鐵錳氧化膜催化氧化同步去除地下水中氨氮和錳的研究.pdf

1、當前中國地下水源氨氮和錳污染問題日益嚴重，飲用水中過量的氨氮和錳會直接危害人體健康。氨氮在人體內可被氧化成亞硝氮和硝氮，而這些物質可誘發(fā)產生致癌的亞硝胺和高鐵血紅蛋白癥。人體如攝入過量的錳，會使人的中樞神經系統(tǒng)損害，引起記憶力減退、誘發(fā)肺炎，導致慢性中毒等。因此，地下水中氨氮和錳的同步高效去除，對保證飲用水安全起著至關重要的作用。本課題利用高錳酸鉀持續(xù)氧化進水中錳和鐵，可快速在石英砂濾料表面形成一層“活性氧化膜”（以下簡稱氧化膜），這層

2、氧化膜對于氨氮和錳具有同步高效的去除作用。據(jù)此本文以地下水中鐵錳氧化膜催化氧化氨氮和錳的機理為研究重點，并依此展開其它相關研究，取得了以下成果和結論：
　?。?）縮短了濾料成熟周期，建立了氧化膜增長動力學模型。經工藝優(yōu)化，濾料成熟期可縮短至26天，比生物掛膜縮短了2~3倍。濾料表面的氧化膜對于氨氮和錳的氧化具有高效、穩(wěn)定、持久的氧化去除作用。建立了膜增長動力學模型，在一個運行周期內，濾料表面氧化膜厚度隨時間呈線性增長。2年運行結果

3、表明，該動力學模型可準確描述氧化膜的增長厚度和預測不同進水錳濃度條件下的理論脫膜時間。反沖洗周期縮短一半作為脫膜的標志，氧化膜厚度不應超過150μm。
　?。?）確定了氨氮去除的主要影響因素。當進水中僅含氨氮時，溶解氧濃度越高，氨氮達標可去除的負荷越高。氧化膜化學催化氧化氨氮的最大去除負荷為22.2g/(m3?h)，遠高于生物條件下氨氮的去除負荷（1.5~6g/(m3?h)）。當濾速為7~18m/h，進水氨氮濃度為1.0~1.6m

4、g/L時，出水氨氮均能穩(wěn)定達標。進水中鐵的存在會阻礙氨氮的氧化，氨氮對鐵的去除影響不大。錳的存在對于氨氮的去除沒有直接影響，氨氮會削弱錳的去除。當進水中同時含有氨氮、錳和鐵時，系統(tǒng)持續(xù)運行6個月，氧化膜可高效穩(wěn)定地同步去除上述污染物。當水溫低于6.6℃時，氧化膜仍具有很高的氧化活性。pH值的降低會削弱氨氮的去除。高濃度的Na+、K+和Cl-并未影響氨氮的去除，高濃度的Mg2+和Ca2+對氨氮去除的削弱作用較大。整個濾層對于氨氮和錳的去除

5、均有催化能力，中下部濾層“失效”的主要原因是溶解氧不足。當成熟濾料的高度為100cm時，即使停止運行60天，也可在3.5天后恢復對氨氮和錳的有效去除。
　?。?）進一步驗證了氧化膜的化學催化氧化作用，初步探討了作用機理。利用現(xiàn)場中試系統(tǒng)，在對催化氧化過濾系統(tǒng)進行紫外、臭氧和過氧化氫協(xié)同、持續(xù)完全滅活條件下，對水中氨氮和錳的去除率保持在90％以上，充分證明了氧化膜的化學催化氧化作用是去除水中氨氮和錳的主導作用。該成果改變了國內外廣泛

6、認可的氨氮去除的生物氧化主導作用的結論，提出了一種水中氨氮去除的新技術和工藝。通過SEM、XRF和XPS等表征方法初步提出了氨氮的催化氧化機理：O2吸附到氧化膜表面生成具有強氧化性的中間產物·O，活化態(tài)的·O和吸附態(tài)的NH4+反應生成[NH]和H+，然后·O和[NH]繼續(xù)反應生成最終產物NO3-。
　?。?）Mn2+的催化氧化過程符合偽一級動力學，初步探討了其催化氧化機理。氧化膜對水中Mn2+的吸附過程可用Lagergren偽一級

7、動力學方程描述，相關系數(shù)R2達0.98以上。log([Mn2+]t/[Mn2+]0)與空床接觸時間（EBCT）為線性關系，初始低濃度Mn2+的k值（0.57）明顯要大于初始高濃度的k值（0.14），主要是由于氧化膜表面活性位的限制。Mn2+的去除過程并不需要消耗DO。XPS表征結果可知，氧化膜表面有錳的氫氧化物（[≡Mn-OH]）存在，據(jù)此提出了Mn2+去除的催化氧化機理：吸附態(tài)的Mn2+和[≡Mn-OH]在氧化膜界面上發(fā)生催化氧化反應

8、，生成復雜的氧化物，其中僅少量氧化物轉化為新的氧化膜。
　?。?）優(yōu)化確定了氧化膜的脫膜條件。為有效恢復濾池的反沖洗周期，且同時不影響水處理效果，分別利用O3、H2O2、ClO2、Na2SO3和HCl五種脫膜劑對濾料進行化學脫膜實驗，脫膜劑處理后，部分氧化膜自濾料表面剝離脫落。靜態(tài)實驗可知：O3的最適投量為30.1g/(L·濾料·h)，H2O2、ClO2和Na2SO3的最適投量均為4.10g/(L·濾料)，HCl的最適投量為5.1