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文檔簡介
1、高等水化學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,地下水除鐵除錳,2020/8/2,徐奇奇:20151713049t 薛蕊:20151713011t,目錄,高等水化學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,2020/8/2,1. 鐵錳的來源、性質(zhì)、危害,高等水化學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,2020/8/2,鐵(Fe)、錳(Mn)是地殼的主要構(gòu)成元素,廣泛存在于自然界中。地下水清澈透明,是我國城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)的重要水源,主要分布在東北、華北、西北地區(qū)。我國有18個(gè)省市達(dá)3.1億人口的地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的含鐵含錳地下水資源,在松遼流域和廣大北方地區(qū)多有以含鐵、錳水為主要甚或唯一水源的城鎮(zhèn)。 地下水水質(zhì)較好,但鐵錳
2、含量超標(biāo)卻是一個(gè)較為普遍的污染特征。地下水中的鐵(Fe )錳(Mn )是由于巖石和礦物中難溶化合物的鐵錳質(zhì)的溶解而致。,1.1 鐵錳的來源,2+,2+,1.1 鐵錳的來源,1) 鐵的來源,三價(jià)鐵氧,1.1 鐵錳的來源,1.1 鐵錳的來源,2) 錳的來源,鐵、錳具有相似的原子半徑、離子半徑及電負(fù)性,從而表現(xiàn)出相似的化學(xué)性質(zhì)。二價(jià)的鐵、錳都溶于水,在還原性的地下水、湖泊深層水甚至少數(shù)河流水中往往伴生存在。,1.2 二價(jià)鐵、錳的性質(zhì),1) 鐵的溶解度,1.2 二價(jià)鐵、錳的性質(zhì),2) 錳的溶解度,鐵和錳化學(xué)性質(zhì)相似,常共存于地下水中,但鐵的氧化還原電位低于錳,更容易被空氣中的氧氣氧化,相同PH值時(shí)二價(jià)
3、鐵比二價(jià)錳的氧化速率快,以致影響二價(jià)錳的氧化,因此地下水除錳比除鐵困難。,1.2 二價(jià)鐵、錳的性質(zhì),1.3 鐵、錳的危害,近百年來飲用水除鐵除錳機(jī)制和工程技術(shù)一直是一個(gè)難以突破的熱點(diǎn)研究課題。,鐵和錳是生物體必需的微量元素,但鐵錳過量會(huì)對人類的生產(chǎn)和生活帶來嚴(yán)重的危害。 地下水中二價(jià)鐵離子經(jīng)空氣中氧氧化成三價(jià)鐵形成沉淀使水體渾濁。水中含鐵濃度大于0.3mgL時(shí),水就變渾,超過1mgL時(shí)水具有鐵腥味。 特別是水中含有過量的鐵質(zhì),作為洗滌用水時(shí),能在紡織品上生成銹色斑點(diǎn)。染色時(shí),能與染料結(jié)合,影響色調(diào)的鮮艷性。造紙工業(yè)中,使紙漿變黃,染色效果降低。生活中,在光潔的衛(wèi)生用具上,與水接觸的墻壁和地板上
4、,都能染上黃褐色斑,難以清除。 人長期服用含鐵錳過高的地下水會(huì)導(dǎo)致慢性中毒而引發(fā)地方病。鐵在人體內(nèi)累積會(huì)損害胰腺(導(dǎo)致糖尿病)、肝臟(肝硬變)、皮膚,體內(nèi)過多的鐵質(zhì)也會(huì)增加傳染病的感染。人體內(nèi)含鐵量超過正常的1020倍,就會(huì)出現(xiàn)慢性中毒癥狀,導(dǎo)致的疾病主要有肝硬化、軟骨鈣化、糖尿病。人體攝入過量的錳早期頭暈頭痛、記憶力減退、情緒不穩(wěn)定,晚期則出現(xiàn)肌肉僵直、肢體震顫、發(fā)燒、呼吸困難,有些用抗菌素治療也無效。甚至斷絕攝入后,所得疾病還會(huì)繼續(xù)發(fā)展不可治愈。長期接觸錳還會(huì)引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)方面的疾病。,我國含鐵含錳地下水分布廣泛,生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定: 鐵0.3mg/L 錳0.1mg/L 我
