Основная проблема при заборе воды из скважин для индивидуального водоснабжения домов (коттеджей) — присутствие в ней различных примесей, отрицательно влияющих на физико-химические характеристики и вкусовые качества. При проведении водоочистных процедур наиболее востребованными являются фильтры для очистки воды из скважины от железа.
В промышленной отрасли существуют около десятка основных способов очистки загрязненной воды от присутствия железа, многие из них требуют сложного оборудования, значительного энергопотребления, дорогостоящих реагентов — то есть тех условий, которые недоступны в домашнем хозяйстве. Потому для бытового обезжелезивания водных ресурсов, получаемых из скважинных источников, использует наиболее простые, эффективные методы и относительно недорогое оборудование, отличные от промышленных технологий.
Рис. 1 Фильтры для очистки воды из скважины от железа в индивидуальных домах
- Зависимость видов загрязнений от глубины скважинного источника
- Виды железа в воде из скважины
- Методы промышленного и бытового обезжелезивания, формулы техпроцесса
- Реагентный
- Электролизный
- Озонирование
- Коагуляция
- Биологический
- Мембранный
- Методики обезжелезивания вод из индивидуальных скважин
- Компрессорная (напорная аэрация)
- Безнапорная аэрация (эжекторная)
- Реагентными катализаторами
- При помощи ионообменных смол
- Фильтры для очистки воды из скважины от железа в быту
- Фильтры для очистки воды из скважины от железа грубой и тонкой очистки
- Каталитические
- Ионообменные
- Как очистить воду из скважины от железа своими руками
Зависимость видов загрязнений от глубины скважинного источника
Стоит отметить, что водозабор из скважин производят с разных глубин, поэтому по расстоянию от уровня земли источники условно делят на три группы:
Абиссинские. Рассчитаны на водоподачу из первого водоносного горизонта, обычно расположенного на глубинах 10 — 20 м от поверхности земли, насосными станциями. Их нередко бурят для дачи, частного дома при небольших объемах забора (полив огородов, заполнение накопительных емкостей).
В скважинах абиссинского типа основными источниками загрязнений являются поверхностные или грунтовые воды. Спектр вредных примесей на участке загородного дома может быть сколь угодно широким — микробы, бактерии, органика от автономных канализационных систем, химия от удобрений, продукты нефтепереработки и прочее.
Если водные ресурсы из абиссинского источника нуждаются в комплексной очистке, в большинстве случаев с задачей неплохо справляются фильтрующие резервуары с угольными засыпками.
Рис. 2 Примеры лабораторных анализов воды из артезианских скважин с превышением ПДК железа
На песке. Имеют глубину залегания от 30 до 60 м, водозабор производится при помощи погружных электронасосов. Основная проблема при их эксплуатации — повышенное содержание мелких взвешенных частиц глины и песка в скважине.
Поэтому для песчаных источников актуальна водоочистка от взвесей фильтрами грубой очистки с различным размером ячеек, с остальными вредными примесями вполне может справиться обычный угольный засыпной или картриджный фильтратор большого объема.
Артезианские. Самые глубинные скважины с обсадной колонной высотой от 100 до 200 м и высокой производительностью, связанной с тем, что на водоносный горизонт оказывают сильное давление расположенные выше почвенные пласты.
Водоносный бассейн артезианских скважин расположен в известняке, а сама скважинная вода обладает высокой степенью минерализации. В ней растворен широкий ряд оксидов металлов (кальций, магний), их окислов и солей (хлориды, сульфаты), в наивысшей концентрации находятся марганцевые, железосодержащие и сероводородные соединения, приносящие значительные неудобства потребителю.
Водоочистная система артезианских скважин должна отфильтровывать приведенные химреагенты, в основном железных окислов, концентрация которых в сравнении с другими соединениями обычно намного выше.
Рис. 3 Вид железосодержащих вод
Виды железа в воде из скважины
Существует несколько групп железистых соединений, к ним относят коллоидную органику, присутствующую в водяной среде в виде мелких (размер до 0,1 мкм) взвесей железосодержащих частиц. Иногда в природе встречается бактерии, перерабатывающие железо из растворимой формы в водонерастворимую — они образуют на поверхности источника радужную пленку.
