采用天然锰砂与生物法除铁除锰技术及展望

采用天然锰砂与生物法除铁除锰技术及展望

     本文主要介绍了国标、国家对饮用水中铁、锰含量的限制标准。阐述了地下水含铁、锰的成因及分布情况。重点论述了地下水除铁、锰的基本原理及自然氧化法、接触氧化法、生物法除铁、锰的工艺。阐述了生物法除铁、锰技术的优势及缺陷。
关键词：地下水；除铁；除锰，锰砂；天然锰砂除铁除锰滤料
1、饮用水中铁、锰限量卫生标准
     铁、锰是人体所必需的微量元素，但是摄入过量的铁、锰会引起中毒，诱导疾病发生。为避免铁锰摄入过量而引发疾病，世界各国对饮用水中铁、锰含量都有严格限制。世界卫生组织在国标标准中规定水中含铁量小于0.3mg/L，锰的含量小于0.05mg/L。我国《生活饮用水卫生标准》（GB15749-2006）规定生活饮用水中铁含量不得超过0.3mg/L，锰含量不得超过0.1mg/L，美国则对锰的限制为 0.05mgL。 
2、地下水铁、锰成因及分布
     铁、锰是地壳的主要构成成分，长期以来，由于地壳的物理化学作用，铁、锰矿化合物不断溶于地下水中，导致多个国家和地区的地下水铁、锰含量超标，严重威胁人体健康。 据调查 ，美国、法国、日本等许多国家和地区地下水铁、锰超标，在我国含铁、锰地下水也分布甚广，有18个省份的地下水中含有过量的铁和锰，铁锰含量超过饮用水标准的地区人口达3.31亿，其水量约占我国地下水总贮量的20%以上，主要集中于松花江流域和长江中下游地区。 
3 、地下水除铁除锰技术 
    3.1 铁、锰在天然地下水中存在形式  铁、锰有多种价态，但在天然地下水中，锰只有正二价（Mn2+ ）和正四价（MnO2）能稳定存在，所以天然地下水中， 锰几乎都是以溶解的离子（Mn2+）状态存在的[3] 。在天然地 下水中，由于缺氧，铁主要以正二价（Mn2+ ）存在，此外， 当PH＞3.7时，水中存在的氢氧根足以使三价铁（Fe3+ ）产 生沉淀；当PH=9时，水中铁几乎全部以二价离子（Fe2+ ）存在。
    3.2 铁、锰去除原理及方法  地下水除铁、锰理论及应用大致经历了自然氧化法、接 触氧化法、生物法三个阶段，各个阶段除铁、锰理论原理相似，主要为氧化、吸附、（沉淀）过滤。铁通常是通过空 气、化学药剂等氧化作用，将Fe2+ 氧化为溶解度小的氢氧化铁颗粒，然后通过沉淀、过滤等去除。锰则是通过强氧化剂 或者在碱性环境下利用溶解氧将Mn2+氧化成Mn4+ ，以含水二氧化锰（MnO2.mH2O）的固体形态从水中分离出来。生物法除铁、锰工艺是依靠不同的生物氧化体系，依靠生物氧化作 用将Fe2+、 Mn2+ 氧化并吸附在滤料表面，实现去除。
    3.3 自然氧化法除铁除锰工艺  自然氧化法由曝气、反应澄清（沉淀）、过滤等单元组 成。通过曝气充氧，利用溶解氧，将水中存在的Fe2+ 氧化为氢氧化铁颗粒，并在澄清（沉淀）、过滤等单元中去除。曝气充氧同时能散失水中游离的CO2，提高水的pH值，但仅依靠曝气充氧很难将水的pH值提高到自然氧化除锰所必需的pH＞9.5的较高水平，需要投加碱以提高水中PH值，由于处理水后，水的pH过高需要进行酸化处理，这将增加运行难 度和费用。
    3.4 接触氧化法除铁除锰工艺  接触氧化法是经过多年研究总结出的除铁、锰技术。含铁、锰地下水曝气后经过滤层过滤，能使铁的氢氧化物和高价锰的氢氧化物逐渐附着在滤料表面上，分别形成具有催化活性的“铁质活性滤膜”、“锰质活性滤膜”。活性滤膜可以使铁、锰在pH较低的条件下实现接触氧化，被水中溶解氧氧化为FeOOH和高价锰并截留在滤层中。接触氧化法除铁、锰分为一级曝气、二级过滤除铁、锰工艺和二级曝气、二级过滤除铁、锰工艺。曝气接触氧化除铁除 锰工艺流程应该根据地下水水质及选择的工艺参数确定。 
    3.5 生物法除铁除锰工艺  20世纪90年代，“八五”科技攻关项目“生物除铁除锰技术研究”，研究表明地下水的微环境适宜铁、锰氧化细菌生长繁殖。滤层细菌含量的检测数据表明，除锰生物滤池的除锰活性同滤层中细菌数量有极好的相 关性，细菌生长和滤层除锰能力的增长都呈现正相关，这表明滤层细菌同滤层除铁、锰功能有关联。生物法除铁、锰理论从生物学的角度揭示了这种关联，即：铁、锰首先吸附在菌体表面，然后在细胞外酶的催化作用下氧化，形成沉淀并吸附在菌体表面形成新的吸附面，从而达到一种附着、氧化、再生的动态平衡状态。工程实践表明，只有当除锰带滤料表层铁细菌达105数量级时除锰能力才成熟。
4 、前景展望 
    生物法除铁、锰理论的提出符合节能减排和绿色环保理念，摆脱了传统化学氧化思路的束缚，从生物学角度革新了除铁、锰技术。生物法除铁、锰技术不仅减少了化学氧化剂的使用，而且实现铁、锰同步去除，大大降低了水厂的工程投资和运行管理费用，是地下水除铁、锰领域的最新发展方向。但是，生物法除铁、锰技术也存在不足，比如生物滤池铁、锰氧化菌的接种和培养、最低溶解氧含量等，这需要科研工作者继续深入研究。