锰砂滤料水处理除铁除锰工艺试验
摘要：通过查阅近些年来地下水除铁除锰的相关文献，以生物法除铁除锰技术理论为基础，结合《除铁除锰生物滤层最优化厚度的探求》和《无烟煤滤料在生物除铁除锰水厂中的应用》两篇文章为参考依据。根据《室外给水设计规范》GB50013-2006（2006）中第9.6.4节规定，“当原水含铁量低于6mg/l、含锰量低于1.5mg/l时，可采用：原水曝气——单级过滤”处理工艺。为保证工程设计可靠性、经济性，并为实际运行提供合理的运行参数。对锡市准备新建的东水厂供水工程，水源为地下水，水质为低铁高锰，采用无烟煤滤料进行水处理试验。经过试验，滤池铁锰去除率高达99%以上，出水水质优于国家标准。
随着生物除铁除锰技术在实际生产中优越性的凸现，在含铁含锰地区越来越多的新建水厂采用了生物除铁除锰技术。铁锰氧化细菌是该技术的核心 ,而作为载体的滤料的性能则至关重要。锰砂滤料吸附容量大，曾是传统除铁除锰滤池的首选滤料 .但其机械强度低，比重大，价格高。石英砂滤料虽吸附强度不及锰砂 ,但机械强度高 ,比重和价格适中，被广泛地应用在生物除铁除锰水厂。无烟煤的孔隙率高，比重小，价格低廉，从物理性质上分析完全可以作为铁锰氧化细菌的载体，其较高的孔隙率，可以提高滤层内的生物量，比重小可以节省反冲洗的耗水量和耗电量。锡市东水厂所采用的源水为深井地下水，其中铁含量为 0.123mg/L,锰含量为 0.998mg/L。源水中锰含量超出生活饮用水标准，其他各项指标均满足饮用水要求，所以需要对该地下水进行除锰处理。
一、试验装置及方法；试验装置采用有机玻璃滤柱模拟实际生产中的滤池。滤柱直径为DN=150mm, 滤柱长度由下至上分别由 500mm、1000mm、1000mm、1000mm四节滤柱法兰连接组成。以粒径分别为32~16、16~8|、8~4、4~2mm 的卵石组成厚度为400mm的垫层，以粒径为d=0.6~2mm 的锰砂滤料，厚度80mm和粒径为d=1.4~3mm 的无烟煤，厚度800mm组成总厚度为880mm的双层滤料。跌水曝气采用一根PVC管加90度弯头，出水口垂直于滤柱液面，高度为825mm。原水由弯头处跌落到滤柱液面，经曝气后水中的溶解氧能达到4~5mg/L，以满足生物滤池运行要求。在滤柱液面处有一根旁通管用来旁路多余的原水，并同时用来做为反冲洗的排水管。因为滤柱进水液面始终恒定不变，故滤后出水口采用水龙头进行流量控制。试验最初滤速控制为 5m/h。
二、试验运行过程；生物法除铁锰滤柱的成熟需要经过一段时间使细菌固定在滤料上．总的说来滤柱的成熟可以分为4个时期：0～15 d为适应期，这一阶段滤层几乎无明显除锰效果；15--30 d为第一活性增长期，此时随着微生物的不断繁殖，滤层的除锰率不断提高；30-50 d为第二活性增长期，此时微生物数量相对稳定，出水锰逐渐达到标准；50 d后到达稳定期，此时滤层完全成熟并且运行稳定。 试验运行之前，对新装滤柱进行了反冲洗，反冲洗强度根据滤料膨胀高度，从10L/(m2·s)最终调到18 L/(m2·s)，膨胀高度为500mm。试验从2012年5月17日开始，滤速控制为 5m/h。在试验开始后的几天里化验锰含量，与原水相比，有20%~40%的去除率。但在原水含锰量比较低的情况下，滤后水锰含量反而比原水锰含量高很多。第一个周期运行了20天，反冲洗无烟煤滤柱，历时5分钟，强度18L/(m2·s)。反冲洗时观察，滤层反冲洗水并不脏，说明源水水质很好。第二个周期中，原水含锰量没有因为停井，停电等原因造成原水中锰含量出现大幅度变化。因为在第一个周期中，观察反冲洗水并不脏，所以决定延长运行周期，该周期运行了33天。