工业给水处理 第二章-除铁除锰

第二章 水的其他处理方法主

要

内

容第一节地下水除铁除锰第二节活性炭吸附第三节水的除氟第四节水的氧化处理工艺第一节地下水除铁除锰1.1

地下水中的铁锰及其危害地下水中通常含有铁和锰。我国地下水中铁的浓度一般小于5-10mg/L，锰的含量在0.5-2.0mg/L。地下水中的铁常以Fe2+的形式存在，由于Fe2+在水中的溶解度较大，又加上地下水中溶解氧浓度较低，所以刚抽上来的含铁地下水清澈透明。但水中的Fe2+一旦和空气接触，便会被空气中的氧所氧化，生成难溶于水的三价铁，进而形成铁的氢氧化物从水中析出。1.1地下水中的铁锰及其危害地下水中的锰以+2、+3、+4、+6和+7价的氧化态存在。+2价锰溶解度高，是主要处理对象。地下水中铁的危害：铁腥味，影响口感；色度问题；锈斑问题；铁质沉淀物Fe2O3会滋生铁细菌，阻塞管道，自来水会出现红水。锰的危害：色、嗅和味的问题；棕色或黑色。

我国饮用水水质标准中规定，铁、锰浓度分别不得超过0.3mg/L和0.1mg/L，铁、锰含量超过标准的原水须经除铁除锰处理。3、感官性状和一般化学指标色度（铂钴色度单位）15浑浊度（NTU-散射浊度单位）1水源与净水技术条件限制时为3臭和味无异臭、异味肉眼可见物无pH（pH单位）不小于6.5且不大于8.5铝（mg/L）0.2铁（mg/L）0.3锰（mg/L）0.1铜（mg/L）1.0锌（mg/L）1.0氯化物（mg/L）250硫酸盐（mg/L）250溶解性总固体（mg/L）1000总硬度(以CaCO3计，mg/L）450耗氧量（CODMn法，以O2计，mg/L）3水源限制，原水耗氧量>6mg/L时为5挥发酚类（以苯酚计，mg/L）0.002阴离子合成洗涤剂（mg/L）0.3《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）1.2地下水中铁、锰的来源及溶解1.2.1

CO2的溶解作用水在自然循环过程中，部分降水由地表，经过含有有机物的表层土壤渗入地下。土壤中的有机物在微生物的分解作用下，会产生大量CO2。此外，碳酸盐岩层在复杂的水文地质的化学作用下，也会是地下水含有大量CO2。因此地下水含有大量的碳酸。碳酸溶解岩层中的二价铁的氧化物，生成可溶性的重碳酸亚铁：FeO+2CO2+H2O→Fe(HCO3)2当地下水流的岩层为菱铁矿（FeCO3）和菱锰矿（MnCO3）时，在碳酸的作用下也能溶解于水，转化成重碳酸亚铁和重碳酸亚锰：FeCO3+CO2+H2O→Fe(HCO3)2MnCO3+CO2+H2O→Mn(HCO3)21.2.2高价铁锰的还原作用在含有富量有机物的地层中，常由于微生物的强烈作用而处于厌氧条件下，产生相当的硫化氢、二氧化碳和沼气。在此条件下，地层中的三价铁能被还原为二价铁而溶于水中。Fe2O3+3H2S→2FeS+3H2O+S生成的硫化铁在碳酸的作用下溶于水：FeS+2CO2+2H2O→Fe(HCO3)2+H2S锰的来源形式及其反应物比铁要复杂很多。一般流动的水（正常的pH值和碱度），锰的存在并不明显，但是把水贮存起来会发现锰的出现。这是因为蓄水池或水库的下层滞水带都处在厌氧条件下，微生物作用使植物、土壤和沉泥中的锰溶于水中。水中溶解性锰的数量与植物的种类、数量及土壤和沉泥的性质有关。北方水库中的植物不多且生长期较短，因此水库中水的含锰量较南方少。另外，三价锰由于本身的不稳定性，会自发还原为二价锰。1.2.3有机物对铁锰的溶解作用有机酸能溶解岩层中二价铁和锰；有机物质能将岩层中三价铁还原为二价铁而使之溶于水；有机物质能和铁生成复杂的有机铁而溶于水。含铁岩层呈红色1.2.4铁的硫化物被氧化而溶于水较典型的铁的硫化物被氧化：2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4这是酸性矿水中铁的主要来源，含铁浓度每升可达数百毫克，一般不作为工业和城镇的给水水源。除酸性矿水之外，一般来说地下水中含有硫酸亚铁的情况十分罕见。酸性矿水1.3天然水中铁、锰的存在形态1.3.1天然水中，铁的表现离子态Fe2+、Fe3+；胶体态（无机的Fe(OH)3、Fe(OH)2，FeS及其他有机态）；络合态（主要是铁的有机络合物，如腐殖酸等）。1.3.2锰的存在形态水中的锰普遍存在形式是重碳酸亚锰、硫酸亚锰或胶态的有机锰。除水体被含锰废水污染之外，一般江河等地面水含锰很少，在地下水中铁和锰相伴出现，但含量比较少。溶解的锰与铁不同，即使曝气也仍为溶解状态，所以除锰比除铁难。

