För dricksvatten är kravet på järnhalter under 0,05 mg/l. I praktiken är det önskvärt att uppnå mindre än 0,02 mg/l. Flera grundvattentäkter har betydligt högre halter järn i vattnet. I den artikel som här redogörs för är underlaget från Nederländerna. Problem med järn i vattnet är detsamma i Sverige.
Av: Thor Wahlberg
I vattenverk är beredning med avskiljning genom luftning där järn(II) oxideras och avskilj som järnhydroxid i snabbsandfilter vanlig. Det gäller oftast även för avskiljning av mangan. I grundvattenbrunnar kan det vara en blandning av vatten med innehåll av järn(II) och syrerikt vatten. Där kommer järn(III)hydroxid att fällas ut och resultera i igensättning av intagssilar, pumpar och rörledningar. Förutsättningar är kemiskt och biologiskt identiska för beredning i vattenverk och uttag i grundvattenbrunnar även om de förekommer i olika miljöer. Artikelförfattarna jämför dessa och syftet är att få en klar förståelse av processerna, klarlägga och om möjligt avhjälpa problem med järnhalter och utfällningar.
Metodik
Järn(II) kan oxideras med syre genom tre olika processer, homogen-, heterogen- och biologisk oxidation. Alla producerar järn(III)hydroxider. Denna kombination av processer uppstår överallt där järn(II) och i vattnet löst syre blandas. Den homogena oxidationshastigheten kan utryckas med en differentialekvation med initial och momentan koncentration av järn(II). Med högt pH och syremättnad är detta en snabb process som producerar stora järn(III)hydroxid flockar under mindre gynnsamma förhållanden (lägre pH) bildas små flockar som kan passera ett snabbsandfilter. Heterogen oxidation av järn(II) sker i två steg. Först adsorption av järn(II) till ytor med järn(III)hydroxid, därefter oxidation av adsorberad järn(II). Tillhörande differentialekvation för oxidationshastigheten utrycks på samma sätt förutom att adsorptionskapaciteten ingår. Den bestäms av mineralogin för järn(III)hydroxiden och pH. Detta har bekräftats experimentellt och visat att vid högre pH och större yta med järn(III)hydroxider går oxidationen snabbare.
Vid oxidation av järn(II) frigörs en mycket liten mängd energi vilken kan användas av järn(II)oxiderande bakterier, typ Gallionella ferruginea. Denna bakterie är helt beroende av denna process för sin energiförsörjning medans andra bakterier som Leptothrix ochracea kan i avsaknad av järn(II) eller syre använda en annan energi- och kemisk källa. De biologiskt producerade järn(III)hydroxiderna blir substrat för fortsatt oxidation av järn(II). Som ett resultat av heterogen oxidation av järn(II) på sandkornens yta i ett filter kommer hela filterbädden att växa. Det är inte fallet vid homogen och biologisk oxidation, då utfällt järn(II) spolas bort. Under backspolning kommer en del av på sandkornen adsorberat järn(III)hydroxid att spolas bort.
En uppskattning av andel heterogen oxidation kan göras utifrån en massbalans för inkommande och bortspolad mängd järn. Densiteten för den på sandkornen adsorberade järn(III)hydroxiden behöver då beräknas. Den observerade tillväxten av sandfilterbädden och den beräknade skiljer sig också på grund av att homogen och biologisk oxidation av järn(II) kan förekomma. I undersökta snabbsandfilter på Nederländska VV är andelen heterogen oxidation 25 – 90 % vid höga belastningar av järn, över 500 kg järn(II)/m2 x år. För lägre järnbelastningar <100 kg järn(II)/m2 x år är den andelen 10 – 25 %. Information om olika oxidationsprocesserna kan också fås från backspolning. Två olika försök beskrivs i artikeln. Det ena med inkommande vatten med lågt pH (ca 6) och hög halt järn, 3 – 8 mg/l, och det andra med högre pH (ca 8) och låg halt järn, 0,7 – 0,9 mg/l.
