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；隨著對地下水除鐵除錳氧化機理研究的不斷深入，現(xiàn)已開發(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，再通過沉淀、錳砂過濾得以去除，除鐵氧化反應見式l—l：4Fe2+＋O2+2H20＝4Fc3+＋OH－(1一1) 自然氧化除錳時，由于Mn2+的氧化還原電位高于Fe2+，所以在pH>9．0時，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、反應沉淀、過濾組成，其特點是：工藝過程復雜，設備龐大，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，直接進入錳砂濾池過濾，隨著運行時間的加長，錳砂濾料上逐步被鐵錳氧化物包覆而形成對地下水中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活性濾膜的催化氧化作用將Fe2+、Mn2+氧化的工藝過程。研究發(fā)現(xiàn)：對Fe2+氧化起催化作用的成分主要為Fe(0H)3?2H20，稱為“鐵質(zhì)活性濾膜”，反應原理式見式1—2和l一3：對Mn2+氧化起自催化作用的成分主要為Mn02?xH20，反應原理式見為式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) 接觸氧化法是對自然氧化法的一大改進。簡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，但在實際應用中仍存在著以下一些問題：接觸氧化法的活性濾膜需要在運行過程中逐步形成，一般形成周期稱為“成熟期”。實際應用中，不同的濾料成熟期各不同，即使對同一種錳砂濾料，工藝參數(shù)控制的不同，成熟期也相差很大，使操作運行不易控制和管理。對一般建成后需要立即達到除鐵錳效果的情況無法完成。除鐵效果較好，但除錳效果較差，除錳機理有待于進一步發(fā)展與完善，尤其是當水中有鐵錳的絡合物時。地下水中鐵錳共存時，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)，單級接觸氧化除鐵除錳工藝可以同時去除鐵錳；當原水鐵錳含量較高時(含鐵濃度>10mg/L，含錳濃度>3mg／L)，需要采用兩級接觸氧化除鐵除錳工藝才能完成鐵錳的去除。
3、生物法
 生物法是我國八十年代末發(fā)展起來的地下水除鐵除錳新方法，即利用鐵細菌生物氧化作用，以期對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。鐵細菌除錳生化機理進行了深入探討，證明了除鐵除錳濾池中鐵細菌對除錳的重要貢獻，將地下水除鐵除錳研究推進到高效生物處理的新階段。對鐵錳共存的地下水(含鐵濃度6－9mg／L，含錳濃度1．5－2．2mg／L)利用生物法進行了研究，試驗結(jié)果表明：可在一級過濾中通過低強度曝氣達到同時去除鐵錳的目的，并且鐵細菌對環(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度、降低反沖洗強度和延長過濾周期，從而降低了制水成本。國外很多學者從不同的角度對地下水生物法除鐵除錳這一技術(shù)進行了研究，在理論和應用上獲得較大進展，研究結(jié)果也證明了生物除錳的強大效能。生物法的一些優(yōu)勢使其成為地下水除鐵除錳的一個新的發(fā)展方向。通常生物法都以地下水中鐵錳的無機形態(tài)為研究對象，因此，對于利用生物法去除含有高濃度有機質(zhì)地下水中的鐵錳效果有待于進 一步研究。當原水中含有高濃度無機鐵(含鐵濃度16－20mg/L)時，單級錳砂過濾工藝難以同時去除鐵錳，只有采用兩級除鐵除錳工藝可以將鐵錳含量降到飲用水標準。此時，采用生物法去除鐵錳也未必是一種經(jīng)濟可行的方法。目前生物除錳的機理還處于較初級的實驗研究階段，盡管鐵細菌的篩選、馴化己獲得一定成功，但采用實驗室篩選馴化菌種接種方法，對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)費用巨大，經(jīng)濟上不可行。
4、強氧化劑氧化法
 地下水中的鐵錳通常是以還原態(tài)存在的，因此采用強氧化劑可快速使其氧化，并且氧化過程通常不受水中其它雜質(zhì)的影響。具有高效、及時、快速、徹底的優(yōu)點。二氧化氯作為預氧化劑當前在歐洲許多大城市普遍使用，例如，比利時的布魯塞爾、瑞士的蘇黎士和伯爾尼、德國的柏林和杜塞爾多夫、法國的巴黎以及奧地利的維也納等。一般常用于水處理的強氧化劑有：臭氧、高錳酸鉀、氯和二氧化氯。都可以對水中的鐵錳進行氧化，但各種氧化劑的特性不同，應用條件也不相同。（1）、臭氧氧化法
 臭氧是一種很強的氧化劑，可以在比較低的pH(6．5以下)和無催化的條件下，使水中的二價鐵和錳完全氧化，其反應式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?shù)叵滤�中含有自然有機質(zhì)(NOM)腐殖質(zhì)和富里酸時，會在很大程度上影響臭氧氧化效果。并且在用臭氧進行水處理的過程中，要特別注意臭氧的投加量，若臭氧過量，會使水中的二價錳被氧化為高錳酸根而使水呈現(xiàn)粉紅色，還需要進行還原過濾，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反應，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迅速，無持續(xù)性。而臭氧在水中的溶解度較低，當含鐵錳的地下水較為渾濁時，臭氧與水的混合如不充分，則會大大降低臭氧對鐵錳的氧化作用。另外目前臭氧發(fā)生裝置昂貴、操作復雜，耗電量大，運行費用高。例：對于一個日處理量為38萬m3的水廠，按臭氧投量1．Omg／L計，以空氣作氣源，能耗按19．9Kwh/kg臭氧，每日電力消耗高達7，560kwh。
（2）、高錳酸鉀氧化法高錳酸鉀能迅速將二價鐵(Fe2+)氧化為三價鐵(Fe3+)，而且在微酸性和中性條件下將二價錳離子(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)混凝沉淀過濾去除，其反應見式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，特別注意高錳酸鉀的投量，投量過低不能將所有的鐵錳氧化，而投量過多則會引起水呈現(xiàn)粉紅色。此外，高錳酸鉀引起的沉淀在過濾床上會產(chǎn)生泥球很難去除，降低了濾床過濾效果。
（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。其對水中的鐵通常具有較高的氧化去除效果，但對地下水除錳，在中性條件下，一般氧化速度極慢，投氯量需要高達5一lOmg/L時才有效，當水中的pH提高到9．O以上時，除錳反應速度才會明顯加快。氯氧化通常會受到水中氨氮、有機質(zhì)等的影響。當原水中存在自然有機質(zhì)(NOM)時，預氯化會生成大量有機消毒副產(chǎn)物(ODBPs)，如三鹵甲烷(THMs)和鹵乙酸(HAAs)等。因此目前氯作為預氧化劑已受到限制。另外氯會與水中的氨氮反應，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
 二氧化氯氧化性遠遠大于氯氣，對水中二價鐵和二價錳能迅速氧化，形成不溶性沉淀。一般與水接觸反應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+的反應可分為兩步，詳細的過程可參見本論文第二章的介紹。式l一10和l一11是反應綜合式：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) 以上反應在中性或堿性pH值優(yōu)先發(fā)生；c102也能氧化有機鍵合鐵錳，而氯與有機鍵合鐵錳不反應。二氧化氯在水處理過程中一般不與水中的有機物氯化形成氯代副產(chǎn)物(DBPs)，也不與氨氮反應。因此常用來作為水處理預氧化的首選氧化劑。本研究也是在此基礎上，以二氧化氯預氧化工藝來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，一般僅應用于特殊的條件及范圍，在此不作詳細介紹。
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