CN212076664U - 矿井井下水铁锰去除系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种矿井井下水铁锰去除系统，其包括：曝气氧化池，其进口通过井水泵连接至矿井井下水；一次沉淀池，其与曝气氧化池的出水口连接，一次沉淀池具有一出水口和一出泥口，出泥口连接至污泥脱水站；一级滤池，其进口连接一次沉淀池的出水口，且一级滤池连接至污泥脱水站；氯氧化池，其进口连接一级滤池的出水口；锰砂过滤器，其进口通过进水泵连接至氯氧化池的出水口，且锰砂过滤器的反洗水连接至一级沉淀池；pH调节装置，其具有与曝气氧化池连通的第一支路和与氯氧化池连通的第二支路。本实用新型提供的矿井井下水铁锰去除系统，解决现有污水中铁锰离子超标的现象，使出水水质稳定达到国家标准。

Description

矿井井下水铁锰去除系统

技术领域

本实用新型属于污水处理领域，尤其涉及到一种矿井井下水铁锰去除系统。

背景技术

铁锰的危害有以下四个方面：

（1）、生活方面的危害

铁和锰都是人体必需的微量元素，水中含微量的铁和锰，对人体并无害。我国生活饮用水卫生标准规定：铁为≤0. 3mg/L；锰为≤0.1mg/L。

过量的铁>1 mg/L使水带有铁腥味。人体摄人过多的铁，容易引起肠胃障碍而下痢。在锰矿地区，人体长期摄入过节的锰，可导致慢性中毒。过量的锰不仅呈毒性，长期过量摄取将造成前脑皮质等神经损伤。

含铁锰的水洗涤白色织物会使衣物发黄及生成锈色斑点；在光洁的卫生用具及卫生设备上会留下不悦的黄斑。

（2）、工业方血的危害

在纺织、造纸、印染、钛白粉、胶卷等工业。若以含铁和锰高的水作为洗涤用水或

生产过程中加进原料中去，会降低产品的白色和光泽，影响颜色和鲜绝性，进一少还会影响生产设备的运行。食品工业和酿造工业如果用含铁锰高的水作料，会严重地影响产品的色、香、味。

在锅炉用水中，铁和锰是生成水垢和罐泥的成分之一；在冷却用水中.铁灰附若在加热管壁上，降低管壁的传热系数，当水中含铁量高时，甚至会堵塞冷却水管；在油田的油层注水中，铁和锰会堵塞地层孔隙，减少注水量，降低注水效果；在电解用水中，铁和锰会在阴极生成霜，并增隔膜的电阻，降低电解效率等。

（3）、在给水管网及水质的危害

在供水管网中，铁和锰会沉积在管壁，增加粗糙度，缩小过水断而积，从而降低输水能力。沉积物被剥落下来或者铁锰在管网(道)末梢(端)及近用户水龙头处沉淀下来，会严重影响供水水质，即所谓“黑水”(主要由锰所引起)或出“黄汤”(主要由铁引起)，严重时会堵塞水管和用水设备。在城市供水管网中仅含有0. 2 mg/L锰，就会引起上述弊病。如果当水中的铁锰引起铁细菌和硫酸盐还原菌的大量繁殖时，腐蚀和堵塞管网的现象更为严重。

（4）、在水处理中的危害

采用离子交换剂进行水的软化、除盐等处理，水中的铁与锰会沉积在离子交换树脂和电渗析等膜上，降低树脂的交换容员和引起堵塞，降低水处理设备的效能。

综上所述，铁和锰的去除是十分有必要的。为了避兔水中的铁和锰对生活及生产带来的危害，不同的用水对象对铁和锰规定了限值，超过规定值的，应进行除铁除锰处理。

铁和锰在元素周期表中相邻，故其性质也很相似。经常发现两者共存现象，但铁的量远大于锰，往往出现含铁地下水中含有一定量的锰，故除铁与除锰同时进行设计处理。

地下水中的铁和锰均呈二价，二价的铁和锰在水中的溶解度比较高，而三价铁和四价锰在水中的溶解度则较低，并且以沉淀形式存在。传统工艺中，是利用二价铁锰空气氧化和其他氧化剂氧化的原理，将二价铁锰氧化为三价铁和四价锰，形成沉淀排出水体。其基本化学反应方程式如下：

