Podstawy eksploatacji Stacji Uzdatniania Wody Podziemnej. Podstawy usuwania żelaza i manganu.

Z nowoczesnych technik, które pozwalają bez żadnych problemów usunąć żelazo i mangan rozpuszczone w wodzie zalicza się procesy membranowe (odwrócona osmoza czy nanofiltracja). Najprościej mówiąc polegają one na oddzieleniu zanieczyszczeń od wody na poziomie cząsteczkowym - krótko mówiąc membrana przepuszcza tylko cząsteczki wody, w efekcie czego uzyskuje się praktycznie wodę o czystości wody destylowanej. Techniki te są jednak dość rzadko stosowane w przypadku usuwania z wody żelaza i manganu, bowiem dotychczas stosowane, klasyczne technologie doskonale sobie z tymi związkami radzą.

Podstawowa metoda usuwania z wody żelaza i manganu polega na utlenieniu rozpuszczonych pierwiastków do formy nierozpuszczalnej (wytrąceniu z wody). Wytrącone związki łatwo jest już odcedzić na filtrach (na złożach filtracyjnych) i dzięki temu usunąć z wody.

Zdecydowanie łatwiej utlenia się żelazo, trudniej mangan. Dlatego w czystej postaci ta metoda jest stosowana właśnie do usuwania z wody żelaza. Usunięcie manganu wymaga pewnych modyfikacji.

Utlenianie

Utlenianie jest procesem chemicznym polegającym na wprowadzeniu danego pierwiastka na wyższy stopień utlenienia.

Przykładowo: żelazo w wodzie surowej występuje na drugim stopniu utlenienia - na tym stopniu jest ono rozpuszczone, ale wystarczy przeprowadzić żelazo na trzeci stopień utlenienia i już się doskonale z wody wytrąci. To przeprowadzenie na wyższy stopień to właśnie utlenianie, które realizuje się przy pomocy różnych związków chemicznych.

Podobnie w przypadku manganu. W wodzie surowej mangan występuje na drugim stopniu utlenienia - w takiej postaci jest rozpuszczalny w wodzie i nie da się go w żaden sposób usunąć (odcedzić) na filtrach. Utlenienie go na czwarty stopień powoduje, że otrzymujemy mangan który w wodzie się nie rozpuszcza, czyli się z niej wytrąca.

Chemicznie zapisuje się to w następujący sposób:

Żelazo na drugim stopniu utlenienia pod wpływem utleniacza utlenia się do żelaza na trzecim stopniu, które się wytrąca:

Fe(II)rozp. → Fe(III)↓

Podobnie z manganem:

Mn(II)rozp. → Mn(IV)↓

Podstawowe pytanie jakie w tym momencie się nasuwa dotyczy tego jakie związki chemiczne pozwolą utlenić żelazo i mangan - czyli co trzeba dodać do wody żeby pierwiastki te się z niej wytrąciły.

Poniżej wyszczególniono podstawowe substancje które pozwalają wytrącić żelazo i mangan.

Do podstawowych utleniaczy stosowanych w technologii zalicza się:

• ozon ok. 1,7 V,

• dwutlenek chloru (ClO2) - również ok. 1,7 V,

• chlor gazowy (Cl2) ok. 1,36 V,

• nadmanganian potasu (KMnO4) ok. 1,13 V,

• tlen (z powietrza) - (O2) ok. 0,8 V

Stosowane utleniacze uszeregowano pod względem ich siły - od najmocniejszego do najsłabszego. Obok każdego związku wprowadzono liczby. Są to tak zwane potencjały utleniania - czyli mówiąc wprost, „siła" utleniania, która wpływa na szybkość i skuteczność wytrącania.

Pierwsze trzy związki (ozon i chlor gazowy i ciekły) stosowane są głównie do dezynfekcji wody. Bardzo rzadko, czy nawet w ogóle nie stosuje się ich w celu utlenienia (wytrącania) żelaza i manganu.

Nieco częściej stosuje się nadmanganian potasu. Zdecydowanie najczęściej natomiast tlen z powietrza wprowadzany do wody w procesie napowietrzania - aeracji.

Mając już tę wiedzę, reakcje utleniania żelaza skrótowo zapisane powyżej można uszczegółowić. I tak jeśli do utleniania (wytrącania) żelaza wykorzystamy tlen - wówczas zapisane to zostanie jako:

Fe(II) + O2 → Fe(III)↓

Jeśli będzie to chlor gazowy, wówczas:

Fe(II) + Cl2 → Fe(III)↓

Podobnie z manganem.

Mn(II) + O2 → Mn(IV)↓

Mn(II) + Cl2 → Mn(IV)↓

Jak wspomniano wcześniej różnica pomiędzy poszczególnymi utleniaczami dotyczy przede wszystkim czasu jaki jest potrzeby do utlenienia poszczególnych związków, jak i łatwość utleniania różnych związków. Zdecydowanie trudniej bowiem utlenia się mangan niż żelazo.

