项目基金：建设部科技攻关项目（0302-062）。
作者简介：陈正清(1980-)，男，福建寿宁人，硕士研究生。
摘要：具有除铁除锰能力的滤料品种和产地不同，其物理吸附能力、对化学氧化的催化作用也不同，因此，在相同环境条件下，除铁除锰的效果也不同。针对这一问题选取了三种滤料进行试验研究，并对其中的一种进行了微生物接种。试验研究表明所有滤料对铁都有较好的去除效果，出水铁含量均低于030mg／L的水质标准。而锰的去除效果受滤料性质影响较明显。
关键词：地下水除铁除锰催化氧化
AbstractFor the different ability of physical adsorb、chemical-oxidize
and catalytic reaction by different variety of filters，thus the removal
effect of ferro and manganese is different.Choosing three kinds of filters
to experiment，and taking one to microbial breeding,the experiment shows
that the removal effect of Ferro is better by all filters，and the outlet
concentration of Ferro is less then 030mg/L which is the water quality
standard.While the removal effect of manganese is influenced by the
character of filters.
Key wordsGroundwaterRemoval of Fe2+Removal of Mn
2+Catalytic-oxi2005-8-21ion
1概述
地下水是我国城镇和工矿企业的重要水源，主要分布在东北、华北、西北地区。地下水水质较好，但铁锰含量超标却是一个较为普遍的污染特征。我国饮用水标准GB5749-85规定，生活饮用水中铁的含量不得超过030mg／L,锰的含量不得超过010mg／L［1］。铁锰含量高可导致水中色度升高，给生活和生产带来诸多不便，水中含有过量的铁锰可导致慢性中毒而引发一些地方病。另外，还有一些工业用水，例如造纸、纺织、印染、食品、酒类、饮料、罐头等工业部门都对水中铁、锰的含量均有严格的要求。
鉴于地下水中含铁锰的普遍性及其危害，早在建国初期我国就确立了“地下水除铁除锰”这一具有重要社会及经济意义的课题，其理论及应用先后经历了自然氧化法、接触氧化法、生物法三个发展阶段。本文针对不同滤料除铁除锰效果的不同，有针对性的选取了三种滤料进行试验研究。
2试验装置和试验方法
2.1试验材料与装置
本试验采用2套并行的有机玻璃滤柱，试验装置见图1。滤柱高为3000mm，内径为70mm，承托层厚为mm，滤层厚为mm，分别采用了河南巩义的锰砂滤料和陶粒滤料，以及广西马山的锰砂滤料，其中马山锰砂中的MnO2含量大于巩义锰砂，滤料粒径都为mm。
2.2分析项目及方法
主要分析项目和检测方法见表1。
表1分析项目和检测方法
分析项目检测方法
总铁Mn2+Fe2+DOpH水温CODMn
邻菲罗啉分光光度法甲醛肟分光光度法邻菲罗啉分光光度法溶解氧测定仪pH计温
度计KMnO4法
1.进水管2.溢流管3.平衡水箱4.莲花式喷头
5.一号滤柱6.二号滤柱7.滤料8.反冲洗进水
9.测压板10.一号出水11.二号出水
图1试验装置流程
2.3原水水质
本试验采用配制的模拟地下水，水质平均情况见表2。
表2原水水质/mg·L-1
项目总铁Mn2+Fe2+DO[]pH[]水温(℃)CODMn
检测值0890820544～565818～2507～12
3运行效果及分析
3.1地下水除铁除锰主要机理
