一种高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法

摘要

本发明公开了一种高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法，适用于pH＞8.5的源水处理，所述方法的工艺步骤包括：源水→一级泵站→配水井→预氧化池→混凝剂混凝→高密度沉淀池→过滤池→消毒→清水池→二级泵站→用户，其中，在一级泵站处投加ClO

说明书

技术领域

本发明涉及的是饮用水净化处理工艺的技术领域，尤其涉及的是一种高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法。

背景技术

目前，湖泊水库源水锰浓度超标现象普遍，尤其是夏季温度高的季节。通常由于水温高造成藻类生长等因素，源水pH值一般也较高。合肥某水库源水夏季锰浓度常常在0.2-0.5mg/L，极端值达到0.77mg/L；pH常常达到8.5-9.0左右，最高达到9.22。目前，针对高pH、高锰铁、受有机物污染的源水还没有成熟的净水处理工艺。饮用水除锰除铁方法较多，自然曝气氧化法是最传统的一种，但是限于O₂的氧化能力，对锰去除效果有限；催化氧化接触法受滤料的限制，冲洗强度较难把握，滤池也容易出现锰浓度反而增加的情况(滤料出现锰释放)；生物接触法处理能力弱，对于高含锰水效果不明显，目前技术也不够成熟。投加化学氧化剂应用普遍，液氯氧化锰的速度慢、效率低，且作为预氧化剂，副产物问题突出；臭氧的氧化能力很强，但是操作不当可能将Mn²⁺氧化为MnO₄^-，导致出水色度明显，且运行费用大；KMnO₄较为经济有效，一般适宜于中性或弱酸性水，其在高pH条件下对Mn²⁺的氧化效果不佳。碱性条件下ClO₂具有最佳氧化除锰能力，反应速度快，投加量少，反应副产物少。但ClO₂对源水有机物的预氧化效果较差，投加量过多容易产生色度，且可能有亚氯酸盐和氯酸盐等问题。饮用水中微量有机污染物去除方法较多，有生物氧化、强化混凝、膜滤法、氧化法等，对浓度不大的有机物，化学氧化法简单有效，通常KMnO₄效果非常好。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法，以提供一种针对高pH源水的高效除锰除铁的方法，且能够抑制消毒副产物的产生。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法，适用于pH＞8.5的源水处理，所述方法的工艺步骤包括：源水→一级泵站→配水井→预氧化池→第一反应池(混凝)→高密度沉淀池→过滤池→消毒→清水池→二级泵站→用户，其中，在一级泵站处投加ClO₂进行预氧化，在预氧化池中投加KMnO₄进行预氧化，具体包括以下步骤：

(1)将待处理源水通过一级泵站输入配水井中，其中，在一级泵站处投加ClO₂；ClO₂与Mn²⁺和Fe²⁺反应如下：2ClO₂+5Mn²⁺+6H₂O＝5MnO₂+2HCl+10H⁺；ClO₂+5Fe²⁺+13H₂O＝5Fe(OH)₃+HCl+10H⁺，在碱性条件下ClO₂将Mn²⁺氧化为MnO₂胶体，将Fe²⁺氧化成Fe(OH)₃，从而在后续混凝沉淀中被去除，反应过程有酸释放，可降低水的pH值；

(2)将步骤(1)处理后的源水输入预氧化池中，加入KMnO₄进行预氧化；经过ClO₂氧化后，Mn²⁺、Fe²⁺浓度降低，KMnO₄与Mn²⁺、Fe²⁺反应如下：2KMnO₄+3Mn²⁺+2H₂O＝5MnO₂+2K⁺+4H⁺；KMnO₄+3Fe²⁺+2H₂O＝MnO₂+3Fe³⁺+K⁺+4OH^-；从反应式中可看出，KMnO₄进一步将Mn²⁺为MnO₂胶体，将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，KMnO₄氧化Mn²⁺和Fe²⁺的过程也释放酸，进一步降低水的pH值；

