宋金璞¹，張寶杰¹，張錦¹，鄭學玉²，于林²
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱　150090；2.哈爾濱自來水公司，黑龍江哈爾濱　150001)

　　摘　要：多層纖維除鐵除錳塔是集淋水、曝氣、除鐵除錳為一體的新式地下水除鐵除錳設備，與以錳礦砂或石英砂為濾料的除鐵工藝相比，在處理水量相同時可省去曝氣塔及中間提升泵，因而占地面積減少1/2，設備投資減少1/3～1/4，節電0.1～0.15 (kW·h)/m³，出水中鐵、錳含量符合國家飲用水標準。
　　關鍵詞：多層纖維； 除鐵除錳；接觸氧化；鐵、錳細菌
　　中圖分類號：TU991.26
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)04-0073-02

1 　設備、流程及運行

1.1 　設備及流程
　　該套設備安裝在哈爾濱供水七廠，除鐵除錳塔直徑為1m，總高為3m，處理量為4～5m³/h，塔內分4層，每層用纖維填充(見圖1)。原水從塔頂部噴淋而下，流經4層纖維濾料后由下部排入凈水池，用鼓風機將空氣從塔的底層鼓入，再從上部排出。通過調節給 水閥門可控制流量。反沖洗時水從下部進入，可逐層進行反沖洗。經30d左右濾料成熟，其表面形成活性濾膜，亞鐵離子因之被氧化形成Fe(OH)₃沉淀而去除，水中鐵濃度降到0.1mg/L以下，到60d左右錳濃度降到0.1mg/L以下。

1.2　 原水濃度、溫度變化的影響
　　從1996年春季到1997年夏季對哈爾濱供水七廠除鐵除錳塔進出水中鐵錳濃度、水溫及氣溫的變化進行了測定。因該廠靠近松花江邊，其地下水受松花江水位的影響，一般是在豐水期及平水期由松花江水補充地下水，此時地下水中鐵、錳含量相對較低，而在枯水期由地下水補充江水，水中鐵、錳濃度較高。測試發現，1996年9月—11月時地下水中鐵、錳濃度較高，鐵含量最高達10mg/L，錳含量為0.5mg/L左右，而平均鐵含量為2～4mg/L，錳含量為0.3～0.4mg/L左右。運行結果表明，該塔對鐵的去除率較高(一般能達到99%～99.9%)，對錳的去除率一般為70%～80%。原水中鐵、錳濃度在一定范圍內變化時并不影響鐵和錳的去除率，出水中鐵濃度＜0.05mg/L，錳濃度＜0.1mg/L，均低于國家飲用水標準。
　　經測定此間地下水水溫變化范圍為7～13℃，對除鐵除錳效率影響不大，說明纖維除鐵除錳塔對溫度的變化有一定的適應性。
1.3 流量的影響
　　 在4種流量(14.4、7.2、5.0、3.6m³/h)下分別測定裝置出水中鐵含量。當流量為14.4m³/h、出水中鐵含量達標情況下，裝置可運行10h；流量為7.2m³/h時可運行24h；流量為5m³/h時可運行51h；流量為3.6m³/h時可運行100h。在流量為7.2m³/h時其 相應濾速為9.2m/h，這表明除鐵除錳塔的處理水量和傳統錳礦砂處理裝置基本一致，但持續時間優于后者。
1.4 水質指標的變化
　　運行過程中多次對原水和濾過水中的其他指標進行測定，發現有些指標有明顯改變(見表1)。

表1 某些水質指標的變化 項目 原水 濾后水 去除率(%) 高錳酸鹽指數(mg/L) 4.8 1.9 60.4 溶解氧(mg/L) 0.85 5.1 　 濁度(NTU) 10.5 0.5 94 色度(倍) 24 6 75 氨氮(mg/L) 1.5 0.14 72.6 TOC(mg/L) 18 5 72.2 pH 7.1 7.5 　

