錳砂，纖維球，活化沸石三種不同濾料去除地下水中鐵錳效果的試驗研究
摘要：
在地下水接觸氧化法除鐵除錳過程中,分別對比了優質錳砂、纖維球、活化沸石三種不同性能濾料的除鐵除錳效果、反沖洗強度及運行周期等運行參數研究結果表明，纖維球、活化沸石濾料均能除鐵，具有反沖洗強度小，反沖洗耗水量小的優點；優質錳砂濾料具有較好的鐵錳同時去除的效果。
關鍵詞：地下水；除鐵；除錳；錳砂濾料；纖維球；活化沸石
引言：
地下水清澈透明,常年水溫低而穩定,古往今來一直是人們重要的飲用水源和理想的工業水源.我國目前地下水開采量約占全國城市總用水量的30%,飲用地下水的城鎮居民達1億人以上，然而大部分地下水都含有過量的鐵和錳,嚴重影響其使用價值.國內大部分地下水除鐵除錳工程采用曝氣接觸氧化法:地下水經過簡單曝氣后不需要絮凝、沉淀而直接進入濾池。曝氣接觸氧化法工藝簡單，投資及運行費用低. 在地下水曝氣接觸氧化法中,鐵錳的氧化去除主要是濾料上包覆的鐵質及錳質活性膜的自催化氧化作用.不同濾料由于成分、性能的差異,因而導致除鐵除錳效果也不同 .筆者以優質錳砂、纖維球、活化沸石3、種不同性能 的濾料進行對比試驗,分析不同濾料除鐵除錳的綜合性能。
2、接觸氧化除鐵除錳的機理；
2.1、接觸氧化除鐵機理
接觸氧化除鐵的機理是催化氧化反應,起催化作用的是濾料表面的鐵質活性濾膜Fe(OH)32H2O，鐵質活性濾膜首先吸附水中的亞鐵離子，被吸附的亞鐵離子在活性濾膜的催化作用下迅速氧化為三價鐵，鐵質活性濾膜接觸氧化鐵的過程是一個自催化反應過程,其反應式如下:
Fe2+的吸附:Fe(OH)3·2H2O+Fe2+ Fe(OH)3(OFe)·2H2O+H+ (1)
Fe 2+的氧化:Fe(OH)3(OFe)·2H2O+Fe2+ + 1/4O2+5/2H2O 2Fe(OH)3·2H2O+H+ (2)
2.2、接觸氧化除錳機理 原水經簡單曝氣之后進入除錳濾池,在濾料表面的錳質活性濾膜MnO2·xH2O的作用下,Mn2+被水中的溶解氧氧化為MnO2,并吸附在濾料表面,使濾膜得到更新,該過程也是自催化反應。
其反應式為：
Mn2+的吸附:Mn2+MnO2·xH2O-=MnO2MnO(x-1)H2O+2H+ (3)
Mn2+的氧化:MnO2·MnO(x-1)H2O+1/2O2+H2O=2MnO2·xH2O (4)
3、試驗工藝流程及方法；
3.1、試驗工藝流程：
工藝流程為：含鐵錳地下水 板條式曝氣塔 濾柱 出水試驗濾柱高2400mm,濾層厚1200mm，濾柱直徑150mm，濾柱內分別裝填優質錳砂、纖維球、活化沸石濾料。活性濾膜的形成是鐵錳去除的關鍵，由于濾料與地下水直接接觸并發揮著鐵錳氧化去除的重要功能，所以濾料性能對活性濾膜形成的影響尤為重要。3種濾料性能如表1。
3.2、試驗方法；
按曝氣接觸氧化的設計要求，將地下水經曝氣塔曝氣后直接引入濾柱中，地下水經曝氣塔曝氣后，水中溶解氧(DO)為7.3mg·L-1-1左右，pH值大于7.5，符合接觸氧化法對除鐵除錳的要求.活性濾膜形成之前,濾柱運行濾速控制在6~8m·h-1-1,定期監測進出水鐵錳指標。鐵的分析方法為鄰二氮菲比色法，錳為高錳酸鹽分光光度法。
4、試驗結果及討論本試驗在運行的3周內，定期監測各濾柱進出水水質,變化過程見表2、3、4；
表1三種濾料規格性能一覽表
|
濾料 |
粒徑/mm |
密度/(kg·m-3) |
堆積密度/(kg·m-3) |
吸附能力 |
|
纖維球 |
1.6 |
1600 |
900 |
弱 |
|
天然錳砂 |
0.9~1.5 |
3650 |
1800 |
強 |
|
活化沸石 |
0.9~2.5 |
1500 |
3200 |
強 |
表2纖維球濾料除鐵除錳變化過程 mg·L -1
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日期 |
進水 |
出水 |
||
|
Fe濃度 |
Mn濃度 |
Fe濃度 |
Mn濃度 |
|
|
2006.5.5 |
7.5 |
1.9 |
2.1 |
1.8 |
|
2006.5.7 |
6.5 |
1.6 |
0.1 |
1.5 |
|
2006.5.9 |
6.6 |
1.8 |
0.3 |
1.8 |
|
2006.5.11 |
7.3 |
2.0 |
0.1 |
1.7 |
|
2006.5.13 |
6.6 |
1.8 |
0.15 |
1.65 |
|
2006.5.18 |
6.5 |
2.0 |
1.1 |
1.7 |
|
2006.5.20 |
6.8 |
1.8 |
0.01 |
1.6 |
|
2006.5.23 |
7.0 |
2.1 |
0.1 |
1.5 |
表3優質錳砂濾料除鐵除錳變化過程mg·L –1
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日期 |
進水 |
出水 |
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Fe濃度 |
Mn濃度 |
Fe濃度 |
Mn濃度 |
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2006.5.5 |
7.5 |
1.9 |
0.3 |
0.01 |
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2006.5.7 |
6.5 |
1.6 |
0.1 |
0.02 |
