Fe2+对成熟滤柱除锰效果的影响*

倪小溪，杨 威，张莉莉

（1哈尔滨商业大学 生命科学与环境科学研究中心，黑龙江 哈尔滨 150076；2哈尔滨商业大学 环境工程系，黑龙江 哈尔滨 150076）

Fe2+对成熟滤柱除锰效果的影响*

倪小溪1,2，杨 威2,1**，张莉莉1,2

（1哈尔滨商业大学 生命科学与环境科学研究中心，黑龙江 哈尔滨 150076；2哈尔滨商业大学 环境工程系，黑龙江 哈尔滨 150076）

以哈尔滨呼兰区某地含高浓度铁锰地下水为处理对象，模拟实际情况中突发性Fe2+污染对成熟滤柱除锰效果的影响。分别进行了曝气失效，Fe2+浓度增大，滤速增大实验。实验结果表明：曝气失效的滤柱受Fe2+污染后，出水锰增加，恢复曝气，6d后滤柱恢复除锰能力，出水锰达标（锰含量小于0.1mg/L）；Fe2+浓度从0.58mg/L逐步增加至2.09mg/L时，滤柱出现出水锰不达标情况，恢复至上一浓度1.56mg/L时，经过4d，出水锰达标；滤速从1m/h逐渐增大到5m/h，出水锰不达标，恢复至上一速度4m/h，经过7d，出水锰达标。

地下水；Fe2+污染；除锰

前言

随着人口增长以及工业化的加剧，人类对水的需求不断地增加，可供人类利用的水资源越来越少。为了解决水危机，我国许多城市以及工矿业都以地下水为水资源[1]，地下水水质稳定，不会因为季节产生取水难的问题，但铁锰却是地下水中的主要污染物[2]。铁锰是人体必需的微量元素，但摄入过多会导致中毒，诱发多种疾病[3～4]，我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定，生活饮用水的铁含量应小于0.3mg/L，锰含量应小于0.1mg/L，美国对锰含量限制为小于0.05mg/L[5～6]。饮用水中的铁锰浓度超过0.5mg/L时，就会有独特的臭味[7]。

当地下水同时含有铁锰时，多数采用的是曝气两级除铁除锰工艺，即一级接触氧化过滤除铁，二级接触氧化过滤除锰工艺[8]。由于铁的氧化还原电位比锰低，Fe2+便成为高价锰（三价或四价）的还原剂，成熟滤料表面的锰质滤膜就会被Fe2+破坏，使出水锰增加，从而导致出水锰不达标。本文以哈尔滨呼兰区某自来水厂的含铁锰的地下水为对象，模拟实际生产中的三种突发情况，研究Fe2+对除锰成熟的石英砂滤柱的污染以及被污染后的滤柱恢复除锰能力的时间。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

试验滤柱为三根2m高、内径0.02m的有机玻璃柱，编号1#～3#，内装成熟石英砂，粒径为0.4～2.4mm，装砂高度1.5m。实验用水从水厂地下水总管接入，通过循环曝气，使原水的溶解氧达到9mg/L以上，为防止原水中的Fe2+被氧化成Fe3+，在原水进入水箱之前加入一定比例的硫酸，使原水中存在一定浓度的Fe2+。充分曝气后的原水进入高位水箱中，其中一部分水通过虹吸作用进入除铁滤柱中（如图1所示），除铁滤柱的出水Fe2+浓度为0.06±0.03 mg/L，Mn2+浓度与进水基本相同，即除铁滤柱仅除铁不除锰。通过不同比例混合除铁滤柱出水与高位水箱水能够获得不同Fe2+浓度的含铁锰地下水，以供滤柱进水使用。

图1 实验装置图Fig.1 The schematic diagram of experimental set-up

1.2 实验水质

原水的Fe2+为12.6±1.9mg/L、总铁为15.0±1.0mg/L、锰为1.38±0.52mg/L，溶解氧为9～10mg/L，pH值为6.7～7.0，温度为7～9℃，碱度260～265mg/L，由于水厂有多口水井，各井的铁、锰等含量有一定差别，在由不同水井向水厂供水时，进水水质会有一些变化。

1.3 实验步骤

设计以下三种情况，模拟实际情况中突发性Fe2+污染对成熟除锰滤柱除锰效果的影响。

（1）曝气失效：1#装填成熟的石英砂，通无铁水，检测除锰效果，达到除锰标准后，通充分曝气之后的原水进行驯化，检测除锰效果，达到除锰标准后，通未曝气原水，检测除锰效果。滤柱锰膜被Fe2+污染后，即出水Mn2+超标后，进水立刻换回经充分曝气的原水，连续监测出水锰浓度，记录出水锰再次达标所经历的时间，滤速一直为5m/h。

（2）进水Fe2+增大：2#装填成熟的石英砂，通无铁水，检测除锰效果，达到除锰标准后，通低浓度Fe2+进水，检测除锰效果，随着浓度增大，除锰效果不达标时，浓度减小回上一Fe2+浓度，连续监测出水锰浓度，记录出水锰再次达标所经历的时间，滤速一直为5m/h。

