地下水除铁除锰技术探讨样本.doc

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地下水除铁除锰技术探讨
RSS 打印 复制链接 大 中 小 发布时间: -04-27 08:27:51
1、 地下水除铁、 除锰原理
　　由于铁和锰的性质很相似, 因此去除铁和锰的原理也相同, 即: 用氧化法充分曝气, 把水中的溶解态的+2价铁和锰氧化成+3价铁和+4价猛的不溶态化合物, 经氧化和絮凝后, 生成的铁、 锰沉淀物可经过滤而去除, 从而达到除铁、 除锰的功效。
　　2、 传统地下水除铁、 除锰技术
　　长期以来, 人们一直使用物理化学的方法去除水中的二价铁和二价锰。美国从1950年就将锰质绿砂有效的运用到除铁和除锰过程。
　　2.1曝气氧化法
　　此法是利用空气中的氧气与水中的+2价铁和锰接触, 将其氧化成+3价铁和+4价锰的化合物, 然后经沉淀, 过滤达到除铁、 除锰的目的。此过程去除铁、 锰所需的PH值应不低于7.0, PH值越高, 氧化速度越快。向水中曝气的目的除了提供足够的氧气外, 还有去除水中的CO2以提高水的PH。
　　2.2曝气接触氧化法
　　经过曝气, 使得含有溶解氧的水经过含有铁质和锰质的活性滤料, 在所含铁质和二氧化锰的催化作用下, 二价的铁和锰的氧化速率大大加快, 进而被活性滤料去除。其中, 活性滤料能够是天然锰砂, 也可由普通的砂滤料经熟化而形成。接触氧化法所需的PH值不低于6.0, 一般要大于7.0。此过程曝气的目的是向水中提供足够的氧气。
　　2.3氯氧化法
　　氯是比氧更强的氧化剂, 当PH大于5.0时, 氯就能够迅速的将二价铁和锰氧化成三价铁和四价锰。经滤砂过滤, 去除生成的铁、 锰絮凝物。
　　2.4药剂氧化法
　　药剂氧化法是利用具有强氧化性的化学药剂来氧化水中的二价铁和二价锰。例如高锰酸钾氧化, 氯氧化等。
　　另外, 还有生物法去除水中的铁、 锰。
　　3、 改性滤料的性能
　　改性滤料是在载体( 普通石英砂滤料、 陶粒滤料或一些表面积大的天然材料) 表面涂以金属氧化物或氢氧化物, 在水分子存在的条件下, 金属氧化物表面具有大量的羟基集团, 羟基化后的表面能够与水中的金属离子发生离子交换反应, 从而改变原滤料颗粒表面的物理化学性质, 以提高滤料的截污能力。即使在中性环境中, 也能提高滤料对铁锰的吸附能力。与传统滤料相比, 改性滤料具有更多的表面吸附点位, 因此, 它比天然锰砂或石英砂具有更明显的除铁、 除锰优势。为增大滤料颗粒的表面分子结构的附着力, 必须在滤料表面形成具有较高范德华力常数的一层化学薄膜。薄膜中所含的化合物的分子量越大, 其对颗粒的吸附能力就越强。
　　当前, 国内外已对改性滤料进行了大量的研究工作。中国早在1950年, 李圭白先生等人在采用锰砂过滤去除地下水中的铁锰时取得了显著的效果。后来, 同济大学的严煦世等人也对改性滤料的应用方面作了大量的基础性研究工作; 国外对于改性滤料的研究范围更加广泛。1989年起, 美国华盛顿大学MarKM。Benjamin等人对铁化合物去除多种金属离子作了深入的研究, 发现改性滤料的过滤效果远远优于石英砂。在乌克兰基础建筑工业大学的一个课题组的研究结果也显示了改性滤料在去除铁锰的过程中能够缩短滤池的成熟期, 改进滤池成熟期前出水水质。
　　综合大量的实验研究, 发现改性滤料的过滤效果主要体现在以下几个方面:
　　( 1) 去除水中的悬浮杂质。同济大学高乃云等人采用氧化铝改性石英砂作为滤料, 进行强化过滤处理微污染水的实验研究, 结果发现石英砂经处理后的表面零电荷PH值由0.7-2.2提高到7.5-9.5。因此, 即使是微污染原水在采用改性的石英砂处理时, 不需要再添加任何混凝剂就能够达到降低浊度的目的。而且原水中的悬浮杂质以及微量溶解性有机物也有不同程度的去除。
