地下水生物除铁除锰工艺的影响参数
地下水除铁除锰技术分析_韩春威
－66－科技论坛地下水除铁除锰技术分析韩春威（辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳110122）地下水是非常重要的水资源。
从人们日常生活到发展农业以至国防建设都需要用地下水。
我国许多城镇和各企事业单位都以地下水作为重要水源，东北地区的地下水资源丰富，水质较好，处理工艺简单，但铁锰含量超标却是一个较为普遍的现象，尤其地表水污染日趋严重，地下水的开发利用必将大大增加，因此地下水除铁除锰处理愈加迫切。
铁和锰都是人体的必须的微量元素，水中含有微量的铁和锰一般认为对人体无害。
我国饮用水标准GB5749-85规定，生活饮用水中铁的含量不得超过0.30mg/L ，锰的含量不得超过0.10mg/L [1]。
水中的含铁量大于0.30mg/L 时水就变浑，超过1mg/L 时，水具有铁腥味。
人体吸入过多的锰会带来某些器官的病变。
铁锰含量超标会在供水管道壁上积累铁锰沉淀物而降低输水能力，沉淀物剥落下来时会发生水质在短时间变“黑水”或“红水”的现象。
1地下水除铁除锰主要机理地下水中碳酸溶解岩层中的二价铁锰氧化物，使铁锰分别以Fe 2+，Mn 2+的形式析出，此外还有一些高价铁锰的氧化物(如Fe 2O 3，MnO 2等)，在地下水所处地层缺氧的还原环境中，能被地下水中硫化氢等还原为Fe 2+,Mn 2+的形式。
铁、锰均是过渡性金属元素，其标准氧化还原，电位分别为Ψ°(Fe 3+/Fe 2+)=0.771V 及Ψ0(M nO 2/Mn 2+)=1.231V [2]，锰的氧化还原电位高于铁，M n 2+比Fe 2+难以氧化。
地下水中Fe 2+，Mn 2+与空气中的氧接触后发生如下反应：4Fe 2++O 2+10H 2O=4Fe(OH)3+8H +M n 2++1/2O 2+H 2O=MnO 2+2H +Fe 2+氧化为Fe 3+，并以Fe (OH)3的形式析出，再通过沉淀、过滤就能去除,而去除水中的锰就困难得多。
在溶解氧充足的条件下，水的pH 对铁锰的氧化速率的影响起决定性作用。
氨氮地下水生物除铁除锰效果的影响
溶解氧对含氨氮地下水生物除铁除锰效果的影响作者：李灿波， Li Canbo作者单位：北京工业大学建筑工程学院,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京,100024刊名：供水技术英文刊名：WATER TECHNOLOGY年，卷(期)：2009，3(3)被引用次数：1次1.Li D.Zhang J.Wang H T Operational performance of biological treatment plant for iron and manganese removal 2005(01)2.Yang K.Xue Y W.He J J Case study:Reducing manganese (Mn++) level in surface water with natural manganese-coated sand in Sinopec Shanghai Ltd 2008(03)3.罗莎莎.万国江.黄荣贵云南洱海沉积物--水界面铁锰的分布和迁移特征[期刊论文]-重庆环境科学 2006(06)4.张杰.曾辉平.