-          studnia chłonna.
  W obu wypadkach konieczne będzie okresowe usuwanie osadów, przez ich wybranie (osadnik) lub usunięcie wierzchniej warstwy żwiru (studnia chłonna).

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});