Способы и оборудование для обезжелезивания воды из скважины

В индивидуальном водоснабжении основной способ получения воды – подъем из скважин различной глубины, при этом нередко приходится решать проблемы, связанные с ее загрязнением окислами металлов. Наиболее часто в водном составе встречается железо, оказывающее негативное воздействие как на здоровье, так и на сантехническое, водонагревательное оборудование в доме, поэтому обезжелезивание воды из скважины – актуальная задача для многих домовладельцев автономных водоснабжающих систем.

Скважинная вода может иметь различные примеси железа и их концентрацию, от ее состава зависит вид используемых технологий водоочистки. Потребитель, столкнувшийся с загрязненной водой, обязан сделать ее химический анализ в лаборатории, а затем, исходя из полученных данных, решать, как обезжелезить воду из скважины.

Рис. 1 Бытовое оборудование для обезжелезивания

Нормы железа в воде и его разновидности

Для организация автономного водоснабжения домов используют бытовые скважины, глубина которых может достигать 200 м. Обсадная колонна глубинных (артезианских) источников доходит до известковой породы и опирается на нее, поднятая наверх вода имеет кристально чистый вид без примесей песка и глины.

Однако в большинстве случаев артезианские скважины из-за высокого давления пластов земли на водные бассейны, из которых производят водозабор, дают воду с высокой минерализацией. В ней могут содержаться сероводород, оксиды калия, марганца и железа. Последний элемент встречается чаще других в высокой концентрации и оказывает наиболее негативный эффект на технические характеристики и экологическую чистоту воды.

Иногда железо попадается и в менее глубоких скважинных источниках на песке или в воде колодца, однако в большинстве подобных случаев его процент существенно ниже, чем в артезианских скважинах, а методы водоочистки могут быть совершенно другими.

Установленные санитарными службами нормы не допускают использование для питьевых нужд воды с содержанием железа более 0,3 мг на литр. При превышении этого норматива требуется очистка воды от железа по одной из нескольких технологий в зависимости от концентрации и химической формулы металла.

При бытовом водозаборе из артезианских скважин, пробуренных на даче или территории индивидуального коттеджа, потребитель может столкнуться со следующими формами железа в составе воды:

Двухвалентное. Свободное двухвалентное железо Fe2+ полностью водорастворимо, поэтому его присутствие нельзя определить визуально, критерием может быть запах и вкус воды. После отстаивания растворимый Fe2+ в результате химической реакции с кислородом, содержащимся в атмосферном воздухе, превращается в нерастворимый трехвалентный оксид железа Fe3+.

При водоочистке учитывают растворимость двухвалентного Fe2+ и не очищают такую воду механическими методами. Ряд технологий очистки воды от железа из скважины состоит в интенсивном насыщении водных масс кислородом до преобразования металла в растворимый осадок и затем их дальнейшей фильтрации.

Рис. 2 Внешний вид воды с железом

Трехвалентное. Как было указано выше, трехвалентное железо Fe3+ образуется после окисления двухвалентного, оно придает воде рыжеватый цвет и оставляет налет на сантехническом оборудовании и посуде. Обычно избавиться от рыжего цвета удается при помощи проточных угольных фильтров.

Существуют и другие формы железа, присутствующие в воде в виде взвесей: бикарбонат Fe(HCO₃)₂, карбонат FeCO₃, сульфид FeS и сульфат FeSO₄ железа, однако эти соединения нечасто встречаются в артезианках, имеют низкую концентрацию и отфильтровываются при любых способах водоочистки.

Визуально, по запаху и вкусу, определить наличие перечисленных реагентов в воде невозможно из-за их невысокого процентного содержания, искомые данные получают лабораторным путем после проведения химического анализа взятой пробы.

Ржавчина Fe(OH)3. Общеизвестная ржавчина образуется в результате взаимодействия воды с железом, содержащимся в сплавах (сталь), на открытом воздухе, она состоит из трехвалентного оксида железа Fe₂O₃ и метагидроксида Fe(OH)₃. Так как соединения в составе ржавчины водонерастворимы, она легко отделяются механическими фильтрами в результате водоочистки.

Коллоидное. Коллоидное железо органического происхождения находится в воде в виде очень мелких взвешенных частиц размером не более 0,1 мкм, оно не поддается отстаиванию и удалению бытовыми угольными водоочистными фильтрами. Очистить водную среду от столь мелких коллоидных фракций можно лишь при использовании установки обратного осмоса.

