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
|