葉夢星，潘 俊，陳 鵬

（1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.寧波市工業(yè)建筑設計研究有限公司，浙江 寧波 315100）

1 概述

地下水是我國工農業(yè)生產和居民生活的重要水源，通常情況下，地下水經過地層的過濾、吸附作用后，水質良好，且不易受到人類活動影響。近年來，隨著工農業(yè)的快速發(fā)展，地下水受污染情況較為嚴重，地下水的治理越來越受到廣泛的關注。地下水在天然條件下一般呈缺氧狀態(tài)且為弱酸性，當地下水流經礦物質、巖石等物質時，在物理、化學作用下，經常會含有鐵、錳等元素；隨著現在工農業(yè)污廢水的排放，水中的氨氮也開始出現偏高。本實驗制備了新的改性錳砂濾料，通過比較傳統濾料保證其處理效果優(yōu)越性。并確定該濾料的最佳運行參數為以后的實踐工程應用提供理論指導。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

濾料：取自鐵嶺新區(qū)凈水廠的石英砂濾料以及錳砂濾料。改性錳砂濾料和成熟的改性錳砂濾料。

水箱：在低位設置一個容積為50 L的水箱。

閥門附件：蠕動泵、流量計、膠皮管等等，見圖1。

2.2 試驗方法

濾料的制備方法：篩選粒徑為0.9～1.1 mm的錳砂濾料洗凈并且烘干然后分別用1%、3%、5%的KMnO4溶液浸泡12 h之后，取出并風干。

各離子濃度測定方法：根據《水與廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》來監(jiān)測污染物濃度，鐵的分析方法為鄰菲啰啉分光光度法，錳為甲醛肟光度法，氨氮為納氏試劑光度法，濁度則使用濁度儀，pH值采用pH計，溶解氧采用便攜式溶解氧儀器法。

試驗操作方法：試驗利用有機玻璃柱模擬接觸氧化濾池，有機玻璃柱高度為1100 mm，內徑為28 mm。由上到下依次填充經高溫滅活后的50 mm輕質陶粒，700 mm改性錳砂濾料，50 mm承托層。固定進水鐵濃度為6.0 mg/L，錳濃度為0.6 mg/L，氨氮濃度為0.9 mg/L，原水至上而下通過有機玻璃濾柱。在保證其他參數相同的情況下，分別通過控制進水流量，調節(jié)pH值，調節(jié)曝氣量等來確定濾池運行的最佳條件。

3 試驗結果與分析

表1 原水水質及生活飲用水衛(wèi)生標準

濾池：試驗裝置濾柱為直徑28 mm的有機玻璃管。濾柱高1100 mm，由上到下依次充填50 mm輕質陶粒，700 mm濾料，50 mm承托層。

實驗用水：根據示范工程實際水質情況，采用硫酸亞鐵、硫酸錳、硫酸銨與自來水混合配置，進水鐵濃度為6.0 mg/L，錳濃度為0.6 mg/L，氨氮濃度為0.9 mg/L，見表1。

圖1 實驗裝置圖

3.1 濾料種類對鐵錳去除效果的影響

濾柱的濾速為5 m/h，連連續(xù)運行4 h，測定不同濾料條件下的出水水質情況。

圖2 濾料對鐵、錳、氨氮、濁度去除的影響

從圖2中可以看出，在濁度與鐵方面各種濾料都有較好的去除效果，但對錳與氨氮的去除率不高。石英砂對錳的去除率只有13.3%（0.52 mg/L），普通錳砂對錳的去除率也只有58.3%（0.25 mg/L），至于氨氮可能由于濾料初期并未形成較多的微生物所以任何濾料的去除效果均不明顯。但是改性后的錳砂處理效果頗好，尤其是經過5%KMnO4浸泡改性后的錳砂出水效果最佳，出水的水質指標分別為總鐵0.02 mg/L，錳0.12 mg/L，氨氮0.75 mg/L和0.1 NTU，除氨氮外均能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》。