Бактериальное. Данные соединения в водной среде связаны с присутствием колоний бактерий, превращающих в процессе своей жизнедеятельности двухвалентного нерастворимую форму Fe2+ в трехвалентную. Бактерии образуют на водной поверхности плотную радужную пленку, придают структуре воды вязкость, делают ее непригодной для питья из-за неприятного запаха и плохого вкуса. Как и в случае с Fe3+, водоочистка от нерастворимого бактериального железа может быть проведена с использованием бытовых механических фильтров.

Рис. 3 Последствия использования воды с повышенной концентрацией железа

Вред железа в воде из скважины

Чтобы понять, для чего нужны фильтры для обезжелезивания воды из скважины, следует рассмотреть негативные факторы наличия в скважинном источнике железа. Если в воде много железа, при ее бытовом использовании:

• Снижаются вкусовые качества воды, она приобретает неприятный железистый привкус и запах.
• Затрудняется стирка и ухудшается ее качество – высокая концентрация железа придает воде жесткость и препятствует эффективной работе моющих средств (они не дают пены), а белое белье приобретает желтый оттенок.
• Наносится вред здоровью человека. При регулярном употреблении воды с железом повышенной концентрации, в организме происходит нарушение работы почек и печени, на коже появляется пигментация, желтеют зубы, ломаются волосы, страдает сердечно-сосудистая система – это приводит к общей слабости.
• Жесткую воду с повышенным содержанием железа сложно использовать для качественного принятия водных процедур, в результате страдает личная гигиена человека и это может сказаться на его здоровье.
• Ощутимый удар нерастворимое Fe3+ наносит на все трубопроводы для транспортировки холодной и горячей воды, водопотребляющее и водонагревательное оборудование для дачи и загородного коттеджа. В трубах и приборах образуется шлам, затрудняющий транспортировку рабочей среды.
• Нагревательные элементы стиральных и посудомоечных машин, утюгов, кофеварок, чайников покрываются твердой труднорастворимой коркой оксидов, приводящей к снижению эффективности их работы, перегреву и быстрому выходу из строя.
• Узкие входные каналы автоматики скважинных насосов, сантехнической арматуры и фитингов забиваются шламом, приводящим к засорам и снижающем эффективность работы систем холодного и горячего водоснабжения. В линии снижается напор, уменьшаются объемы водоподачи, нарушается работа автоматики в обвязке водозаборного погружного скважинного электронасоса или насосной станции.
• На поверхности сантехнических приборов, унитазов, ванн, раковин, моек образуется трудновыводимый желтый налет, снижающий эстетичный внешний вид сантехники.

Рис. 4 Влияние повышенного содержание железа на здоровье человека

Принцип работы установок обезжелезивания

Из приведенных выше негативных факторов понятно, что применение в бытовом хозяйстве воды с большим содержанием железа абсолютно неприемлемо как с точки зрения комфортабельного проживания в доме, так и в отношении здоровья жильцов. Поэтому удаление железа из скважинной воды при его повышенной концентрации актуально для большого числа собственников индивидуальных домов с автономным водоснабжением.

Все существующие методы обезжелезивания воды можно разбить на две основные группы:

Безреагентная очистка. Выше было указано, что железо в составе артезианской воды находится в растворенном состоянии (Fe2+) и при взаимодействии с воздухом (точнее с кислородом) переходит в нерастворимую трехвалентное фазу Fe3+, осадок которой далее можно отделить механическими фильтрами.

На этом принципе и построена безреагентная очистка, главной задачей которой является насыщение водных масс воздухом (аэрация) различными способами или кислородом с дальнейшей механической фильтрацией полученного нерастворимого осадка.

Так как процедуру насыщения водной среды кислородом можно проводить с различной интенсивностью и разных объемов в неограниченных временных интервалах, технологию используют при очень высоком содержании железа в воде более 3 миллиграмм на литр.

Реагентное обезжелезивание. Данная технология водоочистки и обезжелезивание воды из скважины заключается в использовании химических препаратов, каталитических или ионообменных засыпок, с которыми железо, содержащееся в воде, вступает в каталитическую, химическую или ионообменную реакцию. Результатом взаимодействия растворенного Fe2+ с химическими реагентами является получение нерастворимого трехвалентного осадка, при использовании ионообменных смол оксиды железа замещают ионы на поверхности гранул и затем смываются солевым раствором.

Рис. 5 Вариант схемы применения скважинных водоотстойников

Обезжелезивание воды из скважины безреагентными методами

При реализации безреагентного обезжелезивания основной расходной составляющей является электроэнергия, запитывающая рабочее оборудование.

