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摘要：迄今为止的除铁、除锰工艺大多是采用传统的处理方法，即：一级除铁、二级除锰。在生物固锰、除锰技术确立以后，通过长期的试验研究，发现了铁、锰离子可以在同一生物滤层中去除的规律，从而可以采用一级曝气、过滤的简缩流程以更新传统的二级曝气、过滤的长流程设计。
关键词：地下水 生物滤层 除铁 除锰
Study on Simultaneous Removal of Fe2+ and Mn2+ from Groundwater inthe Biological Filtering Layer
tract：The conventional treatment technology has been used so far for Fe2+ and Mn2+ removal process,that is:Fe2+ removal is achieved in the 1st stageand Mn2+ removal in the 2nd stage.After the development of biological fixation and removal of Mn2+,we have made experiments for a long time and found the regularity that Fe2+ and Mn2+ can be removed in the same biological filtering layer.Thus,a simple process of one-stage aerationand filtration may be used for renewal of the conventional two-stage aeration and filtrationprocess.
Keywords:groundwater；biological filtering layer；removal of Fe2+；removal ofMn2+
地下水是水资源不可缺少的重要组成部分，近年来，随着经济的高速发展，地表水污染日益严重，地下水资源更受到人们的格外关注。地下水中往往含有过高的铁和锰，严重影响了人们对于地下水的使用，必须找到经济有效的办法来去除水中的铁、锰，以便使地下水更好地为人类服务。
在确立了生物固锰、除锰技术之后，近年来对其机理有了更深入的了解：Fe2+的去除机制是自催化氧化反应，生成的含水氧化铁是铁离子氧化的催化剂；Mn2+的氧化是在以生物固锰为核心的生物群系的作用下进行的，在pH中性条件下只有生物滤层中的微生物数量达到一定程度才能很好地被去除。然而地下水中的Fe2+、Mn2+几乎是同时存在的，那么在生物滤层中的Fe2+、Mn2+氧化去除是否可以同时进行呢?通过一级、一级过滤的除铁、除锰装置试验和生产性试验，探求了在生物滤层中同时去除铁、锰的规律，完善了生物固锰、除锰的理论。
1小型试验
11试验装置
试验装置(见图1)的滤柱材质为有机玻璃，柱高为3000mm，直径为100mm，采用锰砂滤料，垫层厚为300mm，滤层厚为1200mm，滤料粒径为0.6～1.2mm。
12分析项目和检测方法
主要分析项目和检测方法见表1。
| 分析项目 | 检测方法 |
| Fe2+ | 邻菲罗啉分光光度法 |
| 总铁 | 邻菲罗啉分光光度法 |
| Mn2+ | 甲醛肟分光光度法 |
| DO | 溶解氧测定仪 |
| pH | pH计 |
| Ca2+ | EDTA滴定法 |
| Mg2+ | EDTA络合滴定法 |
| SiO2 | 硅钼黄光度法 |
| 浊度 | 浊度仪 |
| 水温 | 温度计 |
| 氨氮 | 纳氏试剂光度法 |
1.3 接种培养
锰砂滤柱经过生物接种和40d以上的培养，逐渐达到了生物除铁、除锰滤层的成熟阶段，系统进入稳定运行期并对铁、锰已经有了较高的去除率。稳定运行期中滤层的生物数量和活性都保持了相对的稳定性，并且具备了一定的缓冲能力。
14原水水质
原水采自长春市双阳区含铁、锰深井水，该区不同地点的地下水中铁、锰含量有较大的变化。水中铁的平均含量为7mg/L，锰的平均含量为0.8mg/L，具体数据见表2。
| 项目 | 检测值 |
| 水温(℃) | 9.00 |
| pH | 6.97 |
| 色度(倍) | ＜0.8 |
