地下水品质遭受破坏而产生的异味、着色都使人难以忍受，甚至影响工业生产和危害人类健康，所以，地下水除铁除锰技术是水质工程界一个长期的科研课题。本书总结了作者20年来关于生物固锰除锰机理与工程技术的研究成果和工程实践，从生物固锰除锰理论的确立，直至地下水生物除铁除锰水厂设计与运行管理的成套技术的提出，展现了地下水除铁除锰的现代观。

本书总结了作者20年来关于生物固锰除锰机理与工程技术的研究成果和工程实践。从生物固锰除锰理论的确立，直至地下水生物除铁除锰水厂设计与运行管理的成套技术的提出，展现了地下水除铁除锰的现代观。  本书共分8章。第1章绪论，介绍地下水中铁、锰来源与变迁，含铁、锰地下水的特性及对生活与生产的危害。第2章和第3章概要介绍了地下水传统除铁除锰理论与技术。第4章总结了近年来国内外对空气氧化除锰的探索。第5章至第7章阐明生物固锰除锰机理、生物除铁除锰技术的创建及铁、锰氧化细菌的微生物学研究。第8章介绍作者主持下的以生物除铁除锰技术建立的水厂实例。

第l章绪 论……………………………………………………………… 1

 1．1我国地下水资源与利用状况………………………………………1

1．1．1我国的水资源……………………………………………… 1

1．1．2地下水资源的分布与开发一……………………………… 1

 1．2地下水的物理、化学特性…………………………………………3

 1．2．1地下水的物理性质…………………………………………… 4

 1．2．2地下水的化学性质…………………………………………… 4

 1．2．3地下水环境背景值的形成…………………………………… 5

1．3地下水污染………………………………………………………… 6

 1．3．1地下水污染的含义…………………………………………… 6

 1．3．2地下水污染源及途径………………………………………… 7

 1．3．3地下水污染状况……………………………………………… 7

 1．3．4地下水污染的特点…………………………………………… 8

 1．3．5地下水系统中污染物的迁移、转化与自净………………… 8

 1．4含铁、锰地下水的特性………………………………………… 10

1．4．1 自然界中铁、锰的存在及性质……………………… 10

1．4．2铁、锰离子的水化学效应…………………………………11

1．4．3微生物与铁、锰元素的循环………………………………12

1．4．4 地下水中铁、锰的来源…………………………………14

1．4．5含铁、锰地下水的分布……………………………………16

 1．5铁、锰与人类健康和工业生产………………………………… 17

 1．5．1铁的生理功能…………………………………………………17

 1．5．2锰的生理功能…………………………………………………20

 1．5．3含铁、锰水对生活和工业生产的危害………………………22

 1．5．4生活饮用水与工业用水中铁、锰的浓度标准………………24

 1．6地下水除铁除锰技术发展历程和趋势………………………… 25

1．6．1地下水除铁技术发展历程…………………………………25

1．6．2地下水除锰技术发展历程…………………………………26

1．6．3国外除铁除锰技术的发展…………………………………27

1．6．4除铁除锰技术的发展趋势…………………………………27

第2章传统地下水除铁技术…………………………………………… 29

2．1空气氧化除铁法……………………………………………………29

2．1．1空气氧化除铁法的基本流程………………………………29

2．1．2 Fe。’的空气氧化速度……………………………… …30

2．1．3 Fe。’氧化产物——氢氧化铁的性状………………… 34

2．1．4空气氧化除铁流程的设计特点 …………………………37

 2．2氯氧化除铁法…………………………………………………… 38

2．2．1氯对Fe“的氧化……………………………………………38

2．2．2投氯量的确定………………………………………………40

2．2．3氯氧化除铁法的工艺流程…………………………………41

 2．3接触氧化除铁法………………………………………………… 44

2．3．1接触氧化除铁的基本概念…………………………………44

2．3．2接触氧化除铁法的基本流程与特点………………………45

2．3．3接触氧化除铁触媒…………………………………………47

2．3．4 Fe00H的结构形态…………………………………………52

2．3．5接触氧化除铁的机制………………………………………62

2．3．6接触氧化除铁工艺的设计与运行要点……………………64

2．3．7接触过滤法在除铁工艺技术中的位置……………………70

第3章传统地下水除锰技术………………………………………………72

 3．1氯接触氧化过滤除锰…………………………………………… 73

3．1．1锰的氧化去除机制…………………………………………73

