摘要：水的pH、溫度、色度、堿度、硫化物含量、溶解氧濃度在一定范圍內(nèi)對錳砂除鐵沒有明顯干擾，經(jīng)錳砂過濾后的水鐵、錳含量均能達到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。錳砂是較強的催化劑，能促使水中的二價鐵氧化成三價鐵。如水中堿度過高，硫化物含量過高，會縮短錳砂的使用周期。本研究為利用錳砂除鐵提了供參考數(shù)據(jù)。
飲用水中含鐵量高，不僅感官性狀不好，有鐵腥味，長期攝入含鐵高的水可致機體慢性中毒，尤其是對肝臟的損害比較大。目前，國內(nèi)外多采用錳砂過濾除鐵，但水中一些干擾因素對除鐵效果可能有影響。我們對可能影響錳砂除鐵的某些因素進行了探討。現(xiàn)介紹如下。
1、除鐵原理
錳砂過濾除鐵，其原理是使水中亞鐵離子與水中溶解氧一同進入接觸濾層，在濾層的接觸催化作用下完成亞鐵離子的氧化、水解和截留。天然錳砂含有較多的二氧化錳，是二價鐵氧化成三價鐵的良好催化劑，地下水經(jīng)天然錳砂過濾加快了二價鐵的氧化，反應(yīng)式如下：
3MnO2+O2=MnO·Mn2O7
高價錳再把Fe2+氧化成Fe3+
MnO·Mn2O7+4Fe2+2H2O=3MnO2+4Fe3++4OH-
這個過程使高價錳化合態(tài)重新還原成MnO2，這是一種自動接觸催化的過程，也是天然錳砂長期具有除鐵能力的原因。
2、方法和裝置
2.1 實驗方法
實驗室用的高鐵水是參照日本高井雄的配方，以自來水加硫酸亞鐵配制；含錳水以自來水加硫酸錳配制。
2.2 測定方法
鐵：二氮雜菲比色法；錳：過濾硫酸銨比色法；pH：S-3C型酸度計；溶解氧濃度：溶解氧測定儀；色度：751型分光光度計；硫化物：碘量法。以上測定方法均參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗法。
2.3 實驗裝置（附圖）
2.4 實驗濾器
用玻璃管制成，濾料粒徑0.6-2.0mm，濾床高760mm，流速8-10m/h。
3、結(jié)果與討論
3.1 pH對除鐵效果的影響
據(jù)文獻報道，水的pH值每降低一個單位，水中OH-濃度將減少10倍，水中二價鐵的氧化速度降低100倍。實驗調(diào)原水pH至5.2、6.3、7.5、8.5，原水含鐵量20mg/L，濾速10m/h，定時取水樣測定濾過水總鐵。結(jié)果見表1。
表1 不同pH、不同時間出水余留總鐵（mg/L）
| pH | 10min | 30min | 60min | 120min | 240min |
| 5.2 | ＜0.1 | 0.13 | 0.22 | 0.21 | 0.21 |
| 6.3 | 0.24 | 0.21 | 0.22 | 0.22 | 0.21 |
| 7.5 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.15 | 0.25 |
| 8.5 | 0.15 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.15 |
注：為3次試驗平均結(jié)果
從表1看出，pH在5.2-8.5之間時，除鐵效果隨pH值的升高而越好，但都能達到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。我國含鐵地下水pH大都在5.0-8.0之間，為此，用錳砂除鐵時不需調(diào)pH值，可節(jié)省投資，給管理帶來方便。
3.2 水溫對除鐵效果的影響
水中二價鐵的氧化與水溫有關(guān)，水溫越高除鐵效果越好。一般水溫每降低15℃，反應(yīng)速度將減小一半。突驗選擇2-3℃、5-7℃、13-15℃3個溫度范圍進行實驗。結(jié)果見表2。
表2 不同水溫、不同時間出水余留總鐵（mg/L）
| 水溫（℃） | 30min | 60min | 120min | 240min |
| 2-3 | 0.7 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 5-7 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.1 |
| 13-15 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
原水含鐵量20mg/L，pH為6.9。
從表2看出，水溫在5℃以上時，濾水鐵含量均能達到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。低于5℃時除鐵效果不好，為此，寒冷地區(qū)利用錳砂除鐵時，其設(shè)施一定要建在屋內(nèi)，并設(shè)有供暖設(shè)備。
3.3 溶解氧濃度對除鐵效果的影響
水中溶解氧濃度的高低，直接影響除鐵效果。因為地下水中二價鐵鹽一般以重碳酸鐵[Fe(HCO3)2]的形式存在，當(dāng)與空氣接觸（曝氣）時，重碳酸鐵易分解為氫氧化亞鐵和二氧化碳。
Fe(HCO3)2+2H2O↔Fe(OH)2+2H2O+2CO2↑
氫氧化亞鐵與空氣中氧化合，成為膠體的氫氧化鐵[Fe(OH)3]，呈膠體凝聚沉淀。
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓
增加溶解氧濃度簡易的方法是通過曝氣來完成。試驗用通入氮氣的方法把水中溶解氧濃度降至所定濃度，定時取水樣測定濾水的余留總鐵，結(jié)果見表3。
表3 不同溶解氧濃度、不同時間出水余留總鐵（mg/L）
| 溶解氧濃度（mg/L） | 30min | 60min | 120min | 240min |
