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錳砂過(guò)濾器除鐵/除錳/除氟方法及工藝流程

關(guān)鍵字：地下水除鐵除錳 含鐵含錳地下水的水質(zhì)

我國(guó)有豐富的地下水資源，其中有不少地下水源含有過(guò)量的鐵和錳，稱(chēng)為含鐵含錳地下水。水中含有過(guò)量的鐵和錳，將給生活飲用及工業(yè)用水帶來(lái)很大危害。我國(guó)《生適飲用太衛(wèi)生規(guī)范》規(guī)定：鐵<0. 3mg/L,錳<0. 1mg/L,當(dāng)原水鐵、錳含量超過(guò)上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就要進(jìn)行處理。地下水含鐵量一般多在5-15mg/L,有的達(dá)20-30mg/L,超過(guò)30mg/L者則較為少見(jiàn)。含錳量多在0.5~2.0mg/L之間，但近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，含錳量超過(guò)2.0mg/L者也有，個(gè)別有高達(dá)5~10mg/L.

除鐵除錳方法

一、除鐵方法；

地下水除鐵方法很多，例如曝氣氧化法、氯氧化法、接觸過(guò)濾氧化法以及高錳酸鉀氧化

法等。實(shí)際應(yīng)用以曝氣氧化法、氯氧化法和接觸過(guò)濾氧化法為多。

1.曝氣氧化法：

(1)曝氣氧化法是利用空氣中的氧將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵使之析出，然后經(jīng)沉淀、過(guò)濾予以去除。

(2)除鐵所需的溶解氧計(jì)算式為

[O2]= 0. 14a[Fe²⁺]

式中[O2]-除鐵所需溶解氧量(mg/L);

[Fe²⁺]-水中二價(jià)鐵含量(mg/L) ;

a--過(guò)剩溶氧系數(shù)，一般取a=3-5.

2氯氧化法：

(1)氯是比氧更強(qiáng)的氧化劑，可在廣泛的pH范圍內(nèi)將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵，反應(yīng)瞬間即可完成。氯與二價(jià)鐵的反應(yīng)式為

2Fe2⁺+Cl₂=2Fe³⁺+2Cl

按此反應(yīng)式，每1mg/L的Fe2+理論上需0. 64mg/L的Cl,但由于水中尚存在能與氯化合的其他還原性物質(zhì)，所以實(shí)際所需投氯量要比理論值高。

(2)含鐵地下水經(jīng)加氯氧化后，通過(guò)絮凝、沉淀和過(guò)濾以去除水中生成的Fe(OH)懸浮物。當(dāng)原水含鐵量少時(shí)，可省去沉淀池；當(dāng)含鐵量更少時(shí)，還可省去絮凝池，采用投氯后直接過(guò)濾。

3.接觸過(guò)濾氧化法：

(1)接觸過(guò)濾氧化法是以溶解氧為氧化劑，以固體催化劑為濾料，以加速二價(jià)鐵氧化的

鐵方法。

(2)含鐵地下水經(jīng)曝氣充氧后進(jìn)入濾池，二價(jià)鐵首先被吸附于濾料表面，然后被氧化，氧生成物作為新的催化劑參與反應(yīng)，稱(chēng)為自催化氧化反應(yīng)。

(3)為避免過(guò)濾前生長(zhǎng)Fe3+膠體顆粒穿越濾層，應(yīng)盡量縮短充氧至進(jìn)入濾層的流經(jīng)時(shí)間。

二、除錳方法；

地下水中的錳一般以二價(jià)形態(tài)存在，是除錳的主要對(duì)象。錳不能被溶解氧化，也難于被氯直接氧化。工程實(shí)踐中主要采用的除錳方法有：高錳酸鉀氧化法、氯接觸過(guò)濾器法和生物固除錳除錳法等。

