摘要：采用鄰二氮菲比色法和過硫酸銨分光光度法，對石英砂、纖維球和錳砂三種不同性能的濾料進行了對比分析試驗。結(jié)果表明——纖維球濾料除鐵濾速高，反沖洗耗水量小且耐磨損；石英砂濾料綜合性能次之；錳砂雖然除鐵效果較好，但反沖洗耗水量大；其次，吸附能力較強的優(yōu)質(zhì)天然馬山錳砂濾料有較好的同時去除鐵錳的效果，而纖維球和石英砂則不適宜除錳。

地下水是我國城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)的重要水源，主要分布于北方廣大區(qū)域。一般情況下，地下水水質(zhì)較好，但含鐵的質(zhì)量含量不得超過0.30mg/L，錳的質(zhì)量含量不得超過0.10mg/L，因為鐵和錳的質(zhì)量含量過高可導(dǎo)致水中色度升高，給生活和生產(chǎn)帶來諸多不便，并可導(dǎo)致慢性中毒而引發(fā)一些地方病。

鑒于地下水中含鐵錳的普遍性及其危害，國內(nèi)大部分地區(qū)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⁺形式存在的鐵和錳，在后續(xù)接觸氧化過濾中得以氧化去除，曝氣接觸氧化法由于工藝簡單、投資及運行費用低而在我國得到廣泛應(yīng)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(zhì)及錳質(zhì)活性膜的自催化作用。由于以Fe²⁺、Mn²⁺形式存在的鐵和錳的吸附作用不同，因而導(dǎo)致不同濾料的除鐵除錳效果也不同。本文以石英砂、纖維球、錳砂三種不同性能的濾料進行對比試驗，分析了不同濾料的除鐵除錳性能及對水質(zhì)的適應(yīng)性。

1 活性濾膜的形成及除鐵除錳機理

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⁺首先吸附在活性濾膜上，然后通過活性濾膜的自催化作用得以氧化去除。

1.1 除鐵反應(yīng)

(1) Fe2+的吸附，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 除錳反應(yīng)

(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，活性濾膜的形成是鐵和錳去除的關(guān)鍵，水質(zhì)、濾料性能和運行條件等均是其形成的影響因素。由于濾料與地下水直接接觸并發(fā)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顯得尤為重要。在整個反應(yīng)過程中，活性濾膜形成后，由于鐵錳氧化過程速率較快，所以吸附過程的速率便成為整個反應(yīng)的控制速率。

2 試驗

2.1 試驗方法

根據(jù)曝氣接觸氧化法的設(shè)計要求，將地下水廠經(jīng)曝氣塔曝氣后的水直接引入分別裝填石英砂、錳 砂和纖維球濾料的濾池中，濾層厚1200mm，濾柱直徑為150mm；濾柱運行濾速控制在6~8m/h，定期監(jiān)測進出水中鐵和錳指標。除鐵的分析方法為鄰二氮菲比色法，除錳的方法為過硫酸銨分光光度法。

2.2 試驗材料

纖維球濾料由丙綸纖維絲纏繞而成，纖維絲直徑很細，以10μm計，比表面積遠大于常規(guī)粒狀濾料。纖維球、石英砂均屬吸附能力較弱的濾料，密度較小，反沖洗耗水量小，錳砂為優(yōu)質(zhì)天然馬山錳砂，主要成分為錳氧化物，吸附能力較強；但密度較大，反沖洗耗水量大（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(jié)果與討論

3.1 除鐵除錳效果對比

地下水經(jīng)曝氣塔曝氣后，水中溶解氧（DO）為7.2mg/L左右，pH＞7.5，符合接觸氧化法對除鐵除錳的要求。在該曝氣條件下，定期檢測各濾柱進出水的水質(zhì)（圖1-3）。

(1)由圖1-3可知，原水中鐵的質(zhì)量含量為6-9mg/L，錳的質(zhì)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(zhì)活性濾膜尚未形成，因此出現(xiàn)了明顯的除鐵不穩(wěn)定期。運行7~9d后，鐵質(zhì)活性濾膜方形成，過濾出水的鐵的質(zhì)量含量穩(wěn)定且低于0.3mg/L；由于錳砂濾料對Fe²⁺吸附能力較強，運行初期即能獲得良好的除鐵效果，待活性濾膜形成后，除鐵能力更加穩(wěn)定，故在試驗中除鐵效果一直良好，未出現(xiàn)除鐵不穩(wěn)定期。

(2)對于除錳，纖維球濾料和石英砂濾料在運行過程中，均未形成具催化作用的錳質(zhì)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在吸附和氧化反應(yīng)過程中，由于氧化速率快，吸附速率便成了整個除錳反應(yīng)的控制速率，而石英砂、纖維球?qū)傥�附能力較弱的濾料，吸附過程速率較慢，故吸附速率便成了整個除錳反應(yīng)的控制關(guān)鍵；

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便難以在濾料上大量積累而形成錳質(zhì)活性濾膜。

(3)與石英砂、纖維球相比，優(yōu)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(yīng)速率快，運行初期濾料上就能附著大量的MnO₂，錳質(zhì)活性濾膜很容易形成，運行過程中除錳能力始終較強。

3.2 運行參數(shù)對比

試驗中三種濾料性能不同，其運行周期、反沖洗強度、除鐵除錳極限濾速等參數(shù)也不盡相同（表2）。由表2可知，纖維球濾料由于比表面積較大，水與濾料接觸面積大，除鐵極限濾速可提高至15m/h，分別是石英砂、錳砂的1.6和1.9倍；因為其比表面積大而使濾料的截污容量大，可將運行同期延長至45~50h，是石英砂、錳砂的1.1~1.3倍。纖維球濾料是由丙綸纖維纏繞而成，結(jié)構(gòu)不同于粒狀濾料，其內(nèi)部截留附著的鐵氧化物必須采用氣水聯(lián)合反沖洗，通過氣水對濾料的強烈擦洗使濾層得以清洗干凈，故反沖洗耗水量較小，約為石英砂的85%、錳砂的55%~73%。從經(jīng)濟的角度考慮，單就除鐵而言，纖維球濾料除鐵濾速高，運行周期長，反沖洗耗水量小，是較好的選擇；石英砂次之；錳砂盡管除鐵效果始終較好，但由于比重較大，反沖洗耗水量很大，不經(jīng)濟。但是，應(yīng)該注意的是，對于鐵和錳共存且鐵錳質(zhì)量含量較高的地下水，只有錳砂濾料具有較好的同時去除鐵和錳的效果。

表2 三種不同濾料運行參數(shù)對比

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