第周，第18_讲次课程名称：《水质工程学I》摘要六章水的其它处理法授课题目（章、节）6-1地下水除铁除锰本讲目的要求及重点难点：【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】第六章水的其它处理S6-1地下水除铁除锰一、地下水中的铁、锰1、危害：铁量高时：水有铁腥味；对某些工业（造纸、印染、纺织、皮革、化工等）的产品质量有影响；（产生锈斑）使家庭洁具（磁盆和浴缸等）发生锈斑；衣服染色（黄色、铁锈色）；沉积的Fe203会滋长铁细菌，阻塞管道。锰量高时：同铁的危害一样。色（微黑或浅灰色）2、我国规定：铁≤0.3mg/1锰≤0.1mg/13、水中的铁锰：地下水溶解的矿物质，地下水缺氧，铁离子以Fe2+；Fe3+形态存在
课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 18 讲次 摘 要 授课题目（章、节） 六章 水的其它处理法 6-1 地下水除铁除锰 本讲目的要求及重点难点： 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 第六章 水的其它处理 §6-1 地下水除铁除锰 一、地下水中的铁、锰 1、危害： 铁量高时：水有铁腥味； 对某些工业（造纸、印染、纺织、皮革、化工等）的产品质量有 影响；（产生锈斑） 使家庭洁具（磁盆和浴缸等）发生锈斑； 衣服染色（黄色、铁锈色）； 沉积的 Fe2O3会滋长铁细菌，阻塞管道。 锰量高时：同铁的危害一样。 色（微黑或浅灰色） 2、我国规定：铁≤0.3mg/l 锰≤0.1mg/l 3、水中的铁锰： 地下水溶解的矿物质，地下水缺氧，铁离子以 Fe2+；Fe3+形态存在
锰离子Mn2+、Mn3+、Mn4+、Mn6+、Mn7+形态存在。二、地下水除铁方法：1、水中铁的存在形态：Fe2：FeOH～Fe（OH)3水合离子（羟基结合离子态）当总碱度高时，以重碳酸盐的形态存在Fe（HCO3)2F：Fe(OH)3溶解度非常低。图式为水中铁的平衡：铁的溶解度与氧化还原电位En及PH值的关系图。101.rem0.8-0.6-@Fox0.4Fe(OH),0.0-0.2Fe0FeS-0.4FerOH)2HFeOi- 0.60.8gl121ptt图19-1铁的落解度与En,pH关系(25℃，101kPa，总无机碳浓度10*mol,总无机燕浓度10mol）由能斯特方程：[氯化态En=E°_ 0.059lg[还原态]nE—标准电极单位；n一电子数；[氯化态EN=E°_RT,-In[还原态]nFF一法拉第系数图中：区域En、PH高：主要是由Fe(OH)3固体对平衡的控制。水中Fe3
锰离子 Mn2+、Mn3+、 Mn4+、Mn6+、Mn7+形态存在。 二、地下水除铁方法： 1、水中铁的存在形态： Fe2+：FeOH+～Fe(OH)-3 水合离子（羟基结合离子态） 当总碱度高时，以重碳酸盐的形态存在 Fe(HCO3)2 F 3+：Fe(OH)3溶解度非常低。 图式为水中铁的平衡：铁的溶解度与氧化还原电位 En 及 PH 值的关 系图。 由能斯特方程： 还原态 氯化态 lg 0 0.059 n EH = E − E o—标准电极单位； n—电子数； 还原态 氯化态 ln 0 nF RT EH = E − F—法拉第系数 图中： 区域①En、PH 高：主要是由 Fe(OH)3 固体对平衡的控制。水中 Fe3+
的含量一水中铁的含量很低。平衡式：Fe(OH)3+3HFe+3H20区域②，由碳酸亚铁FeCO3固体控制水中铁的浓度。FeCO3+HFe*+HCO*3铁的浓度高。除铁的重点。区域③，FeS固体控制水中铁的浓度。FeSFe+s铁的含量低2、除铁动力学：主要是：将二价铁氧化成三价铁，利用Fe（OH)3的浓度积值很低，而将Fe沉淀去除。动力学研究铁的氧化速率：4Fe*+02+10H204Fe(OH)3+8H当PH值大于5.5时，二价铁的氧化速率alFe"] _ - [Fe~- JoH-] P. (mol min)dtk——反应速率常数8×10"L/mo12·KPa·min20.5℃时Po2—一气相中氧的分压力,Kpa[OH]一一氢氧根离子浓度,mo1/L[Fe2′]一一时间t的二价离子浓度,mol/L变换上式得：alFe --[oH-T PoFe2+Jdtdin[Fe'] _-[oH-] Po.dtPO2一大气中的氧分压，一般为21.3KPa令k=kPOz则：
