CN101891293A - 接触氧化除锰滤池的快速启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及一种接触氧化除锰滤池的快速启动方法。是以河砂为填料，向除锰滤池中注入含锰原水，采用间歇臭氧曝气的方式，每天曝气2～5次，每次10～15分钟，经过5～8天使原水中二价锰离子迅速被氧化成四价不溶于水的化合物附着在沙粒表面形成锰质活性滤膜，实现水中二价锰离子的催化氧化去除，完成除锰滤池的快速启动。本发明以廉价的河砂为原料，利用间歇臭氧曝气的方式，克服了传统接触氧化滤池成熟期过长、受环境因素影响大等弊端。

Description

接触氧化除锰滤池的快速启动方法
技术领域
本发明专利涉及一种全新的接触氧化除锰滤池的快速启动方法，该方法能很好地解决传统接触氧化除锰滤池成熟期太长的问题，并且能够降低地下水除锰的成本。
背景技术
我国虽然有丰富的地下水资源，但由于部分地区地下水中含有过量的锰，从而导致无法直接采用这部分地下水应用于工农业生产及人民生活当中。锰是构成生物体的基本元素，同时也是人体所必需的微量元素，但如果地下水中锰含量过高则往往会给人们生产及生活带来诸多不便和危害。
二价锰离子(Mn2+)在pH大于9.0时，自然氧化速率才明显加快，而地下水的pH多呈中性，在同样的pH条件下，二价锰离子(Mn2+)的氧化速率比二价铁离子(Fe2+)慢的多，难以被溶解氧氧化为沉淀物而加以去除。即使将地下水进行强曝气，也很难达到自然氧化除锰所须的pH值，为此需对含锰地下水进行碱化，除锰后再进行酸化，造成水处理流程复杂，制水成本提高。
20世纪80年代初，由李圭白等人开发了接触氧化除锰工艺(参见李圭白，刘超.《地下水除铁锰》(第二版)[M].北京：中国建筑出版社，1989)，并将该工艺迅速进行推广。目前，国内大部分地下水除锰工程采用曝气接触氧化法，即先通过曝气向水中充氧，使地下水中以Mn2+的形式存在的锰在后续接触氧化滤池中得以去除(参见薛罡，邹联沛等“接触氧化法除地下水铁锰时不同滤料性能的对比研究”[J].东华大学学报(自然科学版)，2002，28(6)：58-61)。接触氧化滤池中滤料采用比较广泛的是锰砂，锰砂是选用块状锰矿和天然砂作为原料，经破碎筛选加工而成，其外观粗糙、呈褐色，具有良好的除铁除锰功能，是给水排水行业最理想的产品。天然锰砂中含有MnO2，它是Fe2+氧化成Fe3+的良好催化剂，含锰量(以MnO2计，下同)不小于35％的天然锰砂滤料，既可用于地下水除铁，又可用于地下水除锰；含锰量为20～30％的天然锰砂滤料，只适宜用于地下水除铁，含锰量低于20％的则不宜采用。成品锰砂价格昂贵，在经济条件相对落后的地区(比如中国东北一些小城镇)应用受到限制。
锰砂的除锰过程是一个自催化过程。在锰砂除锰过程中，水中的Mn2+在锰砂的催化作用下被溶解氧氧化生成高价锰的化合物，这种新生成的锰的化合物又能对水中的Mn2+的氧化起催化作用，这样就使得锰砂的除锰能力持续不断的进行下去。但是这个过程又是比较复杂的，含锰水通过接触氧化滤池运行一定时期后，滤料上包裹了一层锰氧化物，具有催化活性的成分为MnO2·xH2O。在处理过程中，Mn2+首先吸附在活性滤膜上，然后通过活性滤膜的催化作用得以氧化去除，同时在有氧化剂存在的条件下又生成具有催化作用的MnO2·xH2O活性滤膜成分，具体过程如式(1)和式(2)所示[3]。
Mn2+的吸附：
Mn2++MnO2·xH2O→MnO2·MnO·(x-1)H2O+2H+     (1)
Mn2+的氧化：
MnO2·MnO·(x-1)H2O+1/2O2+H2O→2MnO2·xH2O   (2)
目前采用接触氧化法除锰滤池根据滤料的不同其成熟周期也各有差别，国内外接触氧化滤池启动基本都采用自然固定化，即通过含锰水的过滤自然形成活性滤膜，但是这种方法对于锰质活性滤膜的成熟期却很慢，相对较短的也要四五个月，慢则一年甚至更长时间。因此采用接触氧化法除锰滤池的快速启动方法则显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种全新的接触氧化除锰滤池快速启动的方法，以解决传统接触氧化除锰滤池成熟期过长的问题。
