北方城鎮(zhèn)地下水鐵錳處理工藝淺析

梁宸 陳鑫鵬 楊天浩

【摘?要】本文對(duì)比分析了北方城鎮(zhèn)地下水鐵錳處理工藝的特點(diǎn)，并對(duì)某城鎮(zhèn)地下水采用“曝氣-藥劑軟化-催化氧化過濾法”進(jìn)行鐵錳去除實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：最佳曝氣時(shí)間為3min，復(fù)合藥劑中氧化鈣最佳投加量為0.01mg/L，碳酸鈉最佳投加量為1.0mg/L。

【關(guān)鍵詞】北方城鎮(zhèn);地下水;除鐵錳;工藝分析

一、引言

我國(guó)許多地區(qū)地下水鐵錳超標(biāo)[1]。在天然地下水中，鐵為水溶性的陽(yáng)極離子，在其流經(jīng)地面并接觸到空氣后含鐵的地下水呈現(xiàn)淡黃色，這主要是由于氧氣與鐵離子發(fā)生氧化反應(yīng)而生成橙黃色的氫氧化鐵沉淀物所致。鐵和錳是人體內(nèi)必需的元素，但當(dāng)水中含鐵量> 0.3mg/L、錳離子含量>0.l mg/L時(shí)，水將會(huì)變渾，并會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)造成巨大影響。因此，減低水中鐵錳離子濃度，對(duì)保證人民的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是至關(guān)重要的。

二、地下水鐵錳離子的處理工藝

2.1接觸氧化法除鐵錳

地下水除鐵錳是氧化還原反應(yīng)過程，其中射流曝氣除鐵錳是一種簡(jiǎn)單有效的除鐵錳方法，通過高壓器使被吸入的空氣充分與水流混合，令原水中的鐵錳離子快速氧化，然后迅速通過過濾器沉淀從而達(dá)到去除鐵錳的目的。

地下水鐵錳的處理一般采用雙層技術(shù)。第一步是將氧溶解在水中，將二價(jià)鐵氧化成難溶于水的三價(jià)鐵，第二步是采用絮凝的方法，去除三價(jià)鐵的沉積物從而達(dá)到凈水目的。錳主要以二氧化錳形式存在，是一種將鐵氧化到三氧化二鐵良好的催化劑。含鐵的地下水pH值為5.5或更高，當(dāng)與精煉的錳砂接觸時(shí)，錳砂會(huì)將二價(jià)鐵離子氧化為三價(jià)鐵離子，因此純錳砂有催化劑和過濾的雙重作用。

在此過程中，錳砂過濾的原理是在過濾提煉的過程中錳砂過濾材料的表面活性層逐漸變?yōu)殍F過濾薄膜層形成了催化劑的作用。活性過濾膜由R型氫氧化鐵構(gòu)成層，能與二價(jià)鐵離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)，置換等量的氫離子。化合物的二價(jià)鐵被迅速氧化水解，氫氧化亞鐵再生，能夠產(chǎn)生催化劑物質(zhì)。新生成的氫氧化亞鐵作為活性過濾膜的材料，也參與了新的鐵離子去除過程，因此活性過濾膜去除鐵錳是自動(dòng)催化過程。通過錳砂過濾器對(duì)水中的鐵離子進(jìn)行處理，處理工藝流程為曝氣→接觸氧化→吸附過濾→反洗。

2.2通過化學(xué)藥劑軟化法

化學(xué)藥劑軟化法是用強(qiáng)氧化化學(xué)試劑如高錳酸鉀氧化水中的二價(jià)鐵。通過化學(xué)藥劑氧化作用將二價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為三價(jià)鐵，并將二價(jià)錳轉(zhuǎn)化為二氧化錳，然后通過氧化反應(yīng)從而改變水中酸性，最終將三價(jià)鐵沉淀到含鐵的氫氧化鐵中，這樣鐵離子就可以從水中去除。

2.3活性炭吸附法

活性炭是一種性能良好的吸附劑，利用物理及化學(xué)方法將木炭作為原料，通過粉碎、篩分、催化劑的活性化、漂洗、干燥、篩選及一系列的加工及制造工藝，使其具有物理吸附和化學(xué)吸附雙重特性。活性炭可選擇性地吸附氣相、液相各種物質(zhì)，達(dá)到脫色、消毒、除臭、凈化的目的，具有高的吸附凈化能力，以達(dá)到降低鐵錳離子含量的目的。