　　( 2) 吸附水中的重金属离子, 如Pb2+、 Cd2+、 Cu2+、 Ni2+、 Cr2+等, 去除机理主要是化学吸附、 离子交换吸附和离子沉淀。
　　( 3) 去除水中的砷。MattewL.Pierce等人用无定型的氢氧化铁来吸附水中的As( Ⅲ) 和As( Ⅴ) , 结果表明, 在吸附剂和砷浓度比例恰当及适当的PH条件下, 能够使砷的去除率达到92%。
　　( 4) 去除水中的硒。利用氧化铝覆盖的砂粒作为吸附剂, 能够有效的去除水中的Se( Ⅵ) 和Se( Ⅳ) 。在适当的PH值、 吸附剂量以及吸附时间的条件下, Se的去除率可达将近100%。
　　( 5) 去除水中的微生物, 去除机理主要是利用滤料表面的电性、 强化静电吸附或者降低静电排斥。
　　4、 铁质滤膜、 锰质滤膜
　　当含有铁、 锰的水长期经过滤料表面时, 在滤料表面就会生成铁质和锰质滤膜。由于该性滤料对铁、 锰的吸附能力更强, 因此经过改性滤料能够缩短铁质、 锰质滤膜的形成时间, 自然条件下形成的铁质滤膜往往需要几个礼拜的时间, 而形成锰质滤膜的时间就更久。所形成的铁质、 锰质滤膜对铁、 锰的去除一般具有催化作用, 即我们所称的”活性滤膜”。
　　4.1铁质滤膜
　　在天然锰砂接触氧化除铁的过程中, 人们一直认为起接触催化作用的是二氧化锰, 但经过大量的实验发现, 天然锰砂表面在除铁过程中会附着一层铁质化合物, 按照以往人们的观点, 锰砂表面附着铁质化合物后, 其催化作用应该减弱, 然而, 实验结果恰恰相反, 锰砂的接触催化作用不但没有减弱, 反而有大大的提高。这说明起催化作用的不是锰质化合物, 而是铁质化合物, 即铁质活性滤膜, 天然锰砂对铁质活性滤膜只起到承载的作用。关于铁质活性滤膜的组成, 尚有不同的看法, 李圭白先生认为, 铁质活性滤膜的化学组成为, 新鲜的滤膜具有最强的催化活性, 随着时间的增长, 滤膜脱水、 老化, 催化活性也会随之减弱, 滤膜老化最终生成羟基氢氧化铁( FeOOH) , 之后便丧失催化活性; 高井雄提出, 在除铁滤池中自然形成的FeOOH的羟基表面起接触催化作用。现在经过实验方法已经研究出人工合成的与自然形成的滤膜具有相同除铁、 除锰作用的活性滤膜。
　　4.2锰质滤膜
　　利用接触氧化法形成锰质活性滤膜除锰的技术已经困扰人们多年, 问题在于锰质活性滤膜的形成需要很长的时间, 而且形成的滤膜不稳定, 经反冲洗后很容易脱落。实验中的锰砂是利用氯化锰和高锰酸钾经过滤料, 经重复处理以及人工的稳定处理, 在介质表面形成一层氧化膜( MnO2·H2O) 而形成的。MnO2·H2O所利用的是原水中的铁和锰, 它也是锰质滤膜的一个组成部分。在很多文章中, 我们能够看到对于锰质滤膜组分的看法, 李圭白先生在所著文章中写道, 锰质活性滤膜的主要成分是MnO2。而大量的实验研究表明, 锰质滤膜是很复杂的, 它是多种锰化合物的混合物, 可用化学式MnOx( x=1.33) 表示。近来有人认为它可能是黑锰矿( x=1.33-1.42) 和水黑锰矿( x=1.15-1.45) 的混合物。
　　对于锰质活性滤膜的制备虽有很多的意见, 但所生成的滤膜往往活性不强, 或者没有活性。对于铁和锰特别是锰的去除效率不高。实验室常见的方法是用氯化锰和高锰酸钾水浴加热, 然后使用活性氧化铝为介质, 对活性氧化铝进行改性, 在其表面附着一层锰的化合物, 由于所生成的物质呈黑色, 故又称为”黑砂”, 生成”黑砂”的反应式如下:
　　3Mn2++2MnO-4+2H2O=5MnO2↓+4H+
