CN105439276B

CN105439276B - 一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法

Info

Publication number: CN105439276B
Application number: CN201510987825.1A
Authority: CN
Inventors: 刘喜坤; 张双圣; 于向辉; 刘勇; 陈红娟; 孙晓虎
Original assignee: Xuzhou City Water Resources Management Place
Current assignee: Xuzhou City Water Resources Management Place
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: CN105439276A

Abstract

本发明公开了一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法，该装置由缓冲池，进水装置，反应柱，曝气装置，排水管，排泥管，支架，控制系统组成；支架的底部设有缓冲池，支架的上方设置反应柱，所述缓冲池底部和反应柱底部中心通过进水装置相连，反应柱上部中心与曝气装置相连，反应柱侧壁上部设有排水管，反应柱底部还设有排泥管，支架上设有控制系统，进水装置中的水泵与控制系统导线连接。高浓度铁锰矿井水和空气在反应柱内混合后与反应柱内触媒材料充分反应，反应后生成的清水从排水管排出，沉淀的污泥从排泥管排出。本发明通过曝气和触媒材料的充分接触，可实现对高浓度铁锰矿井水的深度处理，设备结构紧凑，设计合理，占地空间下，适合各类矿区生活高浓度铁锰矿井水的处理。

Description

一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法

技术领域

本发明属于矿井污水处理装置和工艺领域，具体涉及一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法。

背景技术

我国许多地区的矿井水源，尤其是东北地区、华南地区、中南地区和西南地区的主要城市和地区的矿井水源中存在铁、锰超标现象，对矿区居民的身心健康、日常生活、矿区供水管网和工业生产等均造成不利影响。早在建国初期我国就确立了“地下水除铁除锰”，其理论及应用先后经历了自然氧化法、接触氧化法、生物法三个发展阶段。但至今为止，如何实现铁、锰的快速高效去除仍是常规水处理工艺流程所面临与需要解决的常见问题之一。为此，本专利针对铁、锰的去除提出创新技术，这一具有重要社会效益及经济效益。

随着我国经济的快速发展，人类活动所导致的地下水污染已从点状污染逐渐扩展到面状污染。地下水尤其是矿井水源污染超标项目中铁、锰是造成水质污染的最常见因素。铁和锰超标有自然产生和人为造成两种途径。自然产生的主要为原生环境引起的污染，与地质构造有很大的关系，其污染普遍。而人为造成的主要是含铁含锰废水的肆意排放。

铁、锰是人体必需的生理微量元素，但人体摄取过多铁、锰也会导致慢性中毒。其中铁中毒的症状为肝、脾有大量铁沉积，并出现肝硬化、骨质疏松、软骨钙化、皮肤棕黑色、腺体纤维化、胰岛素分泌减少等，进而导致碳水化合物代谢紊乱和糖尿病。锰的生理毒性比铁更严重，人体过量摄取锰会使脑中神经递质合成减少，严重的将损坏神经，水中含铁、锰量高时，会有色、臭、味。而且会污染卫生设备、家用器具，使其出现锈斑或棕褐色。洗涤衣物时也会留下斑渍。从而影响人们生活。

对于矿区供水系统，当原水中铁没有被充分去除就直接供给用户，会产生黄褐色、红褐色的浑浊自来水。当锰含量高时会出现黑褐色自来水。矿区供水系统在投氯消毒后，水中残留的锰被氯氧化生成水合二氧化锰的黑色沉淀，沉淀物沉积到净水设施和输、配水管网的内壁上。随着沉积物渐多，将缩小过水断面，降低输水能力。当水中含有溶解氧时，含铁含锰水为铁细菌和锰细菌大量繁殖提供了条件，铁锰细菌和硫酸盐还原菌共生，加速了金属管道的腐蚀。

水中过量铁、锰对工业生产也会产生极大危害。作为洗涤用水或生产原料时会降低产品光泽颜色等质量，如纺织、印染、针织、造纸等行业影响尤为突出。水中的铁、锰能固着于纤维上，在纺织品上产生锈色斑点。染色时，铁、锰能与染料结合，使色调不鲜艳。

铁、锰还对漂白剂的分解有催化作用，使漂白作业发生困难。在造纸工业中，水中的铁、锰能选择性的吸附于纤维素之间，使纸浆颜色变黄，并使漂白和染色效果降低。在酿造用水中，铁、锰有异味，并能与某些有机物生成带色的化合物，使产品色和味的质量降低。在食品工业中，水中过量的铁、锰能影响产品的色泽。在锅炉用水中，铁、锰是生成水垢和罐泥的成分之一。在冷却用水中，铁能附着于加热管壁上，降低管壁的传热系数，当水中含铁量高时，甚至能堵塞冷却水管。在油田的油层注水中，铁、锰能堵塞地层孔隙，减少注水量，降低注水效果。

综上所述，水中过量的铁、锰不仅对人们生活、供水系统、工业生产有影响，对人类健康也是百害而无一利。因此各国的饮用水水质指标中都对铁、锰的含量做了严格的限制。我国在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中对作为集中式生活饮用水地表水源地补充项目的铁、锰指标进行限制：Fe <0.3 mg/L, Mn <0.1 mg/L，在《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中也作了相同规定。

除铁、锰的现有技术是。

自然氧化法

自然氧化法包括曝气、氧化反应、沉淀、过滤等一系列工序。其中曝气可根据需要充氧或投加氯气。该方法对铁的去处效果较好。含铁地下水经曝气充氧或投加氯气后，水中的Fe²⁺被氧化为Fe（OH）₃颗粒，因其溶解度小而沉淀析出，经过滤等固液分离净化工序而去除。空气氧化除铁法无论从运转费用或对铁的氧化性能上看都是很有价值的方法，但Fe²⁺被氧化生成的Fe（OH）₃颗粒难以絮凝，总会有部分胶体粒子穿透滤层而影响出水水质。此外，水中溶解性硅酸还会影响Fe（OH）₃的絮凝，当硅酸浓度大于40-50 mg/L时，硅酸会与铁反应生成某种高分子物质而影响铁的氧化。

