飲用水除鐵除錳科學(xué)技術(shù)進(jìn)展

周清卿

摘? 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對水資源的需求量越來越大。在我國所有的水資源中，含鐵錳的水資源占據(jù)著相當(dāng)大的比例，因此除鐵除錳技術(shù)已經(jīng)成為了多年以來水質(zhì)工程的重點(diǎn)研究課題。鑒于此，文章以相關(guān)文獻(xiàn)作為基本依據(jù)，在鐵錳的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)和氧化還原原理的基礎(chǔ)上，對多年來除鐵除錳科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了深入的分析和討論，以期為日后優(yōu)化飲用水中的除鐵除錳科學(xué)技術(shù)提供一些建議和理論參考。

關(guān)鍵詞：飲用水;除鐵除錳;科學(xué)技術(shù);進(jìn)展

中圖分類號：TU991.26+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）09-0146-02

Abstract： With the continuous development of China's economy， the demand for water resources is increasing. Among all the water resources in our country， the water resources containing iron and manganese occupy a considerable proportion， so the technology of iron and manganese removal has become the key research topic of water quality engineering for many years. In view of this， based on the relevant literature， and on the basis of the related chemical properties of iron and manganese and the principle of redox， the progress of iron and manganese removal science and technology over the years has been deeply analyzed and discussed in this paper， in order to provide some suggestions and theoretical reference for optimizing the science and technology of iron and manganese removal in drinking water in the future.

Keywords： drinking water; iron and manganese removal; science and technology; progress

引言

鐵和錳均是地殼中的重要元素，在自然界中的分布十分廣泛。由于鐵和錳的原子半徑、離子半徑以及電負(fù)性等比較相似，所以具有比較類似的化學(xué)性質(zhì)。Fe2+和Mn2+都可以溶于水，因此常常在一些湖泊深水層甚至是河流中出現(xiàn)。通過多年的實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn)，過量的鐵離子和錳離子能夠使給水系統(tǒng)的輸配水管出現(xiàn)比較嚴(yán)重的結(jié)垢，也能夠使水被著色，出現(xiàn)難聞的氣味，長期的飲用含鐵含錳的水將會對人們的身體健康造成嚴(yán)重影響。

1 飲用水除鐵除錳常規(guī)技術(shù)

1.1 次氯酸鈉氧化除鐵

次氯酸鈉是一種強(qiáng)氧化劑，具有氧化能力強(qiáng)、性質(zhì)穩(wěn)定、易于溶解、易投加的特點(diǎn)，常被用來進(jìn)行地表水的除鐵工作。并且次氯酸鈉的投加量需要在0.4mg/L～0.8mg/L之間，反應(yīng)時(shí)間在5min～10min之間，然后水中殘余鐵的量就可以滿足國家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)鐵不超過0.3mg/L，同時(shí)錳的含量也不超過0.1mg/L，效果非常理想。

1.2 除錳方法

水中的Mn2+無色無味且化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，很難被融解氧化成MnO2沉淀，因此是一種潛在的水質(zhì)危害。除此以外，由于Fe2+的掩蔽作用，使得Mn2+更難被發(fā)現(xiàn)，直到上世紀(jì)六十年代左右人們才認(rèn)識到供水系統(tǒng)中的Mn2+及其危害。

傳統(tǒng)的除錳方法主要是氧化劑氧化法，這種方法雖然比較有效，能夠?qū)n2+與Fe2+同時(shí)去除，但是去除過程十分繁瑣，流程很長，操作比較復(fù)雜，而且需要投藥制藥水，成本很高，因此沒有得到廣泛應(yīng)用。

1.2.1 錳沸石法

錳沸石法主要是指將沸石投入到高錳酸鉀溶液當(dāng)中，從而使其生成錳沸石，沸石表面的高價(jià)錳將水中的二價(jià)錳氧化成四價(jià)錳。由于一段時(shí)間之后就失去了氧化能力，因此需要使用高錳酸鉀溶液再生濾床。同時(shí)，伴生的Fe2+也需要消耗高錳酸鉀溶液，其生成的氫氧化鐵附著在沸石的表面，阻礙了對錳的去除，因此應(yīng)用并不廣泛。

1.2.2 高錳酸鉀法

高錳酸鉀法主要是指向含有Mn2+的水中加入高錳酸鉀，從而使其被氧化成含水二氧化錳固體，然后再經(jīng)過沉淀處理將其去除。一般而言，高錳酸鉀的投入量為每1mg/L Mn2+投入1.92mg/L KMnO4。如果水中同時(shí)存在Fe2+，也需要消耗高錳酸鉀，其投入量為每1mg/L Fe2+投入0.943mg/L KMnO4。投放量必須要嚴(yán)格控制，投入過量會使過濾后的水呈現(xiàn)粉紅色，如果投入不足會使得Mn2+去除不徹底。

2 改進(jìn)后的除鐵除錳技術(shù)