(3)将步骤(2)处理后的源水输入第一反应池中，加入混凝剂进行混凝处理；

(4)将步骤(3)处理后的源水输入高密度沉淀池中进行沉淀；经混凝沉淀处理后，MnO₂胶体和Fe(OH)₃被去除。

(5)将步骤(4)处理后的源水输入过滤池中进行过滤处理；

(6)将步骤(5)处理后的源水消毒后输入清水池，最后通过二级泵站输送给用户。

进一步地，所述步骤(1)中，源水的水质为：pH值8.5-9.2，总Mn²⁺浓度＜1.2mg/L，总Fe²⁺浓度＜3.0mg/L，耗氧量＜6mg/L。如水质参数超过上述范围，仍采用本工艺时，则可能需要调节pH值，以保障在进入预氧化池时源水的pH值＜8。如果耗氧量浓度过大，则应该考虑增加其他处理工序。

进一步地，所述步骤(2)中，KMnO₄的反应停留时间为15min以上；在碱性条件下，ClO₂与锰反应很快，数分钟即可基本完成反应，ClO₂与KMnO₄的投放时间差为2min以上，即可保证ClO₂反应不影响KMnO₄反应，因此，在一级泵站处ClO₂的停留时间按照水厂正常工艺参数进行操作即可；KMnO₄投加在预氧化池进行预氧化时，一般停留时间1-3min即可完成对锰的氧化，尤其当pH值在近中性范围时，氧化速度非常快，但是，考虑到锰铁的完全氧化需要的时间都不低于15min，故预氧化池停留时间须为15min以上，以保证锰铁的完全氧化；其它各个构筑物的停留时间参数无特别要求，按照水厂正常工艺参数即可。

进一步地，所述步骤(1)中，ClO₂为利用亚氯酸加盐法现场配置后，其反应液通过计量泵直接泵入一级泵站；亚氯酸加盐法制备ClO₂的原理为：NaClO₂+HCl＝ClO₂+NaCl+H₂O；此法得到的产物ClO₂很纯净，没有杂质Cl₂，且制备获得的ClO₂溶液中含有一定的HCl，正好可以起到中和作用，投加到水中后，pH值能够明显降低。反应液中，ClO₂原液的质量浓度为4.8％左右，HCl的质量浓度一般为5.6-5.8％。

进一步地，所述步骤(1)中，ClO₂的投加量与水中锰离子的质量比为1∶1，即每1mg的Mn²⁺投加1mg的ClO₂，ClO₂的理论化学计量为1∶0.49(质量)，实际需要量与水质有关，一般1∶2(质量)左右，本发明按照相当于实际需要量的一半，理论需要量的2倍投加；投加ClO₂后，源水pH值一般情况下可以由8.5以上降低到＜8。

进一步地，所述步骤(2)中，KMnO₄的投加量为源水经过ClO₂氧化反应后的耗氧量的0.3倍；KMnO₄的加入量须准确投加，若不能控制准确性，则后续在过滤池前仍需要考虑投加一定量的活性炭，增加了工艺的复杂程度、增加了费用，也降低了供水安全性；投加时，可将KMnO₄制备成质量浓度为3.5％的溶液后，通过计量泵泵入预氧化池的进水管道。

进一步地，所述步骤(3)中，混凝剂为聚合铝铁和PAM(聚丙烯酰胺复合药剂)的混合混凝剂，所述聚合铝铁的投加量为10-25mg/L，PAM的投加量为0.8-1.0mg/L；相比于常规高pH源水处理工艺，PAM投加量为1.0mg/L以下，混凝剂的投加量显著减少。

