摘要：水的pH、温度、色度、碱度、硫化物含量、溶解氧浓度在一定范围内对锰砂除铁没有明显干扰，经锰砂过滤后的水铁、锰含量均能达到国家饮用水卫生标准。锰砂是较强的催化剂，能促使水中的二价铁氧化成三价铁。如水中碱度过高，硫化物含量过高，会缩短锰砂的使用周期。本研究为利用锰砂除铁提了供参考数据。
饮用水中含铁量高，不仅感官性状不好，有铁腥味，长期摄入含铁高的水可致机体慢性中毒，尤其是对肝脏的损害比较大。目前，国内外多采用锰砂过滤除铁，但水中一些干扰因素对除铁效果可能有影响。我们对可能影响锰砂除铁的某些因素进行了探讨。现介绍如下。
1、除铁原理
锰砂过滤除铁，其原理是使水中亚铁离子与水中溶解氧一同进入接触滤层，在滤层的接触催化作用下完成亚铁离子的氧化、水解和截留。天然锰砂含有较多的二氧化锰，是二价铁氧化成三价铁的良好催化剂，地下水经天然锰砂过滤加快了二价铁的氧化，反应式如下：
3MnO2+O2=MnO·Mn2O7
高价锰再把Fe2+氧化成Fe3+
MnO·Mn2O7+4Fe2+2H2O=3MnO2+4Fe3++4OH-
这个过程使高价锰化合态重新还原成MnO2，这是一种自动接触催化的过程，也是天然锰砂长期具有除铁能力的原因。
2、方法和装置
2.1 实验方法
实验室用的高铁水是参照日本高井雄的配方，以自来水加硫酸亚铁配制；含锰水以自来水加硫酸锰配制。
2.2 测定方法
铁：二氮杂菲比色法；锰：过滤硫酸铵比色法；pH：S-3C型酸度计；溶解氧浓度：溶解氧测定仪；色度：751型分光光度计；硫化物：碘量法。以上测定方法均参照中华人民共和国国家标准生活饮用水标准检验法。
2.3 实验装置（附图）
2.4 实验滤器
用玻璃管制成，滤料粒径0.6-2.0mm，滤床高760mm，流速8-10m/h。
3、结果与讨论
3.1 pH对除铁效果的影响
据文献报道，水的pH值每降低一个单位，水中OH-浓度将减少10倍，水中二价铁的氧化速度降低100倍。实验调原水pH至5.2、6.3、7.5、8.5，原水含铁量20mg/L，滤速10m/h，定时取水样测定滤过水总铁。结果见表1。
表1 不同pH、不同时间出水余留总铁（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：为3次试验平均结果
从表1看出，pH在5.2-8.5之间时，除铁效果随pH值的升高而越好，但都能达到国家饮用水卫生标准。我国含铁地下水pH大都在5.0-8.0之间，为此，用锰砂除铁时不需调pH值，可节省投资，给管理带来方便。
3.2 水温对除铁效果的影响
水中二价铁的氧化与水温有关，水温越高除铁效果越好。一般水温每降低15℃，反应速度将减小一半。突验选择2-3℃、5-7℃、13-15℃3个温度范围进行实验。结果见表2。
表2 不同水温、不同时间出水余留总铁（mg/L）
| 水温（℃） | 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 |
原水含铁量20mg/L，pH为6.9。
从表2看出，水温在5℃以上时，滤水铁含量均能达到国家饮用水卫生标准。低于5℃时除铁效果不好，为此，寒冷地区利用锰砂除铁时，其设施一定要建在屋内，并设有供暖设备。
3.3 溶解氧浓度对除铁效果的影响
水中溶解氧浓度的高低，直接影响除铁效果。因为地下水中二价铁盐一般以重碳酸铁[Fe(HCO3)2]的形式存在，当与空气接触（曝气）时，重碳酸铁易分解为氢氧化亚铁和二氧化碳。
Fe(HCO3)2+2H2O↔Fe(OH)2+2H2O+2CO2↑
氢氧化亚铁与空气中氧化合，成为胶体的氢氧化铁[Fe(OH)3]，呈胶体凝聚沉淀。
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3↓