Перечисленные виды соединений обычно не встречаются в артезианских скважинах из-за слишком большой глубины нахождения водоносного горизонта — вода из артезианок отличается кристальной чистотой.
Основные виды железа, которые в ней можно обнаружить:
Двухвалентное Fe2+. Присутствует в водной среде в свободном состоянии и полностью в ней растворено, поэтому невозможно на глаз определить его наличие и концентрацию. На предварительном этапе после бурения скважины убедиться в присутствии Fe2+ можно попробовав или понюхав воду.
В скважинной воде встречаются следующие разновидности растворимых железосодержащих соединений двухвалентного железа, к которым относят бикарбонат Fe(НСО3)2, карбонат FеСО3, сульфид FeS и сульфат FeSO4.
Трехвалентное Fе3+. При контактировании воздушных масс с Fе2+, последнее окисляется и образует водонерастворимые соединения Fe3+, от которых избавляются обычным отстаиванием или механической фильтрацией.
Другие разновидности железа. При контакте со стальной арматурой или трубами образуется водонерастворимая ржавчина, включающая в себя трехвалентный оксид железа Fe2O3 и метагидроксид Fe(OH)3, намного реже в воде встречается сульфаты (Fe2(SO4)3. Все эти реагенты могут быть легко отфильтрованы на различных этапах водоочистки.
Рис. 4 Схема реагентной водоочистки
Методы промышленного и бытового обезжелезивания, формулы техпроцесса
Для обезжелезивания воды в промышленных масштабах применяют следующие методы, которые хотя и не нашли практического применения в быту, но теоретически вполне могут быть использованы в индивидуальной водоочистке.
Реагентный
Так как водорастворимый Fe2+ при контактировании с кислородом из воздушной среды выпадает в водонерастворимый осадок в течение длительного времени, для ускорения процесса вместо воздушных масс используют окислительные реагенты. Если добавить в воду марганцовку KMnO4 или гипохлорит натрия NaOCl, в ней произойдут окислительные реакции с опусканием в осадок водонерастворимого Fe3+. Формулы реакций с окислителями:
Так как приведенная методика нуждается в точной дозировке химреагентов и сложной системе автоматики, она не нашла широкого хозяйственно-бытового использования.
Рис. 5 Предварительная водоочистка бытовым электролизером
Электролизный
Принцип технологии электролизного обезжелезивания состоит в образовании активного кислорода из содержащихся в водном объеме примесей под действием электротока. Для этого в водяную среду добавляют хлорсодержащее и иные реагенты, которые при прохождении электротока разлагаются на активные окислители: хлор Cl, кислород O2, водород H, озон О3, гидроксиды иона, формула реакции для хлора:
К недостаткам водоочистки электролитическим методом относят высокое энергопотребление и необходимость добавления расходных материалов. Технология используется при содержании железа в воде не более 2 мл/л.
Рис. 6 Схема водоочистки озонированием
Озонирование
Система очистки воды от железа данным способом основана на более высокой окислительной способности трехвалентного озона О3 в сравнении с атмосферным двухвалентным O2. Установка включает в себя озонатор, производящий озон, который затем направляют в смесительную камеру с обрабатываемой водой. После реакции О3 с двухвалентным Fe2+ образуется нерастворимый осадок, выделяется кислород, водяная среда осветляется, дезинфицируется и в ней уничтожаются болезнетворная микробная и бактериальная флора.
Химическая формула процесса озонирования выглядит следующим образом:
Широкому бытовому применению установок озонирования препятствует их взрывоопасность, сложность конструкции и высокая стоимость.
Рис. 7 Техпроцесс коагуляции по этапам и схема установки
Коагуляция
Если воду из скважины с высоким содержанием Fe2+ помещают в открытую емкость для отстаивания, полный процесс занимает довольно много времени, так как образующийся водонерастворимый осадок слишком медленно опускается на дно.
Для ускорения процедуры водоочистки и повышения ее качества отказываются от осаждения Fe3+, добавляя в водный объем коагулянты по технологии пропорционального дозирования насосами дозаторами. В результате осаждаемые частицы укрупняются, после чего раствор со взвесями пропускается через простые песчаные или антрацитовые фильтры для воды, которые задерживают железосодержащий коагулянт и не способны отсеивать более мелкие частицы.