上世紀(jì)六十年代以來，人們對接觸氧化除鐵除錳技術(shù)進(jìn)行了深入的探索，然而由于錳元素的氧化還原特性，最終在除鐵方面取得了比較可觀的成果，而除錳方面卻不盡人意。氧氣、錳以及鐵的氧化還原電位分別為0.82、0.6以及0.2，錳和鐵的氧化還原電位差分別為0.22和0.62。如果在中性環(huán)境下，對錳而言無論是否有觸媒都無法被溶解氧氧化，但鐵很容易被氧化，這便是接觸氧化除鐵效果顯著但除錳效果不好的原因。

2.1 氧化法除鐵技術(shù)

臭氧是一種很強(qiáng)的氧化劑，可以在比較低的pH（6.5以下）和無催化的條件下，使水中的二價(jià)鐵和錳完全氧化，其反應(yīng)為：2Fe2++3+5H20=2Fe（0H）3+O2+4H+;2Mn2++203+

4H20=MnO（OH）2+O2+4H+當(dāng)水中含有自然有機(jī)質(zhì)（NOM）腐殖質(zhì)和富里酸時(shí)，會在很大程度上影響臭氧氧化效果。并且在用臭氧進(jìn)行水處理的過程中，要特別注意臭氧的投加量，若臭氧過量，會使水中的二價(jià)錳被氧化為高錳酸根而使水呈現(xiàn)粉紅色，還需要進(jìn)行還原過濾，從而增加處理難度。另外水源中的溴化物與臭氧生成溴酸鹽是危險(xiǎn)反應(yīng)，大量資料已證明溴酸鹽是一種潛在的致癌物。臭氧的主要特性是反應(yīng)迅速，無持續(xù)性。而臭氧在水中的溶解度較低，當(dāng)含鐵錳的水較為渾濁時(shí)，臭氧與水的混合如不充分，則會大大降低臭氧對鐵錳的氧化作用。另外目前臭氧發(fā)生裝置昂貴、操作復(fù)雜，耗電量大，運(yùn)行費(fèi)用高。

2.2 空氣氧化接觸過濾除錳技術(shù)

2.2.1 γ-FeOOH觸媒除錳理論

高井雄提出的接觸氧化除鐵也可以去除一定量的Mn2+，其主要是利用γ-FeOOH的接觸催化氧化作用，一般除錳量在0.2mg/L到0.3mg/L左右。γ-FeOOH是一種熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)的FeOOH，是一種以FeO6為結(jié)構(gòu)單元形成的褶皺層，表現(xiàn)出層結(jié)構(gòu)觸媒。

2.2.2 錳質(zhì)活性濾膜理論

李圭白先生提出的錳質(zhì)活性濾膜理論主要是指在除錳的過程中，Mn2+在錳砂的催化作用下被氧化成高價(jià)錳化合物，這種化合物可以繼續(xù)對Mn2+產(chǎn)生催化氧化作用，從而使錳砂的接觸除錳不斷持續(xù)下去。

2.3 生物固錳除錳技術(shù)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn)，將Mn2+氧化生成MnO2或者是將Fe2+氧化成FeOOH的曝氣接觸除錳工藝水廠僅有少部分能夠保證出廠水的錳濃度達(dá)標(biāo)，其他很多水廠的除錳效果并不明顯。

生物固錳除錳機(jī)理的發(fā)現(xiàn)與確立：

生物固錳除錳理論出現(xiàn)于上世紀(jì)末，根據(jù)長期的研究成果揭示了飲用水除錳分機(jī)理：在中性環(huán)境中，Mn2+的氧化是以Mn2+氧化菌為主的生物氧化作用。Mn2+吸附于細(xì)菌的表面，然后在細(xì)菌胞外酶的作用下氧化成高價(jià)錳氧化物，從而進(jìn)行去除。

根據(jù)生態(tài)位研究可以發(fā)現(xiàn)，溶解氧、錳離子以及鐵離子的濃度對微生物的群落具有一定的選擇作用。高鐵微錳濾池20cm到60cm段微生物群落比較簡單，濾池80cm處菌落則比較復(fù)雜。研究表明，生物濾池中的錳球與錳氧化還原菌有密切的聯(lián)系，濾砂表面的覆蓋物主要由錳氧化還原菌的分泌物和生物氧化產(chǎn)物所構(gòu)成。除此以外，錳氧化還原菌對Mn2+的去除過程實(shí)際上就是細(xì)胞酶參與的吸附氧化過程，由于細(xì)菌的細(xì)胞膜上具有比較發(fā)達(dá)的Mn2+胞內(nèi)磷脂蛋白運(yùn)輸系統(tǒng)，因此對于Mn2+的利用不僅僅是一種生理解讀過程，更是一種能量儲備方式。

3 結(jié)束語

本文對飲用水的除鐵除錳科學(xué)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了比較深入的分析，經(jīng)過了多年的研究發(fā)展，我們的飲用水除鐵除錳技術(shù)不斷升級和更新。然而，要真正完全去除飲用水中的鐵錳依然并非易事，相關(guān)科研人員和水質(zhì)工作者應(yīng)當(dāng)立足發(fā)展實(shí)際，不斷在除鐵除錳工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題，積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，從而使飲用水中的鐵錳含量不斷降低，給人們提供更加優(yōu)質(zhì)的飲用水，從而保證人們的飲水健康。

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