氧化過濾技術在生活水除錳工藝中的應用

□孔祥貢 李俊飛 吳若蕾 鄭 彬

錳是高等生物體所必須的微量元素。但如攝入過量的錳，則會引起神經性疾病，嚴重時還會導致中毒性精神病和帕金森綜合征[1]。為控制居民從生活水中攝入錳的量，《GB5749-2006生活飲用水衛生標準》中明確規定生活水中錳含量≤0.1mg/L。海南省某企業生活水廠自投運以來，一直出現周期性源水和出廠水錳含量超標問題。源水錳含量最高值達4mg/L，出廠水最高值達1.48mg/L,遠超飲用水國標規范值。針對此問題，該企業將過濾池濾料由石英砂更換成錳砂，并在澄清池前添加高錳酸鉀。改造后出廠水錳含量雖有所降低，但相關參數如pH值、高錳酸鉀添加量等未按水質特點進行有效調整，導致出廠水錳含量仍時常超出國標規范。本研究旨在根據現有生活水廠系統設備和工藝，探究出符合本生活水廠水源的最佳除錳條件，根據試驗結果來指導除錳工藝的運行。

一、生活水廠現狀

(一)錳含量超標的原因。

1.源水錳含量偏高。通過對源水錳含量跟蹤分析發現，每年的5～7月份源水錳含量超標嚴重，最高達4mg/L。

2.生活水廠制水工藝除錳效率低。該生活水廠原工藝流程如圖1所示。由于源水中的錳絕大部分以溶解態的二價錳離子存在，此工藝流程面對高錳含量的源水時，無法使出廠水錳含量控制在國標規范值內。

圖1

(二)已采取的措施。該生活水廠對系統工藝進行了相關改造。將砂濾池中的石英砂更換為錳砂,并在澄清池前添加高錳酸鉀。

(三)存在的問題。系統改造后，出廠水錳含量仍有超標的情況。造成錳去除效果不佳的主要原因是運行的相關條件參數未進行最佳控制。如高錳酸鉀的添加量、pH值等。

針對除錳工藝低效問題，使用小型模擬試驗裝置開展研究，確定最佳除錳條件和關鍵參數，指導生活水廠合理的運行與控制，使出廠水質完全符合國標規范值。

二、高錳酸鉀氧化除錳試驗

高錳酸鉀作為強氧化劑，可將二價的錳快速氧化成可沉淀的四價錳，反應式如下：

2KMnO4+3Mn2++2H2O=5MnO2+2K++4H+

由反應式可知，1.0mg/L的Mn2+理論需1.92mg/L的高錳酸鉀。由于源水的水體環境復雜，實際高錳酸鉀最佳添加量需通過源水進行試驗確定。

同時，不同的pH值對高錳酸鉀的氧化效果和混凝劑的混凝效果影響，也需要研究。

(二)高錳酸鉀添加量的影響試驗。

1.試驗流程。試驗采用離線模擬方式：源水—加高錳酸鉀—調整pH—加混凝劑—混凝—沉淀。具體流程如下：相同源水中加入不同量的高錳酸鉀后，統一調整pH至7.5，添加聚合氯化鋁,在500r/min的轉速下快攪20s，在300r/min的轉速下攪拌30s，在200r/min的轉速下攪拌1min,在80r/min的轉速下慢攪4min,在40r/min的轉速下慢攪2min,最后靜置10min，取上層清液測量錳含量。

2.試驗結果與結論。錳濃度分別為856μg/L、2,118μg/L、3,017μg/L的源水進行高錳酸鉀的添加量影響試驗，結果如圖2所示。

圖2 高錳酸鉀添加量對錳去除率的影響

由圖2可知，高錳酸鉀對源水中錳的去除效果明顯，最高除去率可達99.5%。針對不同錳濃度的源水，每1.0mg/L的錳添加2.0mg/L高錳酸鉀時錳的去除率均可達92%以上，完全可以滿足工藝應用時的技術指標要求。

(三)pH值對高錳酸鉀除錳效果的影響試驗。pH值影響試驗的流程、步驟與儀器及試劑基本相同，唯一不同之處為：按梯度調整源水的pH值，高錳酸鉀的加入量固定為源水錳濃度2倍。

1.試驗結果與結論。對錳濃度分別為1,957μg/L、2,849μg/L的源水進行不同pH值的影響試驗，結果如圖3所示。

圖3 pH值對高錳酸鉀除錳效果的影響

由圖3可知，pH值在5.0～8.5范圍內，高錳酸鉀對錳具有良好的去除率。pH值7.5時，去除率最高。pH值對除錳效果雖有影響，但遠沒有高錳酸鉀投加量的作用明顯。

三、錳砂除錳試驗

(一)概述。接觸氧化除錳技術為李圭白院士課題組提出[3]。該技術的除錳機理為：濾料表面形成的錳質濾膜起催化作用，使Mn2+容易被溶解氧氧化成高價錳氧化物[4]。

研究表明，高pH有助于錳砂對錳的去除[5]。該生活水廠的源水pH長期在6.8以下，最低達4.3，pH值如不控制至最佳范圍，錳砂的實際除錳效果會降低，甚至會出現釋放錳的現象。

(二)pH值對錳砂除錳效果的影響試驗。

1.試驗流程。采用過濾柱進行模擬試驗，具體流程如下：采用35*350mm的過濾柱，裝填錳砂10cm,不同pH值的含錳溶液，以1滴/s的流速經過過濾柱，取中間流出液測量錳含量。

2.試驗結果與結論。不同pH值狀態下，對錳含量均為255μg/L的樣品進行過濾試驗，結果如圖4所示。

圖4 pH值對錳砂除錳效果的影響

由圖4可知，提高源水pH有助于提高錳砂除錳效率。根據國標《GB5749-2006生活飲用水衛生標準》中，要求生活水pH值在6.5～8.5，在錳砂濾池前將pH值調節至7.5～8.0較為合適。

四、結論與建議

(一)結論。高錳酸鉀的添加量是除錳的重要影響因素。根據源水中的錳含量，按每1.0mg/L的錳添加2.0mg/L高錳酸鉀，可以保證源水中的錳到達92%以上的去除率。pH值對高錳酸鉀氧化沉淀除錳工藝影響不大，pH值在7.5左右時，高錳酸鉀除錳效果最佳。pH值是錳砂接觸催化氧化過濾除錳的重要影響因素，pH值越高，錳砂除錳效果越好。

(二)建議。一是該生活水廠按源水中錳的含量進行添加高錳酸鉀。按源水中每1.0mg/L的錳添加2.0mg/L高錳酸鉀調節加藥量。二是將源水pH值調節至7.0～7.5，在沉淀池出口及錳砂濾床入口段將源水pH提高至7.5～8.0。只有將上述工藝參數控制在最佳范圍，才能使該生活水廠總體除錳效率≥99%，確保出廠水錳含量滿足國標規范。