一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装置及其处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于矿井污水处理装置和工艺领域，具体涉及一种氧化催化柱去除矿井水 中高浓度铁锰装置及其处理方法。
【背景技术】
[0002] 我国许多地区的矿井水源，尤其是东北地区、华南地区、中南地区和西南地区的主 要城市和地区的矿井水源中存在铁、锰超标现象，对矿区居民的身心健康、日常生活、矿区 供水管网和工业生产等均造成不利影响。早在建国初期我国就确立了"地下水除铁除猛"， 其理论及应用先后经历了自然氧化法、接触氧化法、生物法三个发展阶段。但至今为止，如 何实现铁、锰的快速高效去除仍是常规水处理工艺流程所面临与需要解决的常见问题之 一。为此，本专利针对铁、锰的去除提出创新技术，这一具有重要社会效益及经济效益。
[0003] 随着我国经济的快速发展，人类活动所导致的地下水污染已从点状污染逐渐扩展 到面状污染。地下水尤其是矿井水源污染超标项目中铁、锰是造成水质污染的最常见因素。 铁和锰超标有自然产生和人为造成两种途径。自然产生的主要为原生环境引起的污染，与 地质构造有很大的关系，其污染普遍。而人为造成的主要是含铁含锰废水的肆意排放。
[0004] 铁、锰是人体必需的生理微量元素，但人体摄取过多铁、锰也会导致慢性中毒。其 中铁中毒的症状为肝、脾有大量铁沉积，并出现肝硬化、骨质疏松、软骨钙化、皮肤棕黑色、 腺体纤维化、胰岛素分泌减少等，进而导致碳水化合物代谢紊乱和糖尿病。锰的生理毒性比 铁更严重，人体过量摄取锰会使脑中神经递质合成减少，严重的将损坏神经，水中含铁、锰 量高时，会有色、臭、味。而且会污染卫生设备、家用器具，使其出现锈斑或棕褐色。洗涤衣物 时也会留下斑渍。从而影响人们生活。
[0005] 对于矿区供水系统，当原水中铁没有被充分去除就直接供给用户，会产生黄褐色、 红褐色的浑浊自来水。当锰含量高时会出现黑褐色自来水。矿区供水系统在投氯消毒后，水 中残留的锰被氯氧化生成水合二氧化锰的黑色沉淀，沉淀物沉积到净水设施和输、配水管 网的内壁上。随着沉积物渐多，将缩小过水断面，降低输水能力。当水中含有溶解氧时，含铁 含锰水为铁细菌和锰细菌大量繁殖提供了条件，铁锰细菌和硫酸盐还原菌共生，加速了金 属管道的腐蚀。
[0006] 水中过量铁、锰对工业生产也会产生极大危害。作为洗涤用水或生产原料时会降 低产品光泽颜色等质量，如纺织、印染、针织、造纸等行业影响尤为突出。水中的铁、锰能固 着于纤维上，在纺织品上产生锈色斑点。染色时，铁、锰能与染料结合，使色调不鲜艳。
[0007] 铁、锰还对漂白剂的分解有催化作用，使漂白作业发生困难。在造纸工业中，水中 的铁、锰能选择性的吸附于纤维素之间，使纸浆颜色变黄，并使漂白和染色效果降低。在酿 造用水中，铁、锰有异味，并能与某些有机物生成带色的化合物，使产品色和味的质量降低。 在食品工业中，水中过量的铁、锰能影响产品的色泽。在锅炉用水中，铁、锰是生成水垢和罐 泥的成分之一。在冷却用水中，铁能附着于加热管壁上，降低管壁的传热系数，当水中含铁 量高时，甚至能堵塞冷却水管。在油田的油层注水中，铁、锰能堵塞地层孔隙，减少注水量， 降低注水效果。
[0008] 综上所述，水中过量的铁、锰不仅对人们生活、供水系统、工业生产有影响，对人类 健康也是百害而无一利。因此各国的饮用水水质指标中都对铁、锰的含量做了严格的限制。 我国在《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中对作为集中式生活饮用水地表水源地补充 项目的铁、锰指标进行限制：Fe〈0.3mg/L，Μη〈0.1mg/L，在《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006)中也作了相同规定。
[0009] 除铁、锰的现有技术是。
[0010] 自然氧化法 自然氧化法包括曝气、氧化反应、沉淀、过滤等一系列工序。其中曝气可根据需要充氧 或投加氯气。该方法对铁的去处效果较好。含铁地下水经曝气充氧或投加氯气后，水中的 Fe2+被氧化为Fe(0H)3颗粒，因其溶解度小而沉淀析出，经过滤等固液分离净化工序而去除。 空气氧化除铁法无论从运转费用或对铁的氧化性能上看都是很有价值的方法，但Fe2+被氧 化生成的Fe(0H)3颗粒难以絮凝，总会有部分胶体粒子穿透滤层而影响出水水质。此外，水 中溶解性硅酸还会影响Fe(0H)3的絮凝，当硅酸浓度大于40-50mg/L时，硅酸会与铁反应生 成某种高分子物质而影响铁的氧化。