3．1．2确定投氯量的模型实验……………………………………73

3．1．3高NW—N含铁、锰地下水投氯量实验…………………… 76

3．1．4氯接触氧化过滤除锰生产装置在运行中应注意的问题…78

3．1．5锰氧化触媒的形态…………………………………………79

3．1．6氯接触氧化过滤除锰的评价………………………………80

 3．2碱化除锰………………………………………………………… 81

 3．3光化学氧化除锰………………………………………………… 82

 3．4 KMn0。氧化除锰…………………………………………………85

 3．5除铁与除锰流程组合…………………………··…………… 85

 3．6除铁除锰与氧化还原电位……………………………………… 87

3．6．1氧化还原电位(0RP) …………………………………… 87

3．6．2与除铁除锰相关的氧化还原系 …………………………88

第4章空气接触氧化除锰工艺的探求……………………………………94

4．1空氧接触氧化除锰(高井雄的研究成果)…………………………94

 4．1．1实验装置和方法………………………………………………94

 4．1．2实验结果………………………………………………………94

 4．1．3除锰机理的探求………………………………………………97

 4．1．4小结……………………………………………………………98

4．2锰质活性滤膜理论(哈尔滨工业大学李圭白先生研究成果) …99

 4．2．1哈尔滨平房区除铁设备………………………………………99

 4．2．2 “锰质滤膜”理论…………………………………………101

4．3除铁除锰工艺的探索和工程实践(中国市政工程东北设计研究院的研究成果) 103

 4．3．1沈阳市李官卜水源微污染地下水深度处理实验……………103

 4．3．2鞍山大赵台水厂除铁除锰实验………………………………107

4．4地下水除铁除锰现代观……………………………………………107

第5章生物固锰除锰技术的理论研究……………………………………108

 5．1 除锰滤池中生物量与Mn。’的氧化去除效率的研究……… 108

 5．1．1模拟滤柱过滤实验……………………………………………108

 5．1．2生产性实验……………………………………………………110

 5．1．3实验室的培养基实验…………………………………………110

 5．1．4分析与讨论……………………………………………………11l

 5．2滤层生物活性来源的验证实验………………………………… 114

 5．2．1实验材料与方法………………………………………………114

 5．2．2结果与讨论……………………………………………………115

 5．3生物滤层滤料的活性分析……………………………………… 117

 5．3．1实验材料………………………………………………………117

 5．3．2实验方法………………………………………………………117

 5．3．3结果和讨论……………………………………………………118

 5．4铁、锰在同一生物滤层中去除的实验研究…………………… 119

5．4．1鞍山大赵台水厂滤柱实验…………………………………120

5．4．2抚顺开发区除铁除锰水厂生产运行实验…………………124

5．4．3长春市双阳区水厂成熟滤柱实验…………………………125

 5．5生物滤层铁、锰同时去除的规律探讨………………………… 126

 5．5．1实验材料与方法………………………………………………126

 5．5．2结果与分析……………………………………………………127

 5．6滤层中Fe¨、Mn。’离子氧化还原的动态研究……………… 129

5．6．1无Fe。’含锰地下水成熟生物滤层过滤实验……………129

5．6．2无Fe。’水的生物滤层培养实验…………………………130

5．6．3自然地下水培养实验………………………………………132

 5．7生物滤层与无菌滤层的除铁差异实验研究…………………… 133

5．7．1生物滤层与无菌滤层的除铁效果实验……………………133

5．7．2铁的生物氧化和非生物氧化所产生的铁泥的性状………134

 5．8生物固锰除锰理论的确立……………………………………… 136

第6章生物除铁除锰工艺的微生物学研究 ……………………………137

 6．1 自然界的铁、锰氧化、还原细菌…………………………… 137

 6．2 自然界中的铁、锰氧化和还原……………………………… 137

 6．3铁、锰氧化还原细菌的分类…………………………………… 139

 6．4铁、锰氧化还原细菌的生理学………………………………… 145

6．4．1代表性的铁、锰氧化细菌(属) …………………………145

6．4．2从水厂分离到的铁、锰氧化细菌…………………………146

 6．5细菌氧化铁、锰的机理………………………………………… 150