1.4影响二价铁、锰氧化反应的因素影响二价铁、锰氧化反应的因素实际上就是影响除铁除锰的因素，有如下几个方面：pH值的影响水的碱度影响水温的影响水中硫化氢的影响水中有机物的影响水中溶解性硅酸的影响1.4.1pH值的影响实验证明，在t=20℃，PO2=20kPa（水中溶解氧分压）时，lg([Fe2+]t/[Fe2+]0)和t是一条直线关系。其中，[Fe2+]t为经过反应时间t后Fe(II)的浓度；[Fe2+]0为Fe(II)的起始浓度。由图可知，当pH=7时，t不到30min，Fe(II)的浓度就可以减少到1%；但pH=6.5时，t=30min，Fe(II)只能减少到60%。通常地下水的pH值多数略低于7，因此在实践工程中，自然氧化除铁工艺中氧化池中逗留时间为1-2h，使池的容积增大。Fe(II)Mn2+可以被氧化成MnO2固体，其氧化反应为Mn2++O2+H2O→MnO2·H2O此反应在自然氧化条件下进行极其缓慢，完成整个反应过程大约需要46天。图示，只有将pH值提高到9以上，氧化速率才明显加快，说明在相同的pH值条件下，Mn(II)比Fe(II)更难氧化。Mn(II)总的来说，pH值对二价铁、锰的自然氧化速率影响极大，只有把pH值提高到8-9以上才可，即需要先加碱，后加酸，极为复杂。接触氧化除铁除锰，则pH值对反应影响大大降低——对于氧化二价锰，pH值只要维持在7左右，就完全可被氧化生成MnO2而沉淀去除；对于二价铁在pH值低于7时，即可顺利完成除铁过程。接触氧化池1.4.2

水的碱度影响地下水中的碱度，主要是HCO3-。Fe(II)被水中溶解氧氧化，生成Fe(OH)3时，产生H+，反应式为：4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3+8H+同样，Mn(II)被氧化时也会产生氢离子。氢离子将和水中的HCO3-生成H2CO3，进而生成CO2和H2O，从而减少了水中的碱度。当水中的碱度足够大，足以中和Fe(II)氧化水解产生的酸时，水的pH值变化不大，所以一般不会影响Fe(II)和Mn(II)的氧化反应，即不会影响除铁除锰的效果。1.4.3

水温的影响水温对除铁除锰有较大影响：水温高，Fe(II)和Mn(II)的氧化反应速率提高，除铁除锰的效果好。实验证明，水温每升高15℃，Fe(II)的氧化反应速率增加约10倍。1.4.4

水中硫化氢的影响H2S是一种弱酸，在水中能微弱的解离：H2S⇌H++HS-k=1×10-7(20℃)HS-⇌H++S2-k=1×10-13(20℃)在天然水的pH条件下，硫化氢主要进行一级解离，而第二级解离极其微弱，所以天然水中硫化氢的存才形式主要是分子态的H2S和离子态的HS-

。硫化氢的标准氧化还原电位约-0.36V，是一种比较强的还原剂，所以它对Fe(II)的氧化反应有阻碍作用。当水中硫化氢含量较高时，宜加强曝气将其散除，以避免影响。

1.4.6水中溶解性硅酸的影响水中的溶解性硅酸(SiO2)在一般条件下，对铁质活性膜吸附交换二价铁离子过程影响并不明显，因此接触氧化法在含有溶解性硅酸的水中，仍能获得良好的除铁效果。但是，铁质活性膜对溶解性硅酸也是一种良好的吸附剂，被吸附的硅酸在滤膜表面会生成硅铁络合物，滤层的接触催化活性会降低。水中溶解性硅酸对接触氧化除铁效果的影响，与水质有关：一般水中含铁较高时，活性滤膜更新较快，其影响程度要小；反之，影响程度较大。1.5除铁、除锰的方法地下水除铁除锰方法较多，有氧化过滤法、药剂氧化法、碱化法、离子交换法、微生物法、充气回灌法等。目前实际应用中，采用空气氧化法、氯氧化法、接触氧化法较多。