Технология коагулирования широко применяется для очистки сточных вод, к недостаткам техпроцесса относят долгое время формирования крупных частиц и необходимость применения расходных коагулянтов.
В торговле встречаются коагулянты для хозяйственно-бытового применения (Гиацинт, Эко-матрица), которые можно использовать для очистки небольших объемов воды в походных условиях, правда сам процесс водоочистки занимает около 8 часов.
Читайте также: Адаптер для скважины — преимущества и недостатки использования, монтаж
Рис. 8 Свойства железобактерий
Биологический
Не каждый фильтр для скважины на железо справится со своей задачей при превышении его предельно допустимых концентраций ПДК в сотни раз. В промышленности при наличии Fe2+ в воде более 40 мл/л, а также сероводорода и углекислого газа, при низком показателе рН применяют для обезжелезивания специальные бактерии.
Для этого воду пропускают через медленные гравийно-песчаные фильтраторы, содержащие колонии железобактерий, а затем образовавшиеся коллоидные частицы, продукты жизнедеятельности и бактериальные пленки отправляют в отстойники и пропускают через фильтры. После сорбционной фильтрации и обеззараживания ультрафиолетовым излучением вода полностью готова для дальнейшей очистки через мелкие угольные фильтры или установки обратного осмоса.
Понятно, что биоочистка при помощи железобактерий из-за сложности, нетрадиционных реагентов и длительного времени протекания техпроцесса относится к чисто промышленной технологии, непригодной для применения в быту.
Мембранный
Метод очистки пропусканием воды через мелкоячеистую мембрану под давлением относится к технологии обратного осмоса, где вместе с железом удаляются практически все примеси.
Комплексную очистку через мембраны нерационально и слишком дорого использовать только для обезжелезивания. К тому же обратный осмос работает при содержании Fe2+ в воде от 0,1 до 0,3 миллиграмма на литр, что не выходит за рамки предельно допустимых нормативов и не нуждается в фильтрации.
Рис. 9 Принцип мембранной водоочистки и устройство фильтра обратного осмоса
Методики обезжелезивания вод из индивидуальных скважин
Перед тем, как очистить воду от железа из скважины на даче или в загородном доме, обязательно проводят лабораторный анализ даже в том случае, когда присутствие в водяной среде Fe2+ удалось выявить визуально, по запаху или вкусовым качествам.
Дело в том, что лабораторный анализ позволяет определить процентное содержание железа в воде (предельно-допустимые концентрации (ПДК) Fe2+ составляют 0,2 — 0,3 мл на литр) методология обезжелезивания которого напрямую связана с его количеством.
Компрессорная (напорная аэрация)
Как было сказано выше, основной метод борьбы с растворимым Fe2+ — насыщение воды активными окислителями (Cl2, О3) или кислородом (О2), которой содержится в атмосферном воздухе. Формулы, описывающие процесс окисления кислородом железа, выглядят следующим образом: Fe2+ + О2 + Н2О → Fe(ОН)3 + H+
Для проведения процедуры напорной аэрации используют специальный мембранный компрессор, которой нагнетает воздух в напорный трубопровод или по трубе в колонну. В колонне кислород из водовоздушной смеси вступает в активную реакцию с растворимым Fe2+, излишки воздуха собираются в ее верхней части и выводятся наружу через воздухоотводной клапан. Образовавшийся нерастворимый осадок Fe3+ из колонны аэрации сливается в канализацию или подается на колонну обезжелезивания, где происходит его отфильтровывание в специальной засыпке.
Еще один более распространенный метод компрессорной аэрации заключается в насыщении находящейся в колонне водной среды воздушным потоком из компрессора через форсунку на дне емкости.
Стоит заметить, что метод компрессорного обезжелезивания применяют при самой высокой концентрации Fe2+ в воде от 10 мл/л, также с его помощью из воды эффективно удаляется сероводород H2S.
Рис. 10 Схемы компрессорной аэрации с насыщением воздухом внутри и снаружи колонны
Безнапорная аэрация (эжекторная)
Для увеличения площади контакта водных масс с воздушным кислородом используют разнообразные способы аэрирования:
Для безнапорного аэрирования в быту применяют следующие основные технологии:
Стоит отметить, что методы безнапорной аэрации при помощи эжектора и рассеивателя в быту не столь популярны, как компрессорная технология, и могут быть использованы при содержании Fe2+ в водной среде не более 3 мл/л.
