地下水是一種十分寶貴的資源，近年來，我國地下水開採量迅速增加，佔全國城市總用水量的30%左右，美國更甚，地下水開採量約佔主要飲用水量的40%～50%。與地表水相比，地下水作為生活飲用水水源的優點顯而易見，如地下水水質不易受到汙染，比較衛生、可靠、安全，地下水一般水質良好，處理簡單，水處理廠造價低等。但是我國大部分地區的地下飲用水中含有過量的鐵、錳，尤其在北方地區，絕大部分地下水屬於複合型微汙染水源，即地下水中不僅含有鐵、錳，同時還含有氨氮和有機物等。
自1960 年以來，不少學者對地下水除鐵除錳進行了深入研究，相繼研發出了接觸氧化法、接觸氧化除鐵理論、接觸氧化除錳工藝。在20 世紀90年代初時， 中國市政工程東北設計研究院專案組又提出了生物除鐵除錳的新理論。隨著生物固錳除錳技術的確立，生物法去除地下水中鐵錳一直是相關領域的研究熱點，該方法引起了國內外眾多專家學者的興趣，學者們紛紛對此進行研究探討，進一步促進這一技術的全面發展及其在實際工程中的應用。由於地表水滲透等原因造成的地下水汙染，原本只有鐵錳超標的地下水源，有機物、氨氮濃度持續升高，並出現超標現象，形成複合型微汙染地下水。近年來針對這種水源，基於地下水生物除錳理論的曝氣-生物接觸氧化工藝處理複合型微汙染地下水的研究成為新熱點。
1 生物法除鐵除錳的機理
1.1 生物同時除鐵除錳機理
上世紀80 年代初，錳的生物氧化理論在中國市政工程東北設計研究院專案組對微汙染含鐵含錳水的淨化試驗中發現並提出，即在pH 中性的條件下，除鐵除錳濾層中Mn2+的氧化是在錳氧化菌胞外酶的作用下進行的，在生物濾層中Mn2+首先吸附於細菌表面，然後被細菌胞外酶氧化為Mn4+，從而從水中去除掉;而鐵的去除主要是自催化氧化，生成的含水氧化鐵為Fe2+氧化的催化劑。同時，生物濾層還能吸附與網捕進入濾層前已氧化成的Fe3+離子所形成的膠體顆粒，所以，Mn2+、Fe2+離子可以在同一生物濾層中去除，且Fe2+在維持生物濾層的生態穩定上是不可缺少的。
1.2 鐵錳在生物濾層中的氧化還原關係
鐵、錳的物理、化學性質非常相似，在自然界中常常共同參與許多反應，在溶解態與固態之間變化。由化學知識可知，O2 與Fe2+的氧化還原電位差為0.62 V，O2 與Mn2+的氧化還原電位差為0.22 V，即以溶解氧氧化Mn2+的能力是遠遠低於氧化Fe2+的能力。但在實際情況下，Mn2+只能在錳氧化菌胞外酶的作用下才能被溶解氧氧化，在pH 為中性條件下是幾乎不能被溶解氧氧化的，與之相反， 二價鐵離子卻能被溶解氧迅速氧化。除此之外，二價鐵和三價鐵之間標準氧化還原電位為0.2 V，二價錳和四價錳之間的標準氧化還原電位為0.6 V,在Fe3+與Mn4+電位差的驅動下，Fe2+會被濾層中濾砂表面沉積的高價錳氧化物氧化為Fe3+，而高價錳氧化物被還原為Mn2+溶於水中。
1.3 Fe2+在生物濾層中的作用及對除錳的影響
對鐵的研究表明，Fe2+參與了除錳細菌的代謝，對維繫生物濾層中各生物間的平衡起到了非常重要的作用，如果沒有Fe2+的存在，生物濾層是不可能建立起來的。雖然鐵在無菌存在的條件下就可以完成氧化，但在生物濾層中鐵的氧化與細菌繁殖有關，並且Fe2+在維持生物濾層的生態穩定上是不可缺少的'。研究發現，在生物除鐵除錳濾層中，Mn2+的氧化過程會被高濃度Fe2+延緩，從而除錳難度隨之增加。生物濾層中濾層上部是高效除鐵段，Mn2+只有在Fe2+被去除達標的情況下才能被去除，主要原因如下：
