污水深度处理除铁除锰研究进展

污水深度处理除铁除锰研究进展随着工业的不断发展，社会对铁锰等金属元素的需求量不断增大，铁锰为人类社会带来GDP增长的同时也造成了严重的污染问题，反过来制约人类社会的发展脚步，给人类正常的生活带来较大的影响，鉴于铁锰的污染问题越来越严重，社会上研究铁锰去除的专业人士越来越多，在对微污染水源原水、城市污水、工业废水、雨水中铁锰的去除方法上取得了较大的突破，下面将从这四个方面逐一进行介绍。1.微污染水源原水除铁锰研究近年来，我国湖泊、水库水污染程度日趋加剧，即使作为城镇水源的水体，也都受到不同程度的污染。国内外关于微污染水源水处理己开展了很多研究，但是由于水源水质的差别，对于特定的水源水质还需要开展针对性的试验研究【1】。水源水中铁锰的污染不容忽视，Fe含量过高能促进管网中铁细菌的繁殖生长,在管网内壁形成豁性膜，造成洗涤衣物、器皿着色和形成令人反感的沉淀或异味，Fe毒性的动物实验表现为神经抑制、快而浅的呼吸、昏迷、痉挛、呼吸衰竭和心跳停止，还有致癌性；水体中Mn含量过高会使饮用水发出令人不快的味道,并使器皿和洗涤衣物着色，二价锰氧化会产生沉淀和结垢,结垢脱落后随水流流出，形成黑色沉淀。慢性Mn的暴露会引起生殖功能的改变，虽然有一些动物试验研究表明,适量的Mn具有一定的抗癌作用，但过量摄入施会增加肿瘤的发生率【2】。鉴于以上微污染水源水中铁锰的污染特点，本文从物理、化学、生物3个方面对微污染水源原水的处理方法进行了研究。1.1物理法在物理法中本文主要选取了一种新型的水质水源改善技术——曝气充氧，通过该项技术能够实现水体混合，破坏水体原有的分层结构，控制藻类疯长，增加水体中的溶解氧并在底泥表面形成一层覆盖层，抑制铁锰等向水体中释放。河水在冬夏两季由于温度差会产生分层的特点，水体分层后，上下层水体缺乏交换，底部发生厌氧状态,会造成底泥氮、磷、铁、锰释放，有机物厌氧分解，使水产生臭味和色度。其中，含氮有机物在氨化细菌作用下分解为氨氮，由于厌氧，不能进一步转化为硝酸根和氮气；底泥中与铁结合的不溶态的磷，也随着铁的还原溶解而释放出磷酸根；铁和锰由不溶态(MnF43,e)还原为可溶态(MnF22,e)，进而释放到水中，对水源水造成污染，对于此，我认为可以通过曝气充氧的途径增加水体中的溶解氧，破坏水体的分层结构，加强水体上下层之间的交换作用，减少MnF22,e向水体释放的量，进而达到控制污染的目的。西安建筑科技大学黄廷林教授主持研制得扬水曝气技术就是曝气充氧的很好的例子，他研制的扬水曝气器通过直接充氧和混合充氧增加下层水体溶解氧改善水体厌氧状态和水生生物生存环境，抑制底泥中污染物的释放,改善水质。扬水曝气器还通过循环混合作用，混合上下水层，破坏水体分层，将表层藻类向下层迁移，使藻类到达下部无光区后，生长受到抑制甚至死亡，从而达到控制水体富营养化的目的。1.2化学法在对微污染水源水铁锰去除的化学法中，本文选取了传统的氧化法进行介绍。但化学法在微污染水源水的处理中一般都只起到辅助预先处理的作用。化学氧化处理技术是指依靠氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构，达到转化或分解污染物的目的，同时化学氧化剂还能有效去除微污染原水中大量存在的藻类。化学氧化在给水处理中的主要作用有：可以有效降低水中的有机物含量，尤其是化学氧化提高微污染原水中有机物的可生化降解性，有利于后续处理；杀灭影响给水处理工艺的藻类；改善混凝效果,降低混凝剂的用量。常用的化学氧化剂有氯气、臭氧、高锰酸钾、双氧水、二氧化氯、光催化氧化。化学氧化处理技术主要是利用氧化作用将可溶态的MnF22,e转化为不溶态的形式，从而降低铁锰对水源水的影响。但是在上述的化学氧化处理技术中，总会产生一些副产物对水源水也会构成污染，如在用Cl2和O3作为氧化剂时，总会产生一些氯的副产物（很多都具有致癌性），因此在推广上遇到很大的问题。