Utifrån backspolningshastighet och backspolningssekvenser med ett värde för mängd järn som belastat filtret visas tydligt att mängden järn som backspolas bort under 14 min inte alls når upp till den mängd som under föregående filtreringscykel belastat filtret. Detta gäller för filter vars filtrat har det lägre pH-värdet och den högre järnhalten. Det visar på filtertillväxt beroende på heterogen oxidation av järn(II). För filtret med högt pH-värde visar figur att allt järn som belastat filtret också avskiljs. Ingen ackumulation av järn, beroende bland annat på homogen oxidation med endast utfällda partiklar som fastnar i filterytan. Oxidationen sker i vattenkolumnen ovan filterytan. Bidraget från heterogen och biologisk oxidation kan styras genom uppehållstid, dvs lägre filterhastighet vilket ökar andelen biologisk oxidation eller lägre pH vilket gynnar heterogen oxidation.
Brunnar vars uttag består av en blandning av syresatt och järn(II)rikt vatten kan att sättas igen av järn(III)hydroxider och järnbakterier eller fälls endast järn(III)hydroxider ut i brunnens vattenmassa. Det senare likt homogen utfällning i ett snabbsandfilters vattenmassa, ovan filterytan. I ett filter kan full syremättnad uppnås genom föregående luftning vilket det inte kan i en brunn. Det innebär möjlighet att styra till homogen oxidation genom syremättnad i ett filter med ett pH-värde över 7,7. När homogen oxidation förekommer i en brunn så kommer järn(III)hydroxidflockarna att främst falla ut i vattenmassan och skapa problem med avlagringar i efterföljande rörsystem. Vid heterogen och biologisk oxidation i en brunn sker utfällningar också på ytor och då sätter brunnen igen med successivt mindre kapacitet.
Vad är det då som styr vilken typ av oxidation som sker vid uttag ur en brunn? Författarna beskriver järnutfällningshastigheten (mol/l × s) som funktion av pH för homogen- och heterogen oxidation. Den visar för låga hastigheter som vid igensättning av brunnar att dessa oxidationstyper sker inom olika pH områden, homogen oxidation vid höga pH-värden (pH>7) och heterogen vid lägre pH-värden (pH<7). Detta förklarar delvis när det främst sker utfällningar i brunnsfilter med minskad kapacitet eller när det främst sker avlagringar av järn(III)hydroxider i efterföljande pump och rörsystem. En figur i rapporten visar järn(II)halten som funktion av pH och indirekt syrehalt (låg till högre halt nitrat, NO3). I den visas också vilka typer av oxidation som sker och risk för igensättning av brunnar.
Lägst risk är vid lågt innehåll av järn(II), <0,02 mg/l oberoende av pH-värde. Även vatten fritt från syre oberoende av pH som innehåller höga järn(II)halter orsakar inte några utfällningar. De förhållanden som orsakar störst utfällning och igensättning är pH-värden mellan 6 och 7 med järn(II)halter >0,1 mg/l upptill fler mg/l med syrehalter motsvarande nitrathalter > 3 mg/l.
Slutsatser
Vid avskiljning av järn(II) genom oxidation och filtrering och vid igensättning av brunnar pga utfällning av järn(III)hydroxider sker likadana reaktioner. Vilken av oxidationsprocesserna, homogen, heterogen eller biologisk som dominerar bestäms av pH, O2 koncentration, specifik yta, flödeshastighet, kontinuerlig/intermittent driftsätt. Självklart är det fler möjligheter att optimera förutsättningarna i ett snabbsandfilter jämfört med i en brunn genom till exempel backspolningslängd/frekvens och uppehållstid. Men genom att även för drift av brunnar kvantifiera förutsättningar som funktion av pH-värde och koncentration av syre skapas en större förståelse och därmed möjlighet till effektivare drift.
Egna reflexioner
Artikeln är intressant med tanke på de stora och återkommande problem med igensättningar av brunnar som finns. En fråga som inte alltid ställs är förutsättningar vid brunnen och hur dessa kan påverkas för att minska framförallt igensättningar.
Källa: C. G. E. M. van Beek, C. H. M. Hofman-Caris and G. J. Zweere. Drinking water treatment and chemical well clogging by iron(II) oxidation and hydrous ferric oxide (HFO) precipitation. Journal of Water Supply: Research and Technology—AQUA | 69.5 | 2020 s 427-437
