錳砂濾料地下水除鐵除錳工藝方法

錳砂濾料地下水除鐵除錳工藝方法；隨著對(duì)地下水除鐵除錳氧化機(jī)理研究的不斷深入，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種地下水除鐵除錳技術(shù)，目前常用的主要有以下幾種工藝方法介紹如下；

1、自然氧化法
自然氧化法除鐵除錳就是以空氣中的氧氣作為氧化劑，地下水經(jīng)過(guò)充分的曝氣充氧后，將Fe2+氧化為Fe3+，并以氫氧化物沉淀的形式析出，再通過(guò)沉淀、錳砂過(guò)濾得以去除，除鐵氧化反應(yīng)見(jiàn)式l—l：4Fe2+＋O2+2H20＝4Fc3+＋OH－(1一1) 自然氧化除錳時(shí)，由于Mn2+的氧化還原電位高于Fe2+，所以在pH>9．0時(shí)，氧化速率才明顯加快，而一般地下水的pH為6．O～7．5，僅靠曝氣散除C02以提高pH值的常規(guī)方法很難將水的pH提高到9．O以上，所以除錳必須另外投加堿。自然氧化法工藝通常由曝氣、反應(yīng)沉淀、過(guò)濾組成，其特點(diǎn)是：工藝過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備龐大，處理效果不穩(wěn)定，工程投資高。因此從60年代起逐步被接觸氧化法所代替。
2、接觸氧化法
地下水經(jīng)曝氣后，直接進(jìn)入錳砂濾池過(guò)濾，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，錳砂濾料上逐步被鐵錳氧化物包覆而形成對(duì)地下水中Fe2+、M鏟+的氧化有自催化作用的“活性濾膜”。接觸氧化法就是指通過(guò)活性濾膜的催化氧化作用將Fe2+、Mn2+氧化的工藝過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)Fe2+氧化起催化作用的成分主要為Fe(0H)3?2H20，稱(chēng)為“鐵質(zhì)活性濾膜”，反應(yīng)原理式見(jiàn)式1—2和l一3：對(duì)Mn2+氧化起自催化作用的成分主要為Mn02?xH20，反應(yīng)原理式見(jiàn)為式1-4和1－5：Fe(OH)3?2H20+Fe2+=Fe(OH)2-(0Fe)?2H20+H＋(1—2) Fe(OH)2+(OFe)?2H20+1/402+5/2H2＝2Fe(OH)3?2H20+H＋(1—3) Mn2++Mn02?xH20＝Mn02?MnO?(x．1)H20＋2H＋(1一4) Mn02.MnO。(x-1)H20+l／202+H20＝2Mn02?xH20 (1—5) 接觸氧化法是對(duì)自然氧化法的一大改進(jìn)。簡(jiǎn)化了自然氧化法的工藝流程，提高了除鐵除錳的效果和穩(wěn)定性，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著以下一些問(wèn)題：接觸氧化法的活性濾膜需要在運(yùn)行過(guò)程中逐步形成，一般形成周期稱(chēng)為“成熟期”。實(shí)際應(yīng)用中，不同的濾料成熟期各不同，即使對(duì)同一種錳砂濾料，工藝參數(shù)控制的不同，成熟期也相差很大，使操作運(yùn)行不易控制和管理。對(duì)一般建成后需要立即達(dá)到除鐵錳效果的情況無(wú)法完成。除鐵效果較好，但除錳效果較差，除錳機(jī)理有待于進(jìn)一步發(fā)展與完善，尤其是當(dāng)水中有鐵錳的絡(luò)合物時(shí)。地下水中鐵錳共存時(shí)，一般先除鐵后除錳，在鐵錳含量都比較低的情況下(原水含鐵濃度＜2mg/L，含錳濃度<1．5mg/L)，單級(jí)接觸氧化除鐵除錳工藝可以同時(shí)去除鐵錳；當(dāng)原水鐵錳含量較高時(shí)(含鐵濃度>10mg/L，含錳濃度>3mg／L)，需要采用兩級(jí)接觸氧化除鐵除錳工藝才能完成鐵錳的去除。
3、生物法