(1)高濃度Fe2+能夠破壞生物濾層上部的生物除錳濾層結構;
(2)高價態的錳氧化物被還原並溶出Mn2+促使高效生物除錳段下移。研究發現當原水中Fe2+濃度高於3 mg/L 時，Fe2+足以成為還原高價錳氧化物的電子供體使Mn2+溶出，破壞生物濾層結構，影響生物除錳過程。
2 影響生物除鐵除錳技術的主要因素
2.1 溶解氧濃度的影響
鐵、錳的氧化在生物去除鐵錳濾層中都是在pH中性條件下反應得，如果不要求散失二氧化碳，根據氧化還原反應電子得失，所需溶解氧計算如下：[O2] = a{0.29 [Mn2+] + 0.143 [Fe2+]}式中a 為過剩係數。據以往試驗資料得出，對於18 ℃的含鐵水，鐵的最大濃度值為30 mg/L，飽和溶解氧量為9.17 mg/L，據以上公式可得出過剩係數為a=2.18，且溶解氧過剩係數幾乎不影響生物氧化速率，所以實際工程上a 值取1.5 足夠。假設地下水含鐵含錳濃度分別為15 mg/L 和2 mg/L，則氧化除鐵除錳的需氧量為：
[O2] = 1.5{0.29 [Mn2+] + 0.143 [Fe2+]} = 4.087 5 mg/L我國地下水鐵、錳含量絕大部分都在15 mg/L和2 mg/L 以下，所以對於一般的含鐵含錳地下水，利用簡單的跌水曝氣控制溶解氧濃度在4~5 mg/L之間，就能滿足除鐵除猛的要求。當原水中含有氨氮時應根據如下公式計算：
[O2] = a{4.6 [NH4+-N] + 0.143 [Fe2+] + 0.29 [Mn2+]}需控制溶解氧>7.5 mg/L，否則生物濾層不能培養成熟，出水錳離子濃度也不能達標。溶解氧充足時，鐵錳與氨氮可在同一生物濾層被去除;在溶解氧不足的情況下，生物法將延緩除錳的速度，同時氨氮也不能完全被去除。綜上所述，無論溶解氧是否充足，鐵的去除都要優於錳和氨氮。
2.2 濾層厚度的影響
Hamdy S 等在實驗中觀察了顆粒活性炭濾層厚度對鐵、錳去除的影響，發現濾層的厚度與鐵和錳去除效果成正比，30 cm 厚濾層的處理效果(錳的去除率大於 94%，鐵的去除率大於80%)能滿足飲用水標準。除鐵除錳生物濾池處理效果好壞的重要因素是濾層厚度，而地下水水質是決定濾層厚度的首要因素。實驗結果表明：對於含鐵量較低的地下水，除鐵除錳生物濾層厚度一般為900～1 000mm;對於鐵、錳含量一般的地下水，其生物除鐵除錳濾層厚度適建議為1 000 mm 左右;對於含鐵量較高的地下水，除鐵除錳生物濾層厚度宜為1 000～1300 mm;當原水中含氨氮時, 應適當增加濾層厚度，約為1 500 mm。
2.3 濾料的影響
生物除鐵除錳常用的濾料有無煙煤濾料、錳砂濾料、石英砂濾料。三者的優缺點如表1。通過對比三種濾料的優缺點，除鐵除錳生物濾池的濾層結構可以採用雙層結構，即濾層上部濾料用無煙煤，下部濾料用石英砂。無煙煤濾料用於濾層上部的高效除鐵段，沒有機會附著高價錳，對於下部的除錳層，由於有上部高效除鐵段的保護，使其接觸不到高濃度Fe2+，從而避免了Fe2+對除錳生物濾層的破壞和Mn2+的溶出。Hamidi A 等研究發現，對於pH 為7，錳濃度為1 mg/L 的地下水，用石灰石濾層比砂礫有更好的去除效果。
2.4 反衝洗引數的影響