1.高錳酸鉀氧化法：

高錳酸鉀是比氯更強(qiáng)的氧化劑，它可以在中性和微酸性條件下迅速將水中二價(jià)錳氧化為四價(jià)錳。

3Mn²⁺+2KMnO₄+2H₂0=5MnO₂ +2K⁺+4H⁺

按上式計(jì)算，每氧化1mg/L二價(jià)錳，理論上需要1.9mg/L高錳酸鉀。

2.氯接觸過(guò)濾法：

(1)含Mn2+地下水投氯后，流經(jīng)包覆著MnO(OH)₂的濾層，Mn²⁺首先被MnO(OH)₂吸附，在MnO(OH)₂的催化作用下被強(qiáng)氧化劑迅速氧化為Mn²⁺ ,并與濾料表面原有的MnO(OH)₂形成某種化學(xué)結(jié)合物，新生的MnO((0H)₂仍具有催化作用，繼續(xù)催化氯對(duì)Mn²⁺的氧化反應(yīng)，錳砂濾料表面的吸附反應(yīng)與再生反應(yīng)交替循環(huán)進(jìn)行，從而完成除錳過(guò)程。

(2)過(guò)濾的濾料可采用天然錳砂。天然錳砂對(duì)Mn²⁺有相當(dāng)大的吸附能力。

(3)氯氧化Mn²⁺的理論消耗量為Mn²⁺:Cl=1:1.3,生產(chǎn)裝置的實(shí)際消耗量與此相近。

3.生物固錳除錳法：

(1)中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院、哈爾濱建筑大學(xué)與吉林大學(xué)經(jīng)多年研究，發(fā)現(xiàn)了除錳的生物氧化機(jī)制，確定了以空氣為氧化劑的生物固錳除錳技術(shù)。

(2)在pH中性范圍內(nèi)，二價(jià)錳的空氣氧化是以Mn²⁺氧化菌為主的生物氧化過(guò)程。Mn2+首先吸附于細(xì)菌表面，然后在細(xì)菌胞外酶的催化下氧化為Mn⁴⁺，從而由水中除去。

(3)含錳地下水經(jīng)曝氣充氧后(pH值宜在6.5以上)，進(jìn)入生物除錳濾池。生物除錳濾池必須經(jīng)除錳菌的接種。培養(yǎng)和馴化，運(yùn)行中濾層的生物量保持在幾十萬(wàn)個(gè)/g濕砂以上。曝氣也可采用跌水曝氣等簡(jiǎn)單的充氧方式。

三、影響除鐵除錳的主要因素；
1.鐵和錳在處理過(guò)程中的相互干擾；
地下水中往往同時(shí)含有Fe2+和Mn2+,在處理過(guò)程中存在相互的干擾。因此在處理工藝的選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)原水Fe2+和Mn2+的含量進(jìn)行統(tǒng)一考慮。
2.水中溶解硅酸的影響；
地下水中不同程度地含有溶解性硅酸。國(guó)內(nèi)含鐵含錳地下水中溶解性硅酸含量(以SiO₂計(jì)),一般在15-30mg/L之間。有些水源含量可超過(guò)30mg/L甚至高達(dá)60~80mg/L。

溶解性硅酸含量對(duì)曝氣氧化除鐵有明顯影響，溶解性硅酸能與Fe(OH)3表面進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，形成趨于穩(wěn)定的高分子，分子量在1萬(wàn)以上，Si/Fe比為0.4-0.7,所以溶解性硅酸含量越高，生成的Fe(OH)3粒徑越小，凝聚越困難。工程實(shí)踐表明，水的堿度較低和溶解性硅酸較高，特別是大于40~50mg/4時(shí)，就不能應(yīng)用空氣自然氧化法除鐵。
  采用氯氧化法除鐵，由于Cl2和Fe2+瞬間完成氧化反應(yīng)，故不受溶解性硅酸影響。采
用接觸過(guò)濾氧化法除鐵也可不受溶解性硅酸的影響。
  原水中溶解性硅酸對(duì)于生物固錳除錳幾乎沒(méi)有什么影響。
3.堿度、pH值的影響
  從鐵錳被去除的化學(xué)反應(yīng)方程式得知，水的pH值愈高，愈有利于反應(yīng)向鐵錳的氧化方向進(jìn)行。接觸氧化除要求水的pH值在6.0以上，接觸氧化除錳，要求水的pH值至少在7.0以上，最好達(dá)7.3-7.5以上。
  調(diào)查及試驗(yàn)結(jié)果表明：堿度對(duì)除鐵除錳的影響更甚于溶解硅酸，必要時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)前進(jìn)行模型試驗(yàn)，以便合理選擇曝氣型式及其設(shè)計(jì)參數(shù)。
4.有機(jī)物的影響
  能反映有機(jī)物的水質(zhì)指標(biāo)有NH3、NH4+、NO3-、NO2-、色度、耗氧量、總固體燒灼減重腐植酸等。
  在除鐵錳濾池中，作吸附劑、催化劑的熟砂濾料表面，吸附了大量難以被氧化的有機(jī)質(zhì)
鐵錳絡(luò)合物，它就降低了濾料的催化作用和氧化再生能力，從而使氧化過(guò)程和再吸附過(guò)程受
阻礙。
  排除有機(jī)物影響的方法很多。其中以在濾前水中連續(xù)加氯的方式最為經(jīng)濟(jì)、有效。
  除了上述影響因素外，尚有總硬度、硫化物、水溫等對(duì)鐵錳的去除均有不同程度的影響。

