次氯酸鈉預氧化除錳試驗研究

孟興暉　柳兵兵

摘 要：基于嶺澳水庫調水管中錳含量高的特殊水質情況，工程師進行了降低水中錳含量的方法研究。分別進行了同pH值不同氧化劑添加量下濾料除錳效果試驗，以及不同pH值相同氧化劑添加量下濾料除錳效果試驗和不同pH值不同氧化劑添加量下濾料除錳效果試驗。結果表明：在調水管線水pH=6.60，添加氧化劑次氯酸鈉情況下，濾料柱（無煙煤和石英砂）對水中錳的去除率約為50%-60%，且氧化劑用量對除錳的效果影響不大；提高調水管線水pH至7.50-8.00，濾料柱除錳效果明顯，管線水錳含量由1.0ppm降至約0.15ppm，去除率達85%。

關鍵詞：錳；除錳裝置；次氯酸鈉；pH值；濾料柱（無煙煤、石英砂）

深圳大鵬新區(qū)嶺澳水庫調水管中的錳含量約為0.7ppm，經后續(xù)多介質過濾器和超濾裝置無法去除，導致生產的飲用水錳含量超出飲用水國家標準（錳≤0.1ppm），針對水質出現(xiàn)的新情況，結合外部相關技術文獻和現(xiàn)場工藝流程設計，就采用次氯酸鈉預氧化去除錳的效果進行了試驗研究。

1 試驗原理

水中的錳有兩種存在形式，一種是游離態(tài)，主要以（Mn2+）形式存在，另一種是絡合態(tài)和膠體態(tài)。絡合態(tài)和膠體態(tài)錳通過石英砂、無煙煤組成的濾料可以去除大部分，而游離態(tài)（Mn2+）則無法通過過濾去除。當向含錳水中加入氧化劑次氯酸鈉，由于氧化作用能夠把水中的低價錳（Mn2+）氧化成高價態(tài)（MnO2），從而形成不溶性物質或膠體物質，這些物質在過濾工藝過程中，能夠被有效地去除。另外從大量取樣數(shù)據(jù)來看，原水中錳主要以離子態(tài)（Mn2+）的形式存在。

試驗反應方程如下：

Mn2++ClO-+2OH-——MnO2+Cl-+H2O

2 試驗內容

試驗條件完全模擬實際生產中多介質過濾器的運行情況。試驗濾料柱按多介質過濾器中濾料（無煙煤、石英砂）的填充比進行添加，試驗濾速要求與實際多介質過濾器運行濾速一致。試驗內容如下：

①驗證次氯酸鈉加入量對濾料柱除錳效果的影響，并根據(jù)試驗情況確定最佳的次氯酸鈉加入量；

②驗證不同pH值對濾料柱除錳效果的影響。

3 試驗參數(shù)

3.1 確定模擬試驗參數(shù)

3.1.1 確定通過濾料柱的濾速

考慮到影響多介質過濾運行的參數(shù)主要有：過濾速度、水流均勻性、反洗、接觸時間等。保持柱子上有水墊層就可以保證水流均勻性，由于是已經反洗好的濾料，故反洗因素不考慮。經綜合考慮要求模擬試驗中保持濾料柱的濾速和多介質過濾器運行濾速（0.147m/min）一致。則需要的流量為：Q1=0.147×3.14×（0.046/2）2=244.18ml/min。

3.1.2 確定取樣時間間隔

若通過細濾料柱的濾速為0.147 m/min，則水接觸濾料到出濾料需要時間為：1.44/0.147 m/min=9.7min，即水從進入濾料柱到出濾料柱需要9.7min，與實際工藝中接觸時間9.8分鐘基本相當，為了較多地獲取試驗數(shù)據(jù)，為此將取樣頻率增加一倍，最終確定取樣時間間隔為5分鐘。

3.2 理論加藥量計算

假設原水中錳為0.7ppm（原水錳含量大約為0.5—1.0ppm），且全部以Mn2+存在，加入次氯酸鈉后需要將錳降為0.1ppm，設1L水中需要加入10%次氯酸鈉Xmg，假設反應進行完全。

假設預處理流量為200m3/h，則需要加入10%次氯酸鈉量計算如下：

200×103×8.1×10-6/1.10=1.47（L/h）

由于實際加藥量較低，故可以考慮將次氯酸鈉稀釋10倍使用，即將10%次氯酸鈉溶液稀釋成1%使用。故原水加入1%次氯酸鈉加藥量應該為14.7 L/h。所以確定試驗加藥量應該為14.7L/200m3=0.735ml/10L，即每10L水中加入1%次氯酸鈉0.735ml，因為添加量比較小，為確保數(shù)據(jù)準確采用精密度較高的電子天平來稱量。

4 試驗過程和結果

4.1 驗證原水pH下，次氯酸鈉加藥量（單倍、雙倍和三倍試劑）對濾柱除錳效果影響

具體步驟如下：

①濾料柱接去離子水沖洗大約10分鐘；

②從運行多介質過濾器入口取樣閥取4桶試驗用水（每桶10L），加入0.735ml質量分數(shù)為1%次氯酸鈉溶液，搖勻，立即倒入懸浮物測量桶。雙倍試劑加1%次氯酸鈉溶液1.470ml，三倍試劑加1%次氯酸鈉溶液2.205ml；

③將濾料柱接在懸浮物測量桶出水口，打開閥門沖洗濾料柱，同時用燒杯測量并調節(jié)流量至244ml/min；

④每隔5分鐘在濾料柱出口取樣分析錳含量，數(shù)據(jù)填入表格2，同時在單倍加藥量、雙倍加藥量、三倍加藥量試驗時分析殘余氯，數(shù)據(jù)見表格3；

