小型地下水除铁锰工艺在农村小型集中式供水工程中的应用

2014年第29期科技创新科技创新与应用小型地下水除铁锰工艺在农村小型集中式供水工程中的应用荣明书唐勇臣（广西水文地质工程地质队，广西柳州545006）铁锰是人体必不可缺少的微量元素，人的体内缺铁，会得缺铁性贫血等疾病，直接影响身体健康。人体内所需要的铁锰，主要来源于食物和饮水。然而，水中含铁量过多，也会造成危害。据测定，当水中含铁量为0.5mg/L时，色度可达30度以上，达到1.0mg/L时，不仅色度增加，而且会有明显的金属味。铁锰的浓度超过一定限度，就会产生红褐色的沉淀物，生活上，能在白色织物或用水器皿、卫生器具上留下黄斑，同时还容易使铁细菌繁殖，堵塞管道。饮用水铁锰过多，可引起食欲不振、呕吐、腹泻、胃肠道紊乱及大便失常等危害。所以我国国家标准规定在生活饮用水中铁含量不超过0.3mg/l，锰不超过0.1mg/l。据《广西农村饮水安全工程“十二五”规划》，到2014年，成井1750口，为从根本上改善水源性缺水地区100万人以上群众的饮水条件提供饮用水源保障。广西水源性及水质性缺水地区点多面广，且多分布在碳酸盐岩的岩溶石山地区，为寻找足够合格的供水水源，多采用打井吸取地下水的方法作为水源。而岩溶石山地区地下水一般铁、锰含量较高，个别地区大大超过国家标准，所以很有必要推广应用小型除铁、除锰设备。1除铁、锰的工艺原理三价铁在PH＞5的水中，溶解度极小。通过地层的过滤作用，基本上可以去除。地下水中的铁主要以二价的重碳酸铁Fe（HCO3）2的形式存在。由于地下水基本不含溶解氧，故Fe（HCO3）2在地下水中存在很稳定。当地下水提升至地面接触氧气或氯气、高锰酸钾等氧化性物质后，就被氧化为三价铁：4Fe2++O2+2H2O=4Fe2++4OH-（1）氧化生成的三价铁由于溶解度极小，因而以Fe（OH）3形式析出，Fe（OH）3又易于形成胶体絮凝体，通过各种形式的滤池即可去除。目前小型的地下水除铁、锰装置多以利用空气中的氧来氧化二价铁最为经济。其一般的工艺原理见图1。图1除铁、除锰工艺原理1.1氧气的溶解及二氧化碳的散除由（1）式可知每氧化1mg/l的二价铁需0.14[Fe2+]mg/l的氧，但实际上所需的浓度比理论值高，所以除铁所需溶解氧浓度为：=0.14a[Fe2+]mg/l（2）a-过剩氧系数，一般取a=2~5。水中二价铁的氧化速度与水中[Fe2+]、[O2]、[OH-]等有关，可表示为：-d[Fe2+]dt=K[Fe2+][O2][OH-]2（3）K-反应速度常数。由（3）式可见：氧化速度与[OH-]呈二次方关系，所以水的PH值对氧化除铁关系重大，一般只有水的PH值不低于7时才能顺利进行。故在曝气向水中溶解氧时，还应使水中二氧化碳充分散逸，以提高水的PH值。依据亨利定律：湿度一定时，气体在水中的溶解度与该气体在液面上的分压成正比。所以在原水的铁质含量，水温等因素一定的情况下，增加单位体积水与空气的接触面积，延长曝气时间都会提高空气在水中的溶解速度，使之尽快达到平衡。当水进行曝气时，空气流量与水的流量的比值称之为“气水比”。大的气水比对水中二氧化碳的散除和氧气的溶入都有加强的作用，但会加大能耗并使氧的利用率下降，故是不经济的。在应用中。如原水的PH值较高，则可采用较小的气水比，曝气时使气泡分散于水中，即气泡式曝气，如采用压缩空气、水———气射流泵等装置，如果水的PH值较小曝气时除了使氧溶于水外还需散除水中的二氧化碳，则应采用较大的气水比，使水滴分散于空气中，即喷淋式曝气，如淋水、跌水、接触式曝气塔等装置。1.2二价铁的接触氧化小型除铁、锰装置一般都采用接触氧化法，即原水曝气后直接进入锰砂滤池。在滤池中同时进行两个过程：一方面二价铁离子被滤料膜吸附，并在其催化作用下被氧化；另一方面被氧化后成为Fe（OH）3的铁质即附着在滤料上从水中除去。1.3锰的接触氧化去除锰在水中有二价至多种价态，但基本上都以二价形式存在。通常在原水中含锰量不高的情况下，可与除铁一起通过一次曝气直接进入锰砂滤池，进行接触氧化并去除。由于铁的氧化还原电位比锰还低，故二价铁对高价锰起还原作用，即在铁存在的情况下，很难使锰氧化去除。所以在生产中可采用加厚滤层厚度或采用双级过滤方法。如果水中含锰较高可采用先简单曝气除铁，再充分曝气除锰的方法。2地下水除铁、锰的主要工艺方法及设备小型除铁、锰装置的曝气部分形式较多，可依水质的不同选用，过滤部分多采用压力机械虑罐。虑罐可采用直径800~3000mm的多种定型产品，采用大阻力配水方式，滤料采用粒径0.6~2.0mm的天然锰砂、滤层厚度1.0~1.4m，垫层采用级配锰砂，不易松动乱层的大粒径垫层可采用卵石，其粒径及厚度见表1。表1垫层采用材料粒径及厚度一览表定型产品的产水量从每小时2吨到70吨。下面以采用水———气射流泵曝气的除铁、锰