本發(fā)明涉及飲用水或再生水深度處理技術(shù)，特別是涉及一種去除地下水中鐵錳的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國部分城市及大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的飲用水都以地下水為主，地下水一般水質(zhì)較好，不易受到污染，處理簡單，運(yùn)行成本低。但是，我國大部分地區(qū)的地下水中常含有過量的鐵和錳，不符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)和生活。過量的錳長期低劑量攝入會引起慢性中毒，出現(xiàn)震顫性麻痹，有類似于精神分裂癥的精神障礙和帕金森病樣錐體外系統(tǒng)癥候群，最后成為永久性殘廢。
目前，常用的處理方法為“原水曝氣—單級過濾”工藝。曝氣方式可采用跌水曝氣、表面曝氣及蓮蓬頭曝氣等。過濾形式也多種多樣，可采用壓力過濾裝置或者重力過濾裝置。存在的問題主要有以下幾個方面：1)水中鐵錳濃度高時不足以將水中的鐵錳氧化成顆粒態(tài)；2)形成的MnO2顆粒比較細(xì)，普通的過濾難以將其完全截留，容易發(fā)生出水錳不達(dá)標(biāo)的情況；3)采用接觸氧化方法除鐵錳時，成熟的濾料可以將錳的高價氫氧化物或氧化物沉積在濾料表面，但濾料中的錳層會隨著過濾時間的延長下移，最終發(fā)生穿透現(xiàn)象。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種去除地下水中鐵錳的方法及系統(tǒng)，可有效且高效地去除地下水中的鐵錳和有機(jī)物。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：
一種去除地下水中鐵錳的方法，包括以下步驟：a，將地下水輸送進(jìn)入膜反應(yīng)池中，將含臭氧的氣體通入膜反應(yīng)池中，經(jīng)膜反應(yīng)池中的曝氣器進(jìn)行臭氧曝氣，使得臭氧溶解進(jìn)入地下水中，將地下水中的鐵氧化成氫氧化鐵沉淀使其從水中析出，將錳氧化成不溶于水中的MnO2顆粒，同時對地下水中的嗅味物質(zhì)和有機(jī)物進(jìn)行氧化降解；b，控制使含溶解態(tài)臭氧的水流上升與膜反應(yīng)池中的陶瓷膜組件接觸，所述陶瓷膜的孔徑為10～100nm，過濾時的跨膜壓差為-30kPa～0，水流過濾通量維持在80～120L/m2·h，使得水流中的氫氧化鐵沉淀、MnO2顆粒以及水中的濁度顆粒被陶瓷膜孔截留在膜反應(yīng)池中沉淀，臭氧在陶瓷膜孔中對水中的嗅味物質(zhì)和部分有機(jī)物進(jìn)行臭氧化降解。
優(yōu)選的技術(shù)方案中，
步驟a中，所述含臭氧的氣體中臭氧濃度為2％～15％，臭氧投加量為0.1～0.5mg/L。進(jìn)入所述曝氣器的所述含臭氧氣體可由空氣或者純氧制備，控制臭氧濃度為2％～15％，控制所述含臭氧氣體的流量和臭氧濃度使臭氧投加量為0.1～0.5mg/L，本發(fā)明通過臭氧曝氣，配合后續(xù)陶瓷膜的納米級膜孔作為臭氧氧化降解的反應(yīng)器，降解效率高，因此可實現(xiàn)采用少量的臭氧降解，即可達(dá)到較高的降解效率，且整體處理成本也較低。
步驟b中，所述陶瓷膜的制備過程包括以下步驟：S1，將陶瓷顆粒加工成為粒徑尺寸為130～650nm的陶瓷顆粒，將二氧化錳加工成為粒徑尺寸為260～360nm的顆粒；S2，將陶瓷顆粒與二氧化錳顆粒按照質(zhì)量比為100：2～5進(jìn)行混合，在1150～1250℃下進(jìn)行燒結(jié)，使混合顆粒粘結(jié)，制得陶瓷膜，所述陶瓷膜的微觀結(jié)構(gòu)包括平均直徑為20～100nm的孔隙通道，且二氧化錳顆粒分布在所述孔隙通道內(nèi)。通過該過程制備陶瓷膜，催化劑二氧化錳分布在直徑為20-100nm納米孔隙通道內(nèi)，該獨(dú)特的分布以及納米尺寸，使得其內(nèi)發(fā)生的催化臭氧化反應(yīng)較常規(guī)尺寸的反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)具有更高的反應(yīng)效率及臭氧利用率。直徑20～100nm的孔隙通道作為臭氧氧化分解反應(yīng)的反應(yīng)器，能夠大幅度縮短活性臭氧形態(tài)的傳質(zhì)過程，迅速與水流中的目標(biāo)污染物分子進(jìn)行反應(yīng)，從而提高臭氧的利用率，加快了氧化反應(yīng)速率。
