逆向流充氧多級(jí)催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飲用水處理技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種高效同步去除水中高濃度氨氮、 鐵、錳的方法，是利用中間補(bǔ)氧實(shí)現(xiàn)全層各級(jí)均具備高效催化氧化去除水中高濃度氨氮、 鐵、猛的新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于城市人口集中和城市污水處理相對(duì)不力，以及大量化學(xué)肥料的使用，使地表 水源中的氨氮達(dá)到了較高的濃度。2007年，氨氮是長(zhǎng)江、黃河、海河和遼河的首要污染物， 同時(shí)也是珠江和淮河的主要污染物。2008年全國(guó)地表水河流國(guó)控?cái)嗝嬷邪钡覸類斷面 占19. 2%，全部斷面氨氮平均濃度為1.9mg/L，僅達(dá)V類標(biāo)準(zhǔn)水平?？梢?jiàn)，地表水源的氨氮 污染已成為現(xiàn)階段影響我國(guó)地表水源水質(zhì)主要污染因子。
[0003] 在對(duì)全國(guó)1817個(gè)地下水水源進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，氨氮指標(biāo)超標(biāo)率高達(dá)10. 63%， 處于所有考察指標(biāo)的第三位。地下水中的氨氮主要以離子形態(tài)NH4+存在，其產(chǎn)生的途徑主 要有三種：
[0004] (1)由地下水中有機(jī)物自然分解產(chǎn)生；
[0005] (2)由被污染的地表徑流或其他水體向地下水補(bǔ)給時(shí)帶入；
[0006] (3)降水下滲過(guò)程中由被污染土壤中匯入地下水。
[0007] 作為飲用水水源，氨氮濃度超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致自來(lái)水廠消毒過(guò)程消毒劑用量增加并產(chǎn)生 令人厭惡的嗅和味。同時(shí)，被氧化的氨氮轉(zhuǎn)化為硝氮、亞硝氮，尤其是形成的亞硝氮對(duì)人體 健康造成的危害更大。
[0008] 在對(duì)全國(guó)1817個(gè)地下水水源進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，鐵、錳指標(biāo)超標(biāo)率分別為 15. 58%和12. 56%，處于所有考察指標(biāo)的第一、二位。研究表明，當(dāng)鐵濃度高于0.5mg/L 時(shí)，水體會(huì)產(chǎn)生明顯嗅味與顏色，影響感官；長(zhǎng)期攝入過(guò)量的錳，可能導(dǎo)致消化系統(tǒng)與骨骼 疾病。錳中毒可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成永久性損害。
[0009] 對(duì)于水源中氨氮、鐵、錳同步去除的方法主要包括兩種：1.接觸催化氧化；2.生物 氧化。
[0010] 在接觸催化氧化工藝中，對(duì)鐵去除起主導(dǎo)作用的是鐵質(zhì)活性濾膜的自催化過(guò)程； 除錳則是由附著在濾料表面上的錳質(zhì)濾膜的接觸催化作用引起的。氨氮的去除是先被氧化 成亞硝氮，然后進(jìn)一步被氧化成硝氮。氨氮的去除是由石英砂表面附著的黑色"錳質(zhì)活性濾 膜"催化氧化。
[0011]接觸催化氧化同步去除氨氮、鐵、錳的過(guò)程中，溶解氧（D0)是一個(gè)重要的限制因 素。傳統(tǒng)的接觸催化氧化系統(tǒng)中，溶解氧消耗迅速（見(jiàn)圖1 (1))，發(fā)生在濾層的前40cm)，在 催化氧化系統(tǒng)中部和下部已無(wú)充足的溶解氧，導(dǎo)致催化氧化系統(tǒng)中部和下部不能進(jìn)行催化 氧化反應(yīng)（圖1(1))，抑制氨氮的進(jìn)一步去除。在濾層中，氧化氨氮、鐵、錳所需的D0濃度可 根據(jù)氧化還原反應(yīng)的電子得失計(jì)算（公式（1)~（4)):
[0012] 4. 5g02/gNH4+-N-N03-N (1)
[0013] 1. 2g02/gN02-N-N03-N (2)
[0014] 0? 14g02/gFe2+-Fe3+ (3)
[0015] 0? 29g02/gMn2+-Mn4+ (4)
[0016] 由理論計(jì)算公式（公式⑴~⑷）可知，當(dāng)水中氨氮濃度超過(guò)2mg/L時(shí)，所需要 的溶解氧濃度超過(guò)9mg/L，而進(jìn)水溶解氧濃度范圍一般為6-10mg/L。即進(jìn)水中溶解氧濃度 將成為接觸催化氧化的限制因子。一旦進(jìn)水中氨氮、鐵、錳濃度偏高，接觸催化氧化效果將 大幅度降低，出水氨氮、鐵、錳將不能達(dá)標(biāo)。因此，現(xiàn)有的催化氧化系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)水中高濃 度氨氮、鐵、錳的有效去除。
[0017] 綜上可見(jiàn)，飲用水源中高濃度氨氮、鐵、錳的經(jīng)濟(jì)高效去除已成為飲用水處理領(lǐng)域 所面臨的難題之一。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種處理高濃度氨氮、鐵、錳水源水的方法，對(duì)飲用水的 安全保障具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 為了解決現(xiàn)有接觸催化氧化濾層中層和下層存在的溶解氧不足問(wèn)題，本發(fā)明的目 的在于，提供一種經(jīng)濟(jì)高效的逆向流充氧多級(jí)催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳系 統(tǒng)。
[0019] 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：
[0020] -種逆向流充氧多級(jí)催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳的方法，其特征在 于，該方法采用由催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)、逆向流充氧系統(tǒng)和反沖洗系統(tǒng)組成的體系，其中：