1.5.1空气氧化-过滤法氧化法分为空气氧化过滤法和药剂氧化过滤法两种，是使用的最早最普遍的方法。特点是工艺简单、成本低。空气氧化法是指不投加任何氧化剂，利用空气进行氧化，又分为自然氧化法和接触氧化法两种。1、自然氧化法此方法是除铁工艺中最早采用的方法，流程图如下：氧化池有时还起沉淀作用，或者在氧化池与滤池之间另加沉淀池以减轻滤池的负荷。曝气氧化铁所需要的溶解氧量，可按下式计算[O2]=0.14α[Fe2+]式中，[O2]——除铁所需溶解氧的量(mg/L)

[Fe2+]——水中二价铁含量(mg/L)

α——过剩溶氧系数，一般，

α=3-5含Fe2+地下水，在曝气过程中溶入O2并逸出CO2，后者可提高水的pH值，加快氧化反应速率。溶解氧使Fe2+转变成Fe(OH)3凝聚物，然后进入石英砂滤池过滤去除Fe(OH)3。这里的石英砂滤池和常规水处理中的过滤池功能完全相同，仅起到拦截Fe(OH)3的作用，故又称澄清滤池。因铁的自然氧化速率很慢，故自然氧化法需要设置庞大的氧化池，其逗留时间1-2h。二价锰在自然氧化条件下，只有将pH值提高到9以上甚至更高，氧化速率才会明显加快，因此实际上除锰不可能采用此方法。为加快氧化反应速率，简化工艺流程，节省造价，此法正逐步被接触氧化法所取代。2、接触氧化法接触氧化法能有效克服自然氧化法反应速率慢、易受水中多种影响因素干扰等弊端。此法类似常规水处理的接触过滤法，原水经过曝气后立即进入滤池，依靠有催化作用的滤料对低价铁、锰进行离子交换吸附和催化氧化，达到除铁除锰的目的。实践证明，MnO2对水中的二价铁的氧化反应能起到催化作用，从而加速其氧化去除。在接触条件下进行的氧化称为接触氧化。天然二氧化锰（锰砂）天然锰砂在除铁过程中，其颗粒表面会逐渐形成一层棕黄色，具有接触催化除铁作用的外壳膜。这层膜具有催化氧化作用，可以用反冲洗前后除铁能力变化来说明——天然锰砂在催化除铁过程中阻力逐渐增大，当锰砂的过滤阻力增加到设计值时须进行反冲洗，冲洗过程中部分表层滤膜被冲洗掉，之后发现催化除铁能力大大降低，需经过一定时间滤膜重建后才能恢复其除铁能力。所以冲洗强度不宜过大，时间不宜过长，尽可能减少滤膜受到破坏。天然锰砂滤料经研究，活性滤膜是一种羟基氧化铁（FeOOH），其具有α、β、γ、δ四种结晶形式，其中只有γ-FeOOH的除铁效果显著。