Istotnym czynnikiem, który decyduje o podatności utleniania (wytrącania) związków żelaza i manganu przez wymienione utleniacze jest odczyn wody. Zgodnie z przedstawionymi powyżej informacjami wody surowe (podziemne) najczęściej mają pH w granicach 7,0 - 7,5.

Przy takim odczynie najsłabszy z wymienionych utleniaczy - tlen pozwala na bezproblemowe utlenienie (wytrącenie) żelaza, niestety w ogóle nie rusza manganu - mimo natlenienia wody przy pH neutralnego (7,0 - 8,0) mangan pozostaje nadal w formie rozpuszczonej i będzie przechodził przez nieaktywny filtr (nieaktywne, świeże złoże z piasku kwarcowego, antracytowego czy chalcedonitowego).

Nieco silniejszy jest w takiej sytuacji podchloryn sodu (najczęściej wykorzystywany do dezynfekcji wody na małych i średnich wodociągach).

Wystarczającą natomiast skuteczność wytrącania żelaza i manganu ma nadmanganian potasu, który nawet przy pH 7,5 jest w stanie wytrącić dość szybko i skutecznie oba pierwiastki, pod warunkiem doboru odpowiedniej dawki chemikaliów.

By zwiększyć skuteczność utleniania (wytrącania) tlenem manganu wystarczy podnieść pH. Po zwiększeniu tej wartości do ok 9,5 czy nawet 10,0 tlen zaczyna już bez problemu utleniać mangan, który się wytrąca i można go oddzielić na filtrach. Niestety podniesienie pH wody wiąże się zawsze z dawkowaniem substancji alkalizujących - takich jak wodorotlenek sodu (ług sodowy) tlenek wapnia (wapno palone), węglan sodu (soda). A to oczywiście podnosi koszty i wiąże się z rozbudową całego układu uzdatniania wody.

Dlatego w klasycznych technologiach uzdatniania wody mangan usuwany jest w innym mechanizmie – z wykorzystaniem tzw. złóż aktywnych (wpracowanych piasków, złóż katalitycznych takich jak piroluzyt, brausztyn itp...), w którym to mechanizmie tlen również jest bardzo potrzebny, ale ma inne znaczenie niż przy wytrącaniu żelaza.

W związku z powyższym można stwierdzić, że tlen jest podstawowym i najważniejszym utleniaczem w uzdatnianiu wód podziemnych – usuwaniu żelaza, manganu.

Przyczyn takiego stanu rzeczy jest kilka:

1. Tlen jest najtańszym utleniaczem,

2. Można go wprowadzić w stosunkowo prosty sposób – w procesie napowietrzania wody, lub też (rzadziej) poprzez wprowadzenie czystego gazu z butli, bezpośrednio do wody,

3. Jako jedyny związek pozwala na usunięcie z wody amoniaku (który jest utleniany na drodze biologicznej) oraz nadmiaru siarkowodoru (również utlenianego biologicznie)

Stosowanie innych utleniaczy do wytrącania żelaza i manganu (chlor, ozon, nadmanganian potasu) zawsze będzie wiązało się z:

1. Ponoszeniem kosztów zakupu lub wytwarzania chemikaliów (w zależności od stosowanego związku koszty te będą niższe lub wyższe),

2. Rozbudową, czy budową magazynów, w których związki te będzie się przechowywać (im bardziej szkodliwy i wymagający związek, tym większe wymagania – z wymienionych powyżej największe wymagania mają pierwsze trzy, tj. Ozon, dwutlenek chloru oraz chlor gazowy),

3. Konieczne jest przestrzeganie i pilnowanie ścisłych reżimów technologicznych, przedawkowanie lub w drugą stronę niedopilnowanie i podanie dawki mniejszej utleniacza niż wymagana może przynieść odwrotny skutek i całkowicie rozchwiać układ technologiczny,

4. Stosowanie ozonu, czy chloru do wytrącania manganu czy żelaza, powoduje, że woda staje się jałowa biologicznie – związki te skutecznie usuwają wszystkie bakterie naturalnie znajdujące się w wodzie surowej, w tym również te które jako jedyne usuwają amoniak, czy siarkowodór z wody.

Reasumując, jeśli nie ma konieczności stosowania silniejszych niż tlen utleniaczy – nie trzeba tego robić, bowiem żelazo doskonale wytrąca tlen, a mangan można przy wspomaganiu tlenem usunąć w inny sposób. Niestety dość często (czasami bardziej, czasem mniej słusznie) gdy pojawiają się problemy z usunięciem manganu z wody (niekiedy nawet gdy są problemy z usunięciem żelaza) bez dokładnej analizy przyczyn problemów, technolodzy zalecają stosowanie najczęściej nadmanganianu potasu.

Aspekty technologiczne i techniczne dozowania nadmanganianu potasu zostaną przedstawione w kolejnej części cyklu.

Autor: Łukasz Weber, Karol Szambelańczyk