一種氧化催化柱去除礦井水中高濃度鐵錳裝置及其處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于礦井污水處理裝置和工藝領(lǐng)域，具體涉及一種氧化催化柱去除礦井水 中高濃度鐵錳裝置及其處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國許多地區(qū)的礦井水源，尤其是東北地區(qū)、華南地區(qū)、中南地區(qū)和西南地區(qū)的主 要城市和地區(qū)的礦井水源中存在鐵、錳超標(biāo)現(xiàn)象，對礦區(qū)居民的身心健康、日常生活、礦區(qū) 供水管網(wǎng)和工業(yè)生產(chǎn)等均造成不利影響。早在建國初期我國就確立了"地下水除鐵除猛"， 其理論及應(yīng)用先后經(jīng)歷了自然氧化法、接觸氧化法、生物法三個(gè)發(fā)展階段。但至今為止，如 何實(shí)現(xiàn)鐵、錳的快速高效去除仍是常規(guī)水處理工藝流程所面臨與需要解決的常見問題之 一。為此，本專利針對鐵、錳的去除提出創(chuàng)新技術(shù)，這一具有重要社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。
[0003] 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)所導(dǎo)致的地下水污染已從點(diǎn)狀污染逐漸擴(kuò)展 到面狀污染。地下水尤其是礦井水源污染超標(biāo)項(xiàng)目中鐵、錳是造成水質(zhì)污染的最常見因素。 鐵和錳超標(biāo)有自然產(chǎn)生和人為造成兩種途徑。自然產(chǎn)生的主要為原生環(huán)境引起的污染，與 地質(zhì)構(gòu)造有很大的關(guān)系，其污染普遍。而人為造成的主要是含鐵含錳廢水的肆意排放。
[0004] 鐵、錳是人體必需的生理微量元素，但人體攝取過多鐵、錳也會(huì)導(dǎo)致慢性中毒。其 中鐵中毒的癥狀為肝、脾有大量鐵沉積，并出現(xiàn)肝硬化、骨質(zhì)疏松、軟骨鈣化、皮膚棕黑色、 腺體纖維化、胰島素分泌減少等，進(jìn)而導(dǎo)致碳水化合物代謝紊亂和糖尿病。錳的生理毒性比 鐵更嚴(yán)重，人體過量攝取錳會(huì)使腦中神經(jīng)遞質(zhì)合成減少，嚴(yán)重的將損壞神經(jīng)，水中含鐵、錳 量高時(shí)，會(huì)有色、臭、味。而且會(huì)污染衛(wèi)生設(shè)備、家用器具，使其出現(xiàn)銹斑或棕褐色。洗滌衣物 時(shí)也會(huì)留下斑漬。從而影響人們生活。
[0005] 對于礦區(qū)供水系統(tǒng)，當(dāng)原水中鐵沒有被充分去除就直接供給用戶，會(huì)產(chǎn)生黃褐色、 紅褐色的渾濁自來水。當(dāng)錳含量高時(shí)會(huì)出現(xiàn)黑褐色自來水。礦區(qū)供水系統(tǒng)在投氯消毒后，水 中殘留的錳被氯氧化生成水合二氧化錳的黑色沉淀，沉淀物沉積到凈水設(shè)施和輸、配水管 網(wǎng)的內(nèi)壁上。隨著沉積物漸多，將縮小過水?dāng)嗝?，降低輸水能力。?dāng)水中含有溶解氧時(shí)，含鐵 含錳水為鐵細(xì)菌和錳細(xì)菌大量繁殖提供了條件，鐵錳細(xì)菌和硫酸鹽還原菌共生，加速了金 屬管道的腐蝕。
[0006] 水中過量鐵、錳對工業(yè)生產(chǎn)也會(huì)產(chǎn)生極大危害。作為洗滌用水或生產(chǎn)原料時(shí)會(huì)降 低產(chǎn)品光澤顏色等質(zhì)量，如紡織、印染、針織、造紙等行業(yè)影響尤為突出。水中的鐵、錳能固 著于纖維上，在紡織品上產(chǎn)生銹色斑點(diǎn)。染色時(shí)，鐵、錳能與染料結(jié)合，使色調(diào)不鮮艷。
