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1、高等水化学重庆大学城市建设与环境工程学院地下水除铁除锰2024/7/20徐奇奇：20151713049t薛蕊：20151713011t目录高等水化学重庆大学城市建设与环境工程学院2024/7/201.铁锰的来源、性质、危害高等水化学重庆大学城市建设与环境工程学院2024/7/20铁(Fe)、锰(Mn)是地壳的主要构成元素，广泛存在于自然界中。地下水清澈透明，是我国城镇和工矿企业的重要水源，主要分布在东北、华北、西北地区。我国有18个省市达3.1亿人口的地区蕴藏着丰富的含铁含锰地下水资源，在松辽流域和广大北方地区多有以含铁、锰水为主要甚或唯一水源的城镇。 地下水水质较好，但铁锰含量超标却是一个较
2、为普遍的污染特征。地下水中的铁（Fe）锰(Mn)是由于岩石和矿物中难溶化合物的铁锰质的溶解而致。1.1铁锰的来源2+2+1.1铁锰的来源1) 铁的来源铁的来源三价铁氧1.1铁锰的来源1.1铁锰的来源2) 锰的来源锰的来源铁、锰具有相似的原子半径、离子半径及电负性，从而表现出相似的化学性质。二价的铁、锰都溶于水，在还原性的地下水、湖泊深层水甚至少数河流水中往往伴生存在。1.2二价铁、锰的性质1) 铁的溶解度铁的溶解度1.2二价铁、锰的性质2) 锰的溶解度锰的溶解度 铁和锰化学性质相似，常共存于地下水中，但铁的氧化还原电位低于锰，更容易被空气中的氧气氧化，相同PH值时二价铁比二价锰的氧化速率快，以
3、致影响二价锰的氧化，因此地下水除锰比除铁困难。1.2二价铁、锰的性质1.3铁、锰的危害近百年来饮用水除铁除锰机制和工程技术一直是一个难以突破的热点研究课题。 铁和锰是生物体必需的微量元素，但铁锰过量会对人类的生产和生活带来严重的危害。 地下水中二价铁离子经空气中氧氧化成三价铁形成沉淀使水体浑浊。水中含铁浓度大于0.3mgL时，水就变浑，超过1mgL时水具有铁腥味。 特别是水中含有过量的铁质，作为洗涤用水时，能在纺织品上生成锈色斑点。染色时，能与染料结合，影响色调的鲜艳性。造纸工业中，使纸浆变黄，染色效果降低。生活中，在光洁的卫生用具上，与水接触的墙壁和地板上，都能染上黄褐色斑，难以清除。 人长
4、期服用含铁锰过高的地下水会导致慢性中毒而引发地方病。铁在人体内累积会损害胰腺(导致糖尿病)、肝脏(肝硬变)、皮肤，体内过多的铁质也会增加传染病的感染。人体内含铁量超过正常的1020倍，就会出现慢性中毒症状，导致的疾病主要有肝硬化、软骨钙化、糖尿病。人体摄入过量的锰早期头晕头痛、记忆力减退、情绪不稳定，晚期则出现肌肉僵直、肢体震颤、发烧、呼吸困难，有些用抗菌素治疗也无效。甚至断绝摄入后，所得疾病还会继续发展不可治愈。长期接触锰还会引起中枢神经系统、呼吸系统方面的疾病。v 我国含铁含锰地下水分布广泛，生活饮用水卫生标准规定： 铁0.3mg/L锰0.1mg/Lv我国部分地区的地下水含铁量多在515m
5、g/L含锰量多在0.52.0mg/L1.4含铁含锰地下水水质2.地下水除铁方法高等水化学重庆大学城市建设与环境工程学院2024/7/20曝气沉淀池滤池Cl2除铁水原水2.1 空气自然氧化法 含Fe2+地下水经曝气充氧后，在反应池中溶解氧将Fe2+氧化为Fe3+固体颗粒，后经混凝沉淀和过滤等工艺去除。然而滤后水中往往还残存能穿透滤层的Fe3十胶体颗粒，导致出厂水总铁超标。 4Fe2+O2+2H2O=4Fe3+4OH-（氧化）Fe3+3H2O=Fe(OH)3+3H+（水解）4Fe2+O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+2.1 空气自然氧化法PH5.5时，铁的氧化速率是非常缓慢的。每氧化1mg
6、/L的二价铁，理论上需氧0.14mg/L，同时产生0.036mg/L的H+。但是每产生1mol/L的H+会减小1mol/L的碱度。如水的碱度不足，则在氧化反应过程中，H+浓度增加，pH降低，以致氧化速率受到影响而变慢。当pH在7.0以上时，氧化速率较快。2.1 空气自然氧化法曝气的目的：溶氧，散除CO2，提高pH，增大氧化速度；提高曝气效果的方法是增大气水的接触面积。曝气的装置：水气射流泵曝气装置，压缩空气曝气装置、跌水曝气装置、叶轮表面曝气装置。v气泡式曝气装置：将空气以气泡形式分散于水中。v射流曝气装置：应用水射器利用高压水流吸入空气，高压水一般为压力滤池的出水回流，经过水射器将空气带入深
