摘 要：随着环保要求的提高和能源的匮乏，地水源热泵空调的应用越来越广泛。各地的地质情况不同，地水源热泵的效率和效果各不相同。对地下水当中的各种成分对地水源热泵系统运行影响做了详细分析，就地下水中对系统危害最大的二价铁采用锰砂吸附的办法加以消除的做法，从理论和实践上进行了阐述。
关键词：地下水 二价铁 锰砂 吸附
中图分类号：TQ110.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）012-104-02
1引言
某大厦原设计选用三台（两用一备）1450kW蒸汽溴化锂机组实现夏季制冷空调，冬季采用蒸汽锅炉供暖。从环保和节能的角度出发，采用地水源热泵系统对冷热源进行改造。系统经改造投入运行后发现热泵机组的地水源热交换器的地下水侧发生了堵塞，机组的效率急剧下降，处理不及时还影响机组的正常使用。对地下水进行处理，保证热泵机组的正常运行，成了系统改造后迫切需要解决的问题。
2机组堵塞根源查找
2.1 地下水成分分析
在热交换器的地下水侧发生了堵塞，首先从地下水上进行分析。经过环保局水质化验，结果如下：pH值：7.31；卤化物：1.90g/L；总硬度：1.293 g/L；悬浮物：1.14 g/L；总铁：0.463 g/L。
2.2对堵塞物进行分析
经过取样对堵塞物进行化学成分分析，结果如下：
阳离子部分：总铁：0.339mg/kg；总钙：0.0562mg/kg；总镁：0.00482mg/kg。阴离子部分是氢氧根离子为主。阳离子部分铁的含量比例：0.339/（0.339+0.0562+0.00482）*100%=84%。可见堵塞物绝大部分是氢氧化铁。
按照水质分析和堵塞物分析的结果，可以断定对水源热泵危害最大的物质是二价的铁离子。
从成分上分析，地下水当中存在一定数量氢氧化亚铁，而氢氧化亚铁可溶于水，此时的铁在水中是以二价铁离子的形态出现的。地下水经过潜水泵提升到管道的过程，有类似曝气效果，再到机组进行热交换的过程中，水中的氢氧化亚铁和氧的有较为充分的接触，氧化成为难容于水的氢氧化铁，在热交换器的温度急剧变化的环境下，氢氧化铁快速析出，形成胶体状的氢氧化铁固态物吸附于热交换器的管壁，形成堵塞。
综上，地下水中对地水源热泵机组危害最大的物质是水中的二价铁离子。如何消除水中的铁离子，成为保证热泵机组正常运行的关键。
3 消除二价铁的方案
3.1除铁方法
原来的地下水中含有一定数量的氢氧化亚铁，铁以二价阳离子的形态溶解于水。要消除溶解状态的二价铁离子，困难很大。但是，氢氧化亚铁经过氧化后成为氢氧化铁后，就难溶于水，成为沉淀物就可以通过吸附和过滤的方法较为方便地除掉。先在水泵出口先加装曝气装置给水中冲入足够氧气，让二价铁充分地和氧气接触，同时加催化剂加快二价铁转换成三价铁，最后再用吸附和过滤的办法除去三价铁，达到防止堵塞物在热泵机组中形成的目的。
3.2除铁材料
经过调研，锰砂对二价铁氧化成三价铁有催化作用，同时锰砂对三价铁有很强的吸附能力。这样，可以用锰砂作为催化和吸附的介质，对地下水进行处理。
根据环保局对地下水的检测报告，地下水的温度稳定在20度左右，原地下水中二价铁的含量为：0.463克/升，在满负荷状态下，热泵机组的热交换用地下水为200吨/小时。这样，每小时需要处理的二价铁的量为：92.6克。
3.3天然锰砂和覆合锰砂滤料的选择