[0011] 自然氧化法除铁、锰反应过程中，氧化和沉淀两过程要求水在反应沉淀池中停留 相当长的时间。该工艺系统复杂，设备庞大，投资多，且除铁、锰效果不甚理想。实践表明，这 种方法是不适合我国供水设施建设基金有限的现实国情。
[0012] 接触氧化法 接触氧化法是李圭白院士等于20世纪60年代实验成功的一套方法。该工艺流程主要是 曝气后直接过滤。水中的铁、猛在滤池中被氧化为尚价铁、猛的氛氧化物，并逐渐附着在滤 料的表面上，形成"活性滤膜"。50年代初日本和我国学者通过多次实验证实，滤料表面形成 的"活性滤膜'，具有接触催化作用，能大大加快氧化速度。接触氧化法已被应用于我国地下 水除铁、锰的很多实际工程，实践表明，该法对于易氧化的铁的去除非常有效。
[0013] 在接触氧化除锰方面发现一些问题。一方面，地下水一般为铁、锰共存，铁的氧化 电位比锰低，铁比锰容易被氧化，水中铁的存在对锰的氧化有干扰作用。为排除铁快速氧化 对锰氧化的干扰，接触氧化法采用一级曝气过滤除铁，二级曝气过滤除锰的分级方法。分级 曝气过滤工艺流程复杂，运行费用高；另一方面，锰难以在滤层中快速氧化为Μη02而附着于 滤料上形成"锰质活性滤膜"，除锰能力形成周期比较长，而且由于经常性反冲洗等外界因 素的干扰，"猛质活性滤膜"较难形成，除锰效果呈现很不稳定的状态。
[0014] 生物氧化法 20世纪90年代，张杰院士等通过在沈阳李官卜、鞍山大赵台、抚顺开发区水厂等地进行 除铁除锰的现场试验研究，发现了生物氧化现象。通过大量微生物学试验，证明了滤池中铁 细菌的高效除锰作用，最终确立了"生物固锰除猛"理论。该理论认为，在生物除锰滤层中， 滤料表面生成了一个复杂的微生物生态系统，在该系统中存在着大量具有铁、锰氧化能力 的细菌，除锰滤层的活性就来自于滤料表面所固着的铁、锰氧化细菌的氧化活性。在pH中性 域范围内，除铁除锰滤层中Mn2+的氧化是以铁、锰氧化细菌为主的生物氧化。
[0015] 生物法除铁除锰的研究已经持续多年，但工程实践相对较少，目前尚未构建起完 善的工程设计理论及参数确定方法，例如因生物除锰动力学模式尚未确立而使除锰滤层厚 度难以通过理论计算，只能通过不精确的经验方法或繁琐的试验方法确定；同时在工程实 践方面尚缺乏一套规范化的运行调试方法，例如铁细菌在初期接入滤层时优势地位的确立 与稳固过程，可能对滤层生物相造成较大扰动与破坏的外界运行参数如滤速、反冲洗强度 及时间等，目前尚无确切的控制标准。
[0016] 药剂氧化法 药剂氧化法除铁、锰是利用氧化剂的强氧化性将水中溶解性的铁、锰氧化，生成高价的 铁、锰化合物固体，再通过各种沉淀、过滤方式将这些铁、锰化合物从水中去除。可选用的氧 化剂有臭氧、氯气、二氧化氯和高锰酸钾等。
[0017] 臭氧是一种很强的氧化剂，不仅能迅速氧化水中的二价铁，并且在比较低的pH值 和无催化剂的条件下，能将二价锰完全氧化。其反应式为： 2Fe2++03+5H2O-2Fe(0H)3+4H++02 Mn2++〇3+2H2〇-Mn(OH)2+2H++〇2 但臭氧发生装置价格昂贵，成本高，臭氧投量难以控制，一般要与活性炭等后处理联 用，使工艺流程复杂。臭氧氧化一般多用于饮用水的深度处理。
[0018] 在现有技术条件下，除铁、锰处理的建设成本和运行成本的增加将成为必然。目前 没有除铁、锰处理一体化装置，现有的传统工艺，处理方法具有工艺流程长，控制复杂，占地 大，处理成本尚等缺点。
【发明内容】
[0019] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种氧化催化柱去除矿井水中高浓度铁锰装 置，包括缓冲池1，进水装置2,反应柱3,曝气装置4,排水管5,排泥管6,支架7,控制系统8;所 述支架7的底部设有缓冲池1，支架7的上方设置反应柱3,所述缓冲池1底部和反应柱3底部 中心通过进水装置2相连，反应柱3上部中心与曝气装置4相连，反应柱3侧壁上部设有排水 管5，反应柱3底部还设有排泥管6，支架7上设有控制系统8，进水装置2中的水栗与控制系统 8导线连接。
[0020] 进一步的，所述反应柱3,包括钟形罩3-1，稳流滤网3-2,反水回升环道3-3,触媒催 化介质3-4，触媒柱3-5，铁锰浓度感应器3-6，触媒饱和传感器3-7，水压差测控器3-8;其中， 所述钟形罩3-1为上端圆台下端圆柱的中空结构，钟形罩3-1位于反应柱3内部中心，钟形罩 3-1上端与反应柱3的上部封盖