自然氧化法除铁、锰反应过程中，氧化和沉淀两过程要求水在反应沉淀池中停留相当长的时间。该工艺系统复杂，设备庞大，投资多，且除铁、锰效果不甚理想。实践表明，这种方法是不适合我国供水设施建设基金有限的现实国情。

接触氧化法

接触氧化法是李圭白院士等于20世纪60年代实验成功的一套方法。该工艺流程主要是曝气后直接过滤。水中的铁、锰在滤池中被氧化为高价铁、锰的氢氧化物，并逐渐附着在滤料的表面上，形成“活性滤膜”。50年代初日本和我国学者通过多次实验证实，滤料表面形成的“活性滤膜’，具有接触催化作用，能大大加快氧化速度。接触氧化法已被应用于我国地下水除铁、锰的很多实际工程，实践表明，该法对于易氧化的铁的去除非常有效。

在接触氧化除锰方面发现一些问题。一方面，地下水一般为铁、锰共存，铁的氧化电位比锰低，铁比锰容易被氧化，水中铁的存在对锰的氧化有干扰作用。为排除铁快速氧化对锰氧化的干扰，接触氧化法采用一级曝气过滤除铁，二级曝气过滤除锰的分级方法。分级曝气过滤工艺流程复杂，运行费用高；另一方面，锰难以在滤层中快速氧化为MnO₂而附着于滤料上形成“锰质活性滤膜”，除锰能力形成周期比较长，而且由于经常性反冲洗等外界因素的干扰，“锰质活性滤膜”较难形成，除锰效果呈现很不稳定的状态。

生物氧化法

20世纪90年代，张杰院士等通过在沈阳李官卜、鞍山大赵台、抚顺开发区水厂等地进行除铁除锰的现场试验研究，发现了生物氧化现象。通过大量微生物学试验，证明了滤池中铁细菌的高效除锰作用，最终确立了“生物固锰除锰”理论。该理论认为，在生物除锰滤层中，滤料表面生成了一个复杂的微生物生态系统，在该系统中存在着大量具有铁、锰氧化能力的细菌，除锰滤层的活性就来自于滤料表面所固着的铁、锰氧化细菌的氧化活性。在pH中性域范围内，除铁除锰滤层中Mn²⁺的氧化是以铁、锰氧化细菌为主的生物氧化。

生物法除铁除锰的研究已经持续多年，但工程实践相对较少，目前尚未构建起完善的工程设计理论及参数确定方法，例如因生物除锰动力学模式尚未确立而使除锰滤层厚度难以通过理论计算，只能通过不精确的经验方法或繁琐的试验方法确定；同时在工程实践方面尚缺乏一套规范化的运行调试方法，例如铁细菌在初期接入滤层时优势地位的确立与稳固过程，可能对滤层生物相造成较大扰动与破坏的外界运行参数如滤速、反冲洗强度及时间等，目前尚无确切的控制标准。

药剂氧化法

药剂氧化法除铁、锰是利用氧化剂的强氧化性将水中溶解性的铁、锰氧化，生成高价的铁、锰化合物固体，再通过各种沉淀、过滤方式将这些铁、锰化合物从水中去除。可选用的氧化剂有臭氧、氯气、二氧化氯和高锰酸钾等。

臭氧是一种很强的氧化剂，不仅能迅速氧化水中的二价铁，并且在比较低的pH值和无催化剂的条件下，能将二价锰完全氧化。其反应式为：

2Fe²⁺+O₃+5 H₂O--2Fe（OH）₃+4H⁺+O₂

Mn²⁺+O₃+2H₂O--Mn（OH）₂+2H⁺+O₂

但臭氧发生装置价格昂贵，成本高，臭氧投量难以控制，一般要与活性炭等后处理联用，使工艺流程复杂。臭氧氧化一般多用于饮用水的深度处理。

在现有技术条件下，除铁、锰处理的建设成本和运行成本的增加将成为必然。目前没有除铁、锰处理一体化装置，现有的传统工艺，处理方法具有工艺流程长，控制复杂，占地大，处理成本高等缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置，包括缓冲池1，进水装置2，反应柱3，曝气装置4，排水管5，排泥管6，支架7，控制系统8；所述支架7的底部设有缓冲池1，支架7的上方设置反应柱3，所述缓冲池1底部和反应柱3底部中心通过进水装置2相连，反应柱3上部中心与曝气装置4相连，反应柱3侧壁上部设有排水管5，反应柱3底部还设有排泥管6，支架7上设有控制系统8，进水装置2中的水泵与控制系统8导线连接。