接触氧化法除铁的反应速度很快，水一经曝气即可进行过滤，历时只有4-5min，而且在较低的pH值条件下就能顺利进行氧化反应，无需提高地下水的pH值。MnO2（锰砂）同样能对水中二价锰的氧化反应起催化作用，其反应式为：式3-20是离子交换吸附阶段。水合二氧化锰（MnO2·H2O）具有羟基表面，这是由于暴露在晶格表面的锰离子与水中OH-结合的结果。在地下水pH值为5-8之间时，水合二氧化锰能与水中的Mn2+进行离子交换吸附，生成MnOMnO2·H2O，此吸附速率很快。式3-21是Mn2+的氧化阶段。在将MnO氧化成MnO2的过程中，原来的MnO2获得再生，所以这个阶段也是催化剂再生阶段。铁比锰易氧化，在天然水的pH值（一般高于5.5-6.0）条件下，采用接触氧化法就能很快的将二价铁氧化成三价铁和羟基氧化铁，因此图3-4中的曝气仅仅是为了充氧。而除锰则要求pH值提高到7甚至7.5，因此图3-5中的曝气不仅为了充氧，也为了排逸水中的CO2，以提高pH值。显然后者的曝气装置要比前者大和复杂。接触氧化法工艺介绍受自身性质、地下水pH值等诸多因素影响下，MnO2对Fe(II)的吸附能力要大于对Mn(II)，同时Mn(II)的氧化速率要比Fe(II)慢得多，因此水中铁的存在要严重干扰锰的去除。地下水往往是铁、锰共存。因此除锰工艺中的接触滤池所去除的首先是铁，然后才是锰。先除铁，再除锰对于铁锰共存的地下水，为了保证稳定的除锰效果，必须采取以下措施：措施1当水中含有相当数量的Fe(II)时，在除锰之前，必须有足够的吸附能力把Fe(II)去除。同时，采用单个滤池除锰时，必须控制地下水中的Fe2+的浓度及滤速其次，滤速过大会使穿透滤层过深，使过多的滤料被羟基氧化铁包裹起来，丧失除锰能力。故滤速一般控制在8-10h，且宜采用等速过滤。措施2尽可能采用高品位、高质量的天然锰砂作为滤料。锰砂所含的MnO2越多，吸附容量越高，能够有较长时间吸附水中的二价铁、锰离子，为催化剂的再生提供充足的时间，以便在锰砂的吸附容量尚未消耗完以前，催化剂已得到再生——使除铁除锰能够继续不断的进行下去，以保证铁锰不在运行时穿透滤层，从而提高出水水质。天然锰砂措施3-1当采用单个滤池进行一级过滤达不到除锰效果和要求时，可采用分级过滤，以同时确保铁、锰的去除。第一级过滤主要功能为除铁，第二级过滤用以除锰。由于除锰要求pH值在7.0-7.5以上，故要求排逸CO2的曝气装置时间要长，此时曝气装置下的集水池往往起到氧化反应池的作用，因此在进入第一级滤池的水中二价铁可能完成自然氧化，即除铁已不是靠接触氧化，第一级滤池将是普通滤池，滤料不一定用锰砂。措施3-2当二价铁的自然氧化收到其他因素干扰，使第一级滤池除铁效果不佳时，可采用分级曝气，如图3-7：图示第一次简单曝气仅为充氧，而不需要提高pH值，使第一级滤池达到接触氧化除铁的目的。第二次充分曝气是为了排逸CO2，提高水的pH值，以保证第二级滤池除锰的目的。1.5.2

药剂氧化-过滤法当水中含铁、锰量高或者为了结合整个水处理工艺的要求，可投加一定量的强氧化剂以去除铁锰。药剂氧化法的效果优于空气氧化法，也容易与常规水处理方法相结合；缺点是增加药剂的成本。通常采用的强氧化剂有氯气、高锰酸钾、臭氧等。1、氯气氧化法氯是比氧更强的氧化剂，它能把水中的亚铁亚锰氧化成高价的铁和锰，使其从水中析出，沉淀或过滤去除。Fe(II)和Mn(II)