（3）滤速增大：3#装填成熟石英砂，通无铁水，此阶段滤速为5m/h，检测除锰效果，出水锰达标后，进水换为充分曝气的原水，把滤速设定为从小到大依次增加，每一速度检测除锰效果，当达到一定速度时，出水锰不达标，速度减小回上一滤速后，连续监测出水锰浓度，记录出水锰再次达标所经历的时间。

1.4 分析项目和方法

DO：碘量法，pH值：pH计；Fe2+：邻菲啰啉分光光度法；铁：邻菲啰啉分光光度法；锰：过硫酸铵分光光度法；部分锰浓度小于0.019 mg/L，铁浓度小于0.005 mg/L时采用ICP-OES（PerkinElmer,OPTIMA 8300）进行测量。

2 结果与讨论

2.1 Fe2+的去除

三根滤柱中的石英砂为成熟石英砂，由于放置了一段时间，现装柱后，需要通无铁含锰的水来恢复除锰能力，三根滤柱的恢复时间为18d，之后的实验中Fe2+的进水浓度分别为6.58±1.205mg/L，1.059± 0.531mg/L，6.488±1.121mg/L。从图2可以看出，从第19d开始，给三根柱子进水（含不同浓度的Fe2+），但出水Fe2+几乎为零，可以看出柱子的除Fe2+能力是很好的，这是由于成熟的石英砂表面具有铁质活性滤膜，吸附水中的Fe2+，在水中的溶解氧的催化作用下将Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+被截留在了滤料表面上，随着Fe3+被截留的越多，影响了正常的出水水质，就要对滤柱进行反冲洗。

图2 三根滤柱Fe2+浓度变化Fig.2 The variation of Fe2+concentration of three filter columns

2.2 总铁的去除

三根柱子的恢复期为18d，接下来的实验中进水总铁浓度分别为10.274±2.551mg/L，3.449±1.64mg/L，10.504±1.951mg/L。由图3中的三幅图可以看出，滤柱对于总铁的去除也有很好的效果，三根滤柱的出水铁都可以达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）铁浓度小于0.3mg/L。

图3 三根滤柱铁浓度变化Fig.3 The variation of Fe concentration of three filter columns

2.3 Fe2+污染对滤柱除锰效果的影响及恢复

1#滤柱，19d开始通曝气后的原水，进行驯化，出水锰一直达标，24d时通未曝气过的原水，原水中Fe2+浓度为10.01mg/L，模拟实际生产中曝气失效的条件，从图4a可以看出出水锰浓度突然升高至3.615mg/L，滤柱被污染，除锰能力失效。换回充分曝气后的原水后，每天记录出水锰含量，在被污染后的第7d，滤柱恢复除锰能力，出水锰达标，即锰含量小于0.1mg/L。之后运行期间会偶然有出水锰不达标的情况出现，可能是由于当天的进水锰含量增高，对出水水质有影响。

由图4b可以看出，自19d开始逐渐增加2#滤柱Fe2+进水浓度（初始浓度为0.58mg/L），当第28d浓度增加到2.09mg/L时，出水锰浓度增高至0.6mg/L，此时立即恢复上一浓度1.56mg/L，4d后出水锰达标。

3#滤柱，19d开始从速度为1m/h逐渐增加，当增加到5m/h时，出水锰增加到0.65mg/L，滤柱被污染，立即恢复上一速度4m/h，经过3d，出水锰达标。

图4 三根滤柱锰的浓度变化Fig.4 The variation of Mn concentration of three filter columns

3 结论

（1）在单级的成熟石英砂滤柱中，铁锰可被同时去除。

（2）Fe2+可破坏成熟石英砂表面的锰质活性滤膜，可还原出Mn2+，使出水锰含量增加。

（3）模拟曝气失效的情况，通原水，滤柱被Fe2+污染，出水锰不达标，通曝气后的原水后，经过7d，滤柱恢复除锰能力，出水锰达标。

（4）Fe2+浓度逐渐增大，当Fe2+浓度增大到2.09mg/L时，出水锰浓度不达标，恢复上一浓度1.56mg/L，4d后出水锰达标。

（5）滤速增大，本实验增大到5m/h时，出水不达标，将速度减为4m/h时，经过3d，恢复除锰能力，出水锰达标。

［1］ 栾岚，詹健，贾俊松．地下水除铁除锰技术的分析及其发展方向初探［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．

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［4］ 陈天意．锰砂滤池处理高浓度铁锰及氨氮地下水pH影响研究［D］．哈尔滨工业大学，2014．

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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

黑龙江省自然科学基金项目（编号：E200818）

倪小溪（1989-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究领域：饮用水安全保障技术。

**通讯联系人：杨威，教授，研究领域：饮用水安全保障技术，E-mail：yangweiyuyang@163.com。