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(duì)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(dá)到國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。錳砂是較強(qiáng)的催化劑，能促使水中的二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵。如水中堿度過高，硫化物含量過高，會(huì)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(zhǎng)期攝入含鐵高的水可致機(jī)體慢性中毒，尤其是對(duì)肝臟的損害比較大。目前，國(guó)內(nèi)外多采用錳砂過濾除鐵，但水中一些干擾因素對(duì)除鐵效果可能有影響。我們對(duì)可能影響錳砂除鐵的某些因素進(jìn)行了探討�，F(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(jìn)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(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵的良好催化劑，地下水經(jīng)天然錳砂過濾加快了二價(jià)鐵的氧化，反應(yīng)式如下：
3MnO2+O2=MnO·Mn2O7
高價(jià)錳再把Fe2+氧化成Fe3+
MnO·Mn2O7+4Fe2+2H2O=3MnO2+4Fe3++4OH-
這個(gè)過程使高價(jià)錳化合態(tài)重新還原成MnO2，這是一種自動(dòng)接觸催化的過程，也是天然錳砂長(zhǎng)期具有除鐵能力的原因。
2、方法和裝置
2.1 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)；溶解氧濃度：溶解氧測(cè)定儀；色度：751型分光光度計(jì)；硫化物：碘量法。以上測(cè)定方法均參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法。
2.3 實(shí)驗(yàn)裝置（附圖）
2.4 實(shí)驗(yàn)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(duì)除鐵效果的影響
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，水的pH值每降低一個(gè)單位，水中OH-濃度將減少10倍，水中二價(jià)鐵的氧化速度降低100倍。實(shí)驗(yàn)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(shí)取水樣測(cè)定濾過水總鐵。結(jié)果見表1。
表1 不同pH、不同時(shí)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(yàn)平均結(jié)果
從表1看出，pH在5.2-8.5之間時(shí)，除鐵效果隨pH值的升高而越好，但都能達(dá)到國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)含鐵地下水pH大都在5.0-8.0之間，為此，用錳砂除鐵時(shí)不需調(diào)pH值，可節(jié)省投資，給管理帶來方便。
3.2 水溫對(duì)除鐵效果的影響
水中二價(jià)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(yàn)選擇2-3℃、5-7℃、13-15℃3個(gè)溫度范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表2。
表2 不同水溫、不同時(shí)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(shí)，濾水鐵含量均能達(dá)到國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。低于5℃時(shí)除鐵效果不好，為此，寒冷地區(qū)利用錳砂除鐵時(shí)，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(duì)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?yàn)榈叵滤卸䞍r(jià)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(shí)，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(jiǎn)易的方法是通過曝氣來完成。試驗(yàn)用通入氮?dú)獾姆椒ò阉腥芙庋鯘舛冉抵了舛龋〞r(shí)取水樣測(cè)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(shí)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(cè)定溶解氧濃度已達(dá)3.8mg/L。
從表3看出，溶解氧濃度在3.8mg/L以上時(shí)，濾過水含鐵量均能達(dá)到國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
3.4 色度對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)，對(duì)錳砂除鐵無明顯的影響。
3.5 硫化物對(duì)除鐵效果的影響
實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guó)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(shí)，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(jìn)行過濾，定時(shí)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(shí)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(shí)，出水余留總鐵均能達(dá)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(shí)，濾水量相應(yīng)減少，縮短使用周期。
4、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室方法的可靠性，用實(shí)驗(yàn)室裝置在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了除鐵試驗(yàn)。其中，含鐵量4.62±1.70mg/L，含錳量0.34±0.09mg/L。試驗(yàn)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(yàn)共進(jìn)行了14天，每天定時(shí)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(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相一致，表明試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果，于1987年7月在黑龍江省嫩江縣二炮農(nóng)場(chǎng)安裝了一臺(tái)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(shí)可達(dá)-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(chǎng)試驗(yàn)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(chǎng)實(shí)地應(yīng)用中，經(jīng)錳砂過濾后的水，鐵錳含量均達(dá)到了國(guó)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(shí)了錳砂除鐵的可靠性。
