摘要：采用邻二氮菲比色法和过硫酸铵分光光度法，对石英砂、纤维球和锰砂三种不同性能的滤料进行了对比分析试验。结果表明——纤维球滤料除铁滤速高，反冲洗耗水量小且耐磨损；石英砂滤料综合性能次之；锰砂虽然除铁效果较好，但反冲洗耗水量大；其次，吸附能力较强的优质天然马山锰砂滤料有较好的同时去除铁锰的效果，而纤维球和石英砂则不适宜除锰。
地下水是我国城镇和工矿企业的重要水源，主要分布于北方广大区域。一般情况下，地下水水质较好，但含铁的质量含量不得超过0.30mg/L，锰的质量含量不得超过0.10mg/L，因为铁和锰的质量含量过高可导致水中色度升高，给生活和生产带来诸多不便，并可导致慢性中毒而引发一些地方病。
鉴于地下水中含铁锰的普遍性及其危害，国内大部分地区地下水除铁除锰工程采用曝气接触氧化法，即首先通过曝气向水中充氧，同时散除水中CO2以提高pH值，使地下水中以Fe2+、Mn2+形式存在的铁和锰，在后续接触氧化过滤中得以氧化去除，曝气接触氧化法由于工艺简单、投资及运行费用低而在我国得到广泛应用。
在地下水曝气接触氧化除铁除锰工艺中，铁和锰的氧化去除主要是利用包覆滤料上的铁质及锰质活性膜的自催化作用。由于以Fe2+、Mn2+形式存在的铁和锰的吸附作用不同，因而导致不同滤料的除铁除锰效果也不同。本文以石英砂、纤维球、锰砂三种不同性能的滤料进行对比试验，分析了不同滤料的除铁除锰性能及对水质的适应性。
1 活性滤膜的形成及除铁除锰机理
地下水接触氧化滤池进行一定时期后，滤料上包裹了一层铁锰氧化物，其催化活性的成分为Fe(OH)3.2H2O及MnO2.xH2O；地下水中Fe2+、Mn2+首先吸附在活性滤膜上，然后通过活性滤膜的自催化作用得以氧化去除。
1.1 除铁反应
(1) Fe2+的吸附，即
Fe(OH)3●2H2O+Fe2+=Fe(OH)2(FeO)●2H2O+H+
(2) Fe2+的氧化，即
Fe(OH)2(FeO)●2H2O+1/4O2+5/2H2O=2Fe(OH)3●2H2O
2.2 除锰反应
(1) Mn2+的吸附，即
Mn2++MnO2.xHO=MnO2●MnO●(x-1)H2O+2H
(2) Mn2+的氧化，即
MnO2.MnO.(x-1)H2O+1/2O2+HO=2MnO2.xHO
由此可见，活性滤膜的形成是铁和锰去除的关键，水质、滤料性能和运行条件等均是其形成的影响因素。由于滤料与地下水直接接触并发挥着铁锰氧化去除的重要功能，所以滤料性能对活性滤膜形成的影响显得尤为重要。在整个反应过程中，活性滤膜形成后，由于铁锰氧化过程速率较快，所以吸附过程的速率便成为整个反应的控制速率。
2 试验
2.1 试验方法
根据曝气接触氧化法的设计要求，将地下水厂经曝气塔曝气后的水直接引入分别装填石英砂、锰 砂和纤维球滤料的滤池中，滤层厚1200mm，滤柱直径为150mm；滤柱运行滤速控制在6~8m/h，定期监测进出水中铁和锰指标。除铁的分析方法为邻二氮菲比色法，除锰的方法为过硫酸铵分光光度法。
2.2 试验材料
纤维球滤料由丙纶纤维丝缠绕而成，纤维丝直径很细，以10μm计，比表面积远大于常规粒状滤料。纤维球、石英砂均属吸附能力较弱的滤料，密度较小，反冲洗耗水量小，锰砂为优质天然马山锰砂，主要成分为锰氧化物，吸附能力较强；但密度较大，反冲洗耗水量大（表1）。
表1 滤料性能
| 滤料 | 粒径/mm | 成分 | 耐磨损性 | 吸附能力 |
