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            中國水務行業觀察者!

            李圭白院士:地下水除錳技術還不夠成熟
            更新時間:2016-07-21 來源:給水排水 作者:李圭白

              習近平總書記在多次講話中強調水安全是關系國家長治久安的大事,強調治水興水是民族大業。解決水安全問題不僅需要發展理念和方式的根本轉變,還需要科技、政策和管理體制等方面的不斷創新。

              2016年4月16日—17日,在由《給水排水》承辦的“第六屆中國水業院士論壇”上,哈爾濱工業大學教授李圭白、哈爾濱工業大學副校長任南琪、哈爾濱工業大學教授張杰、北京工業大學教授彭永臻、流域水循環模擬與調控國家重點實驗室主任王浩、中國科學院生態環境研究中心研究員學位委員會主任曲久輝、清華大學環境學院教授錢易、火箭軍后勤科學技術研究所所長侯立安等8位中國工程院院士,以“水安全科技創新”為主題,圍繞供水安全、海綿城市、水污染治理等專題,高視角解讀行業政策,多維度剖析行業趨勢。

              李圭白院士在會上指出二價鐵對錳質活性濾膜的污染及其對出水水質的嚴重影響,提出錳質活性濾膜生成前出水不達標的問題及解決途徑,并對單級除鐵除錳工藝進行風險分析,提出選擇除鐵除錳工藝的原則,并認為除錳在技術上不夠成熟。

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            哈爾濱工業大學 李圭白院士

              一、我國地下水除鐵技術的發展

              我國含鐵含錳地下水覆蓋人口超過3億;地下水除鐵除錳是供水常遇難題。建國初,除鐵主要是自然氧化法,曝氣反應沉淀加砂濾;該工藝復雜,設備大,停留時間長(2~3h),且效果不穩定。20世紀50年代,接觸催化被引入除鐵除錳技術,哈工大將天然錳砂用作濾料,發現其對二價鐵氧化有催化作用,提出鐵質活性濾膜除鐵和錳質活性濾膜除錳,能使二價錳在天然水質條件下被氧化去除。水曝氣后進入濾池,就能獲得良好效果,簡化流程,停留時間短至0.5h,降低投資,成為一項先進技術并迅速推廣。

              經典理論認為催化劑是錳砂中二氧化錳,但實踐發現覆蓋鐵質的舊錳砂比新錳砂活性強;對此反復試驗,證實錳砂表面覆蓋的鐵質薄膜有催化作用,即催化劑是鐵質活性濾膜而非二氧化錳,進而提出鐵質活性濾膜接觸氧化除鐵工藝。這是重要創新;按該原理,錳砂只是載體,可用廉價的石英砂等替代它,更易推廣。

              新濾料表面沒有鐵質活性濾膜,除鐵效果不佳。為加快濾膜生成,投產初可采用培養濾膜的措施:低濾速,低反洗強度和較長的反洗周期,或投加成熟濾料接種;或投加二價鐵鹽和調節pH等,即人造銹砂技術。

              除鐵技術發展表明,社會需求是科技發展推動力,實踐則是創新源泉;在實踐中不斷創新,使曝氣鐵質活性濾膜接觸氧化除鐵工藝走向成熟。

              二、我國地下水除錳技術的發展

              化學氧化是應用最早的除錳法,但建國初限于其成本,只在少數情況下使用。

              1958年,在哈爾濱按自然氧化法建成一個除鐵除錳水廠,投產后除鐵較好,但除錳不佳,一年后具有優異除錳能力;進而發現石英砂濾料表面生成了黑色活性濾膜,對二價錳氧化有催化作用,使二價錳能在中性pH被去除;這是重要發現。活性濾膜的成分以錳的氧化物為主,稱為錳質活性濾膜。

              1978年,在哈爾濱以天然錳砂為濾料建成一水廠,投產后在濾料成熟前依靠錳砂吸附除錳,成熟后則為接觸氧化除錳。水廠投產后,出水含錳量始終達標。1981年,劉超等在吉林九臺,對高鐵錳地下水進行大規模中試,采用了多種處理工藝,使用了多種濾料,在獲得良好除鐵錳效果的工藝中,除錳濾料上都自然生成了錳質活性濾膜。

              此外,多座除錳水廠也都觀察到濾料表面自然生成錳質活性濾膜。基于大量生產和試驗,提出了曝氣錳質活性濾膜接觸氧化除錳工藝。近年來,人們對錳質活性濾膜除錳機理的認識不斷深化。20世紀80年代前,認為其是化學機理。