在前9天，锰的去除率在30%～38%之间。在之后的9天，微生物进入活性增长期，锰的去除率有了迅速的提高。到了第19天，经化验除锰率已经高达97%，出水含锰量在0.01mg/L,远低于国家标准的0.1mg/L。之后又运行了14天，除锰都在98%左右。在第33天，反冲洗滤柱，反冲洗水有明显的发黑，有些脏。在反冲洗的过程中，冲洗强度在18～20 L/(m2·s)之间，冲洗历时10分钟。 第三个周期中，运行工况与第二个周期一样，但除锰效果从反冲后的第2天就开始恶化，之后的几天除锰效果没有改善。通过比对第二个周期和第三个周期，1、原水水质中含锰量没有发生大的变化。2、运行滤速均为5m/h。3、跌水高度保持825mm不变。在这些条件未发生变化时，只有在反冲洗的时候，提高了反冲洗强度和反冲时间。所以判断，在微生物膜还没有完全在滤料表面稳定形成的时期，过高的反冲洗强度，会破坏微生物膜，使之从滤料表面菌膜脱落。 第四个周期中，吸取了之前的经验教训，降低了无烟煤反冲洗强度, 滤料膨胀高度控制在100mm左右 历时5分钟，强度10L/(m2·s)。培养期滤速的大小直接影响滤层的成熟状况，这主要是由于铁锰细菌对环境的要求所致．铁锰细菌与载体接触后，并不能立刻牢固地附着在其表面，若此时的滤速较大，相应的水流剪切力也较大，会将刚刚附着在滤料表面的细菌冲刷下来．所以在铁锰细菌与载体表面接触后需要一个相对稳定的环境，保证他们能在载体表面有一定的停留时间，以使铁、锰氧化细菌在载体表面牢固附着。为以后的生长、繁殖创造条件．随着滤层中微生物数量的不断增加，滤砂表面附着与固定的微生物量也不断增加，此时便可以逐渐提高滤速，因此，采取低滤速有利于生物滤层的快速成熟．根据以上理论，将运行滤速由5米降到2米。但除锰效果并没有取得良好的效果，反而出现了滤后水含锰量高于原水含锰量的情况。结合第二个运行周期所取得的成效分析，铁锰细菌生长、繁殖与溶氧量、滤速等因素有关，同于微生物的生长还需要一个特定的水质环境，为微生物的成长创造一些必须的营养元素，如碳、氮、磷等。降低了运行滤速，延长了原水在载体表面的停留时间，从而改变了生物膜生长环境。通过试验，低滤速显然影响到了生物膜的生长环境。第四个运行周期运行21天，反冲洗 历时5分钟，强度10L/(m2·s)。
第五个周期中，将滤速直接提升至7m/h，进行尝试性运行，运行后第三天采水样化验，除锰率高达98%。之后几天的化验结果也很理想。运行一个星期后，将滤速调高到8m/h。该周期运行了17天，反冲洗 历时5分钟，强度10L/(m2·s)。
第六个周期从2012年9月4日开始，在肯定了滤料处于稳定期后，对工况进行了调整，运行滤速8m/h的情况下，连续化验了四天滤后水除锰率都在99%，将滤速由8m/h提升到10m/h，化验出水除锰效果依然很理想。又运行一个星期后，将滤速调高到8m/h。第四个周期运行了18天后结束。在第五个周期中，直接将滤速提升到12m/h，除锰始终保持在0.01mg/L，远远优于国家标准。顺利完成了生物法除铁除锰试验，为实际工程提供充足试验数据。
三、试验总结在试验过程中；应该遵循生物膜成熟所经历的几个过程，在试验初期采用低滤速、弱反冲洗的运行规则，才能取得良好的试验效果。经过六个周期的运行，生物膜基本上已经很稳定，之后将运行周期减短为7天进行反冲洗，反冲洗强度有所增加，由10L/(m2·s)提高到了18L/(m2·s)，历时5分钟。经化验滤后水质依然很好巩义市嵩鑫滤材工业有限公司
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