进一步的，所述反应柱3，包括钟形罩3-1，稳流滤网3-2，反水回升环道3-3，触媒催化介质3-4，触媒柱3-5，铁锰浓度感应器3-6，触媒饱和传感器3-7，水压差测控器3-8；其中，所述钟形罩3-1为上端圆台下端圆柱的中空结构，钟形罩3-1位于反应柱3内部中心，钟形罩3-1上端与反应柱3的上部封盖无缝焊接，钟形罩3-1圆柱部分外侧与稳流滤网3-2的支撑杆无缝焊接；所述稳流滤网3-2为环形中空的网状结构，稳流滤网3-2水平布置在反应柱3内，稳流滤网3-2上对称布置有两个支撑杆，每个支撑杆的内外两侧分别与反应柱3内壁和钟形罩3-1外壁水平无缝焊接，稳流滤网3-2的网眼为边长4mm-8mm的正方形孔洞；所述反水回升环道3-3位于反应柱3的内部和触媒柱3-5的外部，反水回升环道3-3为圆环形升水通道，反水回升环道3-3底端与排泥管6相通，反水回升环道3-3外壁直径为50cm-80cm，触媒柱3-5的直径为反水回升环道3-3外壁直径的3/4；反水回升环道3-3上端位于钟形罩3-1圆台形部分，反水回升环道3-3上端距钟形罩3-1上端的距离为10cm-15cm；所述触媒催化介质3-4布置在触媒柱3-5的内部，且在钟形罩3-1的下部，触媒催化介质3-4的上端口距离钟形罩3-1的下端口20cm-40cm，触媒催化介质3-4为中空的六边形柱状结构，其高度为反应柱3高度的4/5；所述铁锰浓度感应器3-6与排水管5对称排列，所述触媒饱和传感器3-7位于反应柱3中部并深入触媒催化介质3-4内部，所述水压差测控器3-8位于反应柱3顶部，距离反应柱3上檐口10cm～20cm；铁锰浓度感应器3-6、触媒饱和传感器3-7、水压差测控器3-8与控制系统8导线连接。

进一步的，所述曝气装置4，包括进气干管4-1，进气支管4-2，曝气环4-3，气泵4-4，曝气头4-5；其中所述进气干管4-1从反应柱3顶部中心位置伸入触媒柱3-5的底部；所述进气支管4-2和曝气环4-3位于触媒催化介质3-4下部，进气支管4-2上端中部与进气干管4-1垂直连通，进气支管4-2沿上部中心向两侧分成两个向下弯曲的直角弯管，两直角弯管的距离与曝气环4-3的直径相同，进气支管4-2两个直角弯管底部与曝气环4-3垂直连通；所述曝气环4-3水平布置于触媒柱3-5的底部，曝气环4-3为环形中空管，曝气环4-3的直径为触媒柱3-5直径的3/4；所述曝气头4-5位于曝气环4-3上部，并与曝气环4-3贯通，曝气头4-5的数量为5-10个，多个曝气头4-5沿着曝气环4-3一字排列，多个曝气头4-5相互等距排列，相邻二个曝气头4-5间距为20mm-100mm，曝气头4-5为多孔吹气铝合金结构，其管径为70mm-150mm；曝气环4-3中心轴线与反应柱3中心轴线相吻合，曝气环4-3上端距触媒催化介质3-4下部的距离为10cm-20cm；所述气泵4-4位于支架7的下部，气泵4-4与整个装置的基座固定连接，气泵4-4与控制系统8导线连接。

进一步的，所述触媒催化介质3-4由高分子材料压模成型，触媒催化介质3-4的组成成分和制造过程如下：

一、触媒催化介质3-4的组成成分：

按重量份数计，间三氟代甲苯胺1～7份，酸式焦磷酸钠2～8份，氢化萜烯树脂2～8份，钒云母8～27份，复合铁钛粉10～21份，钛碳化硅1～24份，丙烯酸羟乙酯40～81份，聚乳酸-三亚甲基碳酸酯2～17份，二聚乙烯酮5～19份，三乙醇胺硫酸酯10～54份，酰胺戊二酸胺2～15份，邻苯二甲酸二钾6～17份；

二、触媒催化介质3-4的制造过程，包含以下步骤：

步骤1：将电导率为0.0111～0.0511Mv的超净水340～940份，通过粒子加速器处理4～15分钟，注入到阴离子交换柱处理15～29分钟，利用强碱弱酸盐洗脱并加入到反应釜中，开动反应釜搅拌电机，以80～160转/分钟的速度进行搅拌，依次加入间三氟代甲苯胺，酸式焦磷酸钠，氢化萜烯树脂，开启高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至61～82度，保温处理1～2.5小时；

步骤2：另取钒云母，复合铁钛粉，钛碳化硅，将三者超细粉碎至480～660目，用丙烯酸羟乙酯与三者制成混合液，将多孔载体浸入溶液中，对其进行吸附处理30～60分钟；将处理液加入到反应釜中，提升反应釜中的搅拌电机的转速，使其控制在128～158转/分钟，再次启动高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至111～129度；加入聚乳酸-三亚甲基碳酸酯，搅拌至完全溶解，加入二聚乙烯酮，搅拌至完全溶解；关闭反应釜进料仓门，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.021～-0.061MPa，通入氦气使得反应釜压力增加至0.0051～0.0112MPa，保温反应38～68分钟；

步骤3：将反应釜泄压至0MPa，同时将反应釜的搅拌电机的转速降至81～111转/分，向热交换器中通入冷却水，使得反应釜温度降至71～81度，加入三乙醇胺硫酸酯，保持恒定温度，进行酯化反应1～3小时，最终使其反应釜溶液的酯化平衡值为4.312～9.542；依次加入酰胺戊二酸胺，邻苯二甲酸二钾，将反应釜搅拌电机的转速下降至51～81转/分，再次保温61～121分钟；出料，入压模机即可制得触媒催化介质3-4；

所述粒子加速器设定工作参数为：

能量范围为0.457～5.512MeV，束流设定为245～489mA，束功率为245～456KW，束流水平能量为0.717～2.485MeV，束流竖直能量为0.545～3.120 MeV，引出束流均匀度为75～91%；