李冬维系生物除铁除锰滤池持续除锰能力的研究[期刊论文]-中国给水排水 2007(03)5.白宇.邱驰.周晓静水中溶解氧量对除铁除锰效果的试验研究[期刊论文]-辽宁化工 2008(10)1.学位论文李灿波地下水中高浓度铁锰离子同步生物去除的研究2009地下水生物除铁除锰技术通过微生物作用，将地下水中的铁、锰离子通过简单的曝气和过滤工艺，转化成不溶于水的铁锰氧化物被滤层截留去除，因其工艺简单，去除保证率高，节约基建成本和运行电费，目前已经得到了广泛的采用。
本课题针对寒冷地区地下水高铁高锰的生物去除，对低温、高浓度铁条件下，对溶解氧、氨氮、滤层厚度、滤速等因素对微生物的培养、成熟的影响等问题进行研究，特别针对地下水中铁锰共存且亚铁离子浓度较高时亚铁离子对锰的去除的干扰作用造成的漏锰问题进行了试验研究，分析了亚铁离子与锰氧化物的反应对锰离子去除的影响，该反应的反应条件，以及pH值、亚铁离子浓度等因素与进出水锰之间的相关关系，明晰了亚铁离子与锰去除过程中生成的锰氧化物发生化学反应是滤层实际运行中出现的锰的去除过程中的浓度升高现象的原因。
地下水除铁锰技术的现状及发展
地下水除铁锰技术的现状及发展随着对铁锰氧化机理研究的不断深入，已开发出多种地下水除铁除锰技术，目前常用的主要有以下几种工艺方法。
1自然氧化法自然氧化法除铁除锰就是以空气中的氧气作为氧化剂，地下水经过充分的曝气充氧后，将Fe2+氧化为Fe3+，并以氢氧化物沉淀的形式析出，再通过沉淀、过滤得以去除，除铁氧化反应见式l—l：4Fe2+＋O2+2H20＝4Fc3+＋OH－(1一1)自然氧化除锰时，由于Mn2+的氧化还原电位高于Fe2+，所以在pH>9．0时，氧化速率才明显加快，而一般地下水的pH值为6．O～7．5，仅靠曝气散除C02以提高pH值的常规方法很难将水的pH提高到9．O以上，所以除锰必须另外投加碱。
自然氧化法工艺通常由曝气、反应沉淀、过滤组成，其特点是：工艺过程复杂，设备庞大，处理效果不稳定，工程投资高。
因此从60年代起逐步被接触氧化法所代替。
2接触氧化法地下水经曝气后，直接进入滤池过滤，随着运行时间的加长，滤料上逐步被铁锰氧化物包覆而形成对地下水中Fe2+、M铲+的氧化有自催化作用的“活性滤膜”。
接触氧化法就是指通过活性滤膜的催化氧化作用将Fe2+、Mn2+氧化的工艺过程。
研究发现：对Fe2+氧化起催化作用的成分主要为Fe(0H)3•2H20，称为“铁质活性滤膜”，反应原理式见式1—2和l一3：对Mn2+氧化起自催化作用的成分主要为Mn02•xH20，反应原理式见为式1-4和1－5：Fe(OH)3•2H20+Fe2+=Fe(OH)2-(0Fe)•2H20+H＋(1—2)Fe(OH)2+(OFe)•2H20+1/402+5/2H20＝2Fe(OH)3•2H20+H＋(1—3)Mn2++Mn02•xH20＝Mn02•MnO•(x．1)H20＋2H＋(1一4)Mn02.MnO。
(x-1)H20+l／202+H20＝2Mn02•xH20 (1—5)接触氧化法是对自然氧化法的一大改进。
简化了自然氧化法的工艺流程，提高了除铁除锰的效果和稳定性，但在实际应用中仍存在着以下一些问题：接触氧化法的活性滤膜需要在运行过程中逐步形成，一般形成周期称为“成熟期”。
地下水水质除铁锰处理分析
