高含量铁锰离子酸性水处理工艺优化改进

摘要：在我国，铁和锰含量较高的地下水分布极为广泛。铁与锰在地下水中往往共存，并且通常以溶解度较高的二价形态存在。高浓度的铁离子会导致水质呈现黄色，并伴有显著的铁锈味，同时容易导致衣物和器皿染色变黄，促进铁细菌在管网中的生长，从而对生活和生产用水造成污染，并对管道系统造成损害。此外，高铁含量的水进入锅炉和热交换设备时，容易形成氧化铁垢和垢下腐蚀；而当高铁含量的原水进入离子交换器时，则易导致树脂中毒。

关键词：铁锰离子；水处理；工艺优化；环保技术

铁锰是人体不可缺少的微量元素，人体内所需要的铁锰主要来源于食物和饮水。然而，水中含铁量过多，也会造成危害。据测定，当水中含铁锰的浓度超过一定限度，就会产生红褐色的沉淀物，生活上，能在白色织物或用水器皿，卫生器具上留下黄斑，同时还容易使铁细菌繁殖堵塞管道。饮用水铁锰过多，会引起身体身体不适。

1.铁锰超标及对人体和生产的危害

1.1铁、锰都属于金属元素，在自然界的岩石和土壤中都很常见，它们往往是一对伴生元素同时存在于天然水中，含铁的地表中或多或少含有一定量的锰。铁锰含量如果超标管网水中会出现黑色颗粒，并伴有水黑或水黄现象。

1.2饮用水含高浓度的铁、锰，可引起食欲不振，呕吐，腹泻，胃肠道紊乱，大便失常。长期饮用会出现慢性中毒症状，诱发肝硬化、骨质疏松、行走困难，严重者甚至出现肌肉震颤等症状。

1.3在工业用水中，铁锰含量过高会使印染、造纸行业的产品质量下降。在城市供水行业中，高浓度的铁锰的水源不但要增加净水设施，而且还会使制水成本升高，缩短输送管道的使用年限，降低出厂和管网水质，造成了一定程度经济和社会效益的负面影响。国家在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中对作为集中式生活饮用水地表水源地补充项目的铁、锰指标进行限制：Fe≤0.3mg/L、Mn≤0.1mg/L，《生活饮用水卫生标准》（GB5749-85）规定，铁含量≤0.3㎎/L，锰含量≤0.1㎎/L。

2.含铁锰废水分布及特点

2.1含铁废水分布及特点：溶解于天然淡水中的铁含量变化很大，从每升几微克到几百微克，甚至超过1毫克。这主要取决于水的氧化还原性质和pH值。在还原性条件下，二价铁占优势；在氧化性条件下，三价铁占优势。二价铁的化合物溶解度大。二价铁进入中性的氧化性条件的水中，就逐渐氧化为三价铁。三价铁的化合物溶解度小，可水解为不溶的氢氧化铁沉淀。三价铁只有在酸性水中溶解度才会增大，或者在碱性较强而部分地生成络离子如Fe(OH)宮时，溶解度才有增加的趋势。因此，在pH值约为6～9的天然水中，铁的含量不高。只有在地下水中，在主要由地下水补给的河段中，以及在湖泊底层水中才有高含量的铁。海洋中铁的平均值为2微克／升。工厂排放的含铁废水酸性很强时，铁含量很高；含铁废水排入天然水体，往往由于酸性降低，产生三价的氢氧化铁沉淀。新生成的胶体氢氧化铁有很强的吸附能力，在河流中能吸附多种其他污染物，而被水流带到流速减慢的地方，如湖泊、河口等处，逐渐沉降到水体底部。在水体底部的缺氧条件下，由于生物作用，三价铁又被还原为易溶的二价铁，其他污染物随铁的溶解而重新进入水中。

2.1含锰废水分布及特点：油田企业的外排废水中锰浓度相对较高，必须进行深度处理。锰代镍生产不锈钢工艺突破后，电解金属锰的需求量猛增。95%以上的电解锰生产企业是用碳酸锰矿为原料，采用酸浸、复盐电解制锰工艺，在电解锰生产过程中会产生大量的废水，其主要废水污染源是钝化废水、洗板废水、车间地面冲洗废水、滤布清洗废水、板框清洗废水、清槽废水、渣库渗滤液、厂区地表径流和电解槽冷却水等。每生产1t电解锰，大约排放工业废水350t。