Рис. 11 Аэрация душированием и барботажем
Реагентными катализаторами
Очистка воды от железа по технологии каталитического окисления на сегодняшний день является наиболее широко применяемой на мелких и средних предприятиях, станциях водоочистки небольших коттеджных поселков или отдельных частных домов.
Установки с реагентными катализаторами занимают небольшой объем и отличаются довольно высокой производительностью, способны пропускать водный поток объемом 0,5 – 30 м3/час (для примера, водоподачи объемом 1,5 м3/час достаточно для обеспечения хозяйственно-питьевой водой нужд дома с числом жильцов 3 — 5 человек).
Реакцию каталитического окисления железа в бытовых условиях проводят внутри колонн, изготовленных из стекловолокна и реже нержавеющей стали. Внутрь резервуара помещают окисляющую засыпку природного или искусственного происхождения с катализатором, легкий сорбент, кварцевый песок или мелкозернистый окатанный гравий, и пропускают воду через все слои. Образовавшийся после химреакции осадок в виде водонерастворимого Fe3+, который задерживаются в сорбенте, удаляют из насыпной загрузки периодическими обратными и прямыми промывками.
Основным компонентом в каталитических фильтрах выступает природный пиролюзит, содержащий в составе окислитель — двуокись (оксид) марганца МnO2. Оксид марганца относится к классу химических соединений, кристаллическая решетка которых стремится к восстановлению, то есть реагент является сильным окислителем, отбирающим кислород у менее активных элементов.
Рис. 12 Каталитическая установка с эжектором в клапанном модуле управления
Взаимодействие с наиболее распространенными в воде двухвалентным Fe2+ и марганцем Mn2+ выражается следующим химическими формулами:
- 2·R — MnO2 + Fe2+ + H2O → R — Mn2O3 + Fe3+ + 2OH–R — MnO2 + Mn2+ + 2·ОН– → R — Mn2O3 + H2O
- Fe3+ + 3·OH– → Fe(ОН)3↓, где
Fe(ОН)3↓ — водонерастворимый гидроксид железа;
R – матричные компоненты природного пиролюзита.
Отличительная особенность использования реакции каталитического окисления железа и марганца при помощи пиролюзита заключается в том, что его каталитическую способность можно восстановить добавлением в воду диоксида марганца MnO4–, химическая формула реакции выглядит следующим образом:
R-Mn2O3 + MnO4–+ H2O → 3·R-MnO2 + 2·OH–
Реагентная очистка в быту эффективна при содержании Fe2+ до 2 мл на литр и объемов прокачки до 2 – 3 м3/ч.
Рис. 13 Функции и засыпка колонны с ионообменной смолой
При помощи ионообменных смол
Фильтром для скважины от железа могут выступать ионообменные смолы, которые образуют катиониты. Технология ионного обмена основана на возможностях смол замещать удерживаемые на поверхности гранул положительные ионы натрия Na+ (катионы) более активными ионами двухвалентных металлов: кальция, магния, железа.
Находящиеся на поверхности смолы катионы металлов снова замещаются натрием при проведении процедуры регенерации. Для этого в колонну с засыпкой подают соляной раствор, крупинки смолы притягивает к себе ионы натрия, а двухвалентные металлы возвращается в воду и смываются вместе с ней в канализацию.
Ионообменное обезжелезивание эффективно при содержании Fe2+ в воде не более 1 — 2 мл на литр при ограничениях по кислотности pH и содержанию солей жесткости (до 10 градусов жесткости (мг-экв/л)).
Применение ионообменных смол только для отфильтровывания железа считается неэффективным по следующим причинам:
Таким образом, фильтр для скважины на железо с ионообменной смолой используют в основном для избавления от солей жесткости в комплексе и доочистки от железа, процесс носит название умягчение воды.
Рис. 14 Сравнение популярных технологий водоочистки
Читайте также: Трубная резьба — виды и особенности, применение, распространенные профили
Фильтры для очистки воды из скважины от железа в быту
Стандартная очистка воды из скважины от железа включает в себя несколько ступеней, обычно на входе ставят фильтр грубой очистки и угольный на выходе, а количество и вид фильтрующих колонн между ними напрямую связан с химическим составом воды.