5、國部分地區(qū)的地下水 含鐵量多在 515mg/L 含錳量多在 0.52.0mg/L,1.4 含鐵含錳地下水水質(zhì),2. 地下水除鐵方法,高等水化學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,2020/8/2,2.1 空氣自然氧化法,含F(xiàn)e2+地下水經(jīng)曝氣充氧后,在反應(yīng)池中溶解氧將Fe2+氧化為Fe3+固體顆粒,后經(jīng)混凝沉淀和過濾等工藝去除。然而濾后水中往往還殘存能穿透濾層的Fe3十膠體顆粒,導(dǎo)致出廠水總鐵超標(biāo)。 4Fe2+O2+2H2O=4Fe3+4OH- (氧化) Fe3+3H2O=Fe(OH)3+3H+ (水解) 4Fe2+O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+,2.1 空氣自然氧化法,PH5.5時(shí),
6、鐵的氧化速率是非常緩慢的。,每氧化1mg/L的二價(jià)鐵,理論上需氧0.14mg/L,同時(shí)產(chǎn)生0.036mg/L的H+。但是每產(chǎn)生1mol/L的H+會(huì)減小1mol/L的堿度。 如水的堿度不足,則在氧化反應(yīng)過程中, H+濃度增加 ,pH降低,以致氧化速率受到影響而變慢。 當(dāng)pH在7.0以上時(shí),氧化速率較快。,2.1 空氣自然氧化法,曝氣的目的: 溶氧,散除CO2 ,提高pH ,增大氧化速度; 提高曝氣效果的方法是增大氣水的接觸面積。 曝氣的裝置:水氣射流泵曝氣裝置,壓縮空氣曝氣裝置、跌水曝氣裝置、葉輪表面曝氣裝置。 氣泡式曝氣裝置:將空氣以氣泡形式分散于水中。 射流曝氣裝置:應(yīng)用水射器利用高壓水流吸
7、入空氣,高壓水一般為壓力濾池的出水回流,經(jīng)過水射器將空氣帶入深井泵吸水管中。適用于小型設(shè)備、原水鐵錳含量較低且無需去除CO2以提高pH時(shí)。,2.1 空氣自然氧化法,2.1 空氣自然氧化法,2.1 空氣自然氧化法,2.1 空氣自然氧化法,噴淋式曝氣裝置:將水以水滴或水膜形式分散于空氣中。 蓮蓬頭或穿孔管曝氣裝置:宜設(shè)于室外,下部有集水池。 板條式曝氣塔:填料不易堵塞,適用于高含鐵地下水的曝氣。 曝氣接觸曝氣塔:鐵質(zhì)沉積于填料表面,對二價(jià)鐵有接觸催化作用。填料易堵塞,適用于含鐵量不高于10mg/L的地下水曝氣。 機(jī)械通風(fēng)式曝氣塔:曝氣效果好,木板條填料不易為鐵質(zhì)堵塞,適用于高含鐵地下水的曝氣。,2
8、.1 空氣自然氧化法,噴淋式曝氣裝置,2.1 空氣自然氧化法,接觸式曝氣塔,板條式曝氣塔,機(jī)械通風(fēng)式曝氣塔,2.1 空氣自然氧化法,2.2 接觸催化氧化法,鐵質(zhì)活性濾膜的除鐵過程, 是先吸附水中的Fe2+二價(jià)鐵離子, 再在濾膜催化作用下被溶解氧氧化, 氧化生成的三價(jià)鐵化合物作為新的濾膜物質(zhì)又參與催化反應(yīng), 所以鐵質(zhì)活性濾膜除鐵是一個(gè)自動(dòng)催化反應(yīng)過程。具有不投藥、簡單曝氣、流程短、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。 反應(yīng)生成物和催化劑是同一物質(zhì), 稱之為自催化反應(yīng)。 鐵質(zhì)活性濾膜的化學(xué)組成為F e(OH)3H2O ( 或?qū)憺镕e2O35H2O ) ; 新鮮的濾膜具有最強(qiáng)的催化活性,隨著時(shí)間的增長, 濾膜脫水老化