6．5．1生物氧化的类型……………………………………………150

6．5．2细菌氧化Fe。’的机理……………………………………151

6．5．3细菌氧化Mn。’的机理……………………………………152

 6．6铁、锰氧化细菌的酶学研究…………………………………… 153

6．6．1细菌的生物催化剂——酶…………………………………153

6．6．2铁、锰氧化还原酶(系) …………………………………155

 6．7生物除铁除锰滤池……………………………………………… 156

6．7．1滤料缝隙中的铁泥及其作用………………………………157

6．7．2滤料上的生物膜及其特点…………………………………157

6．7．3滤层中生物量及其分布规律………………………………161

6．7．4滤层中生物活性的变化规律………………………………164

6·7·5滤层内的菌群形态…………………………………………166

6·7．6铁、锰离子对亚硝化和硝化反应的不同效应……………167

 6．8生物滤层中锰去除反应动力学研究…………………………… 169

6．8．1生物除铁除锰动力学基础…………………………………160

6．8．2滤层内锰去除反应动力学分析……………………………170

6．8．3滤层内锰去除反应动力学模型假设………………………171

6．8．4实验验证……………………………………………………172

 6．9微生物固定化技术……………………………………………… 175

 6．9．1微生物固定化过程……………………………………………175

 6．9．2影响微生物固定的重要因素…………………………………177

 6．9．3生物f涂铁除锰滤池中的微生物固定技术………………… 177

第7章生物固锰除锰理论工程应用技术研究……………………………179

7．1曝气溶氧的实验研究………………………………………………179

 7．1．1生物氧化除铁、除锰的需氧量………………………………179

 7·1·2生物除铁除锰滤层需氧量的测定……………………………180

 7．1．3曝气装置………………………………………………………182

 7．1．4工程应用………………………………………………………185

7·2生物除铁除锰滤池不同过滤方式的实验研究…………………… 185

 7·2-1实验材料……………………………………………………… 186

 7·2·2实验方法与结果………………………………………………186

7·3生物滤层结构………………………………………………………188

 7·3·1均质滤料和级配滤料…………………………………………188

 7·3．2不同材质滤料生物滤层除铁除锰效能比较…………………190

 7．3．3软质滤料………………………………………………………191

 7．3．4天然轻质页岩…………………………………………………192

 7．3．5双层滤料………………………………………………………193

7．4除铁、除锰生物滤层的建立………………………………………194

 7．4．1贫营养微生物的生态特性……………………………………194

 7．4．2细菌的选择和接种……………………………………………195

 7．4．3培养过程的调控………………………………………………195

 7．4．4其他参数的调控………………………………………………197

 7．4．5生物除铁除锰滤层培养范例…………………………………198

 7．4．6建立生物除铁除锰滤层的总结………………………………201

7．5生物除铁除锰水厂的设计与运行…………………………………202

 7．5．1含铁含锰地下水供水系统的总体布局………………………202

 7．5．2生物除铁除锰水厂标准流程…………………………………202

 7．5．3单体构筑物设计参数…………………………………………203

7．5．4生物除铁除锰水厂的维护和管理…………………………206

 7．6生物除铁除锰工艺与锰质滤膜接触氧化除锰工艺的比较…… 206

 7．6．1工艺流程的比较………………………………………………206

 7．6．2铁、锰氧化机制的比较………………………………………207

 7．6．3去除效果的比较………………………………………………207

 7．6．4对微污染地下水的适应性……………………………………208

 7．6．5经济性…………………………………………………………208

第8章生物固锰除锰机理在工程中的应用………………………………209

 8．1沈阳经济开发区生物除铁除锰水厂的设计…………………… 209

 8．1．1供水水源与原水水质…………………………………………209

 8．1．2生物除铁除锰水厂的工艺设计………………………………209

 8．1．3生物除铁除锰滤池的接种培养与成熟………………………213

 8．1．4生物除铁除锰滤池的正常运行………………………………214

