除鐵錳反洗水回收利用方案的確定

李金鳳

(黑龍江華本生物能源有限公司，黑龍江 雙鴨山155921)

我國含鐵、錳地下水占地下水總量的20%，主要集中在松花江流域和長江中下游地區(qū)。東北地區(qū)地下水普遍含有過量的鐵和錳，其中黑龍江更以高鐵、高錳的地下水著稱，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鐵最高含量超過60mg/L，錳的最高含量也達(dá)5mg/L［1］。黑龍江華本生物能源有限公司位于雙鴨山市，以地下水為生產(chǎn)、生活水源，鐵含量最高達(dá)38.85 mg/L，錳的最高含量也達(dá)1.59mg/L，已不能直接用于生產(chǎn)生活，為降低鐵錳含量，采用二級接觸氧化法除鐵除錳工藝，對水源進(jìn)行處理。該公司焦化廠內(nèi)現(xiàn)有一套處理能力為300m3/h的除鐵除錳系統(tǒng)，按照LNG項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃，將新建450m3/h處理能力的除鐵除錳系統(tǒng)一套，以滿足生產(chǎn)、生活用水的需求。二級接觸氧化法除鐵除錳工藝，雖能有效的降低水中鐵、錳的含量，但大量的反沖洗外排，造成水資源浪費(fèi)，同時(shí)，廢水色度較高、懸浮物含量較高。因此，反沖洗水回收利用的研究顯得尤為重要。

1 地下水除鐵除錳工藝說明

1.1 反應(yīng)機(jī)理

地下水除鐵普遍采用的是接觸氧化法。此法是以溶解氧為氧化劑，以固體催化劑為濾料的催化氧化反應(yīng)。水經(jīng)過曝氣充氧后，二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，形成絮凝沉淀。在過濾過程中，經(jīng)過濾料的吸附和截留作用，三價(jià)鐵的懸浮逐漸包裹在濾料顆粒表面并逐步生成具有催化活性的鐵質(zhì)濾膜，鐵質(zhì)活性濾膜又進(jìn)一步起到除鐵的作用。接觸氧化除鐵利用了鐵質(zhì)活性濾膜的催化作用，從而大大加快了二價(jià)鐵的氧化速度，更有效地去除水中的鐵。

對于活性濾膜中起到催化作用的化學(xué)成分，目前仍存在爭議，但普遍認(rèn)為鐵質(zhì)活性濾膜首先吸附水中的亞鐵離子，被吸附的亞鐵離子在活性濾膜的催化作用下迅速氧化為三價(jià)鐵，并且使催化劑再生，反應(yīng)生成物為催化劑，又參與新的催化反應(yīng)，加速其反應(yīng)速度。

除錳的原理與除鐵機(jī)理基本相同，但由于錳離子的氧化速度較鐵離子慢，因此其濾速較除鐵工藝要低很多。

1.2 除鐵錳工藝流程

地下水中鐵、錳同時(shí)存在，而鐵的氧化還原電位比錳要低，這樣二價(jià)鐵對高價(jià)錳便成了還原劑，因此，大大阻礙了二價(jià)錳的氧化，只有水中不存在二價(jià)鐵的情況下，二價(jià)錳才能被氧化，所以在水中鐵、錳共存時(shí)，應(yīng)先除鐵，后除錳，故采用二級曝氣、過濾處理處理工藝，一級用作接觸氧化除鐵，二級用作接觸氧化除錳。

LNG項(xiàng)目除鐵錳系統(tǒng)，過濾設(shè)備采用鋼制壓力過濾器，一級設(shè)置9臺，二級設(shè)置9臺，直徑3.0m。過濾器反洗使用濾后清水，壓縮空氣輔助反洗。濾料采用錳砂。其流程簡圖如下圖所示:

2 反沖洗水量、水質(zhì)說明

2.1 反沖洗方法的選擇

在除鐵除錳的過程中，吸附在濾料表面和截留在濾層上的懸浮固體逐漸多，過濾到一定時(shí)間后，表層濾料間空隙將逐漸被堵塞，甚至產(chǎn)生篩濾作用而形成泥膜，使過濾阻力劇增。其結(jié)果，在一定過濾水頭下濾速減小(或在一定濾速下水頭損失達(dá)到極限)，或因?yàn)V層表面受力不均勻而使泥膜產(chǎn)生裂縫時(shí)，大量水流將自裂縫流出，以致懸浮物穿過濾層而使出水水質(zhì)含鐵量增加。當(dāng)上述兩種情況之一出現(xiàn)時(shí)，過濾將被迫停止，對過濾系統(tǒng)進(jìn)行反沖洗，清除泥膜和截留的懸浮物，恢復(fù)濾池的過濾能力。濾池反沖洗的方法主要有高速水流反沖洗、氣－水反沖洗、表面助沖加高速水流反沖洗。［2］

