氧化过滤技术在生活水除锰工艺中的应用

□孔祥贡 李俊飞 吴若蕾 郑 彬

锰是高等生物体所必须的微量元素。但如摄入过量的锰，则会引起神经性疾病，严重时还会导致中毒性精神病和帕金森综合征[1]。为控制居民从生活水中摄入锰的量，《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中明确规定生活水中锰含量≤0.1mg/L。海南省某企业生活水厂自投运以来，一直出现周期性源水和出厂水锰含量超标问题。源水锰含量最高值达4mg/L，出厂水最高值达1.48mg/L,远超饮用水国标规范值。针对此问题，该企业将过滤池滤料由石英砂更换成锰砂，并在澄清池前添加高锰酸钾。改造后出厂水锰含量虽有所降低，但相关参数如pH值、高锰酸钾添加量等未按水质特点进行有效调整，导致出厂水锰含量仍时常超出国标规范。本研究旨在根据现有生活水厂系统设备和工艺，探究出符合本生活水厂水源的最佳除锰条件，根据试验结果来指导除锰工艺的运行。

一、生活水厂现状

(一)锰含量超标的原因。

1.源水锰含量偏高。通过对源水锰含量跟踪分析发现，每年的5～7月份源水锰含量超标严重，最高达4mg/L。

2.生活水厂制水工艺除锰效率低。该生活水厂原工艺流程如图1所示。由于源水中的锰绝大部分以溶解态的二价锰离子存在，此工艺流程面对高锰含量的源水时，无法使出厂水锰含量控制在国标规范值内。

图1

(二)已采取的措施。该生活水厂对系统工艺进行了相关改造。将砂滤池中的石英砂更换为锰砂,并在澄清池前添加高锰酸钾。

(三)存在的问题。系统改造后，出厂水锰含量仍有超标的情况。造成锰去除效果不佳的主要原因是运行的相关条件参数未进行最佳控制。如高锰酸钾的添加量、pH值等。

针对除锰工艺低效问题，使用小型模拟试验装置开展研究，确定最佳除锰条件和关键参数，指导生活水厂合理的运行与控制，使出厂水质完全符合国标规范值。

二、高锰酸钾氧化除锰试验

高锰酸钾作为强氧化剂，可将二价的锰快速氧化成可沉淀的四价锰，反应式如下：

2KMnO4+3Mn2++2H2O=5MnO2+2K++4H+

由反应式可知，1.0mg/L的Mn2+理论需1.92mg/L的高锰酸钾。由于源水的水体环境复杂，实际高锰酸钾最佳添加量需通过源水进行试验确定。

同时，不同的pH值对高锰酸钾的氧化效果和混凝剂的混凝效果影响，也需要研究。

(二)高锰酸钾添加量的影响试验。

1.试验流程。试验采用离线模拟方式：源水—加高锰酸钾—调整pH—加混凝剂—混凝—沉淀。具体流程如下：相同源水中加入不同量的高锰酸钾后，统一调整pH至7.5，添加聚合氯化铝,在500r/min的转速下快搅20s，在300r/min的转速下搅拌30s，在200r/min的转速下搅拌1min,在80r/min的转速下慢搅4min,在40r/min的转速下慢搅2min,最后静置10min，取上层清液测量锰含量。

2.试验结果与结论。锰浓度分别为856μg/L、2,118μg/L、3,017μg/L的源水进行高锰酸钾的添加量影响试验，结果如图2所示。

图2 高锰酸钾添加量对锰去除率的影响

由图2可知，高锰酸钾对源水中锰的去除效果明显，最高除去率可达99.5%。针对不同锰浓度的源水，每1.0mg/L的锰添加2.0mg/L高锰酸钾时锰的去除率均可达92%以上，完全可以满足工艺应用时的技术指标要求。

(三)pH值对高锰酸钾除锰效果的影响试验。pH值影响试验的流程、步骤与仪器及试剂基本相同，唯一不同之处为：按梯度调整源水的pH值，高锰酸钾的加入量固定为源水锰浓度2倍。

1.试验结果与结论。对锰浓度分别为1,957μg/L、2,849μg/L的源水进行不同pH值的影响试验，结果如图3所示。

图3 pH值对高锰酸钾除锰效果的影响

由图3可知，pH值在5.0～8.5范围内，高锰酸钾对锰具有良好的去除率。pH值7.5时，去除率最高。pH值对除锰效果虽有影响，但远没有高锰酸钾投加量的作用明显。

三、锰砂除锰试验

(一)概述。接触氧化除锰技术为李圭白院士课题组提出[3]。该技术的除锰机理为：滤料表面形成的锰质滤膜起催化作用，使Mn2+容易被溶解氧氧化成高价锰氧化物[4]。

研究表明，高pH有助于锰砂对锰的去除[5]。该生活水厂的源水pH长期在6.8以下，最低达4.3，pH值如不控制至最佳范围，锰砂的实际除锰效果会降低，甚至会出现释放锰的现象。

(二)pH值对锰砂除锰效果的影响试验。

1.试验流程。采用过滤柱进行模拟试验，具体流程如下：采用35*350mm的过滤柱，装填锰砂10cm,不同pH值的含锰溶液，以1滴/s的流速经过过滤柱，取中间流出液测量锰含量。

2.试验结果与结论。不同pH值状态下，对锰含量均为255μg/L的样品进行过滤试验，结果如图4所示。

图4 pH值对锰砂除锰效果的影响

由图4可知，提高源水pH有助于提高锰砂除锰效率。根据国标《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》中，要求生活水pH值在6.5～8.5，在锰砂滤池前将pH值调节至7.5～8.0较为合适。

四、结论与建议

(一)结论。高锰酸钾的添加量是除锰的重要影响因素。根据源水中的锰含量，按每1.0mg/L的锰添加2.0mg/L高锰酸钾，可以保证源水中的锰到达92%以上的去除率。pH值对高锰酸钾氧化沉淀除锰工艺影响不大，pH值在7.5左右时，高锰酸钾除锰效果最佳。pH值是锰砂接触催化氧化过滤除锰的重要影响因素，pH值越高，锰砂除锰效果越好。

(二)建议。一是该生活水厂按源水中锰的含量进行添加高锰酸钾。按源水中每1.0mg/L的锰添加2.0mg/L高锰酸钾调节加药量。二是将源水pH值调节至7.0～7.5，在沉淀池出口及锰砂滤床入口段将源水pH提高至7.5～8.0。只有将上述工艺参数控制在最佳范围，才能使该生活水厂总体除锰效率≥99%，确保出厂水锰含量满足国标规范。