Для автоматического управления процессами промывки используют блоки клапанов, которые размещают на верху колонн, к ним также подводят входные и выходные патрубки подачи, отвода воды и солей регенерации. Основными производителями водоочистного оборудования для скважин как блоков управления, так и колон, являются американцы с брендом Clark и китайская фирма Runxin с не менее качественной, но более дешевой продукцией.
Для закачки воздуха обычно используют мембранные компрессоры без масла китайского (AS-19) или более качественные американского производства (АР-2, LP-12).
Рис. 15 фильтры для очистки воды из скважины от железа — грубой, тонкой и их сменные картриджи
Фильтры для очистки воды из скважины от железа грубой и тонкой очистки
Как отмечалось выше, вода из артезианских источников отличается кристальной чистотой и теоретически не нуждается в предварительных фильтрах грубой очистки. Необходимость их применения объясняется тем, что полимерные трубопроводы из полиэтилена низкого давления ПНД или полипропилена ПП обладают высокой воздухопроницаемостью, что приводит к окислению Fe2+ в трубах с образованием нерастворимого осадка.
В качестве фильтров предварительной очистки можно использовать их любые разновидности с полимерными дисками или полипропиленовыми картриджами (Big Blue 10″, 20″). При этом следует учитывать, что чем больше объем фильтра и самого картриджа, тем реже он нуждается в обслуживании.
На выходе колон обезжелезивания устанавливают аналогичные предыдущим фильтры тонкой очистки с единственным отличием — вместо полипропиленовых картриджей с размером ячеек 10 — 50 мкм помещают сменные угольные на 1 — 5 мкм. Угольные фильтры эффективно очищают воду от хлорных и марганцевых соединений, нейтрализуют запахи, привкус и цветность.
Рис. 16 Конструктивное устройство и засыпка колонн обезжелезивания
Каталитические
Основным компонентом большинства каталитических фильтров служит диоксид марганца MnO2, выпускаемый в виде кристаллов темно-серого или темно-коричневого цветов размером 0,3 — 1 мм и плотностью до 5026 кг/м3. Благодаря высоким окислительным свойствам MnO2 широко используют в масляных красках для ускорения высыхания, в противогазах для защиты от угарного газа СО (окисляет его до углекислого газа СО2), в электротехнической отрасли при производстве гальванических батареек.
В системах водоочистки используют пиролюзитные руды с содержанием диоксида марганца более 40% и засыпным весом от 2000 до 4000 кг на кубометр. Это требует высокоскоростного водного потока при проведении обратной промывки или подачи воздуха под высоким давлением. Частицы горного пиролюзита благодаря высокой твердости (5 — 6 единиц по шкале Мооса) не подвержены разрушению при проведении многочисленных промывочных операций.
Рабочая поверхность пиролюзита ограничена площадью гранул и после длительного срока эксплуатации постепенно покрывается пленкой нерастворимых гидроокислов железа.
Из природных пиролюзитов изготавливают засыпки марок Catalox, MangOx, Pyrolox, Terminox, AquaMadix с содержанием оксида марганца до 75%. Относительно недавно на рынке появилась другая разновидность природных катализаторов с объемом MnO2 до 25%, к ним относят торговые марки Сорбент МС и Сорбент АС.
Помимо оксида марганца, для засыпки используют песок от 90 до 50% общего объема, уменьшающий насыпной вес смеси и тем самым повышающий качество процесса вспучивания фильтрующей массы при проведении процедуры обратной промывки.
Рис. 17 Последовательность и наименование реагентов серии ProMix для засыпки в ионообменную колонну
Стоит отметить, что добавление песка уменьшает производительность установки из-за меньшего количества катализатора MnO2, поэтому нередко перед колонной обезжелезивания дополнительно используют предобработку воды окислителями: гипохлоритом NaOCl, пероксидом водорода H2O2, марганцовкой KMnO4, кислородом O2 от компрессорной аэрации. При установке перед фильтром обезжелезивания колонны предварительной очистки, активный реагент MnO2 практически не расходуется и выступает как катализатор окислительных процессов.