步驟b中，所述陶瓷膜由粒徑為65～650nm的金屬氧化物顆粒高溫?zé)Y(jié)而成，使得其孔徑為10～100nm。
所述陶瓷膜的材質(zhì)也可為氧化鋁、氧化鋯、或二氧化鈦。必要時，進(jìn)一步地其中還含有氧化錳、氧化鐵等金屬氧化物。
進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案中，
步驟b中，所述陶瓷膜組件為一布袋式結(jié)構(gòu)，所述水流從所述陶瓷膜組件的外部進(jìn)入內(nèi)部，在所述陶瓷膜組件的陶瓷膜孔實現(xiàn)過濾，經(jīng)匯集后從布袋式結(jié)構(gòu)的匯集口出水。
步驟b中，設(shè)置所述陶瓷膜組件在所述膜反應(yīng)池內(nèi)曝氣器的上方，使得含有溶解態(tài)臭氧的水流上升直接與所述陶瓷膜進(jìn)行接觸，總接觸時間控制為5～10分鐘。
步驟a中，所述曝氣器為微納米曝氣器。
所述微納米曝氣器的材料為微米級的鈦金屬或金屬氧化物顆粒。
所述微納米曝氣器的形狀為棒狀或平板狀，經(jīng)曝氣產(chǎn)生的氣泡的直徑大小為1～100μm。
本發(fā)明的技術(shù)問題還通過以下的技術(shù)方案予以解決：
一種去除地下水中鐵錳的系統(tǒng)，包括臭氧發(fā)生器和膜反應(yīng)池；所述臭氧發(fā)生器用于產(chǎn)生含臭氧的氣體；所述膜反應(yīng)池設(shè)有進(jìn)水口、出水口、含臭氧氣體入口和排泥口，所述進(jìn)水口接收地下水，所述膜反應(yīng)池內(nèi)包括曝氣器和陶瓷膜組件，所述臭氧發(fā)生器通過出氣管連接曝氣器，所述曝氣器用于對臭氧進(jìn)行曝氣，使得臭氧溶解進(jìn)入地下水中，將地下水中的鐵氧化成氫氧化鐵沉淀使其從水中析出，將錳氧化成不溶于水中的MnO2顆粒，同時對地下水中的嗅味物質(zhì)和有機(jī)物進(jìn)行氧化降解；所述膜反應(yīng)池內(nèi)，含溶解態(tài)臭氧的水流上升與所述陶瓷膜組件接觸，所述陶瓷膜的孔徑為10～100nm，過濾時的跨膜壓差為-30kPa～0，水流過濾通量維持在80～120L/m2·h，使得水流中的氫氧化鐵沉淀、MnO2顆粒以及水中的濁度顆粒被陶瓷膜孔截留在膜反應(yīng)池中沉淀，臭氧在陶瓷膜孔中對水中的嗅味物質(zhì)和部分有機(jī)物進(jìn)行臭氧化降解。
其中，所述膜反應(yīng)池、所述管道等都采用耐臭氧氧化的材料。曝氣器由鈦金屬或其它金屬氧化物陶瓷制成，呈板狀或管狀。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
本發(fā)明的去除水中鐵錳的方法及系統(tǒng)，通過臭氧曝氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣曝氣，傳統(tǒng)的空氣曝氣效率不高，曝氣效果不強(qiáng)，本發(fā)明臭氧曝氣可以顯著提高曝氣效率，避免水中鐵錳濃度高時鐵錳得不到充分的氧化，有助于有效去除鐵錳。同時，本發(fā)明中配合膜反應(yīng)池中設(shè)置陶瓷膜組件，陶瓷膜孔隙通道為10～100nm，一方面，膜孔隙尺寸小，可以有效截留水中的顆粒物質(zhì)，防止鐵錳氧化物顆粒的穿透，還可以有效截留水中的微生物，提高飲用水的微生物安全。另一方面，該納米尺寸的膜孔隙，相當(dāng)于一個個納米尺寸大小的反應(yīng)容器，含溶解臭氧的水進(jìn)入到該孔隙通道中可高效地進(jìn)行臭氧化反應(yīng)，將水中的嗅味物質(zhì)及其它的有機(jī)物降解。在該納米級尺寸內(nèi)進(jìn)行的臭氧化反應(yīng)較常規(guī)尺寸反應(yīng)容器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)具有更高的反應(yīng)效率及臭氧利用率。本發(fā)明可結(jié)合現(xiàn)有的飲用水處理工藝，可以在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，對構(gòu)筑物及場地要求小，能實現(xiàn)自動運(yùn)行及無人值守，運(yùn)行穩(wěn)定，方便推廣。