所述强碱弱酸盐为硫酸铵，其浓度为36～51%质量百分比浓度，其按照重量份数值为45～98份；

所述多孔载体为堇青石蜂窝多孔陶瓷载体，其孔密度为245～465孔/cm²。

进一步的，本发明还公开了一种矿井水中高浓度铁锰的处理方法，包括以下内容：

步骤1：打开进水装置2的水泵，将铁锰矿井水从缓冲池1输送到触媒柱3-5底部进入，使出水量控制在20m³/h～55m³/h；铁锰矿井水与触媒催化介质3-4充分接触反应，以实现进一步催化、氧化，最终完全转化、沉降，并形成铁锰沉淀物，从反应柱3底部的排泥管6排除；为此，控制系统8进一步控制流过高分子触媒柱3-5的流速为0.2m/min～1.2m/min；

步骤2：随着溶液的上升，经过触媒柱3-5处理的上清液进入到曝气室，位于曝气室上部的铁锰浓度感应器3-6对曝气室溶液中的铁锰浓度情况进行实时监测，并反馈给控制系统8，当铁锰浓度低于3mg/L～5mg/L时，铁锰浓度感应器3-6向控制系统8发出信号，控制系统8通过导线促使气泵4-4减少气体流量，当铁锰浓度高于450mg/L～500mg/L时，铁锰浓度感应器3-6向控制系统8发出信号，控制系统8通过导线促使气泵4-4增加气体流量对曝气室的供给，进一步除去铁锰离子；

步骤3：经过再次处理的上清水通过钟形罩3-1上檐口溢流到稳流滤网3-2，经过稳流滤网3-2的减速和分散后，进入反水回升环道3-3，最终清水沿着反水回升环道3-3上升，清水流过稳流滤网3-2后，从排水管5排出，絮凝物在反水回升环道3-3内部被稳流滤网3-2上升阻止进而沉淀，二次沉淀的污泥从排泥管6排出；

步骤4：位于反应柱3的中部，并插在触媒柱3-5中触媒饱和传感器3-7，对触媒柱3-5铁锰饱和吸附状态进行实时监测，设定触媒饱和传感器3-7当触媒柱3-5对铁锰作用的失效率达到90%～95%，则触媒饱和传感器3-7向控制系统8发出信号，此时控制系统8控制进水装置2中的水泵、气泵4-4停止工作，2min～9min后，控制系统8发出信号，关闭排水管5阀门，关闭排泥管6并报警，通知更换触媒柱3-5，或对触媒柱3-5反冲洗，反冲进水量控制在2m³/h～10m³/h；同时设定触媒饱和传感器3-7当监测到触媒柱3-5对铁锰作用的失效率为5%～10%时，触媒饱和传感器3-7向控制系统8发出信号，控制系统8控制打开排水管5阀门，打开排泥管6并解除报警，装置再次进入处理废水状态；

步骤5：位于反应柱3顶部的水压差测控器3-8，对反应柱3水位运行安全实时监测，设定水压差测控器3-8当运行水位位于反应柱3上檐3cm～15cm时，水压差测控器3-8向控制系统8发出信号，控制系统8控制整个系统停止工作，并发出音频报警。

本发明专利公开的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法，其优点在于。

（1）该装置为采用触媒接触氧化法处理高浓度铁锰矿井水，节能环保。

（2）该装置通过有氧曝气增加高浓度铁锰矿井水的氧化过程，促进了矿井水铁锰的沉淀，处理效果好。

（3）整体设备占地面积小，维护方便，处理方法效率高、残留少。

本发明所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法通过曝气和触媒材料的充分接触，可实现对高浓度铁锰矿井水的深度处理，设备结构紧凑，设计合理，占地空间下，适合各类矿区对高浓度铁锰矿井水的处理。

附图说明

图1是本发明中所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置的示意图。

图2是本发明中所述的反应柱的示意图。

图3是本发明中所述的曝气装置的示意图。

图4是本发明所述的触媒催化介质对铁锰总转化量。

以上图1~图3中，缓冲池1，进水装置2，反应柱3，钟形罩3-1，稳流滤网3-2，反水回升环道3-3，触媒催化介质3-4，触媒柱3-5，铁锰浓度感应器3-6，触媒饱和传感器3-7，水压差测控器3-8，曝气装置4，进气干管4-1，进气支管4-2，曝气环4-3，气泵4-4，曝气头4-5，排水管5，排泥管6，支架7，控制系统8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置进行进一步说明。

如图1所示，为本发明提供的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置示意图，包括缓冲池1，进水装置2，反应柱3，曝气装置4，排水管5，排泥管6，支架7，控制系统8；进水装置2将高浓度铁锰矿井水从缓冲池1底部输送到反应柱3底部中心位置，高浓度铁锰矿井水进入反应柱3，曝气装置4将空气输送至反应柱3底部中心位置，高浓度铁锰矿井水和空气在反应柱3内混合后反应，高浓度铁锰矿井水与柱内触媒催化介质3-4充分反应，反应后生成的清水从排水管5排出，沉淀的污泥从排泥管6排出。

