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錳砂濾料除鐵、除錳原理

作者:清鵬水處理     更新時(shí)間:23-03-27 08:35:38     瀏覽次數(shù):
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地下水除鐵除錳的有較長(zhǎng)的歷史。從60年代初,我國(guó)實(shí)驗(yàn)成功了天然錳砂濾料接觸氧化除鐵工藝,70年代確立了接觸氧化除鐵理論,80年代初,又開(kāi)發(fā)了接觸氧化除錳工藝,并迅速在生產(chǎn)上應(yīng)用推廣。90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的除鐵除錳機(jī)理提出了不同的看法,認(rèn)為地下水中鐵細(xì)菌的生物作用是鐵錳去除的主要原因。生物除鐵除錳理論的提出,給除鐵除錳工藝帶來(lái)了很多新理論,加深對(duì)這些理論的認(rèn)識(shí),對(duì)科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐都有重要的指導(dǎo)意義。

一、 錳砂除鐵理論與工藝
鐵的常見(jiàn)化合價(jià)有十2價(jià)和十3價(jià),地下水的氧化還原電位比較低,PH值在6.0~7.5之間,這種情況下鐵一般是以Fe2+的形式存在地下水中。鐵的氧化還原電位比氧低,易于被空氣中的氧所氧化,pH值對(duì)Fe2+的氧化速率有較大影響,在 pH>5.5的情況下,地下水的pH值每升高1.0,二價(jià)鐵的氧化速度就增大100倍

(1) 空氣自然氧化除鐵
建國(guó)初期,國(guó)內(nèi)地下水除鐵大多采用的自然氧化除鐵工藝。其基本原理是曝氣充氧后將亞鐵氧化為三價(jià)鐵,經(jīng)反應(yīng)沉淀之后,過(guò)濾將其去除。提高地下水的pH值能夠大大加快Fe2+氧化為Fe3+的速度。因此,空氣自然氧化工藝通常采用較大曝氣強(qiáng)度,在充氧的同時(shí)散除地下水中的游離CO2以提高pH值,曝氣后的pH值一般在7.0以上。盡管如此,空氣自然氧化除鐵工藝所需的停留時(shí)間仍較長(zhǎng),約2-3h,且由于三價(jià)鐵絮凝體較小。容易穿透濾層,影響水質(zhì)。另一方面,水中溶解性硅酸與三價(jià)鐵氫氧化物形成硅鐵絡(luò)合物: Fe3++Si0(OH)3-1=FeOSi(OH)32+使Fe(OH)3膠體凝聚困難,影響氫氧化鐵的絮凝,難以從水中分離。在地下水堿度較低時(shí),溶解性硅酸對(duì)除鐵效果影響尤為顯著。
(2)接觸催化氧化除鐵
接觸氧化除鐵,地下水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單曝氣要絮凝、沉淀而直接進(jìn)入濾池,在濾料表面催化劑的作用下,亞鐵迅速地氧化為三價(jià)鐵,并被濾層截留而去除。由于催化劑的作用,只要處理水的pH值高于6.0,F(xiàn)e2+就能順利的氧化為Fe3+。我國(guó)絕大多數(shù)地下水pH值都是高于6.0的,F(xiàn)e2+的氧化均能迅速完成,這樣就可以簡(jiǎn)化曝氣過(guò)程。曝氣只需要向水中充氧即可。接觸氧化除鐵工藝的構(gòu)筑物較為簡(jiǎn)單,水力停留時(shí)間只需5~30min即可。同時(shí),鐵的去除不受溶解性硅酸價(jià)的影響。出水總鐵濃度也隨著過(guò)濾時(shí)間的增加而減少。在周期時(shí)間內(nèi),水質(zhì)會(huì)越來(lái)越好。
接觸氧化除鐵的機(jī)理是催化氧化反應(yīng),起催化作用的是錳砂濾料表面的鐵質(zhì)活性濾膜。鐵質(zhì)活性濾膜吸附水中的亞鐵離子,被吸附的亞鐵離子在活性濾膜的催化作用下迅速氧化為三價(jià)鐵,并且使催化劑再生,反應(yīng)生成物為催化劑,又參與新的催化反應(yīng),鐵質(zhì)活性濾膜接觸氧化鐵的過(guò)程是一個(gè)自催化反應(yīng)過(guò)程。
關(guān)于鐵質(zhì)活性濾膜的化學(xué)組成有幾種不同的看法。李圭白認(rèn)為,鐵質(zhì)活性濾膜的化學(xué)組成為Fe(OH)3·2H2O。新鮮的濾膜具有很強(qiáng)的催化活性,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),濾膜老化脫水活性也逐漸降低,濾膜終老化生成FeOOH便喪失催化活性。而高井雄則認(rèn)為,在除鐵濾池中自然形成的羥基化鐵(FeOOH)的羥基表面起接觸催化作用。羥基氧化鐵不是以FeOOH所示的簡(jiǎn)單分子形式存在的,它是鐵原子、氧原子和固體內(nèi)氫原子三者相結(jié)合的巨大無(wú)機(jī)分子。
 (3)生物氧化除鐵

