接触氧化除铁除锰

摘要：从理论计算和试验两方面探讨了生物除铁除锰滤池中的曝气溶氧问题。结果表明，生物滤层除铁除锰不需要高溶解氧，也不需要通过散除CO2来提高原水的pH值，相反CO2可作为微生物繁殖代谢的碳源。认为简单的曝气充氧方式与生物滤池的结合可大大简化传统的处理流程。

关键词：生物滤池除铁除锰需氧量曝气

对于传统的除铁除锰工艺，曝气的主要目的是向水中充氧，并充分散除水中的CO2以提高pH值。因此，对于接触氧化除铁除锰(特别是除锰)，一般都要求较大的曝气强度。生物除铁除锰机制指出，在pH值的中性范围内，Mn2+的氧化不是其氧化物的自催化作用，而是以Fe2+、Mn2+氧化细菌为主的生物氧化作用。亚铁对维系生物滤层中微生物群系所组成的生态群落起着非常重要的作用，并实现了铁、锰在同一生物滤层中很好地被去除。从单纯的物理化学氧化到生物化学作用机制的转变，必然会引起实际运行中许多因素的变化。现仅就曝气充氧量对生物滤层除铁除锰效能的影响进行了研究。

1理论需氧量计算

从理论上讲，Fe2+、Mn2+在生物滤层当中的氧化过程是很复杂的，它们的生物氧化反应在细胞膜表面进行，并且在整个氧化反应过程中有复杂的电子传递过程。但不论电子和能量是怎样传递的，下列关系总是成立的：

4Fe2++O24Fe3++2O2-

4Fe2+∶O2=(4×55.8)∶32

［O2］=0.143［Fe2+］

2Mn2++O22Mn4++2O2-

2Mn2+∶O2=(2×54.9)∶32

［O2］=0.29［Mn2+］

理论上所需溶解氧量可用下式表示：

［O2］=0.143［Fe2++0.29［Mn2+］

在化学氧化理论指导下，实际工程中为了散除游离CO2，提高原水的pH值，同时也由于化学反应速率的需要，应有一定的过剩溶解氧，所以在理论需氧量的基础上乘以一个过剩系数a。工程实际需氧量为：

［O2］=a(0.143［Fe2+］+0.29［Mn2+］)

对于a的取值，以如下计算为例。18 ℃时水中饱和溶解氧量为9.17 mg/L，理论上去除铁的浓度上限应为9.17/0.143=65 mg/L。试验表明，在自然氧化除铁的条件下是不可能达到该值的。根据有关资料，18 ℃时去除铁的浓度上限只为30 mg/L，反推过剩系数为

a=9.17/(0.143×30)=2.18。

在生物除铁除锰滤层中，Fe2+、Mn2+的氧化都是在pH值中性条件下进行的，不要求散除CO2，实际上生物氧化速率几乎不受溶解氧过剩系数的影响。过剩系数a可取更低值，实际工程中取1.5足够。

假设地下水中含铁浓度为15 mg/L，含锰2 mg/L，那么进行生物除铁、除锰的需氧量为：

［O2］=(1.5(0.143［Fe2+］+0.29［Mn2+］)=4.1 mg/L

我国地下水的铁、锰浓度大多数都在［Fe2+］=15 mg/L，［Mn2+］=2 mg/L之下。实际工程中各地除铁除锰水厂如果采用生物机制，那么所需溶解氧量是很有限的。

2需氧量试验

2.1材料和方法

①试验滤料为培养成熟的锰砂，原水为含铁、锰的地下水，试验滤柱为有机玻璃柱，直径为100 mm，滤层厚为1.2 m，承托层厚为0.5 m。采用莲蓬头喷淋曝气，曝气量可调；滤速为12.7 m/h，用DO测定仪连续在线测定进出水的DO含量，同时取样分析进、出水的铁、锰浓度。试验测定(或取样)时间间隔为1 h。

②试验滤料为运转一定时间但未成熟的锰砂，原水为含铁、锰的地下水，试验用生产滤池面积为2.4 m×3.6 m，滤层厚为1.2 m。采用跌水曝气充氧，单宽流量为20m3/(m·h)。用DO

测定仪测定进出水DO含量，同时取样分析进出水铁、锰浓度。

2.2结果与分析

①不同曝气强度下的单锰过滤

改变原水的曝气强度，考察不同DO水平下成熟锰砂滤柱在深760 mm处出水的DO变化和锰去除情况。原水中锰含量为3.832～3.938 mg/L。试验结果见图1。

由图1可以看出，原水DO含量从3.0 mg/L逐渐提高到6.0 mg/L，原水经过760 mm生物滤层后，DO消耗量变化不大，基本维持在0.5 mg/L左右，锰去除率也比较稳定(63%～72%)。由此可见，水中DO含量在3.0～6.0 mg/L范围内变化，对锰的生物去除并无明显的促进作用。

