摘要：采用鄰二氮(dan)菲比(bi)(bi)色法和(he)過硫酸銨分光(guang)光(guang)度法，對石(shi)英砂(sha)(sha)、纖(xian)維球和(he)錳砂(sha)(sha)三種不(bu)同性(xing)能(neng)的濾(lv)料進行了(le)對比(bi)(bi)分析試驗。結果(guo)表明(ming)——纖(xian)維球濾(lv)料除(chu)鐵濾(lv)速(su)高，反沖洗(xi)耗(hao)水量小且耐(nai)磨損(sun)；石(shi)英砂(sha)(sha)濾(lv)料綜合性(xing)能(neng)次(ci)之；錳砂(sha)(sha)雖(sui)然(ran)除(chu)鐵效果(guo)較(jiao)好，但反沖洗(xi)耗(hao)水量大；其次(ci)，吸附(fu)能(neng)力較(jiao)強(qiang)的優(you)質天(tian)然(ran)馬山錳砂(sha)(sha)濾(lv)料有較(jiao)好的同時去(qu)除(chu)鐵錳的效果(guo)，而纖(xian)維球和(he)石(shi)英砂(sha)(sha)則不(bu)適宜除(chu)錳。

地下水(shui)(shui)是我國城鎮(zhen)和(he)工礦企業的(de)(de)(de)重要(yao)(yao)水(shui)(shui)源(yuan)，主(zhu)要(yao)(yao)分布于(yu)北方廣大區(qu)域。一(yi)般情況下，地下水(shui)(shui)水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)較好，但含鐵的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)含量(liang)(liang)不得(de)超過0.30mg/L，錳的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)含量(liang)(liang)不得(de)超過0.10mg/L，因為鐵和(he)錳的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)含量(liang)(liang)過高可導致(zhi)水(shui)(shui)中色度(du)升高，給生(sheng)活和(he)生(sheng)產帶來(lai)諸多不便(bian)，并(bing)可導致(zhi)慢性中毒而(er)引發(fa)一(yi)些地方病。

鑒于地下水中含鐵錳的普遍性及其危害，國內大部分地區地下水除鐵除錳工程采用曝氣接觸氧化法，即首先通過曝氣向水中充氧，同時散除水中CO₂以提高pH值，使地下水中以Fe²⁺、Mn²⁺形式存在的鐵(tie)和錳，在后續接觸(chu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)過濾中得以氧(yang)(yang)化(hua)(hua)去除，曝氣接觸(chu)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)法由于工藝簡單、投資及運行費用低而(er)在我國得到廣泛應用。

在地下水曝氣接觸氧化除鐵除錳工藝中，鐵和錳的氧化去除主要是利用包覆濾料上的鐵質及錳質活性膜的自催化作用。由于以Fe²⁺、Mn²⁺形式存在的(de)鐵(tie)和錳(meng)(meng)的(de)吸附作用不(bu)同(tong)(tong)，因而(er)導致不(bu)同(tong)(tong)濾(lv)料的(de)除鐵(tie)除錳(meng)(meng)效果也不(bu)同(tong)(tong)。本(ben)文以石英砂、纖維球、錳(meng)(meng)砂三種不(bu)同(tong)(tong)性(xing)能的(de)濾(lv)料進(jin)行對比(bi)試驗，分(fen)析了(le)不(bu)同(tong)(tong)濾(lv)料的(de)除鐵(tie)除錳(meng)(meng)性(xing)能及對水質的(de)適應性(xing)。

1 活(huo)性濾膜的形成及除(chu)鐵除(chu)錳機(ji)理

地下水接觸氧化濾池進行一定時期后，濾料上包裹了一層鐵錳氧化物，其催化活性的成分為Fe(OH)₃.2H₂O及MnO₂.xH₂O；地下水中Fe²⁺、Mn²⁺首(shou)先吸附在(zai)活(huo)性(xing)濾(lv)(lv)膜(mo)上，然后通過活(huo)性(xing)濾(lv)(lv)膜(mo)的(de)自催化作用得以(yi)氧化去(qu)除。

1.1 除鐵(tie)反應(ying)

