倪小溪，楊 威，張莉莉

（1哈爾濱商業(yè)大學 生命科學與環(huán)境科學研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076；2哈爾濱商業(yè)大學 環(huán)境工程系，黑龍江 哈爾濱 150076）

Fe2+對成熟濾柱除錳效果的影響*

倪小溪1,2，楊 威2,1**，張莉莉1,2

（1哈爾濱商業(yè)大學 生命科學與環(huán)境科學研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076；2哈爾濱商業(yè)大學 環(huán)境工程系，黑龍江 哈爾濱 150076）

以哈爾濱呼蘭區(qū)某地含高濃度鐵錳地下水為處理對象，模擬實際情況中突發(fā)性Fe2+污染對成熟濾柱除錳效果的影響。分別進行了曝氣失效，F(xiàn)e2+濃度增大，濾速增大實驗。實驗結(jié)果表明：曝氣失效的濾柱受Fe2+污染后，出水錳增加，恢復(fù)曝氣，6d后濾柱恢復(fù)除錳能力，出水錳達標（錳含量小于0.1mg/L）；Fe2+濃度從0.58mg/L逐步增加至2.09mg/L時，濾柱出現(xiàn)出水錳不達標情況，恢復(fù)至上一濃度1.56mg/L時，經(jīng)過4d，出水錳達標；濾速從1m/h逐漸增大到5m/h，出水錳不達標，恢復(fù)至上一速度4m/h，經(jīng)過7d，出水錳達標。

地下水；Fe2+污染；除錳

前言

隨著人口增長以及工業(yè)化的加劇，人類對水的需求不斷地增加，可供人類利用的水資源越來越少。為了解決水危機，我國許多城市以及工礦業(yè)都以地下水為水資源[1]，地下水水質(zhì)穩(wěn)定，不會因為季節(jié)產(chǎn)生取水難的問題，但鐵錳卻是地下水中的主要污染物[2]。鐵錳是人體必需的微量元素，但攝入過多會導致中毒，誘發(fā)多種疾病[3～4]，我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）規(guī)定，生活飲用水的鐵含量應(yīng)小于0.3mg/L，錳含量應(yīng)小于0.1mg/L，美國對錳含量限制為小于0.05mg/L[5～6]。飲用水中的鐵錳濃度超過0.5mg/L時，就會有獨特的臭味[7]。

當?shù)叵滤瑫r含有鐵錳時，多數(shù)采用的是曝氣兩級除鐵除錳工藝，即一級接觸氧化過濾除鐵，二級接觸氧化過濾除錳工藝[8]。由于鐵的氧化還原電位比錳低，F(xiàn)e2+便成為高價錳（三價或四價）的還原劑，成熟濾料表面的錳質(zhì)濾膜就會被Fe2+破壞，使出水錳增加，從而導致出水錳不達標。本文以哈爾濱呼蘭區(qū)某自來水廠的含鐵錳的地下水為對象，模擬實際生產(chǎn)中的三種突發(fā)情況，研究Fe2+對除錳成熟的石英砂濾柱的污染以及被污染后的濾柱恢復(fù)除錳能力的時間。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

試驗濾柱為三根2m高、內(nèi)徑0.02m的有機玻璃柱，編號1#～3#，內(nèi)裝成熟石英砂，粒徑為0.4～2.4mm，裝砂高度1.5m。實驗用水從水廠地下水總管接入，通過循環(huán)曝氣，使原水的溶解氧達到9mg/L以上，為防止原水中的Fe2+被氧化成Fe3+，在原水進入水箱之前加入一定比例的硫酸，使原水中存在一定濃度的Fe2+。充分曝氣后的原水進入高位水箱中，其中一部分水通過虹吸作用進入除鐵濾柱中（如圖1所示），除鐵濾柱的出水Fe2+濃度為0.06±0.03 mg/L，Mn2+濃度與進水基本相同，即除鐵濾柱僅除鐵不除錳。通過不同比例混合除鐵濾柱出水與高位水箱水能夠獲得不同F(xiàn)e2+濃度的含鐵錳地下水，以供濾柱進水使用。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 The schematic diagram of experimental set-up

1.2 實驗水質(zhì)

原水的Fe2+為12.6±1.9mg/L、總鐵為15.0±1.0mg/L、錳為1.38±0.52mg/L，溶解氧為9～10mg/L，pH值為6.7～7.0，溫度為7～9℃，堿度260～265mg/L，由于水廠有多口水井，各井的鐵、錳等含量有一定差別，在由不同水井向水廠供水時，進水水質(zhì)會有一些變化。