3.高含量铁锰离子酸性水处理工艺案例

3.1优化流程

某酸性水中，主要2种污染物Fe2+和Mn2+的去除率分别只有约62%和51%，含量平均值分别达到了7.8mg/L和5.2mg/L，达不到综合污水排放标准，表明当前该工艺无法满足实际需要，对此，研究人员决定对现有工艺做优化调整｡将原有池体作为初沉调节池使用，便于井下涌水量短时过大的均质均量调节；新建中和、曝气、中间水池等组合池，完善酸性煤矿废水的必要工艺段；充分利用原有操作间和值班室；新建处理能力200m3/h的高效絮凝沉淀器和全自动锰砂过滤器；同时更换污水提升泵、增加加药系统和计量泵，并更换电气控制系统及电缆。由此得到优化后的工艺流程如图1所示。

图1

此条件下的工艺流程如下：酸性废水进入初沉调节池后，当高水位时，污水提升泵通过真空引水罐将污水提升至中和池，同时投加碱液，以达到来水时及时加药进行中和，中和后的废水通过初沉池将中和产生的污泥进行初步沉淀，出水进入曝气池，在充氧条件下，将废水中未氧化的低价态铁、锰进行氧化，氧化成高价态后投加絮凝药剂进入中间水池，由中间水池提升泵提升至高效絮凝沉淀器并进入全自动锰砂过滤器进行净化，出水回用或流入标准化排污口排放。

3.2优化方案

结合该矿井现有条件，使用石灰乳(主要成分为Ca(OH)2)作为矿井酸性废水处理药剂，以发挥其调整pH值､沉降铁锰离子和絮凝作用(该材料可使酸性水中的微粒物和胶体脱稳而彼此聚集，在重力作用下沉降去除)｡在选定该药剂后，按照如下步骤进行实验:按照一定计量比将矿井酸性废水与石灰乳进行混合反应，控制反应温度和反应时间，用玻璃棒不断搅拌，待反应结束后，过滤并取滤液，后应用分光光度法，对滤液中的Fe2+和Mn2+去除率n进行测定，计算式如下

式中，c0为酸性水原始离子浓度，mg/L；c1为处理后酸性水离子浓度，mg/L｡为实现对c1值的准确测定，本次应用分光光度法｡一方面，对Fe2+进行测定，其步骤如下：用吸量管确吸取5mL需要进行测定的水样，于100mL容量瓶中，然后用吸量管准确吸取并依次加入1.0mL盐酸溶液，5.0mL邻菲罗啉溶液，再加入刚果红试纸，用氨水溶液逐渐调至刚果红试纸变成红色，加入5.0mL缓冲溶液，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，放置约30min后以零标准溶液作参比，用比色皿在分光光度计上510nm处测量溶液的吸光度值｡另一方面，对Mn2+进行测定，用吸量管准确吸取25mL水样置于50mL比色管中，然后用吸量管准确吸取并依次加入10mL焦磷酸钾-乙酸钠缓冲溶液，3mL高碘酸钾溶液，用蒸馏水定容至刻度，摇匀，放置10min后以蒸馏水作参比，用比色皿，在分光光度计上525nm处测量溶液的吸光度值｡上述吸光度值测试完成后，应用以下计算式，分别对Fe2+和Mn2+的离子浓度进行计算：

式中，c11为水样中Fe2+浓度，mg/L；c12为水样中Mn2+浓度，mg/L；m1为试验水样中Fe2+的质量，mg；m2为试验水样中Mn2+的质量，mg；V1为测定Fe2+时实际取用的原水样的体积，mL；V2为测定Fe2+时实际取用的原水样的体积，mL｡式(2)和式(3)分别用于计算实验处理后Fe2+和Mn2+的离子浓度｡另外，根据标准溶液吸光度测定数据，绘制工作曲线作为精准分析去除率的依据，标准曲线如图2所示｡

图2

整体来看，在本次研究工作当中，结合实际情况，通过在设置中和曝气池（曝气单元加投石灰乳措施），先在井下预处理一次，再排至原有的处理站处理使出水水质有了明显的改观，减少了废水中铁、锰离子直接排至外环境。从实际测试效果来看，通过以上措施的实施，基本成功解决了矿井酸性废水的处理难题，为矿井健康、绿色发展提供了重要保障；具有较高的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]贾郁菲，陈宏坪，张文影，等.甲壳生物质修复废弃煤矿酸性矿坑水研究进展[J].环境保护科学，2024，50(2):1-7.