При уровне установленного Всемирной организацией здравоохранения переносимого суточного потребления (ПСП) железа, равном 0,8 мг/кг массы тела человека, безопасное для здоровья суммарное содержание железа в воде составляет 2 мг/л. Вместе с тем, есть данные о негативном влиянии железа на организм в концентрациях уже выше 0,3 мг/л. Безусловно, в больших количествах железо, как и любое другое химическое вещество, способно вызвать в организме человека нарушения и даже патологии. Повышенное содержание железа в питьевой воде вредно для здоровья человека: оно увеличивает риск аллергических реакций, инфарктов и негативного влияния на репродуктивную функцию организма. При продолжительном введении железа в организм его избыток накапливается в печени в коллоидной форме оксида железа, получившей название гемосидерина, который вредно действует на клетки печени, вызывая их разрушение. Гемосидерин образуется при распаде гемоглобина и последующей денатурации и депротеинизации белка ферритина, отвечающего за хранение железа в организме. Исходя из вышесказанного, воду с повышенным содержанием железа рекомендуется обезжелезивать.Методы обезжелезивания водыЖелезо в воде может содержаться в трех видах: неорганическое двухвалентное; неорганическое трехвалентное, органическое и коллоидное. Метод обезжелезивания напрямую зависит от типа железа в воде и его количества. Остановимся на каждом методе более подробно. Самый простой случай — это трехвалентное неорганическое железо в воде Fe3+, вступающее в реакцию c ОНгруппой, образуя нерастворимые основания Fe(OH)3, которые выпадают в осадок. Для удаления такого железа используют методы:1. Для бытовых систем (производительностью до 500 л/ч) — фильтрование через пористую перегородку, то есть картриджное фильтрование. В этом случае гидроксид железа остается на поверхности картриджа. В зависимости от количества железа такие картриджи следует менять по мере загрязнения.2. Для систем производительностью более 500 л/ч — фильтрование на скорых фильтрах через песок. В этом случае гидроксид железа задерживается на песчинках и смывается в канализацию во время промывки.Следующий по сложности случай — это органическое1 и коллоидное2 железо. Железо в такой форме чрезвычайно устойчиво и не окисляется кислородом воздуха. В зависимости от производительности применяют такие методы:1. Для бытовых систем (производительностью до 500 л/ч) — фильтрование через мембрану. Производительность микрофильтрационной мембраны достаточно высока для того, чтобы давление в водопроводе не падало (то есть нет необходимости ставить дополнительный гидропневмобак), но в то же время эффективно задерживает на своей поверхности коллоидное железо. По мере загрязнения мембраны, железо с ее поверхности можно удалить механически или просто поменять мембрану.2. Для более серьезных систем необходима комбинация трех составляющих (рис. 1а): сначала — дозирование окислителя, затем поставить песчаный фильтр (как при удалении Fe3+), после чего поставить угольный фильтр для сорбирования остаточного хлора. В качестве окислителя чаще всего используется гипохлорит натрия NaClO, который является сильнейшим окислителем за счет своего строения: NaClO = NaCl + [O] — такой кислород и разрушает устойчивое органическое соединение железа, после чего железо становится обычным Fe3+ и легко осаждается на поверхности песка. И, наконец, самая интересная ситуация — это двухвалентное неорганическое железо Fe2+. Общий принцип удаления Fe2+ — это его окисление до Fe3+ и последующее удаление путем осаждения. В зависимости от производительности и конструктивных особенностей помещения применяются следующие виды окисления:1. Окисление кислородом воздуха (аэрирование):а. безнапорное окисление — вода в открытой емкости (рис. 1б) находится достаточное для окисления время;б. с помощью эжектора — эжектор, установленный прямо в трубопровод, засасывает воздух, работая по принципу трубы Вентури: в точке перехода с маленького диаметра трубки на большой образуется зона пониженного давления, изза которого происходит засасывание атмосферного воздуха через специальный клапан;в. напорная аэрация — воздух с помощью компрессора подается через тройник в