張莉莉，楊 威，倪小溪

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)a.生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心;b.環(huán)境工程系，黑龍江哈爾濱150076）

單層濾料及雙層不均勻?yàn)V料對(duì)地下水除鐵除錳的影響*

張莉莉a,b，楊 威b,a*，倪小溪a,b

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)a.生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心;b.環(huán)境工程系，黑龍江哈爾濱150076）

以哈爾濱某水廠高鐵、高錳地下水為處理對(duì)象，考察相同運(yùn)行條件（進(jìn)水溶解氧為9mg·L-1，pH值為6.8～6.9，濾速為5m·h-1）下，單層濾料及雙層濾料對(duì)除鐵除錳濾柱除錳成熟期及出水水質(zhì)的影響。結(jié)果表明：錳砂濾柱和上層石英砂下層錳砂濾柱除鐵效果沒(méi)有明顯差別，都在運(yùn)行7～10d后達(dá)標(biāo)（＜0.3mg·L-1）；錳砂濾柱除錳效果優(yōu)于上層石英砂下層錳砂濾柱，后者比前者錳砂量小，吸附容量小，在錳質(zhì)活性濾膜生成前吸附飽和，所以除錳成熟期延長(zhǎng)。

地下水；除鐵除錳；濾料材質(zhì)

地下水是人類生存空間的重要組成部分，從古至今為人類提供了大量?jī)?yōu)質(zhì)的淡水資源[1]。目前，全國(guó)近400個(gè)城市開采了地下水作為城市的供水水源，工業(yè)和生活用水絕大部分取自地下水。然而，地下水在地下徑流的過(guò)程中，由于物理作用、化學(xué)作用以及生物作用溶解了不同濃度的Fe2+、Mn2+以及其他物質(zhì)，破壞了地下水的優(yōu)良品質(zhì)，因而產(chǎn)生的異味、色度都使人難以忍受，甚至?xí)：θ松斫】?，影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2]。另有調(diào)查顯示，隨著水源微污染情況的日益突出，地下水中鐵、錳的含量有也逐年增加的趨勢(shì)[3]，并且地下水中鐵錳含量超標(biāo)現(xiàn)象在其它國(guó)家和地區(qū)也很普遍[4]。

地下水除鐵除錳的技術(shù)先后經(jīng)歷了自然氧化法、接觸氧化法、生物法3個(gè)階段[5]。現(xiàn)普遍采用鐵質(zhì)活性濾膜接觸氧化除鐵和錳質(zhì)活性濾膜接觸氧化除錳工藝。筆者采用錳質(zhì)活性濾膜接觸氧化，研究了單層濾料和不均勻雙層濾料濾柱進(jìn)出水鐵錳濃度變化，以考察單層濾料及不均勻雙層濾料對(duì)濾柱除鐵除錳成熟期的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。原水接自原水廠工藝曝氣塔進(jìn)水總管（DN400），利用管道中原有壓力作為作用水頭，通過(guò)進(jìn)水總閥控制進(jìn)水流量。原水經(jīng)過(guò)蓮蓬頭曝氣并按一定比例加（1+5）H2SO4，跌入地位水箱，通過(guò)潛水泵（揚(yáng)程16m，流量1.5m3，功率370W）抽送一部分水循環(huán)曝氣，另一部分上送至高位水箱。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

本試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)過(guò)濾柱，編號(hào)為1#、2#，濾柱內(nèi)徑為90mm，高3.0m，皆由有機(jī)玻璃制作。1#為錳砂濾柱，濾料粒徑0.6～1.8mm，濾料不均勻系數(shù)為2.72，濾層厚度均為1500mm；2#為不均勻雙層濾料濾柱，上層為石英砂濾料，濾料粒徑0.6～0.8mm，濾料不均勻系數(shù)為1.3，濾層厚度為750mm，下層為錳砂濾料，濾料粒徑0.6～1.8mm，濾料不均勻系數(shù)為2.72，濾層厚度均為750mm。

