摘要：采用鄰二氮菲比色法和過硫酸銨分光光度法，對石英砂、纖維球和錳砂三種不同性能的濾料進行了對比分析試驗。結果表明——纖維球濾料除鐵濾速高，反沖洗耗水量小且耐磨損；石英砂濾料綜合性能次之；錳砂雖然除鐵效果較好，但反沖洗耗水量大；其次，吸附能力較強的優質天然馬山錳砂濾料有較好的同時去除鐵錳的效果，而纖維球和石英砂則不適宜除錳。

地下水是我國城鎮和工礦企業的重要水源，主要分布于北方廣大區域。一般情況下，地下水水質較好，但含鐵的質量含量不得超過0.30mg/L，錳的質量含量不得超過0.10mg/L，因為鐵和錳的質量含量過高可導致水中色度升高，給生活和生產帶來諸多不便，并可導致慢性中毒而引發一些地方病。

鑒于地下水中含鐵錳的普遍性及其危害，國內大部分地區地下水除鐵除錳工程采用曝氣接觸氧化法，即首先通過曝氣向水中充氧，同時散除水中CO₂以提高pH值，使地下水中以Fe²⁺、Mn²⁺形式存在的鐵和錳，在后續接觸氧化過濾中得以氧化去除，曝氣接觸氧化法由于工藝簡單、投資及運行費用低而在我國得到廣泛應用。

在地下水曝氣接觸氧化除鐵除錳工藝中，鐵和錳的氧化去除主要是利用包覆濾料上的鐵質及錳質活性膜的自催化作用。由于以Fe²⁺、Mn²⁺形式存在的鐵和錳的吸附作用不同，因而導致不同濾料的除鐵除錳效果也不同。本文以石英砂、纖維球、錳砂三種不同性能的濾料進行對比試驗，分析了不同濾料的除鐵除錳性能及對水質的適應性。

1 活性濾膜的形成及除鐵除錳機理

地下水接觸氧化濾池進行一定時期后，濾料上包裹了一層鐵錳氧化物，其催化活性的成分為Fe(OH)₃.2H₂O及MnO₂.xH₂O；地下水中Fe²⁺、Mn²⁺首先吸附在活性濾膜上，然后通過活性濾膜的自催化作用得以氧化去除。

1.1 除鐵反應

(1) Fe2+的吸附，即

Fe(OH)₃●2H₂O+Fe²⁺=Fe(OH)₂(FeO)●2H₂O+H⁺

(2) Fe²⁺的氧化，即

Fe(OH)₂(FeO)●2H₂O+1/4O₂+5/2H₂O=2Fe(OH)₃●2H₂O

2.2 除錳反應

(1) Mn²⁺的吸附，即

Mn²⁺+MnO₂.xHO=MnO₂●MnO●(x-1)H₂O+2H

(2) Mn²⁺的氧化，即

MnO₂.MnO.(x-1)H₂O+1/2O₂+HO=2MnO₂.xHO

由此可見，活性濾膜的形成是鐵和錳去除的關鍵，水質、濾料性能和運行條件等均是其形成的影響因素。由于濾料與地下水直接接觸并發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顯得尤為重要。在整個反應過程中，活性濾膜形成后，由于鐵錳氧化過程速率較快，所以吸附過程的速率便成為整個反應的控制速率。

2 試驗

2.1 試驗方法

根據曝氣接觸氧化法的設計要求，將地下水廠經曝氣塔曝氣后的水直接引入分別裝填石英砂、錳 砂和纖維球濾料的濾池中，濾層厚1200mm，濾柱直徑為150mm；濾柱運行濾速控制在6~8m/h，定期監測進出水中鐵和錳指標。除鐵的分析方法為鄰二氮菲比色法，除錳的方法為過硫酸銨分光光度法。

2.2 試驗材料

纖維球濾料由丙綸纖維絲纏繞而成，纖維絲直徑很細，以10μm計，比表面積遠大于常規粒狀濾料。纖維球、石英砂均屬吸附能力較弱的濾料，密度較小，反沖洗耗水量小，錳砂為優質天然馬山錳砂，主要成分為錳氧化物，吸附能力較強；但密度較大，反沖洗耗水量大（表1）。