如图2和图3所示，是本发明中所述的反应柱的示意图和曝气装置的示意图。图中看出，反应柱3，包括钟形罩3-1，稳流滤网3-2，反水回升环道3-3，触媒催化介质3-4，触媒柱3-5，铁锰浓度感应器3-6，触媒饱和传感器3-7，水压差测控器3-8；其中，所述钟形罩3-1为上端圆台下端圆柱的中空结构，钟形罩3-1位于反应柱3内部中心，钟形罩3-1上端与反应柱3的上部封盖无缝焊接，钟形罩3-1圆柱部分外侧与稳流滤网3-2的支撑杆无缝焊接；所述稳流滤网3-2为环形中空的网状结构，稳流滤网3-2水平布置在反应柱3内，稳流滤网3-2上对称布置有两个支撑杆，每个支撑杆的内外两侧分别与反应柱3内壁和钟形罩3-1外壁水平无缝焊接，稳流滤网3-2的网眼为边长4mm-8mm的正方形孔洞；所述反水回升环道3-3位于反应柱3的内部和触媒柱3-5的外部，反水回升环道3-3为圆环形升水通道，反水回升环道3-3底端与排泥管6相通，反水回升环道3-3外壁直径为50cm-80cm，触媒柱3-5的直径为反水回升环道3-3外壁直径的3/4；反水回升环道3-3上端位于钟形罩3-1圆台形部分，反水回升环道3-3上端距钟形罩3-1上端的距离为10cm-15cm；所述触媒催化介质3-4布置在触媒柱3-5的内部，且在钟形罩3-1的下部，触媒催化介质3-4的上端口距离钟形罩3-1的下端口20cm-40cm，触媒催化介质3-4为中空的六边形柱状结构，其高度为反应柱3高度的4/5；所述铁锰浓度感应器3-6与排水管5对称排列，所述触媒饱和传感器3-7位于反应柱3中部并深入触媒催化介质3-4内部，所述水压差测控器3-8位于反应柱3顶部，距离反应柱3上檐口10cm～20cm；铁锰浓度感应器3-6、触媒饱和传感器3-7、水压差测控器3-8与控制系统8导线连接。

曝气装置4，包括进气干管4-1，进气支管4-2，曝气环4-3，气泵4-4，曝气头4-5；其中进气干管4-1从反应柱3顶部中心位置伸入触媒柱3-5的底部；所述进气支管4-2和曝气环4-3位于触媒催化介质3-4下部，进气支管4-2上端中部与进气干管4-1垂直连通，进气支管4-2沿上部中心向两侧分成两个向下弯曲的直角弯管，两直角弯管的距离与曝气环4-3的直径相同，进气支管4-2两个直角弯管底部与曝气环4-3垂直连通；所述曝气环4-3水平布置于触媒柱3-5的底部，曝气环4-3为环形中空管，曝气环4-3的直径为触媒柱3-5直径的3/4；所述曝气头4-5位于曝气环4-3上部，并与曝气环4-3贯通，曝气头4-5的数量为5-10个，多个曝气头4-5沿着曝气环4-3一字排列，多个曝气头4-5相互等距排列，相邻二个曝气头4-5间距为20mm-100mm，曝气头4-5为多孔吹气铝合金结构，其管径为70mm-150mm；曝气环4-3中心轴线与反应柱3中心轴线相吻合，曝气环4-3上端距触媒催化介质3-4下部的距离为10cm-20cm；所述气泵4-4位于支架7的下部，气泵4-4与整个装置的基座固定连接，气泵4-4与控制系统8导线连接。

进水装置2将铁锰矿井水从缓冲池1底部输送到触媒柱3-5，与触媒催化介质3-4充分接触反应，形成铁锰沉淀物，从反应柱3底部的排泥管6排除；同时，空气沿进气干管4-1进入进气支管4-2，进气支管4-2将空气输送至曝气环4-3内部，曝气环4-3通过上部的曝气头4-5将空气均匀的布散在反水回升环道3-3底部，进一步除去铁锰离子，最终清水沿着反水回升环道3-3上升，清水流过稳流滤网3-2后，从排水管5排出，二次沉淀的污泥从排泥管6排出。

本发明所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置的工作过程是。

打开进水装置2的水泵，将铁锰矿井水从缓冲池1输送到触媒柱3-5底部进入，使出水量控制在20m³/h～55m³/h；铁锰矿井水与触媒催化介质3-4充分接触反应，以实现进一步催化、氧化，最终完全转化、沉降，并形成铁锰沉淀物，从反应柱3底部的排泥管6排除；为此，控制系统8进一步控制流过高分子触媒柱3-5的流速为0.2m/min～1.2m/min；

随着溶液的上升，经过触媒柱3-5处理的上清液进入到曝气室，位于曝气室上部的铁锰浓度感应器3-6对曝气室溶液中的铁锰浓度情况进行实时监测，并反馈给控制系统8，当铁锰浓度低于3mg/L～5mg/L时，铁锰浓度感应器3-6向控制系统8发出信号，控制系统8通过导线促使气泵4-4减少气体流量，当铁锰浓度高于450mg/L～500mg/L时，铁锰浓度感应器3-6向控制系统8发出信号，控制系统8通过导线促使气泵4-4增加气体流量对曝气室的供给，进一步除去铁锰离子；

经过再次处理的上清水通过钟形罩3-1上檐口溢流到稳流滤网3-2，经过稳流滤网3-2的减速和分散后，进入反水回升环道3-3，最终清水沿着反水回升环道3-3上升，清水流过稳流滤网3-2后，从排水管5排出，絮凝物在反水回升环道3-3内部被稳流滤网3-2上升阻止进而沉淀，二次沉淀的污泥从排泥管6排出；

位于反应柱3的中部，并插在触媒柱3-5中触媒饱和传感器3-7，对触媒柱3-5铁锰饱和吸附状态进行实时监测，设定触媒饱和传感器3-7当触媒柱3-5对铁锰作用的失效率达到90%～95%，则触媒饱和传感器3-7向控制系统8发出信号，此时控制系统8控制进水装置2中的水泵、气泵4-4停止工作，2min～9min后，控制系统8发出信号，关闭排水管5阀门，关闭排泥管6并报警，通知更换触媒柱3-5，或对触媒柱3-5反冲洗，反冲进水量控制在2m³/h～10m³/h；同时设定触媒饱和传感器3-7当监测到触媒柱3-5对铁锰作用的失效率为5%～10%时，触媒饱和传感器3-7向控制系统8发出信号，控制系统8控制打开排水管5阀门，打开排泥管6并解除报警，装置再次进入处理废水状态；

