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(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)度及運行周期等運行參數(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；優(yōu)質(zhì)錳砂濾料具有較好的鐵錳同時去除的效果。
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,古往今來一直是人們重要的飲用水源和理想的工業(yè)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(zhèn)居民達(dá)1億人以上，然而大部分地下水都含有過量的鐵和錳,嚴(yán)重影響其使用價值.國內(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)過簡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(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 .筆者以優(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(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鐵，鐵質(zhì)活性濾膜接觸氧化鐵的過程是一個自催化反應(yīng)過程,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(yīng)。
其反應(yīng)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(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(shè)計要求，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(jiān)測進(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、試驗結(jié)果及討論本試驗在運行的3周內(nèi)，定期監(jiān)測各濾柱進(jìn)出水水質(zhì),變化過程見表2、3、4；
表1三種濾料規(guī)格性能一覽表
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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(qiáng) |
|
活化沸石 |
0.9~2.5 |
1500 |
3200 |
強(qiáng) |
表2纖維球濾料除鐵除錳變化過程 mg·L -1
|
日期 |
進(jìn)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 |
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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(yōu)質(zhì)錳砂濾料除鐵除錳變化過程mg·L –1
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日期 |
進(jìn)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 |
|
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(jìn)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 |
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2006.5.9 |
6.6 |
1.8 |
0.02 |
1.55 |
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2006.5.11 |
7.3 |
2.0 |
0.01 |
1.5 |
|
2006.5.13 |
6.6 |
1.8 |
0.02 |
1.55 |
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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(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Fe 2+吸附能力較強(qiáng)，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(wěn)定,在試驗中除鐵效果一直良好，未出現(xiàn)除鐵不穩(wěn)定期，而纖維球濾料由于吸附能力較弱，運行初期鐵質(zhì)活性濾膜尚未形成，故出現(xiàn)明顯的除鐵不穩(wěn)定期。運行至7天后，鐵質(zhì)活性濾膜形成，過濾出水鐵含量穩(wěn)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(zhì)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(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,纖維球濾料屬于吸附能力較弱的軟質(zhì)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(zhì)活性膜.而錳砂不僅有較強(qiáng)吸附能力,吸附速率快,對Mn2+吸附能力強(qiáng),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(zhì)活性濾膜很容易形成,運行過程中除錳能力始終較強(qiáng)。
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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為運行周期末的標(biāo)志,對各濾柱運行周期進(jìn)行了測定,結(jié)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(qiáng)度(水洗)進(jìn)行測定，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，運行周期也就越長，從經(jīng)濟(jì)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(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(jié)論；
（1）、纖維球濾料和活化沸石濾料均具有較好除鐵效果，并且纖維球濾料除鐵濾速高，運行周期長，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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