VAS- ÉS MANGÁNTALANÍTÁS

1. VAS- ÉS MANGÁNTALANÍTÁS

2. Vas • Határérték: • Magyar: 0,2 – 0,3 mg/L • EU: 0,2 mg/L • Előfordulás: • Talajvíz • Védett rétegvíz • Partiszűrésű víz • A reduktív jelleg miatt a vízben jól oldódó vas(II) vegyületek • (Fe2+) dominanciája érvényesül • Az eltávolításhoz (folyadék-szilárd fázisszétválasztás) vízben • rosszul oldódó vas(III)-vegyületekké kell átalakítani

3. A vas és mangán nem okoznak az ivóvízben egészségügyi kockázatot • Eltávolításuk elsősorban esztétikai okokból szükséges • Másodlagos hatásuk azonban nem hanyagolható el • Vas- és mangán vegyületek kicsapódása a hálózatban, fajlagos felület növekedése • A nagy fajlagos felületen mikroorganizmusok megtelepedhetnek • Vas- és mangán vegyületek leszakadása a csővezeték faláról • Fokozott, határértéket is meghaladó vas- és mangán eltávolításra vonatkozó törekvések

4. Alapvető folyamatok, melyekből a technológia összerakható: • Oxidáció • Kémiai kicsapatás • Szilárd-folyadék fázisszétválasztás • Két kritikus folyamat: • Oldott-szilárd átmenet hatékonysága (kémiai kicsapás, melyet az oxidáció vált ki) • Szilárd folyadék fázisszétválasztás hatékonysága Mindkét kritikus folyamatnak megfelelő hatékonysággal kell megvalósulnia a jó hatásfokú vas- mangán eltávolításhoz. Bármelyik folyamatban bekövetkező rendellenesség az eltávolítási hatásfokot csökkenti.

5. Oxidáció • A redox-potenciál szerepe • A Fe2+/Fe3+ rendszer redox-potenciálja: +0,77 V • Néhány oxidálószer redox-potenciálja: • Vízben oldott oxigén (semleges közegben): +0,815 V • Vízben oldott oxigén (savas közegben): +1,229 V • Ózon (lúgos közegben): +1,24 V • Ózon (semleges közegben): +2,07 V • Hipo-klórossav (HOCl – semleges-savas közeg) +1,49 V

6. Mangán • Határérték: • Magyar: 0,05 – 0,1 mg/L • EU: 0,05 mg/L • Vas és mangán együtt: 0,3 mg/L (csak a magyar szabványban!) • Előfordulás: • Talajvíz • Védett rétegvíz • Partiszűrésű víz • A reduktív jelleg miatt a vízben jól oldódó mangán(II) vegyületek • (Mn2+) dominanciája érvényesül • Az eltávolításhoz (folyadék-szilárd fázisszétválasztás) vízben • rosszul oldódó mangán(IV)-vegyületekké kell átalakítani

7. Alapvető folyamatok, melyekből a technológia összerakható: • Oxidáció • Kémiai kicsapatás • Szilárd-folyadék fázisszétválasztás

8. Oxidáció • Az Mn2+/Mn4+ rendszer redox-potenciálja: +1,51 V • Az Mn2+/MnO2 rendszer redox-potenciálja: +1,28 V • Néhány oxidálószer redox-potenciálja: • Vízben oldott oxigén (semleges közegben): +0,815 V • Vízben oldott oxigén (savas közegben): +1,229 V • Ózon (lúgos közegben): +1,24 V • Ózon (semleges közegben): +2,07 V • Hipo-klórossav (HOCl – semleges-savas közeg): +1,49 V • Kálium-permanganát (savas közeg): +1,69 V • Kálium-permanganát (lúgos közeg): +1,85 V • Hidrogén-peroxid: +2,14 V

9. Oxidáció • Az Mn2+/Mn4+ rendszer redox-potenciálja: +1,51 V • Az Mn2+/MnO2 rendszer redox-potenciálja: +1,28 V • Néhány oxidálószer redox-potenciálja: • Vízben oldott oxigén (semleges közegben): +0,815 V • Vízben oldott oxigén (savas közegben): +1,229 V • Ózon (lúgos közegben): +1,24 V • Ózon (semleges közegben): +2,07 V • Hipo-klórossav (HOCl – semleges-savas közeg): +1,49 V • Kálium-permanganát (savas közeg): +1,69 V • Kálium-permanganát (lúgos közeg): +1,85 V • Hidrogén-peroxid: +2,14 V