铁氧化：

①、氧气：4Fe²⁺ +O₂ +2H₂O=4Fe³⁺+4OH^-

②、氯：2Fe²⁺+Cl₂+4H⁺===2Fe³⁺+2Cl^-

③、锰砂：MnO·Mn₂O₇+4Fe²⁺+2H₂O=3MnO₂+4Fe³⁺+4OH^-

锰氧化：

①、氧气：Mn²⁺+O₂+H₂O=MnO₂·H₂O

②、氯：Cl₂+Mn²⁺+2H₂O =2MnO₂+2Cl^-+4H⁺

③、锰砂：Mn²⁺+MnO₂·H₂O+H₂O=MnO·MnO₂·H₂O+H⁺

MnO·MnO₂·H₂O+1/2O₂+H₂O=2MnO₂·H₂O

除铁除锰工艺

地下水除铁除锰方法较多，有氧化过滤法、药剂氧化法、碱化法、离子交换法、微生物法、充气回灌法等。这些方法各有优缺点及适用场合。往往一种处理方法可以同时达到除铁除锰的目的。有时只要在其他水处理的整个工艺中加强或增加某道工序也可以达到除铁和除锰的目的。因此，在选择除铁、除锰工艺时，须结合其他杂质的处理方法统一考虑。目前实际应用中，采用空气自然氧化法、空气接触氧化法、氯氧化法、接触氧化法为多。

（1）空气自然氧化法

空气自然氧化法是除铁工艺中最早采用的方法，氧化池有时还起沉淀或者在氧化池与滤池之间另加沉淀池以减轻滤池的负荷。其工艺流程如图1所示。

含Fe2+地下水，在曝气过程中溶入O₂并逸出CO₂，后者可提高水的pH值，加快氧化反应速度。溶解氧使Fe²⁺转变成Fe(OH)₃凝聚物，然后进人滤池过滤除去Fe(OH)₃。这里的滤池和常规水处理中的过滤池功能完全相同。仅起到拦截Fe(OH)₃矾花的作用，因此又称澄清过滤池。铁的自然氧化速度很慢，故自然氧化法除铁需要设置庞大的氧化池，其逗留时间约1~2h。

二价锰在自然氧化条件下，只有将pH值提高到9以上甚至10，氧化速度才会明显加快。因此，实际上除锰不可能采用此法。为加速氧化反应速度，简化工艺流程。节省造价，该法正逐步被接触氧化法所取代。但水中含铁过高或含有大量其他悬浮固体杂质时，为了减轻滤池负荷，延长过滤周期，把此法和混凝沉淀法结合起来还是可取的。

（2）空气接触氧化法

空气接触氧化法能够有效地克服自然氧化法氧化反应速度缓慢、易受水中多种影响因素干扰等弊病，从而显著提高氧化反应速度。此法好像常规水处理的接触过滤法，原水经过曝气立即进入滤池，依靠有催化作用的滤料对低价铁、锰进行离子交换吸附和催化氧化，达到除铁、锰的目的。

铁比锰易氧化，在天然水的pH(一般高于5.5~6.0)的条件下，采用接触氧化法，如图2所示，就能很快地将二价铁氧化成化成三价铁和经基氧化铁。因此，接触氧化法除铁工艺中的曝气仅仅是为了充氧。

接触氧化法除锰则要求将pH提高到7甚至7.5。因此，如图3所示，接触氧化法除锰工艺中的曝气不仅为了充氧，也为了排逸水中的CO₂以提高pH值。显然，后者的曝气装置比前者要大和复杂。

如前所述，MnO₂对Fe（

）的吸附能力要大于对Mn（

）的吸附能力，同时Mn（

）的氧速度比Fe（

）的气化速度要慢得多，故水中铁的存在要严重干扰锰的去除。地下水往往是铁锰共存，因此接触氧化法除锰工艺中接触滤池所去除的首先是铁，然后才是锰。对于铁锰共存的地下水，为了保证稳定地除锰效果，必须采取以下措施：

