國內專家對錳砂濾料除鐵錳理論探討

國內專家對錳砂濾料除鐵錳理論探討；錳砂濾料常見的化合價有十2，＋4，＋6，＋7四種價位，其中十6價和十7價錳在天然水中一般不穩定，實際中可以認為不存在。＋2價錳溶于水是要去除的主要對象，十4價錳則常以固體物質MnO2及水合物的懸浮粒子形式存在于水中，其溶解度甚低，不足為害。錳比鐵去除難得多，Fe2+在 pH＞7.0的情況下就能夠迅速氧化為Fe3+，而水中二價錳則需在PH＞9.5時，才能比較迅速地氧化為MnO2析出。地下水的PH值一般在7.5以下，必須加以適宜條件，反應才能進行。 生物除鐵除錳理論已經有較多的研究，但是在生產實踐中仍有不少問題存在、國外多位學者均發現了生物除鐵作用的存在，但是諸多試驗表明在高鐵情況下生物除鐵作用微乎其微。生物除鐵究竟存在與否，以及在怎樣的水質條件下存在，如原水含鐵量、溶解氧含量、PH值等，均是需要進一步探索的問題。若生物除鐵存在，則其是否比接觸氧化除鐵更有優勢，如過濾周期是否更長，濾層含污能力是否更高等，都是對生產非常有意義的問題，值得繼續研究。生產實踐中，個物除錳尚存在一些無法解釋的現象。一般來說，成熟的一級除鐵除錳濾池中，濾層上部是除鐵帶，下部為除錳帶。但試驗發現，只有在濾層表面鐵細菌計數達到105數量級時，錳砂濾料濾池的除錳能力才成熟，可是錳砂濾料濾層除錳帶卻常常只能到102－103數量級的鐵細菌。如果鐵細菌是除錳的主要原因，那為什么除錳作用往往發生在微生物數量較少的下層，而不是微生物數量較多的上層？［7-8］發現Fe2十是鐵細菌除錳的誘導因素，在沒有Fe2十存在的情況下，鐵細菌無法利用水中的Mn2＋。并且對于成熟的生物除錳濾層而言，如果連續較長時間不通入含鐵水，則濾層會逐漸喪失除錳能力，并發生漏錳現象，只有再通入含鐵水一段時間后濾層的除錳能力才能逐漸恢復。但是地下水進入濾層后，Fe2十往往在濾池上部10cm的濾層中就幾乎被全部氧化為Fe3十，下層的Fe2十含量微乎其微，即使進水的Fe2十的質量濃度大于15 mg／L 亦是如此。為什么大部分Mn2十的去除是在幾乎不含Fe2十的濾層下部完成，這也是生物除錳尚無法解釋的現象。而試驗卻發現，在兩級除鐵除錳過濾中，二級除錳濾柱在一級濾柱出水Fe2十含量沒有或者很小的情況下（＜0.03mg/L＝，除錳非常穩定，而當二級進水Fe2十增加時發現除錳濾柱出現異常，分層取樣為過濾開始lh后取樣，進水亞鐵質量濃度分別為 lmg/L和5 mg／L，PH為6.5，溶解氧大于5 mg／L。試驗發現，錳砂濾料濾層中部的含錳量均超過進水的含錳量，特別在進水含鐵量較高時（5 mg／L）更，到濾層下部才逐漸降低。筆者推測，出現這種情況的原因可能是高濃度的鐵阻礙了細菌對錳的攝取，破壞了除錳濾膜的平衡，使濾膜脫落，濾層中部的含錳量從而升高。脫落的濾膜被下層濾砂吸附，錳含量又逐漸降到正常的水平。這也許就是除錳一般發生在含鐵量微乎其微的二級濾柱或一級過濾中濾柱下部的原因。迄今為止，生物除錳仍然沒有較為成熟的工藝參數，如生物除錳的經濟濾速、極限濾速、過濾周期、最低溶解氧含量、經濟曝氣強度等。這些數據的缺乏，使得生物除錳還沒有大量應用。 接觸氧化除錳工藝流程比較簡單，原水經簡單曝氣之后進入除錳砂濾料，在錳砂濾料表面的錳質活性濾膜的作用下，Mn2十被水中的溶解氧氧化為MnO2，并吸附在濾料表面，使濾膜得到更新，該過程也是自催化反應。關于錳質活性濾膜的組成有幾種不同的觀點，李圭白認為接觸催化物為MnO2，其反應式為：2Mn2+ ＋（X-1）O2 ＋ 4OH- ＝ 2MnOX·zH2O＋2（l—z）H2O范懋功［6］經過紅外光譜測定認為接觸氧化物應該是Mn3O4。還有一種觀點則認為活性濾膜是一種待定復合物，可用MnxFeOz·xH2O表達，其結構為六方晶系。接觸氧化除錳與接觸氧化除鐵的工藝非常類似，都是簡單曝氣后直接過濾，水力停留時間短。但由于鐵錳性質略有不同，因而影響因素也有所不同。前已述及，鐵的氧化還原電位比錳低，二價錳較難被氧化成四價錳，所以其濾速比除鐵濾速低，一般為8～10 m／h。而且二價鐵對四價錳成為還原劑，大大阻礙二價錳的氧化：2Fe2+ ＋ MnO2 ＋ 2H2O ＝ 2Fe3+ ＋ Mn2+ ＋ 4OH- 錳的去除遠較鐵為困難，鐵錳共存時，鐵對錳的去除有干擾。在濾層中，要先完成對鐵的去除，才能開始除錳，李圭白認為要獲得穩定的除錳效果，Fe2+的界限質量濃度約為2 mg／L。 生物除錳是國內外近年來提出的除錳理論，該觀點認為除錳濾池中錳的去除主要是濾層中鐵細菌生物作用的結果，而不是傳統除錳理論所講的，錳砂濾料是錳質活性濾膜的化學催化作用去除的。而生物除錳理論還認為，黑砂表層的錳質活性濾膜并不僅僅是由錳的化合物所組成，而是錳的化合物和鐵細菌的共生體，且活性濾膜是在微生物的誘導作用下形成的。除錳濾池中，微生物氧化原水中的錳獲得能量，不斷繁殖并附著在濾料表面，同時被氧化的MnO2也沉積在濾料表面，與微生物形成一層“黑膜”，就是接觸氧化除錳工藝中的錳質活性濾膜。錳砂濾料濾層成熟后，濾膜不斷吸附水中的Mn2＋，其中鐵細菌利用水中的溶解氧將Mn2＋氧化為MnO2·mH2O并沉積在濾膜的表面，成為濾膜的一部分，使濾膜得到更新。吉林大學鮑志戎［7-8］將成熟的石英砂滅菌以后發現濾層的除錳能力急劇下降，且濾砂表層的黑膜亦逐漸脫落，從而證實生物作用是錳去除的主要原因，而錳質活性濾膜則是微生物作用的結果，在滅菌以后，由于微生物死亡，濾膜不能及時更新，便逐漸老化脫落，最終喪失除錳能力。試驗研究認為，除錳是生物作用的結果，除錳濾池的成熟是濾層中微生物群落繁殖代謝，達到平衡的過程。

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