　　”黑砂”除锰的过程实质是绿砂表面的对水中锰离子的离子交换吸附, 吸附的锰继续被氧化成锰的高价氧化物, 从而能够达到催化剂的再生。虽然经过理论分析, 按照化学反应式, 锰质滤膜似乎是二氧化锰, 可是由于稳定的, 具有催化活性的锰质滤膜较铁质滤膜更难形成, 因此现在还未经过实验的方法人工合成与长期自然形成的具有相同催化活性的锰质滤膜。在这方面还有待于更多的实验研究。
　　5、 结语
　　由于铁和锰的毒理性很弱, 一般不会给人的身体带来危害, 因此人们对除铁、 除锰的关注不够深切。铁和锰的性质相似, 因此水处理过程中常将两者同步去除。但锰的氧化还原电位较铁的高, 因此比铁更难去除。现在一些地方已经建成除铁、 除锰水厂, 可是处理效果并不是很好。原因在于改性滤料制备过程的费用比较高, 因此不适用于大型的水处理厂; 对于铁质活性滤膜和锰质活性滤膜去除水中铁、 锰的研究还处于实验阶段, 技术尚不成熟。现在人们又把目光投向生物法去除铁、 锰, 而且已经取得一些成效。因此, 当前很多地方采用接触氧化法并在滤膜中接种微生物的方法来进行铁、 锰的去除, 这也将成为除铁、 除锰技术发展的新趋势。

浅谈嘎巴屯净水厂除铁、 锰工艺设计
RSS 打印 复制链接 大 中 小 发布时间: -03-02 12:18:00
简介: 经过对设计工艺的介绍, 阐述嘎巴屯净水厂机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理的工艺设计及特点, 阐明了设计中应注意和仍需解决的问题。
关键字: 曝气塔 无阀过滤器 处理工艺 问题
三台子矿区给水工程担负着辽宁铁法煤业集团公司小康矿、 大平矿及矿区居住区的供水任务, 设计总供水规模为18000m3/d, 工程分期建设, 一期杨家窝棚水源供水工程已先期投入使用, 供水规模为5000 m3/d, 二期二家子水源供水工程于1998年开始施工, 供水规模为13000m3/d, 1999年由于国家煤炭产业政策的调整与大平矿等其它矿区基建项目同时缓建, 10月二期给水工程恢复建设, 10月二期给水工程竣工投产。嘎巴屯净水厂为集团公司三台子矿区二期给水工程核心处理环节, 设计处理规模为13000m3/d。
　　二期供水工程水源取自两家子水源地, 水源为第四系潜水地下水, 水质铁锰超标严重, 设计采用了机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理工艺, 工艺处理及污泥处理实现了全部设备化, 并对无阀过滤器的设计进行了改进, 污泥处理系统采用了地面式竖流沉淀器, 工艺设计进行了有益、 创新的尝试。
　　矿区二期给水工程历经了缓建、 恢复建设两个阶段, 工程状况发生了巨大的变化。原设计两家子水源地共10眼水源井, 供水能力13000 m3/d, 由于地下水资源的重新规划, 供矿区的水源仅能保证5眼水源井, 供水能力6400 m3/d。而恢复建设前, 两家子加压站1000m3水池及加压泵房土建及设备安装已经完成, 两家子加压站至嘎巴屯净水厂15.8公里DN500输水管道已经形成, 净水厂工业场地除铁、 锰车间土建厂房与设备基础已施工结束。如何在净水车间厂房及设备基础已经形成的前提下, 经过设备调整对处理规模进行合理更改是设计面临的一个新课题。设计在充分考虑现有条件的前提下, 经过对曝气塔及过滤器组数的调整, 既解决了初期设备投资过大的矛盾又满足了供水的要求, 有效的解决了无阀过滤器的备用问题, 适应了水量规模的调整。
　　 嘎巴屯净水厂已投产试运, 出水铁、 锰指标符合国家生活饮用水水质标准, 本文经过对设计工艺的介绍, 阐述嘎巴屯净水厂机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理的工艺设计及特点, 阐明了设计中应注意和仍需解决问题。
