北方城鎮地下水鐵錳處理工藝淺析

梁宸 陳鑫鵬 楊天浩

【摘?要】本文對比分析了北方城鎮地下水鐵錳處理工藝的特點，并對某城鎮地下水采用“曝氣-藥劑軟化-催化氧化過濾法”進行鐵錳去除實驗，結果表明：最佳曝氣時間為3min，復合藥劑中氧化鈣最佳投加量為0.01mg/L，碳酸鈉最佳投加量為1.0mg/L。

【關鍵詞】北方城鎮;地下水;除鐵錳;工藝分析

一、引言

我國許多地區地下水鐵錳超標[1]。在天然地下水中，鐵為水溶性的陽極離子，在其流經地面并接觸到空氣后含鐵的地下水呈現淡黃色，這主要是由于氧氣與鐵離子發生氧化反應而生成橙黃色的氫氧化鐵沉淀物所致。鐵和錳是人體內必需的元素，但當水中含鐵量> 0.3mg/L、錳離子含量>0.l mg/L時，水將會變渾，并會對工業生產造成巨大影響。因此，減低水中鐵錳離子濃度，對保證人民的生活和工農業生產是至關重要的。

二、地下水鐵錳離子的處理工藝

2.1接觸氧化法除鐵錳

地下水除鐵錳是氧化還原反應過程，其中射流曝氣除鐵錳是一種簡單有效的除鐵錳方法，通過高壓器使被吸入的空氣充分與水流混合，令原水中的鐵錳離子快速氧化，然后迅速通過過濾器沉淀從而達到去除鐵錳的目的。

地下水鐵錳的處理一般采用雙層技術。第一步是將氧溶解在水中，將二價鐵氧化成難溶于水的三價鐵，第二步是采用絮凝的方法，去除三價鐵的沉積物從而達到凈水目的。錳主要以二氧化錳形式存在，是一種將鐵氧化到三氧化二鐵良好的催化劑。含鐵的地下水pH值為5.5或更高，當與精煉的錳砂接觸時，錳砂會將二價鐵離子氧化為三價鐵離子，因此純錳砂有催化劑和過濾的雙重作用。

在此過程中，錳砂過濾的原理是在過濾提煉的過程中錳砂過濾材料的表面活性層逐漸變為鐵過濾薄膜層形成了催化劑的作用。活性過濾膜由R型氫氧化鐵構成層，能與二價鐵離子進行離子交換反應，置換等量的氫離子。化合物的二價鐵被迅速氧化水解，氫氧化亞鐵再生，能夠產生催化劑物質。新生成的氫氧化亞鐵作為活性過濾膜的材料，也參與了新的鐵離子去除過程，因此活性過濾膜去除鐵錳是自動催化過程。通過錳砂過濾器對水中的鐵離子進行處理，處理工藝流程為曝氣→接觸氧化→吸附過濾→反洗。

2.2通過化學藥劑軟化法

化學藥劑軟化法是用強氧化化學試劑如高錳酸鉀氧化水中的二價鐵。通過化學藥劑氧化作用將二價鐵轉化為三價鐵，并將二價錳轉化為二氧化錳，然后通過氧化反應從而改變水中酸性，最終將三價鐵沉淀到含鐵的氫氧化鐵中，這樣鐵離子就可以從水中去除。

2.3活性炭吸附法

活性炭是一種性能良好的吸附劑，利用物理及化學方法將木炭作為原料，通過粉碎、篩分、催化劑的活性化、漂洗、干燥、篩選及一系列的加工及制造工藝，使其具有物理吸附和化學吸附雙重特性。活性炭可選擇性地吸附氣相、液相各種物質，達到脫色、消毒、除臭、凈化的目的，具有高的吸附凈化能力，以達到降低鐵錳離子含量的目的。

2.4活性濾膜法

樣品活性濾膜上存在對鐵和錳具有生物氧化作用的微生物，以去除水中的鐵和錳。如濾膜上的鐵細菌分泌氧化還原酶粘附在細胞外，二價鐵被氧化變成一種不溶性氫氧化物[2]。一些鐵細菌將吸附的鐵轉移給細菌，并將其重新氧化，以獲得生物生長所需的能量，同時細菌利用自身有機成分釋放和氧化有機鐵。錳的氧化機理與鐵相似，錳的去除往往是在二氧化錳存在濾層的情況下進行的，錳離子更容易吸附在二氧化錳上從而被催化氧化。活性聯氨膜的氧化是一個自催化過程，鐵、錳的氧化不僅取決于細菌的氧化作用，還取決于細菌的整體作用。鐵細菌通過催化氧化活動分泌酶，其他鐵細菌則分泌不同的氧化物，基本上所有的氧化酶都能促進鐵的催化氧化。高價態的錳化合物堆積在過濾器物質的表面，形成高價態錳化合物的結晶體，并在結晶體的基礎上形成活性膜。過濾器膜形成后，在整個過濾層中形成完整的化學和物理機制。反應性過濾器膜可持續氧化鐵和錳，進而去除鐵錳離子。鐵錳氧化細菌的活動是主要部分，化學催化活動只是小部分，微生物失活后如果不能在間隔時間內更新過濾膜會逐漸老化，最終失去清除能力。

現如今，生物去除鐵錳離子工藝得到了廣泛的應用。在國外使用了一些兩級生物反應器和管道系統，第一級用于氧化，第二級用于去除殘留的鐵和錳。細菌在控制生物體內錳含量方面起著重要作用，常見的菌株包括Gallia sp. lepto varys XSP和Siderocapsa[3，4]。

三、地下水鐵錳處理工藝案例分析

針對北方某城鎮的兩份地下水樣，分析其水質特征。原水水樣均透明澄清，略有黃色，無味;出水水樣透明澄清，無色無味。在煮沸燒開后，兩份水樣表面均產生一層白色細小絮凝物浮渣。對該水樣采用“曝氣-藥劑軟化-催化氧化過濾法”，以一種復合的軟化藥劑為基礎，首先利用其中的主要化學成分氧化鈣和碳酸鈉，在適宜的pH值下，去除水中暫時硬度對后續催化氧化過濾工藝的影響，然后依靠錳砂的催化氧化過濾作用去除水中鐵錳，達到水的凈化目的。實驗室靜態實驗顯示：最佳曝氣時間為3min，復合藥劑中氧化鈣最佳投加量為0.01mg/L，碳酸鈉最佳投加量為1.0mg/L。經該方法燒開后的水，已無白色絮狀浮渣，其水質也已達到我國《生活飲用衛生標準》（GB5749-2006）要求。

四、結論

地下水中鐵錳超標將給生活飲用水及工業用水帶來很大危害。通過組合工藝可有效降低地下水中鐵錳離子濃度，不僅解決了工業上的一系列難題，更為今后的地下水處理起到了良好的鋪墊。

參考文獻：

[1]張蔚，朱江龍.地下水鐵錳污染及治理方法[J]. 廣東化工，2018，45：163-164.

[2]宋玉梅.地下水除鐵除錳工藝分析[J].科技經濟導刊，2017，34：118.

[3]袁雅姝，陳正洋，傅金祥，等.地下水源除鐵錳濾池調試運行實踐及思考[J].中國給水排水，36（15）：35-40.

[4]彭治軍.地下水中鐵錳超標的治理[J].廣東化工，46（401）：130-131.

作者簡介：

梁宸，（1999-），男，給排水科學與工程專業。

基金項目：

吉林省大學生創新創業訓練計劃項目（202010191024）

（作者單位：吉林建筑大學市政與環境工程學院）