9.6 地下水除铁和除锰

I 工艺流程选择

9.6.1 铁、锰都是人体组织的微量元素，成人身体中含铁4g～5g，含锰12mg～20mg。人体缺铁就会产生贫血和代谢功能紊乱，人体缺锰将引发畸形、脑惊厥、早产及不孕症等疾病。但铁、锰过多也会引起铁中毒和锰中毒。人体摄取铁过多有损于胰腺、肝胆和皮肤。锰过多引起造骨机能破坏、引发锰佝偻病以及中枢神经、呼吸系统病患。人们在饮茶、食用蔬果、肉类和粮食中已能满足对铁、锰的摄取需求。长期饮用含铁、锰水有损于健康。况且含铁、锰水会产生沉淀于供水管道之中，着色于生活器皿和衣物，给生活造成诸多不便。含铁、锰水用于造纸、纺织、印染、食品等工业生产会使产品着色乃至报废，用于锅炉用水会产生结垢乃至事故。水中铁、锰对工业生产有害而无益，希望越少越好。所以城市供水中，如水源水铁、锰超出用水标准必须予以处理。
9.6.2 我国含铁、锰地下水分布于18个省市、3.1亿人口的广大地区。由于各地的水文地质化学条件的差异，含铁、锰地下水水质千差万别。在工艺中需要来考虑原水中Fe^2＋与除锰生成的Mn⁴⁺的氧化还原反应，所以按照原水中Fe²⁺的含量可将原水分为：
    Ⅰ：Fe^2＋小于5mg/L，Mn^2＋小于0.5mg/L的地下水质称之为低浓度铁、锰地下水。
    Ⅱ：Fe^2＋大于5mg/L，Mn^2＋大于0.5mg/L的称之为高浓度铁、锰地下水。
    Ⅲ：当含铁、锰地下水中同时又含有氨氮称之为伴生氨氮铁、锰地下水。
    由于铁、锰和氨氮在水中的浓度不同，铁、锰和氨氮相互间的氧化还原关系及原水对氧的需求都将有重大差别。故地下水除铁、锰水厂设计之时，应根据原水水质条件来选择净水流程和构筑物形式。
    由于地下水水质复杂、千差万别，有条件时应做现场模拟试验研究，也可参照相似水质条件水厂的运行经验，经工程综合技术经济比较后确定。
9.6.3 低浓度铁、锰地下水多分布于弱还原环境的河漫滩之下，与河水有较好的水力交换。水中还原物质较少，对氧的需求低。根据辽宁省浑太流域，大、小凌河流域地下水除铁、除锰水厂的多年运行经验，可采用跌水曝气1级除铁、除锰滤池的简捷净化流程。
9.6.4 在标准状态下，O₂的氧化还原电位0.82V，铁的氧化还原电位为0.2V，锰的氧化还原电位为0.6V。O₂与Mn的氧化还原电位差为0.22V，O₂与Fe的氧化还原电位差为0.62V。所以在地下水pH值中性条件下，Fe^2＋可以被溶解氧直接氧化，当存在触媒的情况下可迅速氧化。但Fe与Mn的氧化还原电位差为0.4V。在一定的基质浓度下，Fe^2＋与Mn^4＋会发生氧化还原反应，Mn^4＋将Fe^2＋氧化Fe^3＋，而Mn^4＋还原为Mn^2＋。据北京工业大学和中国市政东北设计研究院有限公司的科学研究成果和工程生产实验，当滤层进水中Fe^2＋＞5mg/L时，就会发生Fe^2＋和Mn^4＋的氧化还原反应，此时应采用厚滤料滤池或采用两级过滤流程。
9.6.5 Fe^2＋的氧化当量为0.143mg O₂/mgFe^2＋，Mn^2＋的氧化当量为0.29mg O₂/mgMn^2＋，而氨氮(NH₄^＋-N)的氧化当量则为4.57mg O₂/mgNH₄^＋-N。所以原水中含有氨氮，除铁、锰、氨的滤层耗氧量大增。故当含铁、锰水中伴生氨氮且NH₄^＋-N＞1.0mg/L，宜采用两级曝气两级过滤流程。