增加溶解氧浓度简易的方法是通过曝气来完成。试验用通入氮气的方法把水中溶解氧浓度降至所定浓度，定时取水样测定滤水的余留总铁，结果见表3。
表3 不同溶解氧浓度、不同时间出水余留总铁（mg/L）
| 溶解氧浓度（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为6.8 水温为21℃ 30min测定溶解氧浓度已达3.8mg/L。
从表3看出，溶解氧浓度在3.8mg/L以上时，滤过水含铁量均能达到国家饮用水卫生标准。
3.4 色度对除铁效果的影响
用树叶浸泡法配制色度为5、10、20、30、含铁量20mg/L的水，以10m/h的流速通过滤柱，定时取水样分析出水余留总铁，结果如表4。
表4 不同色度、不同时间出水余留总铁（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为6.8 出水pH为6.7 水温为15℃
表4结果说明，色度在30度以下时，对锰砂除铁无明显的影响。
3.5 硫化物对除铁效果的影响
实验用自来水加硫化钠配制含铁量20mg/L，含硫化物1.0、3.0、5.0mg/L的水样呈黑色，且硫化物越高，颜色越深，都有硫化氢的臭味。经锰砂过滤后其结果见表5。
表5 不同硫化物含量、不同时间出水余留总铁（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为6.8 出水pH为6.7 水温为15℃
从表5结果看出，不同浓度硫化物的高铁水，经锰砂过滤后，出水铁含量符合国家饮用水卫生标准，且无色无味。但硫化物含量在5.0mg/L以上时，滤水量减少，使用周期缩短。
3.6 碱度的干扰
用碳酸氢钠和盐酸配制不同碱度的水，含铁量20mg/L，pH值分别为5.2、6.2、5.6和7.5，以10m/h的流速进行过滤，定时取水样分析余留总铁，其结果见表6。
表6 不同碱度、不同时间出水余留总铁（mg/L）
| 碱度(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 |
水温为15℃
表6说明，碱度在6.5meg/L以下时，出水余留总铁均能达到饮用水卫生标准。但随着碱度的降低，出水余留总铁逐渐增加。因此，碱度过低时，滤水量相应减少，缩短使用周期。
4、现场试验
为了验证实验室方法的可靠性，用实验室装置在现场进行了除铁试验。其中，含铁量4.62±1.70mg/L，含锰量0.34±0.09mg/L。试验采用自然曝光，溶解氧浓度3.9-6.3mg/L，pH为6.5，流速9-11m/h。试验共进行了14天，每天定时取水样分析滤后水的铁锰含量。结果Fe＜0.3mg/L，Mn＜0.lmg/L，均符合国家饮用水卫生标准，与实验室结果相一致，表明试验结果是可靠的。
根据实验室及现场结果，于1987年7月在黑龙江省嫩江县二炮农场安装了一台每天滤水量70t的除铁设施，因考虑当地室外温度低时可达-50℃，所以一切设施均建在屋内。除铁工艺流程为：含铁地下水→跌水曝气→过滤→集水池→清水池→用户。原水pH为6.5，总碱度为2.67meg/L，经曝光后呈暗红色，夏季水温15℃，冬季水温1-9℃，结果见表7。
表7 现场试验结果
| 铁（mg/L） | 锰（mg/L） | pH | 水温（℃） | |
| 过滤前 | 3.2 | 1.0 | 6.5 | 15 |
| 过滤后 | <0.3 | <0.1 | 6.7 | 15 |
溶解氧浓度：曝气前1.9mg/L，曝光后6.7mg/L，工作周期84-90h。
从表7结果可以看出，在现场实地应用中，经锰砂过滤后的水，铁锰含量均达到了国家饮用水卫生标准，工作周期也超过了预期结果，更证实了锰砂除铁的可靠性。