3.3.1两种滤料的除铁性能的比较
锰砂主要是依靠其接触氧化能力和吸附能力来除锰，而决定这两项能力的主要因素是滤料表面的二氧化锰含量。现在国内天然锰砂滤料二氧化锰含量一般为30%左右，国家规范除铁锰除铁罐使用的天然锰砂二氧化锰含量要达到35%以上。而覆合锰砂滤料因为其表面的二氧化锰含量较高较纯，其接触氧化能力和吸附能力都大大超过天然锰砂滤料。接触氧化能力和吸附能力不仅决定除铁锰效果，还对过滤水的含氧量有要求。地下水含氧量的多少取决于滤前曝气系统的设置，覆合锰砂过滤要求含氧量为水中铁锰离子浓度之和的1.5倍，天然锰砂过滤含氧量要求为3倍。除铁罐若使用天然锰砂，曝气环节还需要进一步增加溶氧措施。
国家规范规定天然锰砂滤料设计滤速为5-8米/小时，覆合锰砂的设计滤速为10米/小时，滤速的取值决定除铁罐的设计面积，使用天然锰砂的除铁罐比使用覆合锰砂的除铁罐面积大25%（{10-8}/ 8€？00%=25%），即除铁罐体积需要增加25%才能达到同样的产水量。
3.3.2两种滤料的容重比较
滤料的容重决定了除铁罐的反冲洗强度，天然锰砂滤料（二氧化锰含量达到35%）的容重为2.0吨/m3，反冲洗强度要求20L/S？㎡，反冲洗时间为10分钟。覆合锰砂滤料的容重为1.58/m3。反冲洗强度要求12L/S·㎡，反冲洗时间为5分钟。
以上容重特性造成天然锰砂滤料如下缺点：设计上增加除铁罐反冲洗水头水量，反冲洗强度需要增加67%，反冲洗水量增加2.3倍，要求除铁罐冲洗水箱的容积大大增加，使除铁罐的总高度增加1.5米以上，增加造价。同时进水位置升高使电耗增加。同样体积的除铁罐，使用滤料总吨位增加，增加了装罐成本。
3.3.3两种滤料的机械强度比较
覆合锰砂的磨损率为0.07‰，破碎率为0.08‰；天然锰砂滤料的磨损率一般为2.4‰，破碎率为0.2‰。这两项性能决定了滤料的使用寿命，覆合锰砂滤料使用寿命相当于天然锰砂滤料的1.5倍。
天然锰砂滤料由于机械强度差，装罐的时候要求比设计高度多装10%，在经过首次反冲洗冲掉碎末后才能保证设计滤料的设计高度。在以后的使用中每年需要停水检修并补加三分之一的新滤料，第三年全部更换滤料，增加了停水检修时间，也增加了除铁罐的滤料成本。
覆合锰砂可以按照设计高度装罐不需要多装，使用寿命保质期三年，即首次装罐后，三年内不需要补充滤料。
3.3.4以200立方米/小时除铁水量的计算
计算如下：
综上，选择覆合锰砂用于除铁除铁罐的滤料，总用量31.6吨。
3.4滤罐的设计
锰砂总用量31.6吨，体积20立方米，罐体设计直径2.5米，罐子面积3.14*1.25*1.25=4.91平米。锰砂在罐内灌装高度：20立方米/4.91平方米=4.07米。
考虑罐子的运输和安装，每个罐子灌装锰砂2.04米，采用两个4米高的罐子同时工作；由于除铁的量较大，每天需要进行反冲洗，另外设反冲洗备用罐一只；一共使用直径2.5米，高4米的除铁罐三只。
4 结果
锰砂除铁系统经过1个月改造完成投入使用，经过环保部门检验，水中的含铁量达到了饮用水标准，完全不影响机组的运行。经过一年多的使用，效果良好。
参考文献：
[1] 傅金祥，张丹丹，安娜，等.石英砂/锰砂混层滤料的除铁除锰效果及其影响因素[J].中国给水排水，2007（23）.
[2] 陈丽芳，李敏.我国地下水除铁除锰技术研究概况[J].福建师范大学学报（自然科学版），2009（05）.
