锰砂,纤维球,活化沸石三种不同滤料去除地下水中铁锰效果的试验研究

锰砂，纤维球，活化沸石三种不同滤料去除地下水中铁锰效果的试验研究

摘要：

     在地下水接触氧化法除铁除锰过程中,分别对比了优质锰砂、纤维球、活化沸石三种不同性能滤料的除铁除锰效果、反冲洗强度及运行周期等运行参数研究结果表明，纤维球、活化沸石滤料均能除铁，具有反冲洗强度小，反冲洗耗水量小的优点；优质锰砂滤料具有较好的铁锰同时去除的效果。

关键词：地下水；除铁；除锰；锰砂滤料；纤维球；活化沸石

引言：

地下水清澈透明,常年水温低而稳定,古往今来一直是人们重要的饮用水源和理想的工业水源.我国目前地下水开采量约占全国城市总用水量的30%,饮用地下水的城镇居民达1亿人以上，然而大部分地下水都含有过量的铁和锰,严重影响其使用价值.国内大部分地下水除铁除锰工程采用曝气接触氧化法:地下水经过简单曝气后不需要絮凝、沉淀而直接进入滤池。曝气接触氧化法工艺简单，投资及运行费用低. 在地下水曝气接触氧化法中,铁锰的氧化去除主要是滤料上包覆的铁质及锰质活性膜的自催化氧化作用.不同滤料由于成分、性能的差异,因而导致除铁除锰效果也不同 .笔者以优质锰砂、纤维球、活化沸石3、种不同性能 的滤料进行对比试验,分析不同滤料除铁除锰的综合性能。

2、接触氧化除铁除锰的机理；

2.1、接触氧化除铁机理

接触氧化除铁的机理是催化氧化反应,起催化作用的是滤料表面的铁质活性滤膜Fe(OH)₃2H₂O，铁质活性滤膜首先吸附水中的亚铁离子，被吸附的亚铁离子在活性滤膜的催化作用下迅速氧化为三价铁，铁质活性滤膜接触氧化铁的过程是一个自催化反应过程,其反应式如下:

  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、接触氧化除锰机理 原水经简单曝气之后进入除锰滤池,在滤料表面的锰质活性滤膜MnO_2·xH₂O的作用下,Mn²⁺被水中的溶解氧氧化为MnO₂,并吸附在滤料表面,使滤膜得到更新,该过程也是自催化反应。

其反应式为：

Mn²⁺的吸附:Mn²⁺MnO_2·xH₂O-=MnO2MnO(x-1)H2O+2H⁺                                                  (3)

Mn²⁺的氧化:MnO_2·MnO(x-1)H₂O+1/2O₂+H₂O=2MnO_2·xH₂O                                            (4)

3、试验工艺流程及方法；

3.1、试验工艺流程：

     工艺流程为：含铁锰地下水 板条式曝气塔 滤柱 出水试验滤柱高2400mm,滤层厚1200mm，滤柱直径150mm，滤柱内分别装填优质锰砂、纤维球、活化沸石滤料。活性滤膜的形成是铁锰去除的关键，由于滤料与地下水直接接触并发挥着铁锰氧化去除的重要功能，所以滤料性能对活性滤膜形成的影响尤为重要。3种滤料性能如表1。

3.2、试验方法；

       按曝气接触氧化的设计要求，将地下水经曝气塔曝气后直接引入滤柱中，地下水经曝气塔曝气后，水中溶解氧(DO)为7.3mg·L-1^-1左右，pH值大于7.5，符合接触氧化法对除铁除锰的要求.活性滤膜形成之前,滤柱运行滤速控制在6~8m·h-1^-1,定期监测进出水铁锰指标。铁的分析方法为邻二氮菲比色法，锰为高锰酸盐分光光度法。

4、试验结果及讨论本试验在运行的3周内，定期监测各滤柱进出水水质,变化过程见表2、3、4；

表1三种滤料规格性能一览表

表2纤维球滤料除铁除锰变化过程 mg·L ^-1

表3优质锰砂滤料除铁除锰变化过程mg·L ^–1

表4活化沸石滤料除铁除锰变化过程mg·L ^-1

以上表中的实测结果表明，原水中铁的含量为6~8mg·L^-1，锰含量为1.6~2.1mg·L^-1.锰砂、活化沸石滤料都具有优良的吸附性能，二者对Fe ²⁺吸附能力较强，运行初期即能获得良好的除铁效果,待活性膜形成后,除铁能力更加稳定,在试验中除铁效果一直良好，未出现除铁不稳定期，而纤维球滤料由于吸附能力较弱，运行初期铁质活性滤膜尚未形成，故出现明显的除铁不稳定期。运行至7天后，铁质活性滤膜形成，过滤出水铁含量稳定且低于0.3mgL^-1.对于除锰,纤维球滤料、活化沸石滤料运行过程中未形成具有催化作用的锰质活性膜，在整个运行过程中基本没有除锰能力，原因是：1)Mn ²⁺ 的氧化还原电位高于Fe²⁺，在同样的溶解氧及pH值的曝气条件下,Mn²⁺比Fe²⁺难氧化,运行初期滤料上没有较大量MnO₂活性成分的催化作用,Mn²⁺更是难以氧化;2)在吸附、氧化反应过程中,由于氧化速率快,吸附速率便成了整个除锰反应的控制速率,纤维球滤料属于吸附能力较弱的软质滤料,吸附速率慢,另外,在运行过程中的反冲洗对运行初期滤料上附着的少量MnO₂具有洗脱作用,所以MnO₂很难在滤料上大量积累而形成锰质活性膜.而锰砂不仅有较强吸附能力,吸附速率快,对Mn2+吸附能力强,而且其成分中含有对Mn²⁺有催化氧化作用的MnO₂,运行初期Mn2+ 就容易氧化为MnO₂, 所以锰质活性滤膜很容易形成,运行过程中除锰能力始终较强。

另外试验表明：各滤柱运行滤速为6~7m·h^-1时,以出水铁锰含量分别超过0.3mg·L^-10.1mgL^-1的水质标准作为运行周期末的标志,对各滤柱运行周期进行了测定,结果纤维球滤料运行周期最长，活化沸石次之，锰砂最小，三者运行周期分别为45~50h、40~45h、32~38h。对各滤柱运行反冲洗强度(水洗)进行测定，优质锰砂、纤维球、活化沸石三者反冲洗强度分别为：9~11L·m²·s^-1、5~7L·m²·s^-1、6~7L·m²·s^-1.表明所采用滤料的比表面积越大，滤料的截污容量越大，运行周期也就越长，从经济的角度考虑，就除铁而言，纤维球滤料除铁滤速高，运行周期长，活化沸石反冲洗强度较低，故二者可节省较多的反冲洗水。而锰砂尽管除铁效果也较好，但由于密度较大，反冲洗耗水量最大，不经济。对于铁锰共存且含量较高的地下水，锰砂滤料具有较好的铁锰同时去除的效果。

5、结论；

（1）、纤维球滤料和活化沸石滤料均具有较好除铁效果，并且纤维球滤料除铁滤速高，运行周期长，活化沸石反冲洗强度较低，反冲洗耗水量小，故二者非常适合含铁地下水的除铁过程，锰砂尽管除铁效果也较好，但由于密度较大，反冲洗耗水量大，不经济。

              （2）、对于地下水铁锰共存水质，吸附能力较强的优质天然锰砂滤料有较好的铁锰同时去除的效果.而纤维球、活化沸石滤料由于不能除锰，故不适用于铁锰共存水质。

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