　　表1可見，經纖維除鐵除錳塔處理后水中某些指標有所改善，其中溶解氧的提高是曝氣的結果，pH的提高是因為有CO₂逸出，濁度和色度的改善是由于纖維濾料的過濾作用及亞鐵經接觸氧化被除去的結果。高錳酸鹽指數及TOC的降低是由生物作用引起的，它們的減少是由于塔內鐵、錳細菌等繁殖和消耗的結果，氨氮的減少是硝化作用結果(水中二價錳被氧化后的產物是催化劑，能加速硝化作用)。
1.5 供氣量
　　供氣量和處理水量之比為1～2就可滿足要求。如停止供氣，設備運行2～3d后出水水質開始惡化。
1.6 反沖洗
　　該設備的反沖洗水從下部進入，再由每層排水閥排放，但需要一定的沖洗強度。強度過大會沖掉濾料表面的活性濾膜及大量的鐵細菌而導致水質惡化；強度太小濾料會發生粘連，導致周期縮短影響除鐵效果，故該設備的沖洗強度以8L/(m²·s)為宜(見圖2)。每層約需5min就可反沖干凈，因此整個濾塔的反沖時間約為20min。

2 機理分析

2.1 接觸氧化除鐵
　　接觸氧化理論認為，活性濾膜具有促使亞鐵氧化為三價鐵的催化作用，因此活性濾膜的吸附接觸氧化作用是亞鐵離子在濾層中被截留的主要因素，一旦濾膜形成，濾料本身只起到活性濾膜的骨架載體作用。纖維濾料的比表面積比錳礦砂的比表面積大1～2個數量級，比表面積大則接觸氧化的速率高，能盡快地把亞鐵離子氧化為三價鐵離子，從而除去水中的鐵。另外，除鐵速率和水中溶解氧濃度成正比。在錳砂除鐵過程中水中溶解氧是由曝氣塔曝氣控制的，曝氣后溶氧的水再經接觸氧化，因此溶解氧的濃度是不斷降低的，而多層纖維除鐵除錳塔工藝是集淋水、曝氣及接觸氧化為一體，空氣和濾膜接觸，水中的溶解氧可以不斷得到補充而參與氧化反應，因此除鐵的速率較高。
2.2　 鐵、錳細菌的作用
　　多層纖維除鐵除錳塔為好氧的鐵、錳細菌提供了生長繁殖的良好場所。在pH為中性的范圍內Mn²⁺被氧化為MnO₂和M₃O₄，主要是生物氧化作用而不是接觸氧化作用。當含鐵、錳地下水流經濾塔時，在良好的通風和充氧條件下鐵錳細菌在濾料上繁殖，隨著濾料的成 熟使細菌數量不斷增加，最終達到平衡。

3 經濟分析

　　該工藝比傳統工藝簡單，除鐵除錳和曝氣在一個塔內進行，出水可以達到國家相關水質標準。在處理量相同時，能省去一個曝氣塔和中間提升泵，因此占地面積可減少1/2，設備投資可減少1/3～1/4。可節電0.1～0.15(kW·h)/m³。

4 結論

　　① 多層纖維除鐵除錳塔可以有效地去除地下水中的鐵及錳，同時使氨氮、TOC、耗氧量、色度及濁度均有較大的改善，出水水質好。
　　② 該工藝適應性強，無論是在冬季還是夏季均能達到較高的去除率，同時該工藝具有較強的抗負荷能力，當水中鐵、錳濃度在一定范圍內(鐵為2～10mg/L，錳為0.1～0.4mg/L)變 化時仍有較高的去除率，出水水質合格。
　　③ 該工藝具有占地面積小、設備投資少、操作方便及運行周期長等優點。
　　④ 與錳砂或石英砂除鐵除錳工藝相比，可節電0.1～0.15(kW·h)/m³。

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　　收稿日期：2002-01-07