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2006.5.9 |
6.6 |
1.8 |
0.1 |
0.01 |
|
2006.5.11 |
7.3 |
2.0 |
0.05 |
0.3 |
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2006.5.13 |
6.6 |
1.8 |
0.01 |
0.01 |
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2006.5.18 |
6.5 |
2.0 |
0.1 |
0.02 |
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2006.5.20 |
6.8 |
1.8 |
0.1 |
0.02 |
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2006.5.23 |
7.0 |
2.1 |
0.3 |
0.3 |
表4活化沸石濾料除鐵除錳變化過程mg·L -1
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日期 |
進水 |
出水 |
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Fe濃度 |
Mn濃度 |
Fe濃度 |
Mn濃度 |
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2006.5.5 |
7.5 |
1.9 |
0.3 |
1.85 |
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2006.5.7 |
6.5 |
1.6 |
0.05 |
1.5 |
|
2006.5.9 |
6.6 |
1.8 |
0.02 |
1.55 |
|
2006.5.11 |
7.3 |
2.0 |
0.01 |
1.5 |
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2006.5.13 |
6.6 |
1.8 |
0.02 |
1.55 |
|
2006.5.18 |
6.5 |
2.0 |
0.2 |
1.8 |
|
2006.5.20 |
6.8 |
1.8 |
0.1 |
1.6 |
|
2006.5.23 |
7.0 |
2.1 |
0.2 |
1.7 |
以上表中的實測結果表明，原水中鐵的含量為6~8mg·L-1，錳含量為1.6~2.1mg·L-1.錳砂、活化沸石濾料都具有優良的吸附性能，二者對Fe 2+吸附能力較強，運行初期即能獲得良好的除鐵效果,待活性膜形成后,除鐵能力更加穩定,在試驗中除鐵效果一直良好，未出現除鐵不穩定期，而纖維球濾料由于吸附能力較弱，運行初期鐵質活性濾膜尚未形成，故出現明顯的除鐵不穩定期。運行至7天后，鐵質活性濾膜形成，過濾出水鐵含量穩定且低于0.3mgL-1.對于除錳,纖維球濾料、活化沸石濾料運行過程中未形成具有催化作用的錳質活性膜，在整個運行過程中基本沒有除錳能力，原因是：1)Mn 2+ 的氧化還原電位高于Fe2+，在同樣的溶解氧及pH值的曝氣條件下,Mn2+比Fe2+難氧化,運行初期濾料上沒有較大量MnO2活性成分的催化作用,Mn2+更是難以氧化;2)在吸附、氧化反應過程中,由于氧化速率快,吸附速率便成了整個除錳反應的控制速率,纖維球濾料屬于吸附能力較弱的軟質濾料,吸附速率慢,另外,在運行過程中的反沖洗對運行初期濾料上附著的少量MnO2具有洗脫作用,所以MnO2很難在濾料上大量積累而形成錳質活性膜.而錳砂不僅有較強吸附能力,吸附速率快,對Mn2+吸附能力強,而且其成分中含有對Mn2+有催化氧化作用的MnO2,運行初期Mn2+ 就容易氧化為MnO2, 所以錳質活性濾膜很容易形成,運行過程中除錳能力始終較強。
另外試驗表明：各濾柱運行濾速為6~7m·h-1時,以出水鐵錳含量分別超過0.3mg·L-10.1mgL-1的水質標準作為運行周期末的標志,對各濾柱運行周期進行了測定,結果纖維球濾料運行周期最長，活化沸石次之，錳砂最小，三者運行周期分別為45~50h、40~45h、32~38h。對各濾柱運行反沖洗強度(水洗)進行測定，優質錳砂、纖維球、活化沸石三者反沖洗強度分別為：9~11L·m2·s-1、5~7L·m2·s-1、6~7L·m2·s-1.表明所采用濾料的比表面積越大，濾料的截污容量越大，運行周期也就越長，從經濟的角度考慮，就除鐵而言，纖維球濾料除鐵濾速高，運行周期長，活化沸石反沖洗強度較低，故二者可節省較多的反沖洗水。而錳砂盡管除鐵效果也較好，但由于密度較大，反沖洗耗水量最大，不經濟。對于鐵錳共存且含量較高的地下水，錳砂濾料具有較好的鐵錳同時去除的效果。
5、結論；
（1）、纖維球濾料和活化沸石濾料均具有較好除鐵效果，并且纖維球濾料除鐵濾速高，運行周期長，活化沸石反沖洗強度較低，反沖洗耗水量小，故二者非常適合含鐵地下水的除鐵過程，錳砂盡管除鐵效果也較好，但由于密度較大，反沖洗耗水量大，不經濟。
（2）、對于地下水鐵錳共存水質，吸附能力較強的優質天然錳砂濾料有較好的鐵錳同時去除的效果.而纖維球、活化沸石濾料由于不能除錳，故不適用于鐵錳共存水質。
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