 8．1．5讨论……………………………………………………………215

 8．1．6结论……………………………………………………………216

8．2兰西镇生物除铁除锰水厂……………·…………………………216

 8．2．1水厂设计规模与供水水源……………………………………216

 8．2．2取水形式与净水厂位置………………………………………217

 8．2．3除铁除锰工艺方案的选择……………………………………217

 8．2．4净水厂设计……………………………………………………218

 8．2．5滤池接种、培养与运行………………………………………221

 8．2．6讨论与分析……………………………………………………222

8．3佳木斯江北大型地下水生物除铁除锰工程………………………223

 8．3．1城市概况………………………………………………………223

 8．3．2水源的选择……………………………………………………223

 8．3．3净水厂设计……………………………………………………225

8．4东丰县第二水厂……………………………………………………228

 8．4．1东丰县城市与水资源概况……………………………………228

 8．4．2第二水厂扩建工程……………………………………………228

8．5生物除铁除锰技术工程应用的总结………………………………231

 8．5．1原水水质与滤池的成熟期……………………………………23l

 8．5．2净化工艺流程…………………………………………………233

8．6生物除铁除锰技术展望……………………………………………234

主题词索引……………………………………………………………… 235

主要参考文献…………………………………………………………… 239

第25、26、27页

  1．6地下水除铁除锰技术发展历程和趋势

鉴于地下水中铁、锰的普遍存在及其危害，早在建国初期我国就确立了“地下水除铁除锰”这一具有重要社会及经济意义的课题。纵观历史，地下水除铁除锰技术的理论和应用经历了不同的发展阶段：从早期的空气直接氧化除铁的尝试、氯氧化除铁的发展到接触氧化除铁的成功；从单纯除铁滤池的建立到综合除铁除锰工艺的探索；从传统杨理化学方法除铁除锰的应用到生物固锰除锰技术的确立，无不标志着国人在这一领域不断进行的探索和取得的成果。其中生物固锰除锰技术的确立，展现了地下水除铁除锰的现代观，引起了国内外众多专家学者的兴趣。学者们纷纷对此进行的研究和探讨，更进一步推动了这一技术的全面发展和在工程实践上的应用推广。1．6．1地下水除铁技术发展历程

我国最早的地下水除铁系统始建于1936年，在黑龙江省佳木斯市和齐齐哈尔市同时建成，处理规模为2000m’／d，采用的是空气氧化除铁法。这一系统是由日本人在当时的历史背景下建造的，因此还不能算是我国除铁技术的开始。建国初期，国民经济空前发展，为适应工农业生产和人民生活的需要，我国从前苏联和东欧引进了地下水除铁技术，也采用空气氧化除铁工艺。其工艺流程一般由曝气、氧化反应、沉淀和过滤组成。空气氧化除铁工艺流程复杂，构筑物多，占地面积大，不能保证稳定的除铁效果。由此可以看出，我国的除铁技术开始于20世纪50年代，而且由于缺乏经验，引进的方法、技术在当时并不先进。

真正意义的我国自行研发的除铁技术始于60年代。针对空气自然氧化法存在的问题，60年代初李圭白先生提出“铁质滤膜”自催化理论，并将其应用于工程实践，研制开发了“天然锰砂接触氧化除铁工艺”，这是将催化技术用于地下水除铁的一种新工艺。这种工艺不需设置反应沉淀装置，使处理系统大为简化，而且适应性很强，许多应用自然氧化除铁工艺效果不好的设备，改用接触氧化除铁后，都获得了良好效果。因此在生产中得到迅速推广和应用。迄今，我国多数地下水除铁设备，均采用了天然锰砂接触氧化除铁工艺。接触氧化除铁工艺过程如下：含铁水经简单曝气后直接进入滤池，在滤料表面催化剂的作用下，Fe。’迅速氧化为Fe¨的氢氧化物，并截留于滤层中，从而一次完成了全部除铁过程。

在大力推广天然锰砂接触氧化除铁的工艺过程中，相关的一些理论和技术都获得了长足的发展和进步。如在曝气方式上，马广生首次将射流泵用于地下水除铁的曝气工艺中，从而代替了空压机曝气(1968年)。在铁泥回收利用方面，马广生与汤鸿霄先生合作研制出利用除铁水厂排出的铁泥焙烧制造氧化铁红和红土粉的生产工艺。在滤料选择方面，黄毅轩首次应用石英砂、无烟煤双层滤料代替锰砂滤料(1976年)；李圭白先生的实验，研究成功了人造锈砂除铁(1975年)。在理论研究方面，1980～1981年李圭白先生所领导的研究人员对接触氧化除铁滤料的选择、“铁质活性滤膜”的结构、组成、特性、形成过程及附着机理进行了详细的研究，并推导了接触氧化除铁中铁质转移的数学模式；其后，徐廷章、黄毅轩、王志石对亚铁氧化的理论和规律也进行了研究，取得了更为深刻的认识；在影响因素方面，蔡同辛、黄宇萍对溶解性二氧化硅含量高的水进行研究并取得了进展；1984年刘灿生等人对接触氧化除铁滤料“成熟”的影响因素进行了实验研究。