　　1 除铁锰工艺选择及设计
　　1.1 处理工艺流程
　　根据除锰基理及中国多年的实验和生产实践, 地下水除锰工艺大多采用曝气接触氧化法。一般采用跌水、 淋水、 射流曝气、 压缩空气、 接触式曝气塔、 机械通风曝气塔等曝气装置; 过滤装置可分为压力式和重力式两种形式, 压力式过滤形式以压力过滤器为主, 滤料分为天然锰砂滤料和纤维滤料; 重力过滤形式以滤池为主, 常见的滤池形式有普通快滤池、 无阀滤池等, 滤料为天然锰砂滤料。

　　由于原水含铁、 锰指标分别为9.0mg/l、 1.5mg/l, 铁锰超标严重, 本设计根据原水水质采用重力式机械通风接触式曝气塔+重力式无阀过滤器二级除铁、 锰工艺, 其工艺流程为:
　　1.2 工艺设计及参数
　　1.2.1 曝气塔
　　 曝气塔采用机械通风接触式曝气塔, 曝气填料采用活化无毒多面空心球双层布置。水源井来水从塔的上端均匀配水进入塔体, 经过双层空心球尽可能与填料接触, 填料下设置离心轴流风机由下至上向塔内充氧, 达到对原水进行充分曝气的作用。曝气塔设计表面负荷为25m3/m2.h, 直径为φ3000, 单台产水量为175 m3/h, 配套4-72-4型离心风机( Q=9750-14750 m3/, H=324-224mm, N=7.5KW) 。由于水量规模的变化, 设计由原来四台更改为2台。

　　1.2.2 无阀过滤器
　　 过滤装置采用无阀过滤器, 由于原水铁锰含量较高, 设计采用二级串联除铁锰工艺, 原水经曝气塔充分曝气后重力进入一级除铁过滤器, 经一级处理后进入中间水池, 经中间水池提升泵进入二级除锰过滤器。两级过滤采用同型号无阀过滤器, 滤料为连云港产的天然锰砂, 三台过滤器为一组, 两工一备, 反冲洗实现水力自动反冲并辅助压缩空气冲洗。

　　净水车间共设无阀过滤器二组共6台, 除铁除锰各一组3台, 单台直径为φ4700, 每组产水量为320 m3/h, 滤速为10m/h, 滤料层厚为900mm, 终期水头损失为1.70m, 反冲洗强度为18L/s.m2, 气冲洗强度为15L/ m2.s,配套Q=20 m3/min, H=6m鼓风机, 水冲洗历时为5min, 气冲历时为2min。
　　1.2.3 反冲洗水处理系统
　　 为避免水资源的浪费, 防止高浓度含铁、 锰废水进入矿区污水系统, 影响污水处理厂的正常运行, 本设计对反冲洗水进行了收集和处理。净水车间外设置V=400 m3生产废水池, 内设HJ-1600混合搅拌机四台, 防止污泥沉淀, 内设WQX50-8-2.2( Q=25m3/h, H=8m, N=2.2Kw) 型潜水排污泵二台将污泥提升至净水车间内混凝反应池( 1.5m×1.5m×1.4m) , 反应池设置两座, 一工一备, 各设WQX50-8-2.2型潜水排污泵及反应搅拌机一台, 污泥经过提升进入竖流沉淀器, 污泥处理系统设置φ3600竖流沉淀器两座, 沉淀时间为1.5h, 设计表面负荷为0.0007m/s, 污泥经沉淀器分离后, 清水回流至中间水池, 污泥进入污泥浓缩池, 经污泥分级浓缩后提升至DYL-500型带式压滤机压滤后泥饼外运。设置加药装置一套, 药剂为聚丙烯酰胺。
　　2 工艺设计特点
　　2.1 无阀过滤器用于地下水除铁、 锰处理的技术改进