的氧化反应为：按上式计算，1mg/L氯能氧化约1.6mg/LFe2+或0.77mg/LMn2+。但实际上投氯量要高于上述理论值。氯氧化法除锰最好与锰砂接触催化作用相结合，以进一步提高对Mn(II)的氧化反应速率。此反应分两步进行：第一步是锰砂表面的催化剂MnO2吸附水中的Mn(II)，反应式为：第二步是氧化被吸附的Mn(II)，并使催化剂得到再生，反应式为：第二步氧化再生反应较慢，因此是整个反应速率的控制阶段。在锰砂接触催化下，以氯为氧化剂的除铁除锰过程称为氯接触氧化法，此法使用的滤料可以用石英砂经运行形成的熟砂或天然锰砂。氯接触氧化法工艺流程图如下：图中的曝气装置并非必要，但曝气充氧能氧化部分二价铁，可以节省投氯量，同时曝气排除水中的CO2，可提高pH值，有助于除铁锰效果。用氯氧化法除铁，在pH值=5的条件下，10mg/L的Fe2+，经15min就能完成氧化，而自然氧化法必须将pH值提至7以上经30min才能完成氧化。见下表：氯接触氧化法在除锰过程中，可以在水的pH值低至7-7.5的条件下顺利进行。氧化二价锰产生的H+为氧化二价铁的2倍，因此，此法消耗的碱度比空气氧化法要多。当水中碱度不大时，pH值将会有较大幅度的下降，在这种情况下，采用曝气以提高pH值就可能成为必要。2、高锰酸钾法高锰酸钾的氧化能力比氯还要强，当用其他氧化方法效果不佳时，可用此法进行除铁除锰。高锰酸钾对Fe2+的氧化反应为：按上式计算，每氧化1mg/L的Fe2+需要投加0.94mg/L高锰酸钾。高锰酸钾氧化除铁除锰，无论是反应效果、反应时间、对pH值的要求等，都比空气氧化法和氯氧化法为佳。但其成本太贵，故采用较少。为减少高锰酸钾的投加量，可将原水预加氯，但加氯量不宜过大，以免造成pH值降低过多而影响除铁锰效果。3、臭氧氧化法臭氧是氧的一种同素异性体，无色但有特殊气味。臭氧是强氧化剂，氧化能力仅次于氟，比氧、氯及高锰酸钾都高，说明臭氧是常用氧化剂中氧化能力最强的。同时，臭氧反应后生成物是氧气，没有二次污染。臭氧氧化二价铁和锰的反应式如下：臭氧在水处理中，可用于除铁除锰；将有害物质氧化成H2O、CO2等无害物质；氧化细菌起消毒作用；去除有机物，降低COD等。臭氧氧化水中二价铁和锰基本上不受pH值等因素的影响，反应速率很快，在几秒内就能完成，除铁除锰效果很好。臭氧氧化系统复杂，管理操作繁琐，耗电量大，用来单独去铁锰较少。如既要除铁锰，又要去除水中的其他杂质，可采用此法。4、碱化法在曝气过程中去除一部分CO2后，pH值虽有所提高，但仍不能满足除铁除锰要求时，可采用碱化法。当含铁水中有相当数量的HCO3-时，若将pH值提高到一定程度，水中首先形成FeCO3（碳酸亚铁）沉淀。FeCO3为结晶型沉淀物，比凝胶状、无定形的Fe(OH)3更容易过滤。由FeCO3所形成的滤膜或在滤层孔隙中形成的沉淀物，透水性好，单位时间水头损失增长值小，不易使滤层堵塞而进行过早冲洗。基于此特性，可有意识地将水中溶解性的变成FeCO3沉淀物而不是Fe(OH)3，此举可延长过滤周期，节约冲洗水量。碳酸亚铁为使Fe2+变成FeCO3并沉淀去除，需进行以下步骤：在氧化反应之前先调整水的pH值，使它达到FeCO3产生的范围；氧化剩余的Fe2+为Fe3+，并经水解生成Fe(OH)3沉淀，利用其絮凝作用，使FeCO3团聚形成大矾花，从而提高FeCO3的沉淀效果。对于已经形成的FeCO3，其氧化速度很慢，不容易向Fe(III)转变。碱化法可以投加少量石灰(CaO)或烧碱(NaOH)，而石灰价格低廉，货源充足，故常采用。石灰烧碱当含有Fe(HCO3)2的水进行碱化处理，其反应式为：当水中H2SO4的浓度不断增大时，pH值迅速下降，因而FeSO4的水解随之停止。为使FeSO4能完全水解，必须将H2SO4去除。但一般曝气无法去除水中的H2SO4，必须投加石灰进行碱化，反应式为：当水中含有硫酸亚铁时，则其将水解产生H2SO4，反应式为：上式中，当pH值大于8.0时，