在除鐵的研究實(shí)踐中,有人在除鐵濾池中檢測(cè)到了鐵細(xì)菌的存在,并發(fā)現(xiàn)生物在鐵的去除過(guò)程中起很大作用,提出了生物除鐵的觀點(diǎn)。Pierre Mouchet[4]在低含鐵量(0.75~1.1 mg/L)和低含鐵量(0~0.7mg/L)的情況下發(fā)現(xiàn)生物在除鐵過(guò)程中有很大的作用,認(rèn)為生物是鐵去除的主要原因。Catherine V.Tremblay[5]也在低溶解氧含量下發(fā)現(xiàn)生物除鐵作用的存在。
在試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),生物在除鐵中的作用很小。試驗(yàn)采用兩個(gè)內(nèi)徑188m m的有機(jī)玻璃濾柱,濾砂均為剛投入運(yùn)行的新石英砂。其中一個(gè)濾柱每天用1%的HgCI2溶液浸泡濾層1~2h,另一個(gè)為對(duì)比柱。濾速為 6 m/h,進(jìn)水溶解氧大于6mg/L,進(jìn)水pH6.5,進(jìn)水總鐵的質(zhì)量濃度大于15 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果如圖1。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者處理效果基本相同,運(yùn)行不到十天兩個(gè)濾柱出水含鐵量已經(jīng)完全達(dá)標(biāo),說(shuō)明gao含鐵量地下水中,生物作用對(duì)于鐵的去除幾乎沒(méi)有影響。
二、錳砂濾料除錳理論與工藝
錳常見(jiàn)的化合價(jià)有十2,+4,+6,+7四種價(jià)位,其中十6價(jià)和十7價(jià)錳在天然水中一般不穩(wěn)定,實(shí)際中可以認(rèn)為不存在。+2價(jià)錳溶于水是要去除的主要對(duì)象,十4價(jià)錳則常以固體物質(zhì)MnO2及水合物的懸浮粒子形式存在于水中,其溶解度甚低,不足為害。錳比鐵去除難得多,F(xiàn)e2+在 pH>7.0的情況下就能夠迅速氧化為Fe3+,而水中二價(jià)錳則需在PH>9.5時(shí),才能比較迅速地氧化為MnO2析出。地下水的PH值一般在7.5以下,必須加以適宜條件,反應(yīng)才能進(jìn)行。
(1) 接觸氧化除錳