(1) Fe2+的吸(xi)附(fu)，即

Fe(OH)₃●2H₂O+Fe²⁺=Fe(OH)₂(FeO)●2H₂O+H⁺

(2) Fe²⁺的氧化，即

Fe(OH)₂(FeO)●2H₂O+1/4O₂+5/2H₂O=2Fe(OH)₃●2H₂O

2.2 除(chu)錳反應

(1) Mn²⁺的吸附，即

Mn²⁺+MnO₂.xHO=MnO₂●MnO●(x-1)H₂O+2H

(2) Mn²⁺的氧化，即

MnO₂.MnO.(x-1)H₂O+1/2O₂+HO=2MnO₂.xHO

由此可見，活性濾(lv)膜的(de)(de)(de)(de)形成是(shi)鐵和錳去(qu)除的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵，水(shui)質(zhi)、濾(lv)料(liao)性能和運行條件等均是(shi)其形成的(de)(de)(de)(de)影響因(yin)素。由于濾(lv)料(liao)與(yu)地下(xia)水(shui)直接(jie)接(jie)觸并發揮著(zhu)鐵錳氧化去(qu)除的(de)(de)(de)(de)重要功能，所以(yi)濾(lv)料(liao)性能對活性濾(lv)膜形成的(de)(de)(de)(de)影響顯得尤為重要。在整個反(fan)應(ying)過(guo)程(cheng)中(zhong)，活性濾(lv)膜形成后，由于鐵錳氧化過(guo)程(cheng)速率(lv)較快，所以(yi)吸附過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)(de)速率(lv)便成為整個反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)(de)控制(zhi)速率(lv)。

2 試驗

2.1 試驗方法

根據曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)接觸氧化法(fa)(fa)的設計要求，將地下水廠(chang)經曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)塔曝(pu)(pu)氣(qi)(qi)后的水直(zhi)接引入分別裝填(tian)石英砂(sha)、錳 砂(sha)和(he)纖維球濾料的濾池中(zhong)，濾層厚1200mm，濾柱直(zhi)徑為150mm；濾柱運行濾速(su)控制在6~8m/h，定期監測進出(chu)水中(zhong)鐵和(he)錳指標。除鐵的分析(xi)方(fang)法(fa)(fa)為鄰二氮菲(fei)比色法(fa)(fa)，除錳的方(fang)法(fa)(fa)為過硫酸銨分光(guang)光(guang)度法(fa)(fa)。

2.2 試驗(yan)材料

纖(xian)維球濾料由丙綸(lun)纖(xian)維絲纏繞而成，纖(xian)維絲直徑很細，以10μm計，比表面積遠大于常規粒(li)狀(zhuang)濾料。纖(xian)維球、石英砂(sha)均屬(shu)吸附能力較弱的濾料，密(mi)度較小(xiao)，反沖洗(xi)(xi)耗(hao)水量小(xiao)，錳砂(sha)為優質天然馬山錳砂(sha)，主要成分為錳氧化(hua)物，吸附能力較強；但密(mi)度較大，反沖洗(xi)(xi)耗(hao)水量大（表1）。

表1 濾料性能

濾料	粒徑/mm	成分	耐磨損性	吸附能力
纖維球	1.5	丙綸	好	弱
石英砂	0.8-1.0	SiO2	適中	弱
錳砂	0.8-1.0	錳氧化物	較差	強

3 試驗結果與討(tao)論

3.1 除(chu)鐵除(chu)錳(meng)效果對比(bi)

地下水(shui)(shui)經曝(pu)氣(qi)塔(ta)曝(pu)氣(qi)后，水(shui)(shui)中溶解(jie)氧(yang)（DO）為7.2mg/L左右，pH＞7.5，符合接觸(chu)氧(yang)化(hua)法對除鐵除錳的要求。在該曝(pu)氣(qi)條件下，定期檢測各濾柱進出水(shui)(shui)的水(shui)(shui)質（圖1-3）。

(1)由圖1-3可知，原水中鐵的質量含量為6-9mg/L，錳的質量含量為1.5~2.1mg/L。由于石英砂濾料和纖維球濾料的吸附能力較弱，而運行初期鐵質活性濾膜尚未形成，因此出現了明顯的除鐵不穩定期。運行7~9d后，鐵質活性濾膜方形成，過濾出水的鐵的質量含量穩定且低于0.3mg/L；由于錳砂濾料對Fe²⁺吸附能力較強，運(yun)行初期即能獲得良好的(de)除(chu)鐵效果，待活性(xing)濾膜形成后(hou)，除(chu)鐵能力更加(jia)穩定，故(gu)在試驗(yan)中(zhong)除(chu)鐵效果一直良好，未出現(xian)除(chu)鐵不穩定期。

(2)對于除錳，纖維球濾料(liao)和石英砂(sha)濾料(liao)在運行過程中，均未形成(cheng)具催(cui)化(hua)作用的錳質活性濾膜。其原因：

①Mn²⁺的氧化不定期原電位高于Fe²⁺，在同樣的溶解氧及pH的曝氣條件下，Mn²⁺比Fe²⁺難氧化；

②在吸(xi)(xi)附(fu)和氧(yang)(yang)化反(fan)(fan)應過程中，由于氧(yang)(yang)化速率(lv)(lv)快，吸(xi)(xi)附(fu)速率(lv)(lv)便(bian)成了(le)整(zheng)個除錳(meng)反(fan)(fan)應的(de)控制速率(lv)(lv)，而石(shi)英砂、纖維球屬(shu)吸(xi)(xi)附(fu)能力較(jiao)弱的(de)濾料，吸(xi)(xi)附(fu)過程速率(lv)(lv)較(jiao)慢，故吸(xi)(xi)附(fu)速率(lv)(lv)便(bian)成了(le)整(zheng)個除錳(meng)反(fan)(fan)應的(de)控制關鍵(jian)；