7、井泵吸水管中。适用于小型设备、原水铁锰含量较低且无需去除CO2以提高pH时。2.1 空气自然氧化法2.1 空气自然氧化法2.1 空气自然氧化法2.1 空气自然氧化法v喷淋式曝气装置：将水以水滴或水膜形式分散于空气中。v莲蓬头或穿孔管曝气装置：宜设于室外，下部有集水池。板条式曝气塔：填料不易堵塞，适用于高含铁地下水的曝气。曝气接触曝气塔：铁质沉积于填料表面，对二价铁有接触催化作用。填料易堵塞，适用于含铁量不高于10mg/L的地下水曝气。机械通风式曝气塔：曝气效果好，木板条填料不易为铁质堵塞，适用于高含铁地下水的曝气。2.1 空气自然氧化法喷淋式曝气装置2.1 空气自然氧化法接触式曝气塔板条式曝气
8、塔机械通风式曝气塔2.1 空气自然氧化法曝气装置接触过滤池Cl2除铁水原水2.2 接触催化氧化法铁质活性滤膜的除铁过程,是先吸附水中的Fe2+二价铁离子,再在滤膜催化作用下被溶解氧氧化,氧化生成的三价铁化合物作为新的滤膜物质又参与催化反应,所以铁质活性滤膜除铁是一个自动催化反应过程。具有不投药、简单曝气、流程短、出水水质好等优点。反应生成物和催化剂是同一物质,称之为自催化反应。铁质活性滤膜的化学组成为Fe(OH)3H2O(或写为Fe2O35H2O);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,催化活性也逐渐降低。有下列反应方程式：2.2 接触催化氧化法 多年工程实践表明，接触氧
9、化法中铁质活性滤膜对容易氧化的铁具有良好的去除效果。故在地下水中只含有铁不含锰时可优先采用此工艺。但由于我国大部分地下水铁锰同时存在，因此，同时去除铁锰仍存在一些问题。2.2 接触催化氧化法2.3 生物氧化除铁 Pierre Mouchet在低溶解氧(0O.7 mgL)和低含铁量(0.751.1 mgL)的情况下发现生物在除铁过程中存在很大的作用，得出生物是铁去除的主要原因。 Cathene V Tremb-lay也在低溶解氧含量下发现生物除铁作用的存在。 虽有多名学者发现生物除铁作用的存在，但是在高铁含量情况下生物除铁作用效果还未有发现。2.4 除铁工艺比较3.地下水除锰方法高等水化学重庆大
10、学城市建设与环境工程学院2024/7/203.1 自然氧化法（碱式除锰） 自然氧化法除锰原理与自然氧化法除铁原理类似，但要求pH值大于9.5。仅靠曝气难以将地下水的pH值提高到此水平，需投加碱以提高pH值，使得工艺流程更加复杂，处理后的水pH值太高，需要酸化后才能正常使用，进一步增强了管理难度和运行费用，故这种方法不适合我国供水设施建设资金有限的现实国情。（1）高锰酸钾氧化法（2）氯接触过滤法滤池Cl2除锰水原水絮凝池沉淀池滤池KMnO4除锰水原水3.2 强氧化剂氧化法向含Mn2+水中投加KMnO4可直接将Mn2+氧化为MnO2mH2O,而KMnO4本身也还原为MnO2mH2O,生成的高价固态
11、锰氧化物经混凝沉淀去除。含Mn2+的地下水投氯后，然后流入锰砂滤池 ，在催化剂MnO2mH2O的作用下, 氯将Mn2+ 氧化为MnO2mH2O, 并与原有的锰砂表面相结合。新生成的MnO2mH2O必也具有催化能力,也是自催化反应。 滤料：天然锰砂，对Mn2+吸附能力强。3.2 强氧化剂氧化法3.3 空气接触氧化过滤除锰 接触氧化除锰常采用曝气一反应沉淀一过滤处理工艺流程含Mn2+地下水曝气后进入滤层中过滤,能使高价锰的氢氧化物逐渐附着在滤料表面,形成锰质滤膜,这种自然形成的活性滤膜具有接触催化作用,pH值在75左右Mn2+就能被滤膜吸附,然后再被溶解氧氧化,又生成新的活性滤膜物质参与反应,所以