 生物法是我國(guó)八十年代末發(fā)展起來(lái)的地下水除鐵除錳新方法，即利用鐵細(xì)菌生物氧化作用，以期對(duì)難以氧化的錳獲得良好去除效果，并迸一步降低工程投資及制水成本。鐵細(xì)菌除錳生化機(jī)理進(jìn)行了深入探討，證明了除鐵除錳濾池中鐵細(xì)菌對(duì)除錳的重要貢獻(xiàn)，將地下水除鐵除錳研究推進(jìn)到高效生物處理的新階段。對(duì)鐵錳共存的地下水(含鐵濃度6－9mg／L，含錳濃度1．5－2．2mg／L)利用生物法進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：可在一級(jí)過(guò)濾中通過(guò)低強(qiáng)度曝氣達(dá)到同時(shí)去除鐵錳的目的，并且鐵細(xì)菌對(duì)環(huán)境溶解氧(DO)、pH的耐受范圍較寬；生物法可大幅度降低曝氣強(qiáng)度、降低反沖洗強(qiáng)度和延長(zhǎng)過(guò)濾周期，從而降低了制水成本。國(guó)外很多學(xué)者從不同的角度對(duì)地下水生物法除鐵除錳這一技術(shù)進(jìn)行了研究，在理論和應(yīng)用上獲得較大進(jìn)展，研究結(jié)果也證明了生物除錳的強(qiáng)大效能。生物法的一些優(yōu)勢(shì)使其成為地下水除鐵除錳的一個(gè)新的發(fā)展方向。通常生物法都以地下水中鐵錳的無(wú)機(jī)形態(tài)為研究對(duì)象，因此，對(duì)于利用生物法去除含有高濃度有機(jī)質(zhì)地下水中的鐵錳效果有待于進(jìn) 一步研究。當(dāng)原水中含有高濃度無(wú)機(jī)鐵(含鐵濃度16－20mg/L)時(shí)，單級(jí)錳砂過(guò)濾工藝難以同時(shí)去除鐵錳，只有采用兩級(jí)除鐵除錳工藝可以將鐵錳含量降到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，采用生物法去除鐵錳也未必是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。目前生物除錳的機(jī)理還處于較初級(jí)的實(shí)驗(yàn)研究階段，盡管鐵細(xì)菌的篩選、馴化己獲得一定成功，但采用實(shí)驗(yàn)室篩選馴化菌種接種方法，對(duì)于大中型除鐵錳錳砂濾池，盡管技術(shù)上可行，但菌種培養(yǎng)費(fèi)用巨大，經(jīng)濟(jì)上不可行。
4、強(qiáng)氧化劑氧化法
 地下水中的鐵錳通常是以還原態(tài)存在的，因此采用強(qiáng)氧化劑可快速使其氧化，并且氧化過(guò)程通常不受水中其它雜質(zhì)的影響。具有高效、及時(shí)、快速、徹底的優(yōu)點(diǎn)。二氧化氯作為預(yù)氧化劑當(dāng)前在歐洲許多大城市普遍使用，例如，比利時(shí)的布魯塞爾、瑞士的蘇黎士和伯爾尼、德國(guó)的柏林和杜塞爾多夫、法國(guó)的巴黎以及奧地利的維也納等。一般常用于水處理的強(qiáng)氧化劑有：臭氧、高錳酸鉀、氯和二氧化氯。都可以對(duì)水中的鐵錳進(jìn)行氧化，但各種氧化劑的特性不同，應(yīng)用條件也不相同。（1）、臭氧氧化法
 臭氧是一種很強(qiáng)的氧化劑，可以在比較低的pH(6．5以下)和無(wú)催化的條件下，使水中的二價(jià)鐵和錳完全氧化，其反應(yīng)式1—6和式1—7。2Fe2+＋3+5H20=2Fe(0H)3+02+4H＋(1—6) 2Mn2++203+4H20=MnO(OH)2+02+4H+ (1—7) 研究表明，當(dāng)?shù)叵滤�中含有自然有機(jī)質(zhì)(NOM)腐殖質(zhì)和富里酸時(shí)，會(huì)在很大程度上影響臭氧氧化效果。并且在用臭氧進(jìn)行水處理的過(guò)程中，要特別注意臭氧的投加量，若臭氧過(guò)量，會(huì)使水中的二價(jià)錳被氧化為高錳酸根而使水呈現(xiàn)粉紅色，還需要進(jìn)行還原過(guò)濾，從而增加處理難度。另外水源中的溴化物與臭氧生成溴酸鹽是危險(xiǎn)反應(yīng)，大量資料已證明溴酸鹽是一種潛在的致癌物。臭氧的主要特性是反應(yīng)迅速，無(wú)持續(xù)性。而臭氧在水中的溶解度較低，當(dāng)含鐵錳的地下水較為渾濁時(shí)，臭氧與水的混合如不充分，則會(huì)大大降低臭氧對(duì)鐵錳的氧化作用。另外目前臭氧發(fā)生裝置昂貴、操作復(fù)雜，耗電量大，運(yùn)行費(fèi)用高。例：對(duì)于一個(gè)日處理量為38萬(wàn)m3的水廠，按臭氧投量1．Omg／L計(jì)，以空氣作氣源，能耗按19．9Kwh/kg臭氧，每日電力消耗高達(dá)7，560kwh。
