污水处理中除铁除锰技术：原理、方法与工程实践

污水处理中除铁除锰技术：原理、方法与工程实践

一、铁锰的氧化方法及其速率

铁和锰在地下水中通常以溶解态的 Fe?? 和 Mn?? 形式存在。去除它们的关键在于将其氧化成不溶性的高价态氢氧化物沉淀（Fe(OH)? 和 MnO?），然后通过过滤去除。

 

速率总结：在常规水处理条件下（pH 6.5-7.5），氧化速率一般为：Fe?? > Mn??。因此，在实际工程中，除锰比除铁更困难。

二、锰砂除锰的原理与过程

“锰砂”通常指天然锰砂（主要成分为MnO?）或经过人工催化的“成熟”石英砂/无烟煤。

其除锰原理是一个 “自催化” 过程，现代观点认为 生物作用为主导：

1.  初始阶段（成熟期）：

    新滤料表面缺乏活性。当含Mn??的水流经时，少量Mn??被吸附或自然氧化，在滤料表面形成一层薄薄的MnO?覆盖层（λ-MnO?）。

    这层MnO?成为后续反应的催化剂和吸附剂。同时，水中天然的锰氧化菌也开始在滤料表面附着、生长。

2.  催化与生物氧化阶段（成熟后）：

    化学催化：滤料表面的MnO?能将水中的溶解氧（O?）活化，从而快速氧化Mn??生成新的MnO?，并沉积在滤料上，使催化层不断更新和增厚。

        反应式：2Mn?? O? 2H?O → 2MnO? 4H?

    生物氧化：滤料表面生物膜中的锰氧化菌，以其生命活动（酶催化）将Mn??氧化为Mn??。这是更高效、更稳定的除锰方式。

     微生物克服了纯化学氧化所需的高pH条件，能在中性pH下高效除锰。

简单来说，锰砂更像一个“载体”和“催化剂”，其核心是建立在其表面的MnO?活性滤膜和微生物生物膜。这个过程一旦建立，除锰就会高效、稳定地进行。

三、铁锰共存污水的处理方法与影响因素

1.处理方法：

铁锰共存时，必须遵循 “先铁后锰”的原则。因为Fe??的氧化还原电位比Mn??低，会优先被氧化，如果同时处理，生成的Fe(OH)?胶体会包裹Mn??，严重干扰锰的氧化和去除。

典型工艺流程：

原水 → 曝气 → 反应/沉淀池（去除大部分铁） → 除铁滤池 → 除锰滤池 → 出水

更常见的做法是采用两级过滤：

原水 → 曝气 → 一级过滤（主要除铁） → 二级过滤（主要除锰） → 出水

2.影响因素：

(1).  pH值：是最关键的因素之一。

    除铁：pH > 6.0 即可有效进行。

    除锰：pH > 7.5 时效果较好，最佳范围为 7.5 - 8.0。pH过低会抑制微生物和化学催化活性。

(2).  溶解氧（DO）：是氧化剂的来源。需保证曝气后DO > 5 mg/L，以确保有足够的氧用于氧化Fe??和Mn??。

(3).  原水水质：

    铁锰浓度比：决定了工艺设计的侧重点。

    有机物：高浓度有机物会与铁锰形成络合物，竞争消耗溶解氧，并阻碍滤膜的催化作用，是除锰的主要干扰物质。

    硬度与碱度：适当的碱度可以在氧化过程中起到缓冲pH的作用，防止pH下降。

    硅酸：会与Fe??反应，形成不易沉淀的胶体，干扰除铁。

（4）.  水温：影响化学反应速率和微生物活性。温度较低时（<15℃），反应速率和生物活性会下降，需要更长的接触时间。

（5）.  水力负荷与过滤周期：过滤速度太快或反冲洗不当会破坏滤料表面的活性生物膜和催化层。

四、某地下水厂除铁除锰过程监测数据：

设计规模：10,000 m?/天

原水水质：Fe?? = 5.0 mg/L, Mn?? = 1.5 mg/L, pH = 6.8

核心工艺：曝气 一级生物接触氧化滤池 二级生物接触氧化滤池

 

五、常见工艺流程

 

以下是几种常见的除铁除锰工艺流程，从传统到现代：

1.  传统两级过滤工艺

    原水 → 曝气装置 → 催化氧化除铁滤池 → 生物除锰滤池 → 消毒 → 出水

    特点：分质去除，效果稳定，是应用最广泛的工艺之一。

2.  曝气 单级生物过滤工艺

    原水 → 曝气装置 → 单级生物接触氧化滤池 → 消毒 → 出水

    特点：在单一滤池中实现铁锰的同步高效去除，要求滤层较厚，并培养出能适应铁锰共存的复合菌群。流程短，基建投资省。

3.  化学氧化 过滤工艺（适用于高浓度或难处理水质）

    原水 → 曝气 → 投加氧化剂（如KMnO?/Cl?）→ 反应池 → 多介质滤池 → 消毒 → 出水

    特点：反应快速，适应性强，但运行成本高，需精确控制投药量。

4.  跌水曝气 压力式滤池工艺（适用于小型供水系统）

    深井泵 → 跌水曝气 → 压力式除铁除锰滤罐 → 供水管网

    特点：结构紧凑，占地小，全封闭，适用于社区、工厂等中小规模供水。