Следует отметить, что название безреагентный не полностью соответствует действительности, чтобы окончательно убрать из воды нерастворимый осадок Fe₂O₃ и остатки Fe2+, используют специальные водоочистные каталитические (ускоряющие процесс окисления и повышающие эффективность фильтрации) колонны с засыпками и угольные фильтры.

Установки отличаются экологической чистотой, не ухудшают химический состав водной среды, большинство из них просты в работе и обслуживании.

Отстаивание

Проще всего провести обезжелезивание воды из скважины своими руками без существенных финансовых затрат на оборудование и электроэнергию – поместить одну или несколько крупногабаритных емкостей на улице и отстаивать в них водные массы. Для того, чтобы отстаивание происходило с наилучшей эффективностью, площадь контакта воды с воздухом должна быть как можно больше – это требует применения значительных по объему емкостей.

Понятно, что данную технологию нельзя использовать зимой, сама процедура получения нерастворимого осадка занимает длительный временной интервал и требует наличия емкости большой поверхностной площади, которую сложно разместить в доме, а на улице ставить непрактично.

Повысить эффективность работы системы отстаивания можно, подавая воду в резервуар не напрямую, а разбрызгиванием до мелкодисперсного состояния в виде водного тумана.

Рис. 6 Принцип работы и конструктивное устройство фильтрующих аэрационной и колонны обезжелезивания

Компрессорная аэрация

Принцип работы простейшей установки аэрирования при помощи компрессора довольно прост: в емкость с очищаемой водой опускают трубопровод с отверстиями, через который компрессор нагнетает воздух. Водная среда взаимодействует с воздушным потоком, насыщается кислородом, растворимое железо переходит в трехвалентное и выпадает в осадок. Очищенная вода методом перелива поступает в другую емкость и оттуда откачивается или отводится из поверхностных слоев на доочистные фильтры.

Типовая бытовая система компрессорного обезжелезивания заводского изготовления состоит из:

• компрессора, нагнетающего воздух в емкость;
• аэрационной колонны, в которой производится насыщение водных масс кислородом;
• колонны обезжелезивания с механическим фильтром, где происходит доокисление и отделение нерастворимого осадка;
• угольного фильтра доочистки, отсеивающего остаточные взвеси нерастворимых окислов железа.
• автоматического блока управления, осуществляющего периодическую откачку нерастворимого шлама из колонны обезжелезивания в канализацию.

Следует отметить, что монтаж аэрационных систем наиболее прост и менее затратен при создании установок обезжелезивания своими руками.

Рис.7 Схемы установок с компрессорной очисткой

Эжекторное аэрирование

Метод эффективен при концентрации железа в воде не более 2 мг на литр, основными составляющими эжекторной установки являются воздухозаборный узел и колонна обезжелезивания.

Система работает по следующему принципу: в смесительный узел с эжектором, расположенным снаружи или в блоке автоматики на колонне обезжелезивания, поступает вода и атмосферный воздух под давлением. В эжекторе происходит рассеивание водного потока и смешивание его с воздушными массами – в результате насыщение кислородом мелкодисперсных водяных взвесей происходит с более высокой интенсивностью, чем при аэрировании.

Далее обезжелезивание воды из скважины происходит по вышеизложенной технологии – очищенная вода с нерастворимым осадком отправляется в колонну обезжелезивания и затем на угольный фильтр доочистки. Жидкость со шламом периодически сливается из колонны в канализацию по заложенной в систему автоматики программе.

Рис. 8 Принцип работы эжектора и схема эжекторной установки

Электролиз

Принцип водочистки электролизными установками состоит в разложении содержащихся в воде примесей под воздействием электрического тока на активные окислители – кислород, водород, гидроксид иона ОН, хлор, озон. Активные химические вещества вступают в реакцию с водорастворимым двухвалентным железом, которое превращается в трехвалентное и затем выпадает в шлам.

Электролизные установки (электролизеры) подходят для очистки воды с концентрацией железа не более 3 мг на литр, СНиП 2.04.02-84 рекомендует использовать электролиз при концентрации хлора в водном объеме не менее 20 мг/л.

Электролиз используется в промышленной водоочистке и практически не применяются в быту из-за высокого энергопотребления 0,2 кВт/м³, необходимости введения в водный состав дополнительных веществ (хлорсодержащих компонентов), дающих активные реагенты при электролитическом разложении.

Рис. 9 Принцип работы промышленной установки проточной электролиза воды УПЭВ

Озонирование

Установки озонирования позволяют получать трехвалентный кислород О₃, являющийся намного более активным окислителем, чем обычный двухвалентный О₂.