随着接触氧化除铁工艺及理论的发展和成熟，80年代以来，国内兴办起一批给水设备厂，生产出多种形式的地下水除铁定型设备，为中小型地下水除铁技术的迅速推广提供了有利条件。除接触氧化除铁工艺及理论外，1980—1986年期间，国内各地纷纷对充氧回灌地层除铁技术进行了大量的实验研究工作，对充氧回灌的形式、组成、抽灌比、地层成熟期、地层堵塞的可能性、回灌水质以及曝气充氧方法和气水分离措施等都进行了详细的生产性实验研究。

综上所述，我国除铁技术虽然起步较晚，但以李圭白先生为代表的众多学者、工程技术人员及各地市政设计院、自来水公司在长期实验和实践的基础上，提出了自己的地下水除铁理论，发展了我国的地下水除铁技术，成功地指导了工程实践。1．6．2地下水除锰技术发展历程

地下水中铁、锰虽然常常相伴而生，但由于锰难以被空气直接氧化，经常以离子状态存在于水中，因此人们对锰的危害认识得比较晚。只是在铁去除以后，仍有黑水现象发生时才意识到锰的危害。因此与除铁技术相比，除锰技术的研究起步较晚。另外由于锰的氧化还原电位高于铁，在pH值9．5以下时，即使溶解氧充足Mn¨也难以被直接氧化去除，因此除锰难、锰难除一直是困扰工程界的难题，也是地下水除铁除锰技术所要解决的焦点问题。

我国最早具有除锰效果的水厂是1958年在哈尔滨伟建机械厂建成的一座地下水除铁除锰水厂。其工艺采用曝气架曝气、反应沉淀、石英砂过滤的三级处理流程。原水含铁1．32mg／L，含锰1．26mg~／L，pH值为7．0～7．1。滤池长期运行后，石英砂颜色变黑，不仅除铁效果良好，水中的锰也被去除了。在采用接触氧化除铁工艺的其他个别水厂，人们也发现滤池中不投加强氧化剂，原水中的锰也能被除掉一些。对于上述现象，日本学者高井雄认为其接触催化剂是羟基氧化铁。1973年李圭白先生与范懋功合作对伟建机械厂的除铁除锰水厂的除锰原理及工艺进行了实验研究，指出这种“黑砂”是被一层具有自催化作用的锰质化合物所包裹。

尽管对于接触氧化除铁工艺过程中部分锰的去除机理众说纷纭，但都不能很好地指导工程实践，所以地下水除锰技术发展比较缓慢。在这期间黄振鑫发现了四种优质的天然锰砂具有良好的除锰效果(1975年)。1978年“地下水除锰技术”被列为国家重点科研项目，由李圭白先生负责主持，中国市政工程东北设计研究院参加。课题组历时三年半的时问最后完整、系统地提出了地下水接触氧化除锰工艺以及不同水质条件下的除锰流程。尽管如此，在实际应用中锰的去除效果仍然经常呈现不稳定状态，长期以来，许多以含铁含锰地下水为水源的水厂实际上只能除铁不能除锰。可见接触氧化除铁工艺中部分锰的去除机理是值得深入研究和探索的。