本发明是以廉价的河砂为填料，向除锰滤池中注入含锰原水，采用间歇臭氧曝气的方式，使原水中二价锰离子迅速被氧化成四价不溶于水的化合物附着在沙粒表面形成锰质活性滤膜，实现水中二价锰离子的催化氧化去除，完成除锰滤池的快速启动。
具体的技术方案是：
一种接触氧化除锰滤池的快速启动方法，以廉价的河砂为填料，向除锰滤池中填入河沙，注入含锰原水，再从除锰滤池底部流出，保持淹没河沙，过水流速为0.3～0.6m/h；臭氧发生器连着通入除锰滤池底部的曝气头，对除锰滤池进行间歇曝气，每天曝气2～5次，每次8～15分钟，臭氧曝气量按河沙体积(立方米)计为31～130升/分钟·立方米；经过5～8天完成除锰滤池的启动。
本发明中所述的河砂，粒度可以是1～5mm，填充量可以是除锰滤池体积的0.5～0.9倍。
本发明的原理是：
锰质活性滤膜的形成是水中锰去除的关键，然而通过自然接触氧化滤料表面形成锰质活性滤膜的时间较长。单纯的空气氧化很难将Mn2+快速氧化为Mn4+并形成锰质活性滤膜。
臭氧作为强氧化剂可以迅速氧化水中的Mn2+，反应方程如下：
Mn2++O3+2H+→Mn4+(水合态固体)+O2+H2O    (3)
式(3)生成的水合态氧化锰不溶于水，可以被除锰滤池的河砂截留并吸附于河砂表面，逐渐形成锰质活性氧化膜。实验过程中由于通入臭氧，微生物很难存活。因此，在除锰滤池快速启动过程中，起到除锰作用的完全是化学氧化反应。
本发明专利的有益效果是，克服了传统接触氧化除锰滤池成熟期太长的弊端，在10天内完成了除锰滤池的快速启动。本发明以廉价的河砂为原料；利用间歇臭氧曝气的方式促进滤池的成熟；降低了对含锰原水pH值的要求，都使原水的除锰成本大大降低。本发明在除锰滤池成熟过程中无需空气曝气来提高溶解氧浓度，节省了电能消耗。
附图说明
图1是本发明的实验装置结构示意图。
图2是本发明接触氧化除锰的实验效果曲线。
图3是本发明完成的除锰滤池对不同pH值含锰原水的除锰效果曲线。
图4是本发明完成的除锰滤池出水流量对除锰效果的影响曲线。
具体实施方式
实施例1
本发明的实验装置参见图1。图1中，1为高位水箱，其内装含锰原水，2为臭氧发生器，3为除锰滤池，实验中使用高50cm、内径5cm的有机玻璃柱，4为河砂，5为曝气头，6为出水口，7为溢流口。
在除锰滤池3中填充粒径为2mm的河砂，填充高度为40cm。含锰原水从高位水箱1流经除锰滤池3，从出水口6流出；臭氧发生器2连着放入除锰滤池3底部的曝气头5，对除锰滤池3进行间歇曝气。
每间隔24小时检测一次出水锰离子浓度，当出水口6流出水的锰离子浓度低于0.1mg/L时则符合中国国家标准，认为除锰滤池3成熟。
具体试验条件和试验结果见实施例2～5和图2，图2中标注的流量是曝气时臭氧的流量。
实施例2
采用实施例1的装置，在除锰滤池3中填充河砂4，填充至40cm的高度；将高位水箱1中的含锰原水加入除锰滤池3，淹没河砂4后经出水口6放水，出水的流速为0.3m/h，同时继续由高位水箱1供水保持除锰滤池3中水位淹没河砂4。由臭氧发生器2和曝气头5向除锰滤池3曝气。每天曝气4次，每次10分钟，曝气时臭氧(O3)流量为100毫升/分钟。
实验数据如下：
  时间(天)   含锰原水的锰浓度(mg/L)   出水口出水的锰浓度(mg/L)   备注
  1   0.941   0.647
  2   0.941   0.55
  3   1.038   0.33
  4   1.038   0.249
  5   1.038   0.183
  6   0.941   0.085
  7   0.941   0.037
  8   0.965   0
  9   0.965   0
  10   0.965   0.0126
第6天开始出水的锰含量低于0.1mg/l。
实施例3
实验设备和试验条件除臭氧曝气量外都与实施例2相同。O3的流量为75毫升/分钟。
实验数据如下：
  时间(天)   含锰原水的锰浓度(mg/L)   出水口出水的锰浓度(mg/L)   备注