一級除鐵濾池、二級除錳濾池共用一套反沖洗水泵。在相同水量情況下，一級濾池和二級濾池過濾面積不同，導(dǎo)致反洗水流速不同。過濾面積較小的一級壓力濾池選用高速水流反沖洗，過濾面積較大的二級濾池選用氣－水反沖洗。

高速水流反沖洗(簡稱高速反沖洗)是利用流速較大的反向水流沖洗濾料層，使整個(gè)濾層達(dá)到流態(tài)化狀態(tài)，且具有一定的膨脹度。截留于濾層中的污物，在水流剪切力和濾料顆粒碰撞摩擦雙重作用下，從濾料表面脫落下來，然后被沖洗水帶出濾池。高速反沖洗方法操作方便，結(jié)構(gòu)和設(shè)備簡單，是當(dāng)前我國廣泛采用的一種沖洗方法。

氣－水反沖洗是利用上升空氣氣泡的振動(dòng)，有效地將附著于濾料表面污物擦洗下來使之懸浮于水中，然后再用水反沖，把污物排出池外。因?yàn)闅馀菽苡行У氖篂V料表面污物破碎、脫落，故水沖強(qiáng)度可降低，即可采用所謂的低速反洗。采用氣－水反沖洗方法既提高沖洗效果，又節(jié)省沖洗水量。其操作方法主要有①先用空氣反沖，再用水反沖;②先用氣－水反沖，再用水反沖;③先用空氣反沖，再用氣－水同時(shí)反沖，最后用水反沖。我公司選用第三種操作方法。

2.2 反沖洗水量的計(jì)算

實(shí)際生產(chǎn)中，除鐵錳過濾器的反洗周期和反洗時(shí)長應(yīng)根據(jù)水源的鐵錳含量和系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。本方案按照地下水含鐵錳量最高，系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)條件下計(jì)算反沖洗水量。

(1)根據(jù)焦化廠化產(chǎn)車間提供，現(xiàn)有300m3/h處理系統(tǒng)排水量為300t/d。

(2)LNG項(xiàng)目新建除鐵錳系統(tǒng)排水量計(jì)算如下:

一級除鐵過濾器的工作周期設(shè)定為8h。反洗采用氣、水反沖洗，水反沖洗強(qiáng)度設(shè)定為15 L/(s·m2)，時(shí)間設(shè)定為7min，正洗時(shí)間設(shè)定為3min。

二級除錳過濾器的工作周期適當(dāng)延長，將工作周期設(shè)定為12h。反洗采用氣、水反沖洗，水反沖洗強(qiáng)度設(shè)定為15L/(s·m2)，時(shí)間設(shè)定為7min，正洗時(shí)間設(shè)定為3min。

單臺過濾器反沖洗排水量:

一級濾池的工作周期為8 h，故每天的排水量為:

二級濾池的工作周期為12 h，故每天的排水量為:

廠區(qū)除鐵除錳反沖洗排水總量為:

2.3 反沖洗水質(zhì)說明

反沖洗水源采用除鐵除錳處理后廢水。反沖洗水中主要含有濾池截留的懸浮固體和被沖刷掉的濾料表面的活性濾膜，其成分為三價(jià)鐵和四價(jià)錳的氫氧化物沉淀，以及少量的地下水所攜帶的泥沙，經(jīng)反沖洗水沖洗后，以懸浮態(tài)存在于水中。反洗運(yùn)行及廢水水泵輸送過程中，懸浮物將被打碎，變細(xì)小，部分可能以膠體形態(tài)存在。

除鐵的化學(xué)反應(yīng)方程式為:4Fe2++3O2+6H2O=4Fe(OH)3

實(shí)際反沖洗水中的懸浮物含量是不均勻的，反沖洗的前期排放的水主要呈黑褐色或磚紅色，懸浮物含量較高。隨著反沖洗操作的進(jìn)行，排水中懸浮物含量減少，水質(zhì)逐漸清潔。特別是正洗階段，水質(zhì)將逐漸接近清水質(zhì)量。反洗廢水水質(zhì)及自然沉淀后的水質(zhì)，化驗(yàn)結(jié)果如下表所示:

