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(chu)鐵(tie)沒有明顯(xian)干擾，經錳(meng)(meng)砂過濾后的水(shui)鐵(tie)、錳(meng)(meng)含(han)量均能(neng)達(da)到國家飲用水(shui)衛生標準。錳(meng)(meng)砂是較強(qiang)的催化(hua)劑，能(neng)促使(shi)水(shui)中的二價鐵(tie)氧化(hua)成三價鐵(tie)。如水(shui)中堿度過高，硫化(hua)物含(han)量過高，會縮短錳(meng)(meng)砂的使(shi)用周期(qi)。本研究為(wei)利用錳(meng)(meng)砂除(chu)鐵(tie)提了供參(can)考數據。
飲用水中(zhong)含鐵(tie)(tie)(tie)(tie)量高(gao)，不僅感(gan)官(guan)性(xing)狀(zhuang)不好，有(you)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)腥(xing)味，長期(qi)攝入含鐵(tie)(tie)(tie)(tie)高(gao)的(de)水可(ke)(ke)致(zhi)機體(ti)慢性(xing)中(zhong)毒(du)，尤其是對肝臟的(de)損(sun)害比較大(da)。目前，國內外多采用錳(meng)砂過濾除鐵(tie)(tie)(tie)(tie)，但水中(zhong)一些(xie)干擾因(yin)素對除鐵(tie)(tie)(tie)(tie)效果可(ke)(ke)能有(you)影響(xiang)。我們(men)對可(ke)(ke)能影響(xiang)錳(meng)砂除鐵(tie)(tie)(tie)(tie)的(de)某(mou)些(xie)因(yin)素進行了探討。現介紹如下。
1、除鐵原理(li)
錳(meng)(meng)砂過濾(lv)除鐵(tie)，其原理是(shi)(shi)使水中亞(ya)鐵(tie)離(li)子(zi)與水中溶解氧一同進入接觸濾(lv)層(ceng)，在濾(lv)層(ceng)的(de)接觸催(cui)化(hua)(hua)(hua)作用下完(wan)成(cheng)亞(ya)鐵(tie)離(li)子(zi)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)、水解和截留。天然(ran)錳(meng)(meng)砂含(han)有較(jiao)多的(de)二(er)氧化(hua)(hua)(hua)錳(meng)(meng)，是(shi)(shi)二(er)價(jia)鐵(tie)氧化(hua)(hua)(hua)成(cheng)三價(jia)鐵(tie)的(de)良好催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑，地(di)下水經(jing)天然(ran)錳(meng)(meng)砂過濾(lv)加快(kuai)了二(er)價(jia)鐵(tie)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)，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重新還原成MnO2，這是一種自(zi)動接觸(chu)催(cui)化的過程，也(ye)是天然錳(meng)砂長(chang)期具有除鐵能力(li)的原(yuan)因(yin)。
2、方(fang)法和裝置
2.1 實驗(yan)方法
實(shi)驗室用的高(gao)鐵水(shui)是(shi)參(can)照日(ri)本高(gao)井雄的配(pei)方，以自來(lai)水(shui)加硫酸(suan)亞鐵配(pei)制；含錳水(shui)以自來(lai)水(shui)加硫酸(suan)錳配(pei)制。
2.2 測定方法
鐵：二氮(dan)雜(za)菲比色(se)法；錳：過濾(lv)硫酸(suan)(suan)銨比色(se)法；pH：S-3C型酸(suan)(suan)度(du)計(ji)；溶解氧(yang)濃(nong)度(du)：溶解氧(yang)測(ce)定儀(yi)；色(se)度(du)：751型分光(guang)光(guang)度(du)計(ji)；硫化物：碘量法。以(yi)上測(ce)定方法均參照中華人(ren)民(min)共和國國家(jia)標準生(sheng)活飲用水標準檢驗法。
2.3 實驗裝置（附圖(tu)）
2.4 實驗濾器
用玻璃管制(zhi)成，濾料粒(li)徑0.6-2.0mm，濾床高760mm，流(liu)速8-10m/h。
3、結果(guo)與討論