的含量—水中铁的含量很低。 平衡式： Fe(OH)3+3H+ Fe3++3H2O 区域②，由碳酸亚铁 FeCO3 固体控制水中铁的浓度。 FeCO3+H+ Fe2++HCO-3 铁的浓度高。除铁的重点。 区域③，FeS 固体控制水中铁的浓度。 FeS Fe2++S2- 铁的含量低 2、 除铁动力学： 主要是：将二价铁氧化成三价铁，利用 Fe(OH)3 的浓度积值很低， 而将 Fe3+沉淀去除。 动力学研究铁的氧化速率： 4Fe2++O2+10H2O 4Fe(OH)3+8H+ 当 PH 值大于 5.5 时，二价铁的氧化速率： ( / min) 2 2 2 2 = − + − + k Fe OH P mol L dt d Fe O k——反应速率常数 8×1011L 2 /mol2·KPa·min 20.5℃时 Po2——气相中氧的分压力,Kpa [OH－ ]——氢氧根离子浓度,mol/L [Fe2+]——时间 t 的二价离子浓度,mol/L 变换上式得： 2 2 2 2 OH PO k Fe dt d Fe − + + = − 02 2 2 ln k OH P dt d Fe − + = − PO2—大气中的氧分压， 一般为 21.3KPa 令 k′=kPO2则：
dn[Fe'] --k [oH-}dt[oH-]-r水的电离常数：k,=10-14代入式中：并令k"=k2.k2PH=-Ig[H+「 din[Fe]=lgk"+2PH原可换算为：lgdtL可见：除铁的影响因素：（1）PH高促进二价铁的氧化。（2）K”中隐着氧化剂的浓度。（POz分压力）fig19-2实验与公式的情况，当PHK5.5时，二价铁的氧化速度缓慢（实验高于公式计算值）3. 62. 01.00.02, 03. 6。T。4, 0公需是长线”-5.0铁的氧化速率实验和理论曲线3、除铁方法：①常用氧化剂：02空气中的氧、方便、经济。（多用此法）Cl2氧化。高锰酸钾氧化②反应式：4Fe2++02+10H20~4Fe(OH)3+8H每氧化1mg/L的Fe2+
2 / 2 ln − + = −k OH dt d Fe 水的电离常数： 14 10− kw = + − = H k OH w 代入式中: 并令 // 2 / k k k w = + PH = −lg H 原可换算为： k PH dt d Fe lg 2 ln lg 2 = + − + 可见：除铁的影响因素： （1）PH 高促进二价铁的氧化。 （2）K〞中隐着氧化剂的浓度。（PO2分压力） fig19-2 实验与公式的情况，当 PH<5.5 时，二价铁的氧化速度缓慢 （实验高于公式计算值） 3、除铁方法： ①常用氧化剂：O2空气中的氧、方便、经济。（多用此法） Cl2氧化。 高锰酸钾氧化 ②反应式： 4Fe2++O2+10H2O 4Fe(OH)3+8H+ 每氧化 1mg/L 的 Fe2+
需氧0.14mg/L，产生0.036mg/L的H，→降低1.8mg/L的碱度（以CaC03计）→使水偏酸，→PH降低→降低铁氧化的速度。③二价铁氧化速率与PH的关系：50r20.5TPoz=常数40-DH6. 563H6.828FP2130401020510时间(min)图19-3二价铁氧化速率和pH关系可由19-3看出：（半对数）横轴：时间（min）。纵轴：铁Fe*浓度。PH越高反应（二价铁的氧化）越快④使氧向水的转移（传质）一一曝气(i.复氧；作用：3ii.除CO2-pH/地下水中不含氧，含COz很高。氧、二氧化碳略溶于水，其溶解度与温度和气体分压有关。（物化中学过)当1个atmPo=21.3KPaPoo2=0.03~0.1KPaO,和CO,在水中的溶解度(L/L，0.1MPa)表 19-15101530水温（）020250.0490.0430.0380.0340.0310.0280.026CO21.7131.4241,1941.0190.8780.7590.665