进一步地，所述步骤(6)中，采用Cl₂进行消毒处理；经过上述预氧化处理后，消毒副产物的前驱物被去除，故可以直接采用氯消毒法直接消毒，且消毒副产物较少。

本发明的原理为：(1)Mn²⁺先在高pH值下被ClO₂快速氧化，接着在近中性或弱碱性条件下被KMnO₄氧化，Fe²⁺在此同时被氧化。Mn²⁺被氧化为MnO₂胶体，Fe²⁺被氧化为Fe(OH)₃，两种氧化剂均可以在高效pH范围发生作用。(2)Mn²⁺、Fe²⁺的氧化产物在混凝沉淀过程被有效去除，KMnO₄的还原产物也是MnO₂胶体，可以随混凝去除。(3)反应过程形成的MnO₂、Fe(OH)₃对水中污染物有明显的吸附效果，强化了净水功能。(4)ClO₂和KMnO₄既氧化Mn²⁺和Fe²⁺，也可以氧化有机物，对微污染有机物有一定的去除效果，除少量亚氯酸盐外，几乎没有其他副产物形成。(5)随着ClO₂氧化、KMnO₄氧化、混凝等过程的依次进行，水的pH值逐渐降低，最后可以达到中性，无需额外添加药剂来降低pH值。(6)经过预氧化处理后，消毒副产物的前驱物被去除，故可以采用氯消毒且消毒副产物较少。(7)该工艺集去除锰铁，脱色，除臭，氧化有机物，除藻等功能于一体，适用于源水pH值大，锰、铁、耗氧量等超标。该工艺药剂投加量较少，出水水质好，安全可靠。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法，该方法采用先ClO₂后KMnO₄分段联合预氧化方法，两种药剂均能够在高效的pH值范围内作用，既保障了高pH条件下锰的高效氧化(铁容易去除)，也可以有效去除有机物，出水水质能够充分保障，还能够通过预氧化控制和削减消毒副产物产生。通过两种氧化剂的联合使用，能够显著的改善水质，不仅可以有效去除锰铁，减少色度、臭味，还可以部分去除有机物和灭藻等，后续消毒过程副产物也大幅度减少。由于KMnO₄药剂投加量少，后续无需活性炭脱色。采用两种氧化剂联合使用可以取长补短，也提高了供水安全。本发明的工艺无需额外投加药剂降低源水的pH值。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

1、材料

本实施例所用方法如无特别说明均为本领域的技术人员所知晓的常规方法，所用的试剂等材料，如无特别说明，均为市售购买产品，且符合净水厂用药剂的质量标准。

2、方法

所述高pH源水的氧化过滤除锰除铁方法，总工艺流程为：

源水→一级泵站→配水井→预氧化池→第一反应池(混凝)→高密度沉淀池→过滤池→清水池→二级泵站→用户，下面对上述工艺做具体描述。

2.1测定源水水质参数

包括pH值，OC值(mg/L)，Mn²⁺含量(mg/L)，Fe²⁺含量(mg/L)，测定方法均采用常规步骤，在此不做详细描述。

2.2ClO₂配置投加系统

原料为8％(质量)的亚氯酸钠和8％(质量)盐酸反应，按照1_∶1的流量进入反应器内反应时间20min，反应完成后反应液中含ClO₂约4.8％，含盐酸约5.6-5.8％。利用计量泵将反应液泵入一级泵站，若水中需加入1mg/L的ClO₂，则每千立方米水需要加入反应液为20kg。

2.3KMnO₄配置投加系统

将KMnO₄制备成质量浓度为3.5％的溶液，利用计量泵加入预氧化池中，其中，若水中需加入1mg/L的KMnO₄，则每千立方米水需要加入KMnO₄溶液28kg。

预氧化池的水力停留时间为15min，总停留时间可以为30min。

2.4混凝剂配置投加系统

聚合铝铁投加量为10-25mg/L，PAM投加量为0.8-1.0mg/L，不超过1mg/L。可以看出，本工艺相比于传统的高pH源水，混凝剂的投加量较少。

经过上述处理后，输入高密度沉淀池中，沉淀池的pH为6.5-7.5，经沉淀、过滤消毒处理后，输入清水池，测定清水池的出水水质。所述消毒方法为，将Cl₂从清水池的进水管道处泵入，进行消毒处理。

结果如下表1所示：

表1：进出水水质检测

单位：除pH值外为mg/L，符号“/”表示未进行监测。

限于监测能力，只针对氯消毒副产物三氯甲烷和三氯乙酸，ClO₂消毒副产物亚氯酸盐进行了评价。本发明工艺的取样数据为表1中所示的出水，实验日期为2016年8月9日，源水样品为合肥某湖；表中，对比工艺数据为完全取消ClO₂预氧化步骤的监测值，其他与本发明的工艺与参数完全相同，结果见表2。

表2.消毒副产物情况统计表

副产物 国家标准限值 原工艺 本发明的工艺 备注 三氯甲烷 0.06mg/L 0.029 0.011 常规指标 三氯乙酸 0.10mg/L 0.013 未检出 非常规指标 亚氯酸盐 0.70mg/L 未检出 0.14 常规指标

注：原工艺传统工艺。

由表1、2中可知，本发明在高效的pH值范围内的源水处理工艺中完全适用，可有效去除源水中的锰铁、有机物，降低pH值，出水水质得到充分保障。三项消毒副产物指标均合格，且三氯甲烷浓度比原工艺更低。

以上为本发明一种详细的实施方式和具体的操作过程，是以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。