Żelazo i mangan w wodzie – wymagania i metody usuwania

Żelazo i mangan w wodzie to powszechnie spotykane zjawisko. Pierwiastki te naturalnie występują w naturze oraz przedostają się do wód podziemnych w wyniku procesów geologicznych. Choć w niewielkich ilościach są one niezbędne dla organizmu ludzkiego, ich nadmiar w wodzie użytkowej staje się źródłem poważnych problemów estetycznych i eksploatacyjnych instalacji hydraulicznych.

Woda o wysokiej zawartości tych metali charakteryzuje się rdzawym lub brunatnym zabarwieniem, mętnością oraz specyficznym, metalicznym posmakiem. Jony żelaza i manganu wytrącają się w postaci osadu i gromadzą w systemach grzewczych i wodociągowych. Prowadzi to do obniżenia wydajności urządzeń oraz wzrostu kosztów utrzymania infrastruktury.

 

Wymagania jakościowe wody

Zgodnie z obowiązującym rozporządzeniem Ministra Zdrowia, dopuszczalne stężenie żelaza w wodzie przeznaczonej do spożycia wynosi 0,2 mg/l, natomiast manganu zaledwie 0,05 mg/l. Wartości te zostały określone, aby zapewnić bezpieczeństwo zdrowotne oraz akceptowalną jakość organoleptyczną wody dla ogółu populacji.

Należy zauważyć, że dla specyficznych grup osób, na przykład cierpiących na anemię, woda bogata w żelazo mogłaby mieć pewne walory prozdrowotne. Operatorzy sieci wodociągowych oraz właściciele ujęć muszą jednak bezwzględnie przestrzegać norm prawnych.

 

Skąd obecność żelaza i manganu w wodzie?

Głównym źródłem przedostawania się żelaza i manganu do wody jest wypłukiwanie minerałów ze skał i podłoża geologicznego. Oprócz procesów naturalnych, za zanieczyszczenia odpowiada również działalność człowieka, w tym ścieki z hut, walcowni oraz zakładów przeróbki rud. Dodatkowym czynnikiem jest korozja starych, stalowych lub żeliwnych instalacji, która wtórnie zanieczyszcza wodę w związki żelaza.

 

Wpływ wysokich stężeń żelaza i manganu na instalacje hydrauliczne

Wysoka zawartość żelaza i manganu jest destrukcyjna dla systemów hydraulicznych, prowadząc do ich przedwczesnego zużycia. Na armaturze i urządzeniach powstają uciążliwe brązowe lub czarne osady. Z kolei wewnątrz instalacji osady te tworzą warstwę, która zmniejsza przekrój przewodów, co skutkuje spadkiem ciśnienia i ograniczonym przepływem. Nagromadzony osad tworzy chropowatą warstwę, stając się idealną pożywką dla bakterii i sprzyjając powstawaniu biofilmu.

W układach grzewczych warstwa osadu działa jak izolator, zwiększając opór cieplny, a tym samym powodując spadek efektywności grzewczej. Wpływa to na zwiększenie zapotrzebowania na energię cieplną do podgrzania, a tym samym na wzrost kosztów.

 

Rysunek 1. Osady żelaza na powierzchni płytowego wymiennika ciepła

 

Metody usuwania żelaza i manganu w wodzie

Utlenianie wody

Pierwszym krokiem w procesie uzdatniania, usuwania żelaza i manganu, jest zazwyczaj utlenianie. Celem tego procesu jest przekształcenie rozpuszczonych form metali w nierozpuszczalne osady. Można to osiągnąć poprzez napowietrzanie wody przy użyciu aeratorów, co jest metodą w pełni ekologiczną. Stosuje się również utlenianie chemiczne za pomocą nadmanganianu potasu (KMnO4), dwutlenku chloru lub ozonu. Wybór metody utleniania zależy od składu fizykochemicznego wody surowej oraz wymaganej wydajności systemu.

 

Filtracja wody

Po procesie utleniania woda trafia na złoża filtracyjne. Klasyczna filtracja odbywa się na złożach piaskowo-żwirowych, gdzie mechanicznie zatrzymywane są wytrącone cząstki wodorotlenków. Do uzdatniania wody zawierającej wysokie stężenia żelaza lub manganu stosuje się złoża katalityczne (masy aktywne).