接觸氧化除錳工藝流程比較簡(jiǎn)單,原水經(jīng)簡(jiǎn)單曝氣之后進(jìn)入除錳濾池,在錳砂濾料表面的錳質(zhì)活性濾膜的作用下,Mn2十被水中的溶解氧氧化為MnO2,并吸附在濾料表面,使濾膜得到更新,該過(guò)程也是自催化反應(yīng)。
關(guān)于錳質(zhì)活性濾膜的組成有幾種不同的觀點(diǎn),李圭白認(rèn)為接觸催化物為MnO2,其反應(yīng)式為:2Mn2+ +(X-1)O2 + 4OH- = 2MnOX·zH2O+2(l—z)H2O范懋功[6]經(jīng)過(guò)紅外光譜測(cè)定認(rèn)為接觸氧化物應(yīng)該是Mn3O4。還有一種觀點(diǎn)則認(rèn)為活性濾膜是一種待定復(fù)合物,可用MnxFeOz·xH2O表達(dá),其結(jié)構(gòu)為六方晶系。
接觸氧化除錳與接觸氧化除鐵的工藝非常類(lèi)似,都是簡(jiǎn)單曝氣后直接過(guò)濾,水力停留時(shí)間短。但由于鐵錳性質(zhì)略有不同,因而影響因素也有所不同。前已述及,鐵的氧化還原電位比錳低,二價(jià)錳較難被氧化成四價(jià)錳,所以其濾速比除鐵濾速低,一般為8~10 m/h。而且二價(jià)鐵對(duì)四價(jià)錳成為還原劑,大大阻礙二價(jià)錳的氧化:2Fe2+ + MnO2 + 2H2O = 2Fe3+ + Mn2+ + 4OH- 錳的去除遠(yuǎn)較鐵為困難,鐵錳共存時(shí),鐵對(duì)錳的去除有干擾。在濾層中,要先完成對(duì)鐵的去除,才能開(kāi)始除錳,李圭白認(rèn)為要獲得穩(wěn)定的除錳效果,F(xiàn)e2+的界限質(zhì)量濃度約為2 mg/L。

(2)生物氧化除錳
生物除錳是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)提出的除錳理論,該觀點(diǎn)認(rèn)為除錳濾池中錳的去除主要是濾層中鐵細(xì)菌生物作用的結(jié)果,而不是傳統(tǒng)除錳理論所講的,錳是錳質(zhì)活性濾膜的化學(xué)催化作用去除的。而生物除錳理論還認(rèn)為,黑砂表層的錳質(zhì)活性濾膜并不僅僅是由錳的化合物所組成,而是錳的化合物和鐵細(xì)菌的共生體,且活性濾膜是在微生物的誘導(dǎo)作用下形成的。除錳濾池中,微生物氧化原水中的錳獲得能量,不斷繁殖并附著在濾料表面,同時(shí)被氧化的MnO2也沉積在濾料表面,與微生物形成一層“黑膜”,就是接觸氧化除錳工藝中的錳質(zhì)活性濾膜。濾層成熟后,濾膜不斷吸附水中的Mn2+,其中鐵細(xì)菌利用水中的溶解氧將Mn2+氧化為MnO2·mH2O并沉積在濾膜的表面,成為濾膜的一部分,使濾膜得到更新。吉林大學(xué)鮑志戎[7-8]將成熟的石英砂滅菌以后發(fā)現(xiàn)濾層的除錳能力急劇下降,且濾砂表層的黑膜亦逐漸脫落,從而證實(shí)生物作用是錳去除的主要原因,而錳質(zhì)活性濾膜則是微生物作用的結(jié)果,在滅菌以后,由于微生物死亡,濾膜不能及時(shí)更新,便逐漸老化脫落,喪失除錳能力。張杰[9]的試驗(yàn)研究也認(rèn)為,除錳是生物作用的結(jié)果,除錳濾池的成熟是濾層中微生物群落繁殖代謝,達(dá)到平衡的過(guò)程。 生物除錳的工藝流程與接觸氧化除錳工藝相同,曝氣后直接過(guò)濾,流程簡(jiǎn)單,構(gòu)筑物少,停留時(shí)間短。影響生物除錳濾池的因素比較多,在培養(yǎng)初期,濾池反沖洗的強(qiáng)度不宜太大,一般以10~14L/(s·m2)為宜。生物除錳對(duì)pH值的要求較寬,6.0以上就能有良好的除錳效果。
(3)現(xiàn)存的問(wèn)題及發(fā)展
生物除鐵除錳理論已經(jīng)有較多的研究,但是在生產(chǎn)實(shí)踐中仍有不少問(wèn)題存在、國(guó)外多位學(xué)者均發(fā)現(xiàn)了生物除鐵作用的存在,但是諸多試驗(yàn)表明在高鐵情況下生物除鐵作用微乎其微。生物除鐵究竟存在與否,以及在怎樣的水質(zhì)條件下存在,如原水含鐵量、溶解氧含量、PH值等,均是需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題。若生物除鐵存在,則其是否比接觸氧化除鐵更有優(yōu)勢(shì),如過(guò)濾周期是否更長(zhǎng),濾層含污能力是否更高等,都是對(duì)生產(chǎn)非常有意義的問(wèn)題,值得繼續(xù)研究。