трубопровод, после чего водовоздушная смесь направляется в аэрационную колонну, в которой происходит окисление Fe2+ в Fe3+ и частичное осаждение Fe3+ на стенках колонны (рис. 2a).2. Окисление озоном (озонирование). Озон является очень сильным окислителем благодаря своему строению и нестабильному состоянию: он мгновенно распадается до устойчивой молекулы кислорода О2 и нестабильному атомарному кислороду (О3 = О2 + [O]), который тут же вступает в контакт с железом и окисляет его. Поэтому озон невозможно приготовить заранее, его производят в специальных озонаторах прямо перед колонной обезжелезивания (рис. 2б).3. Окисление гипохлоритом натрия (так же, как при удалении органического железа, (рис. 1a), метод применяется при больших превышениях железа.4. Каталитическое окисление — окисление железа на поверхности гранул, обработанных окислителем. Эти гранулы засыпаются в колонну обезжелезивания вместо песка и могут использовать как самостоятельно, так и после аэрации (в зависимости от вида загрузки).Каталитическое окислениежелеза в водеСущность методаВ основе метода лежит напорная фильтрация воды через слой каталитической загрузки, в результате чего часть примесей, в том числе железо, оседает на частицах загрузки. Извлечение примесей из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, накапливающийся в загрузке из задержанных примесей, имеет весьма непрочную структуру. Под влиянием гидродинамических сил потока эта структура разрушается, и некоторая часть ранее прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (процесс носит название «суффозия», от лат. suffosio — подкапывание), где вновь задерживается в поровых каналах. Следовательно, фильтрацию воды в зернистой загрузке следует рассматривать как суммарный результат двух противоположных процессов: адгезии и суффозии. По мере накопления осадка в загрузке явление отрыва ранее прилипших частиц начинает проявляться все более заметно. Затем наступает такой момент, когда вся толщина загрузки уже насыщена примесями из воды. Время, в течение которого загрузка способна осветлять воду до требуемой степени, называется временем защитного действия загрузки.Роль катализаторав процессе обезжелезиванияКак мы знаем из курса химии, катализатор — это вещество, ускоряющее процесс, но само не вступающее в реакцию. Поэтому, строго говоря, каталитическое обезжелезивание можно было бы перевести как «ускоренное обезжелезивание». Роль каталитической загрузки заключается в следующем:1. Поверхность для окисления. Как правило, в воду предварительно, до фильтра с каталитической загрузкой уже добавляется кислород воздуха (или окислитель), но для того, чтобы все примеси окислились, необходимо определенное время. Поэтому роль любой загрузки в процессе обезжелезивания — предоставление поверхности, за которую железо могло бы «зацепиться» и доокислиться до состояния Fe3+.Несмотря на разнообразие каталитических загрузок, все гранулы имеют одинаковый принцип строения: твердая основа и катализатор, нанесенный на эту основу.В качестве первой составляющей, т.е. твердой основы можно использовать практически любой твердый, износостойкий, инертный материал. Как правило, это какаялибо порода, слабо подверженная истиранию и инертна по отношению к примесям в воде.Чем более развита поверхность твердой основы (чем больше пористость материала), тем больше окисленного железа сможет осесть на этой поверхности. Для того, чтобы поверхность основы была более развитой, т.е. обладала большей площадью при том же размере частиц, основу иногда прокаливают (например, как загрузку МЖФ), за счет этого внутри основы становится больше пор.2. Доокисление железа за счет веществ, нанесенных на поверхность твердой основы, в этом случае происходит следующая реакция:4Fe2+ + 2[O] + 8НСО3– + 2Н2О == 4Fe(ОН)3 + 8СО2.Кроме слоя катализатора, на зернах фильтрующей загрузки формируется адсорбционнокаталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде). Эта пленка выступает как дополнительный катализатор и повышает эффективность процессов обезжелезивания.