当水中含有相当数量Fe（

）时，在除锰之前，必须有足够的吸附能力把Fe（

）去除。接触氧化法除锰工艺中，使用单个滤池除铁除锰时，务必使上层滤料能将铁除尽，以保证下层滤料的吸附催化基本不被铁质占据，而保证良好的除锰能力。即形成所谓的上层除铁带，下层除锰带。同时，采用单个滤池除锰时，必须控制地下水中的Fe²⁺的浓度及滤速。因为原水含铁量越高，除铁带越向滤层深部延伸，结果将除锰带压至最下层，造成滤后水出现锰泄露。原水中含铁最越高，锰的泄漏量越大，这时就不适合采用单个滤池。接触氧化法一级滤池一般适用于含铁量不超过2mg/L。其次，滤速过大会使二价铁离子穿透滤层过深，使过多的滤料被羚基氧化铁α—FeOOH包裹起来，丧失除锰能力。故一般应控制滤速在8~10m/h以内，最好采用等速过滤。

尽可能采用高品位、高质量的天然锰砂作滤料。锰砂所含的MnO₂愈多，则具有较高的吸附容量，能够有较长时间吸附水中二价铁、锰离子，为催化剂的再生提供充足的时间，以便在锰砂的吸附容量尚末消耗完以前，催化剂已得到再生。使除铁除锰过程能够继续不断地进行下去，以保证铁、锰不至在运行时穿透滤层，从而提高出水水质。

③、当采用单个滤池进行一级过滤达不到除锰效果和要求时，可以采用分级过滤，以同时确保铁和锰的去处。这时第一级滤池主要功能为除铁，而第二级滤池用以除锰。由于接触氧化法除锰要求pH值在7. 0~7.5以上，故要求排除CO₂的曝气装置不仅曝气时间较长，且其曝气装置下的集水池往往起到氧化反应池的作用，因此在进入第一级滤池之水中的二价铁可能完成自然氧化反应。这时，除铁已不是靠接触氧化，第一级滤池将是普通滤池，其滤料不一定要用锰砂。

当二价铁的自然氧化受到其他因素干扰，到第一级滤池除铁效果不佳时，可采用分级曝气，如图4所示。第一次简单曝气和接触氧化法除铁工艺中的曝气一样，只是为了充氧，而不需要提高pH值，使第一级滤池达到接触氧化除铁目的。第二次充分曝气是为了排除CO₂提高水的pH值，以保证第二级过滤实现接触氧化除锰的目的，这部分曝气装置的要求基本上与接触氧化法除锰的曝气相同。

（3）氯氧化法

氯是比氧更强的氧化剂，它能把水中亚铁亚锰氧化成高价铁和高价锰，使其从水中析出，再用沉淀或过滤而去除。此法的除铁除锰效果比空气氧化法要好。氯的氧化还原反应的标准电极电位为1.3595V比氧的标准电极电位1.229V高。

氯氧化法除锰最好与锰砂接触催化作用相结合，以进一步提高对Mn(

)的氧化反应速度。其反应分为两步进行，第一步是锰砂表面的催化剂MnO₂吸附水中的Mn（

）。第二步是氧化被吸附的Mn(

)，并使催化剂得到再生。

在锰砂接触催化下，以氯为氧化剂的除铁除锰过程称为氯接触氧化法。此法使用的滤料可以用石英砂经运行形成的熟砂或天然锰砂。氯接触氧化法的工艺流程如图6所示。图中的曝气装置并非必要，但曝气充氧能氧化部分铁(

)，可以节省投氯量，同时曝气排除水中的CO₂可提高水的pH位，有助于提高除铁除锰效果。

用氯氧化法除铁除锰，对pH值的要求虽然比自然氧化法降低了，但仍有一定的要求。在pH=5的条件下，10mg/L的Fe²⁺经15min就能完成氧化，而自然氧化法则必须将pH值提到7及以上在30min才能完成氧化。

