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、化學作用以及生物作用溶解了不同濃度的Fe2+、Mn2+以及其他物質，破壞了地下水的優良品質，因而產生的異味、色度都使人難以忍受，甚至會危害人身健康，影響著工農業生產。另有調查顯示，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現象在其它國家和地區也很普遍。
地下水除鐵除錳的技術先后經歷了自然氧化法、接觸氧化法、生物法3個階段。現普遍采用鐵質活性濾膜接觸氧化除鐵和錳質活性濾膜接觸氧化除錳工藝。波濤采用錳質活性濾膜接觸氧化，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 ）抽送一部分水循環曝氣，另一部分上送至高位水箱。
本試驗設置2個過濾柱，編號為1#、2#，濾柱內徑為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，通過調節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，反洗強度通過調節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、溶解氧等水質項目。上述水質項目檢測方法見表1。
表1 檢測項目與檢測方法
| 項目 | 方法 | 儀器 |
| 總鐵 | 二氮雜菲分光光度法 | 消解儀、分光光度計 |
| 亞鐵 | 二氮雜菲分光光度法 | 分光光度計 |
| 錳 | 過硫酸銨分光光度法 | 電磁爐 |
| pH值 | — | pH計 |
| 溶解氧 | 碘量法 | — |
2、結果與討論
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，出水錳達標且比較穩定；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了，比較穩定，偶爾有波動。
3、結論
（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別，兩種濾料在試驗條件下經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，從而使濾柱從投產開始很快就能獲得達標的除錳水，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。