地下水水质除铁锰处理分析梁炳耀1 毛建华2(1．广东省佛山地质局2佛山市南海第二建筑工程有限公司)摘要：本文叙述了地下水含铁、锰超标对人体的危害，通过工程实例说明地下水中的铁、锰含量是可以采用除铁罐装置进行处理关键词：铁；锰危害；除铁罐装置；水质处理1概述水质良好的地下水取至地面，稍经消毒处理即可使用；然而，大多数地下水需经适当的处理，甚至需经特殊处理后才符合饮用水或工业用水的标准。
究其原因：一是在形成过程中溶解了地层中矿物质，使某些元素在水中的溶解量超过了容许浓度；二是人类活动造成地下水污染。
佛山地区位于富饶的珠江三角洲平原区，总面积约3800km2。
随着区域经济的发展，城市范围不断扩大，尤其是当前乡镇企业、民营企业的兴起，工业园区、城乡一体化建设蓬勃发展，用水量的需求越来越大，不少地方地下水过量开采，不少水质遭受不同程度的污染，致使水质总硬度、总矿化度不断升高，水化学类型随之发生变化。
佛山地区地下水铁(Fe2+)、锰(Mn2＋)含量普遍超标，尤其是铁含量严重超标，若不经处理，则不能达到生活饮用水和工业用水的要求。
2水质中铁、锰超标的危害铁和锰都是人体必须的微量元素。
水质中含有适量的铁和锰，对人体有益无害；但是，若人体长期摄入过量的铁和锰，可致使慢性中毒，可诱发某些地方病。
地下水中的铁常以二价铁的形式溶解于水中，由于其溶解度较大，所以，刚从地下抽上来时是清澈透明的，但一经与空气接触，溶解于水中的二价铁便发生氧化，生成难溶于水的三价铁氢氧化物从水中析出。
当水中的含铁量大于0．3mg／L时，水便变浑，超过lmg／L时，水具有铁腥味。
地下水中的锰也常以二价锰的形式存在，其氧化析出的速度非常缓慢，产生沉淀后，水的色度增大，其着色能力比铁高数倍，污染能力很强；当锰含量大于0．3m/L时，水会产生异味。
水中含有过量的铁和锰时，在洗涤的衣物上会生成铁色锈斑；在光洁的卫生器具上，乃至与水接触的墙壁和地板上，都会留下难于去除的黄褐色锈斑，给生活使用带来诸多不便。
19章2地下水除铁锰
③二价铁氧化 速率与PH的 关系： 可由图19-3看 出： （半对 数） 横轴：时间 （min）。 纵轴：铁Fe2+ 浓度。 PH越高反应 （二价铁的氧 化）越快。
④使氧向水的转移（传质）——曝气 i.复氧; 作用： ii.除CO2→pH↗ 地下水中不含氧，含CO2很高。 氧、二氧化碳略溶于水，其溶解度与温 度和气体分压有关。（物化中学过） 当1个atm PO2=21.3KPa PCO2=0.03~0.1KPa
lg dt
lg k 2 PH
可见：除铁的影 响因素： （1）PH高促进 二价铁的氧化。 （2）K//中隐着氧 化剂的浓度。 （PO2分压力） fig19-2实验与公 式的情况，当 PH<5.5时，二价 铁的氧化速度缓 慢（实验高于公 式计算值）
3、除铁方法： ① 常用氧化剂：O2空气中的氧、方便、经济。 （多用此法） Cl2氧化。 高锰酸钾氧化 ②反应式： 4Fe2++O2+10H2O 4Fe(OH)3+8H+ 每氧化1mg/L的Fe2+ ， 需氧0.14mg/L， 产生0.036 mg/L 的H+ ， →降低1.8mg/L的 碱度（以CaCO3计） →使水偏酸， → PH降 低→降低铁氧化的速度。
5、催化氧化过滤： 在滤料上生成MnO2膜（黑色） 滤料一般是石英砂或锰砂。形成MnO2膜后催 化。 铁对除锰的干扰： 当原水含铁、锰高就应该即除铁又要除锰。 方法： 加厚滤料层 上部除铁 适用铁锰 下部除锰 含量不太高。 双层滤料 上层：除铁 也可在压力滤 下层：除锰 池中分层