除锰过程可以在水的pH值低到7 ~ 7. 5的条件下顺利地进行。但是，氯化法所消耗的碱度比空气氧化化法要多。当水中碱度不大时，pH值将会有较大幅度的下降。在这种情况下，采用曝气提高pH值就可能成为必要。

各个工艺的优点缺点对比如表1所示。

表1

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种矿井井下水铁锰去除系统，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型的另一个目的是提供一种矿井井下水铁锰去除系统，以解决现有污水中铁锰离子超标的现象，使出水水质稳定达到国家标准。

本实用新型的技术方案如下：

矿井井下水铁锰去除系统，其包括：

曝气氧化池，其进口通过井水泵连接至矿井井下水；

一次沉淀池，其与所述曝气氧化池的出水口连接，所述一次沉淀池具有一出水口和一出泥口，所述出泥口连接至污泥脱水站；

一级滤池，其进口连接所述一次沉淀池的出水口，且所述一级滤池连接至所述污泥脱水站；

氯氧化池，其进口连接所述一级滤池的出水口；

锰砂过滤器，其进口通过进水泵连接至所述氯氧化池的出水口，且所述锰砂过滤器的反洗水连接至所述一次沉淀池；

pH调节装置，其具有与所述曝气氧化池连通的第一支路和与所述氯氧化池连通的第二支路。

优选的是，所述的矿井井下水铁锰去除系统中，所述锰砂过滤器中，

锰砂滤粒的最大粒径为1.2-2.0mm，最小粒径为0.5-0.6mm；

滤层厚度为1300mm。

优选的是，所述的矿井井下水铁锰去除系统中，所述锰砂过滤器中，承托层自上而下包括：

第一锰矿石块层，第一锰矿石块的粒径为2-4mm，厚度为100mm；

第二锰矿石块层，第二锰矿石块的粒径为4-8mm，厚度为100mm；

第一卵石层，第一卵石的粒径为8-16mm，厚度为100mm；

第二卵石层，第二卵石的粒径为16-32mm，厚度为100mm。

优选的是，所述的矿井井下水铁锰去除系统中，

所述一次沉淀池的底部具有一倾斜向下的筛板，所述筛板上竖直设置有多个平行且间隔排列的挡泥板，所述挡泥板垂直与出水方向设置；

所述一次沉淀池的出泥口低于所述筛板，且位于所述筛板的倾斜向下的一侧；

所述一次沉淀池的出水口高于出泥口，且所述一次沉淀池的出水口设置有一滤网。

本实用新型具有以下有益效果：

采用曝气氧化+一次沉淀+一级滤池+氯氧化曝气+锰砂过滤器的系统，将空气氧化法与氯氧化接触法相结合，使得处理后的矿井井下水水质达到国家标准；

曝气氧化后矿井井下水中的铁90%被氧化形成氢氧化铁沉淀，并有少量锰被氧化为二氧化锰固体，此时由于水中含有大量溶解氧，通过调节pH在一次沉淀池中快速沉淀下来，水中大部分铁和少量锰被去除；

一次沉淀池中设置有筛板和挡泥板，以及在出水口设置有滤网，能够进一步去除进入一级滤池内的杂质。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为空气自然氧化法除铁工艺流程图；

图2为空气接触氧化法除铁工艺流程图；

图3为空气接触氧化法除锰工艺流程图；

图4为空气接触氧化法中的二级接触氧化过滤工艺流程图；

图5为空气接触氧化法中的分级曝气二级接触氧化过滤工艺流程图；

图6为氯接触氧化法除铁除锰工艺流程图；

图7为本实用新型提供的矿井井下水铁锰去除系统的一个实施例的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图7所示，本实用新型提供一种矿井井下水铁锰去除系统，其包括：

