地下水是人類生存空間的重要組成部分，從古至今為人類提供了大量優(yōu)良的淡水資源。目前，全國近400個城市開采了地下水作為城市的供水水源，工業(yè)和生活用水絕大部分取自地下水。然而，地下水在地下徑流的過程中，由于物理作用、化學(xué)作用以及生物作用溶解了不同濃度的Fe²⁺、Mn²⁺以及其他物質(zhì)，破壞了地下水的優(yōu)良品質(zhì)，因而產(chǎn)生的異味、色度都使人難以忍受，甚至?xí)�危害人身健康，影響著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。另有調(diào)查顯示，隨著水源微污染情況的日益突出，地下水中鐵、錳的含量有也逐年增加的趨勢，并且地下水中鐵錳含量超標(biāo)現(xiàn)象在其它國家和地區(qū)也很普遍。

地下水除鐵除錳的技術(shù)先后經(jīng)歷了自然氧化法、接觸氧化法、生物法3個階段�，F(xiàn)普遍采用鐵質(zhì)活性濾膜接觸氧化除鐵和錳質(zhì)活性濾膜接觸氧化除錳工藝。波濤采用錳質(zhì)活性濾膜接觸氧化，研究了單層濾料和不均勻雙層濾料濾柱進出水鐵錳濃度變化，以考察單層濾料及不均勻雙層濾料對濾柱除鐵除錳成熟期的影響。

1、實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1。原水接自原水廠工藝曝氣塔進水總管（DN400），利用管道中原有壓力作為作用水頭，通過進水總閥控制進水流量。原水經(jīng)過蓮蓬頭曝氣并按一定比例加（1+5）H₂SO₄，跌入地位水箱，通過潛水泵（揚程16m，流量1.5m³，功率370W ）抽送一部分水循環(huán)曝氣，另一部分上送至高位水箱。

本試驗設(shè)置2個過濾柱，編號為1#、2#，濾柱內(nèi)徑為90mm，高3.0m，皆由有機玻璃制作。1#為錳砂濾柱，濾料粒徑0.6-1.8mm，濾料不均勻系數(shù)為2.72，濾層厚度均為1500mm；2#為不均勻雙層濾料濾柱，上層為石英砂濾料，濾料粒徑0.6-0.8mm，濾料不均勻系數(shù)為1.3，濾層厚度為750mm，下層為錳砂濾料，濾料粒徑0.6-1.8mm，濾料不均勻系數(shù)為2.72，濾層厚度均為750mm。

試驗采用恒速過濾方式運行。濾后水進入浮球閥水箱，通過調(diào)節(jié)苗嘴高度控制出水流量，進而控制濾柱濾速，濾速5m·h^-1，濾后水用清水箱收集，反洗用潛水泵（揚程20m，流量3m³，功率550W）置入清水水箱，根據(jù)運行情況觀察測壓管水位（一般水頭損失達到2m時），定期啟動反洗，反洗水為濾后水，反洗強度通過調(diào)節(jié)閘閥控制使濾層膨脹率為10%-15%為宜。

試驗所用天然錳砂為馬山錳砂，含MnO₂量為30%。

1.2 實驗條件

實驗在某水廠進行，水廠以地下水為水源，水源的總鐵、二價鐵、二價錳、NH₃-N、堿度、硬度、含鹽量分別為（14-16）、（13-15）、（0.9-1.9）、（1.6-2.0）、187、116、239mg·L^-1，水溫為7-9℃，pH值為6.6-6.8。可見，原水為高含鐵高含錳地下水，并含有較高濃度的氨氮。經(jīng)計算除鐵除錳除氨氮所需溶解氧為9.1mg·L^-1。

為了使水充分曝氣，又不使水的pH值過高，采用向源水加酸的方法將曝氣后水的pH值控制在6.8-6.9。試驗用水（原水）的總鐵、二價鐵、二價錳、NH₃-N、溶解氧分別為（13-15）、（10.7-14.4）、（0.86-1.89）、（1.6-2.0）、＞9mg·L^-1，pH值為6.7-7.0。

1.3 分析方法及儀器

試驗過程中，定期由高位水箱及各濾管出水處取水樣，測定水樣的總鐵、二價鐵、二價錳、NH₃-N、pH值、溶解氧等水質(zhì)項目。上述水質(zhì)項目檢測方法見表1。

表1 檢測項目與檢測方法

2、結(jié)果與討論

2.1 單層填料及不均勻雙層濾料對除錳效果的影響

圖2、3分別為錳砂濾柱及不均勻雙層濾料濾柱（上層為石英砂濾料，下層為錳砂濾料）對除錳效果的影響。

由圖2可以看出，錳砂濾柱在運行15d后，出水錳達標(biāo)且比較穩(wěn)定；由圖3可以看到，填料上層為k=1.3的石英砂、下層為k=2.72的錳砂的濾柱對錳有一定去除效果，且一直在波動。錳砂濾柱在除錳成熟期前是依靠吸附除錳，后期錳砂表面生成錳質(zhì)活性濾膜開始接觸氧化除錳，所以錳砂在開始運行不久出水就可以達到0.1mg·L^-1以下。這時可以看到，濾柱上部為黃褐色的除鐵帶，下部為黑褐色的除錳帶。填料上層為k=1.3的石英砂、下層為k=2.72的錳砂的濾柱在運行時，在石英砂表面未生成鐵質(zhì)活性濾膜時也是依靠錳砂吸附除鐵，錳砂量少，錳砂吸附量相對比較小，致使濾柱在除錳成熟期到來之前就吸附飽和了，所以除錳成熟期延長。這時可以看到濾柱上部為黃褐色除鐵帶，下部為黑褐色除錳帶，但是除錳帶被壓縮了。

2.2 單層填料及不均勻雙層濾料對鐵效果的影響

圖4、5分別為錳砂濾柱及不均勻雙層濾料濾柱（上層為石英砂濾料，下層為錳砂濾料）對除鐵效果的影響。

由圖4可以看出，錳砂濾柱在運行前期10d對鐵的去除效果就有了明顯的下降趨勢，后有波動；由圖5可以看出，填料上層為k=1.3的石英砂、下層為k=2.72的錳砂的濾柱對鐵的去除有顯著效果，在運行一周后出水鐵就達標(biāo)了，比較穩(wěn)定，偶爾有波動。

3、結(jié)論

（1）單層天然錳砂和雙層不均勻濾料濾柱在除鐵效能上沒有顯著區(qū)別，兩種濾料在試驗條件下經(jīng)7-10日即可成熟，出水總鐵可降至0.3mg·L^-1以下。

（2）天然錳砂對二價錳有很高的吸附容量，可使吸附除錳一直進行到濾層錳質(zhì)活性濾膜生成，濾層成熟，開始進行接觸氧化除錳，從而使濾柱從投產(chǎn)開始很快就能獲得達標(biāo)的除錳水，出水錳可降至0.1mgL^-1以下。

（3）上層石英砂下層錳砂的濾柱除錳效果沒有單層錳砂濾柱好。因為石英砂表面光滑掛膜困難，又沒有吸附能力，前期要依靠錳砂吸附除鐵除錳，錳砂量相對單層錳砂濾料來說量比較少，所以吸附量也小，在錳質(zhì)活性濾膜生成前達到吸附飽和，濾柱除錳成熟期要比錳砂長。