⑤方法： 鼓风曝气——将气泡分散于水中。 淋水曝气——将水分散于空气中。 4、设计： ①理论需氧与操作复氧量 理论：1mg/L Fe2+需0.14mg/L O2 。 实际：理论值的3~4倍。 原因：水中其它杂质耗氧；可加快二价 铁氧化速度。
地下水除铁除锰技术探讨
１ 地 下 水 除 铁 、 锰 原 理 除
由 于铁 和 锰 的 性 质 很 村 似 ， 以 去 除 铁 和 锰 的原 理 也 １ 所 相 同 ， ： 氧 化 法 充 分 曝 气 ， 水 中 的 溶 解 态 的 ＋２价 铁 和 即 用 把
反 应 ， 而 改 变 原 滤 料 颗 粒 表 面 的物 理 化 学 性 质 ． 提 高 滤 从 以 料 的 截 污 能 力 。 即 使 在 中性 环 境 中 ， 能 提 高 滤 料 对 铁 锰 也 的 吸 附 能 力 。 与传 统 滤 料 相 比 ， 性 滤 料 具 有 更 多 的 表 面 改
２ 传统地 下水除铁 、 除锰 技术
长 期 以来 ， 们 一 直 使 用 物 理 化 学 的 方 法 去 除 水 中 的 人
二 价铁 和 二 价 锰 。 美 圈从 １ ５ ： ０年 就 将 锰 质 绿 砂 有 效 的 运 ９
用 到 除 铁 和 除锰 过 程 。 ２ １ 曝 气 氧 化 法 ． ’
因 它 锰 氧 化 成 ＋３价 铁 和 十４价 猛 的 不 溶 态 化 合 物 ， 氧 化 和 絮 吸 附 点 位 ， 此 ， 比 天 然 锰 砂 或 石 英 砂 具 有 更 明 显 的 除 经 铁 、 锰 优 势 。为 增 大 滤 料 颗 粒 的 表 面 分 子 结 构 的 附 着 力 ， 除 凝 后 ， 成的铁 、 沉 淀物可经 过滤 而去 除 ， 而 达到除铁 、 生 锰 从
现 代 商 贸 工 业
Ｍｏ ｅ ｎＢ ｓ ｅｓ ｒｄ ｄ ｓｒ ｄ ｒ ｕ ｉ ｓ Ｔ ａ ｅ ｎ ｕｔｙ ｎ Ｉ ２１ Ｏ ０年第 １ 期
地 下 水 除铁 除 锰 技 术 探 讨
地下水除铁除锰处理
一、 地下水除铁
4Fe2 O2 10H 2O 4Fe（OH）3 8H
氧化剂
Fe2+
Fe3+
Fe(OH)3
絮凝胶体
氧化剂：氧气、氯和高锰酸钾等
自然氧化 除铁
• 含铁地下水经过曝气，经自然氧化的反应和 沉淀设备
接触氧化 除铁
• 含铁地下水经过曝气后，进入滤池过滤，利用滤料颗 粒表面形成的铁质活性滤膜的接触催化作用，将二价
铁氧化成三价铁，并附着在滤料表面上。
接触氧化除铁
滤池初期出水含铁量较高，一般不能达到饮用水水质标准。随着过 滤的进行，在滤料表面覆盖有棕黄色或黄褐色的铁质氧化物即具有 催化作用的铁质活性滤膜时，除铁效果才显示出来。
从过滤开始到出水达到处理要求的这段时间，称为滤料的成熟期， 一般为4～20d
滤料的成熟期与滤料本身、原水水质及滤池运行参数等因素有关。
三、接触氧化法除铁、除锰低时，一般可采用除铁除锰
双层滤池
• 铁、锰可在同一滤池的滤层中去除，上部滤层为除铁层，下
部滤层为除锰层。
图 除铁除锰双层滤池
• 若水中含铁量较高或滤速较高时，可采用两级曝气、过滤处
理工艺，即第一级除铁，第二级除锰。其工艺流程如下：
• 地下水 → 曝气 → 除铁滤池 → 除锰滤池 → 出水
几种特殊水源水净化方法 简介
地下水除铁除锰处理
• 地下水中铁、锰含量高时，会使水产生色、嗅、味，使用