位于反应柱3顶部的水压差测控器3-8，对反应柱3水位运行安全实时监测，设定水压差测控器3-8当运行水位位于反应柱3上檐3cm～15cm时，水压差测控器3-8向控制系统8发出信号，控制系统8控制整个系统停止工作，并发出音频报警。

本发明所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法通过曝气和触媒材料的充分接触，可实现对高浓度铁锰矿井水的深度处理，设备结构紧凑，设计合理，占地空间下，适合各类矿区高浓度铁锰矿井水的处理。

以下为本发明所述触媒催化介质3-4的制造过程的实施例，实施例是为了进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

按照以下步骤制造本发明所述触媒催化介质3-4：

步骤1：将电导率为0.0111～0.0511Mv的超净水340～940份，通过粒子加速器处理4～15分钟，注入到阴离子交换柱处理15～29分钟，利用强碱弱酸盐洗脱并加入到反应釜中，开动反应釜搅拌电机，以80～160转/分钟的速度进行搅拌，依次加入间三氟代甲苯胺1～7份，酸式焦磷酸钠2～8份，氢化萜烯树脂2～8份，开启高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至61～82度，保温处理1～2.5小时；

步骤2：另取钒云母8～27份，复合铁钛粉10～21份，钛碳化硅1～24份，将三者超细粉碎至480～660目，用丙烯酸羟乙酯40～81份与三者制成混合液，将多孔载体浸入溶液中，对其进行吸附处理30～60分钟；将处理液加入到反应釜中，提升反应釜中的搅拌电机的转速，使其控制在128～158转/分钟，再次启动高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至111～129度；加入聚乳酸-三亚甲基碳酸酯2～17份，搅拌至完全溶解，加入二聚乙烯酮5～19份，搅拌至完全溶解；关闭反应釜进料仓门，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.021～-0.061MPa，通入氦气使得反应釜压力增加至0.0051～0.0112MPa，保温反应38～68分钟；

步骤3：将反应釜泄压至0MPa，同时将反应釜的搅拌电机的转速降至81～111转/分，向热交换器中通入冷却水，使得反应釜温度降至71～81度，加入三乙醇胺硫酸酯10～54份，保持恒定温度，进行酯化反应1～3小时，最终使其反应釜溶液的酯化平衡值为4.312～9.542；依次加入酰胺戊二酸胺2～15份，邻苯二甲酸二钾6～17份，将反应釜搅拌电机的转速下降至51～81转/分，再次保温61～121分钟；出料，入压模机即可制得触媒催化介质3-4；

所述粒子加速器设定工作参数为：

实施例2

按照以下步骤制造本发明所述触媒催化介质3-4：

步骤1：将电导率为0.0111Mv的超净水340份，通过粒子加速器处理4分钟，注入到阴离子交换柱处理15分钟，利用强碱弱酸盐洗脱并加入到反应釜中，开动反应釜搅拌电机，以80转/分钟的速度进行搅拌，依次加入间三氟代甲苯胺1份，酸式焦磷酸钠2份，氢化萜烯树脂2份，开启高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至61度，保温处理1小时；

步骤2：另取钒云母8份，复合铁钛粉10份，钛碳化硅1份，将三者超细粉碎至480目，用丙烯酸羟乙酯40份与三者制成混合液，将多孔载体浸入溶液中，对其进行吸附处理30分钟；将处理液加入到反应釜中，提升反应釜中的搅拌电机的转速，使其控制在128转/分钟，再次启动高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至111度；加入聚乳酸-三亚甲基碳酸酯2份，搅拌至完全溶解，加入二聚乙烯酮5份，搅拌至完全溶解；关闭反应釜进料仓门，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.021MPa，通入氦气使得反应釜压力增加至0.0051MPa，保温反应38分钟；

步骤3：将反应釜泄压至0MPa，同时将反应釜的搅拌电机的转速降至81转/分，向热交换器中通入冷却水，使得反应釜温度降至71度，加入三乙醇胺硫酸酯10份，保持恒定温度，进行酯化反应1小时，最终使其反应釜溶液的酯化平衡值为4.312；依次加入酰胺戊二酸胺2份，邻苯二甲酸二钾6份，将反应釜搅拌电机的转速下降至51转/分，再次保温61分钟；出料，入压模机即可制得触媒催化介质3-4；

所述粒子加速器设定工作参数为：

能量范围为0.457MeV，束流设定为245mA，束功率为245KW，束流水平能量为0.717MeV，束流竖直能量为0.545 MeV，引出束流均匀度为75%；

所述强碱弱酸盐为硫酸铵，其浓度为36%质量百分比浓度，其按照重量份数值为45份；

所述多孔载体为堇青石蜂窝多孔陶瓷载体，其孔密度为245孔/cm²。

实施例3

按照以下步骤制造本发明所述触媒催化介质3-4：

步骤1：将电导率为0.0511Mv的超净水940份，通过粒子加速器处理15分钟，注入到阴离子交换柱处理29分钟，利用强碱弱酸盐洗脱并加入到反应釜中，开动反应釜搅拌电机，以160转/分钟的速度进行搅拌，依次加入间三氟代甲苯胺7份，酸式焦磷酸钠8份，氢化萜烯树脂8份，开启高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至82度，保温处理2.5小时；

