農村地下水除錳工藝設計及不同濾料除錳效果★

張子豪 李博瑤

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧沈陽 110168)

地下水是我國城鎮和工礦企業的重要水源。然而我國許多地區的地下水源，尤其是東北地區和華北地區的主要城市和農村的地下水源中普遍存在鐵、錳含量超標的現象，對居民的日常生活和工農業生產等均造成不利影響。自20世紀70年代以來，曝氣接觸氧化法便被廣泛應用于國內的地下水除鐵除錳工程中，該工藝流程主要是含鐵錳地下水曝氣后經濾池過濾，水中Mn2+，Fe2+在濾池中被氧化為高價的氫氧化物，并逐漸附著在濾料的表面上形成活性濾膜［1］。接觸氧化除鐵錳的理論認為鐵錳氧化去除的關鍵不是濾料本身，而是附著在濾料表面的鐵質及錳質活性濾膜的自催化氧化作用［2］，水中 Mn2+，Fe2+被濾膜吸附氧化，又生成新的活性濾膜物質參與反應，形成這樣一個自催化反應過程。同時，由于不同濾料在成分和性能上的差別，從而產生不同的除鐵除錳效果［3］。多年工程實踐表明，接觸氧化法中鐵質活性濾膜對鐵的去除非常有效，其中鐵離子的去除過程主要是化學氧化作用，Fe2+很容易被氧化形成Fe(OH)3被濾料截留吸附，但在除錳方面一直沒有得到很好的解決［1，2］。受水質及環境因素的影響，Mn2+難以快速氧化為MnO2形成錳質活性濾膜，使得形成周期比較長，濾料成熟慢，且由于經常性反沖洗等外界因素的干擾，錳質濾膜有時根本不能形成，除錳效果更是呈現很不穩定的狀態［4］。因此，為了保證合格的出水水質，對于錳砂吸附過濾能力的探究和對氧化除錳工藝的改進尤為重要。本文以遼寧省新民市柳河沿岸農村地下水為例，結合當地水文地質情況，采用二級曝氣加單級過濾除錳的處理工藝去除水中超標錳，并探究不同錳砂濾料的除錳能力，分析該工藝的除錳效果，為新民市農村地下水除錳工程的實際運行提供可借鑒的科學依據。

1 地下水除錳工藝設計

1.1 設計實際工藝流程

由前期取水試驗可知，新民市柳河沿岸農村地下水錳含量為1.44 mg/L ～2.26 mg/L，平均值為 1.85 mg/L，屬低含錳量水質，且用水規模較小，擬設計小型地下水除錳構筑物，其地下水除錳工藝流程如下:

除鐵、除錳濾池的曝氣方式上，考慮到氧化的需要溶解氧量和建造費用經濟合理的要求，本工藝選擇二級跌水曝氣法，既避免了自然空氣接觸氧化法氧化物不易過濾的弊端，又彌補了出水不穩定的不足［5］。且由于該水源地下水中錳離子較鐵離子更難去除，因此，可采用二級曝氣加單級過濾除錳的處理工藝［6］。

1.2 確定實驗工藝流程

為檢驗該工藝處理效果，以便在后期對工藝進行優化和改進，筆者通過三個月的相關動態實驗，模擬實際運行條件，用曝氣塔保證曝氣效果，采取“二級跌水曝氣+一級過濾”的工藝方式進行試驗研究，其實驗工藝流程為:含錳地下水→曝氣塔→濾柱→出水。在運行過程中沖洗時間不宜過長，以免濾料表面活性濾膜脫落過多，影響除錳效果。本實驗沖洗歷時為7 min～10 min。除錳濾池濾速不宜過高，一般可控制在5 m/h～7 m/h。原水經過一、二級曝氣后，水中pH，DO值都會有不同的變化。溶解氧值在1.65 mg/L ～6.82 mg/L 之間變化，平均值為 4.05 mg/L，pH 值在6.94 ～7.32 之間變化，平均值為 6.97。

2 地下水除錳效果實驗

2.1 實驗目的

通過對比不同性能的濾料，掌握其成熟期，了解其濾后水含錳量峰值及測量值變化，分析其除錳效果，從而對工藝進行優化設計。

2.2 實驗材料與裝置

1)實驗材料。原水水質見表1。濾料:選取2種不同品質的錳砂及活化沸石作為濾料，分別命名為甲、乙、丙，其中甲柱為河南鞏義天然錳砂，乙柱為錦西天然錳砂，丙柱為活化沸石。2)試驗裝置。采用直徑100 mm，高2 m的玻璃濾柱。每根濾柱各10個取樣口。濾料規格及填料厚度如表2及表3所示。