不便；作为生产用水，会影响其产品的质量。
• 含铁、含锰地下水：铁的含量一般为5～10mg /L，锰的含
量一般为0.5～2.0mg/L
• 《生活饮用水卫生标准》规定，铁的含量不得超过
0.3mg/L、锰的含量不得超过0.1mg/L
地下水除铁和除锰
地下水除铁和除锰9.10.1 微量的铁和锰是人体必须的元素，水中的铁和锰超量时，水的色、味会变差，锰的氧化物易在管道内壁上沉积并引起“黑水"现象，GB5749规定，饮用水中铁的含量不应超过0.3mg/L、锰的含量不应超过0.1mg/L。
...9.10.1 微量的铁和锰是人体必须的元素，水中的铁和锰超量时，水的色、味会变差，锰的氧化物易在管道内壁上沉积并引起“黑水"现象，GB5749规定，饮用水中铁的含量不应超过0.3mg/L、锰的含量不应超过0.1mg/L。
9.10.2 地下水中的铁和锰超标主要存在铁超标或铁锰同时超标两种形态，除铁一般采用接触氧化法或曝气氧化法，除锰一般采用接触氧化法，曝气氧化法除铁系指原水经曝气后充分溶氧和散除CO2，提高pH值，水中的Fe2+全部或大部分氧化为Fe3+，进入滤池过滤；接触氧化法除铁（除锰）系指原水经曝气溶氧后未经完全氧化很快进入滤池，滤料经过一定的成熟期后在其表面形成铁质（或锰质）活性滤膜，利用活性滤膜的催化作用进行除铁（除锰）。
铁锰共存时，原水含铁量低于2.0～5.0mg/L(由于水质的不同，北方可采用2.0、喃方可采用5.0)、含锰量低于1.5mg/L，单级过滤一般可同时去除铁和锰，当水中铁锰含量超过上述值时，铁将明显干扰除锰，应采取先除铁后除锰的工艺，并严格控制一级除铁效果。
铁、锰超标的地下水水质千差万别，因此除铁、除锰工艺流程的选择，应掌握较详细的原水水质资料，有条件的应进行除铁除锰试验，无条件试验时应参照原水水质相似水厂的经验进行选择。
9.10.3 曝气是地下水除铁除锰的重要环节，原水水质不同，采用的工艺不同，曝气程度的要求也不同；曝气的方法有多种，各种曝气装置的复杂程度、运行成本、管理的难易程度、曝气效果均有差异，因此本条规定曝气装置应根据原水水质、曝气程度的要求，通过技术经济比较选定。
1 跌水曝气，适用于水中铁锰含量较低，对曝气要求不高的工程；设计时，不应作最不利的数据组合，以免影响曝气效果，若跌水级数或跌水高度选用较小值，单宽流量也应较小。
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地下水生物除铁除锰工艺的影响参数
摘要：地下水生物除铁除锰技术工艺主要是跌水曝气以及滤池参数的确定。
本文主要分析地下水生物除铁除锰的影响参数。
关键词：地下水生物除铁除锰影响参数
对于城市供水系统而言，地下水作为饮用水水源具有水质稳定，处理工艺简单等特点，但北方地下水地区普遍含有过量的铁和锰。
铁锰含量超标会引起人们的感官上的不适，甚至还会对人们的身体和生活造成不良影响。
例如水中铁含量超标时将产生黄褐色的水；而锰的超标则会形成黑色的水，超标的铁、锰还会在卫生器具上留下黄斑，在衣物上着色，很不美观。
生物除铁除锰技术作为一种经济、高效的除铁除锰方法越来越受到人们的青睐。
目前在滤池需氧量、滤层中铁锰依存关系、同一滤层除铁除锰工艺设计等方面已取得突破性成果。
但在滤池反冲洗方面的研究目前还比较少。
生物除铁除锰技术的关键是生物滤层的培养、成熟及稳定运行[1]。