試驗(yàn)采用恒速過(guò)濾方式運(yùn)行。濾后水進(jìn)入浮球閥水箱，通過(guò)調(diào)節(jié)苗嘴高度控制出水流量，進(jìn)而控制濾柱濾速，，濾速5m·h-1，濾后水用清水箱收集，反洗用潛水泵（揚(yáng)程20m，流量3m3，功率550W）置入清水水箱，根據(jù)運(yùn)行情況觀察測(cè)壓管水位（一般水頭損失達(dá)到2m時(shí)），定期啟動(dòng)反洗，反洗水為濾后水，反洗強(qiáng)度通過(guò)調(diào)節(jié)閘閥控制使濾層膨脹率為10%～15%為宜。

試驗(yàn)所用天然錳砂為馬山錳砂，含MnO2量為30%。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在哈爾濱某水廠進(jìn)行，水廠以地下水為水源，水源的總鐵、二價(jià)鐵、二價(jià)錳、NH3-N、堿度、硬度、含鹽量分別為（14～16）、（13～15）、（0.9～1.9）、（1.6～2.0）、187、116、239mg·L-1，水溫為7～9℃，pH值為6.6～6.8?？梢?jiàn)，原水為高含鐵高含錳地下水，并含有較高濃度的氨氮。經(jīng)計(jì)算除鐵除錳除氨氮所需溶解氧為9.1mg·L-1。

為了使水充分曝氣，又不使水的pH值過(guò)高，采用向源水加酸的方法將曝氣后水的pH值控制在6.8～6.9。試驗(yàn)用水（原水）的總鐵、二價(jià)鐵、二價(jià)錳、NH3-N、溶解氧分別為（13～15）、（10.7～14.4）、（0.86～1.89）、（1.6～2.0）、＞9mg·L-1，pH值為6.7～7.0。

1.3 分析方法及儀器

試驗(yàn)過(guò)程中，定期由高位水箱及各濾管出水處取水樣，測(cè)定水樣的總鐵、二價(jià)鐵、二價(jià)錳、NH3-N、pH值、溶解氧等水質(zhì)項(xiàng)目。上述水質(zhì)項(xiàng)目檢測(cè)方法見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)方法Tab.1 Test items and the test methods

2 結(jié)果與討論

2.1 單層填料及不均勻雙層濾料對(duì)除錳效果的影響

圖2、3分別為錳砂濾柱及不均勻雙層濾料濾柱（上層為石英砂濾料，下層為錳砂濾料）對(duì)除錳效果的影響。

圖2 1#濾柱進(jìn)出水錳濃度Fig.2 Manganese concentration of in and out of the water by filter of Single packing material

圖3 2#濾柱進(jìn)出水錳濃度Fig3 Manganese concentration of in and out of the water by filter of uneven double material

由圖2可以看出，錳砂濾柱在運(yùn)行15d后，出水錳達(dá)標(biāo)且比較穩(wěn)定；由圖3可以看到，填料上層為k=1.3的石英砂下層為k=2.72的錳砂的濾柱對(duì)錳有一定去除效果，且一直在波動(dòng)。錳砂濾柱在除錳成熟期前是依靠吸附除錳，后期錳砂表面生成錳質(zhì)活性濾膜開始接觸氧化除錳，所以錳砂在開始運(yùn)行不久出水就可以達(dá)到0.1mg·L-1以下。這時(shí)可以看到，濾柱上部為黃褐色的除鐵帶，下部為黑褐色的除錳帶。填料上層為k=1.3的石英砂下層為k=2.72的錳砂的濾柱在運(yùn)行時(shí)，在石英砂表面未生成鐵質(zhì)活性濾膜時(shí)也是依靠錳砂吸附除鐵，錳砂量少，錳砂吸附量相對(duì)比較小，致使濾柱在除錳成熟期到來(lái)之前就吸附飽和了，所以除錳成熟期延長(zhǎng)。這時(shí)可以看到濾柱上部為黃褐色除鐵帶，下部為黑褐色除錳帶，但是除錳帶被壓縮了。

2.2 單層填料及不均勻雙層濾料對(duì)鐵效果的影響

圖4、5分別為錳砂濾柱及不均勻雙層濾料濾柱（上層為石英砂濾料，下層為錳砂濾料）對(duì)除鐵效果的影響。

圖4 1#濾柱進(jìn)出水鐵濃度Fig.4 Iron concentration of in and out of the water by filter of Single packing material