表1 濾料性能

濾料	粒徑/mm	成分	耐磨損性	吸附能力
纖維球	1.5	丙綸	好	弱
石英砂	0.8-1.0	SiO2	適中	弱
錳砂	0.8-1.0	錳氧化物	較差	強

3 試驗結果與討論

3.1 除鐵除錳效果對比

地下水經曝氣塔曝氣后，水中溶解氧（DO）為7.2mg/L左右，pH＞7.5，符合接觸氧化法對除鐵除錳的要求。在該曝氣條件下，定期檢測各濾柱進出水的水質（圖1-3）。

(1)由圖1-3可知，原水中鐵的質量含量為6-9mg/L，錳的質量含量為1.5~2.1mg/L。由于石英砂濾料和纖維球濾料的吸附能力較弱，而運行初期鐵質活性濾膜尚未形成，因此出現了明顯的除鐵不穩定期。運行7~9d后，鐵質活性濾膜方形成，過濾出水的鐵的質量含量穩定且低于0.3mg/L；由于錳砂濾料對Fe²⁺吸附能力較強，運行初期即能獲得良好的除鐵效果，待活性濾膜形成后，除鐵能力更加穩定，故在試驗中除鐵效果一直良好，未出現除鐵不穩定期。

(2)對于除錳，纖維球濾料和石英砂濾料在運行過程中，均未形成具催化作用的錳質活性濾膜。其原因：

①Mn²⁺的氧化不定期原電位高于Fe²⁺，在同樣的溶解氧及pH的曝氣條件下，Mn²⁺比Fe²⁺難氧化；

②在吸附和氧化反應過程中，由于氧化速率快，吸附速率便成了整個除錳反應的控制速率，而石英砂、纖維球屬吸附能力較弱的濾料，吸附過程速率較慢，故吸附速率便成了整個除錳反應的控制關鍵；

③在運行過程中的反沖洗對運行初期濾料上附著的少量MnO₂也有洗脫作用，因此，MnO₂便難以在濾料上大量積累而形成錳質活性濾膜。

(3)與石英砂、纖維球相比，優良天然馬山錳砂對Mn²⁺吸附能力很強，而且其成分中含有對Mn²⁺有催化氧化作用的MnO₂，故除錳反應速率快，運行初期濾料上就能附著大量的MnO₂，錳質活性濾膜很容易形成，運行過程中除錳能力始終較強。

3.2 運行參數對比

試驗中三種濾料性能不同，其運行周期、反沖洗強度、除鐵除錳極限濾速等參數也不盡相同（表2）。由表2可知，纖維球濾料由于比表面積較大，水與濾料接觸面積大，除鐵極限濾速可提高至15m/h，分別是石英砂、錳砂的1.6和1.9倍；因為其比表面積大而使濾料的截污容量大，可將運行同期延長至45~50h，是石英砂、錳砂的1.1~1.3倍。纖維球濾料是由丙綸纖維纏繞而成，結構不同于粒狀濾料，其內部截留附著的鐵氧化物必須采用氣水聯合反沖洗，通過氣水對濾料的強烈擦洗使濾層得以清洗干凈，故反沖洗耗水量較小，約為石英砂的85%、錳砂的55%~73%。從經濟的角度考慮，單就除鐵而言，纖維球濾料除鐵濾速高，運行周期長，反沖洗耗水量小，是較好的選擇；石英砂次之；錳砂盡管除鐵效果始終較好，但由于比重較大，反沖洗耗水量很大，不經濟。但是，應該注意的是，對于鐵和錳共存且鐵錳質量含量較高的地下水，只有錳砂濾料具有較好的同時去除鐵和錳的效果。

表2 三種不同濾料運行參數對比

濾料種類	反沖洗強度L·（m2·s）-1		極限濾速（m·h-1）		運行周期/h
	氣沖	水沖	除鐵	除錳
纖維球	10-12	5-8	15.0	-	45-50
錳砂	-	9-11	9.5	10	35-40
石英砂	-	6-9	8.0	-	35-40