| 浊度(NTU) | 40.00 |
| 钙(mg/L) | 40.5 |
| 镁(mg/L) | 7.82 |
| 铁(mg/L) | 7.0 |
| 锰(mg/L) | 0.8 |
| HCO3-(mg/L) | 139.61 |
| DO(mg/L) | 0.9 |
| NH4-N(mg/L) | 0.4 |
| NO2-N(mg/L) | 未检出 |
| NO3-N(mg/L) | 未检出 |
| 阴离子合成洗涤剂(mg/L) | ＜0.1 |
| 硫酸盐(mg/L) | 41.6 |
| Cl-(mg/L) | ＜1.0 |
| 溶解性总固体(mg/L) | 110 |
| 挥发酚(mg/L) | ＜0.002 |
| 总硬度(mg/L) | 76.1 |
试验时在原水中人工添加了Mn2+离子，以检验单级过滤的除锰能力。
1.5 试验结果
将沿滤层深度的滤后水铁、锰浓度和去除率分别点绘到坐标当中，结果如图2和图3。
由图2、3可见，大量Fe2+都是在滤层深度的0～40cm之内去除的，在离表层20cm之内的去除率就达70%，在40cm附近的Fe2+去除率曲线变得较平缓。而Mn2+大部分是在滤层深度的20～80cm之内去除，Mn2+的氧化速率滞后Fe2+的氧化，但绝不是等Fe2+氧化完了才进行Mn2+的氧化，在生物滤层中Fe2+、Mn2+是分别按着自身的机制同时被氧化去除的，既然Fe2+、Mn2+在生物滤层中能同时被去除，那么Fe2+的氧化与Mn2+的氧化、或者Fe2+的氧化与除锰菌的代谢就会有一定的关系，或者干扰，或者互利，或者单向互利，这一点将在后期发表的论文中得到解释。
另外，向成熟的锰砂滤柱中按正常滤速(v=12.6m/h)通入原水，每24h取一次不同高度的滤后水样进行铁、锰等项目的水质分析，其结果见表3。
| 取样口 | 检测项目 | 试验序号 | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| 原水 | 铁(mg/L) | 1.6 | 0.99 | 2.24 | 3.12 | 5.17 | 6.9 | 7.01 | 7.35 | 3.57 | 7.71 | 1.65 | 3.03 |
| 锰(mg/L) | 4.325 | 4.14 | 4.052 | 4.298 | 4.386 | 4.474 | 4.263 | 4.404 | 4.272 | 4.228 | 3.999 | 4.228 | |
| 1＃取样口 (滤层深为20cm) |
铁(mg/L) | 0.38 | 0.22 | 0.4 | 1.13 | 2.29 | 3.19 | 2.69 | 3.65 | 1.47 | 3.05 | 0.48 | 2.18 |
| 去除率(%) | 76 | 78.6 | 89.4 | 64 | 55.7 | 53.7 | 61.7 | 47.9 | 58.8 | 60.4 | 70.7 | 27.9 | |
| 锰(mg/L) | 3.401 | 3.956 | 3.393 | 4.184 | 4.36 | 4.14 | 4.034 | 4.323 | 4.059 | 3.683 | 3.797 | 4.034 | |
| 去除率(%) | 69.7 | 27 | 46 | 36 | 22.5 | 21 | 32 | 41.9 | 30.3 | 53.2 | 40.2 | 30.3 | |
| 2＃取样口 (滤层深为40 cm) |
铁(mg/L） | 0.15 | 0.13 | 0.08 | 0.18 | 0.33 | 0.28 | 0.5 | 0.33 | 0.21 | 0.28 | 0.09 | 0.39 |
| 去除率(%) | 90 | 87.4 | 96.5 | 94.2 | 93.7 | 96 | 98 | 95.2 | 91.8 | 96.7 | 94.3 | 87.1 | |
| 锰(mg/L) | 1.23 | 2.803 | 2.17 | 3.138 | 3.401 | 3.533 | 2.9 | 2.557 | 2.979 | 1.977 | 2.39 | 2.913 | |
| 去除率(%) | 69.7 | 27 | 46 | 36 | 22.5 | 21 | 32 | 41.9 | 30.3 | 53.2 | 40.2 | 30.3 | |
| 3＃取样口 (滤层深为60 cm) |