              1990年,劉德明等在鞍山市試驗,發現隨錳質活性濾膜的自然生成和除錳能力提高,鐵細菌量不斷增加,當鐵細菌數達到105個/mL(濾料)時,可穩定除錳,他認為二價錳是在鐵細菌的生物酶作用下被氧化的,提出了生物除錳。

              20世紀90年代開始,張杰院士的團隊對生物除錳進行了長期研究,特別是對從錳質活性濾膜中分離出的鐵錳細菌從生物學角度對之進行研究,使生物除錳機理得到系統闡釋,對錳質活性濾膜接觸氧化除錳原理的認識提高了一大步,但劉德明、鮑志戎、張吉峰和唐文偉等都認為其中仍有化學除錳作用。所以除錳機理仍在探索中。

              自錳質活性濾膜接觸氧化除錳工藝提出以后,文獻報道(2006年以前)的自然生成錳質活性濾膜的除錳水廠粗略統計有43座。此外,大量實踐都觀察到錳質活性濾膜的自然生成和隨之產生持續除錳能力的現象。

              三、關于除錳工藝的若干問題

              1、錳質活性濾膜的自然生成與接種生成

              除錳水廠長期運行后濾料表面均可生成錳質活性濾膜并持續除錳。生物除錳并不否定錳質活性濾膜除錳的存在,而是為除錳優化提出一個新發展方向。生物除錳提出工程菌技術:從成熟濾膜中分離出高效除錳菌,擴大培養后對新濾料接種,但難度大且需專業隊伍,故自然生成錳質活性濾膜除錳在相當長一段時間仍是水廠投產采用的方法。

              2、二價鐵對錳質活性濾膜的污染

              二價鐵氧化還原電位比二價錳低得多,二價鐵會阻礙二價錳氧化。單級濾池除鐵除錳中,總是先除二價鐵,當其濃度降至足夠低,二價錳才開始被氧化,故上部為除鐵帶,下部為除錳帶。李繼震在鐵力市試驗發現,除錳帶一旦遭到二價鐵污染,會喪失除錳能力,其恢復需長時間,期間出水錳超標。這是一個嚴重問題,需特別關注。

              3、曝氣裝置選型

              用于除鐵除錳的曝氣裝置包括兩類,一類依靠外部能量對水曝氣,斷電則曝氣設備停運,未曝氣水會進入濾池,二價鐵會使錳質活性濾膜污染;另一類依靠水自身能量曝氣,斷電則進水停止,未曝氣水不會進入濾池,對除錳是安全的。宜優先選用依靠自身能量曝氣的裝置。

              4、濾速影響

              除錳水廠如采用變濾速過濾:濾池剛反洗完,其濾層清潔,水阻小,初濾速高;而濾速增大能使錳質活性濾膜受到污染,除錳效果下降。所以,單級濾池除鐵除錳時,不宜選擇變速過濾方式。

              5、錳質活性濾膜成熟前的出水水質

              鐵質活性濾膜的成熟期一般為幾天,而錳質活性濾膜的成熟期一般需數十天到幾個月。錳質活性濾膜成熟前,出水錳超標,這是一個技術難題。而天然錳砂對二價錳有吸附作用;若用優質天然錳砂為濾料,在錳質活性濾膜成熟前靠錳砂吸附除錳,直至除錳濾層成熟,這樣水廠從投產出水就達標。

              6、單級過濾還是兩級過濾

              二者在原理上無本質差別。單級:當濾速、水質波動時,錳質活性濾膜易受污染;此外,單級過濾上層除鐵帶堵塞快,需頻繁反洗,導致下層錳質活性濾膜受二價鐵污染。兩級:一級過濾鐵質活性濾膜接觸氧化除鐵、二級過濾錳質活性濾膜接觸氧化除錳,基本消除了二價鐵對錳質活性濾膜的污染風險。

              7、工藝選擇中安全性與經濟性的平衡

              除鐵除錳工藝選擇與水質等諸多因素有關。從二價鐵對錳質活性濾膜污染角度,單級過濾增加二價鐵污染錳質活性濾膜的風險,且進水二價鐵含量越高風險越大。因此,單級過濾降低建設費用卻增大風險;而兩級過濾增高建設費用但降低風險,存在安全性與經濟性平衡的問題。

              四、結語

              綜上,我認為地下水除錳技術還是不夠成熟的,須加強工程技術方面研究,特別是對已建除錳水廠總結,找出不成功水廠的具體原因,在解決問題中創新,以使錳質活性濾膜接觸氧化除錳技術成熟。

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