Очень важным моментом является состав катализатора (вещества, нанесенного на твердую основу). Точная формула катализатора и метод его нанесения — секрет фирмыпроизводителя, однако основу его обычно составляют оксиды марганца, которые и окисляют железо до трехвалентного состояния. Регенерация может производиться двумя путями:а. обратным ходом воды (которая просто смывает отложившиеся гидроксиды железа) — например, Birm, «МЖФ», «МФО47»;б. перманганатом калия KMnO4 (в этом случае происходит восстановление оксидов марганца) — например, Manganese Greensand:4Fe(HCO3)2 + 3MnO2 + 2H2O == 4Fe(OH)3 + MnO + Mn2O3 + 8CO2.3MnO + 2KMnO4 + H2O == 5MnO2 + 2KOH,3Mn2O3 + 2KMnO4 + H2O == 8MnO2 + 2KOH.3. Смещение кислотнощелочного баланса рН в щелочную сторону. При смещении равновесия в щелочную сторону (pH > 7) железо переходит в трехвалентное состояние, что нам и требуется. В результате получается, что железо само переходит в окисленное состояние и выпадает в осадок.Сложность в данном случае заключается в том, что при переходе железа в окисленную форму рН среды надо подщелачивать, что и делает большинство катализаторов.Наиболее распространенные каталитические загрузкиСейчас известно большое количество каталитических загрузок как импортного, так и отечественного производства. Расскажем о наиболее распространенных.Manganese Greensand (MGS)Эта загрузка представляет собой марганцевый цеолит, полученный при обработке природного минерала глауконита, известного больше как «зеленый песок» (Greensand). Продукт содержит SiO2, Fe2O3, Al2O3, K2O, MgO, MnO2. Активная составляющая марганцевого цеолита — оксид марганца MnO2. Эффективно удаляет из природной воды железо, марганец и сероводород. В результате реакции, происходящей на поверхности лиловочерных гранул Greensand, растворимые соли марганца, железа и сероводород окисляются до нерастворимых форм и задерживаются в слое фильтрующей среды. После пропуска определенного количества исходной воды, другими словами, после исчерпания окислительной емкости, Greensand регенерируется перманганатом калия. При этом Greensand может применяться в двух различных технологиях: с периодической или непрерывной регенерацией. Выбор технологии зависит от уровня концентрации марганца и железа в исходной воде.Кроме своих каталитических свойств, Greensand обладает уникальными особенностями, позволяющими ему максимально утилизировать окисляющие агенты, такие как перманганат калия, хлор или растворенный кислород, что приводит к увеличению как скорости, так и полноты окислительных реакций. BirmЧерные гранулы Birm применяется для эффективного и недорогого удаления растворенного железа из исходной воды. Birm действует как нерастворимый катализатор, ускоряющий реакцию между растворенным в воде кислородом и содержащимся в воде двухвалентным железом. Двухвалентное железо присутствует в грунтовых водах в растворенном состоянии и поэтому не поддается механической фильтрации. Выступая как катализатор, Birm способствует окислению двухвалентного железа до трехвалентного. В результате образуются нерастворимые частички гидроокиси железа (ржавчины), довольно легко удерживаемые в слое фильтрующей среды. Физические характеристики Birm делают данную фильтрующую среду весьма эффективной для удаления растворенного железа при соблюдении правильных режимов эксплуатации. Birm легко очищается от задержанных веществ при обратной промывке, что делает его применение экономически эффективным. При его применении не требуется специального обслуживания, не используется регенерация химическими веществами, а необходима лишь периодическая обратная промывка.Birm удаляет из воды до 5 мг/л железа. Используя Birm для удаления железа важно, чтобы в воде не было масла, сероводорода, чтобы органические вещества не превышали 4–5 мг/л, чтобы доля растворенного кислорода была не менее 15 % больше доли железа, а pH — 6,8 или больше. Если уровень pH меньше 6,8, необходимо сделать коррекцию уровня pH. Низкий уровень растворенного кислорода может быть поднят дополнительной аэрацией. Хлорирование снижает активность Birm, поэтому дозировка должна быть минимальной.Birm может быть использован при удалении марганца с такой же надежностью, как и при процессе удаления железа. Но для достижения лучших результатов уровень pH должен быть 8,0–9,0. Если в воде есть железо, уровень pH