1.3 實驗步驟

設(shè)計以下三種情況，模擬實際情況中突發(fā)性Fe2+污染對成熟除錳濾柱除錳效果的影響。

（1）曝氣失效：1#裝填成熟的石英砂，通無鐵水，檢測除錳效果，達到除錳標準后，通充分曝氣之后的原水進行馴化，檢測除錳效果，達到除錳標準后，通未曝氣原水，檢測除錳效果。濾柱錳膜被Fe2+污染后，即出水Mn2+超標后，進水立刻換回經(jīng)充分曝氣的原水，連續(xù)監(jiān)測出水錳濃度，記錄出水錳再次達標所經(jīng)歷的時間，濾速一直為5m/h。

（2）進水Fe2+增大：2#裝填成熟的石英砂，通無鐵水，檢測除錳效果，達到除錳標準后，通低濃度Fe2+進水，檢測除錳效果，隨著濃度增大，除錳效果不達標時，濃度減小回上一Fe2+濃度，連續(xù)監(jiān)測出水錳濃度，記錄出水錳再次達標所經(jīng)歷的時間，濾速一直為5m/h。

（3）濾速增大：3#裝填成熟石英砂，通無鐵水，此階段濾速為5m/h，檢測除錳效果，出水錳達標后，進水換為充分曝氣的原水，把濾速設(shè)定為從小到大依次增加，每一速度檢測除錳效果，當達到一定速度時，出水錳不達標，速度減小回上一濾速后，連續(xù)監(jiān)測出水錳濃度，記錄出水錳再次達標所經(jīng)歷的時間。

1.4 分析項目和方法

DO：碘量法，pH值：pH計；Fe2+：鄰菲啰啉分光光度法；鐵：鄰菲啰啉分光光度法；錳：過硫酸銨分光光度法；部分錳濃度小于0.019 mg/L，鐵濃度小于0.005 mg/L時采用ICP-OES（PerkinElmer,OPTIMA 8300）進行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe2+的去除

三根濾柱中的石英砂為成熟石英砂，由于放置了一段時間，現(xiàn)裝柱后，需要通無鐵含錳的水來恢復(fù)除錳能力，三根濾柱的恢復(fù)時間為18d，之后的實驗中Fe2+的進水濃度分別為6.58±1.205mg/L，1.059± 0.531mg/L，6.488±1.121mg/L。從圖2可以看出，從第19d開始，給三根柱子進水（含不同濃度的Fe2+），但出水Fe2+幾乎為零，可以看出柱子的除Fe2+能力是很好的，這是由于成熟的石英砂表面具有鐵質(zhì)活性濾膜，吸附水中的Fe2+，在水中的溶解氧的催化作用下將Fe2+氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+被截留在了濾料表面上，隨著Fe3+被截留的越多，影響了正常的出水水質(zhì)，就要對濾柱進行反沖洗。

圖2 三根濾柱Fe2+濃度變化Fig.2 The variation of Fe2+concentration of three filter columns

2.2 總鐵的去除

三根柱子的恢復(fù)期為18d，接下來的實驗中進水總鐵濃度分別為10.274±2.551mg/L，3.449±1.64mg/L，10.504±1.951mg/L。由圖3中的三幅圖可以看出，濾柱對于總鐵的去除也有很好的效果，三根濾柱的出水鐵都可以達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）鐵濃度小于0.3mg/L。

圖3 三根濾柱鐵濃度變化Fig.3 The variation of Fe concentration of three filter columns

2.3 Fe2+污染對濾柱除錳效果的影響及恢復(fù)

1#濾柱，19d開始通曝氣后的原水，進行馴化，出水錳一直達標，24d時通未曝氣過的原水，原水中Fe2+濃度為10.01mg/L，模擬實際生產(chǎn)中曝氣失效的條件，從圖4a可以看出出水錳濃度突然升高至3.615mg/L，濾柱被污染，除錳能力失效。換回充分曝氣后的原水后，每天記錄出水錳含量，在被污染后的第7d，濾柱恢復(fù)除錳能力，出水錳達標，即錳含量小于0.1mg/L。之后運行期間會偶然有出水錳不達標的情況出現(xiàn)，可能是由于當天的進水錳含量增高，對出水水質(zhì)有影響。