铁(mg/L) | 0.13 | 0.11 | 0.03 | 0.12 | 0.1 | 0.25 | 0.11 | 0.29 | 0.08 | 0.15 | 0.08 | 0.29 |
| 去除率(%) | 92 | 89.8 | 98.6 | 96.2 | 98 | 96.3 | 98.4 | 95.4 | 96.9 | 97.9 | 94.9 | 90.3 | |
| 锰(mg/L) | 0.183 | 1.625 | 1.001 | 1.133 | 1.924 | 2.302 | 1.669 | 0.386 | 0.764 | 0.456 | 1.274 | 1.599 | |
| 去除率(%) | 95.5 | 73.6 | 75.3 | 73.6 | 56.1 | 48.5 | 60.8 | 91.2 | 82.1 | 89.2 | 68.2 | 61.1 | |
| 4＃取样口 (滤层深为80 cm) |
铁(mg/L) | 0.11 | 0.09 | 0.02 | 0.06 | 0.09 | 0.09 | 0.09 | 0.08 | 0.14 | 0.06 | 0.12 | 0.06 |
| 去除率(%) | 93.5 | 90.7 | 98.7 | 97.1 | 98.2 | 98.7 | 98.6 | 98 | 97.2 | 98.2 | 96.6 | 95.7 | |
| 锰(mg/L) | 0.069 | 0.403 | 0.315 | 0.219 | 0.711 | 1.212 | 0.737 | 0.122 | 0.201 | 0.139 | 0.438 | 0.711 | |
| 去除率(%) | 98.3 | 94.9 | 92.2 | 94.9 | 83.8 | 72.9 | 82.7 | 97.2 | 95.3 | 96.7 | 89 | 82.7 | |
| 5＃取样口(滤层深为100 cm) | 铁(mg/L) | 0.04 | 0.06 | 0.01 | 0.04 | 0.02 | 0.06 | 0.06 | 0.08 | 0.05 | 0.06 | 0.04 | 0.1 |
| 去除率(%) | 98.7 | 92.5 | 98.7 | 98.2 | 98.9 | 99.1 | 98.8 | 98.5 | 98.1 | 98.9 | 97.5 | 96.6 | |
| 锰(mg/L) | 0.06 | 0.069 | 0.06 | 0.078 | 0.183 | 0.394 | 0.166 | 0.104 | 0.162 | 0.016 | 0.087 | 0.219 | |
| 去除率(%) | 98.5 | 98.2 | 98.5 | 98.2 | 95.8 | 91.2 | 96.1 | 97.6 | 96.9 | 99.6 | 97.8 | 94.7 | |
| 6＃取样口(滤层深为120 cm) | 铁(mg/L) | 0.02 | 0.03 | 0 | 0.02 | 0.01 | 0.04 | 0.04 | 0.02 | 0.02 | 0.04 | 0.01 | 0.09 |
| 去除率(%) | 99 | 97.6 | 100 | 99.7 | 99.5 | 100 | 99.1 | 99 | 99.3 | 99.2 | 99.2 | 97 | |
| 锰(mg/L) | 0.02 | 0 | 0.043 | 0.056 | 0.113 | 0.122 | 0.078 | 0.051 | 0.139 | 0.01 | 0.06 | 0.087 | |
| 去除率(%) | 99 | 100 | 98.9 | 98.9 | 97.4 | 97.3 | 99.9 | 99.8 | 97 | 99.8 | 98.5 | 97.9 | |
| 注：试验共进行36 d，取样3 d为一组，进、出水水质采用3d的平均值。 | |||||||||||||
从表3可知，铁的去除率在第2取样口处(滤层深度为40cm)已达到90%以上；而锰则在第4取样口处(滤层深度为80cm)达到80%以上的去除率，到第5取样口处(滤层深度为100cm)才达90%以上；到第6取样口处(滤层深度为120cm)，则铁、锰去除率都达到了95%以上，而且水质稳定。
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