Установки имеют различную конструкцию, их главными узлами являются озонатор, вырабатывающий озон, смесительный резервуар, в котором озон вступает в реакцию, преобразуя двухвалентное железо в воде из скважины в нерастворимое. Очищенные водные массы доочищаются в угольном фильтре, а накопленный в емкости шлам отправляют в канализацию.

Дополнительным преимуществом системы озонирования является дезинфекция и уничтожение бактерий, осветление воды и улучшение ее вкуса, получение в результате реакции свободного кислорода.

К недостаткам относят высокую стоимость установок, повышенную взрывоопасность, требующую применения строгих мер безопасности, сложность конструкции, вызывающую необходимость присутствия специалистов для обслуживания и ремонта оборудования.

Рис. 10 Схемы установок озонирования

Реагентное обезжелезивание

Основой данного разряда технологий служат реагенты, вступающие в каталитическое, химическое или ионообменное взаимодействие с растворенным в воде железом. Полученный в результате реакций осадок обычно смывают в канализацию обратной промывкой, за управление всеми процессами отвечает автоматика.

Каталитический метод

В основе действия данной технологии лежит принцип ускоренного химического преобразования растворимого железа каталитическим реагентами, после которого оно переходит в нерастворимое состояние. Обычно реакция происходит в колонне обезжелезивания заводского изготовления, в нее засыпают специальную насыпку и помещают на входное отверстие блок автоматики, отвечающий за дренажирование (слив осадка в канализацию) установки.

При реализации данного метода используют каталитические окислители двухвалентного железа (глауконит, доломит, цеолит), один из наиболее популярных компонентов – пиролюзит, представляющий собой диоксид марганца MnO₂.

Для использования пиролюзита в колонну насыпают засыпку с дополнительными сорбентами, выполняющими роль удерживающих осадок гранул. При дальнейшей эксплуатации резервуара в режиме прочистки нерастворимый осадок, удерживаемый на поверхности сорбента, удаляют из колонны после взбаламучивая воды и подъема засыпок наверх.

На низ колонны обезжелезивания обычно помещают мелкую окатанную щебенку с округлыми гранями, далее насыпают тяжелый сорбент, пиролюзит и затем более легкий сорбент, после промывки все компоненты перемешиваются и занимают свои места в зависимости от массы и плотности.

Применение каталитического пероксида MnO₂ (входит в состав засыпок BIRM, МЖФ, МСК, Pyrolox, Сорбент МС, Greensand Plus) в колонне эффективно при следующих показателях: объемы прокачки до 2 м³/час, отсутствие сероводорода, содержание железа в воде не более 2 мл на 1 литр.

Пиролюзит эффективно удаляет железо, марганец, сероводород, органические примеси, срок жизни промывочного состава составляет 3 – 5 лет.

Конструктивно установка для каталитической очистки представляет собой колонну, в которую засыпают гравийную подушку, катализатор и сорбенты, ставят отдельный угольный фильтр на выходе. Систему оснащают дренажным трубопроводом и обычно дополняют входным фильтром грубой очистки.

Статья по теме:

Вода из скважины пахнет сероводородом, что делать – причины и способы это исправить. Читаете про обезжелезивание воды из скважины, а вода из скважины воняет тухлыми яйцами, то это означает, что в воде высокое содержание сероводорода, как избавиться от это читайте в отдельной статье.

Рис. 11 Схема бытовой станции с установками аэрирования, каталитического обезжелезивания и умягчения воды

Ионообменные смолы

Применяемые системы водоочистки с использованием ионообменных (катионных и анионных) смол работают по следующему принципу: отрицательные заряды (катиониты) на поверхности гранул смол при нахождении в обычной нейтральной воде уравновешиваются ее положительными зарядами. При прохождении через смолы водного потока с ионами металлов, положительные заряды на поверхности гранул замещаются более активными в ионах калия, марганца и железа, которые остаются вместе с металлами на их поверхности.

Если по истечении некоторого времени вместо очищаемой воды на поверхность гранул ионообменных смол попадает солевой состав хлорида натрия NaCl, реагент замещает притянутые ионы металлов. При промывке они сливаются в канализацию, затем вымываются соли и после проведенной регенерации ионообменная смола снова готова к работе.

Рис. 12 Стоимость химических реагентов, каталитических и ионообменных засыпок

Следует отметить, что ионообменные смолы применяют в основном для умягчения воды, то есть для удаления из ее состава ионов кальция Ca2+ и магния Mg2+, их эффективно использовать при относительно небольшой концентрации водорастворимого Fe2+ оптимальным содержанием 1 – 2 мл на литр и до 10 градусов жесткости (мг-экв/л) водной среды.

