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對錳砂除鐵沒有明顯干擾，經錳砂過濾后的水鐵、錳含量均能達到國家飲用水衛(wèi)生標準。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據。
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�，F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，地下水經天然錳砂過濾加快了二價鐵的氧化，反應式如下：
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準生活飲用水標準檢驗法。
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、結果與討論
3.1 pH對除鐵效果的影響
據文獻報道，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)生標準。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，水溫越高除鐵效果越好。一般水溫每降低15℃，反應速度將減小一半。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)生標準。低于5℃時除鐵效果不好，為此，寒冷地區(qū)利用錳砂除鐵時，其設施一定要建在屋內，并設有供暖設備。
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)生標準。
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。經錳砂過濾后其結果見表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結果看出，不同濃度硫化物的高鐵水，經錳砂過濾后，出水鐵含量符合國家飲用水衛(wèi)生標準，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)生標準。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，濾水量相應減少，縮短使用周期。
4、現場試驗
為了驗證實驗室方法的可靠性，用實驗室裝置在現場進行了除鐵試驗。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。結果Fe＜0.3mg/L，Mn＜0.lmg/L，均符合國家飲用水衛(wèi)生標準，與實驗室結果相一致，表明試驗結果是可靠的。
根據實驗室及現場結果，于1987年7月在黑龍江省嫩江縣二炮農場安裝了一臺每天濾水量70t的除鐵設施，因考慮當地室外溫度低時可達-50℃，所以一切設施均建在屋內。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，經曝光后呈暗紅色，夏季水溫15℃，冬季水溫1-9℃，結果見表7。
表7 現場試驗結果
| 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結果可以看出，在現場實地應用中，經錳砂過濾后的水，鐵錳含量均達到了國家飲用水衛(wèi)生標準，工作周期也超過了預期結果，更證實了錳砂除鐵的可靠性。