[0021] 催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)采用過(guò)濾柱、濾池一體化形式，過(guò)濾柱內(nèi)的濾料采用石英砂負(fù) 載催化劑作為濾層，濾層總厚度為〇. 8m~1. 6m，濾層分為上層、中層和下層，其中，上層高 度為濾層厚度的1/4~1/3,剩余的濾層平均分成中層和下層；
[0022] 逆向流充氧系統(tǒng)由曝氣器、空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或純氧供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，曝氣器設(shè)置 在濾層的中層和下層之間，空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或純氧供應(yīng)系統(tǒng)為曝氣器提供氣源；
[0023] 反沖洗系統(tǒng)主要由反沖洗水栗、空氣壓縮機(jī)、反沖洗水管道、輸氣管道、吸水井構(gòu) 成；
[0024] 當(dāng)飲用水源通過(guò)催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)，濾層全層能高效地催化氧化去除水中的氨 氮、鐵、錳；下層還起到截留水中懸浮物的作用；催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)的濾速為4m/h~16m/h; 水流經(jīng)過(guò)中層和下層交界層時(shí)，依靠曝氣器向上流補(bǔ)氧，保證過(guò)濾柱內(nèi)的全濾層溶解氧濃 度大于2.Omg/L，使得中層有充足的溶解氧，同時(shí)氧氣與下向水流充分接觸，氧氣向水中傳 遞，使得進(jìn)入下層的水流具有充足的溶解氧，并具有有效截留水中殘留的懸浮物的能力， 保證出水濁度達(dá)標(biāo)；
[0025] 通過(guò)催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)的水，先用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行反沖洗，其強(qiáng)度為（10~20) !V(s?m2);然后反沖洗水栗和空氣壓縮機(jī)進(jìn)行氣水聯(lián)合反沖洗，水沖強(qiáng)度為（3~10)L/(S，氣沖強(qiáng)度為（10~20)L/(S ;最后進(jìn)行水沖，水沖強(qiáng)度為（3~10)L/(S。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：（1)與現(xiàn)有接觸催化氧化工藝相比，對(duì)于高負(fù)荷的氨氮（高 達(dá)4-9mg/L)、鐵、錳具有很好的去除效果；（2)與現(xiàn)有接觸催化氧化工藝相比，充分發(fā)揮了 中、下層活性濾料的催化氧化能力，提高了催化氧化效率和水處理能力；（3)該方法環(huán)境友 好，無(wú)二次污染；(4)該方法具有占地面積小，工程投資少、運(yùn)行成本低、管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)； (5)既適用于新建的地表水廠和地下水廠，也適用于地表水廠和地下水廠的升級(jí)改造。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是充氧前后氨氮、溶解氧的沿層變化規(guī)律圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明工藝示意圖；
[0029] 圖3為活化前的石英砂濾料SEM照片；
[0030] 圖4成熟的活性石英砂濾料SEM照片；
[0031]圖5是成熟的活性石英砂濾料的活性濾膜SEM照片；
[0032]圖6是成熟的活性石英砂濾料的氨氮（a)、鐵（b)、錳（c)去除效果圖。
[0033] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 一種逆向流充氧多級(jí)催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳的方法，采用由催 化氧化過(guò)濾系統(tǒng)、逆向流充氧系統(tǒng)和反沖洗系統(tǒng)組成的體系，工藝過(guò)程如圖2所示。
[0035] 所述的催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)可采用過(guò)濾柱、濾池一體化設(shè)備的形式。過(guò)濾柱內(nèi)的濾 料采用常規(guī)濾料（如石英砂）制成的負(fù)載催化劑，即石英砂表面負(fù)載催化氧化鐵錳復(fù)合濾 膜作濾層，濾層總厚度為〇. 8~1. 6m，濾層全層能高效地催化氧化去除水中的氨氮、鐵、錳； 濾層分為上層、中層和下層，其中，上層高度為濾層厚度的1/4~1/3,剩余的濾層平均分成 中層和下層，下層還起到截留水中懸浮物的作用；催化氧化過(guò)濾系統(tǒng)的濾速為4m/h~16m/ h;過(guò)濾周期為1~5d。
[0036] 所述的逆向流充氧系統(tǒng)由曝氣器、空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或純氧供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，曝氣 器設(shè)置在濾層的中層和下層之間，空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或純氧供應(yīng)系統(tǒng)為曝氣器提供氣源； 供氧量取決于進(jìn)水中氨氮、鐵、錳的濃度，以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾柱內(nèi)的全濾層溶解氧濃度大于2.Omg/ L；
[0037] 曝氣器的結(jié)構(gòu)形式為管式、盤式或鐘罩式結(jié)構(gòu)。
[0038] 反沖洗系統(tǒng)主要由反沖洗水栗、空氣壓縮機(jī)、反沖洗水管道、輸氣管道、吸水井構(gòu) 成；主要為保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，