Fe(OH)2迅速氧化生成Fe(OH)3胶体，凝聚后成絮状沉淀物：此反应过程中，如水中溶解氧不足时，可另外辅以曝气或药剂氧化法。1.5.3生物过滤法此方法中所指生物主要为微生物中的铁细菌。它能把溶解性的亚铁亚锰氧化成不溶性的高铁高锰化合物，同时积聚在细菌表面或体内。含有铁细菌的水，会变成黄色或黑褐色，而且这种细菌会产生大量排泄物而形成水垢。旧时常认为此菌为一种有害的微生物，并研究去除或防止的办法，偶然发现它可用于除铁除锰。铁细菌铁细菌除铁除锰，是依靠其的生物氧化（酶氧化）作用。生物过滤法首先设法使细菌与水充分接触，待吸附铁锰以后，再从水中分离出来。接触分离设备主要有间歇接触池和生物砂滤池。间歇接触池由于在使用过程中，随着铁锰浓度的降低，细菌将二者去除的效果逐渐变差；且由于水中的物化条件随细菌的吸附氧化作用不断改变，细菌的活动受到影响，故不常采用。生物砂滤池的原理是让含铁水缓慢的通过滤料表面和内部繁殖有铁细菌的石英砂滤层，让其吸附铁锰。此法使接触和分离过程几乎同时而且连续的进行，运行操作方便，效果好。新的生物砂滤池投产初期，除铁锰效果不佳。持续运行（过滤）10-15d后，因细菌的自然繁殖，砂层表面逐渐呈现赤褐色，在肉眼可看到此细菌沉积物时，处理效果提高。铁细菌一旦繁殖，即使把滤层表面的细菌层刮去也能立即恢复，因其繁殖速度非常快，可通过反冲洗把带细菌的污泥去除。铁细菌的种类纤毛铁菌：滤速为30m/d时，除铁率为90%球铁细菌厚膜细菌：滤速为15-30m/d时，除锰效果较好。决定铁细菌繁殖的条件：水中的含氧量和含CO2量溶解性Fe2+含量有机物温度pH值目前微生物除铁除锰应用较少，经验不足。第二节 活性炭吸附2.1活性炭的性质2.1.1活性炭的制造活化,800~900℃活性炭活化剂：ZnCl2炭渣隔绝空气，600℃蒸汽高温活化粉末状活性炭粒状活性炭（园柱状、球状），粒径2~4mm棒状活性炭：Φ50mm，L=255mm高温炭化木材、煤、果壳2.1.2活性炭的细孔构造和分布1）比表面积活性炭的比表面积为：500~1700m2/g，99.9%的表面积，在多孔结构颗粒的内部。2）细孔构造小孔：<2nm，0.15~0.90mL/g，占比表面积的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔吸附为主。过渡孔：2~100nm，0.02~0.10mL/g，占比表面积<5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。大孔：100~1000nm，0.2~0.5mL/g，占比表面积很小，吸附量小，提供通道。2.2影响活性炭吸附的因素活性炭在水处理中的吸附是极为复杂的，参与吸附的固相（活性炭）、液相（水）、溶质（污染物——微量、多成分）。影响吸附的主要因素：溶质在水中的溶解度、缔和、离子化；水对界面上配位的影响；活性炭对溶质的引力；各溶质在界面上的竞争吸附；各溶质间的相互作用、共吸附；系统内各分子大小；活性炭孔径分布、表面积极其表面化学组成等。水中有机物能否被活性炭吸附，决定于其化学位或偏摩尔自由能：如果有机物在活性炭中的化学位比其在水中的化学位低，则有机物由水相往活性炭的迁移是自发的；如果有机物在两相之间的化学位相等，说明有机物在两相中的分配已达平衡（吸附平衡）；如果有机物在活性炭中的化学位高于在水中的化学位，则吸附不能发生。2.3吸附特性活性炭能去除常见的部分有机微污染物腐殖酸：天然水中常见的有机物，与其他有机物一起在采用氯消毒过程中产生氯仿、四氯化碳等有害物质。活性炭能较好的将其去除，且不受pH值影响异臭：活性炭除臭范围较广，如联合臭氧组合处理工艺，除异味效果更好；色度：活性炭对由水生植物和藻类产生的色度去除率在50%以上；农药烃类有机物有机氯化物洗涤剂：有研究称，当滤速17m/h时，去除率50%；12m/h时，去除率100%，即滤速慢去除率高。活性炭去除水中部分无机污染物重金属：活性炭可吸附如锑（Sb）、铋（Bi）、六价铬、锡（Sn）、银（Ag）、汞（Hg）、铅（Pb）等等重金属离子及其化合物，吸附效果受重金属存在形式及水的pH值影响。余氯：活性炭可脱除水处理中剩余的氯和氯胺，但过程不是单纯吸附，而是在其表面上的化学反应。氰化物：在炭床中通入空气，则炭可起催化作用，将有毒氰化物转化为无毒的氰酸盐。放射性物质：某些地下水含有如铀、钍、碘、钴等，浓度低危害大，可用活性炭吸附。氨氮：活性炭对NH3-N几乎无去除效果，但可与臭氧联合使用，并受NH3与O3含量影响。2.4吸附的基本概念2.4.1吸附平衡当吸附质的吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度C与在吸附剂表面上的浓度都不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液的浓度C叫平衡浓度。

2.4.3吸附等温线在一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之间的关系曲线。吸附等温线是对吸附现象以及固体的表面与孔进行研究的基本数据，可从中研究表面与孔的性质，计算出比表面积与孔径分布。吸附等温线的形状直接与孔的大小、多少有关。用氮吸附法测定中微孔孔径分布是比较成熟而广泛采用的方法：在液氮温度下，氮气在固体表面的吸附量取决于氮气的相对压力(P/P0)，P为氮气分压，P0为液氮温度下氮气的饱和蒸汽压。吸附等温线有以下六种。吸附等温线的形状直接与孔的大小、多少有关。Ⅰ型等温线：Langmuir等温线Ⅱ型等温线：S型等温线Ⅲ型等温线：在整个压力范围内凸向下，曲线没有拐点BⅣ型等温线：低P/P0区曲线凸向上，与Ⅱ型等温线类似V型等温线：特征是向相对压力轴凸起。VI型等温线：以其吸附过程的台阶状特性而著称。

吸附等温线的作用：可得知活性炭对水中某污染物的吸附效果，并对比处理前水中污染物的浓度，可求出活性炭的极限吸附容量。估算出工程中活性炭的需用量。可掌握处理水的pH值和污染物浓度变化对活性炭吸附容量的影响。可评价各炭的吸附性能，据此选择炭种；斜率可确定该炭适宜的过滤形式。