9、, 催化活性也逐漸降低。 有下列反應(yīng)方程式:,2.2 接觸催化氧化法,多年工程實(shí)踐表明,接觸氧化法中鐵質(zhì)活性濾膜對容易氧化的鐵具有良好的去除效果。故在地下水中只含有鐵不含錳時(shí)可優(yōu)先采用此工藝。但由于我國大部分地下水鐵錳同時(shí)存在,因此,同時(shí)去除鐵錳仍存在一些問題。,2.2 接觸催化氧化法,2.3 生物氧化除鐵,Pierre Mouchet在低溶解氧(0O.7 mgL)和低含鐵量(0.751.1 mgL)的情況下發(fā)現(xiàn)生物在除鐵過程中存在很大的作用,得出生物是鐵去除的主要原因。 Cathene V Tremb-lay也在低溶解氧含量下發(fā)現(xiàn)生物除鐵作用的存在。 雖有多名學(xué)者發(fā)現(xiàn)生物除鐵作用的存在,但是
10、在高鐵含量情況下生物除鐵作用效果還未有發(fā)現(xiàn)。,2.4 除鐵工藝比較,3. 地下水除錳方法,高等水化學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,2020/8/2,3.1 自然氧化法(堿式除錳),自然氧化法除錳原理與自然氧化法除鐵原理類似,但要求pH值大于9.5。僅靠曝氣難以將地下水的pH值提高到此水 平,需投加堿以提高pH值,使得工藝流程更加復(fù)雜,處理后的水pH值太高,需要酸化后才能正常使用,進(jìn)一步增強(qiáng)了管理難度和運(yùn)行費(fèi)用,故這種方法不適合我國供水設(shè)施建設(shè)資金有限的現(xiàn)實(shí)國情。,(1)高錳酸鉀氧化法 (2)氯接觸過濾法,3.2 強(qiáng)氧化劑氧化法,向含Mn2+水中投加KMnO4 可直接將Mn2+氧化為MnO2
11、m H2O,而KMnO4本身也還原為MnO2 m H2O, 生成的高價(jià)固態(tài)錳氧化物經(jīng)混凝沉淀去除。 含Mn2+的地下水投氯后,然后流入錳砂濾池 ,在催化劑MnO2 m H2O 的作用下, 氯將Mn2+ 氧化為MnO2m H2O, 并與原有的錳砂表面相結(jié)合。新生成的MnO2m H2O必也具有催化能力,也是自催化反應(yīng)。 濾料:天然錳砂,對Mn2+吸附能力強(qiáng)。,3.2 強(qiáng)氧化劑氧化法,3.3 空氣接觸氧化過濾除錳,接觸氧化除錳常采用曝氣一反應(yīng)沉淀一過濾處理工藝流程,含Mn2+地下水曝氣后進(jìn)入濾層中過濾, 能使高價(jià)錳的氫氧化物逐漸附著在濾料表面, 形成錳質(zhì)濾膜, 這種自然形成的活性濾膜具有接觸催化作用
12、, pH值在75左右Mn2+就能被濾膜吸附, 然后再被溶解氧氧化, 又生成新的活性濾膜物質(zhì)參與反應(yīng), 所以錳質(zhì)活性濾膜的除錳過程也是一個(gè)自催化反應(yīng)過程, 研究人員測定了活性錳質(zhì)濾膜的成份, 認(rèn)為接觸催化物是MnO2 ,其反應(yīng)式為: 2Mn2+ + (x-1)O2+4OH-= 2MnOx2H2O + 2(1-z)H2O,該工藝不投藥,簡單曝氣,流程短出水水質(zhì)良好穩(wěn)定。,3.3 空氣接觸氧化過濾除錳,3.4 生物固錳除錳法,在pH 值中性范圍內(nèi),依靠Mn2+氧化菌氧化作用。 Mn2+吸附在細(xì)菌表面,在細(xì)菌胞外酶的催化作用下氧化成Mn4+。 含錳地下水經(jīng)曝氣充氧后,進(jìn)入生物除錳濾池,濾池須接種除錳菌
