逆向流充氧多級催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于飲用水處理技術領域，主要涉及一種高效同步去除水中高濃度氨氮、 鐵、錳的方法，是利用中間補氧實現全層各級均具備高效催化氧化去除水中高濃度氨氮、 鐵、猛的新技術。
【背景技術】
[0002] 由于城市人口集中和城市污水處理相對不力，以及大量化學肥料的使用，使地表 水源中的氨氮達到了較高的濃度。2007年，氨氮是長江、黃河、海河和遼河的首要污染物， 同時也是珠江和淮河的主要污染物。2008年全國地表水河流國控斷面中氨氮劣V類斷面 占19. 2%，全部斷面氨氮平均濃度為1.9mg/L，僅達V類標準水平。可見，地表水源的氨氮 污染已成為現階段影響我國地表水源水質主要污染因子。
[0003] 在對全國1817個地下水水源進行監測評價發現，氨氮指標超標率高達10. 63%， 處于所有考察指標的第三位。地下水中的氨氮主要以離子形態NH4+存在，其產生的途徑主 要有三種：
[0004] (1)由地下水中有機物自然分解產生；
[0005] (2)由被污染的地表徑流或其他水體向地下水補給時帶入；
[0006] (3)降水下滲過程中由被污染土壤中匯入地下水。
[0007] 作為飲用水水源，氨氮濃度超標會導致自來水廠消毒過程消毒劑用量增加并產生 令人厭惡的嗅和味。同時，被氧化的氨氮轉化為硝氮、亞硝氮，尤其是形成的亞硝氮對人體 健康造成的危害更大。
[0008] 在對全國1817個地下水水源進行監測評價發現，鐵、錳指標超標率分別為 15. 58%和12. 56%，處于所有考察指標的第一、二位。研究表明，當鐵濃度高于0.5mg/L 時，水體會產生明顯嗅味與顏色，影響感官；長期攝入過量的錳，可能導致消化系統與骨骼 疾病。錳中毒可導致神經系統缺陷，嚴重時會對神經系統造成永久性損害。
[0009] 對于水源中氨氮、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，對鐵去除起主導作用的是鐵質活性濾膜的自催化過程； 除錳則是由附著在濾料表面上的錳質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、錳的過程中，溶解氧（D0)是一個重要的限制因 素。傳統的接觸催化氧化系統中，溶解氧消耗迅速（見圖1 (1))，發生在濾層的前40cm)，在 催化氧化系統中部和下部已無充足的溶解氧，導致催化氧化系統中部和下部不能進行催化 氧化反應（圖1(1))，抑制氨氮的進一步去除。在濾層中，氧化氨氮、鐵、錳所需的D0濃度可 根據氧化還原反應的電子得失計算（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] 由理論計算公式（公式⑴~⑷）可知，當水中氨氮濃度超過2mg/L時，所需要 的溶解氧濃度超過9mg/L，而進水溶解氧濃度范圍一般為6-10mg/L。即進水中溶解氧濃度 將成為接觸催化氧化的限制因子。一旦進水中氨氮、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、錳將不能達標。因此，現有的催化氧化系統難以實現對水中高濃 度氨氮、鐵、錳的有效去除。
[0017] 綜上可見，飲用水源中高濃度氨氮、鐵、錳的經濟高效去除已成為飲用水處理領域 所面臨的難題之一。因此，亟需開發一種處理高濃度氨氮、鐵、錳水源水的方法，對飲用水的 安全保障具有重要意義。
【發明內容】
[0018] 為了解決現有接觸催化氧化濾層中層和下層存在的溶解氧不足問題，本發明的目 的在于，提供一種經濟高效的逆向流充氧多級催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳系 統。
[0019] 為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案：
[0020] -種逆向流充氧多級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濾系統、逆向流充氧系統和反沖洗系統組成的體系，其中：
[0021] 催化氧化過濾系統采用過濾柱、濾池一體化形式，過濾柱內的濾料采用石英砂負 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] 逆向流充氧系統由曝氣器、空氣壓縮機、鼓風機或純氧供應系統構成，曝氣器設置 在濾層的中層和下層之間，空氣壓縮機、鼓風機或純氧供應系統為曝氣器提供氣源；
[0023] 反沖洗系統主要由反沖洗水栗、空氣壓縮機、反沖洗水管道、輸氣管道、吸水井構 成；
[0024] 當飲用水源通過催化氧化過濾系統，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；催化氧化過濾系統的濾速為4m/h~16m/h; 水流經過中層和下層交界層時，依靠曝氣器向上流補氧，保證過濾柱內的全濾層溶解氧濃 度大于2.Omg/L，使得中層有充足的溶解氧，同時氧氣與下向水流充分接觸，氧氣向水中傳 遞，使得進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， 保證出水濁度達標；
[0025] 通過催化氧化過濾系統的水，先用空氣壓縮機進行反沖洗，其強度為（10~20) !V(s?m2);然后反沖洗水栗和空氣壓縮機進行氣水聯合反沖洗，水沖強度為（3~10)L/(S，氣沖強度為（10~20)L/(S ;最后進行水沖，水沖強度為（3~10)L/(S。
[0026] 本發明的有益效果是：（1)與現有接觸催化氧化工藝相比，對于高負荷的氨氮（高 達4-9mg/L)、鐵、錳具有很好的去除效果；（2)與現有接觸催化氧化工藝相比，充分發揮了 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)該方法環境友 好，無二次污染；(4)該方法具有占地面積小，工程投資少、運行成本低、管理簡單等特點； (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改造。
【附圖說明】
[0027] 圖1是充氧前后氨氮、溶解氧的沿層變化規律圖；
[0028] 圖2是本發明工藝示意圖；
[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] 以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
【具體實施方式】
[0034] 一種逆向流充氧多級催化氧化同步去除水中高濃度氨氮、鐵、錳的方法，采用由催 化氧化過濾系統、逆向流充氧系統和反沖洗系統組成的體系，工藝過程如圖2所示。
[0035] 所述的催化氧化過濾系統可采用過濾柱、濾池一體化設備的形式。過濾柱內的濾 料采用常規濾料（如石英砂）制成的負載催化劑，即石英砂表面負載催化氧化鐵錳復合濾 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；催化氧化過濾系統的濾速為4m/h~16m/ h;過濾周期為1~5d。
[0036] 所述的逆向流充氧系統由曝氣器、空氣壓縮機、鼓風機或純氧供應系統構成，曝氣 器設置在濾層的中層和下層之間，空氣壓縮機、鼓風機或純氧供應系統為曝氣器提供氣源； 供氧量取決于進水中氨氮、鐵、錳的濃度，以實現過濾柱內的全濾層溶解氧濃度大于2.Omg/ L；
[0037] 曝氣器的結構形式為管式、盤式或鐘罩式結構。
[0038] 反沖洗系統主要由反沖洗水栗、空氣壓縮機、反沖洗水管道、輸氣管道、吸水井構 成；主要為保證系統連續運行，