农村饮用水净水工艺设计综述
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黑龙江省农村饮用水来源多为浅层地下水，存在水质性地方病、取水不便、出水量小及供水保证率低等问题，严重影响了当地农民的健康及生活质量，同时制约了农村的经济发展．其中，铁、锰离子含量严重超标现象最不容忽视[1]．铁、锰是人体和动物必不可缺的生理微量元素，但摄入过量会对人体产生慢性毒害作用[2-5]．抽样检测黑龙江省孙吴县奋斗乡靠山村地下水水质状况，结果见表1．由表1可见，此水质严重不合格，达不到饮用标准．针对此现象，设计了一套地下饮用水净化工艺，来改善该地区地下水水质，实现饮水安全.
1净化设计工艺及流程
1.1设计原则
（1）处理原水为供当地村民饮用的地下水，因此，本工艺设计遵循工艺先进合理，运行效果稳定，操作维护简便，成本低的原则．（2）严格遵守国家环保要求，处理后的水必须达到国家饮用水标准．（3）工艺设计在保证合理的前提下，降低工程投资、工程占地面积及工艺运行费用．
1.2设计依据
《中华人民共和国环境保护法》；《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2005）；《室外给水设计规范》（GB50014—2006）；《给水排水工程结构设计规范》（GBJ69—84）；《建筑设计防火规范》（GBJ16—87，2001年版）；《建筑电气设计技术规程》（GBJ16—83）；《通用用电设备配电设计规范》（GB50055—93）；《工业企业照明设计规范》（GB50034—92）；建设单位提供的水质数据．
1.3设计原理
1.3.1曝气氧化除铁地下水中铁锰离子主要来源于地下矿石中的铁、锰元素，且普遍以二价的形式存在．曝气氧化法是在曝气塔中将含铁离子的原水与由下至上通入的氧气充分接触，增加水中溶解氧的含量，经充分曝气后的地下水在反应箱中絮凝后形成Fe（OH）3沉淀，通过静置截流氢氧化铁粒子以达到去除Fe2+的目的．曝气氧化法在絮凝沉淀的过程中是将Fe2+氧化成Fe3+，由于铁的氧化还原电位比锰低，当锰与铁同时存在时，二价铁离子被高价锰氧化，从而阻碍二价锰离子的氧化，所以只有将地下水中的铁离子完全除去后，二价锰离子才能开始氧化．因此，在水中铁、锰离子共存且浓度较高的情况下，应采取先除铁后除锰的方法．尽管曝气可以满足水中溶解氧含量的要求，但受pH、温度及其它因素影响，水中Fe2+不能全部被氧化除去，因此剩余的低含量Fe2+随Mn2+一起经增压水泵进入锰砂过滤池．本设备连接反应水箱与锰砂过滤器之间的增压水泵高出反应水箱底部20cm，这样的设计可以使氢氧化铁沉淀静置在反应水箱底部，而除去大部分铁离子后的地下水则随增压水泵进入锰砂过滤器．同时，反应水箱底部设有可控制闭合的排污口，设备运行一段时间后，可打开开关，排出氢氧化铁等沉淀，达到清洁水箱改善水质的目的．1.3.2锰砂过滤除锰当地下水中锰含量较低时，通常与铁通过曝气氧化方式一同除去；当锰含量较高时，曝气氧化除锰效果差，则采用曝气氧化法除铁，锰砂过滤法除锰的分别去除方式．由于该地区地下水中锰含量较高，本设备采用锰砂过滤法除锰．地下水经曝气处理后，进入锰砂过滤器．过滤初期，由滤料对地下水中的锰离子进行吸附，随着时间的推移，滤料的吸附能力逐渐趋于饱和，地下水中含锰量则随之上升．这时由于曝气后的锰离子变成高价的氢氧化物逐渐附着在滤料表面，形成了锰质滤膜，除锰过程得以继续进行．