13、、培養(yǎng)、馴化。 曝氣采用跌水曝氣等簡單的充氧方式。,我國在90年代提出了新的除錳理論即生物法除鐵除錳理論,并取得了一些成果。在自然曝氣氧化法除鐵除錳濾池中,檢測出了多種鐵細(xì)菌的存在。鐵細(xì)菌具有特殊的酶,能使水中的溶解氧加速氧化二價(jià)鐵和二價(jià)錳。生物除錳理論認(rèn)為,附著在黑砂表面的錳質(zhì)活性濾膜是錳的化合物和鐵細(xì)菌的共生體,且在胞外酶的誘導(dǎo)作用下,除錳濾池中微生物氧化原水中的錳獲得能量,并繁殖附著在濾料表面,同步氧化生成的MnO2也沉積在濾料表面,兩者形成一層錳質(zhì)活性濾膜,就是接觸氧化除錳工藝中出現(xiàn)的“黑膜”。濾層成熟后,鐵細(xì)菌利用水中的溶解氧將不斷吸附在濾層上的Mn2+氧化為MnO2H2O并沉積在濾
14、膜的表面,成為濾膜的一部分,使濾膜持續(xù)得到更新。,3.4 生物固錳除錳法,3.5 除錳工藝比較,4. 地下水除鐵除錳,高等水化學(xué)重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,2020/8/2,1)鐵錳相互干擾 地下水中同時(shí)含有Fe2+和Mn2+。 2)水中溶解硅酸的影響 地下水中含有溶解性硅酸,其含量對曝氣氧化除鐵有明顯影響。因?yàn)槿芙庑怨杷崮芘cFe(OH)3的表面結(jié)合,形成穩(wěn)定的高分子。生成Fe(OH)3粒徑小,凝聚困難。,4.1 除鐵除錳影響因素,3) 水的pH 值高,有利于向鐵錳的氧化方向進(jìn)行, pH 值高,除錳容易。接觸氧化除鐵,水的pH 在6.0以上,接觸氧化除錳,水的pH 在7.0以上。 4)有機(jī)
15、物的影響 作為吸附劑和催化劑的熟砂濾料表面,當(dāng)吸附了有機(jī)質(zhì)后,降低了濾料的催化作用和氧化再生能力。 排除方法:在濾前水中連續(xù)加氯。,4.2 規(guī)范推薦工藝,傳統(tǒng)的地下水除鐵除錳工藝流程。即一級(jí)弱曝氣過濾除鐵、二級(jí)強(qiáng)曝氣過濾除錳,如圖2所示。該流程在我國得到廣泛應(yīng)用,工程實(shí)踐表明,出廠水總鐵可以達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn),但錳的去除效果甚微。,4.3 水廠除鐵除錳工藝,張杰、李冬等在總結(jié)了多年的水廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后,提出并確立了生物除鐵除錳水廠的典型流程。 在天然地下水水質(zhì)條件下(TFe10 mgL,Mn2+ 2 mgL,pH=67),典型的生物除鐵除錳水廠的流程是:原水進(jìn)入簡單的曝氣裝置,曝氣后盡快進(jìn)入生物除鐵除
16、錳濾池,由于接觸氧化除鐵是生物酶催化氧化除錳的協(xié)同效應(yīng),使濾后水鐵、錳濃度同時(shí)達(dá)到飲水標(biāo)準(zhǔn)(Fe0.3 mgL,Mn2+0.1 mgL)。換言之,生物除鐵除錳水廠的工藝流程就是一級(jí)生物濾池和其前附加一個(gè)簡單曝氣裝置,如圖3所示。,4.3 水廠除鐵除錳工藝,普通快濾池:大中型水廠 壓力濾池:中小型水廠 雙級(jí)壓力濾池兩級(jí)過濾一體化 上層除鐵,下層除錳,工作性能穩(wěn)定,處理效果良好,適用于鐵錳中等含量的水廠。 濾池除錳極限錳12mg/L,1來水管;2、4進(jìn)水和反沖洗排水管;3、5配水管;7排氣管;8隔板;,4.4 除鐵除錳濾池,4.4 除鐵除錳濾池,通過改變成熟生物濾池進(jìn)水鐵、錳濃度,檢測相應(yīng)的出水鐵、錳濃度,得出生物濾層鐵與錳的去除在一定的條件下是存在相關(guān)關(guān)系的。即,除鐵除錳生物濾層,進(jìn)水鐵錳在一定的濃度范圍之內(nèi)(鐵濃度6mgL時(shí),進(jìn)水鐵濃度的變化將會(huì)引起出水錳濃度的波動(dòng),但經(jīng)一定時(shí)期的培養(yǎng),其除錳能力又得到恢復(fù),出水水質(zhì)仍然達(dá)標(biāo)。若進(jìn)水鐵濃度超過1
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