【附圖說明】
圖1是本發(fā)明具體實施方式的去除水中鐵錳的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
下面結(jié)合具體實施方式并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本具體實施方式的去除地下水中鐵錳的系統(tǒng)包括：臭氧發(fā)生器12，膜反應(yīng)池5，設(shè)置于膜反應(yīng)池5內(nèi)的微納米曝氣器14和陶瓷膜組件6等。
臭氧發(fā)生器12包括進(jìn)氣管11和出氣管13。氣源10采用經(jīng)過預(yù)處理(除塵、干燥等)的空氣或者純氧，或者由空氣壓縮、冷干、篩分制得的純度為90％～92％的氧氣，氣源壓力為0.04～0.45MPa。氣源11視具體需要選擇空氣源或者氧氣源。氣源10經(jīng)過進(jìn)氣管11輸入臭氧發(fā)生器12，經(jīng)過高壓放電產(chǎn)生含臭氧的氣體，通過調(diào)節(jié)氣體流量和臭氧發(fā)生器的功率，使從臭氧發(fā)生器出來的含臭氧氣體中的臭氧濃度為2％～15％。
陶瓷膜組件6的材質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯、或二氧化鈦，必要時其中還含有氧化錳、氧化鐵等金屬氧化物。陶瓷膜組件6中的陶瓷膜孔徑為10～100nm，運(yùn)行時的跨膜壓差為0～-30kPa，滲透通量為80～120L/m2·h，出水濁度低于0.1NTU，粒徑大于2μm的顆粒數(shù)低于10個/mL。陶瓷膜組件6設(shè)有出水口。
膜反應(yīng)池5設(shè)有進(jìn)水口、出水口、含臭氧氣體入口和排泥口15。地下水100通過水管2、提升泵3、出水管4連接到膜反應(yīng)池5的進(jìn)水口。膜反應(yīng)池5底部為錐形結(jié)構(gòu)，在膜反應(yīng)池5靠近底部處安裝微納米曝氣器14，陶瓷膜組件6位于微納米曝氣器14的上方。臭氧發(fā)生器12通過出氣管13連接微納米曝氣器14，含臭氧的氣體通過微納米曝氣器14曝氣出來后形成直徑為1～100μm的氣泡，與水流充分接觸，并迅速溶解入水中。通過控制氣體流量和臭氧發(fā)生器的功率來調(diào)節(jié)使臭氧投加量為0.1～0.5mg/L范圍。雖然投加量小，但臭氧利用率大于90％。微納米曝氣器14采用微米級的鈦金屬或金屬氧化物顆粒制備，其最終形狀為棒狀或平板狀。
上述膜反應(yīng)池內(nèi)，地下水從進(jìn)水口流入后，臭氧溶解進(jìn)入水中，將地下水中的鐵氧化成氫氧化鐵沉淀使其從水中析出，將錳氧化成不溶于水中的MnO2顆粒，同時對地下水中的嗅味物質(zhì)和有機(jī)物進(jìn)行氧化降解。臭氧溶解進(jìn)入水中，隨水流上升流入陶瓷膜組件的陶瓷膜中，陶瓷膜的孔對水流中的氫氧化鐵沉淀、MnO2顆粒以及水中的濁度顆粒截留從而在膜反應(yīng)池中沉淀，從排泥口15中排出。同時，臭氧在陶瓷膜孔中對水中的嗅味物質(zhì)和剩余未降解的部分有機(jī)物進(jìn)行臭氧化降解，從而去除嗅味和有機(jī)物。
陶瓷膜組件6的出水口依次連接水管7、抽吸泵8和水管9，水管9與清水池16的進(jìn)水口連接。陶瓷膜組件6的出水作為合格的飲用水由水管9導(dǎo)入清水池16。
上述抽吸泵8可提供-100kPa的負(fù)壓，使陶瓷膜運(yùn)行時的跨膜壓差為-30kPa～0，水流過濾通量(膜滲透通量)維持在80～120L/m2·h。
圖1所示的系統(tǒng)的膜反應(yīng)池5內(nèi)配置有微納米曝氣器14和陶瓷膜組件6，微納米曝氣器14安裝在膜反應(yīng)池5內(nèi)靠近底部處，陶瓷膜組件6安裝在微納米曝氣器14的上方。通過圖1系統(tǒng)實現(xiàn)去除地下水中鐵錳工藝的步驟如下：