[0007] 鐵、錳還對漂白劑的分解有催化作用，使漂白作業(yè)發(fā)生困難。在造紙工業(yè)中，水中 的鐵、錳能選擇性的吸附于纖維素之間，使紙漿顏色變黃，并使漂白和染色效果降低。在釀 造用水中，鐵、錳有異味，并能與某些有機(jī)物生成帶色的化合物，使產(chǎn)品色和味的質(zhì)量降低。 在食品工業(yè)中，水中過量的鐵、錳能影響產(chǎn)品的色澤。在鍋爐用水中，鐵、錳是生成水垢和罐 泥的成分之一。在冷卻用水中，鐵能附著于加熱管壁上，降低管壁的傳熱系數(shù)，當(dāng)水中含鐵 量高時(shí)，甚至能堵塞冷卻水管。在油田的油層注水中，鐵、錳能堵塞地層孔隙，減少注水量， 降低注水效果。
[0008] 綜上所述，水中過量的鐵、錳不僅對人們生活、供水系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)有影響，對人類 健康也是百害而無一利。因此各國的飲用水水質(zhì)指標(biāo)中都對鐵、錳的含量做了嚴(yán)格的限制。 我國在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中對作為集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充 項(xiàng)目的鐵、錳指標(biāo)進(jìn)行限制：Fe〈0.3mg/L，Μη〈0.1mg/L，在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 (GB5749-2006)中也作了相同規(guī)定。
[0009] 除鐵、錳的現(xiàn)有技術(shù)是。
[0010] 自然氧化法 自然氧化法包括曝氣、氧化反應(yīng)、沉淀、過濾等一系列工序。其中曝氣可根據(jù)需要充氧 或投加氯氣。該方法對鐵的去處效果較好。含鐵地下水經(jīng)曝氣充氧或投加氯氣后，水中的 Fe2+被氧化為Fe(0H)3顆粒，因其溶解度小而沉淀析出，經(jīng)過濾等固液分離凈化工序而去除。 空氣氧化除鐵法無論從運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用或?qū)﹁F的氧化性能上看都是很有價(jià)值的方法，但Fe2+被氧 化生成的Fe(0H)3顆粒難以絮凝，總會(huì)有部分膠體粒子穿透濾層而影響出水水質(zhì)。此外，水 中溶解性硅酸還會(huì)影響Fe(0H)3的絮凝，當(dāng)硅酸濃度大于40-50mg/L時(shí)，硅酸會(huì)與鐵反應(yīng)生 成某種高分子物質(zhì)而影響鐵的氧化。
[0011] 自然氧化法除鐵、錳反應(yīng)過程中，氧化和沉淀兩過程要求水在反應(yīng)沉淀池中停留 相當(dāng)長的時(shí)間。該工藝系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備龐大，投資多，且除鐵、錳效果不甚理想。實(shí)踐表明，這 種方法是不適合我國供水設(shè)施建設(shè)基金有限的現(xiàn)實(shí)國情。
[0012] 接觸氧化法 接觸氧化法是李圭白院士等于20世紀(jì)60年代實(shí)驗(yàn)成功的一套方法。該工藝流程主要是 曝氣后直接過濾。水中的鐵、猛在濾池中被氧化為尚價(jià)鐵、猛的氛氧化物，并逐漸附著在濾 料的表面上，形成"活性濾膜"。50年代初日本和我國學(xué)者通過多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，濾料表面形成 的"活性濾膜'，具有接觸催化作用，能大大加快氧化速度。接觸氧化法已被應(yīng)用于我國地下 水除鐵、錳的很多實(shí)際工程，實(shí)踐表明，該法對于易氧化的鐵的去除非常有效。
[0013] 在接觸氧化除錳方面發(fā)現(xiàn)一些問題。一方面，地下水一般為鐵、錳共存，鐵的氧化 電位比錳低，鐵比錳容易被氧化，水中鐵的存在對錳的氧化有干擾作用。為排除鐵快速氧化 對錳氧化的干擾，接觸氧化法采用一級曝氣過濾除鐵，二級曝氣過濾除錳的分級方法。分級 曝氣過濾工藝流程復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高；另一方面，錳難以在濾層中快速氧化為Μη02而附著于 濾料上形成"錳質(zhì)活性濾膜"，除錳能力形成周期比較長，而且由于經(jīng)常性反沖洗等外界因 素的干擾，"猛質(zhì)活性濾膜"較難形成，除錳效果呈現(xiàn)很不穩(wěn)定的狀態(tài)。
