地下水是人类生存空间的重要组成部分，从古至今为人类提供了大量优良的淡水资源。目前，全国近400个城市开采了地下水作为城市的供水水源，工业和生活用水绝大部分取自地下水。然而，地下水在地下径流的过程中，由于物理作用、化学作用以及生物作用溶解了不同浓度的Fe2+、Mn2+以及其他物质，破坏了地下水的优良品质，因而产生的异味、色度都使人难以忍受，甚至会危害人身健康，影响着工农业生产。另有调查显示，随着水源微污染情况的日益突出，地下水中铁、锰的含量有也逐年增加的趋势，并且地下水中铁锰含量超标现象在其它国家和地区也很普遍。
地下水除铁除锰的技术先后经历了自然氧化法、接触氧化法、生物法3个阶段。现普遍采用铁质活性滤膜接触氧化除铁和锰质活性滤膜接触氧化除锰工艺。波涛采用锰质活性滤膜接触氧化，研究了单层滤料和不均匀双层滤料滤柱进出水铁锰浓度变化，以考察单层滤料及不均匀双层滤料对滤柱除铁除锰成熟期的影响。
1、实验部分
1.1 实验装置
实验装置见图1。原水接自原水厂工艺曝气塔进水总管（DN400），利用管道中原有压力作为作用水头，通过进水总阀控制进水流量。原水经过莲蓬头曝气并按一定比例加（1+5）H2SO4，跌入地位水箱，通过潜水泵（扬程16m，流量1.5m3，功率370W ）抽送一部分水循环曝气，另一部分上送至高位水箱。
本试验设置2个过滤柱，编号为1#、2#，滤柱内径为90mm，高3.0m，皆由有机玻璃制作。1#为锰砂滤柱，滤料粒径0.6-1.8mm，滤料不均匀系数为2.72，滤层厚度均为1500mm；2#为不均匀双层滤料滤柱，上层为石英砂滤料，滤料粒径0.6-0.8mm，滤料不均匀系数为1.3，滤层厚度为750mm，下层为锰砂滤料，滤料粒径0.6-1.8mm，滤料不均匀系数为2.72，滤层厚度均为750mm。
试验采用恒速过滤方式运行。滤后水进入浮球阀水箱，通过调节苗嘴高度控制出水流量，进而控制滤柱滤速，滤速5m·h-1，滤后水用清水箱收集，反洗用潜水泵（扬程20m，流量3m3，功率550W）置入清水水箱，根据运行情况观察测压管水位（一般水头损失达到2m时），定期启动反洗，反洗水为滤后水，反洗强度通过调节闸阀控制使滤层膨胀率为10%-15%为宜。
试验所用天然锰砂为马山锰砂，含MnO2量为30%。
1.2 实验条件
实验在某水厂进行，水厂以地下水为水源，水源的总铁、二价铁、二价锰、NH3-N、碱度、硬度、含盐量分别为（14-16）、（13-15）、（0.9-1.9）、（1.6-2.0）、187、116、239mg·L-1，水温为7-9℃，pH值为6.6-6.8。可见，原水为高含铁高含锰地下水，并含有较高浓度的氨氮。经计算除铁除锰除氨氮所需溶解氧为9.1mg·L-1。
为了使水充分曝气，又不使水的pH值过高，采用向源水加酸的方法将曝气后水的pH值控制在6.8-6.9。试验用水（原水）的总铁、二价铁、二价锰、NH3-N、溶解氧分别为（13-15）、（10.7-14.4）、（0.86-1.89）、（1.6-2.0）、＞9mg·L-1，pH值为6.7-7.0。
1.3 分析方法及仪器
试验过程中，定期由高位水箱及各滤管出水处取水样，测定水样的总铁、二价铁、二价锰、NH3-N、pH值、溶解氧等水质项目。上述水质项目检测方法见表1。
表1 检测项目与检测方法
| 项目 | 方法 | 仪器 |
| 总铁 | 二氮杂菲分光光度法 | 消解仪、分光光度计 |
| 亚铁 | 二氮杂菲分光光度法 | 分光光度计 |
| 锰 | 过硫酸铵分光光度法 | 电磁炉 |
| pH值 | — | pH计 |
| 溶解氧 | 碘量法 | — |
2、结果与讨论
2.1 单层填料及不均匀双层滤料对除锰效果的影响
图2、3分别为锰砂滤柱及不均匀双层滤料滤柱（上层为石英砂滤料，下层为锰砂滤料）对除锰效果的影响。
由图2可以看出，锰砂滤柱在运行15d后，出水锰达标且比较稳定；由图3可以看到，填料上层为k=1.3的石英砂、下层为k=2.72的锰砂的滤柱对锰有一定去除效果，且一直在波动。锰砂滤柱在除锰成熟期前是依靠吸附除锰，后期锰砂表面生成锰质活性滤膜开始接触氧化除锰，所以锰砂在开始运行不久出水就可以达到0.1mg·L-1以下。这时可以看到，滤柱上部为黄褐色的除铁带，下部为黑褐色的除锰带。填料上层为k=1.3的石英砂、下层为k=2.72的锰砂的滤柱在运行时，在石英砂表面未生成铁质活性滤膜时也是依靠锰砂吸附除铁，锰砂量少，锰砂吸附量相对比较小，致使滤柱在除锰成熟期到来之前就吸附饱和了，所以除锰成熟期延长。这时可以看到滤柱上部为黄褐色除铁带，下部为黑褐色除锰带，但是除锰带被压缩了。
2.2 单层填料及不均匀双层滤料对铁效果的影响
图4、5分别为锰砂滤柱及不均匀双层滤料滤柱（上层为石英砂滤料，下层为锰砂滤料）对除铁效果的影响。
由图4可以看出，锰砂滤柱在运行前期10d对铁的去除效果就有了明显的下降趋势，后有波动；由图5可以看出，填料上层为k=1.3的石英砂、下层为k=2.72的锰砂的滤柱对铁的去除有显著效果，在运行一周后出水铁就达标了，比较稳定，偶尔有波动。
3、结论
（1）单层天然锰砂和双层不均匀滤料滤柱在除铁效能上没有显著区别，两种滤料在试验条件下经7-10日即可成熟，出水总铁可降至0.3mg·L-1以下。
（2）天然锰砂对二价锰有很高的吸附容量，可使吸附除锰一直进行到滤层锰质活性滤膜生成，滤层成熟，开始进行接触氧化除锰，从而使滤柱从投产开始很快就能获得达标的除锰水，出水锰可降至0.1mgL-1以下。
（3）上层石英砂下层锰砂的滤柱除锰效果没有单层锰砂滤柱好。因为石英砂表面光滑挂膜困难，又没有吸附能力，前期要依靠锰砂吸附除铁除锰，锰砂量相对单层锰砂滤料来说量比较少，所以吸附量也小，在锰质活性滤膜生成前达到吸附饱和，滤柱除锰成熟期要比锰砂长。