②DO在适当范围内的单锰过滤

根据上述试验结果，在一定范围内调整原水DO含量，测定成熟锰砂滤柱在深760mm和1 200 mm处锰的去除情况。原水锰含量为4.887 mg/L，试验结果见图2。

从图2可以看出，原水DO在3.1～4.5 mg/L水平下，经过1.2 m厚的生物滤层，锰的去除率＞90%且出水稳定。这进一步说明了原水DO在适当范围内，是生物滤层除锰过程的非限定性因素。实际上用于生物滤层除锰的DO量是非常小的，但还要考虑到滤层中的除铁需氧量，不能使水中DO含量太低。

③DO(4.5 mg/L)对生物除铁除锰的影响

图3表示的是在原水含铁量较高情况下，采用跌水曝气溶氧的生产滤池在培养成熟过程中DO消耗量变化的情况。原水含铁为7.45～10.16 mg/L，含锰为1.19～1.38 mg/L。

图3生物滤层除铁除锰与DO变化原水DO在4.5 mg/L的条件下，地下水总铁平均为8 mg/L，锰平均为1.4 mg/L，实现了培养全过程的顺利进行。由图3可以看出，铁的去除在生物滤层成熟过程中比较稳定，因此对氧的需求变化不大。以出水锰稳定在0.05 mg/L以下作为滤层成熟的标准，可以看出滤层成熟前后DO消耗量有所增加，这与锰去除率的提高是一致的。成熟后滤层DO消耗量维持在1.6～2.0 mg/L之间，趋于稳定。与前面两个试验相比较，因为原水含铁量较高，滤层消耗DO量有所增加，但经简单的曝气，原水DO含量达4.5 mg/L左右时，铁锰氧化细菌的实际需氧量还是过剩的。

④分析与讨论

生物滤柱的除铁除锰，运行的每一个因素都与其存在的微生物相关。成熟的生物除铁除锰滤层实际是一个复杂的生态系统，铁锰氧化细菌的种类繁多，去除铁锰的机理也各不相同。但有一点是肯定的，即在满足滤层中微生物生理需要的前提下，较小的氧过剩系数即可达到生物滤层的稳定运行；而且有很大一部分铁锰氧化细菌属微好氧菌，过度的曝气不仅造成能量浪费，还会抑制某些细菌的活性，产生负面影响。在生物除铁除锰滤层中，铁锰的氧化都是在pH值中性条件下进行，不要求散除CO2，同时CO2还是微生物繁殖代谢的重要碳源。

从除铁方面考虑，太高的曝气强度将使原水中大量的Fe2+在进入滤层前氧化成Fe3+，形成絮凝体。这种Fe3+絮凝体易于堵塞滤层和穿透滤层，而且其沉积在滤料表面，会妨碍滤料表面微生物对铁锰的吸附氧化，造成出水水质降低。

综上所述，DO在一定范围内的变化对生物除铁除锰效率的提高无显著影响。从经济和微生物角度考虑，生物滤池的除铁除锰相对传统工艺，可大大降低曝气强度，原水DO水平维持在3～5 mg/L即可满足运行要求，而不必通过强曝气来散除CO2。

除铁锰过滤器其实是多介质过滤器内填充锰砂颗粒，催化氧化二价铁离子和四价锰离子，从而形成胶体沉淀物后利用滤料的机械筛分作用分离出来。

一个完整的除铁锰系统最关键是两个方面。首先是曝气系统，即使得原水充分含氧，为氧化还原反应提供足够的氧气；而后是滤料锰砂的锰含量应＞35%，且充氧后的水在滤料层有足够的停留时间。

每个除铁锰的项目根据现场条件、原水水质和处理量大小，除铁锰系统会有不一样的配置。具体我司将根据实际情况为您提供完美的解决方案。

根据水质选择设计参数

几种曝气方法比较

kg/s 为单位时间内通过介质的质量

m3/h 为单位时间内通过介质的体积

我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下，密度为1.293kg/m3 通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3。

公式m=p*v P设为密度,1kg/s=1.205*3600m3/h=4338m3/h

4.1 mg/L m3/h 氧气密度：1.429克/升

空气密度：1.293克/升是9.10毫克氧气/1升水,