步骤2：另取钒云母27份，复合铁钛粉21份，钛碳化硅24份，将三者超细粉碎至660目，用丙烯酸羟乙酯81份与三者制成混合液，将多孔载体浸入溶液中，对其进行吸附处理60分钟；将处理液加入到反应釜中，提升反应釜中的搅拌电机的转速，使其控制在158转/分钟，再次启动高压蒸汽开关，向热交换器中通入高温高压蒸汽，使得反应釜温度上升至129度；加入聚乳酸-三亚甲基碳酸酯17份，搅拌至完全溶解，加入二聚乙烯酮19份，搅拌至完全溶解；关闭反应釜进料仓门，启动真空泵使反应釜的真空度达到-0.061MPa，通入氦气使得反应釜压力增加至0.0112MPa，保温反应68分钟；

步骤3：将反应釜泄压至0MPa，同时将反应釜的搅拌电机的转速降至111转/分，向热交换器中通入冷却水，使得反应釜温度降至81度，加入三乙醇胺硫酸酯54份，保持恒定温度，进行酯化反应3小时，最终使其反应釜溶液的酯化平衡值为9.542；依次加入酰胺戊二酸胺15份，邻苯二甲酸二钾17份，将反应釜搅拌电机的转速下降至81转/分，再次保温121分钟；出料，入压模机即可制得触媒催化介质3-4；

所述粒子加速器设定工作参数为：

能量范围为5.512MeV，束流设定为489mA，束功率为456KW，束流水平能量为2.485MeV，束流竖直能量为3.120 MeV，引出束流均匀度为91%；

所述强碱弱酸盐为硫酸铵，其浓度为51%质量百分比浓度，其按照重量份数值为98份；

所述多孔载体为堇青石蜂窝多孔陶瓷载体，其孔密度为465孔/cm²。

对照例

对照例为市售某品牌的触媒催化介质用于矿井水的处理过程。

实施例4

将实施例1~3制备获得的触媒催化介质和对照例所述的触媒催化介质用于矿井水的处理过程。处理结束后分别对矿井水的性质，及其对矿井水各项参数的影响做检测。表1为实施例1~3和对照例所述的触媒催化介质用于矿井水的处理过程中的性能参数的影响，从表1可见，本发明所述的触媒催化介质，其催化聚合度、催化强度提升率、催化产量提升率、净水率、均高于现有技术生产的产品。

此外，如图4所示，是本发明所述的触媒催化介质对铁锰总转化量。图中看出，材料的高分子触媒催化材料分布均匀，高分子触媒催化材料表面积与体积比较大，表面分散性好，连续相中游离的分散载体的浓度相对对照例高。使用本发明的触媒催化介质，使得铁锰离子聚集成团小，形成分散结构的沉淀体，高分子触媒催化材料对铁锰具有良好催化性能；使用本发明所述触媒催化介质，其对铁锰总转化量均优于现有产品。

Claims

1.一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置，包括缓冲池（1），进水装置（2），反应柱（3），曝气装置（4），排水管（5），排泥管（6），支架（7），控制系统（8）；其特征在于，所述支架（7）的底部设有缓冲池（1），支架（7）的上方设置反应柱（3），所述缓冲池（1）底部和反应柱（3）底部中心通过进水装置（2）相连，反应柱（3）上部中心与曝气装置（4）相连，反应柱（3）侧壁上部设有排水管（5），反应柱（3）底部还设有排泥管（6），支架（7）上设有控制系统（8），进水装置（2）中的水泵与控制系统（8）导线连接；

所述反应柱（3），包括钟形罩（3-1），稳流滤网（3-2），反水回升环道（3-3），触媒催化介质（3-4），触媒柱（3-5），铁锰浓度感应器（3-6），触媒饱和传感器（3-7），水压差测控器（3-8）；其中，所述钟形罩（3-1）为上端圆台下端圆柱的中空结构，钟形罩（3-1）位于反应柱（3）内部中心，钟形罩（3-1）上端与反应柱（3）的上部封盖无缝焊接，钟形罩（3-1）圆柱部分外侧与稳流滤网（3-2）的支撑杆无缝焊接；所述稳流滤网（3-2）为环形中空的网状结构，稳流滤网（3-2）水平布置在反应柱（3）内，稳流滤网（3-2）上对称布置有两个支撑杆，每个支撑杆的内外两侧分别与反应柱（3）内壁和钟形罩（3-1）外壁水平无缝焊接，稳流滤网（3-2）的网眼为边长4mm-8mm的正方形孔洞；所述反水回升环道（3-3）位于反应柱（3）的内部和触媒柱（3-5）的外部，反水回升环道（3-3）为圆环形升水通道，反水回升环道（3-3）底端与排泥管（6）相通，反水回升环道（3-3）外壁直径为50cm-80cm，触媒柱（3-5）的直径为反水回升环道（3-3）外壁直径的3/4；反水回升环道（3-3）上端位于钟形罩（3-1）圆台形部分，反水回升环道（3-3）上端距钟形罩（3-1）上端的距离为10cm-15cm；所述触媒催化介质（3-4）布置在触媒柱（3-5）的内部，且在钟形罩（3-1）的下部，触媒催化介质（3-4）的上端口距离钟形罩（3-1）的下端口20cm-40cm，触媒催化介质（3-4）为中空的六边形柱状结构，其高度为反应柱（3）高度的4/5；所述铁锰浓度感应器（3-6）与排水管（5）对称排列，所述触媒饱和传感器（3-7）位于反应柱（3）中部并深入触媒催化介质（3-4）内部，所述水压差测控器（3-8）位于反应柱（3）顶部，距离反应柱（3）上檐口10cm～20cm；铁锰浓度感应器（3-6）、触媒饱和传感器（3-7）、水压差测控器（3-8）与控制系统（8）导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置，其特征在于，所述曝气装置（4），包括进气干管（4-1），进气支管（4-2），曝气环（4-3），气泵（4-4），曝气头（4-5）；其中所述进气干管（4-1）从反应柱（3）顶部中心位置伸入触媒柱（3-5）的底部；所述进气支管（4-2）和曝气环（4-3）位于触媒催化介质（3-4）下部，进气支管（4-2）上端中部与进气干管（4-1）垂直连通，进气支管（4-2）沿上部中心向两侧分成两个向下弯曲的直角弯管，两直角弯管的距离与曝气环（4-3）的直径相同，进气支管（4-2）两个直角弯管底部与曝气环（4-3）垂直连通；所述曝气环（4-3）水平布置于触媒柱（3-5）的底部，曝气环（4-3）为环形中空管，曝气环（4-3）的直径为触媒柱（3-5）直径的3/4；所述曝气头（4-5）位于曝气环（4-3）上部，并与曝气环（4-3）贯通，曝气头（4-5）的数量为5-10个，多个曝气头（4-5）沿着曝气环（4-3）一字排列，多个曝气头（4-5）相互等距排列，相邻二个曝气头（4-5）间距为20mm-100mm，曝气头（4-5）为多孔吹气铝合金结构，其管径为70mm-150mm；曝气环（4-3）中心轴线与反应柱（3）中心轴线相吻合，曝气环（4-3）上端距触媒催化介质（3-4）下部的距离为10cm-20cm；所述气泵（4-4）位于支架（7）的下部，气泵（4-4）与整个装置的基座固定连接，气泵（4-4）与控制系统（8）导线连接。