3.2 改性錳砂濾料24 h處理最佳運行參數以及處理效果

3.2.1 最佳流量的確定

在充分曝氣DO≥10 mg/L，pH=7.2的運行條件下，考察了進水流量分別為15、20、25、30、35 40、45時，出水鐵、錳、氨氮、濁度含量。實驗結果如圖。

從圖3中可以看出濾料對鐵離子的氧化和截留作用非常好，隨著出水流量的升高，鐵離子的去除幾乎不受影響。當出水流量較小時，錳離子在濾池內的去除還是比較徹底的。隨著出水流量的增大，出水中錳離子的濃度在逐漸升高。當出水流量增大到35 mL/min時，出水錳離子濃度為0.08 mg/L，已經達到生活飲用水標準。流量繼續(xù)增大時，出水錳離子濃度為0.21 mg/L，已超標。出水的氨氮濃度變化較小可能是由于初期并無形成去除氨氮的生物膜。從圖中也可以看出當出水流量大于35 ml/min時濁度在不斷升高。綜合考慮設最佳流量為35 ml/min。

3.2.2 最佳pH的確定

本實驗在其他運行參數保持相同的情況下，分別考察不同進水pH值時，出水鐵、錳、氨氮含量。

從圖4中發(fā)現當進水pH值介于6.5～7.5時表現出良好的去除效果，此時出水中總鐵的平均濃度維持在0.02mg/L左右。當pH值在6.0～6.5時出水的總鐵濃度有個驟降的過程，由此可以斷定在弱酸性的條件下濾料對亞鐵的接觸氧化速度已經開始大幅度降低。當pH值降到6以下時，濾料對鐵的去除效果只剩16%左右，此時鐵的出水濃度已經達到5～6mg/L。

圖4 pH值對出水濃度的影響

當進水pH值大于5時錳的去除已經接近飲用水要求，當pH小于5時濾柱的除錳能力有所下降。由于錳的氧化還原電位高于鐵所以中性條件下二價錳離子的化學氧化反應速率非常緩慢，在pH值大于9時才會明顯加快，但地下水的pH值為7.5因此錳的去除需要有催化作用加快其氧化速率，從試驗中也可以看出濾層具備在弱酸性至弱堿性的大范圍pH值區(qū)間的除錳能力。從圖中可以看出當pH值小于5時錳仍然存在一定的去除率，所以此時錳的去除可能主要依靠的是微生物。但是由于時間較短基本不存在微生物，所當pH值低于5時錳的去除率十分的低。同理接觸氧化法對氨氮的去除不起作用。濁度也是當pH值介于6.5～7.5時去除效果較好，因此考慮出水水質及工程經濟成本，將最佳pH值定位7.2。

3.2.3 最佳反沖洗周期的確定

保證進水流量為35 ml/min，pH值為7.2的條件下對改性濾料進行24 h連續(xù)處理。

由圖5可知在過濾的前24 h內，出水中鐵離子的濃度在18 h前一直保持去除率為99.6%左右，18 h后鐵的濃度一直在升高，24 h時達到0.33 mg/L。在18 h前一直保持錳的去除率為95%左右，18 h后錳的濃度一直在升高，24 h時達到0.26 mg /L。而氨氮在經過長時間的濾料過濾呈現稍微的下降趨勢，濁度則一直保持較好的去除率。綜合考慮設最佳過濾周期為18 h。

圖5 改性濾料連續(xù)24 h處理試驗結果

3.2.4 最佳反沖洗時間的確定

過濾18 h后，對濾池進行反沖洗，反沖洗出水中的鐵、錳濃度如圖。

圖6 反沖洗水中離子濃度變化

由圖6可知，反沖洗水中的錳、鐵濃度在開始的1～3 min內較高，2 min時最高，錳濃度為3.10 mg / L，鐵濃度為2.60 mg / L。在第5分鐘后，反沖洗水中錳、鐵濃度幾乎不再變化。然而反沖洗水中的氨氮幾乎沒有變化，這表明24 h所截留的氨氮并不多，綜合考慮定最佳反沖洗時間為5 min。