12、锰质活性滤膜的除锰过程也是一个自催化反应过程,研究人员测定了活性锰质滤膜的成份,认为接触催化物是MnO2,其反应式为:2Mn2+(x-1)O2+4OH-=2MnOx2H2O+2(1-z)H2O该工艺不投药，简单曝气，流程短出水水质良好稳定。3.3 空气接触氧化过滤除锰曝气装置生物除锰过滤池空气除锰水原水3.4 生物固锰除锰法 在pH 值中性范围内，依靠Mn2+氧化菌氧化作用。Mn2+吸附在细菌表面，在细菌胞外酶的催化作用下氧化成Mn4+。 含锰地下水经曝气充氧后，进入生物除锰滤池，滤池须接种除锰菌、培养、驯化。 曝气采用跌水曝气等简单的充氧方式。 我国在90年代提出了新的除锰理论即生物法除铁除
13、锰理论，并取得了一些成果。在自然曝气氧化法除铁除锰滤池中，检测出了多种铁细菌的存在。铁细菌具有特殊的酶，能使水中的溶解氧加速氧化二价铁和二价锰。生物除锰理论认为，附着在黑砂表面的锰质活性滤膜是锰的化合物和铁细菌的共生体，且在胞外酶的诱导作用下，除锰滤池中微生物氧化原水中的锰获得能量，并繁殖附着在滤料表面，同步氧化生成的MnO2也沉积在滤料表面，两者形成一层锰质活性滤膜，就是接触氧化除锰工艺中出现的“黑膜”。滤层成熟后，铁细菌利用水中的溶解氧将不断吸附在滤层上的Mn2+氧化为MnO2H2O并沉积在滤膜的表面，成为滤膜的一部分，使滤膜持续得到更新。3.4 生物固锰除锰法3.5 除锰工艺比较4.地下
14、水除铁除锰高等水化学重庆大学城市建设与环境工程学院2024/7/201）铁锰相互干扰 地下水中同时含有Fe2+和Mn2+。2）水中溶解硅酸的影响地下水中含有溶解性硅酸，其含量对曝气氧化除铁有明显影响。因为溶解性硅酸能与Fe(OH)3的表面结合，形成稳定的高分子。生成Fe(OH)3粒径小，凝聚困难。4.1 除铁除锰影响因素3）水的pH值高，有利于向铁锰的氧化方向进行，pH值高，除锰容易。接触氧化除铁，水的pH在6.0以上，接触氧化除锰，水的pH在7.0以上。4）有机物的影响作为吸附剂和催化剂的熟砂滤料表面，当吸附了有机质后，降低了滤料的催化作用和氧化再生能力。排除方法：在滤前水中连续加氯。4.2
15、 规范推荐工艺 传统的地下水除铁除锰工艺流程。即一级弱曝气过滤除铁、二级强曝气过滤除锰，如图2所示。该流程在我国得到广泛应用，工程实践表明，出厂水总铁可以达到饮用水标准，但锰的去除效果甚微。4.3 水厂除铁除锰工艺张杰、李冬等在总结了多年的水厂运行经验后，提出并确立了生物除铁除锰水厂的典型流程。 在天然地下水水质条件下(TFe10 mgL，Mn2+2 mgL，pH=67)，典型的生物除铁除锰水厂的流程是：原水进入简单的曝气装置，曝气后尽快进入生物除铁除锰滤池，由于接触氧化除铁是生物酶催化氧化除锰的协同效应，使滤后水铁、锰浓度同时达到饮水标准(Fe0.3 mgL，Mn2+0.1 mgL)。换言之
16、，生物除铁除锰水厂的工艺流程就是一级生物滤池和其前附加一个简单曝气装置，如图3所示。4.3 水厂除铁除锰工艺v 普通快滤池：大中型水厂v 压力滤池：中小型水厂双级压力滤池两级过滤一体化 上层除铁，下层除锰，工作性能稳定，处理效果良好，适用于铁锰中等含量的水厂。 滤池除锰极限锰12mg/L1来水管；2、4进水和反冲洗排水管；3、5配水管；7排气管；8隔板； 4.4 除铁除锰滤池4.4 除铁除锰滤池通过改变成熟生物滤池进水铁、锰浓度，检测相应的出水铁、锰浓度，得出生物滤层铁与锰的去除在一定的条件下是存在相关关系的。即，除铁除锰生物滤层，进水铁锰在一定的浓度范围之内(铁浓度6mgL，锰浓度6mgL时
17、，进水铁浓度的变化将会引起出水锰浓度的波动，但经一定时期的培养，其除锰能力又得到恢复，出水水质仍然达标。若进水铁浓度超过14mgL，将影响滤层的除锰性能，而且在其他运行参数相同的条件下，同一生物滤层含铁量相对较低的地下水的除锰能力要高于含铁量高的地下水的除锰能力。4.4 除铁除锰滤池1.除一般要求外，要对铁和锰有较大的吸附容量和较短的“成熟”期。2.常用滤料：石英砂、无烟煤、天然锰砂v曝气氧化法除铁中石英砂和无烟煤；v接触氧化除铁中优先选用天然锰砂，过滤初期出水水质好。v接触氧化除锰中优先选用马山锰砂，乐平锰砂、湘潭锰砂，成熟期短，容量大，过滤初期出水水质好。4.4 除铁除锰滤料谢谢观赏高等水化学重庆大学城市建设与环境工程学院