Производители выпускают как реагенты только для умягчения воды, так и комплексные препараты, содержащие универсальные смолы для обезжелезивания и умягчения воды или одновременно нейтрализующие соли жесткости, железо и органику, популярные марки засыпок – Экотар, Экомикс, FeroSoft, АПТ-2, Ionofer.

Смолы не работают с сероводородом, с их помощью можно убрать только двухвалентное железо и все ионы растворимых металлов, полученная вода из-за высокой мягкости обычно нуждается в минерализации.

В состав станции водоочистки с использованием смол обязательно входит колонна с ионообменным фильтром и солевой бак, на выходе обычно устанавливают угольный фильтр. Нередко система умягчения воды с ионообменными смолами используется как дополнительная ступень водоочистки, в этом случае перед ней ставят аэрационную и (или) колонну обезжелезивания, нейтрализующие повышенную концентрацию Fe2+ в воде.

Рис. 13 Установки с ионообменными смолами в составе станции комплексной водоочистки

Обезжелезивание химическими окислителями

Даже обычному пользователю хорошо известны химические реагенты, являющиеся сильными окислителями, многие неоднократно сталкивались в быту с перманганатом калия KMnO₄ (марганцовкой) и гипохлоритом натрия NaOCl (отбеливатель). В составе этих реагентов присутствует активный кислород, который гарантированно приводит к выпадению двухвалентного железа в нерастворимый осадок.

Водочистка при помощи химически активных реагентов не вызывает особых сложностей, нужно только всыпать состав в резервуар и хорошо его размешать. Несмотря на простоту использования, метод не нашел широкого бытового применения из-за следующих недостатков:

• Так как марганец и гипохлорит вредны для здоровья, для их применения необходима точная дозировка – этого довольно сложно достичь технически при переменном водном потоке и в небольших емкостях.
• Марганец и гипохлорит являются расходными материалами, поэтому потребуют для постоянного использования финансовых затрат в отличие от каталитических и ионообменных засыпок, средний эксплуатационный срок которых составляет 5 лет.
• Процесс очистки реагентами сложно поддается автоматизации в бытовых условиях, система требует использования для подачи окислителя дополнительного дозировочного насоса с электронным управлением – такого вида агрегаты обычно устанавливают в дорогих промышленных установках.
• При использовании реагентов придется монтировать автоматическую или ручную систему слива осадочных стоков в канализацию, что приведет к дополнительным финансовым расходам и делает применение реагентов в быту экономически и эксплуатационно неприемлемым.

Рис. 14 Основные узлы многоступенчатой установки обезжелезивания с применением гипохлорита натрия

Особенности применения установок для бытового обезжелезивания воды

Решая задачу что делать, если в воде скважины высокое содержание железа, учитывают следующие факторы:

• Любая система обезжелезивания воды для скважины проектируется и устанавливается на основе лабораторного химического анализа, пользователю важно знать количество содержащихся в воде примесей сероводорода, ионов железа, калия, марганца, органических реагентов.
• На основе полученных данных собирается система водоочистки с обезжелезиванием. При высоких концентрациях железа применяют системы с аэрированием, если в составе воды много солей жесткости, используют комплексные засыпки в колоннах с ионообменными смолами. При широком спектре загрязнений монтируют многоступенчатые системы водоочистки.
• Стоимость всех бытовых установок для обезжелезивания зависит от наличия автоматики, числа колонн, марки засыпок и сорбентов, и может доходить до 100 000 рублей. Наиболее дорогая цена у установок озонирования, которые помимо водоочистки обеспечивает дезинфекцию и уничтожают болезнетворные бактерии.
• Так как установки обезжелезивания нейтрализуют оксиды всех металлов, получаемая после них мягкая вода не слишком пригодна для питья, бытового использования и нуждается в минерализации.

Рис. 15 Цена на оборудование для обезжелезивание воды из скважины

Для удаления железа из воды применяют обезжелезиватели на основе установок с колоннами, в которые подводят воздух от компрессоров, засыпают внутрь каталитические, ионообменные или реагентные составы. Обычно установки обезжелезивания оснащают импортной автоматикой, обеспечивающей их бесперебойное функционирование и выполнения функций самоочистки. Стоимость оборудования, автоматики, расходных материалов на установки обезжелезивания воды из скважины довольно высока и с учетом затрат на электроэнергию может быть неприемлемой для собственников с невысокими доходами.