序號 項(xiàng)目 檢測值 單位 備注一 反洗廢水:1 懸浮物成分及比例 —2 懸浮物含量 906 mg/L二 反洗廢水自然沉淀30min:1 上清液懸浮物含量 325 mg/L 2 污泥容重 1140 mg/L 3 污泥含水率 99.8 %三 反洗廢水自然沉淀40min:1 上清液懸浮物含量 306 mg/L 2 污泥容重 1132 mg/L 3 污泥含水率 99.8 %四 反洗廢水自然沉淀50min:1 上清液懸浮物含量 291 mg/L 2 污泥容重 1127 mg/L 3 污泥含水率 99.86 %五 反洗廢水自然沉淀60min:1 上清液懸浮物含量 280 mg/L 2 污泥容重 1120 mg/L 3 污泥含水率99.9 %

3 反沖洗廢水的回收利用

每天2 437.95m3的廢水直接排放，不僅造成水源的浪費(fèi)，更使大量的磚紅色鐵質(zhì)沉淀物沉積。因此，將反沖洗廢水回收利用，可有效地解決上述問題，不僅為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，更為社會(huì)帶來環(huán)境效益。

3.1 反沖洗廢水回收利用的可行性分析［3］

除鐵除錳濾池反沖洗廢水中鐵質(zhì)，反沖洗廢水經(jīng)8～10h靜置沉淀，能將水中鐵質(zhì)濃度降至(30～50)mg/L，可抽送回濾池再行過濾。用聚丙烯酰胺混凝反沖洗廢水，效果良好。對于鐵質(zhì)濃度為(30～1000)mg/L的反沖洗廢水，投加0.16mg/L(按純質(zhì)計(jì))的聚丙烯酰胺，經(jīng)過30s混合、40min沉淀，能將水中鐵質(zhì)濃度降至10mg/L以下。因此，除鐵除錳反沖洗廢水的回收利用是完全可行的。

3.2 反沖洗廢水回收利用方案確定的原則

該公司生產(chǎn)現(xiàn)場布局緊湊，用地緊張，因此，方案應(yīng)選用占地面積小、操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定的系統(tǒng)流程。廢水處理后，應(yīng)能回用于生產(chǎn)、生活，沖減新鮮水的用量。我公司生產(chǎn)、生活用水均在現(xiàn)有的生產(chǎn)消防水池內(nèi)取水，因此本系統(tǒng)應(yīng)盡量避免加藥或其他二次污染，防止對生活用水造成污染。系統(tǒng)應(yīng)投資少，運(yùn)行維護(hù)簡單和運(yùn)行成本低，以減少投資。

3.3 反沖洗廢水回收利用的方案確定

基于上述原則，結(jié)合反沖洗廢水的水質(zhì)，其回收利用主要以沉淀和過濾為主。廢水水量調(diào)節(jié)后，進(jìn)入斜管沉淀池，去除大部分懸浮物后，由水泵輸送至除鐵錳系統(tǒng)的二級曝氣反應(yīng)池，與經(jīng)過二級曝氣后的井水水源混合，并一同送至二級除錳過濾器，通過過濾，去除廢水中的細(xì)小懸浮物和膠體物質(zhì)。經(jīng)處理后的廢水與新鮮水混合后進(jìn)入生產(chǎn)消防水池，作為廠區(qū)的生產(chǎn)、生活水源。流程設(shè)定如下圖所示:

由于反沖洗間歇操作，反沖洗水的水量具有波動(dòng)性，水量調(diào)節(jié)池的池容初步設(shè)置1 000m3，尺寸為16m×16m×4m對廢水水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證后續(xù)工序的連續(xù)運(yùn)行。由于廢水在調(diào)節(jié)池內(nèi)具有一定的停留時(shí)間，水中的部分懸浮物將在其池內(nèi)自然沉淀，因此，調(diào)節(jié)池需定期清理污泥。

廢水用水泵由調(diào)節(jié)池輸送至沉淀池，進(jìn)行沉淀處理，去除大部分懸浮物。沉淀池型式主要有平流式沉淀池、豎流式沉淀池、幅流式沉淀池、斜管(板)沉淀池等多種型式。各類型沉淀池的特點(diǎn)比較如下:

?