Так как эксплуатация природного пиролюзита имеет ряд недостатков, для увеличения площади поверхности катализаторов и снижения их веса были разработаны синтетические материалы с применением неорганических ионитов. Основой для таких засыпок послужили цеолитовые, силикатные, алюмосиликатные, глауконитовые реагенты.
В этих материалах был реализован малый объемный вес с высокой устойчивостью гранул к истиранию, пористая очищающая структура с большим количеством макропор, устойчивость к слеживанию. При этом объем активного каталитического слоя после термического или химического введения в пористые гранулы удалось снизить от десятых долей до 5%.
Наиболее известные торговые марки синтетических катализаторов зарубежного производства: BIRM на основе алюмосиликата и Greensand с активным компонентом глауконита (производитель корпорация Clack Corporation, США). Из отечественных катализаторов по данной технологии выпускают засыпки с торговыми марками и следующих фирм: МЖФ на доломитовой основе (Альянс-Нева), МФО-47 на основе песчаника-горельника (МФО Компоненты), Экоферрокс на основе кристобалита (Аргеллит).
Рис. 18 Каталитические засыпки – стоимость в 2020 г
Ионообменные
Ионообменные смолы применяют в основном для комплексной очистки воды от водорастворимых оксидов металлов: кальция, железа, магния и марганца, находящихся в воде в приблизительно одинаковой концентрации.
Стоит отметить, что ионообменные установки не переносят наличие примесей сероводорода H2S — его перед подачей воды в колонну следует удалить.
Принцип действия ионообменных фильтров был описан выше, после прохождения через них вода становится слишком мягкой, поэтому рационально выбирать рабочий режим с увеличенными интервалами промывок для оставления в воде солей в пределах допустимых норм.
Для регенерации используют таблетированную соль NaCl (к примеру, производства ООО АкваСоль), которую помещают в солевой бак, временными интервалами между периодами подачи соли с промывкой управляет клапанный блок, размещенный на оголовке колонны.
Наиболее популярные марки ионообменных засыпок, реализуемые в торговой сети для установок удаления солей жесткости (умягчения воды): Экотар, Экомикс, FeroSoft, АПТ-2, Ionofer, КУ-1, Resinex, Катилакс.
Рис. 19 Комплексная система водоочистки с аэрированием в открытом баке
Как очистить воду из скважины от железа своими руками
Некоторые собственники загородных домов с ограниченными финансовыми средствами пытаются решить задачу, как очистить воду от железа из скважины с минимальными материальными затратами.
Если не рассматривать все технологии с заводским оборудованием, каталитическими, ионообменными засыпками, химическими реагентами из-за их высокой стоимости, то остаются два метода бюджетного обезжелезивания — отстаивание и аэрирование.
Технология в обоих случаях одинакова — повысить в воде содержание кислорода, превращающего растворимые двухвалентное окислы железа в нерастворимый осадок за счет контакта с атмосферным воздухом. При отстаивании результатов добиваются за счет длительного времени, при аэрировании — увеличением поверхности контакта водных масс с воздухом.
Обычно два метода сочетают, подавая в емкость рассеянный водный поток или воздушные пузыри от компрессора.
Стоит отметить, что наилучших по экономичности и эффективности результатов без использования компрессора можно добиться, если распылять воду сверху в резервуар большого объема через форсунки (технология душирования). Вместо обычного душа лучше использовать конструкцию, работающую в режиме водяного тумана, правда перед ней придется размещать мелкоячеистый фильтр механической очистки.
В этом случае площадь соприкосновения мелких водяных взвесей с атмосферным воздухом будет максимальной и соответственно значительно вырастет эффективность обезжелезивания.
Рис. 20 Фильтры для очистки воды из скважины от железа — стоимость оборудования торговой марки Clack 2020 г
Основная проблема артезианских скважин с кристально чистой водой — высокая минерализация, выражающаяся в большом количестве растворимых солей металлов: железа, магния, марганца, калия. Для избавления от оксидов используют фильтры для очистки воды из скважины от железа в составе комплексных установок заводского производства, обычно состоящих из ряда колонн (иногда и солевого бака), компрессора и управляющих клапанами электронных блоков.
