除铁锰过滤器的工作原理主要基于氧化反应与过滤吸附的协同作用，通过将溶解态的铁、锰离子转化为不溶性沉淀物并截留，从而实现水质净化。以下从核心原理、氧化方式及过滤机制三方面详细解析：

一、核心原理：氧化反应将溶解态铁锰转化为沉淀物

1. 铁离子的氧化过程

• 二价铁（Fe²⁺） 在氧化剂作用下被氧化为三价铁（Fe³⁺），并形成不溶性氢氧化物沉淀：

• 以溶解氧氧化为例：
  4Fe²⁺ + O₂ + 10H₂O → 4Fe(OH)₃↓（氢氧化铁沉淀）。

• 反应条件：需满足一定的 pH 值（铁氧化最佳 pH≥6.5）和溶解氧浓度（≥5mg/L），pH 值越高、溶解氧越充足，氧化速度越快。

2. 锰离子的氧化过程

• 二价锰（Mn²⁺） 被氧化为四价锰（MnO₂） 并形成沉淀：

• 以溶解氧氧化为例：
  2Mn²⁺ + O₂ + 2H₂O → 2MnO₂↓ + 4H⁺（二氧化锰沉淀）。

• 反应条件：对 pH 值要求更高（锰氧化最佳 pH≥7.5），且通常需要催化剂（如滤料表面的 MnO₂）加速反应，单纯依靠溶解氧氧化效率较低。

二、氧化反应的实现方式

1. 曝气氧化（自然充氧）

• 原理：通过曝气装置（如鼓风机、跌水、喷淋）向水中充入空气，增加溶解氧，同时提升水体 pH 值（CO₂逸出），促进铁锰氧化。

• 适用场景：铁含量≤10mg/L、锰含量≤2mg/L 且 pH 值接近中性的水质，是农村饮用水处理的常用方法。

• 特点：成本低、无化学药剂投入，但受水质（如 pH、水温）影响较大，锰的氧化效果可能不彻底。

2. 催化氧化（滤料催化）

• 原理：利用滤料（如锰砂、石英砂）表面的催化活性物质（如 MnO₂、金属氧化物），加速铁锰离子与溶解氧的反应。

• 催化机制：滤料表面的 MnO₂作为催化剂，与 Fe²⁺、Mn²⁺发生电子转移，形成中间产物并加速氧化：

• 例如，锰砂表面的 MnO₂可与 Fe²⁺反应生成 Fe³⁺，自身被还原为低价锰，随后再被溶解氧氧化恢复催化活性。

• 特点：无需额外氧化剂，依赖滤料的催化性能，适用于铁锰含量中等的水质，是除铁锰过滤器的核心机制之一。

3. 药剂氧化（化学强化）

• 原理：投加氧化剂（如高锰酸钾、次氯酸钠、过氧化氢）强制氧化 Fe²⁺和 Mn²⁺。

• 反应示例：

• 高锰酸钾氧化：3Fe²⁺ + KMnO₄ + 7H₂O → 3Fe(OH)₃↓ + MnO₂↓ + K⁺ + 5H⁺

• 次氯酸钠氧化：2Fe²⁺ + ClO⁻ + 5H₂O → 2Fe(OH)₃↓ + Cl⁻ + 4H⁺

• 适用场景：铁锰含量高（如铁 > 10mg/L、锰 > 2mg/L）、pH 值低或曝气氧化效果不足时，需通过药剂强化氧化。

• 特点：氧化效率高，可在较低 pH 值下反应，但需控制药剂投加量（如高锰酸钾投加量 1-3mg/L），避免残留药剂影响水质。

三、过滤吸附：截留铁锰沉淀物并深化处理

1. 滤料的物理过滤作用

• 机制：氧化形成的 Fe (OH)₃、MnO₂沉淀物以悬浮颗粒形式存在，通过滤料层（如锰砂、石英砂）时被截留，类似普通过滤器的 “筛滤” 效果。

• 滤料选择：

• 锰砂：粒径 0.6-1.2mm，堆积密度 1.8-2.2t/m³，其粗糙表面和孔隙结构有利于吸附沉淀物，同时兼具催化功能。

• 石英砂：常作为底层滤料，粒径 0.5-1.0mm，用于截留大颗粒杂质，保护上层锰砂滤料。

2. 滤料的化学吸附与离子交换

• 化学吸附：锰砂表面的 MnO₂等活性基团可通过化学键合作用吸附溶解态的 Fe²⁺、Mn²⁺，尤其在低浓度条件下效果显著。

• 离子交换：滤料表面的羟基（-OH）可与水中的铁锰离子发生离子交换反应，进一步降低溶解态金属离子浓度，但吸附容量有限，需通过反洗再生。

四、典型工艺组合与工作流程

1. 曝气 + 催化过滤工艺（常见于地下水处理）

1. 曝气阶段：通过曝气塔、射流曝气器等装置充氧，提升溶解氧（≥5mg/L）并调节 pH 值。

2. 催化氧化与过滤阶段：水流经锰砂滤层，Fe²⁺、Mn²⁺在滤料表面催化作用下被氧化为沉淀物，同时被滤料截留。

3. 反洗阶段：当滤层阻力增大或出水铁锰超标时，通过水流反冲（反洗强度 12-15L/(m²・s)，时间 10-15 分钟）清除滤料表面的沉淀物，恢复过滤性能。

2. 药剂氧化 + 过滤工艺（适用于高浓度铁锰水质）

1. 药剂投加：在进水前投加高锰酸钾等氧化剂，强制氧化 Fe²⁺、Mn²⁺。

2. 混合与反应：通过管道或反应器使药剂与水充分混合，完成氧化反应。

3. 过滤阶段：沉淀物被滤料截留，出水水质达标。