表1 原水水質情況

表2 濾層濾料規格

表3 承托層濾料規格 mm

2.3 實驗方法

實驗濾柱進水中溶解氧DO和pH值的改變，通過放置在凈水車間地面上及用鐵架支起的水箱在不同跌水高度上曝氣的方法來實現。

原水經過裝有天然錳砂的濾柱過濾后，水中Mn2+應被去除或含量降低。實驗采取定量分析法來進行，即對同一濾柱控制不同的濾速，然后測定濾后水中的錳離子含量。將不同的濾料分裝在三組濾柱中。原水經過一、二級跌水曝氣后，進入裝有濾料的濾柱進行過濾，在不同時間內測定其濾后水中錳離子的含量，其中錳離子采用過硫酸銨分光光度法來檢測。

2.4 實驗結果分析

本實驗通過檢測濾柱濾后錳離子濃度不同時刻的數值，繪制了不同濾柱濾后錳離子濃度的歷時變化曲線，見圖1～圖3。通過錳離子濃度變化曲線可以分析其成熟期，本文以濾后錳離子濃度下降到0.1 mg/L時的時間為錳砂濾料的成熟期。

圖1 甲柱濾后錳離子濃度歷時變化曲線

圖2 乙柱濾后錳離子濃度歷時變化曲線

圖3 丙柱濾后錳離子濃度歷時變化曲線

由圖1可知，甲柱為河南鞏義天然錳砂，在60 d之前甲柱濾后錳離子濃度在0.8 mg/L～1.60 mg/L之間變化，在60 d后錳質濾膜開始形成，曲線斜率較大［2］，錳離子濃度逐漸下降，在85 d后才達到飲用水標準0.1 mg/L且穩定。這表明A柱天然錳砂濾料穩定成熟期為85 d，是由于鞏義錳砂MnO2含量偏低，且濾料表面光滑，孔隙率較小吸附能力差，活性濾膜形成時間長，因此導致除錳率較低［7］。由圖2可知，在運行初期時，乙柱濾后錳離子濃度在1.05 mg/L～1.50 mg/L之間變化，降解率比較低，而在45 d后，錳離子濃度下降較快，同時形成了活性濾膜，第45天～第65天濾后水錳離子質量濃度從1.50 mg/L逐漸下降到0.15 mg/L，在第70天后濾后錳離子濃度才降到0.05 mg/L且穩定，滿足飲用水標準，穩定成熟期為70 d，因此表明錦西天然錳砂具有較高含量的MnO2，能更好的吸附水中的錳離子，且成熟期短［2］。由圖3可知，在整個運行過程中，丙柱活化沸石濾料上未形成具有催化作用的錳質活性濾膜，錳離子濃度始終在1.20 mg/L～1.32 mg/L變化，錳離子濃度降幅很小，基本沒有體現出除錳能力。其主要原因是活化沸石屬于吸附能力較弱的濾料，對Mn2+的吸附作用較差，且其成分缺少對Mn2+的催化氧化作用，另外在運行過程中，反沖洗對濾料上附著的少量MnO2具有洗脫作用［3-8］，所以MnO2很難在濾料上大量積累而形成錳質活性濾膜，因此除錳效率極低。

綜上，通過分析濾后水含錳量峰值和穩定成熟期時長可知，乙柱錦西天然錳砂成熟期最短，吸附能力較強，降解速率快，濾后錳離子濃度最低，對水中錳離子的去除效果最佳。

3 結語

1)本實驗原水平均含錳量為1.85 mg/L，屬低錳類型地下水，通過實驗已證明采用二級跌水曝氣加單級過濾處理工藝是可行可靠的，濾后錳離子濃度達到0.1 mg/L的飲用水標準。2)鐵錳氧化去除的關鍵是錳質活性濾膜的自催化氧化作用，濾料經長期使用，會形成以細砂為核心的球形錳質濾料，且表面的錳質濾膜愈積愈厚，接觸氧化能力很強，對除錳有益，直到細砂外包物過厚使粒徑過粗，影響出水水質時才需部分更換。3)通過比較3種不同的濾料對新民市農村地下水的處理，并測得甲柱河南鞏義天然錳砂和乙柱錦西天然錳砂的濾料穩定成熟期分別為85 d和70 d，丙柱活化沸石上未形成錳質活性濾膜，不具有除錳能力。其中乙柱錦西天然錳砂成熟期最短，濾后錳離子濃度最低，對水中錳離子的去除效果最佳，是較為理想的優質天然錳砂濾料。

［1］陳心鳳.接觸氧化法和吸附法對水中鐵錳的去除試驗研究［D］.杭州:浙江大學，2011.

［2］陳宇輝，余 健，謝水波.地下水除鐵除錳研究的問題與發展［J］.工業用水與廢水，2003，34(3):1-4.

［3］毛艷麗，羅世田，師軍帥.不同濾料去除地下水中鐵錳效果的試驗研究［J］.平頂山學院學報，2006，21(5):41-43.

［4］欒 嵐，詹 健，賈俊松.地下水除鐵除錳技術的分析及其發展方向初探［J］.江西化工，2006(1):103-105.

［5］劉仁鋒.成套地下水除鐵除錳裝置的工藝設計［J］.江西化工，2007(1):35-38.

［6］朱秀芹，李燦波.地下水除鐵除錳技術發展歷程及展望［J］.黑龍江水利科技，2008(6):78-80.

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