圖5 2#濾柱進(jìn)出水鐵濃度Fig.5 Iron concentration of in and out of the water by filter of uneven double material

由圖4可以看出，錳砂濾柱在運(yùn)行前期10d對(duì)鐵的去除效果就有了明顯的下降趨勢(shì)，后有波動(dòng)；由圖5可以看出，填料上層為k=1.3的石英砂下層為k=2.72的錳砂的濾柱對(duì)鐵的去除有顯著效果，在運(yùn)行一周后出水鐵就達(dá)標(biāo)了，比較穩(wěn)定，偶爾有波動(dòng)。

3 結(jié)論

（1）單層天然錳砂和雙層不均勻?yàn)V料濾柱在除鐵效能上沒(méi)有顯著區(qū)別，兩種濾料在試驗(yàn)條件下經(jīng)7～10日即可成熟，出水總鐵可降至0.3mg·L-1以下。

（2）天然錳砂對(duì)二價(jià)錳有很高的吸附容量，可使吸附除錳一直進(jìn)行到濾層錳質(zhì)活性濾膜生成，濾層成熟，開始進(jìn)行接觸氧化除錳，從而使濾柱從投產(chǎn)開始很快就能獲得達(dá)標(biāo)的除錳水，出水錳可降至0.1mg·L-1以下。

（3）上層石英砂下層錳砂的濾柱除錳效果沒(méi)有單層錳砂濾柱好。因?yàn)槭⑸氨砻婀饣瑨炷だщy，又沒(méi)有吸附能力，前期要依靠錳砂吸附除鐵除錳，錳砂量相對(duì)單層錳砂濾料來(lái)說(shuō)量比較少，所以吸附量也小，在錳質(zhì)活性濾膜生成前達(dá)到吸附飽和，濾柱除錳成熟期要比錳砂長(zhǎng)。

［1］楊景田.新型地下水及設(shè)施的污染控制技術(shù)［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1994,2（4）：38-45.

［2］曾輝平.含高濃度鐵錳及氨氮的地下水生物凈化效能與工程應(yīng)用研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

［3］董歷新，仲愛(ài)青.生物接觸法除鐵除錳水廠的設(shè)計(jì)與運(yùn)行［J］.中國(guó)給水排水，1999,15（5）：29-31.

［4］Lord R A,Morgan P A.Metal contamination of active stream sediments in Upper Weardale,Northern Pennine Orefield,UK［J］. Environmental geochemistry and health，2003,25（1）：95-104. hydrocarbon-contaminated groundwaters［J］.Bioresource technology，2000,74（2）：109-114.

［5］陳麗芳，李敏.我國(guó)地下水除鐵除錳技術(shù)研究概況［J］.福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2009,25（5）：112-117.

Effect offilter of single packing and uneven double material oniron and manganese removal for groundwater*

ZHANG Li-lia,b,YANG Weib,a*,NI Xiao-xia,b
（a.Center of Research and Development on Life Sciences and Environmental Sciences;b.Department of Environmental Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China）

The groundwater containing high concentrations of Fe2+，Mn2+in a Harbin water plant was treated. The effects of filter of Single packing and uneven double material on the start-up of iron and manganese removal filter and the quality of the effluent were investigated under the same operating conditions（dissolved oxygen 9 mg· L-1,pH 6.8～6.9,filtering velocity 5 m·h-1）.The results indicated that the effect of iron removal by manganese sand filter is similar to the upper layer of sand and the lower layer of manganese sand filter.At the same time,iron concentration out of filter both are less than 0.3mg·L-1.The effect manganese removal by manganese sand filter is superior to the upper layer of sand and the lower layer of manganese sand filter.The quantity of manganese sand and the Mn2+adsorption capacity of the latter is less than the former.The Mn2+adsorption capacity of the filter run out before manganese activated membrane come out and start-up duration was prolonged.

groundwater;iron and manganese removal;filter material.

TQ424.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170336

2017-01-06

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E200818）

張莉莉（1992-），寧夏人，碩士研究生，研究領(lǐng)域：飲用水安全保障技術(shù)。

楊威，教授，研究領(lǐng)域：飲用水安全保障技術(shù)。