（2）、高錳酸鉀氧化法高錳酸鉀能迅速將二價(jià)鐵(Fe2+)氧化為三價(jià)鐵(Fe3+)，而且在微酸性和中性條件下將二價(jià)錳離子(Mn2+)迅速氧化為二氧化錳(Mn02)，而高錳酸鉀本身則還原為Mn02，生成的Mn02經(jīng)混凝沉淀過(guò)濾去除，其反應(yīng)見(jiàn)式1—8和式1—9。3Fe2++Mn04．+2H20=3 Fe3++Mn02+40H。(1—8) 3Mn2++2KMn04+2H20=5Mn02+2K++4H+ (1—9) 使用高錳酸鉀時(shí)，特別注意高錳酸鉀的投量，投量過(guò)低不能將所有的鐵錳氧化，而投量過(guò)多則會(huì)引起水呈現(xiàn)粉紅色。此外，高錳酸鉀引起的沉淀在過(guò)濾床上會(huì)產(chǎn)生泥球很難去除，降低了濾床過(guò)濾效果。
（3）氯氧化法
氯是最常用的水處理氧化劑之一，具有成本低、工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)。其對(duì)水中的鐵通常具有較高的氧化去除效果，但對(duì)地下水除錳，在中性條件下，一般氧化速度極慢，投氯量需要高達(dá)5一lOmg/L時(shí)才有效，當(dāng)水中的pH提高到9．O以上時(shí)，除錳反應(yīng)速度才會(huì)明顯加快。氯氧化通常會(huì)受到水中氨氮、有機(jī)質(zhì)等的影響。當(dāng)原水中存在自然有機(jī)質(zhì)(NOM)時(shí)，預(yù)氯化會(huì)生成大量有機(jī)消毒副產(chǎn)物(ODBPs)，如三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)等。因此目前氯作為預(yù)氧化劑已受到限制。另外氯會(huì)與水中的氨氮反應(yīng)，降低氯的氧化性能，使氯氧化除鐵除錳的效率降低。
（4）二氧化氯氧化法
 二氧化氯氧化性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氯氣，對(duì)水中二價(jià)鐵和二價(jià)錳能迅速氧化，形成不溶性沉淀。一般與水接觸反應(yīng)5min以后，用徑O．45um濾紙能把這些氧化物濾除99％以上。二氧化氯氧化Fe2+、Mn2+成Fe3+、Mn4+的反應(yīng)可分為兩步，詳細(xì)的過(guò)程可參見(jiàn)本論文第二章的介紹。式l一10和l一11是反應(yīng)綜合式：C102+5Fe(HC03)2+3H20＝5Fe(OH)3+10C032-+Cl一＋
4H＋(1—10) C102+5Mn2+＋6H2O=5Mn02(s)＋2Cl一十12H＋(1－11) 以上反應(yīng)在中性或堿性pH值優(yōu)先發(fā)生；c102也能氧化有機(jī)鍵合鐵錳，而氯與有機(jī)鍵合鐵錳不反應(yīng)。二氧化氯在水處理過(guò)程中一般不與水中的有機(jī)物氯化形成氯代副產(chǎn)物(DBPs)，也不與氨氮反應(yīng)。因此常用來(lái)作為水處理預(yù)氧化的首選氧化劑。本研究也是在此基礎(chǔ)上，以二氧化氯預(yù)氧化工藝來(lái)探討去除水中鐵錳的技術(shù)參數(shù)和控制條件。此外，其它還有不少去除鐵錳的方法，如活性炭吸附去除法、錳離子交換法、離子樹(shù)脂交換法、混凝法、聚磷酸鹽處理法、硅酸鈉處理法等，一般僅應(yīng)用于特殊的條件及范圍，在此不作詳細(xì)介紹。
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