由圖4b可以看出，自19d開始逐漸增加2#濾柱Fe2+進水濃度（初始濃度為0.58mg/L），當?shù)?8d濃度增加到2.09mg/L時，出水錳濃度增高至0.6mg/L，此時立即恢復(fù)上一濃度1.56mg/L，4d后出水錳達標。

3#濾柱，19d開始從速度為1m/h逐漸增加，當增加到5m/h時，出水錳增加到0.65mg/L，濾柱被污染，立即恢復(fù)上一速度4m/h，經(jīng)過3d，出水錳達標。

圖4 三根濾柱錳的濃度變化Fig.4 The variation of Mn concentration of three filter columns

3 結(jié)論

（1）在單級的成熟石英砂濾柱中，鐵錳可被同時去除。

（2）Fe2+可破壞成熟石英砂表面的錳質(zhì)活性濾膜，可還原出Mn2+，使出水錳含量增加。

（3）模擬曝氣失效的情況，通原水，濾柱被Fe2+污染，出水錳不達標，通曝氣后的原水后，經(jīng)過7d，濾柱恢復(fù)除錳能力，出水錳達標。

（4）Fe2+濃度逐漸增大，當Fe2+濃度增大到2.09mg/L時，出水錳濃度不達標，恢復(fù)上一濃度1.56mg/L，4d后出水錳達標。

（5）濾速增大，本實驗增大到5m/h時，出水不達標，將速度減為4m/h時，經(jīng)過3d，恢復(fù)除錳能力，出水錳達標。

［1］ 欒嵐，詹健，賈俊松．地下水除鐵除錳技術(shù)的分析及其發(fā)展方向初探［J］．江西化工，2006（1）:40～42．

［2］ TEKERLEKOPOULOU A G,PAVLOU S,VAYENAS D V．Removal of ammonium,iron and manganese from potable water in biofiltration units:a review［J］．Journal of Chemical Technology &Biotechnology,2013,88（5）:751～773．

［3］ 王振興，王鶴立，李向全，等．地下水除鐵除錳研究進展［J］．環(huán)境工程，2012,30（S2）：48～51．

［4］ 陳天意．錳砂濾池處理高濃度鐵錳及氨氮地下水pH影響研究［D］．哈爾濱工業(yè)大學，2014．

［5］ 田濱，鄢恒珍．地下水除鐵除錳技術(shù)評析［J］．湖南城市學院學報,2007，16（1）：18～22．

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［7］ 陳蒙亮，王鶴立．地下水除鐵除錳技術(shù)研究進展［J］．西南給排水，2012，34（1）：40～43．

［8］ 王志軍，李繼震，李圭白．單級濾池曝氣接觸氧化除鐵除錳技術(shù)研究［J］．給水排水，2015（3）：13～17．

The Influence of Fe2+on Manganese Removal of Mature Filter Column

NI Xiao-xi1,2,YANG Wei2,1and ZHANG Li-li1,2
（1.Center of Research and Development on Life Sciences and Environmental Sciences,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China; 2.Department of Environmental Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China;）

The groundwater containing high concentrations of iron and manganese in somewhere of Harbin Hulan district was taken as a sample. The experiments were performed respectively on aeration failure,increasing the concentration of Fe2+and increasing the filtration rate in order to simulate the influence of Fe2+on manganese removal of mature filter column in sudden situation.The results indicated that the filter column was polluted by Fe2+in aeration failure and the concentration of Mn2+in filtered water increased.The filter column restored the manganese removal capacity by aeration in the next 6 days and the manganese of filtrated water was qualified（the concentration of Mn2+less than 0.1mg/L）.The manganese of filtrated water was not qualified when the concentration Fe2+increased from 0.58mg/L to 2.09mg/L;The manganese of filtrated water was qualified after 4 days while the concentration of Fe2+reduced to 1.56mg/L.Increasing the filtration rate from 1m/h to 5m/h,the manganese of filtrated water was not qualified;when the filtration rate reached 4m/h,the manganese of filtrated water was qualified after 7 days.

Groundwater;Fe2+pollution;manganese removal

TQ424.3;TU991.265

A

1001-0017（2017）02-0085-04

2016-12-29

黑龍江省自然科學基金項目（編號：E200818）

倪小溪（1989-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究領(lǐng)域：飲用水安全保障技術(shù)。

**通訊聯(lián)系人：楊威，教授，研究領(lǐng)域：飲用水安全保障技術(shù)，E-mail：yangweiyuyang@163.com。