曝气氧化池，其进口通过井水泵连接至矿井井下水；

一次沉淀池，其与所述曝气氧化池的出水口连接，所述一次沉淀池具有一出水口和一出泥口，所述出泥口连接至污泥脱水站；

一级滤池，其进口连接所述一次沉淀池的出水口，且所述一级滤池连接至所述污泥脱水站；

氯氧化池，其进口连接所述一级滤池的出水口；

锰砂过滤器，其进口通过进水泵连接至所述氯氧化池的出水口，且所述锰砂过滤器的反洗水连接至所述一次沉淀池；

pH调节装置，其具有与所述曝气氧化池连通的第一支路和与所述氯氧化池连通的第二支路。

在本实用新型提供的所述的矿井井下水铁锰去除系统的一个实施例中，所述锰砂过滤器中，

锰砂滤粒的最大粒径为1.2-2.0mm，最小粒径为0.5-0.6mm；

滤层厚度为1300mm。

在本实用新型提供的所述的矿井井下水铁锰去除系统的一个实施例中，所述锰砂过滤器中，承托层自上而下包括：

第一锰矿石块层，第一锰矿石块的粒径为2-4mm，厚度为100mm；

第二锰矿石块层，第二锰矿石块的粒径为4-8mm，厚度为100mm；

第一卵石层，第一卵石的粒径为8-16mm，厚度为100mm；

第二卵石层，第二卵石的粒径为16-32mm，厚度为100mm。

在本实用新型提供的所述的矿井井下水铁锰去除系统的一个实施例中，

所述一次沉淀池的底部具有一倾斜向下的筛板，所述筛板上竖直设置有多个平行且间隔排列的挡泥板，所述挡泥板垂直与出水方向设置；

所述一次沉淀池的出泥口低于所述筛板，且位于所述筛板的倾斜向下的一侧；

所述一次沉淀池的出水口高于出泥口，且所述一次沉淀池的出水口设置有一滤网。

本实用新型提供的矿井井下水铁锰去除系统，能够形成一种新的矿井井下水铁锰去除工艺，其包括以下步骤：

将经过曝气氧化的矿井井下水进行一次pH调节处理，使得pH为6-9；

进行沉淀和过滤处理之后氯氧化处理，同时进行曝气和二次pH处理，使得pH为6-9；

之后进行锰砂过滤处理得到去除铁锰的矿井井下水。

井下水经井水泵泵至曝气氧化池，曝气氧化池中的曝气装置产生的大量空气进入水体，与水中的铁锰发生氧化反应（主要为氧化铁）。经过两个小时的曝气氧化，水中铁90%被氧化形成氢氧化铁沉淀，并有少量锰被氧化为二氧化锰固体，此时由于水中含有大量溶解氧，通过调节pH（在曝气氧化池末端安装pH调节装置）在一次沉淀池中快速沉淀下来。此时，水中大部分铁和少量锰被去除。一次沉淀池中的水自流入一级滤池，通过投加PAC、PAM将剩余悬浮物、铁沉淀、锰沉淀滤出水体。一级滤池出水自流进入氯氧化池，通过曝气、pH调节、氯加强氧化后，再通过过滤器进水泵送至锰砂过滤器，通过天然锰砂的催化、吸附、过滤和氧化，铁和锰可以去除，锰砂过滤器的反洗水回流进入一次沉淀池。

由于氧化过程中产生H⁺，故在曝气氧化池和氯氧化池设置pH调节装置，调节pH的同时为形成氢氧化铁提供OH^-。

所述曝气氧化的时间≥2.2h。进行曝气氧化作用的反应池，同时兼有调节水质水量的作用。曝气氧化池中90%的Fe（

）被氧化为氢氧化铁沉淀，还有少量的Mn（

）被氧化为二氧化锰固体。空气引自厂区空压机房。

曝气氧化池出水经调节pH后，利用沉淀的原理沉降废水中水中可沉降悬浮物、氢氧化铁沉淀、二氧化锰固体及部分除硬污泥。

所述过滤处理中，包括投放聚合氯化铝和聚丙烯酰胺。过滤处理是对氢氧化铁悬浮物的主要去除，并配合投加聚合氯化铝PAC、聚丙烯酰胺PAM取得更好的去除效果。沉淀和过滤处理可以去除90%的氢氧化铁沉淀及少量二氧化锰沉淀。