⑤取樣結束后，先關閉懸浮物桶氣源閥門，然后拆下濾料柱，清理工作現(xiàn)場。（結果如表1）

從試驗結果看：原水pH=6.60條件下向原水加入氧化劑次氯酸鈉，由于氧化作用能夠把水中的低價錳（Mn2+）氧化成高價態(tài)（Mn02），從而形成不溶性物質或膠體物質，而這些物質可在濾料柱中過濾去除，去除率約50%-60%，且次氯酸鈉加藥量對除錳效果影響不大，從單倍加藥量到三倍加藥量，除錳效果未見明顯變化。隨著運行時間延長會緩慢釋放前期吸附截留的錳。

4.2 驗證pH值對濾柱除錳效果影響

具體步驟如下：

①濾料柱接去離子水沖洗約10分鐘；

②從運行多介質過濾器入口取樣閥取4桶試驗用水（每桶10L），按照多介質過濾器出水pH在6.50-8.00之間的技術要求，分別調節(jié)使pH=7.46，pH=7.96，pH=7.80，且加入0.735ml次氯酸鈉溶液（1%），pH=7.84且加入少許1%氯酸鈉溶液（殘余氯為0.1ppm）。試液搖勻后倒入懸浮物測量桶；

③將濾料柱接在懸浮物測量桶出水口，打開閥門沖洗濾料柱，同時用燒杯測量并調節(jié)流量至244ml/min；

④每隔5分鐘在濾料柱出口取樣分析錳含量。數(shù)據(jù)填入表2。同時分析pH=7.80，且在單倍加藥試驗時的殘余氯，數(shù)據(jù)見表格3；

⑤取樣結束后，先關閉懸浮物桶氣源閥門，然后拆下濾料柱，清理工作現(xiàn)場。（結果如表2）

從試驗結果看得出以下結論：

①將原水pH值從6.60調高至7.50-8.00，濾料柱除錳效果明顯，原水錳含量約為1.0ppm，經過濾料柱處理后可以降至約0.15ppm，去除率約85%。但濾料柱對錳的去除率并不隨pH的升高而明顯增大。

②提高原水pH值的同時加入單倍次氯酸鈉試劑和提高原水pH值的同時加入少量次氯酸鈉試劑（殘余氯0.1ppm）濾料柱除錳效果未見明顯提高，說明原水pH值對濾料柱除錳效果有很大影響，而次氯酸鈉加入量則影響不大。

③在偏堿性pH 值條件下，濾料柱除錳原理主要有以下2個：

a水中錳主要以Mn2+和Mn3+存在，pH在堿性的條件下，水中Mn2+和Mn3+極容易和OH-結合形成Mn（OH）2，Mn（OH）3，Mn（OH）2很快被在水中微氧和空氣中氧氣氧化，2Mn（OH）2+O2=2MnO（OH）2=2MnO2+2H2O；而Mn（OH）3在堿性溶液中不穩(wěn)定，立即發(fā)生歧化反應：2Mn（OH）3=Mn（OH）2+MnO2+2H2O。

b 在偏堿性pH值條件下，溶解氧可以迅速氧化水中的二價錳離子，其反應如下：2Mn2++O2+2H2O=2MnO2+4H+。

上述各反應生成的MnO2為沉淀物，能在濾料柱中通過過濾作用截留去除。

4.3 濾料柱出水殘余氯數(shù)值分析

在前面進行單倍加藥量、雙倍加藥量、三倍加藥量和單倍試劑+pH=7.80的試驗中每次取完樣品后測殘余氯，結果如表3：

從上面試驗結果可知：

①原水pH值=6.60條件下，單倍加藥量濾料柱出水殘余氯維持在0.1 ppm，說明加藥量不足以氧化水中Mn2+；雙倍加藥量濾料柱出水殘余氯呈下降趨勢，但下降趨勢緩慢，而三倍加藥量濾料柱出水下降趨勢較快，說明氧化試劑加入量大于理論量后，加入量越多，反應時間越短。

②提高pH值=7.80和加入單倍試劑濾料柱出水殘余氯基本無變化（維持在0.5ppm），說明pH在堿性的條件下，水中Mn2+和Mn3+極容易和OH-結合形成Mn（OH）2、Mn（OH）3。這兩種物質通過一些化學反應最終轉變?yōu)镸nO2沉淀物。由于Mn2+和Mn3+優(yōu)先和OH-結合，無須次氯酸鈉氧化，加入的次氯酸鈉無消耗，故出水中殘余氯基本無變化。

5 試驗結論

①原水pH=6.60條件下向原水加入氧化劑次氯酸鈉，由于氧化作用能夠把水中的低價錳（Mn2+）氧化成高價態(tài)（Mn02），從而形成不溶性物質或膠體物質，而這些物質可以在濾料柱中過濾去除，去除率50%-60%，且加藥量對除錳效果影響不大，從單倍加藥量到三倍加藥量，除錳效果未見明顯變化。隨著運行時間延長會緩慢釋放前面吸附截留的錳。

②將原水pH值從6.60調高至7.50-8.00，濾料柱除錳效果明顯，原水錳含量約為1.0ppm，經過濾料柱處理后可以降至約0.15ppm，去除率85%。但濾料柱對錳的去除率并不隨pH的升高而明顯增大。

③提高原水pH值的同時加入單倍次氯酸鈉試劑和提高原水pH值的同時加入少量次氯酸鈉試劑（殘余氯大約0.1ppm）濾料柱除錳效果未見明顯提高，說明原水pH值對濾料柱除錳效果有很大影響，而次氯酸鈉試劑加入量則影響不大。

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