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，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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