3.1 pH對除(chu)鐵效果(guo)的(de)影(ying)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(shao)10倍(bei)，水(shui)中(zhong)二價鐵(tie)的(de)氧(yang)化速度降低100倍(bei)。實驗(yan)調原(yuan)水(shui)pH至5.2、6.3、7.5、8.5，原(yuan)水(shui)含鐵(tie)量(liang)20mg/L，濾速10m/h，定時(shi)取水(shui)樣測定濾過水(shui)總鐵(tie)。結果見表1。
表1 不(bu)同(tong)pH、不(bu)同(tong)時(shi)間(jian)出水余(yu)留(liu)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(ci)試驗平(ping)均結果
從表(biao)1看出，pH在5.2-8.5之(zhi)間時，除(chu)鐵效(xiao)果隨pH值的(de)升高(gao)而越(yue)好，但都能(neng)達到國(guo)家飲用水衛(wei)生標準。我國(guo)含鐵地下水pH大都在5.0-8.0之(zhi)間，為此，用錳砂除(chu)鐵時不需(xu)調pH值，可節省(sheng)投資，給(gei)管理帶來方便。
3.2 水(shui)溫對除鐵效(xiao)果的影響
水(shui)(shui)中二價鐵(tie)的氧化與(yu)水(shui)(shui)溫有關，水(shui)(shui)溫越高(gao)除(chu)鐵(tie)效(xiao)果越好(hao)。一般水(shui)(shui)溫每降低(di)15℃，反應(ying)速(su)度(du)將(jiang)減(jian)小一半。突驗選擇2-3℃、5-7℃、13-15℃3個(ge)溫度(du)范圍進行實(shi)驗。結果見表(biao)2。
表2 不(bu)同水溫、不(bu)同時間出水余(yu)留(liu)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(liang)20mg/L，pH為(wei)6.9。
從表2看出，水溫(wen)在(zai)(zai)5℃以上(shang)時，濾水鐵(tie)含量均能達到國家飲(yin)用(yong)水衛生標(biao)準。低于5℃時除鐵(tie)效果不好，為此，寒冷地區利用(yong)錳砂除鐵(tie)時，其設施一定要建在(zai)(zai)屋內，并設有供暖(nuan)設備。
3.3 溶解氧(yang)濃度對除鐵(tie)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(shi)存在，當(dang)與空氣接觸(chu)（曝氣）時，重碳酸鐵(tie)易分解(jie)為氫氧化亞鐵(tie)和(he)二(er)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(dian)。
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓
增加溶解氧(yang)濃(nong)度簡易的方法是通(tong)過(guo)曝(pu)氣來完(wan)成。試驗用通(tong)入氮氣的方法把水(shui)(shui)中溶解氧(yang)濃(nong)度降至所定濃(nong)度，定時取水(shui)(shui)樣(yang)測定濾水(shui)(shui)的余(yu)留(liu)總鐵，結果見(jian)表(biao)3。
表3 不同(tong)(tong)溶解氧(yang)濃(nong)度(du)、不同(tong)(tong)時間(jian)出水余留總鐵(tie)（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(wen)為21℃ 30min測定溶(rong)解氧濃度已達3.8mg/L。
從表3看出(chu)，溶(rong)解(jie)氧濃度在3.8mg/L以(yi)上時，濾過水含鐵量均能達(da)到國家飲(yin)用水衛(wei)生標準。
3.4 色度(du)對除鐵效(xiao)果的影(ying)響(xiang)
用樹葉浸泡法配制(zhi)色度為5、10、20、30、含(han)鐵量20mg/L的(de)水，以10m/h的(de)流速通過(guo)濾柱，定時(shi)取水樣分析出水余留總鐵，結(jie)果(guo)如(ru)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(shui)pH為(wei)(wei)6.8 出水(shui)pH為(wei)(wei)6.7 水(shui)溫(wen)為(wei)(wei)15℃
表(biao)4結果說(shuo)明(ming)，色度(du)在30度(du)以下時，對(dui)錳(meng)砂除鐵(tie)無明(ming)顯的影響。
3.5 硫化物對除鐵效果(guo)的影(ying)響
實驗用自來水加硫化(hua)鈉配制(zhi)含(han)鐵量20mg/L，含(han)硫化(hua)物(wu)1.0、3.0、5.0mg/L的水樣呈黑色，且硫化(hua)物(wu)越高，顏色越深，都有硫化(hua)氫的臭味。經錳砂過濾后其結果見表5。