本方案選用斜管沉淀池。斜管沉淀池地上設(shè)置，便于排泥。同時(shí)，沉淀池出水槽與除鐵錳系統(tǒng)二級曝氣反應(yīng)池形成高度差，使廢水可通過自流進(jìn)入，較少機(jī)械設(shè)備的投用和降低運(yùn)行費(fèi)用。

斜板沉淀池是根據(jù)淺層沉降理論，在沉淀池的沉淀區(qū)加斜板或斜管，以提高沉淀效率的一種新型沉淀池。它具有沉淀效率高、停留時(shí)間短、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)，在廢水處理、微細(xì)物料漿體的濃縮、含油廢水的隔油等方面取得了廣泛的應(yīng)用。斜板〔管)沉淀池由斜板(管)沉淀區(qū)、進(jìn)水區(qū)、出水區(qū)、緩沖區(qū)和污泥區(qū)組成，如下圖所示:

斜管沉淀池清水區(qū)面積計(jì)算:

式中:A為斜管沉淀池的表面積(m2);Q為單池設(shè)計(jì)水量(m3/h);q為表面負(fù)荷［m3/m2·h］，一般采用(9.0～11.0)m3/m2·h。

初步設(shè)計(jì)取q=9.0m3/m2·h。

A=102/9=11.4m2

廢水進(jìn)入斜板沉淀池，水流向上升的過程，懸浮物下降落至斜管并逐漸下滑，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的澄清。上清液由出水槽流出。經(jīng)化驗(yàn)分析，廢水經(jīng)自然沉淀60min，懸浮物含量可由906mg/L，下降至280mg/L。澄清后的清水，進(jìn)入除鐵錳系統(tǒng)二級曝氣反應(yīng)池，與二次曝氣后的水源井水混合后，經(jīng)水泵送至除鐵錳系統(tǒng)的二級除錳過濾器進(jìn)行過濾，去除沉淀難以去除的懸浮物和膠體物質(zhì)。過濾后清水送入生產(chǎn)消防水池，用于生產(chǎn)、生活。

污泥最終由斜管落至污泥斗中，定期排放，并進(jìn)行脫水處理。干泥產(chǎn)量為:

經(jīng)化驗(yàn)分析，污泥含水率為99.9%，由此可計(jì)算得濕泥產(chǎn)量為:

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，由反沖洗廢水中沉淀下來的鐵泥，經(jīng)水選、濾干、焙燒、球磨、炕干，可制成三級氧化鐵紅。成分不純的鐵泥，經(jīng)風(fēng)干、焙燒、球磨、風(fēng)選后，可制成紅土粉。

3.4 處理效果檢驗(yàn)

因沉淀后的廢水在除鐵錳系統(tǒng)的二級過濾器內(nèi)，與原水混合，故無法單獨(dú)化驗(yàn)處理效果，因此，對除鐵錳系統(tǒng)的出水進(jìn)行整體檢驗(yàn)，主要項(xiàng)目為懸浮物含量，次要項(xiàng)目為總鐵、總錳含量，如上述指標(biāo)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)，則處理合格，并可回用于生產(chǎn)、生活。

項(xiàng)目 符號 單位 數(shù)值懸浮物mg/L 1總鐵 Fe2++Fe3+ mg/L ≤0.3錳mg/L ≤0.1

3.5 方案特點(diǎn)

除鐵除錳系統(tǒng)反沖洗廢水的回收利用主要以沉淀為主，過濾為輔，過濾裝置利用現(xiàn)有設(shè)備。因此，該方案具有占地面積小，機(jī)械設(shè)備少，運(yùn)行操作、維護(hù)簡單;運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備少，運(yùn)行費(fèi)用低;出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

但是，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)池以鋼混結(jié)構(gòu)為主，因此具有一次性土建成本較高;土建施工過程中防水、防滲要求較高。斜管沉淀池內(nèi)填料易老化，需定期更換;填料需定期沖洗，防止微生物滋生。

4 結(jié)語

該文通過對除鐵除錳過程的分析，明確除鐵除錳反沖洗水水量及其所含雜質(zhì)的性質(zhì)及含量，對反沖洗水的回收利用的可行性進(jìn)行綜合分析。反沖洗水的回收利用完全具有可行性和可操作性，對節(jié)約水資源和較少排放具有較大的意義。

［1］朱秀琴，李燦波.地下水除鐵除錳技術(shù)發(fā)展歷程及展望［J］.黑龍江水利科技，2008，23(6).

［2］嚴(yán)熙世，范謹(jǐn)初.給水工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［3］上海市政工程設(shè)計(jì)研究院.給排水設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.