　　无阀过滤器属于小阻力配水系统, 反冲洗压力很难保证, 在国内除铁、 锰工艺选择中一般选择双阀或普通快滤池作为终端处理构筑物, 本设计的设计能力为Q=13000m3/d中小型水厂, 水质为铁、 锰含量较高的地下水, 采用设备化的无阀过滤器在工艺选择上确实有相当的风险。针对上述问题, 本设计对无阀过滤器采取了以下措施: ①为防止铁离子穿透一级除铁滤层, 将传统的700mm滤料层加厚至900mm; ②为防止滤料板结, 在承托层的上方布置了丰字型气体反冲洗管, 反冲洗时进行气水防冲; ③由于设计规模变化, 原一、 二级除铁、 锰各设两组无阀过滤器, 本设计改变无阀过滤器两台一组的习惯, 设三台过滤为一组, 除铁除锰各一组, 经过过滤器水箱连通管阀门切换, 三台过滤器可任意两台并联工作, 当一台设备出现滤料板结时, 保留三台同时工作的可能, 为设备检修、 更换滤料、 实现强制反冲提供了设计上的保证; ④为实际运行管理方便, 本设计在过滤器本体上设置了监视玻璃透镜和罐内液位显示装置, 在操作中能明确观察每台设备的运行状态, 清晰的观察到反冲洗的形成和结束及效果, 实现了科学管理。
　　无阀过滤器进行了上述改进, 实现了气水反冲、 过滤装置的交替使用, 有效的解决了重力式无阀过滤器自身的缺点, 工程 9月验收移交以来, 过滤效果良好, 实现了自动反冲洗, 反冲洗周期为12-48小时, 出水水质铁、 锰指标分别为0.15mg/l、 0.07mg/l, 完全符合国家生活饮用水铁、 锰0.3mg/l、 0.1mg/l的水质标准, 达到了设计要求。
　　2.2 竖流沉淀器排泥设计改进
　　竖流沉淀器用于污泥处理系统的泥水分离, 常规设计泥斗设在地下, 排泥采用侧向静
　　压排泥, 由于铁锰泥的自身特点, 将泥斗设于地下极易造成污泥板结, 清理有十分困难。本设计将该处理装置完全设于地面上, 排泥经过泥斗下方的排空、 排泥管进行排泥, 打破了常规设计的排泥方式, 解决了维修、 清理的实际困难, 运行效果良好。
　　3 工艺设计体会
　　3.1 设计中应注意的几个问题
　　3.1.1 系统超越管道的设置
　　含铁、 锰地下水给水工程一般均由水源地、 加压站、 输水管道、 净配水厂等工程组成,
　　由于输水管道在施工竣工后必须进行清洗, 管道清洗废水含有大量泥砂, 进入处理系统势必造成滤料的堵塞甚至报废。因此在净、 配水厂的设计中必须考虑进入系统前的超越。
　　3.1.2 系统动力设备的匹配
　　对于铁、 锰含量高而采用重力式二级串联处理工艺的设计, 必须注意水源井泵( 加压站泵) 与中间水池提升泵的流量匹配, 否则系统很难保证连续运行。
　　3.1.3 曝气塔风机的安装位置
　　曝气塔风机吸风口的安装必须高于底层填料布风管标高, 否则当风机事故停机时会造成水的回灌而损坏风机、 造成跑水事故。
　　3.1.4 水封井的加高
　　 无阀过滤器水封井设计上缘一般与地面相平, 由于反冲洗瞬时流量及强度很大, 极易造成冲洗水溅出水封井, 本工程在试运中曾多次发生冒水现象, 因此在设计中应充分考虑这一点。
　　3.2 设计中仍需解决的问题
　　3.2.1 主工艺系统出水水质的检测
　　由于铁、 锰等重金属的化验周期较长, 运行中只能根据反冲洗周期的变化预测出水水质是否恶化, 而经过周期法只能定性的作出分析判断, 具有明显的滞后性, 不利于出水水质的保证。如何快速定量的对出水水质作出分析判断是除铁、 锰处理厂设计面临的课题。
　　3.2.3 污泥处理系统的监测运行
　　 本设计污泥处理系统的竖流沉淀器及污泥浓缩池无法实现泥水液面分离监测, 即在实际
　　操作中无法观测到沉淀器、 污泥浓缩池内分层液面, 致使很难准确的控制沉淀器的排泥时间, 无法根据浓缩池内分层情况进行分级浓缩。如何有效的检测泥水分离液面位置, 实现科学管理与运行是污泥处理面临的难题。
　　4 结语
　　嘎巴屯净水厂采用机械通风接触式曝气塔+无阀过滤器二级串联处理工艺处理高含铁、 锰地下水, 而且净水厂内设置完整的污泥处理系统, 在国内同类型水厂中应用比较罕见。本文着重介绍了除铁、 锰车间的工艺设计及特点并总结了水厂设计中的心得和体会, 由于作者水平有限, 观点难免偏颇, 希望对给排水设计同行们有所启迪和帮助。