| 纤维球 | 1.5 | 丙纶 | 好 | 弱 |
| 石英砂 | 0.8-1.0 | SiO2 | 适中 | 弱 |
| 锰砂 | 0.8-1.0 | 锰氧化物 | 较差 | 强 |
3 试验结果与讨论
3.1 除铁除锰效果对比
地下水经曝气塔曝气后，水中溶解氧（DO）为7.2mg/L左右，pH＞7.5，符合接触氧化法对除铁除锰的要求。在该曝气条件下，定期检测各滤柱进出水的水质（图1-3）。
(1)由图1-3可知，原水中铁的质量含量为6-9mg/L，锰的质量含量为1.5~2.1mg/L。由于石英砂滤料和纤维球滤料的吸附能力较弱，而运行初期铁质活性滤膜尚未形成，因此出现了明显的除铁不稳定期。运行7~9d后，铁质活性滤膜方形成，过滤出水的铁的质量含量稳定且低于0.3mg/L；由于锰砂滤料对Fe2+吸附能力较强，运行初期即能获得良好的除铁效果，待活性滤膜形成后，除铁能力更加稳定，故在试验中除铁效果一直良好，未出现除铁不稳定期。
(2)对于除锰，纤维球滤料和石英砂滤料在运行过程中，均未形成具催化作用的锰质活性滤膜。其原因：
①Mn2+的氧化不定期原电位高于Fe2+，在同样的溶解氧及pH的曝气条件下，Mn2+比Fe2+难氧化；
②在吸附和氧化反应过程中，由于氧化速率快，吸附速率便成了整个除锰反应的控制速率，而石英砂、纤维球属吸附能力较弱的滤料，吸附过程速率较慢，故吸附速率便成了整个除锰反应的控制关键；
③在运行过程中的反冲洗对运行初期滤料上附着的少量MnO2也有洗脱作用，因此，MnO2便难以在滤料上大量积累而形成锰质活性滤膜。
(3)与石英砂、纤维球相比，优良天然马山锰砂对Mn2+吸附能力很强，而且其成分中含有对Mn2+有催化氧化作用的MnO2，故除锰反应速率快，运行初期滤料上就能附着大量的MnO2，锰质活性滤膜很容易形成，运行过程中除锰能力始终较强。
3.2 运行参数对比
试验中三种滤料性能不同，其运行周期、反冲洗强度、除铁除锰极限滤速等参数也不尽相同（表2）。由表2可知，纤维球滤料由于比表面积较大，水与滤料接触面积大，除铁极限滤速可提高至15m/h，分别是石英砂、锰砂的1.6和1.9倍；因为其比表面积大而使滤料的截污容量大，可将运行同期延长至45~50h，是石英砂、锰砂的1.1~1.3倍。纤维球滤料是由丙纶纤维缠绕而成，结构不同于粒状滤料，其内部截留附着的铁氧化物必须采用气水联合反冲洗，通过气水对滤料的强烈擦洗使滤层得以清洗干净，故反冲洗耗水量较小，约为石英砂的85%、锰砂的55%~73%。从经济的角度考虑，单就除铁而言，纤维球滤料除铁滤速高，运行周期长，反冲洗耗水量小，是较好的选择；石英砂次之；锰砂尽管除铁效果始终较好，但由于比重较大，反冲洗耗水量很大，不经济。但是，应该注意的是，对于铁和锰共存且铁锰质量含量较高的地下水，只有锰砂滤料具有较好的同时去除铁和锰的效果。
表2 三种不同滤料运行参数对比
| 滤料种类 | 反冲洗强度L·（m2·s）-1 | 极限滤速（m·h-1） | 运行周期/h | ||
| 气冲 | 水冲 | 除铁 | 除锰 | ||
| 纤维球 | 10-12 | 5-8 | 15.0 | - | 45-50 |
| 锰砂 | - | 9-11 | 9.5 | 10 | 35-40 |
| 石英砂 | - | 6-9 | 8.0 | - | 35-40 |