Ⅱ 曝气装置

9.6.6 含铁、锰地下水是在还原环境下存在的，水中溶解氧为零。为进行Fe^2＋、Mn^2＋的氧化反应必须向水中充氧。除铁和除锰在地下水pH值6～6.5的条件下均可顺利进行，也不受溶解性硅酸的影响。曝气是为了充氧，不必刻意散失CO₂。故曝气装置的选择只根据原水需氧量来选择。同时曝气又是除铁、除锰水厂的重要动力消耗单元，在满足溶解氧需求条件下，宜选择简单节能的曝气装置，跌水与淋水是除铁、锰工艺首选曝气装置。
    喷水、板条式曝气塔、接触曝气塔能耗较高、投资较大。叶轮式表面曝气装置有动力设备，增加了维护工作量。在一定条件下，也可以选用。
    射流曝气、压缩空气曝气只有在压力式除铁、锰装置中使用。
9.6.7 跌水曝气的溶氧效果，因受水的饱和溶解氧浓度的限制，随着跌水级数和跌水高度增大是有限的。据生产实践调研一级跌水高度在0.5m之上，水中溶解氧浓度可达4.0mg/L～4.5mg/L，三级跌水达5.0mg/L～5.5mg/L。已能满足除铁、除锰工艺的要求。故以跌水级数1级～3级，每级跌水高度0.5m～1.0m为宜。
    跌水堰单宽流量小，跌水水舌下真空度亦小，吸入空气量少；单宽流量大，随水舌下真空度增强，吸入空气量大，但水舌变厚后，单位水量中溶入空气量反而变小。据生产实际调研单宽流量以20m³/(m·h)～50m³/(m·h)为宜。
9.6.8 目前国内淋水装置多采用穿孔管，因其加工安装简单，曝气效果良好，而采用莲蓬头者较少。理论上，孔眼直径越小，水流越分散，曝气效果越好。但孔眼直径太小易于堵塞，反而会影响曝气效果。根据国内使用经验，孔眼直径以4mm～8mm为宜，孔眼流速以1.5m/s～2.5m/s为宜。据实地调研和室内科研实验，淋水飞程1.5m之内，溶氧效果与淋水飞程呈正相关关系。飞程大于1.5m溶氧效果增长非常缓慢。故淋水装置的安装高度宜为1.5m～2.0m。安装高度是指淋水出口至集水池水面的距离。
9.6.9 条文中规定了每10㎡面积设置喷嘴的个数，实际上相当于每个喷嘴的服务面积约为1.7㎡～2.5㎡。
9.6.10 某水厂原射流曝气装置未经计算，安装位置不当，使装置不仅不曝气，反而从吸气口喷水。后经计算，并改变了射流曝气装置的位置，结果曝气效果良好。可见，通过计算来确定射流曝气装置的构造是很重要的。东北两个城市采用射流曝气装置已有多年历史，由于它具有设备少、造价低、加工容易、管理方便、溶氧效率较高等优点，故迅速得以在国内十多个水厂推广使用，效果良好。实践表明，原水经射流曝气后溶解氧饱和度可达70％～80％，但CO₂散除率一般不超过30％，pH值无明显提高，故射流曝气装置适用于原水铁、锰含量较低，对散除CO₂和提高pH值要求不高的场合。
9.6.13 实践表明，接触式曝气塔运转一段时间以后，填料层易被堵塞。原水含铁量愈高，堵塞愈快。一般每1年～2年就应对填料层进行清理。这是一项十分繁重的工作，为方便清理，层间净距一般不宜小于600mm。
9.6.14 根据生产经验，淋水密度一般可采用5m³/(㎡·h)～10m³/(㎡·h)。但直接装设在滤池上的喷淋设备，其淋水密度相当于滤池的滤速。
9.6.15 试验研究和东北地区采用的叶轮表面曝气装置的实践经验表明，原水经曝气后溶解氧饱和度可达80％以上，二氧化碳散除率可达70％以上，pH值可提高0.5～1.0。可见，叶轮表面曝气装置不仅溶氧效率较高，而且能充分散除二氧化碳，大幅度提高pH值。使用中还可根据要求适当调节曝气程度，管理条件也较好，故近年来已逐渐在工程中得以推广使用。设计时应根据曝气程度的要求来确定设计参数，当要求曝气程度高时，曝气池容积和叶轮外缘线速度应选用条文中规定的上限，叶轮直径与池长边或直径之比应选用条文中规定数据的下限。

Ⅲ 除铁、除锰滤池

9.6.17 除铁、锰滤池滤料并非充作触媒物质，而是触媒载体。表层滤料是Fe^2＋氧化触媒的载体，下部填料是锰氧化触媒物质载体，同时滤层还起到截滤悬浮的铁、锰氧化物的作用。故原则上任何可以作为滤料的材料均可作为除铁、除锰滤池滤料。锰砂有很大的吸附容量，是石英砂的几十倍。在一定的水质和操作条件下，在滤池投产之初当锰砂滤料的吸附容量渐渐饱和之前，除锰滤池就已经培养成熟，由此可使吸附饱和期与培养成熟期相衔接，在投产初期就可以取得Mn^2＋浓度不超标的处理水。相反地，若采用石英砂为除锰滤池滤料，由于其对锰的吸附容量很小，在滤池投产初期吸附容量很快饱和，所以出水锰浓度在滤池成熟之前(时间可长达数十日)是不达标，但石英砂强度大耐磨，使用寿命长。各水厂可据地方条件选用。
9.6.18 除铁、除锰滤池希望有更大的填料表面积和曲折的过滤路径。据长年除铁、锰水厂的生产经验，滤池滤料粒径石英砂d＝0.5mm～1.2mm，锰砂为0.6mm～1.2mm或0.6mm～2.0mm为宜。为了锰氧化还原菌在滤砂上附着和具有一定的生化反应时间，滤速不宜过大，一般为5m/h～7m/h。
9.6.19 在除铁、除锰滤层中不但滤砂表面黏附着铁锰氧化物，同时滤砂间隙中也有大量铁锰氧化物黏泥。为使全滤层全方位得以洗净，采用冲洗均匀的大阻力配水系统。
9.6.20 除铁、除锰滤池中Fe^2＋、Mn^2＋的氧化反应是在滤层中进行的。与地面水除浊主要发生在滤层表层不完全相同，可以省去表面冲洗。反冲的目的不但要将滤砂颗粒空隙中铁锰粘泥洗净，还要保护滤砂表面的触媒物质。所以一般不希望增加扰动更大的气冲洗，只采用水反冲洗就可完成滤层洗净的任务。冲洗强度与膨胀率都应小于地面水除浊的滤池。冲洗延续时间也不宜过长，反冲洗排水由浑稍有变清为止。