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(yàn)研究

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(yàn)研究

摘要：

     在地下水接觸氧化法除鐵除錳過(guò)程中,分別對(duì)比了優(yōu)質(zhì)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(qiáng)度及運(yùn)行周期等運(yùn)行參數(shù)研究結(jié)果表明，纖維球、活化沸石濾料均能除鐵，具有反沖洗強(qiáng)度小，反沖洗耗水量小的優(yōu)點(diǎn)；優(yōu)質(zhì)錳砂濾料具有較好的鐵錳同時(shí)去除的效果。

關(guān)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(wěn)定,古往今來(lái)一直是人們重要的飲用水源和理想的工業(yè)水源.我國(guó)目前地下水開(kāi)采量約占全國(guó)城市總用水量的30%,飲用地下水的城鎮(zhèn)居民達(dá)1億人以上，然而大部分地下水都含有過(guò)量的鐵和錳,嚴(yán)重影響其使用價(jià)值.國(guó)內(nèi)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(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單曝氣后不需要絮凝、沉淀而直接進(jìn)入濾池。曝氣接觸氧化法工藝簡(jiǎn)單，投資及運(yùn)行費(fèi)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(zhì)及錳質(zhì)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(dǎo)致除鐵除錳效果也不同 .筆者以?xún)?yōu)質(zhì)錳砂、纖維球、活化沸石3、種不同性能 的濾料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),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(jī)理；

2.1、接觸氧化除鐵機(jī)理

接觸氧化除鐵的機(jī)理是催化氧化反應(yīng),起催化作用的是濾料表面的鐵質(zhì)活性濾膜Fe(OH)₃2H₂O，鐵質(zhì)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(jià)鐵，鐵質(zhì)活性濾膜接觸氧化鐵的過(guò)程是一個(gè)自催化反應(yīng)過(guò)程,其反應(yīng)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(jī)理 原水經(jīng)簡(jiǎn)單曝氣之后進(jìn)入除錳濾池,在濾料表面的錳質(zhì)活性濾膜MnO_2·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(guò)程也是自催化反應(yīng)。

其反應(yīng)式為：

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、試驗(yàn)工藝流程及方法；

3.1、試驗(yàn)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(yàn)濾柱高2400mm,濾層厚1200mm，濾柱直徑150mm，濾柱內(nèi)分別裝填優(yōu)質(zhì)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(guān)鍵，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(duì)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(yàn)方法；

       按曝氣接觸氧化的設(shè)計(jì)要求，將地下水經(jīng)曝氣塔曝氣后直接引入濾柱中，地下水經(jīng)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(duì)除鐵除錳的要求.活性濾膜形成之前,濾柱運(yùn)行濾速控制在6~8m·h-1^-1,定期監(jiān)測(cè)進(jìn)出水鐵錳指標(biāo)。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(yàn)結(jié)果及討論本試驗(yàn)在運(yùn)行的3周內(nèi)，定期監(jiān)測(cè)各濾柱進(jìn)出水水質(zhì),變化過(guò)程見(jiàn)表2、3、4；

表1三種濾料規(guī)格性能一覽表

表2纖維球?yàn)V料除鐵除錳變化過(guò)程 mg·L ^-1

表3優(yōu)質(zhì)錳砂濾料除鐵除錳變化過(guò)程mg·L ^–1

表4活化沸石濾料除鐵除錳變化過(guò)程mg·L ^-1

以上表中的實(shí)測(cè)結(jié)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(yōu)良的吸附性能，二者對(duì)Fe ²⁺吸附能力較強(qiáng)，運(yùn)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(wěn)定,在試驗(yàn)中除鐵效果一直良好，未出現(xiàn)除鐵不穩(wěn)定期，而纖維球?yàn)V料由于吸附能力較弱，運(yùn)行初期鐵質(zhì)活性濾膜尚未形成，故出現(xiàn)明顯的除鐵不穩(wěn)定期。運(yùn)行至7天后，鐵質(zhì)活性濾膜形成，過(guò)濾出水鐵含量穩(wěn)定且低于0.3mgL^-1.對(duì)于除錳,纖維球?yàn)V料、活化沸石濾料運(yùn)行過(guò)程中未形成具有催化作用的錳質(zhì)活性膜，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中基本沒(méi)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(yùn)行初期濾料上沒(méi)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(yīng)過(guò)程中,由于氧化速率快,吸附速率便成了整個(gè)除錳反應(yīng)的控制速率,纖維球?yàn)V料屬于吸附能力較弱的軟質(zhì)濾料,吸附速率慢,另外,在運(yùn)行過(guò)程中的反沖洗對(duì)運(yùn)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(zhì)活性膜.而錳砂不僅有較強(qiáng)吸附能力,吸附速率快,對(duì)Mn2+吸附能力強(qiáng),而且其成分中含有對(duì)Mn²⁺有催化氧化作用的MnO₂,運(yùn)行初期Mn2+ 就容易氧化為MnO₂, 所以錳質(zhì)活性濾膜很容易形成,運(yùn)行過(guò)程中除錳能力始終較強(qiáng)。

另外試驗(yàn)表明：各濾柱運(yùn)行濾速為6~7m·h^-1時(shí),以出水鐵錳含量分別超過(guò)0.3mg·L^-10.1mgL^-1的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為運(yùn)行周期末的標(biāo)志,對(duì)各濾柱運(yùn)行周期進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果纖維球?yàn)V料運(yùn)行周期最長(zhǎng)，活化沸石次之，錳砂最小，三者運(yùn)行周期分別為45~50h、40~45h、32~38h。對(duì)各濾柱運(yùn)行反沖洗強(qiáng)度(水洗)進(jìn)行測(cè)定，優(yōu)質(zhì)錳砂、纖維球、活化沸石三者反沖洗強(qiáng)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(yùn)行周期也就越長(zhǎng)，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，就除鐵而言，纖維球?yàn)V料除鐵濾速高，運(yùn)行周期長(zhǎng)，活化沸石反沖洗強(qiáng)度較低，故二者可節(jié)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(jīng)濟(jì)。對(duì)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(shí)去除的效果。

5、結(jié)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?yàn)V料除鐵濾速高，運(yùn)行周期長(zhǎng)，活化沸石反沖洗強(qiáng)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(guò)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(jīng)濟(jì)。

              （2）、對(duì)于地下水鐵錳共存水質(zhì)，吸附能力較強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)天然錳砂濾料有較好的鐵錳同時(shí)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(zhì)。

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