Złoże katalityczne to materiał filtracyjny pokryty warstwą dwutlenku manganu (MnO2), który działa jako katalizator przyspieszający utlenianie rozpuszczonego żelaza i manganu. Istnieje możliwość wpracowania nieaktywnego materiału filtracyjnego np. piasku kwarcowego przez pokrycie go warstwą tlenków manganu. Jest to jednak bardzo czasochłonny proces, stąd rosnące zainteresowanie złożami katalitycznymi. Mechanizm ten opiera się na adsorpcji rozpuszczonych jonów na powierzchni złoża i ich szybkiej przemianie w formy nierozpuszczalne w wyniku reakcji redoks. Zanieczyszczenia zatrzymywane na złożach filtracyjnych są usuwane z kolumn filtracyjnych podczas płukania wstecznego.

 

Rysunek 2. Stacja uzdatniania wody - usuwanie żelaza i manganu

 

Strefy odżelaziania - technologia uzdatniania wody

Skuteczne usuwanie obu pierwiastków wymaga odpowiedniego zaprojektowania stref wewnątrz filtra. Dotyczy to głównie uzdatniania wody zawierającej bardzo duże ilości żelaza i manganu. Każda z warstw pełni inną rolę w eliminacji zanieczyszczeń.

Dwie pierwsze strefy odpowiadają za odżelazianie, a trzecia za odmanganianie wody. W pierwszej strefie dochodzi do mechanicznej filtracji cząstek stałych żelaza, które zostały wcześniej przekształcone w formę nierozpuszczalną, na przykład w procesie wstępnego napowietrzania.

Druga strefa koncentruje się na usuwaniu pozostałego żelaza rozpuszczonego, zapobiegając jego przedostaniu się do głębszych warstw filtra.

Ostatnia warstwa odpowiada za redukcję stężenia manganu. Usuwanie manganu z wody jest procesem znacznie trudniejszym niż usuwanie żelaza, dlatego w tej strefie stosuje się najczęściej złoże katalityczne, aby zapewnić maksymalną sprawność procesu. Skuteczność usuwania manganu zależy od prawidłowego działania poprzednich etapów, gdyż obecność żelaza w tej części mogłaby zablokować proces odmanganiania.

 

Serwis stacji odżelaziania i odmanganiania

Chcąc zapewnić prawidłowe działanie stacji uzdatniania wody należy regularnie przeprowadzać przeglądy techniczne. Serwis obejmuje kontrolę głowic sterujących, czyszczenie urządzeń, regulację cykli płukania oraz weryfikację stanu urządzeń. Systematyczna konserwacja pozwala na wczesne wykrycie nieprawidłowości, co znacząco wydłuża żywotność urządzeń i zapewnia ciągłą prawidłową jakość wody.

 

Rysunek 3. Serwis stacji odżelaziania i odmanganiania

 

Zużycie złoża filtracyjnego

Zużycie złoża filtracyjnego jest naturalnym procesem. Objawia się on spadkiem ciśnienia oraz pogorszeniem parametrów jakościowych, smaku i barwy wody. Gdy zdolność katalityczna i sorpcyjna materiału zostaje wyczerpana, konieczna jest jego wymiana na nowy. Jest to efektem obrastania złoża osadami oraz utraty porowatej struktury ścianek kwarcu. Częstotliwość wymiany złoża filtracyjnego zależy od jakości wody surowej oraz ilości wody przepływającej przez stację uzdatniania, dlatego ważne jest monitorowanie parametrów wyjściowych wody.

 

Podsumowanie

Żelazo i mangan w wodzie, szczególnie w wysokich stężeniach, to problem, którego nie należy lekceważyć ze względu na jego niekorzystny wpływ na instalacje hydrauliczne. Wybór odpowiedniej technologii – od tradycyjnego napowietrzania po nowoczesne złoża jonowymienne – pozwala na skuteczne dostosowanie jakości wody do obowiązujących norm.

Dodatkowo regularny serwis to gwarancja czystej wody oraz długowieczności stacji uzdatniania wody.