多层纤维除铁除锰塔应用实例

宋金璞¹，张宝杰¹，张锦¹，郑学玉²，于林²
(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨　150090；2.哈尔滨自来水公司，黑龙江哈尔滨　150001)

　　摘　要：多层纤维除铁除锰塔是集淋水、曝气、除铁除锰为一体的新式地下水除铁除锰设备，与以锰矿砂或石英砂为滤料的除铁工艺相比，在处理水量相同时可省去曝气塔及中间提升泵，因而占地面积减少1/2，设备投资减少1/3～1/4，节电0.1～0.15 (kW·h)/m³，出水中铁、锰含量符合国家饮用水标准。
　　关键词：多层纤维； 除铁除锰；接触氧化；铁、锰细菌
　　中图分类号：TU991.26
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)04-0073-02

1 　设备、流程及运行

1.1 　设备及流程
　　该套设备安装在哈尔滨供水七厂，除铁除锰塔直径为1m，总高为3m，处理量为4～5m³/h，塔内分4层，每层用纤维填充(见图1)。原水从塔顶部喷淋而下，流经4层纤维滤料后由下部排入净水池，用鼓风机将空气从塔的底层鼓入，再从上部排出。通过调节给 水阀门可控制流量。反冲洗时水从下部进入，可逐层进行反冲洗。经30d左右滤料成熟，其表面形成活性滤膜，亚铁离子因之被氧化形成Fe(OH)₃沉淀而去除，水中铁浓度降到0.1mg/L以下，到60d左右锰浓度降到0.1mg/L以下。

1.2　 原水浓度、温度变化的影响
　　从1996年春季到1997年夏季对哈尔滨供水七厂除铁除锰塔进出水中铁锰浓度、水温及气温的变化进行了测定。因该厂靠近松花江边，其地下水受松花江水位的影响，一般是在丰水期及平水期由松花江水补充地下水，此时地下水中铁、锰含量相对较低，而在枯水期由地下水补充江水，水中铁、锰浓度较高。测试发现，1996年9月—11月时地下水中铁、锰浓度较高，铁含量最高达10mg/L，锰含量为0.5mg/L左右，而平均铁含量为2～4mg/L，锰含量为0.3～0.4mg/L左右。运行结果表明，该塔对铁的去除率较高(一般能达到99%～99.9%)，对锰的去除率一般为70%～80%。原水中铁、锰浓度在一定范围内变化时并不影响铁和锰的去除率，出水中铁浓度＜0.05mg/L，锰浓度＜0.1mg/L，均低于国家饮用水标准。
　　经测定此间地下水水温变化范围为7～13℃，对除铁除锰效率影响不大，说明纤维除铁除锰塔对温度的变化有一定的适应性。
1.3 流量的影响
　　 在4种流量(14.4、7.2、5.0、3.6m³/h)下分别测定装置出水中铁含量。当流量为14.4m³/h、出水中铁含量达标情况下，装置可运行10h；流量为7.2m³/h时可运行24h；流量为5m³/h时可运行51h；流量为3.6m³/h时可运行100h。在流量为7.2m³/h时其 相应滤速为9.2m/h，这表明除铁除锰塔的处理水量和传统锰矿砂处理装置基本一致，但持续时间优于后者。
1.4 水质指标的变化
　　运行过程中多次对原水和滤过水中的其他指标进行测定，发现有些指标有明显改变(见表1)。

表1 某些水质指标的变化 项目 原水 滤后水 去除率(%) 高锰酸盐指数(mg/L) 4.8 1.9 60.4 溶解氧(mg/L) 0.85 5.1 　 浊度(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可见，经纤维除铁除锰塔处理后水中某些指标有所改善，其中溶解氧的提高是曝气的结果，pH的提高是因为有CO₂逸出，浊度和色度的改善是由于纤维滤料的过滤作用及亚铁经接触氧化被除去的结果。高锰酸盐指数及TOC的降低是由生物作用引起的，它们的减少是由于塔内铁、锰细菌等繁殖和消耗的结果，氨氮的减少是硝化作用结果(水中二价锰被氧化后的产物是催化剂，能加速硝化作用)。
1.5 供气量
　　供气量和处理水量之比为1～2就可满足要求。如停止供气，设备运行2～3d后出水水质开始恶化。
1.6 反冲洗
　　该设备的反冲洗水从下部进入，再由每层排水阀排放，但需要一定的冲洗强度。强度过大会冲掉滤料表面的活性滤膜及大量的铁细菌而导致水质恶化；强度太小滤料会发生粘连，导致周期缩短影响除铁效果，故该设备的冲洗强度以8L/(m²·s)为宜(见图2)。每层约需5min就可反冲干净，因此整个滤塔的反冲时间约为20min。

2 机理分析

2.1 接触氧化除铁
　　接触氧化理论认为，活性滤膜具有促使亚铁氧化为三价铁的催化作用，因此活性滤膜的吸附接触氧化作用是亚铁离子在滤层中被截留的主要因素，一旦滤膜形成，滤料本身只起到活性滤膜的骨架载体作用。纤维滤料的比表面积比锰矿砂的比表面积大1～2个数量级，比表面积大则接触氧化的速率高，能尽快地把亚铁离子氧化为三价铁离子，从而除去水中的铁。另外，除铁速率和水中溶解氧浓度成正比。在锰砂除铁过程中水中溶解氧是由曝气塔曝气控制的，曝气后溶氧的水再经接触氧化，因此溶解氧的浓度是不断降低的，而多层纤维除铁除锰塔工艺是集淋水、曝气及接触氧化为一体，空气和滤膜接触，水中的溶解氧可以不断得到补充而参与氧化反应，因此除铁的速率较高。
2.2　 铁、锰细菌的作用
　　多层纤维除铁除锰塔为好氧的铁、锰细菌提供了生长繁殖的良好场所。在pH为中性的范围内Mn²⁺被氧化为MnO₂和M₃O₄，主要是生物氧化作用而不是接触氧化作用。当含铁、锰地下水流经滤塔时，在良好的通风和充氧条件下铁锰细菌在滤料上繁殖，随着滤料的成 熟使细菌数量不断增加，最终达到平衡。

3 经济分析

　　该工艺比传统工艺简单，除铁除锰和曝气在一个塔内进行，出水可以达到国家相关水质标准。在处理量相同时，能省去一个曝气塔和中间提升泵，因此占地面积可减少1/2，设备投资可减少1/3～1/4。可节电0.1～0.15(kW·h)/m³。

4 结论

　　① 多层纤维除铁除锰塔可以有效地去除地下水中的铁及锰，同时使氨氮、TOC、耗氧量、色度及浊度均有较大的改善，出水水质好。
　　② 该工艺适应性强，无论是在冬季还是夏季均能达到较高的去除率，同时该工艺具有较强的抗负荷能力，当水中铁、锰浓度在一定范围内(铁为2～10mg/L，锰为0.1～0.4mg/L)变 化时仍有较高的去除率，出水水质合格。
　　③ 该工艺具有占地面积小、设备投资少、操作方便及运行周期长等优点。
　　④ 与锰砂或石英砂除铁除锰工艺相比，可节电0.1～0.15(kW·h)/m³。

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　　收稿日期：2002-01-07