新生成的锰质滤膜吸附地下水中的锰离子，锰离子被水中的溶解氧氧化并变成新的滤膜继续进行吸附，如此循环往复使滤料变成了锰质熟砂，从而加快了氧化速率，除锰效果得到了加强．本过程在过滤初始阶段以滤料的吸附过程为主，但随着锰质滤膜的不断生成，接触氧化除锰能力越来越强，而吸附能力逐渐减弱．当水中的含锰量达到一个最低值时，则可以判定除锰过程以接触氧化法为主，当检测的水中的锰在0.1mg/L以下时，则证明滤层除锰能力已经稳定，设备可以达到除锰要求，并进行使用．1.3.3活性炭吸附深度处理活性炭作为一种良好的吸附材料，有着较大的比表面积，选择性好，孔隙率高，稳定性和吸附能力强等优点，可有效去除水中绝大多数的有机物．当然，活性炭不仅能够吸附易溶解的醛类化合物、低级醇类化合物、酚类化合物和农药等微量有机污染物，而且对用生物法难以去除的有机物（如嗅、味、色度、表面活性物质、合成洗涤剂、合成染料、放射性污染物及其它人工合成的有机化合物）及重金属离子（如汞、铬、砷等）均有很好的去除效率[6]．而且，活性炭具有无污染、无毒、可再生、价格便宜、无任何化学添加剂及对人体无害等优点，更是弥补了其它水处理方式存在的不足，是一种绝好的改善饮用水水质的深度处理材料．因此，经锰砂过滤的地下水再次由高压水泵进入填充了活性炭层的过滤水箱，达到去除水中微量有机物，降低高锰酸盐指数的目的．1.3.4紫外灯杀菌紫外线是一种波长短、穿透力强、肉眼不可见的光．当紫外线照射微生物时，细菌病毒的核酸分子结构及功能受到严重破坏，造成致死性损伤，从而达到杀菌消毒的目的．紫外灯不仅杀菌效率高（99%-99.9%）、杀菌时间短（绝大多数细菌在1s内被杀死），而且无物理接触，无二次污染，是良好的饮用水杀菌设备．研究表明，紫外线波长在240~280nm范围内对细菌具有最强的杀伤力．
1.4工艺流程
工艺流程见图1．由图1可见，净水过程为：原水曝气塔反应水箱增压泵锰砂过滤器活性炭过滤器过流式紫外杀菌器生活供水．
1.5设备说明
设备参数见表2．1.5.1曝气塔曝气塔采用机械通风接触式曝气．水源地下水从塔的上端均匀配水进入塔体，在曝气塔的入口处放置一直径略大于入口管道口的双层空心球，当水垂直进入时，由于水的动能使空心球发生旋转，因此水沿着空心球四周喷射呈伞状落下．而下落的原水与曝气塔下方离心轴流风机由下至上充入的空气充分接触，达到对原水进行充分曝气的作用．1.5.2锰砂过滤罐滤速为10m/h，滤料层厚为300mm．1.5.3水箱专用紫外线杀菌灯紫外线灯装配组合件主要由4部分组成：紫外杀菌灯管、套管、水处理紫外套件和导线套件．水处理紫外套件主要是由4部分组成：防水硅胶套、防水硅胶圈、基座、顶盖板和紧固件．结合方法为：导线套件、灯管、密封套件、套管相互套牢，把灯管放入到套管中，用气动螺丝刀将螺钉拧好，把整个紫外线装配组合件装好．
2数据分析及结论
我国虽是地下水丰富的国家，但不少地区的水质却存在诸多安全问题，达不到居民饮用水标准．其中，铁、锰离子严重超标是一个较为明显的现象．本地下水工艺设计，结合孙吴县奋斗乡靠山村地下原水水质特征，采用曝气氧化和接触氧化联合处理方法除水中的铁、锰，最后采用活性炭吸附及紫外杀菌技术进行深度处理．通过对原水水质和出水水质对比，发现水中铁、锰离子及高锰酸盐含量明显降低并达到国家饮用水标准，且无大肠杆菌检出．同时，鉴于设备运行地点为农村，因此本设备运行方法简易且操作简单，占地面积小，易于管理，设备费用低，维修简单，符合农村净水需求，可以大幅度改善农村饮用水质量，且存在广泛推广的可能性．
作者：周庆 马吉玥 孙萌芮 张丹凤 高岩 代英杰 单位：东北农业大学资源与环境学院