生產(chǎn)實(shí)踐中,個(gè)物除錳尚存在一些無(wú)法解釋的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō),成熟的一級(jí)除鐵除錳濾池中,濾層上部是除鐵帶,下部為除錳帶。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),只有在濾層表面鐵細(xì)菌計(jì)數(shù)達(dá)到105數(shù)量級(jí)時(shí),濾池的除錳能力才成熟,可是濾層除錳帶卻常常只能到102-103數(shù)量級(jí)的鐵細(xì)菌。如果鐵細(xì)菌是除錳的主要原因,那為什么除錳作用往往發(fā)生在微生物數(shù)量較少的下層,而不是微生物數(shù)量較多的上層?[7-8]
發(fā)現(xiàn)Fe2十是鐵細(xì)菌除錳的誘導(dǎo)因素,在沒(méi)有Fe2十存在的情況下,鐵細(xì)菌無(wú)法利用水中的Mn2+。并且對(duì)于成熟的生物除錳濾層而言,如果連續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間不通入含鐵水,則濾層會(huì)逐漸喪失除錳能力,并發(fā)生漏錳現(xiàn)象,只有再通入含鐵水一段時(shí)間后濾層的除錳能力才能逐漸恢復(fù)。但是地下水進(jìn)入濾層后,F(xiàn)e2十往往在濾池上部10cm的濾層中就幾乎被全部氧化為Fe3十,下層的Fe2十含量微乎其微,即使進(jìn)水的Fe2十的質(zhì)量濃度大于15mg/L 亦是如此。為什么大部分Mn2十的去除是在幾乎不含F(xiàn)e2十的濾層下部完成,這也是生物除錳尚無(wú)法解釋的現(xiàn)象。而試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn),在兩級(jí)除鐵除錳過(guò)濾中,二級(jí)除錳濾柱在一級(jí)濾柱出水Fe2十含量沒(méi)有或者很小的情況下(<0.03mg/L=,除錳非常穩(wěn)定,而當(dāng)二級(jí)進(jìn)水Fe2十增加時(shí)發(fā)現(xiàn)除錳濾柱出現(xiàn)異常,分層取樣為過(guò)濾開(kāi)始lh后取樣,進(jìn)水亞鐵質(zhì)量濃度分別為 lmg/L和5 mg/L,PH為6.5,溶解氧大于5 mg/L。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),濾層中部的含錳量均超過(guò)進(jìn)水的含錳量,特別在進(jìn)水含鐵量較高時(shí)(5 mg/L)更甚,到濾層下部才逐漸降低。筆者推測(cè),出現(xiàn)這種情況的原因可能是高濃度的鐵阻礙了細(xì)菌對(duì)錳的攝取,破壞了除錳濾膜的平衡,使濾膜脫落,濾層中部的含錳量從而升高。脫落的濾膜被下層濾砂吸附,錳含量又逐漸降到正常的水平。這也許就是除錳一般發(fā)生在含鐵量微乎其微的二級(jí)濾柱或一級(jí)過(guò)濾中濾柱下部的原因。

★提示;在選擇錳砂濾料前應(yīng)先對(duì)原水進(jìn)行化驗(yàn)分析,根據(jù)水質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果和出水量設(shè)計(jì)要求;選擇經(jīng)過(guò)科學(xué)試驗(yàn)或者生產(chǎn)使用證明能夠獲得良好除鐵、除錳效果的tianran錳砂,品種規(guī)格合適粒徑級(jí)配合理的tianran錳砂做濾料,以免造成不必要的損失和麻煩。

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