需氧 0.14mg/L， 产生 0.036 mg/L 的 H +，→降低 1.8mg/L 的碱度（以 CaCO3计）→ 使水偏酸，→PH 降低→降低铁氧化的速度。 ③二价铁氧化速率与 PH 的关系： 可由 19-3 看出：（半对数） 横轴：时间（min）。 纵轴：铁 Fe2+浓度。 PH 越高反应（二价铁的氧化）越快。 ④使氧向水的转移（传质）——曝气 i.复氧; 作用： ii.除 CO2→pH↗ 地下水中不含氧，含 CO2很高。 氧、二氧化碳略溶于水，其溶解度与温度和气体分压有关。（物 化中学过） 当 1 个 atm PO2=21.3KPa PCO2=0.03～0.1KPa
③方法：鼓风曝气一一将气泡分散于水中。淋水曝气一一将水分散于空气中。4、设计：①理论需氧与操作复氧量理论：1mg/LFe需0.14mg/L02。实际：理论值的3～4倍。原因：水中其它杂质耗氧；可加快二价铁氧化速度。②曝气塔：（接触式曝气塔）i.构造：f19-5填料：板条；焦炭；（轻）（面积大）矿碴。曝气塔多为焦炭。粒径d=30~50mm原7出水焦炭层0.3~0.4mOE上下留净距≥0.6m（空气流通）图19-5曝气塔除铁ii.工作：由塔顶喷管淋下，气与1—焦炭层30~40cm，2浮球阀水接触面积大。O2→水：Fe(OH)沉于焦碳上。Fe(OH)：膜对Fe2+氧化→Fe有催化作用。水力负荷：5~5m/h·m；溶解氧饱和度可达：75～85%二氧化碳挥发率达：50~60%当地下水铁含量为10mg/L时宜用板条式，（原因）不易堵。③射流曝气：利用射流器吸入空气，适用：[F2*]<10mg/L工艺：如图f19-4（泵前曝气）
⑤方法： 鼓风曝气——将气泡分散于水中。 淋水曝气——将水分散于空气中。 4、设计： ①理论需氧与操作复氧量 理论：1mg/L Fe2+需 0.14mg/L O2 。 实际：理论值的 3～4 倍。 原因：水中其它杂质耗氧；可加快 二价铁氧化速度。 ②曝气塔： （接触式曝气塔） i.构造：f19-5 填料：板条；焦炭;（轻）（面积大） 矿碴。 曝气塔多为焦炭。 粒径 d=30～50mm 焦炭层 0.3～0.4m。 上下留净距≥0.6m（空气流通） ii.工作：由塔顶喷管淋下，气与 水接触面积大。O2→水；Fe(OH)3↓沉于焦碳上。 Fe(OH)3膜对 Fe2+ 氧化→ Fe3+有催化作用。 水力负荷：5～5m3 /h·m 2； 溶解氧饱和度可达：75～85% 二氧化碳挥发率达： 50～60% 当地下水铁含量为 10mg/L 时宜用板条式，（原因）不易堵。 ③射流曝气： 利用射流器吸入空气， 适用：[F2+]＜10mg/L 工艺：如图 f19-4（泵前曝气）
原水→曝气→催化氧化过滤（可用快滤池或压力滤池）曝气量：1L气/m水，去除1mg/LFe3适用：原水含Fe*较低，并且无CO,需去除。滤池：石英砂：d=0.5~1.2mm图19-4射流暖气除铁锰砂：d=0.6~2.0mm1一深井泵，2—水射器：3除铁滤范滤层厚：重力式滤池：700~1000mm。压力式滤池：1000~1500mm。成熟期：Fe(OH)：膜对Fe2+→Fe有催化作用。有研究表明有铁细菌的作用。新滤池要工作一段时间形成膜后，其除铁效果才稳定。一般一个月以上。（据原水水质）滤速：v=5~10m/h外国学者研究的经验式：1.2370.8v= 0.8 (3.0pH - 18.6)Fe,v——滤速，m/h；Fe一一滤池进水含铁量，mg/L；Fer一滤池出水含铁量，mg/L；L一一滤层厚度，m;d一一滤池有效粒径，mm;t一一水温，℃。适用条件：v≤30m/h；进水含铁量：Fe0=0.5~13.0mg/1；进水：PH=6.8~7.3。水温：6~18℃。二、地下水除锰方法：1、特点：锰的氧化还原电位高于铁的氧化还原电位。一般锰与铁
