Fe2+對成熟濾柱除錳效果的影響*

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，Fe2+濃度增大，濾速增大實驗。實驗結果表明：曝氣失效的濾柱受Fe2+污染后，出水錳增加，恢復曝氣，6d后濾柱恢復除錳能力，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，濾柱出現出水錳不達標情況，恢復至上一濃度1.56mg/L時，經過4d，出水錳達標；濾速從1m/h逐漸增大到5m/h，出水錳不達標，恢復至上一速度4m/h，經過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]，地下水水質穩(wěn)定，不會因為季節(jié)產生取水難的問題，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小于0.3mg/L，錳含量應小于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]。

當地下水同時含有鐵錳時，多數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，Fe2+便成為高價錳（三價或四價）的還原劑，成熟濾料表面的錳質濾膜就會被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、內徑0.02m的有機玻璃柱，編號1#～3#，內裝成熟石英砂，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Fe2+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

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，進水水質會有一些變化。

1.3 實驗步驟

設計以下三種情況，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，現裝柱后，需要通無鐵含錳的水來恢復除錳能力，三根濾柱的恢復時間為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+，Fe3+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，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

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，可能是由于當天的進水錳含量增高，對出水水質有影響。

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），當第28d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，立即恢復上一速度4m/h，經過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，經過7d，濾柱恢復除錳能力，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，經過3d，恢復除錳能力，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評析［J］．湖南城市學院學報,2007，16（1）：18～22．

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［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，研究領域：飲用水安全保障技術。

**通訊聯系人：楊威，教授，研究領域：飲用水安全保障技術，E-mail：yangweiyuyang@163.com。