飲用水除鐵除錳科學技術進展
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摘 要：隨著我國經濟的不斷發展，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著相當大的比例，因此除鐵除錳技術已經成為了多年以來水質工程的重點研究課題。鑒于此，文章以相關文獻作為基本依據，在鐵錳的相關化學性質和氧化還原原理的基礎上，對多年來除鐵除錳科學技術的進展進行了深入的分析和討論，以期為日后優化飲用水中的除鐵除錳科學技術提供一些建議和理論參考。
關鍵詞：飲用水;除鐵除錳;科學技術;進展
中圖分類號：TU991.26+5 文獻標志碼：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、離子半徑以及電負性等比較相似，所以具有比較類似的化學性質。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。通過多年的實踐不難發現，過量的鐵離子和錳離子能夠使給水系統的輸配水管出現比較嚴重的結垢，也能夠使水被著色，出現難聞的氣味，長期的飲用含鐵含錳的水將會對人們的身體健康造成嚴重影響。
1 飲用水除鐵除錳常規技術
1.1 次氯酸鈉氧化除鐵
次氯酸鈉是一種強氧化劑，具有氧化能力強、性質穩定、易于溶解、易投加的特點，常被用來進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，反應時間在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準鐵不超過0.3mg/L，同時錳的含量也不超過0.1mg/L，效果非常理想。
1.2 除錳方法
水中的Mn2+無色無味且化學性質比較穩定，很難被融解氧化成MnO2沉淀，因此是一種潛在的水質危害。除此以外，由于Fe2+的掩蔽作用，使得Mn2+更難被發現，直到上世紀六十年代左右人們才認識到供水系統中的Mn2+及其危害。
傳統的除錳方法主要是氧化劑氧化法，這種方法雖然比較有效，能夠將Mn2+與Fe2+同時去除，但是去除過程十分繁瑣，流程很長，操作比較復雜，而且需要投藥制藥水，成本很高，因此沒有得到廣泛應用。
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中，從而使其生成錳沸石，沸石表面的高價錳將水中的二價錳氧化成四價錳。由于一段時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，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。投放量必須要嚴格控制，投入過量會使過濾后的水呈現粉紅色，如果投入不足會使得Mn2+去除不徹底。
2 改進后的除鐵除錳技術
上世紀六十年代以來，人們對接觸氧化除鐵除錳技術進行了深入的探索，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
臭氧是一種很強的氧化劑，可以在比較低的pH（6.5以下）和無催化的條件下，使水中的二價鐵和錳完全氧化，其反應為：2Fe2++3+5H20=2Fe（0H）3+O2+4H+;2Mn2++203+
4H20=MnO（OH）2+O2+4H+當水中含有自然有機質（NOM）腐殖質和富里酸時，會在很大程度上影響臭氧氧化效果。并且在用臭氧進行水處理的過程中，要特別注意臭氧的投加量，若臭氧過量，會使水中的二價錳被氧化為高錳酸根而使水呈現粉紅色，還需要進行還原過濾，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反應，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迅速，無持續性。而臭氧在水中的溶解度較低，當含鐵錳的水較為渾濁時，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。另外目前臭氧發生裝置昂貴、操作復雜，耗電量大，運行費用高。
2.2 空氣氧化接觸過濾除錳技術
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是一種熱力學亞穩態的FeOOH，是一種以FeO6為結構單元形成的褶皺層，表現出層結構觸媒。
2.2.2 錳質活性濾膜理論
李圭白先生提出的錳質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錳化合物，這種化合物可以繼續對Mn2+產生催化氧化作用，從而使錳砂的接觸除錳不斷持續下去。
2.3 生物固錳除錳技術
根據生產實踐不難發現，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標，其他很多水廠的除錳效果并不明顯。
生物固錳除錳機理的發現與確立：
生物固錳除錳理論出現于上世紀末，根據長期的研究成果揭示了飲用水除錳分機理：在中性環境中，Mn2+的氧化是以Mn2+氧化菌為主的生物氧化作用。Mn2+吸附于細菌的表面，然后在細菌胞外酶的作用下氧化成高價錳氧化物，從而進行去除。
根據生態位研究可以發現，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物所構成。除此以外，錳氧化還原菌對Mn2+的去除過程實際上就是細胞酶參與的吸附氧化過程，由于細菌的細胞膜上具有比較發達的Mn2+胞內磷脂蛋白運輸系統，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 結束語
本文對飲用水的除鐵除錳科學技術進展進行了比較深入的分析，經過了多年的研究發展，我們的飲用水除鐵除錳技術不斷升級和更新。然而，要真正完全去除飲用水中的鐵錳依然并非易事，相關科研人員和水質工作者應當立足發展實際，不斷在除鐵除錳工作實踐中發現問題，積累經驗，加強學習，從而使飲用水中的鐵錳含量不斷降低，給人們提供更加優質的飲用水，從而保證人們的飲水健康。
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