地下水的铁锰主要以Fe2+、Mn2+形式存在，此外还有些高价铁锰的氧化物(如Fe2O3，MnO2等)，铁、锰均是过渡性金属元素，其标准氧化还原电位分别为Ψθ(Fe3+/Fe2+)=0771V及Ψθ(MnO2/Mn2+)=1231V［2］，锰的氧化还原电位高于铁，Mn2+比Fe2+难以氧化。地下水经曝气充氧反应后，Fe2+氧化为Fe3+并以Fe(OH)3的形式析出，再通过沉淀、过滤就能去除，而去除水中的锰就困难得多。上个世纪60年代，李圭白提出了接触氧化法，根据“活性滤膜”自催化理伦，使曝气后水直接通入滤池，随着运行时间的增加，滤料上逐步包裹了对Fe2+、Mn2+氧化有自催化作用的铁质和锰质活性滤膜，成分为Fe(OH)3及MnO2，铁质滤膜和铁泥都是由微小的球状三价铁的氢氧化物组成［3］，它的扩散系数(E)很大，与滤料颗粒表面的粘附力远远大于自然氧化法中的絮状铁质悬浮物。滤料表面锰质活性滤膜的除锰过程，首先是水中二价锰被滤膜吸附，然后再被溶解氧氧化。一般吸附过程十分迅速，而氧化过程则比较缓慢，所以氧化就成为反应的控制步骤。被滤膜吸附的二价锰氧化水解后，又生成新的活性滤膜物质参加反应，所以锰质活性滤膜的除锰过程，也是一个不断更新的催化反应过程。而张杰等于20世纪90年代在我国率先开展了地下水生物法除锰新技术的理论及应用研究，分别在沈阳李官卜、鞍山大赵台、抚顺开发区水厂等地进行了现场研究，并通过大量的微生物学试验，证明了滤池中铁细菌的高效生物除锰作用，进而提出了生物除锰理论［4］。
3.2不同滤料的除铁除锰效果
滤料品种不同，物理吸附能力、化学氧化和催化作用也不同，因此对地下水除铁除锰的效果也不同。本研究根据巩义陶粒滤柱，巩义锰砂滤柱，马山锰砂滤柱(滤柱进水均为低强度曝气后的水)的长期运行效果，对比分析了不同滤料除铁除锰效果，生物与非生物过滤的除铁除锰效果。各滤柱的长期运行效果见图2～图6。
图2河南巩义陶粒滤柱进出水铁锰浓度变化
图3河南巩义锰砂滤柱进出水铁锰浓度变化
图4广西马山锰砂滤柱进出水铁锰浓度变化
图5广西马山锰砂滤柱进出水铁锰浓度变化（接种）
图6铁，锰去处率对比图
由图2～图6结果可知：
(1)此三滤柱都为通原水直接培养细菌过程，巩义陶粒滤柱由图2所示整个运行过程中锰的平均去除率只有4598％，且随着原水锰含量的变化而出水水质上下波动较大，铁的去处率达到了8765％，出水铁含量平均为013mg/L。巩义锰砂滤柱对铁锰的平均去处率分别为8788％、7850％，马山锰砂滤柱对铁锰的平均去处率分别为9220％、9076％。这可能是由于巩义陶粒表面光滑，孔隙率较小吸附能力差，且滤料间的空隙较大，因此对锰的去除率很低。而铁的去处过程主要是化学氧化作用，Fe2+很容易被氧化形成Fe(OH)3被滤料截留，吸附。各滤柱对铁的去处率都较高，出水铁均低于030mg／L的水质标准。
(2)从总体上看马山锰砂对铁锰的去除效果又要比巩义锰砂的要好。马山锰砂的出水铁、锰含量分别为0053mg/L、0051mg／L，远低于国家《生活饮用水卫生标准》。而巩义锰砂虽然有较大的除锰能力，但其出水锰平均含量为018mg／L，不能达标。这主要是由于马山锰砂中的MnO2含量高于巩义锰砂，且其有较大的比表面积，粒径较均匀，膨胀系数大。因此有较强的吸附能力，在滤料表面逐渐生成具有催化作用的铁质或锰质活性“滤膜”。在“滤膜”的催化作用下，铁和锰的氧化速度大大加快，进而被滤料除去，除铁除锰效果好。
(3)马山锰砂滤料经接种了铁细菌以后的处理效果见图5。接种后的滤柱对锰的去除率比未接种的高了26％，而对铁的的去除率却低了09％。试验结果表明铁细菌在以马山锰砂为滤料的滤柱所起的作用并不明显。
(4)由图6可以看出在地下水除铁除锰中，滤料的不同对铁的去除率没有显著变化，因此对于地下水的除铁问题并不是一个难点。而滤料的差异对锰的去除起着重要的作用，因此开发一种具有良好的吸附性能，稳定的固锰能力的优质滤料是我们以后研究除铁除锰工艺的关键。
3.3反冲洗方式
接触氧化除铁滤池要求地下水经过简单的曝气充氧去除部分二氧化碳后，水中大部分铁质仍以Fe2+状态进入滤层，依靠滤料表面已生成的铁质活性滤膜的自催化反应完成铁的氧化截留过程。在滤料表面容易形成铁质滤膜和铁泥，增大了水头损失，因此必须对滤柱进行反冲洗。假如使用单一水冲洗法，即使强度达10～12L／(s·m2)，也难以使铁泥彻底剥落、破碎、冲洗干净，时间稍长便会结块导致滤层堵塞。虽然气水反冲洗法可使铁泥彻底剥离，并有效地防止滤层泥球和龟裂的形成。但是反冲气源由空气压缩机或鼓风机供给。这就增加了运行费用。同时，冲洗过程中的空气压力和流量仍然是由高变低、变化很大，而过高的初始压力和流量容易导致支承层位移和滤料流失
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