должен быть ниже 8,5. Высокий уровень pH может вызвать образование коллоидного железа, которое трудно вымывается. Другие условия удаления марганца те же самые, что и для удаления железа.Birm бывает стандартный и мелкий. Стандартный рекомендуется для промышленных, муниципальных и большинства домашних установок. Мелкий рекомендуется для домашних установок, где возможность промывки ограничена.AGMNФильтрующая среда AGMN используется для каталитического окисления и удаления железа, марганца и сероводорода. Представляет собой искусственный поверхностнопористый зернистый сорбент, обладающий каталитическими и окислительными свойствами с подщелачивающим эффектом. К достоинствам AGMN можно отнести отсутствие необходимости коррекции pH обрабатываемой воды. AGMN обладает подщелачивающим эффектом и активнее других материалов удаляет марганец.«МЖФ»Гранулированный материал «МЖФ» обладает каталитической активностью в реакциях окисления железа и марганца растворенными в воде окислителями кислородом, озоном, перманганатом калия или гипохлоритом натрия. «МЖФ» эффективно удаляет растворенные в воде железо с концентрацией до 50 мг/л и марганец с концентрацией до 2 мг/л при значениях рН ниже 6,0, низкой щелочности и высоком содержании углекислоты. «МЖФ» стабильно поддерживает рН отфильтрованной воды в общепринятом для питьевой воды диапазоне — 6,5–8,5. «МЖФ» не чувствителен к анионному фону, удаляет из воды сероводород, не слеживается даже при 100 % заполнении межзернового пространства продуктами гидролиза.«МФО47»Зернистый фильтрующий материал природного происхождения «МФО47» предназначен для доочистки воды от железа и марганца в бытовых системах очистки воды, устанавливаемых в городских квартирах и загородных домах. Он также может использоваться в качестве фильтрующего материала в водоочистных сооружениях муниципальных станций водоподготовки, станций водоподготовки промышленных предприятий, котельных и других объектов хозяйственной деятельности. Загрузка прошла санитарноэпидемиологическую экспертизу в Федеральном государственном унитарном предприятии (ФГУП) «Экспертиза» в г. Москве. Проведены тестовые испытания на ряде объектов в Томской области, начато практическое использование и в других областях. Значение максимальной общей емкости фильтрующего материала «МФО47» составляет от 1,2 до 2,5 г на 1 л загрузки, т.е. 1 л загрузки задерживает от 1,2 до 2,5 г железа и/или марганца, после чего необходима обратная промывка. Ее величина зависит от состава исходной воды, причем не только от абсолютных концентраций металлов, но и от соотношения Mn/Fe, а также от выбранного режима эксплуатации, например от способа подачи воздуха, и соответственно от содержания кислорода в потоке, и именно этими параметрами определяется периодичность промывки загрузки в процессе эксплуатации.CentaurCentaur 12?40 — битуминозный гранулированный активированный уголь с каталитическими свойствами, который производится по запатентованной технологии. Centaur применяется для удаления хлораминов, железа, сероводорода из воды. Железо и марганец удаляются по тому же механизму, что и в случае с Birm, но, в дополнение к этому, происходит удаление сероводорода. При содержании сероводорода (Н2S) в очищаемой воде 1 мг/л, 3,8 кг активированного угля Centaur очищает до 4000 м3 воды. Кроме того, на эффективность работы Centaur не влияет присутствие органических веществ и нефтепродуктов. Регенерация этой загрузки производится без реагентов, при помощи промывки обратным током воды.«ФЕОКС»Сорбент «Феокс» производится из природного сырья путем модификации его поверхности марганцем. Внешний вид — пористый (негранулированный) материал, цвет — желтосерый. «Феокс» является эффективным и экономичным адсорбентомкатализатором для удаления растворенного, коллоидного железа и марганца из природных вод путем фильтрационной очистки, действует как нерастворимый катализатор между кислородом и соединениями железа, вызывая окислительную реакцию Fe2+ ?? Fe3+ с получением Fe(ОН)3, который эффективно осаждается и фильтруется. «Феокс» легко и эффективно очищается обратной промывкой, что позволяет удалять отфильтрованный осадок. «Феокс» может быть использован для удаления растворенных в воде солей марганца при небольших количествах железа, при этом вода должна иметь рН в диапазоне 8,6–8,9. Если вода содержит много железа, то рН будет ниже. Высокие требования рН связаны с возможностью образования коллоидного железа, которое трудно отфильтровывается. При использовании «Феокс» необходимо помнить, что хлорирование воды увеличивает активность «Феокс», а при малой концентрации растворенного кислорода воду необходимо предварительно аэрировать.