曝气-石灰碱化法除铁除锰、降低水的硬度和溶解性总固体含量的应用
提要:通过烧杯、模型和生产试验证明，曝气-石灰碱化法可同时去除水中的铁和锰，降低水的总硬度和溶解性总固体含量，处理后水质达到《生活饮用水水质标准》。
关键词:曝气,石灰碱化,pH值,助凝,饮用水
我国有许多地区为盐碱地，如黑龙江省西部大庆地区等，地下水中碱度高，除含有过量的铁和锰外，水的总硬度和溶解性总固体含量亦超过标准。
大庆市大同区原有水厂采用射流曝气锰砂过滤罐常规除铁锰工艺，只能去除水中的铁和锰，不能降低水中的总硬度和溶解性总固体含量，其水质达不到《生活饮用水水质标准》。为此，在大庆市大同区进行了地下水除铁除锰、降低水的总硬度和溶解性总固体含量的研究，在烧杯、模型试验的基础上进行了水厂生产试验，并成功地投入生产。
1 水质特点及处理方法
大庆市大同区地下水水质特点为碱度高，水温低(冬季1℃，夏季10℃)，有几项指标含量超标，其中铁含量为1.2～1.7mg/L，锰含量为0.15mg/L，总硬度(以CaCO3计)为530～620mg/L，溶解性总固体含量为1364～1520mg/L。原水水质分析报告见表1。
| 表1 原水、净化水水质 |
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石灰经消化后，制成石灰乳投加在原水中，在高pH值条件下与重碳酸盐产生如下反应：
Ca(HCO3)2+Ca(OH)2＝2CaCO3↓+2H2O
Mg(HCO3)2+Ca(OH)2＝CaCO3↓+MgCO3+2H2O
MgCO3+Ca(OH)2＝Mg(OH)2↓+CaCO3↓
曝气向水中溶解氧气，去除水中有臭鸡蛋味的硫化氢和游离性二氧化碳。在高pH值条件下，溶解氧可以迅速氧化水中的二价铁离子和二价锰离子，其反应如下：
4Fe2++O2+10H2O＝4Fe(OH)3↓+8H+
2Mn2++O2+2H2O＝2MnO2↓+4H+
上述各反应生成的CaCO3、Mg(OH)2、Fe(OH)3、MnO2均为沉淀物。CaCO3具有良好的絮凝作用，使各种沉淀物在反应池中絮凝，在沉淀池和滤池中去除。实践证明，在用石灰碱化法去除水中总硬度的同时，也可以去除部分溶解性总固体中的其它部分。从而达到除铁除锰、降低水的总硬度和总溶解性固体的目的。
2 烧杯试验
在烧杯内用Ca(OH)2溶液把原水调至不同的pH值，做絮凝沉淀试验，研究其除铁除锰和降低水的总硬度及溶解性总固体的效果。
在装有1L原水的烧杯内加入Ca(OH)2溶液后，用搅拌器搅拌。混合时搅拌1 min，转速为 300 r/min。絮凝时间为15min，先搅拌5min，转速为60r/min；然后再搅拌5min，转速为40 r/min ；最后搅拌5min，转速为20r/min。静止沉淀30min，取上清液125mL，检测铁、锰、总硬度和总溶解性固体含量。测定结果见表2。从表2中可得出如下结论：
(1)铁、锰、总硬度和总固体含量随pH值提高而降低。
(2)石灰碱化法降低水中总硬度，同时可以去除部分形成溶解性总固体含量的其它成分。
| 表2 烧杯试验结果 |
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(3)在保证水处理效果的基础上，同时考虑经济性，对于大庆市大同区地下水来讲，pH 值选择9.5～9.7为宜。
3 模型试验
投加Ca(OH)2将原水pH值调至9.7，絮凝时间为15min，搅拌桨边缘线速度为0.39m/s，沉淀30min后经滤柱过滤，滤料为单层石英砂，粒径为0.95～1.3mm，滤层厚度为1m，滤速为7m/h。模型试验结果如表3。
| 表3 模型试验结果 |
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4 生产试验
在烧杯试验和模型试验得出的数据基础上，做了生产能力为10000m3/d的净水厂设计，于1998年建成新水厂，其工艺流程如图1。
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| 图1 水厂工艺流程 |
投药采用石灰经消化后投加。曝气为一级跌水曝气，跌水高1.0m。絮凝采用网格絮凝池，絮凝时间20min。沉淀采用斜管沉淀池，水在斜管内的上升流速为2mm/s，过滤滤速为7m/h。
水厂建成后，又做了生产性试验。条件：原水pH值为7.3，投加石灰后pH值提高到9.7，为保证出厂水pH值，在沉淀后或滤后投加硫酸，将pH值调整为8左右。净化水水质见表1，各项指标平均为：硬度280mg/L，溶解性总固体降至1000mg/L以下，铁 0.1mg/L，锰 0.05mg/L，均符合《生活饮用水水质标准》。
5 助凝剂的投加
为了提高絮凝和沉淀效果，增加滤罐的工作周期，进行了投加助凝剂提高反应、沉淀效果的试验。经过对几种助凝剂的试验比较后，在pH值＞9的条件下，聚丙稀酰胺絮凝效果最好，且投加量很少。在投加石灰将原水pH值调至9.7的基础上，曝气之后，投加0.3～0.5mg/L 聚丙稀酰胺。结果表明，生成的絮状物颗粒大，沉淀效果非常好，沉淀池出水的颜色由原来的浅白色变为淡蓝色，清澈透明，滤池的工作周期由原来的24h提高到36h。
6 结论
(1)曝气-石灰碱化法除铁除锰、降低水的总硬度和溶解性总固体含量是成功的，处理后水质达到《生活饮用水水质标准》。
(2)在保证水处理效果的前提下，同时考虑投药的经济性，将水的pH值调到9.5～9.7为宜。
(3)在高pH值条件下，聚丙稀酰胺助凝效果最好。
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