其中生物滤层的培养、成熟是其稳定运行的前提，而培养、成熟后如何稳定运行是保证其经济高效工作的关键，而滤池的反冲洗又是影响生物滤层的培养、成熟及稳定运行的主要原因之一。
1地下水生物除铁除锰的技术工艺
目前井水、地下水处理主要是除铁除锰，除铁锰主要采用曝气加过滤，过滤用的过滤介质通常用石英砂、锰砂，后面再经过活性炭及精密过滤器进行过滤，经处理后，水质基本上能达到国家饮用水标准。
物除铁除锰技术的关键是生物滤层的培养、成熟及稳定运行。
其中生物滤层的培养、成熟是其稳定运行的前提，培养、成熟后如何稳定运行是保证其经济高效工作的关键，而滤池的反冲洗又是影响生物滤层的培养、成熟及稳定运行的主要原因之一。
本文采用的生物除铁除锰的工艺特点主要是采用跌水曝气，在同一生物滤层中除铁除锰。
2地下水生物除铁除锰的影响参数
2.1滤速
滤速对生物滤膜的培养和稳定运行有重要的作用。
在生物滤膜的形成初期，滤速要较低，滤膜成熟，出水铁锰含量稳定后，滤速可适当变化。
在生物滤膜形成阶段，控制滤速为2m/h。
滤膜成熟后，增大滤速为5m/h和7m/h出水的铁锰含量有升高的趋势。
2.2反冲洗
生物滤池的反冲洗和滤池的培养是一个相互矛盾的过程。
即在试验过程中，
我们既要保持一定的反冲洗强度以防止滤料层板结，又要尽量降低强度，使得生物膜能够快速的附着在滤料表面。
因此，生物除铁除锰滤池的反冲洗机制在生物滤池培养阶段和稳定运行阶段是不同的。
生物除铁除锰滤池, 除具有普通滤池的吸附和截留作用外, 滤料表面的生物滤膜是滤层除铁除锰活性的主要来源，在培养阶段为利于细菌的生长繁殖，反冲洗的原则是弱, 但在稳定运行期, 若不加大反冲洗力度, 滤池长期处于冲洗不干净状态, 容易造成滤层板结。
滤池的反冲洗周期为72h，即由上一周期反冲洗结束开始到下次反冲洗。
滤速滤速4m3/h﹒m2，取滤柱反冲洗后不同时间段的出水，测定其锰含量。
图2-1 反冲洗后出水锰含量
实验表明，在生物滤膜的培养初期，反冲洗之后，部分生物滤膜流失，微生物量不足，导致除锰效果降低，而下一周期，又有新的生物滤膜生成，除锰的效果又大大增强。
生物滤膜成熟之后，生物滤膜的除锰能力趋于稳定。
2.3曝气
生物除铁除锰机制指出，在pH中性范围内，Mn2+的氧化不是锰的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，研究证明有很大一部分铁锰氧化细菌属微好氧菌[2]，过度的曝气不仅造成能量浪费，还会抑制某些微好氧细菌的活性，产生负面影响；在生物除铁除锰滤层中不要求散失CO2、调高PH值，也不要求过高的溶解氧过剩系数，从实用和经济角度出发，应选用更为简易的低耗能的曝气装置[3]。
研究证明Fe2+对维系生物滤层中生物群系的平衡起到了至关重要的作用，强曝气将使原水中大量的Fe2+在进入滤层前被氧化成Fe3+，Fe3+絮凝体易堵塞滤层和穿透滤层，影响出水水质，而Fe2+的减少又严重影响生物滤层的稳定性。
图2-2 溶解氧对铁锰去除率的影响
实验表明，当水中溶解氧量大于4 mg/L时，铁锰的去除率变化不大。
曝气后水中溶解氧维持在3～4 mg/L即可满足生物滤池运行要求。
总之，简单曝气装置同生物滤池的有效组合，使生物除铁除锰工艺与传统的除铁除锰工艺相比优势更加明显。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看。