10. Fe2+ + 2H2O  Fe(OH)2 + 2H+ HCO3- + H+  H2CO3 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  4Fe(OH)3 3Fe(OH)2 + O3 3 Fe(OH)3

11. Mn2+ + 2H2O Mn(OH)2 + 2H+ 3Mn(OH)2 + 3H2O + O3  3 Mn(OH)4 Mn(OH)4  MnO(OH)2 + H2O MnO(OH)2  MnO2 + H2O

12. E H2 Redox-potenciál – pH diagram és a különböző oxidációs állapotú és oldékonyságú vas vegyületek előfordulása HEM (1961) nyomán [Volf] 1,2 A víz oxidációja 2H2O – 4e- 4H+ + O2 oxigén fejlődés 100 10 1 0,1 Fe3+ oldhatósága 0,01 1 Fe3+ FeOH+ 0,8 Fe(OH)2+ EH2 = 1,23 – 0,059 pH 0,6 Fe(OH)3 Fe2+ 0,4 0,2 0 EH2 = 0,83 + 0,059(14 – pH) -0,2 100 -0,4 10 1 0,1 Fe2+ oldhatósága [ppm] A víz redukciója 2H2O + 2e- H2 + 2OH- hidrogén fejlődés 0,01 -0,6 Fe(OH)2 -0,8 pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

13. A különböző redox-potenciál értékek miatt a vas(II)- és a mangán(II)-vegyületek eltérő oxidálószereket igényelnek • Gazdaságossági megfontolások: az erősebb oxidálószerek drágábbak!!! • Ha vas(II)- és mangán(II)-vegyületek egyszerre vannak jelen a vízben (és ez az esetek döntő többségében így van!!) erős oxidálószert alkalmazva először a vas(II)-vegyületek oxidálására kerül sor, és ha ezek elfogytak akkor oxidálódnak mangán (II)-komponensek. • Célszerű először a vas(II)-vegyületeket az olcsóbb oxidálószerrel oxidálni, majd ha ez a folyamat befejeződött az erősebbel a mangán (II)-komponenseket

14. Az alkalmazásra kerülő vastalanítási technológia függ a kezelendő vízben található vasvegyületek koncentrációjától • A vízben oldott oxigénnel történő oxidáció hatékonysága függ a levegőztetés idejétől és intenzitásától (a vízbe belépő oxigén mennyiségétől) • Az alkalmazásra kerülő szilárd-folyadék fázisszétválasztási technológia (egylépcsős, vagy többlépcsös) szintén a tisztítandó víz vastartalmának függvénye

15. Praktikus okokból a következő osztályozást célszerű figyelembe venni: • 0,2 mg/L < Fe2+ < 0,5 mg/L • 0,5 mg/L < Fe2+ < 2,0 mg/L • 2,0 mg/L < Fe2+ < 5,0 mg/L • Fe2+ > 5,0 mg/L

16. Fe2+ < 0,5 mg/L egyszerű oxidáció (olcsó oxidálószerrel), egylépéses szilárd-folyadék fázisszétválasztás (nyitott, vagy zárt gyorsszűrő) az oxidáció megfelelő hatékonysággal és elegendően rövid idő alatt megvalósítható vízben oldott oxigénnel a fázisszétválasztást biztosító gyorsszűrő egységben megfelelő szűrőméretezés esetén a ciklusidő nem rövidebb 24 óránál

17. 0,5 mg/L < Fe2+ < 2,0 mg/L az oxidáció a vízben oldott oxigén hatására lényegesen lassabban valósul meg. vagy erősebb oxidálószer alkalmazására, vagy hosszabb reakció időre van szükség a hosszabb reakcióidő biztosításához külön oxidációs egységet kell kialakítani erősebb oxidálószer alkalmazása esetén nem szükséges a különálló oxidációs egység létrehozása, a homokszűrő előtt történő oxidálószer adagolás (és annak megfelelő elkeverése) biztosítja a gyors oxidációt szilárd-folyadék fázisszétválasztás megfelelő hatékonysággal biztosítható a gyors homokszűrőben a ciklusidő megközelíti vagy eléri a 24 órát, extra öblítővíz igény nem lép fel