S1：通過水管2、提升泵3和出水管4將地下水輸送到膜反應(yīng)池5。通過導(dǎo)流板流入膜反應(yīng)池5的底部。氣源10的原料氣經(jīng)過除塵、干燥等步驟處理后通過進(jìn)氣管11進(jìn)入臭氧發(fā)生器12，所產(chǎn)生的含臭氧氣體由出氣管道13連接至微納米曝氣器14進(jìn)入膜反應(yīng)池進(jìn)行臭氧曝氣，臭氧曝氣后以微米級氣泡均勻分散并溶解進(jìn)入水中，將水中的鐵氧化成氫氧化鐵(Fe(OH)3)沉淀使其從水中析出，將錳氧化成不溶于水的MnO2顆粒，同時臭氧將部分嗅味物質(zhì)和有機(jī)物氧化去除。
S2：由于陶瓷膜組件6設(shè)置在微納米曝氣器14的上方位置，膜反應(yīng)池5中含溶解態(tài)臭氧的水流上升與膜反應(yīng)池5中的陶瓷膜組件接觸，所述陶瓷膜的孔徑為10～100nm，過濾時的跨膜壓差為-30kPa～0，水流過濾通量維持在80～120L/m2·h。這樣，臭氧氧化形成的氫氧化鐵和MnO2顆粒被陶瓷膜截留在膜反應(yīng)池5中沉淀，從膜反應(yīng)池5的底部通過排泥口15排出。同時臭氧在納米級陶瓷膜孔中對水中的嗅味物質(zhì)和剩余的有機(jī)物進(jìn)行臭氧化降解。深度凈化的合格飲用水從陶瓷膜組件6的出口經(jīng)由膜反應(yīng)池5的出口通過水管7、抽吸泵8和水管9進(jìn)入清水池16。
其中，進(jìn)入微納米曝氣器14的所述含臭氧氣體的臭氧濃度為2％～15％，控制所述含臭氧氣體的流量和臭氧發(fā)生器的功率使臭氧投加量為0.1～0.5mg/L。這樣，通過較少的臭氧量，即可實現(xiàn)鐵錳和有機(jī)物的有效去除。
由于陶瓷膜組件6位于膜反應(yīng)池5內(nèi)微納米曝氣器14的上方，含有溶解態(tài)臭氧的水流能夠上升直接與陶瓷膜進(jìn)行充分接觸，總體接觸時間為5～10min。
下面通過本具體實施方式的鐵錳的去除方法及系統(tǒng)對各地區(qū)地下水進(jìn)行處理，以驗證說明本具體實施方式的處理系統(tǒng)的效果。
測試1：測試本具體實施方式的鐵錳凈化處理系統(tǒng)及方法對于某地區(qū)以地下水為水源的飲用水中的鐵錳的去除效果。
采集該地區(qū)地下水得到12個樣本，其中的鐵濃度分別為：3.21、2.83、2.11、1.75、2.38、1.57、1.72、2.23、2.52、2.68、1.32、0.87mg/L，平均濃度為2.10mg/L。經(jīng)本具體實施方式的去除地下水中鐵錳的方法和系統(tǒng)處理后，出水中鐵濃度分別為0.11、0.06、0.05、0.05、0.04、0.02、0.05、0.01、0.01、0.03、0、0mg/L，出水平均濃度為0.04mg/L，平均去除率為98.3％。出水中的鐵濃度明顯優(yōu)于國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006中0.3mg/L的要求。
測試2：測試本具體實施方式的鐵錳凈化處理系統(tǒng)及方法對于某地區(qū)以地下水為水源的飲用水中錳的去除效果。
采集該地區(qū)地下水得到12個樣本，其中的錳濃度分別為：1.25、0.83、0.67、0.75、1.33、1.07、1.12、0.79、0.83、1.35、1.02、1.32mg/L，平均濃度為1.03mg/L。經(jīng)本具體實施方式的去除地下水中鐵錳的方法和系統(tǒng)處理后，出水中鐵濃度分別為0.03、0.02、0、0.01、0.03、0、0.04、0.01、0.01、0.03、0、0mg/L，出水平均濃度為0.015mg/L，平均去除率為98.5％。出水中的錳濃度明顯優(yōu)于國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006中0.1mg/L的要求。
測試3：測試本具體實施方式的鐵錳凈化處理系統(tǒng)及方法對于濁度的去除效率。
采集該地區(qū)地下水得到12個樣本，其濁度依次為2.75、1.89、2.93、2.55、2.58、2.89、2.89、2.72、2.94、2.78、2.68、2.94NTU，經(jīng)本具體實施方式的去除地下水中鐵錳的方法和系統(tǒng)處理后，出水濁度依次為0.03、0.02、0.02、0.01、0.02、0.02、0.01、0.01、0.01、0.05、0.02、0.01NTU，出水平均濁度為0.02NTU，平均去除率為99.3％。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。