采用天然錳砂與生物法除鐵除錳技術(shù)及展望

采用天然錳砂與生物法除鐵除錳技術(shù)及展望

     本文主要介紹了國標(biāo)、國家對飲用水中鐵、錳含量的限制標(biāo)準(zhǔn)。闡述了地下水含鐵、錳的成因及分布情況。重點(diǎn)論述了地下水除鐵、錳的基本原理及自然氧化法、接觸氧化法、生物法除鐵、錳的工藝。闡述了生物法除鐵、錳技術(shù)的優(yōu)勢及缺陷。
關(guān)鍵詞：地下水；除鐵；除錳，錳砂；天然錳砂除鐵除錳濾料
1、飲用水中鐵、錳限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)
     鐵、錳是人體所必需的微量元素，但是攝入過量的鐵、錳會引起中毒，誘導(dǎo)疾病發(fā)生。為避免鐵錳攝入過量而引發(fā)疾病，世界各國對飲用水中鐵、錳含量都有嚴(yán)格限制。世界衛(wèi)生組織在國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定水中含鐵量小于0.3mg/L，錳的含量小于0.05mg/L。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB15749-2006）規(guī)定生活飲用水中鐵含量不得超過0.3mg/L，錳含量不得超過0.1mg/L，美國則對錳的限制為 0.05mgL。 
2、地下水鐵、錳成因及分布
     鐵、錳是地殼的主要構(gòu)成成分，長期以來，由于地殼的物理化學(xué)作用，鐵、錳礦化合物不斷溶于地下水中，導(dǎo)致多個國家和地區(qū)的地下水鐵、錳含量超標(biāo)，嚴(yán)重威脅人體健康。 據(jù)調(diào)查 ，美國、法國、日本等許多國家和地區(qū)地下水鐵、錳超標(biāo)，在我國含鐵、錳地下水也分布甚廣，有18個省份的地下水中含有過量的鐵和錳，鐵錳含量超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)人口達(dá)3.31億，其水量約占我國地下水總貯量的20%以上，主要集中于松花江流域和長江中下游地區(qū)。 
3 、地下水除鐵除錳技術(shù) 
    3.1 鐵、錳在天然地下水中存在形式  鐵、錳有多種價態(tài)，但在天然地下水中，錳只有正二價（Mn2+ ）和正四價（MnO2）能穩(wěn)定存在，所以天然地下水中， 錳幾乎都是以溶解的離子（Mn2+）狀態(tài)存在的[3] 。在天然地 下水中，由于缺氧，鐵主要以正二價（Mn2+ ）存在，此外， 當(dāng)PH＞3.7時，水中存在的氫氧根足以使三價鐵（Fe3+ ）產(chǎn) 生沉淀；當(dāng)PH=9時，水中鐵幾乎全部以二價離子（Fe2+ ）存在。
    3.2 鐵、錳去除原理及方法  地下水除鐵、錳理論及應(yīng)用大致經(jīng)歷了自然氧化法、接 觸氧化法、生物法三個階段，各個階段除鐵、錳理論原理相似，主要為氧化、吸附、（沉淀）過濾。鐵通常是通過空 氣、化學(xué)藥劑等氧化作用，將Fe2+ 氧化為溶解度小的氫氧化鐵顆粒，然后通過沉淀、過濾等去除。錳則是通過強(qiáng)氧化劑 或者在堿性環(huán)境下利用溶解氧將Mn2+氧化成Mn4+ ，以含水二氧化錳（MnO2.mH2O）的固體形態(tài)從水中分離出來。生物法除鐵、錳工藝是依靠不同的生物氧化體系，依靠生物氧化作 用將Fe2+、 Mn2+ 氧化并吸附在濾料表面，實(shí)現(xiàn)去除。
    3.3 自然氧化法除鐵除錳工藝  自然氧化法由曝氣、反應(yīng)澄清（沉淀）、過濾等單元組 成。通過曝氣充氧，利用溶解氧，將水中存在的Fe2+ 氧化為氫氧化鐵顆粒，并在澄清（沉淀）、過濾等單元中去除。曝氣充氧同時能散失水中游離的CO2，提高水的pH值，但僅依靠曝氣充氧很難將水的pH值提高到自然氧化除錳所必需的pH＞9.5的較高水平，需要投加堿以提高水中PH值，由于處理水后，水的pH過高需要進(jìn)行酸化處理，這將增加運(yùn)行難 度和費(fèi)用。
    3.4 接觸氧化法除鐵除錳工藝  接觸氧化法是經(jīng)過多年研究總結(jié)出的除鐵、錳技術(shù)。含鐵、錳地下水曝氣后經(jīng)過濾層過濾，能使鐵的氫氧化物和高價錳的氫氧化物逐漸附著在濾料表面上，分別形成具有催化活性的“鐵質(zhì)活性濾膜”、“錳質(zhì)活性濾膜”。活性濾膜可以使鐵、錳在pH較低的條件下實(shí)現(xiàn)接觸氧化，被水中溶解氧氧化為FeOOH和高價錳并截留在濾層中。接觸氧化法除鐵、錳分為一級曝氣、二級過濾除鐵、錳工藝和二級曝氣、二級過濾除鐵、錳工藝。曝氣接觸氧化除鐵除 錳工藝流程應(yīng)該根據(jù)地下水水質(zhì)及選擇的工藝參數(shù)確定。 
    3.5 生物法除鐵除錳工藝  20世紀(jì)90年代，“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“生物除鐵除錳技術(shù)研究”，研究表明地下水的微環(huán)境適宜鐵、錳氧化細(xì)菌生長繁殖。濾層細(xì)菌含量的檢測數(shù)據(jù)表明，除錳生物濾池的除錳活性同濾層中細(xì)菌數(shù)量有極好的相 關(guān)性，細(xì)菌生長和濾層除錳能力的增長都呈現(xiàn)正相關(guān)，這表明濾層細(xì)菌同濾層除鐵、錳功能有關(guān)聯(lián)。生物法除鐵、錳理論從生物學(xué)的角度揭示了這種關(guān)聯(lián)，即：鐵、錳首先吸附在菌體表面，然后在細(xì)胞外酶的催化作用下氧化，形成沉淀并吸附在菌體表面形成新的吸附面，從而達(dá)到一種附著、氧化、再生的動態(tài)平衡狀態(tài)。工程實(shí)踐表明，只有當(dāng)除錳帶濾料表層鐵細(xì)菌達(dá)105數(shù)量級時除錳能力才成熟。
4 、前景展望 
    生物法除鐵、錳理論的提出符合節(jié)能減排和綠色環(huán)保理念，擺脫了傳統(tǒng)化學(xué)氧化思路的束縛，從生物學(xué)角度革新了除鐵、錳技術(shù)。生物法除鐵、錳技術(shù)不僅減少了化學(xué)氧化劑的使用，而且實(shí)現(xiàn)鐵、錳同步去除，大大降低了水廠的工程投資和運(yùn)行管理費(fèi)用，是地下水除鐵、錳領(lǐng)域的最新發(fā)展方向。但是，生物法除鐵、錳技術(shù)也存在不足，比如生物濾池鐵、錳氧化菌的接種和培養(yǎng)、最低溶解氧含量等，這需要科研工作者繼續(xù)深入研究。