亚甲蓝颗粒活性炭吸附池水处理设计规程（CECS124:201）例：活性炭规格、特性参数2.6吸附操作方式静态吸附：使水与吸附剂搅拌混合，而水没有自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。动态吸附：水通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。2.7颗粒活性炭滤床预处理的颗粒活性滤床可分为固定式、移动式和流动式。活性炭滤床通常均设在砂滤池之后。2.7.1固定床通水方式为升流式或降流式，重力式或压力式。当在普通砂滤池上增加活性炭层时，需加高池壁及减少冲洗强度。固定床运行稳定，管理方便，出水水质优良；活性炭再生后可循环使用。活性炭在固定床中吸附容量相对较低，需定期取出，再生后回用；且为整床（池）排炭。2.7.2移动床水在加压状态下，由底部升流式通过炭层过滤吸附，冲洗废水及滤后水均由上部流出；新活性炭间歇或连续式投加，失效炭借重力由底部间歇或连续排出；运转稳定、管理方便、出水水质优良底部排出的失效炭可达到完全饱和；间歇或连续投炭、排炭，减少再生设备容积；建筑面积较小。2.7.3流动床水由底部升流式通过炭床，炭由上部向下移动；水流与流化状态的活性炭在逆流接触中吸附；可采用一级或多级床层；炭床不需要冲洗，最大限度利用了炭的吸附容量；间歇或连续投炭、排炭，减少再生设备容积；占地面积小；要求炭粒均匀，否则易引起粒度分级。2.8吸附剂的再生用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能重复使用的目的。加热再生法：由脱水、干燥、炭化、活化、冷却等5步组成药剂再生法：无机酸或NaOH，有机溶剂（苯、丙酮等）化学氧化法：电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化法。生物法：利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。2.9活性炭池的设计炭池的大小取决于流量、水力负荷和接触时间。主要设计参数是空床接触时间。经验数据：滤速8-20m/h，炭层厚度1.5-2.0m，接触时间10-20min，水反冲洗强度8-9L/(s·m2)，反冲洗时间4-10min。2.10活性炭的其他应用技术粉末活性炭：和混凝剂一起连续投加于原水，经混合、吸附去除水中有机和无机杂质后，粘附在絮体上的粉末活性炭大部分在沉淀池以污泥的形式沉出，少部分进入滤池，过滤去除。应用：除臭、除味、应急处理。投量的确定：一般15-20mg/L，通常不超过50mg/L

。城镇饮用水供水技术松花江水污染事件

2005年11月13日，中石油吉化公司双苯厂车间发生爆炸事故，大量污染物进入松花江，造成松花江重大水污染事件。应急处理技术措施确定了以活性炭吸附为核心的应对方案。利用取水口与净水厂的输水管线，提出了在取水口处投加粉末活性炭的措施。对现有水厂中的砂滤池进行应急改造，挖出部分砂滤料，新增粒状活性炭滤层。为了保持滤池去除浊度的过滤功能，要求滤池中剩余砂层厚度不小于0.4m，受滤池现有结构限制，新增的粒状活性炭层的厚度为0.4~0.5m。2.10活性炭的其他应用技术• 生物活性炭工艺：O3+活性炭工艺。既能节省O3投加量，又能延长活性炭周期。混凝剂混凝沉淀过滤O3活性炭原水消毒出水• 应用：给水深度处理。• 设计参数：

滤速8-12m/h，炭层厚度2-4m，接触时间15-25min。瑞士——林格水厂工艺流程图预臭氧化微絮凝（硫酸铝）多层滤料快滤池生物慢滤池中间臭氧化安全投氯（二氧化氯）原水pH调节（石灰）瞬时氯化3h/月生物活性炭滤池饮用水消毒，去除藻类，部分去除色度和嗅味，控制THMs生成氧化有机物，提高生物降解性，延长活性炭使用周期，再次消毒臭氧化生物活性炭工程实例3.1氟的来源与危害

氟是地球上分布最广的元素之一，在组成地壳的各种元素中居第16位，占地球总量的0.077%，是自然界中固有的化学物质。它在自然界中分布广泛，大气圈、水圈、生物圈和岩石圈都有氟的存在。第三节 水的除氟

危害

地方性氟中毒

由于长期摄入的氟量超过正常需要的水平，而引起的以氟斑牙和氟骨症为主要症状的全身性疾病。

中国：除上海市外，病区人口约3.3亿，现有氟斑4000余万，氟骨症患者260余万。氟斑牙过量氟→成釉细胞中毒→牙釉质发育异常，釉质沉着缺失。牙本质结构异常→磨损、断裂、脱落。抑制磷酸化酶→骨盐吸收、蓄积和骨盐形成