1.3生物法在生物法除铁锰中，生物滤池法较为简便且成本较低，通常是废物回收利用来充当滤池的填充材料。如污泥碳化载体生物滤池，生物沸石滤池，生物砂滤池等填充材料都比较简单。原水经过混凝沉淀工艺，沉淀出水经过生物滤池系统。当生物滤池系统稳定运行后，考察了以污泥碳化载体为滤料的整个生物滤池系统工艺对原水中各污染物的处理效果【3】。赵博利用污泥碳化载体生物滤池，使微生物在泥碳化载体形成生物膜，在对微污染水源水中铁锰的去除取得了较为理想的效果。人工挂膜法需要引进菌种，并向水中投入促进微生物生长的营养物质，使微生物富集生长在填料上，并形成生物膜;动态培养自然挂膜法不需要引进菌种与投入营养物质【4】。鉴于这一思想，汪胜等利用自制沸石为填料，采用连续进水动态自然挂膜方式去除水源水中铁锰取得较理想的效果。在试验中他们选择的是可以消耗e2F的铁细菌将铁转化为沉淀，而且这种铁细菌在e2F存在的情况下还可以将n2M转化为2nOM可以消除铁锰的危害。生物砂滤池是一种将传统的过滤技术与微生物技术合二为一的新型过滤工艺，该生物砂滤池由生物膜和石英砂滤料组合而成，它可以起过滤作用，即能满足常规过滤技术对浊度和色度的去除要求，同时又能去除原水中微量有机污染物、氨氮、铁、锰等物质【5】。在生物砂滤池技术中，石英砂既是过滤材料又是微生物膜负载的载体，铁锰是电子受体，微生物将二价铁锰先转化为三价进而形成沉淀，有些微生物也为产生一些多糖类聚合物将MnF22,e固定，减少其危害。生物法虽有操作简便，成本低等诸多优点，但由于微生物的生长受到pH，温度以及其他环境因素的影响，所以在用生物法对微污染水源水进行处理时，最重要的就是为微生物的生长提供一个稳定适宜的生长环境，这样才能保证对MnFe22,较高的去除效率。2.工业污水除铁锰研究工业污水是只工业生产过程中各工厂产生的废水，其中MnFe22,含量较大的工业废水有钢铁厂废水，电镀废水，矿井废水，如果含MnFe22,废水不经过处理直接向环境中排放，必然会对环境造成严重的破坏，影响人们的正常生活。中国钢铁产量已占全球钢铁总产量的1/4，钢铁行业在中国经济中占有重要地位，但钢铁工业也是高水耗产业，是资源消耗和污染物排放的大户【6】。为了节约水资源，与工业可持续发展的要求相适应，对钢铁工业废水进行深度处理后再生回用，以降低吨钢耗新水量，减少污水外排【7】。目前,我国钢铁行业对节约用水重要意义的认识有较大提高，对节水设施的投入力度亦有增加在节水方面已取得了显著成绩【8】。但是，开发新的钢铁废水处理技术在我国应用还不成熟，还有较大的进步空间。钢铁工业废水的常规处理方法有物理法、化学法和生物法【9】。本文主要介绍和生物生态相关的几种方法。矿井废水是在矿井开拓、采掘过程中进入井巷或采掘工作面的水源，来源以地下水为主【10】。矿井废水具有行业特点，但如果能将其处理后，可以作为煤工业用水甚至饮用水。在我国，电镀废水中往往含有大量的MnFe22,，目前常采用的处理方法主要为化学法，但处理的效果不是特别理想，而且耗费大量财力，而且添加的化学药剂有可能产生其他的污染。2.1钢铁厂废水中铁、锰的去除研究本文主要选取了生物活性炭，人工湿地法，新型吸附材料等几种方法对钢铁中的MnFe22,进行去除，以达到钢铁厂废水回用的目的。生物活性炭降解技术，就是在活性炭上生长微生物，在降解污染物时，可以分为活性炭吸附和微生物降解两个过程。Mark等人分别对用于吸附和用于生物载体的活性炭进行了研究,结果表明BAC（生物活性炭）运行稳定，生物降解能力很强，有机物的去除主要是靠生物作用【11】。该技术不仅对MnFe22,有很好的去除效果，而且对废水中的有机物也有较高的去除效率。选择活性炭为载体主要是其适宜微生物的生长，而且由于微生物与活性炭的联合作用使得生物活性炭技术对废水中MnFe22,的去除效率进一步提高。但其降解效率受到空床接触时间，温度，溶解氧等因素的影响。