所述氯氧化的时间≥35min。氯氧化池设置二氧化氯发生器和曝气装置（空气引自厂区空压机房），通过曝气在排出CO₂调节pH的同时，再结合氧和二氧化氯的加强氧化作用将水中剩余二价铁和二价锰氧化为高价的铁和锰。并设置pH调节旁路，通过实际运行情况补充调节水碱度。

氯氧化池出水泵入锰砂过滤器，流经锰砂滤层时，在滤层中发生接触氧化反应及滤料表面的生物化学作用和物理截留吸附作用，使水中铁（锰）离子沉淀去除。运行过程中在滤料上生成MnO₂膜（黑色），形成MnO₂膜后催化铁锰的氧化反应速率的加快。

（1）压力式锰砂过滤器优点

①、对水质适应性强，不需要调节或微量调节pH值，曝气装置小。

②、接触吸附分离，滤速大、过滤周期长、滤后水含铁、含锰浓度低.无“穿透”滤层现象，出水水质好。

③、投资省、占地少、工艺简单、操作运行简便可靠。

（2）天然锰砂滤料

①、性能

除铁除锰滤料除应满足有足够的机械强度、有足够的化学稳定性、不含毒质、对除铁除锰水质无不良影响等之外，还应具有对铁、锰有较大的吸附容量和较短的“成熟期”。

所述锰砂过滤处理中，为保证水质和留有余地，滤速为6.2m/h；锰砂滤粒的最大粒径为1.2-2.0mm，最小粒径为0.5-0.6mm；滤层厚度为1300mm。

所述锰砂过滤处理中，还包括反洗处理，其中，

反洗强度为20L/（m².s）；

膨胀率为20%；

反冲洗时间为10min；

反洗时间为3~5d。

采用本实用新型提供的矿井井下水铁锰去除系统处理后的矿井井下水指标达到国家标准，明显优于原有工艺，具体如表2所示。这里的原有工艺是指背景技术中提到的三种方法，--表示这个成分不存在。

表2

项目	原水	出水指标	原工艺	现工艺	单位
						总铁	200	0.3	3	0.05	mg/L
锰	7.0	0.1	2	——	mg/L

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.矿井井下水铁锰去除系统，其特征在于，包括：

曝气氧化池，其进口通过井水泵连接至矿井井下水；

一次沉淀池，其与所述曝气氧化池的出水口连接，所述一次沉淀池具有一出水口和一出泥口，所述出泥口连接至污泥脱水站；

一级滤池，其进口连接所述一次沉淀池的出水口，且所述一级滤池连接至所述污泥脱水站；

氯氧化池，其进口连接所述一级滤池的出水口；

锰砂过滤器，其进口通过进水泵连接至所述氯氧化池的出水口，且所述锰砂过滤器的反洗水连接至所述一次沉淀池；

pH调节装置，其具有与所述曝气氧化池连通的第一支路和与所述氯氧化池连通的第二支路。

2.如权利要求1所述的矿井井下水铁锰去除系统，其特征在于，所述锰砂过滤器中，

锰砂滤粒的最大粒径为1.2-2.0mm，最小粒径为0.5-0.6mm；

滤层厚度为1300mm。

3.如权利要求2所述的矿井井下水铁锰去除系统，其特征在于，所述锰砂过滤器中设置有承托层，所述承托层自上而下包括：

第一锰矿石块层，第一锰矿石块的粒径为2-4mm，厚度为100mm；

第二锰矿石块层，第二锰矿石块的粒径为4-8mm，厚度为100mm；

第一卵石层，第一卵石的粒径为8-16mm，厚度为100mm；

第二卵石层，第二卵石的粒径为16-32mm，厚度为100mm。

4.如权利要求1所述的矿井井下水铁锰去除系统，其特征在于，

所述一次沉淀池的底部具有一倾斜向下的筛板，所述筛板上竖直设置有多个平行且间隔排列的挡泥板，所述挡泥板垂直与出水方向设置；

所述一次沉淀池的出泥口低于所述筛板，且位于所述筛板的倾斜向下的一侧；

所述一次沉淀池的出水口高于出泥口，且所述一次沉淀池的出水口设置有一滤网。

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