  1   0.941   0.561
  2   0.941   0.452
  3   1.038   0.306
  4   1.038   0.159
  5   1.038   0.037
  6   0.965   0.061
  7   1.16   0
  8   1.013   0
  9   1.062   0.0126
第5天开始出水的锰含量低于0.1mg/l。
实施例4
实验设备和试验条件除臭氧曝气量和曝气次数外都与实施例2相同。O3的流量为50毫升/分钟，每天曝气1～4次。
实验数据如下：
  时间(天)   含锰原水的锰浓度(mg/L)   出水口出水的锰浓度(mg/L)   备注
  1   0.843   0.403   曝气4次
  2   0.892   0.427   曝气4次
  3   0.941   0.281   曝气4次
  4   1.038   0.134   曝气4次
  5   1.038   0.013   曝气4次
  6   1.038   0.061   曝气2次
  7   0.965   0   曝气2次
  8   1.087   0   曝气2次
  9   1.013   0.037   曝气1次
  10   0.843   0.0126   曝气2次
第5天开始出水的锰含量低于0.1mg/l。
实施例5
实验设备和试验条件除臭氧曝气量和曝气次数外都与实施例2相同。O3的流量为25毫升/分钟，每天曝气1～4次。
实验数据如下：
  时间(天)   含锰原水的锰浓度(mg/L)   出水口出水的锰浓度(mg/L)   备注
  1   0.941   0.696   曝气4次
  2   0.941   0.647   曝气4次
  3   1.038   0.452   曝气4次
  4   1.038   0.257   曝气4次
  5   1.038   0.281   曝气4次
  6   0.965   0.134   曝气2次
  7   1.16   0   曝气2次
  8   1.013   0.037   曝气2次
  9   1.062   0.0126   曝气2次
  10   0.941   0   曝气2次
第8天开始出水的锰含量低于0.1mg/l。
实施例6
在实施例2～5的条件下，出水口6的出水流速只要不大于0.6m/h，均能实现本发明的快速启动效果。
实施例7
常规的除锰滤池要求含锰原水的pH值在9以上才具有符合国家标准的除锰效果，所以对一般的含锰原水要加碱石灰，除锰后再酸化，大大提高了水处理的成本。本发明的除锰滤池快速启动方法完成的除锰滤池检测了含锰原水的pH值为6.5、7.0、7.5的除锰效果，含锰原水的含锰浓度≥0.818mg/L，出水流速为0.3m/h。试验结果见图3。
由图3可以看出，含锰原水的pH值为7.0时除锰效果就已经符合国家标准了。
实施例8
检测本发明的除锰滤池快速启动方法完成的除锰滤池含锰原水的流量对除锰效果的影响。含锰原水的含锰浓度≥0.818mg/L，出水流速分别为0.3m/h、0.6m/h、0.9m/h，含锰原水的pH值大于7.0。试验结果见图4。
由图4可以看出，出水流速≤0.6m/h时除锰效果一定能符合国家标准。

Claims (2)

1.一种接触氧化除锰滤池的快速启动方法，向除锰滤池(3)中填入河沙(4)，注入含锰原水，再从除锰滤池(3)底部流出，保持淹没河沙(4)，过水流速为0.3～0.6米/小时；臭氧发生器(2)连着通入除锰滤池(3)底部的曝气头(5)，对除锰滤池(3)进行间歇曝气，每天曝气2～5次，每次8～15分钟，臭氧曝气量按河沙体积计为31～130升/分钟·立方米；经过5～8天完成除锰滤池(3)的启动。
2.按照权利要求1所述的接触氧化除锰滤池的快速启动方法，其特征是，所述的河砂(4)，粒度在1～5mm，河砂(4)的填充量为除锰滤池(3)体积的0.5～0.9倍。
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