人工湿地法主要用于处理钢铁厂周围的河水。人工湿地净化废水的机理复杂，迄今还不完全清楚。一般认为，人工湿地生态系统是通过基质、植物、微生物的共同作用，实现对污染物的降解和去除【12】。其中微生物为净化废水的主要“执行者”，基质和植物对于MnFe22,和有机物的去除也起到了一定的作用。基质对MnFe22,有一定的截留能力，在以锰砂等作为填料时对河水中铁锰有较高的去除效率，有时甚至高达90%以上。成熟的锰砂生物滤池内存在着复杂的微生物群落，除铁、锰氧化细菌，还有亚硝化菌、硝化菌等化能自养菌，因而成熟的除铁除锰生物滤层对NH4-N也有较好的去除效果【13】。并且有些人工湿地中的植物也对铁锰有一定的吸附截留，对钢铁厂废水中MnFe22,也做出了相应的贡献。新型吸附材料对MnFe22,也有较高的去除效率。吸附法是利用多孔固体材料吸附水中的MnFe22,,使含MnFe22,水得到固液分离【14】。如活性炭，沸石，火山岩等吸附材料逐步被用到钢铁厂废水除MnFe22,，并取得了较为瞩目的效果。这些材料大多都有较多的孔隙，以微孔为主，而且具有较大的比表面积。2.2矿山矿井废水中铁、锰的去除矿山矿井废水以酸性废水居多，而且高铁锰含量，高矿化度。酸性矿山废水pH值低，水量大，金属离子含量高,如果直接排放，将对水体产生严重污染，破坏生态环境，危害人类健康【15】。对于矿山矿井废水中铁锰的处理主要有物理法，化学法，物理化学法，生物法和矿化法等。物理法主要依靠离心，重力和机械拦截的原理去除铁锰；化学法主要是添加化学药剂依靠氧化还原以及反应，絮凝沉淀和电解反应等除铁锰；生物处理法又称生物化学处理法，是利用自然界大量存在的各种微生物来分解废水中的有机物和某些无机毒物，使其转化为无毒物质，如可溶态的MnFe22,转化为沉淀或不溶态的铁锰，从而使废水得到净化。生物法主要有微生物法和湿地法等，成本较低，应用较方便的是湿地法；矿物法主要是依靠矿物对MnFe22,的吸附效果达到去除的目的，矿化吸附材料主要有天然粘土矿物、沸石族矿物、金属矿物、碳酸盐类矿物、磷酸盐类矿物等。2.3电镀废水中铁锰的去除电镀废水对环境污染较为严重，电镀废水主要包括电镀漂洗废水、钝化废水、镀件酸洗废水以及刷洗地坪、极板的废水。由于电镀种类的不同，电镀废水中所含的污染物也就不同【16】。电解废水中也含有一定量的MnFe22,，若要达到排放标准，则必须对电解废水中的MnFe22,加以去除。传统的消除电解液中MnFe22,的方法主要有化学方法有沉淀，中和，氧化还原，物理方法有蒸发浓缩，还有电解法等，但要么去除效果不理想，要么有产生二次污染的危险。由于上述各种方法的局限性，人工湿地法去除电解液中MnFe22,的方法应运而生，而且取得了较好的效果。人工湿地具有独特而复杂的净化机理，它能够利用基质一微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现对废水MnFe22,的去除。和处理钢铁厂废水一样，处理电解液废水时应用的湿地法也是通过微生物降解作用和基质以及植物的截留作用协同作用达到去除的目的。3.雨水中铁锰的去除广义的雨水即指降水，它包括大气中以各种形式降落到一定区域地面上的液态水和固态水。对某一特定区域而言，大气降水是地表水资源、土壤水资源和地下水资源的总补给来源【17】。雨水中也会含有一定量的铁锰。污染物的来源主要是屋面材料、季节性变化、雨水本身污染及大气降尘等【18】。水资源是人类生产生活的最关键资源，而我国却是一个严重缺水的国家【19】。雨水资源化解决水资源短缺显得尤为重要，MnFe22,的存在不仅会影响水的色度，透明度等，而且它们具有很高的致癌性，若要将雨水资源化，那MnFe22,的去除就显得尤为重要。美国于1965年颁布了水质法案（WaterQualityAct），城市径流污染的调查研究就成为热门课题。德国、法国、韩国、日本等发达国家，先后对城