3.根据权利要求1所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置，其特征在于，所述触媒催化介质（3-4）由高分子材料压模成型，触媒催化介质（3-4）的组成成分和制造过程如下：

一、触媒催化介质（3-4）的组成成分：

二、触媒催化介质（3-4）的制造过程，包含以下步骤：

步骤3：将反应釜泄压至0MPa，同时将反应釜的搅拌电机的转速降至81～111转/分，向热交换器中通入冷却水，使得反应釜温度降至71～81度，加入三乙醇胺硫酸酯，保持恒定温度，进行酯化反应1～3小时，最终使其反应釜溶液的酯化平衡值为4.312～9.542；依次加入酰胺戊二酸胺，邻苯二甲酸二钾，将反应釜搅拌电机的转速下降至51～81转/分，再次保温61～121分钟；出料，入压模机即可制得触媒催化介质（3-4）；

所述粒子加速器设定工作参数为：

4.根据权利要求3所述的一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置，其特征在于，一种矿井水中高浓度铁锰的处理方法，包括以下内容：

步骤1：打开进水装置（2）的水泵，将铁锰矿井水从缓冲池（1）输送到触媒柱（3-5）底部进入，使出水量控制在20m³/h～55m³/h；铁锰矿井水与触媒催化介质（3-4）充分接触反应，以实现进一步催化、氧化，最终完全转化、沉降，并形成铁锰沉淀物，从反应柱（3）底部的排泥管（6）排除；为此，控制系统（8）进一步控制流过高分子触媒柱（3-5）的流速为0.2m/min～1.2m/min；

步骤2：随着溶液的上升，经过触媒柱（3-5）处理的上清液进入到曝气室，位于曝气室上部的铁锰浓度感应器（3-6）对曝气室溶液中的铁锰浓度情况进行实时监测，并反馈给控制系统（8），当铁锰浓度低于3mg/L～5mg/L时，铁锰浓度感应器（3-6）向控制系统（8）发出信号，控制系统（8）通过导线促使气泵（4-4）减少气体流量，当铁锰浓度高于450mg/L～500mg/L时，铁锰浓度感应器（3-6）向控制系统（8）发出信号，控制系统（8）通过导线促使气泵（4-4）增加气体流量对曝气室的供给，进一步除去铁锰离子；

步骤3：经过再次处理的上清水通过钟形罩（3-1）上檐口溢流到稳流滤网（3-2），经过稳流滤网（3-2）的减速和分散后，进入反水回升环道（3-3），最终清水沿着反水回升环道（3-3）上升，清水流过稳流滤网（3-2）后，从排水管（5）排出，絮凝物在反水回升环道（3-3）内部被稳流滤网（3-2）上升阻止进而沉淀，二次沉淀的污泥从排泥管（6）排出；

步骤4：位于反应柱（3）的中部，并插在触媒柱（3-5）中触媒饱和传感器（3-7），对触媒柱（3-5）铁锰饱和吸附状态进行实时监测，设定触媒饱和传感器（3-7）当触媒柱（3-5）对铁锰作用的失效率达到90%～95%，则触媒饱和传感器（3-7）向控制系统（8）发出信号，此时控制系统（8）控制进水装置（2）中的水泵、气泵（4-4）停止工作，2min～9min后，控制系统（8）发出信号，关闭排水管（5）阀门，关闭排泥管（6）并报警，通知更换触媒柱（3-5），或对触媒柱（3-5）反冲洗，反冲进水量控制在2m³/h～10m³/h；同时设定触媒饱和传感器（3-7）当监测到触媒柱（3-5）对铁锰作用的失效率为5%～10%时，触媒饱和传感器（3-7）向控制系统（8）发出信号，控制系统（8）控制打开排水管（5）阀门，打开排泥管（6）并解除报警，装置再次进入处理废水状态；

步骤5：位于反应柱（3）顶部的水压差测控器（3-8），对反应柱（3）水位运行安全实时监测，设定水压差测控器（3-8）当运行水位位于反应柱（3）上檐3cm～15cm时，水压差测控器（3-8）向控制系统（8）发出信号，控制系统（8）控制整个系统停止工作，并发出音频报警。