破坏胆碱脂酶→胆碱滞留→肌肉紧张、僵直氟骨症腰腿及全身关节麻木、疼痛，关节变形、弯腰驼背，发生功能障碍，乃至瘫痪长期摄氟过量大于4mg/d会导致慢性氟中毒。饮水型:人体内的氟65%来源于水；食物型:人体内的氟有35%来源于食物，病区玉米氟含量达30mg/kg生活燃煤污染型：高寒山区燃煤中氟含量数百~数千mg/kg（1）混凝沉淀法｛铝盐混凝法（2）吸附与离子交换法｛骨炭法（3）电凝聚法（4）电渗析法（5）反渗透法石灰除氟法活性氧化铝法沸石法3.2饮用水除氟技术与发展3.2.1石灰除氟法钙盐能够将氟化物沉淀，以达到除氟目的。其中常用药剂是石灰，用石灰沉淀氟化物的反应：Ca(OH)2+2HF⇌CaF2↓+2H2O3.2.2

铝盐混凝法• 明矾溶解于水中就会与水中的碱性物质反应生成难溶的Al(OH)3

，反应如下：Al2(SO4)3·3H2O+3Ca(OH)2

⇌3CaSO4+2Al(OH)3+3H2OAl(OH)3+F-=Al(OH)2F+OH-Al(OH)2F+F-=Al(OH)F2+OH-Al(OH)F2+F-=AlF3+OH-适用于：含氟量小于4mg/L；Al3+投加量：氟含量的10-15倍；投加药剂后控制水pH值6.5-7.5；工艺流程：3.2.3

活性氧化铝法活性氧化铝是白色颗粒状多孔吸附剂，有较大的比表面积。活性氧化铝是两性物质，等电点约为9.5，当水的pH值小于9.5时可吸附阴离子，大于9.5时可去除阳离子，因此在酸性溶液中活性氧化铝为阴离子交换剂，对氟有极大的选择性。活性氧化铝使用前可用硫酸铝溶液活化，使转化成为硫盐型，反应如下：活性氧化铝活性氧化铝法机理在除氟和再生过程中，铝离子起关键作用,形成了铝氟配合物。除氟反应再生反应活性氧化铝法的影响因素原水的氟浓度pH值活性氧化铝的粒径大小再生液用量接触时间以及其他共存离子活性氧化铝法除氟的工艺设计活性氧化铝的粒径不得大于2.5mm,一般宜为0.4-1.5mm；在原水接触滤料之前宜降低值pH，一般宜调整到6-7之间；可投加硫酸、盐酸、醋酸等或CO2气体降低pH值；投加量应根据原水碱度和pH值计算或通过试验来确定。滤速、工作周期与滤料厚度滤速：进水pH值小于7时，可选用6-10m/h。工作周期：受原水含氟量、滤速、pH值、滤层厚度、滤料性能等影响。滤层厚度：含氟量小于4mg/L，滤层厚度宜大于1.5米，含氟量大于4mg/L，滤层厚度宜大于1.8米。活性氧化铝的再生当滤池出水含氟量达到终点含氟量值时，滤料应进行再生处理，再生液宜采用氢氧化钠溶液，也可采用硫酸铝溶液。当采用氢氧化钠再生时，再生过程可分为首次反冲、再生、二次反冲或淋洗及中和四个阶段。当采用硫酸铝再生时上述中和阶段可以省去。3.2.4电凝聚法电凝聚法除氟的实质是利用铝盐吸附剂对水中氟离子进行吸附，其利用机理是基于静电吸附和离子交换吸附。影响电凝聚法除氟的因素是原水的pH值、电流密度、水流速度等。• 电凝聚法适用于含氟量小于20mg/L。• 进入电凝聚器前，调pH值到5.5-7。• 工艺流程：3.2.5

骨炭法骨炭法是仅次于活性氧化铝而在我国应用较多的除氟方法。骨炭的主要成分是羟基磷酸钙，其分子式是Ca10(PO4)6·(OH)2

，交换反应如下：当水的含氟量高时，反应向右进行，氟被骨炭吸收而去除。骨炭再生一般用1%NaOH溶液浸泡，然后再用0.5%的硫酸溶液中和。再生时的OH-浓度升高，反应向左进行，使滤层得到再生又成为羟基磷酸钙。第四节 水的氧化处理工艺4.1常用的氧化剂氧化剂是一种能氧化其他物质而本身被还原的物质。饮用水中常用的氧化剂有氯气、臭氧、双氧水、二氧化氯、高锰酸盐及