③在運行過程中的反沖洗對運行初期濾料上附著的少量MnO₂也有洗脫作用，因此，MnO₂便難以在濾(lv)料上大(da)量(liang)積累而形成錳質活(huo)性濾(lv)膜(mo)。

(3)與石英砂、纖維球相比，優良天然馬山錳砂對Mn²⁺吸附能力很強，而且其成分中含有對Mn²⁺有催化氧化作用的MnO₂，故除錳反應速率快，運行初期濾料上就能附著大量的MnO₂，錳質活(huo)性濾膜很容易形成，運行過程中除錳能力始終較強。

3.2 運行參數對比(bi)

試驗(yan)中三種(zhong)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)性(xing)能不同，其(qi)運行(xing)周(zhou)期(qi)、反(fan)沖(chong)洗(xi)強度、除(chu)鐵除(chu)錳(meng)極限濾(lv)(lv)速(su)等(deng)參數也不盡(jin)相同（表(biao)2）。由表(biao)2可(ke)知(zhi)，纖(xian)維球(qiu)(qiu)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)由于(yu)比(bi)表(biao)面積較大(da)，水(shui)與濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)接觸面積大(da)，除(chu)鐵極限濾(lv)(lv)速(su)可(ke)提高(gao)至15m/h，分別是(shi)(shi)石(shi)(shi)英砂(sha)(sha)、錳(meng)砂(sha)(sha)的(de)(de)1.6和(he)1.9倍(bei)；因為其(qi)比(bi)表(biao)面積大(da)而(er)使濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)截污(wu)容量(liang)(liang)大(da)，可(ke)將運行(xing)同期(qi)延長(chang)至45~50h，是(shi)(shi)石(shi)(shi)英砂(sha)(sha)、錳(meng)砂(sha)(sha)的(de)(de)1.1~1.3倍(bei)。纖(xian)維球(qiu)(qiu)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)是(shi)(shi)由丙綸纖(xian)維纏繞而(er)成，結構不同于(yu)粒狀濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)，其(qi)內(nei)部截留附著的(de)(de)鐵氧化物必須采(cai)用(yong)氣水(shui)聯合反(fan)沖(chong)洗(xi)，通過氣水(shui)對濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)強烈擦洗(xi)使濾(lv)(lv)層得以(yi)清洗(xi)干凈，故反(fan)沖(chong)洗(xi)耗水(shui)量(liang)(liang)較小，約為石(shi)(shi)英砂(sha)(sha)的(de)(de)85%、錳(meng)砂(sha)(sha)的(de)(de)55%~73%。從經(jing)濟(ji)的(de)(de)角度考慮，單(dan)就(jiu)除(chu)鐵而(er)言，纖(xian)維球(qiu)(qiu)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)除(chu)鐵濾(lv)(lv)速(su)高(gao)，運行(xing)周(zhou)期(qi)長(chang)，反(fan)沖(chong)洗(xi)耗水(shui)量(liang)(liang)小，是(shi)(shi)較好(hao)的(de)(de)選擇；石(shi)(shi)英砂(sha)(sha)次(ci)之(zhi)；錳(meng)砂(sha)(sha)盡(jin)管除(chu)鐵效果(guo)始終較好(hao)，但(dan)由于(yu)比(bi)重較大(da)，反(fan)沖(chong)洗(xi)耗水(shui)量(liang)(liang)很大(da)，不經(jing)濟(ji)。但(dan)是(shi)(shi)，應(ying)該注意的(de)(de)是(shi)(shi)，對于(yu)鐵和(he)錳(meng)共(gong)存且鐵錳(meng)質(zhi)量(liang)(liang)含量(liang)(liang)較高(gao)的(de)(de)地下(xia)水(shui)，只(zhi)有(you)(you)錳(meng)砂(sha)(sha)濾(lv)(lv)料(liao)(liao)(liao)具(ju)有(you)(you)較好(hao)的(de)(de)同時去除(chu)鐵和(he)錳(meng)的(de)(de)效果(guo)。

表2 三(san)種不同濾料運行參(can)數對比(bi)

濾料種類	反沖洗強度L·（m2·s）-1		極限濾速（m·h-1）		運行周期/h
	氣沖	水沖	除鐵	除錳
纖維球	10-12	5-8	15.0	-	45-50
錳砂	-	9-11	9.5	10	35-40
石英砂	-	6-9	8.0	-	35-40