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(dāng)前中國(guó)地下水源氨氮和錳污染問題日益嚴(yán)重，飲用水中過量的氨氮和錳會(huì)直接危害人體健康。氨氮在人體內(nèi)可被氧化成亞硝氮和硝氮，而這些物質(zhì)可誘發(fā)產(chǎn)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(huì)使人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害，引起記憶力減退、誘發(fā)肺炎，導(dǎo)致慢性中毒等。因此，地下水中氨氮和錳的同步高效去除，對(duì)保證飲用水安全起著至關(guān)重要的作用。本課題利用高錳酸鉀持續(xù)氧化進(jìn)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(jiǎn)稱氧化膜），這層

2、氧化膜對(duì)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(jī)理為研究重點(diǎn)，并依此展開其它相關(guān)研究，取得了以下成果和結(jié)論：
　　（1）縮短了濾料成熟周期，建立了氧化膜增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)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(duì)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(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，濾料表面氧化膜厚度隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)。2年運(yùn)行結(jié)果

3、表明，該動(dòng)力學(xué)模型可準(zhǔn)確描述氧化膜的增長(zhǎng)厚度和預(yù)測(cè)不同進(jìn)水錳濃度條件下的理論脫膜時(shí)間。反沖洗周期縮短一半作為脫膜的標(biāo)志，氧化膜厚度不應(yīng)超過150μm。
　?。?）確定了氨氮去除的主要影響因素。當(dāng)進(jìn)水中僅含氨氮時(shí)，溶解氧濃度越高，氨氮達(dá)標(biāo)可去除的負(fù)荷越高。氧化膜化學(xué)催化氧化氨氮的最大去除負(fù)荷為22.2g/(m3?h)，遠(yuǎn)高于生物條件下氨氮的去除負(fù)荷（1.5~6g/(m3?h)）。當(dāng)濾速為7~18m/h，進(jìn)水氨氮濃度為1.0~1.6m

4、g/L時(shí)，出水氨氮均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。進(jìn)水中鐵的存在會(huì)阻礙氨氮的氧化，氨氮對(duì)鐵的去除影響不大。錳的存在對(duì)于氨氮的去除沒有直接影響，氨氮會(huì)削弱錳的去除。當(dāng)進(jìn)水中同時(shí)含有氨氮、錳和鐵時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行6個(gè)月，氧化膜可高效穩(wěn)定地同步去除上述污染物。當(dāng)水溫低于6.6℃時(shí)，氧化膜仍具有很高的氧化活性。pH值的降低會(huì)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(duì)氨氮去除的削弱作用較大。整個(gè)濾層對(duì)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(dāng)成熟濾料的高度為100cm時(shí)，即使停止運(yùn)行60天，也可在3.5天后恢復(fù)對(duì)氨氮和錳的有效去除。
　?。?）進(jìn)一步驗(yàn)證了氧化膜的化學(xué)催化氧化作用，初步探討了作用機(jī)理。利用現(xiàn)場(chǎng)中試系統(tǒng)，在對(duì)催化氧化過濾系統(tǒng)進(jìn)行紫外、臭氧和過氧化氫協(xié)同、持續(xù)完全滅活條件下，對(duì)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(xué)催化氧化作用是去除水中氨氮和錳的主導(dǎo)作用。該成果改變了國(guó)內(nèi)外廣泛

6、認(rèn)可的氨氮去除的生物氧化主導(dǎo)作用的結(jié)論，提出了一種水中氨氮去除的新技術(shù)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(jī)理：O2吸附到氧化膜表面生成具有強(qiáng)氧化性的中間產(chǎn)物·O，活化態(tài)的·O和吸附態(tài)的NH4+反應(yīng)生成[NH]和H+，然后·O和[NH]繼續(xù)反應(yīng)生成最終產(chǎn)物NO3-。
　　（4）Mn2+的催化氧化過程符合偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)，初步探討了其催化氧化機(jī)理。氧化膜對(duì)水中Mn2+的吸附過程可用Lagergren偽一級(jí)

7、動(dòng)力學(xué)方程描述，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.98以上。log([Mn2+]t/[Mn2+]0)與空床接觸時(shí)間（EBCT）為線性關(guān)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(jié)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(jī)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(yīng)

8、，生成復(fù)雜的氧化物，其中僅少量氧化物轉(zhuǎn)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(fù)濾池的反沖洗周期，且同時(shí)不影響水處理效果，分別利用O3、H2O2、ClO2、Na2SO3和HCl五種脫膜劑對(duì)濾料進(jìn)行化學(xué)脫膜實(shí)驗(yàn)，脫膜劑處理后，部分氧化膜自濾料表面剝離脫落。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)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