2.4活性濾膜法

樣品活性濾膜上存在對(duì)鐵和錳具有生物氧化作用的微生物，以去除水中的鐵和錳。如濾膜上的鐵細(xì)菌分泌氧化還原酶粘附在細(xì)胞外，二價(jià)鐵被氧化變成一種不溶性氫氧化物[2]。一些鐵細(xì)菌將吸附的鐵轉(zhuǎn)移給細(xì)菌，并將其重新氧化，以獲得生物生長(zhǎng)所需的能量，同時(shí)細(xì)菌利用自身有機(jī)成分釋放和氧化有機(jī)鐵。錳的氧化機(jī)理與鐵相似，錳的去除往往是在二氧化錳存在濾層的情況下進(jìn)行的，錳離子更容易吸附在二氧化錳上從而被催化氧化。活性聯(lián)氨膜的氧化是一個(gè)自催化過程，鐵、錳的氧化不僅取決于細(xì)菌的氧化作用，還取決于細(xì)菌的整體作用。鐵細(xì)菌通過催化氧化活動(dòng)分泌酶，其他鐵細(xì)菌則分泌不同的氧化物，基本上所有的氧化酶都能促進(jìn)鐵的催化氧化。高價(jià)態(tài)的錳化合物堆積在過濾器物質(zhì)的表面，形成高價(jià)態(tài)錳化合物的結(jié)晶體，并在結(jié)晶體的基礎(chǔ)上形成活性膜。過濾器膜形成后，在整個(gè)過濾層中形成完整的化學(xué)和物理機(jī)制。反應(yīng)性過濾器膜可持續(xù)氧化鐵和錳，進(jìn)而去除鐵錳離子。鐵錳氧化細(xì)菌的活動(dòng)是主要部分，化學(xué)催化活動(dòng)只是小部分，微生物失活后如果不能在間隔時(shí)間內(nèi)更新過濾膜會(huì)逐漸老化，最終失去清除能力。

現(xiàn)如今，生物去除鐵錳離子工藝得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外使用了一些兩級(jí)生物反應(yīng)器和管道系統(tǒng)，第一級(jí)用于氧化，第二級(jí)用于去除殘留的鐵和錳。細(xì)菌在控制生物體內(nèi)錳含量方面起著重要作用，常見的菌株包括Gallia sp. lepto varys XSP和Siderocapsa[3，4]。

三、地下水鐵錳處理工藝案例分析

針對(duì)北方某城鎮(zhèn)的兩份地下水樣，分析其水質(zhì)特征。原水水樣均透明澄清，略有黃色，無(wú)味;出水水樣透明澄清，無(wú)色無(wú)味。在煮沸燒開后，兩份水樣表面均產(chǎn)生一層白色細(xì)小絮凝物浮渣。對(duì)該水樣采用“曝氣-藥劑軟化-催化氧化過濾法”，以一種復(fù)合的軟化藥劑為基礎(chǔ)，首先利用其中的主要化學(xué)成分氧化鈣和碳酸鈉，在適宜的pH值下，去除水中暫時(shí)硬度對(duì)后續(xù)催化氧化過濾工藝的影響，然后依靠錳砂的催化氧化過濾作用去除水中鐵錳，達(dá)到水的凈化目的。實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)實(shí)驗(yàn)顯示：最佳曝氣時(shí)間為3min，復(fù)合藥劑中氧化鈣最佳投加量為0.01mg/L，碳酸鈉最佳投加量為1.0mg/L。經(jīng)該方法燒開后的水，已無(wú)白色絮狀浮渣，其水質(zhì)也已達(dá)到我國(guó)《生活飲用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求。

四、結(jié)論

地下水中鐵錳超標(biāo)將給生活飲用水及工業(yè)用水帶來(lái)很大危害。通過組合工藝可有效降低地下水中鐵錳離子濃度，不僅解決了工業(yè)上的一系列難題，更為今后的地下水處理起到了良好的鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]張蔚，朱江龍.地下水鐵錳污染及治理方法[J]. 廣東化工，2018，45：163-164.

[2]宋玉梅.地下水除鐵除錳工藝分析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017，34：118.

[3]袁雅姝，陳正洋，傅金祥，等.地下水源除鐵錳濾池調(diào)試運(yùn)行實(shí)踐及思考[J].中國(guó)給水排水，36（15）：35-40.

[4]彭治軍.地下水中鐵錳超標(biāo)的治理[J].廣東化工，46（401）：130-131.

作者簡(jiǎn)介：

梁宸，（1999-），男，給排水科學(xué)與工程專業(yè)。

基金項(xiàng)目：

吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010191024）

（作者單位：吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院）