工藝流程

除鐵工藝流程：

(1)空氣自然氧化法：原水→曝氣→沉淀池→濾池→↓Cl2→除鐵水

(2)氯接觸過(guò)濾法：原水(Fe＞2mg/L)→↓Cl2→絮凝池(加PAC)→沉淀池→濾池→除鐵水

(3)接觸氧化法：原水→曝氣裝置→接觸過(guò)濾池→↓Cl2→除鐵水

空氣自然氧化不需投加藥劑，濾池負(fù)荷低，運(yùn)行穩(wěn)定，原水含鐵量高時(shí)仍可采用，但不適用于溶解性硅酸含量較高及高色度地下水。

氯氧化適應(yīng)能力強(qiáng)，幾乎適用于一切地下水。當(dāng)Fe2+量較低時(shí)，可取消沉淀池，甚至絮凝聚池。其缺點(diǎn)是形成的泥渣難以濃縮、脫水。

接觸氧化不需投藥、流程短，出水水質(zhì)良好穩(wěn)定，但不適合用于含還原物質(zhì)多、氧化速度以及高色度原水。

除錳工藝流程：

(1)高錳酸鉀氧化法：→↓KMnO4→絮凝→沉淀→過(guò)濾→

(2)氯接觸過(guò)濾法：→↓Cl2→過(guò)濾→

(3)生物固錳除錳法：→↓空氣→曝氣→生物過(guò)濾

除鐵、除錳工藝流程：

對(duì)于鐵、錳共存的地下水，其處理工藝流程一般可組合成以下幾種流程

(1)含鐵含錳原水→↓Cl2→絮凝池(加硫酸鋁)→沉淀池→除鐵濾池→除錳濾池→除鐵除錳原水

(2)含鐵含錳原水→↓空氣→除鐵濾池→↓Cl2→除錳濾池→除鐵除錳水

(3)含鐵含錳水→↓空氣→除鐵濾池→↓KMnO4→除錳濾池→除鐵除錳水

(4)含鐵含錳水→曝氣→生物除鐵除錳濾池→除鐵除錳水

(5)含鐵含錳水→曝氣→除鐵濾池→曝氣→生物除錳濾池→除鐵除錳水

流程(1)是以氯為氧化劑的化學(xué)氧化除鐵除錳流程。本流程是根據(jù)Fe2+與Mn2+氧化還原電位的差異而采用的兩級(jí)過(guò)濾流程，先用氯氧化除鐵，然后再用氯接觸過(guò)濾除錳。當(dāng)原水含錳、含鐵量較小時(shí)，也可應(yīng)用一級(jí)濾池除鐵、除錳。

為節(jié)省投氯量，可采用流程(2),先以空氣為氧化劑經(jīng)接觸過(guò)濾除鐵，再投氯用氯接觸過(guò)濾除錳。

流程(3)是先用空氣氧化接觸過(guò)濾除鐵，再用KMnO4除錳。當(dāng)Mn2+含量太于-1.0mg/L時(shí)需在除錳濾池前設(shè)沉淀池。

流程(4)是以空氣為氧化劑的接觸過(guò)濾除鐵和生物固錳除錳相結(jié)合的流程。該濾池濾層為生物濾層，存在著以除錳菌為核心的微生物群系。除鐵也在同一濾層完成，其氧化機(jī)制仍以接觸氧化為主。

當(dāng)含Fe²⁺量大于10mg/L.含Mn²⁺量大于1.0mg/L時(shí)，可采用兩級(jí)曝氣兩級(jí)過(guò)濾流程[流程(5)]。一級(jí)用作接觸氧化除鐵：二級(jí)用作生物除錳。