3.2.5 反洗對錳砂濾料處理效果的影響

反洗方式采用水洗，反洗時間為5 min，膨脹率為30%。反洗過后重新過濾效果如圖。

圖7 反沖洗后處理的試驗結果

從圖7中可知，過濾初期，處理效果不太好差，隨著時間的推移逐漸改善。18 h的時候，鐵、錳和濁度的去除率分別達到99.3%，86.6%和98.6%。因此，可確定5%高錳酸鉀浸泡改性后的錳砂在處理含氨氮的高鐵錳井水是一種可以考慮的的濾料，具有啟動時間快、處理效果好的特點。由于氨氮的去除考慮到微生物的作用故以下研究均采用成熟改性濾料進行試驗。

3.3 鐵錳氨氮共存時存在的溶解氧相互競爭關系探究

3.3.1 最佳DO值的確定

在其他運行參數保持相同的情況下，分別考察不同進水DO值時，出水鐵、錳、氨氮含量。

從圖8中可以看出當溶解氧不足時鐵的去除率能夠達到92%，而錳和氨氮的去除率僅為8.3%和5.5%，這是因為亞鐵離子的氧化還原電位低所以亞鐵先發(fā)生氧化還原反應。從圖中也可以大致看出錳較氨氮更容易利用溶解氧。當DO值為10 mg/L時各離子幾乎能達到較好的去除率。由于天然地下水中的DO值較低所以需要曝氣處理，將最佳DO值定為10 mg/L。

圖8 出水濃度隨DO變化

3.3.2 不同深度各離子的去除與DO濃度的關系

取DO為10 mg/L，觀察鐵、錳、氨氮與DO隨濾層的變化。

從圖9與圖10中可以看出到濾層30 cm處時，鐵已被除至微量，而且大部分都是在10 cm以內去除的。剛開始的時候濾柱對錳的去除效果并不明顯，但是隨著鐵的去除使得除錳效果逐步改善，主要在10～50 cm濾層。氨氮的去除大致在10～40 cm，雖然與錳近乎同步進行但是很難被徹底去除。因此30 cm往后主要時錳與氨氮對于溶解氧的競爭，但是最終錳的去除率為90%，而氨氮的去除率僅為73%?？梢娫谑褂?%KMnO4浸泡過的改性錳砂濾料中鐵錳氧化菌較硝化菌為優(yōu)勢菌種。

圖9 鐵與DO隨著濾層深度的變化

圖10 錳與氨氮隨著濾層深度的變化

4 結論

本文針對含有氨氮的高鐵錳地下水，采用接觸氧化法結合生物作用，去除地下水中的鐵、錳、氨氮以及濁度；以輕質陶?！?%高錳酸鉀浸泡改性錳砂雙層濾料作為水處理材料，相比傳統錳砂濾料與石英砂濾料具有更穩(wěn)定的處理效果。

（1）通過不同濾料處理含有氨氮的高鐵錳水的效果對比，證明經過5%KMnO4浸泡過的改性錳砂濾料為最佳濾料，連續(xù)運行4 h的出水濃度分別為總鐵0.02 mg/L，錳0.12 mg/L，濁度0.1 NTU和氨氮0.75 mg/L，均符合生活飲用水的水質要求。

（2）確定KMnO4最優(yōu)的浸漬濃度為5%，5%KMnO4改性錳砂濾料過濾處理含氨氮的高鐵錳井水的最佳工藝參數為：流量為35 ml/min，pH值為7.2，反沖洗周期與時長分別為18 h與5 min。在熟料運行條件下最佳DO值為10 mg/L。

（3）鐵的去除優(yōu)先于錳、氨氮在濾柱10 cm以內基本去除，30 cm往后錳與氨氮存在溶解氧的競爭，但是最終錳的去除率為90%，而氨氮的去除率僅為73%。使用5%KMnO4浸泡過的改性錳砂濾料中鐵錳氧化菌較硝化菌為優(yōu)勢菌種。