«МТМ»Каталитический материал «МТМ» обеспечивает комплексное удаление из воды соединений железа, марганца и сероводорода. Его активное покрытие окисляет и осаждает растворимые железо и марганец. Сероводород окисляется до сульфатов. Обезжелезивание на каталитическом материале «МТМ» применяется, если часть железа в воде находится в растворимой двухвалентной форме, и для удаления железа из воды необходимо предварительно его доокислить, но в воде недостаточно кислорода, либо по иным характеристикам воды материал типа Birm не может быть использован. Каталитический материал «МТМ» требует регенерации сильным окислителем. Для поддержания окислительной способности каталитического материала возможно непрерывное дозирование окислителя перед установкой фильтрации либо периодическая регенерация окислителем.«КДМ»Частицы гранулированного сплава КДМ содержат магний, алюминий и др., покрытые соединениями переходных металлов. Загрузка не требует коррекции рН исходной воды. За счет использования КДМ резко увеличивается скорость окисления железа Fe2+ за счет локального защелачивания воды на поверхности частиц в результате электрохимической коррозии сплава. КДМ снижает содержание марганца и ионов тяжелых металлов, неорганического фтора (фторидионов), уменьшает карбонатную жесткость, а также цветность воды, обусловленную гуминовыми кислотами. Загрузка не требует регенерации. Обычно КДМ используется в комбинации с кварцевым песком или «черным песком» определенного гранулометрического состава.«МХС»Новый отечественный медьсодержащий химический сорбент «МХС» состоит из инертной основы (кварцевый песок, фильтрагрегат, керамзит или др.) и оболочки, содержащей двуокись марганца и соединения меди, обладающие бактерицидными свойствами. «МХС» связывает и окисляет сероводород и растворимые сульфиды. «МХС» не требует химической регенерации, обладает дехлорирующим эффектом.«КП1»Частицы модифицированной зернистой загрузки «КП1» состоят из инертной основы (фильтрагрегат, сульфоуголь, кварцевый или глауконитовый песок, керамзит или др.), покрытой тонкой пленкой двуокиси марганца и соединений меди. «КП1» эффективно удаляет железо и сероводород в результате окисления и хемосорбции, обладает высокой грязеемкостью, не слеживается. Регенерация «КП1» производится раствором перманганата калия.BewacleanМинеральный реагент кремового цвета Bewaclean соединяет традиционную, недорогую технологию обезжелезивания — без добавления химических регенерирующих субстанций, с надежностью каталитичных веществ. Bewaclean может использоваться (в композиции с другими при очистке вод с низким показателем рН и большим содержанием железа и марганца (Fe — до 10 мг/л, Mn — до 2 мг/л). Bewaclean может быть также использован для понижения кислотности вод, удаления агрессивного СО2, а также нейтрализации кислотных стоков. Дополнительная функция этого реагента — обогащение воды магнием, который является жизненно необходимым элементом для человека, повышающим сопротивляемость стрессу и ограничивающим усваиваемость тяжелых металлов.PiroloxФильтрующий материал Pirolox характеризуется расходом реагента 5–25 г на кубометр очищенной воды. Pirolox имеет очень сильные окислительные свойства и удаляет железо при любых его концентрациях в воде. Фильтрующий материал не реагирует на содержание сероводорода и органики. Pirolox можно применять совместно с другими реагентами, не требующими регенерации. Регенерация реагента не требуется. ? 1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебн. пособие для ВУЗов. — М., Издво МГУ, 1996 г. 2. Журнал «Сантехника», №5/2002. 3. water.ru, ecopribor.ru, promwater.ru, components.mrfilter.ru, glavi.com.ua, cverad.ru, hte.ru, witarus.ru,litopt.ru, www.ozonvoda.ru