表5 不(bu)同硫化物(wu)含(han)量、不(bu)同時(shi)間出水(shui)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(wei)(wei)6.8 出水pH為(wei)(wei)6.7 水溫為(wei)(wei)15℃
從(cong)表5結果(guo)看出，不同(tong)濃(nong)度硫化物(wu)的高鐵水(shui)，經錳(meng)砂過濾后(hou)，出水(shui)鐵含量符(fu)合(he)國家飲用水(shui)衛生標準，且無色無味(wei)。但硫化物(wu)含量在5.0mg/L以上時，濾水(shui)量減(jian)少，使用周(zhou)期縮短。
3.6 堿度的干擾
用碳酸氫鈉和鹽酸配制不同堿(jian)度的水(shui)，含鐵量20mg/L，pH值分(fen)別為(wei)5.2、6.2、5.6和7.5，以10m/h的流速進行過(guo)濾，定時取水(shui)樣分(fen)析(xi)余留(liu)總鐵，其結果(guo)見表(biao)6。
表(biao)6 不(bu)同堿度(du)、不(bu)同時間出(chu)水(shui)余(yu)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(du)在6.5meg/L以下時(shi)，出(chu)水余(yu)留(liu)總鐵(tie)均能達到飲用水衛生標準。但(dan)隨著堿度(du)的(de)降低，出(chu)水余(yu)留(liu)總鐵(tie)逐漸增加。因此，堿度(du)過低時(shi)，濾(lv)水量(liang)相應減少，縮短使用周期。
4、現場試驗
為了驗(yan)(yan)證實驗(yan)(yan)室(shi)方法的(de)可(ke)靠(kao)性，用(yong)實驗(yan)(yan)室(shi)裝置(zhi)在(zai)現(xian)場進(jin)行了除鐵(tie)試驗(yan)(yan)。其中，含(han)鐵(tie)量4.62±1.70mg/L，含(han)錳量0.34±0.09mg/L。試驗(yan)(yan)采用(yong)自然曝光，溶解(jie)氧(yang)濃(nong)度3.9-6.3mg/L，pH為6.5，流速9-11m/h。試驗(yan)(yan)共進(jin)行了14天(tian)，每天(tian)定(ding)時取水(shui)樣(yang)分(fen)析(xi)濾(lv)后水(shui)的(de)鐵(tie)錳含(han)量。結果(guo)(guo)Fe＜0.3mg/L，Mn＜0.lmg/L，均符合國家飲用(yong)水(shui)衛生標準，與實驗(yan)(yan)室(shi)結果(guo)(guo)相一致，表明試驗(yan)(yan)結果(guo)(guo)是可(ke)靠(kao)的(de)。
根據實驗室及(ji)現場(chang)結(jie)果(guo)，于(yu)1987年7月(yue)在(zai)黑龍(long)江省嫩江縣二(er)炮農場(chang)安裝了一臺(tai)每天(tian)濾水(shui)(shui)(shui)(shui)量70t的除鐵設(she)施(shi)(shi)，因考慮當地(di)室外溫度(du)低時可達-50℃，所以一切設(she)施(shi)(shi)均(jun)建在(zai)屋內。除鐵工藝流程為(wei)：含(han)鐵地(di)下水(shui)(shui)(shui)(shui)→跌水(shui)(shui)(shui)(shui)曝氣→過濾→集(ji)水(shui)(shui)(shui)(shui)池→清水(shui)(shui)(shui)(shui)池→用戶(hu)。原水(shui)(shui)(shui)(shui)pH為(wei)6.5，總(zong)堿度(du)為(wei)2.67meg/L，經曝光后呈(cheng)暗紅色，夏(xia)季(ji)(ji)水(shui)(shui)(shui)(shui)溫15℃，冬季(ji)(ji)水(shui)(shui)(shui)(shui)溫1-9℃，結(jie)果(guo)見表7。
表7 現(xian)場(chang)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(pu)氣前(qian)1.9mg/L，曝(pu)光后6.7mg/L，工作周期84-90h。
從表7結(jie)果可以(yi)看出，在現場實(shi)地應用(yong)(yong)中，經錳(meng)砂(sha)過濾后(hou)的水，鐵錳(meng)含量均達(da)到了國家(jia)飲用(yong)(yong)水衛生標準(zhun)，工作周期(qi)也超過了預期(qi)結(jie)果，更證實(shi)了錳(meng)砂(sha)除(chu)鐵的可靠(kao)性。