通過實踐證明，反衝洗引數的確定主要考慮原水的特有性質，進水鐵錳的含量、過濾的速度等因素。反衝洗強度是隨著生物濾池的執行而不斷提高的，與此同時濾池的工作週期減少，反衝洗時間增加。生物濾池培養成熟後，運轉的核心工作是穩定執行，而濾池的穩定執行與過濾週期、濾速、反衝洗歷時及反衝洗強度等引數密切相關。此時，濾料表面較多代謝產物的沉積、濾層在培養初期滯留的鐵泥等都需要提高反衝洗強度來清除，此外，反衝洗強度的增加還有利於加固細菌在濾料表面的附著，增強生物濾層抗水利衝擊的能力。程慶峰等的研究結果表明，在反衝洗週期分別為24、48 和72 h 時，鐵、錳、氨氮的去除效果均低於國家標準，但隨著反衝洗週期的延長，出水濁度不斷增大，穿透濾層的物質也增多。高潔[25]等的研究結果表明，反衝洗引數選擇的原則主要考慮兩方面因素:一是通過保證濾層中微生物的數量來繼續維持生態系統的平衡,從而保證下一工作週期的正常執行;二是衝出濾層濾料間隙中鐵泥等懸浮狀物質,恢復濾層的產水能力及初始水頭。
3 生物法用於複合型微汙染地下水處理的研究進展
複合型微汙染地下水含有鐵錳、有機物和氨氮，能夠對其起氧化作用的細菌各不相同，且這些細菌對營養成分、生長環境也有各自不同的要求和對應的適宜條件。因此，溶解氧、濾速、溫度、生物載體濾料等成為去除效果的重要影響因素。處理複合型微汙染地下水所要達到的目標是實現複合型微汙染地下水中鐵、錳、氨氮、有機物同時去除達標，並且可以達到有生產實用意義的濾速。在此條件下，尋求溶解氧需求規律和需求量、及其與濾層厚度、濾速、溫度的關係，是複合型微汙染地下水處理工藝實現生產化執行的技術依據，也是目前複合型微汙染地下水處理存在的問題。
目前有關複合型微汙染地下水處理技術，主要是基於生物作用的曝氣-生物接觸氧化過濾法。複合型微汙染地下水中各汙染物質的去除主要是化學氧化生物氧化的共同作用，因此需要溶解氧的參與才能實現，且鐵、錳、氨氮、有機物的去除機理不同，使得各汙染物質在濾層中的去除存在空間上的差異和對溶解氧的競爭，而溶解氧的最佳含量需要通過對濾池在不同執行條件下的淨化效果對比確定。國內外研究結果表明，接觸氧化法處理複合型微汙染地下水，水中各類汙染物質的去除順序依次是鐵、氨氮、錳，去除氨氮需消耗大量的溶解氧，因此，只有在氨氮被去除後才開始進行徹底的除錳，有機物的去除則沒有發現規律。張文博的現場中試結果表明，在1.0 m/h～1.5 m/h 濾速下，可實現4 項指標均達到飲用水標準。同時提出，溶解氧的不足是濾速不能提高的控制因素。李豔鳳和閆諝的研究結果表明，錳砂-陶粒-錳砂的濾料組合是適宜的濾池濾料組合方式，可滿足有利於去除難度較大的除錳、氨氮的要求，同時可去除鐵和有機物。並且在試驗條件下，濾速可達6 m/h。
4 結 語
生物法研究發展至今, 經過學者們不斷努力，結合工程實際，已經取得了一些有價值的成果。生物法除鐵除錳較其他方法有許多優點，在生物濾層中鐵錳可同時去除，不需要提供多級構築物，對於鐵錳共存的地下水，通過一級曝氣，一級過濾就能達到同時去除地下水中鐵錳的目的，該工藝具有廣闊的發展前景。但作為一種新技術，在實際工程應用中還有許多方面需進一步完善，如成熟的工藝引數，防止漏錳等問題。目前，對含有鐵、錳、氨氮、有機物共存的複合型微汙染地下水的研究還處於初級階段。當含鐵、錳的地下水中同時有氨氮和有機物存在時，有機物和氨氮的去除主要是通過濾料的吸附、在濾料表面的硝化自養菌和異樣菌的吸收、代謝、排出，同時鐵、錳自身也會受到有機物中羥基影響形成難降解的絡合物，從而增加了處理複合型微汙染地下水的難度，一般的地下水處理工藝難以達到淨化效果，因此提出新的去除工藝值得關注和研究。以上問題有待深入研究與探討，結合工程實踐逐漸完善和解決，使該工藝更好地服務於我國供水事業。