[0014] 生物氧化法 20世紀(jì)90年代，張杰院士等通過在沈陽李官卜、鞍山大趙臺(tái)、撫順開發(fā)區(qū)水廠等地進(jìn)行 除鐵除錳的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了生物氧化現(xiàn)象。通過大量微生物學(xué)試驗(yàn)，證明了濾池中鐵 細(xì)菌的高效除錳作用，最終確立了"生物固錳除猛"理論。該理論認(rèn)為，在生物除錳濾層中， 濾料表面生成了一個(gè)復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中存在著大量具有鐵、錳氧化能力 的細(xì)菌，除錳濾層的活性就來自于濾料表面所固著的鐵、錳氧化細(xì)菌的氧化活性。在pH中性 域范圍內(nèi)，除鐵除錳濾層中Mn2+的氧化是以鐵、錳氧化細(xì)菌為主的生物氧化。
[0015] 生物法除鐵除錳的研究已經(jīng)持續(xù)多年，但工程實(shí)踐相對較少，目前尚未構(gòu)建起完 善的工程設(shè)計(jì)理論及參數(shù)確定方法，例如因生物除錳動(dòng)力學(xué)模式尚未確立而使除錳濾層厚 度難以通過理論計(jì)算，只能通過不精確的經(jīng)驗(yàn)方法或繁瑣的試驗(yàn)方法確定；同時(shí)在工程實(shí) 踐方面尚缺乏一套規(guī)范化的運(yùn)行調(diào)試方法，例如鐵細(xì)菌在初期接入濾層時(shí)優(yōu)勢地位的確立 與穩(wěn)固過程，可能對濾層生物相造成較大擾動(dòng)與破壞的外界運(yùn)行參數(shù)如濾速、反沖洗強(qiáng)度 及時(shí)間等，目前尚無確切的控制標(biāo)準(zhǔn)。
[0016] 藥劑氧化法 藥劑氧化法除鐵、錳是利用氧化劑的強(qiáng)氧化性將水中溶解性的鐵、錳氧化，生成高價(jià)的 鐵、錳化合物固體，再通過各種沉淀、過濾方式將這些鐵、錳化合物從水中去除?？蛇x用的氧 化劑有臭氧、氯氣、二氧化氯和高錳酸鉀等。
[0017] 臭氧是一種很強(qiáng)的氧化劑，不僅能迅速氧化水中的二價(jià)鐵，并且在比較低的pH值 和無催化劑的條件下，能將二價(jià)錳完全氧化。其反應(yīng)式為： 2Fe2++03+5H2O-2Fe(0H)3+4H++02 Mn2++〇3+2H2〇-Mn(OH)2+2H++〇2 但臭氧發(fā)生裝置價(jià)格昂貴，成本高，臭氧投量難以控制，一般要與活性炭等后處理聯(lián) 用，使工藝流程復(fù)雜。臭氧氧化一般多用于飲用水的深度處理。
[0018] 在現(xiàn)有技術(shù)條件下，除鐵、錳處理的建設(shè)成本和運(yùn)行成本的增加將成為必然。目前 沒有除鐵、錳處理一體化裝置，現(xiàn)有的傳統(tǒng)工藝，處理方法具有工藝流程長，控制復(fù)雜，占地 大，處理成本尚等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種氧化催化柱去除礦井水中高濃度鐵錳裝 置，包括緩沖池1，進(jìn)水裝置2,反應(yīng)柱3,曝氣裝置4,排水管5,排泥管6,支架7,控制系統(tǒng)8;所 述支架7的底部設(shè)有緩沖池1，支架7的上方設(shè)置反應(yīng)柱3,所述緩沖池1底部和反應(yīng)柱3底部 中心通過進(jìn)水裝置2相連，反應(yīng)柱3上部中心與曝氣裝置4相連，反應(yīng)柱3側(cè)壁上部設(shè)有排水 管5，反應(yīng)柱3底部還設(shè)有排泥管6，支架7上設(shè)有控制系統(tǒng)8，進(jìn)水裝置2中的水栗與控制系統(tǒng) 8導(dǎo)線連接。
[0020] 進(jìn)一步的，所述反應(yīng)柱3,包括鐘形罩3-1，穩(wěn)流濾網(wǎng)3-2,反水回升環(huán)道3-3,觸媒催 化介質(zhì)3-4，觸媒柱3-5，鐵錳濃度感應(yīng)器3-6，觸媒飽和傳感器3-7，水壓差測控器3-8;其中， 所述鐘形罩3-1為上端圓臺(tái)下端圓柱的中空結(jié)構(gòu)，鐘形罩3-1位于反應(yīng)柱3內(nèi)部中心，鐘形罩 3-1上端與反應(yīng)柱3的上部封蓋