| 2.0 | 0.10 | 0.12 | 0.05 | 0.05 |
| 4.0 | 0.15 | 0.12 | 0.05 | 0.15 |
| 6.0 | 0.10 | 0.12 | 0.11 | 0.11 |
| 8.0 | 0.05 | 0.06 | 0.08 | 0.07 |
pH為6.8 水溫為21℃ 30min測定溶解氧濃度已達3.8mg/L。
從表3看出，溶解氧濃度在3.8mg/L以上時，濾過水含鐵量均能達到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
3.4 色度對除鐵效果的影響
用樹葉浸泡法配制色度為5、10、20、30、含鐵量20mg/L的水，以10m/h的流速通過濾柱，定時取水樣分析出水余留總鐵，結(jié)果如表4。
表4 不同色度、不同時間出水余留總鐵（mg/L）
| 色度（度） | 30min | 60min | 120min | 240min |
| 5 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 |
| 10 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 |
| 20 | 0.1 | 0.1 | <0.1 | 0.1 |
| 30 | <0.1 | <0.1 | 0.2 | 0.15 |
原水pH為6.8 出水pH為6.7 水溫為15℃
表4結(jié)果說明，色度在30度以下時，對錳砂除鐵無明顯的影響。
3.5 硫化物對除鐵效果的影響
實驗用自來水加硫化鈉配制含鐵量20mg/L，含硫化物1.0、3.0、5.0mg/L的水樣呈黑色，且硫化物越高，顏色越深，都有硫化氫的臭味。經(jīng)錳砂過濾后其結(jié)果見表5。
表5 不同硫化物含量、不同時間出水余留總鐵（mg/L）
| 硫化物含量(mg/L) | 30min | 60min | 120min | 240min |
| 1.0 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 |
| 3.0 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 |
| 5.0 | <0.1 | <0.1 | 0.31 | 0.31 |
原水pH為6.8 出水pH為6.7 水溫為15℃
從表5結(jié)果看出，不同濃度硫化物的高鐵水，經(jīng)錳砂過濾后，出水鐵含量符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，且無色無味。但硫化物含量在5.0mg/L以上時，濾水量減少，使用周期縮短。
3.6 堿度的干擾
用碳酸氫鈉和鹽酸配制不同堿度的水，含鐵量20mg/L，pH值分別為5.2、6.2、5.6和7.5，以10m/h的流速進行過濾，定時取水樣分析余留總鐵，其結(jié)果見表6。
表6 不同堿度、不同時間出水余留總鐵（mg/L）
| 堿度(meg/L) | 30min | 60min | 120min | 240min |
| 6.5 | 0.12 | 0.13 | <0.1 | <0.1 |
| 5.6 | 0.13 | 0.14 | <0.1 | <0.1 |
| 2.5 | 0.13 | 0.12 | 0.21 | 0.1 |
| 0.7 | 0.12 | 0.11 | 0.21 | 0.21 |
水溫為15℃
表6說明，堿度在6.5meg/L以下時，出水余留總鐵均能達到飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。但隨著堿度的降低，出水余留總鐵逐漸增加。因此，堿度過低時，濾水量相應(yīng)減少，縮短使用周期。
4、現(xiàn)場試驗
為了驗證實驗室方法的可靠性，用實驗室裝置在現(xiàn)場進行了除鐵試驗。其中，含鐵量4.62±1.70mg/L，含錳量0.34±0.09mg/L。試驗采用自然曝光，溶解氧濃度3.9-6.3mg/L，pH為6.5，流速9-11m/h。試驗共進行了14天，每天定時取水樣分析濾后水的鐵錳含量。結(jié)果Fe＜0.3mg/L，Mn＜0.lmg/L，均符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，與實驗室結(jié)果相一致，表明試驗結(jié)果是可靠的。
根據(jù)實驗室及現(xiàn)場結(jié)果，于1987年7月在黑龍江省嫩江縣二炮農(nóng)場安裝了一臺每天濾水量70t的除鐵設(shè)施，因考慮當(dāng)?shù)厥彝鉁囟鹊蜁r可達-50℃，所以一切設(shè)施均建在屋內(nèi)。除鐵工藝流程為：含鐵地下水→跌水曝氣→過濾→集水池→清水池→用戶。原水pH為6.5，總堿度為2.67meg/L，經(jīng)曝光后呈暗紅色，夏季水溫15℃，冬季水溫1-9℃，結(jié)果見表7。
表7 現(xiàn)場試驗結(jié)果
| 鐵（mg/L） | 錳（mg/L） | pH | 水溫（℃） | |
| 過濾前 | 3.2 | 1.0 | 6.5 | 15 |
| 過濾后 | <0.3 | <0.1 | 6.7 | 15 |
溶解氧濃度：曝氣前1.9mg/L，曝光后6.7mg/L，工作周期84-90h。
從表7結(jié)果可以看出，在現(xiàn)場實地應(yīng)用中，經(jīng)錳砂過濾后的水，鐵錳含量均達到了國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，工作周期也超過了預(yù)期結(jié)果，更證實了錳砂除鐵的可靠性。