18. 2,0 mg/L < Fe2+ < 5,0 mg/L a szükséges hatékonyságú oxidáció csak erős oxidálószer(ek) alkalmazásával biztosítható a megfelelő hatékonyságú oxidációhoz külön oxidációs egység kialakítása szükséges a szilárd-folyadék fázisszétválasztás megfelelő hatékonysággal megvalósítható gyors homokszűrőben, de a ciklusidő 12-24 óra között változik a rövid ciklusidő miatt a szűrő-öblítővíz igény elérheti, sőt meghaladhatja a tisztított víz 10%-át a ciklusidő növelése érdekében célszerű kétrétegű gyors homokszűrőt alkalmazni, mely lehet elválasztott terű, illetve egyterű

19. Fe2+ > 5,0 mg/L a hatékony oxidáció csak erős oxidálószer alkalmazásával érhető el a hatékony oxidációhoz elegendően hosszú reakcióidő szükséges külön oxidációs egység kialakítását célszerű biztosítani a hatékony szilárd-folyadék fázisszétválasztáshoz kétlépcsős eljárás szükséges első fázisszétválasztási egységként célszerű ülepítő, vagy flotáló műtárgyat kialakítani a második fázisszétválasztó egység a hagyományos (vagy kétrétegű) szűrő fenti kialakítással biztosítható az elfogadhatóan hosszú ciklusidő és a viszonylag kis szűrő-öblítővíz igény

20. nyers víz zagyvíz szűrő réteg támréteg szűrt víz öblítő víz levegő befúvás

21. szűrőkavics

22. Mangán(II)-vegyületek oxidálása a vízben oldott oxigénnel (bedolgozott szűrő) • Bár a vízben oldott oxigén redox-potenciálja lényegesen kisebb, mint a Mn2+/Mn4+ rendszeré, megfelelő katalizátor jelenlétében a Mn2+ ionok oxidálását a vízben oldott oxigén is képes megvalósítani • A szűrőkavics felületén kialakuló MnO2 réteg megfelelő módon katalizálja a Mn2+ ionok oxidálását • A mangán-dioxid réteg kialakítása KMnO4 oldat adagolásával biztosítható • A katalizátor réteget időnként KMnO4 oldat adagolásával regenerálni, erősíteni kell • Ez a megoldás a 0,5 mg/L-nél kisebb Mn2+ koncentrációval rendelkezővizekben alkalmazható • Kereskedelmi forgalomban: mangán-zöld homok, BIRM homok

23. Mangán(II)-vegyületek oxidálása erős oxidálószerekkel • Klór Bár a klór redox-potenciálja hasonló a Mn2+/Mn4+ rendszeréhez, elegendő reakció-idő biztosításával megfelelő oxidáció biztosítható. Külön oxidációs reaktor beiktatása az oxidáció hatékonyságát javítja. A klór 0,5 mg/L-nél kisebb és nagyobb Mn2+ koncentrációk esetén egyaránt alkalmazható. • KMnO4 oldat Megfelelő oxidációs hatékonyság csak 9,0-nél nagyobb pH értékek esetén jelenik meg. Ezen a nagy pH értéken azonban jelentős kalcium-karbonát kiválásra számíthatunk a szűrőkavics felületén. Ez a jelenség nagy mértékben rontja a szűrés hatékonyságát.

24. Ózon Az ózon –nagy redox-potenciálja miatt – hatékony és gyors oxidációt biztosit a 0,5 mg/l-nél kisebb és nagyobb kezdeti Mn2+ koncentrációk esetén egyaránt. Különálló oxidációs egység alkalmazása az oxidáció hatékonyságát javítja. Fázisszétválasztó egységként hagyományos homokszűrőt célszerű alkalmazni. • Hidrogén-peroxid Nagy redox-potenciálja miatt hatékony és gyors oxidációt valósít meg mind 0,5 mg/l-nél kisebb, mind 0,5 mg/l-nél nagyobb kezdeti Mn2+ koncentrációk mellett. Különálló oxidációs egység alkalmazása célszerű. A hagyományos homokszűrő alkalmazása megfelelő fázisszétválasztást biztosít.