原水→曝气→催化氧化过滤 （可用快滤池或压力滤池） 曝气量：1L 气/m3水，去除 1mg/LFe3+ 适用：原水含 Fe2+较低，并且无 CO2需去 除。 滤池：石英砂：d=0.5～1.2mm 锰砂：d=0.6～2.0mm 滤层厚：重力式滤池：700～1000mm。 压力式滤池：1000～1500mm。 成熟期：Fe(OH)3 膜对 Fe2+ → Fe3+有催化作用。有研究表明有铁细 菌的作用。新滤池要工作一段时间形成膜后，其除铁效果才稳定。 一般一个月以上。（据原水水质） 滤速：v=5～10m/h 外国学者研究的经验式： ( ) 1.23 0 0.1 0 0.8 ln 0.8 3.0 18.6 = − d L Fe Fe Fe t v pH L v——滤速，m/h； Fe0——滤池进水含铁量，mg/L； FeL——滤池出水含铁量，mg/L； L——滤层厚度，m； d——滤池有效粒径，mm； t——水温，℃。 适用条件：v≤30m/h； 进水含铁量： Fe0=0.5～13.0mg/l； 进水：PH=6.8～7.3。 水温：6～18 ℃。 二、地下水除锰方法： 1、特点：锰的氧化还原电位高于铁的氧化还原电位。一般锰与铁
共生于水中。2、原理：（1）2Mn2++02+2H202MnO2+4H（2）微生物对锰的氧化。一铁细菌作用。当PH去除速度快3、氧化工艺中的催化过程：反应中生成MnO,沉淀。Mn（被吸附)+MnO,吸附>MnMnO,1（催化过程）+0,氧化→MnO,4、除锰工艺：原水→曝气→催化氧化过滤（铁细菌作用）据反应式：氧化1mg/L·Mn需氧0.29mg/L产生0.036mg/LH
共生于水中。 2、原理： （1） 2Mn2++O2+2H2O 2MnO2+4H+ （2）微生物对锰的氧化。—铁细菌作用。 当 PH＜9.5 时，这个过程很慢。 如果要用 Mn2++CO3 2-→MnCO3↓ pH 值要大于 8.5。 试验结果：Mn2+的氧化去除是自动催化过程。其速度遵循以下规律： Kt Mn Mn A = − + + lg 1 2 0 2 [Mn2+]0——开始时二价锰的浓度，mg/l。 [Mn2+]——t 时刻的二价锰的浓度，mg/l。 A——常数。 K——自动催化反应速率常数。 用曝气法，其氧化速度与[OH－ ]2及 Po2成正比。 2 2 2 k OH PO dt d Mn − = − + PH 高→[OH－ ]↗ 去除速度快。 3、氧化工艺中的催化过程： 反应中生成 MnO2沉淀。 ( ) 2 2 2 2 Mn MnO Mn MnO + ⎯⎯→ + + 被吸附 吸附 （催化过程） ↓ + O2 ⎯ ⎯→MnO2 氧化 4、除锰工艺： 原水→曝气→催化氧化过滤（铁细菌作用） 据反应式：氧化 1mg/L·Mn2+ 需氧 0.29mg/L 产生 0.036mg/L H +
5、催化氧化过滤：在滤料上生成MnO2膜（黑色）滤料一般是石英砂或锰砂。形成MnO2膜后催化。铁对除锰的干扰：当原水含铁、锰高就应该即除铁又要除锰。方法：加厚滤料层上部除铁适用铁锰下部除锰含量不太高。双层滤料上层：除铁也可在压力滤下层：除锰池中分层自动排气.2.00-排R泥05'除管铁1~3mm1-...预o0.80载Y3化池0除文锰21.~3mmT1..空气冲洗TX-压缩空气IXII4原水冲洗水一大一除铁水除铁除锰双层滤池
5、催化氧化过滤： 在滤料上生成 MnO2 膜（黑色） 滤料一般是石英砂或锰砂。形成 MnO2 膜后催化。 铁对除锰的干扰： 当原水含铁、锰高就应该即除铁又要除锰。 方法：加厚滤料层 上部除铁 适用铁锰 下部除锰 含量不太高。 双层滤料 上层：除铁 也可在压力滤 下层：除锰 池中分层
【本讲课程的小结】【本讲课程的作业】P题：
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