1986年笔者所在的中国市政工程东北设计研究院在沈阳李官卜微污染含铁含锰地下水净化实验中，发现滤层中有较多的微生物存在，出水铁、锰合格，并且对c0D和NH。也有较高的去除率，据此提出地下水中铁、锰的生物氧化机制。1987年该院在鞍山大赵台水厂进行了“除铁除锰实验研究”。采用跌水曝气+一级锰砂过滤的简单流程，使地下水中铁、锰得以深度去除。同时进行了室内机理实验研究，指出滤砂表面的活性滤膜不是单纯的无机铁、锰氧化物，而是有微生物代谢的生物活性滤膜。提出了“地下水中锰的去除是滤池中客观存在的生物、化学、物理等综合作用的结果”。即细菌的存在与否，与滤池的除锰能力有密切的关系。针对这一发现，1992年笔者主持承担了建设部“八五”科技攻关项目，以“生物固锰除锰技术”(85-()5_I)2)为题进行科研实验，并最终确认了生物固锰除锰机制，提出了生物固锰除锰理论。该理论揭示了在pH中性域条件下地下水的除锰机制。明确指出在除铁除锰生物滤层中Mn。’的氧化，是以Mn。’氧化菌为主的生物氧化作用。在这一生物滤层中，Mn。’首先吸附于细菌表面，然后在细菌表面的酶催化作用下完成了由Mn。’—，Mn。’的转变，从而实现了Mn。’从水中的去除。在实验室试验研究中还探讨了Fe¨．Fe¨的氧化还原对除锰菌氧化活性的影响，初步指出某些锰氧化细菌的氧化活性依赖于铁离子的存在，铁离子的存在对除锰菌的锰氧化活性有激活作用。这一阶段性研究，改变了过去传统的除铁、除锰两级过滤的设计思想，建议除铁除锰水厂采用一级曝气+一级过滤的流程，并战功地调试了抚顺开发区除铁除锰水厂。同时在过滤的滤速上突破了设计规范规定的除锰滤池滤速为5Ⅱ∥h的限制，在生产实验中滤速最高可达19m／h。结合理论研究的阶段性成果，我们在实际的工程上已多次采用锰砂一级过滤除铁除锰的设计，如较早的辽河油田水源工程、抚顺开发区给水工程等。1996年6月该研究成果通过了验收和鉴定，以李圭白院士为主席的鉴定委员会指出“生物固锰除锰技术”的研究成果是对传统化学自催化氧化除锰机理的突破，居国际领先水平。该理论的确立掀起了地下水除铁除锰技术的变革，为地下水除铁除锰技术注入了新鲜的血液。

1999年我们得到了吉林省科技厅的全力支持，继续进行“生物除铁除锰成套技术研究”，解决了生物除铁除锰工艺的生产性问题，并确定了生物除铁除锰水厂成套技术，将生物除锰机制与生产实际结合起来，使理论研究真正地转化成生产力。目前已有多座生物除铁除锰水厂建成投产并稳定运行。如伊春市除铁除锰水厂(1999年)，浩良河化肥厂除铁除锰水厂(1999年)，沈阳市张士开发区除铁除锰水厂(2000年)，黑龙江省兰西除铁除锰水厂(2003年)等。至此我们全面揭示了生物固锰和生物滤层除铁除锰的机理，研制了生物除铁除锰成套技术，建立了生物除铁除锰的示范水厂，赢得了完全自主的知识产权。使我国在该技术领域的基础研究工作和工程实践跃居到国际领先地位。  生物氧化机理的提出摒弃一直以来所固守的观念，犹如“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”使除锰的研究豁然开朗。新技术的运用扩大了地下水除铁除锰技术应用的广度和深度，同时降低了工程投资和运行管理费用。成为由理论基础研究到工程应用技术转变的又一成功典范。

地下水澄清透明，清凉可口，不但是工业生产的可靠水源，更是人们首选的优质饮用水。从古至今一直是人类居住区的重要水源。我国年供水量中地下水约占1／3，随着工业生产和城市化进程的加快，人类对于地下水的依赖程度还会不断地加大。然而，某些地区地下水在地下径流的过程中溶解了Fe“、Mn“离子，破坏了地下水的优良品质，因此而产生的异味、着色都使人难以忍受，甚至影响工业生产和危害人类健康。所以，地下水除铁除锰技术是水质工程界一个长期的科研课题。

19世纪末，人们就发现含铁地下水经曝气后能将铁去除。一百多年来，尤其是近30年来，除铁机理和工程应用技术都得到了长足的发展，以接触氧化除铁为代表的多种除铁工艺在生产实际中得到了广泛应用。然而，地下水中Mnn离子的存在和危害却迟后到20世纪50年代才被学者所关注。除锰难的问题一直困扰着世界各国的水质工程师长达半个多世纪。这期间，几乎所有的研究都围绕强氧化剂氧化、碱化氧化、催化氧化等化学氧化机制，然而却得不到实用的技术和满意的除锰效果。

1985年，中国市政工程东北设计研究院在沈阳市微污染地下水的净化实验中发现滤池中的铁细菌很发达，该滤池对Fe“、Mnn离子都有良好的去除效果。因此，推测Mn。’的去除与滤层内的生物氧化有关。此后，课题组经过10年的不懈努力，明晰了铁、锰在该滤层的去除机制，并于1996年在专业期刊——《给水排水》上发表了《生物固锰除锰技术的确立》等多篇论文，提出了生物固锰除锰机理及其工程应用技术。在该理论与技术的指导下，近年来我们成功地设计和运行了沈阳市经济开发区生物除铁除锰水厂(12×10。m。／d)，佳木斯生物除铁除锰水厂(20×10。m。／d)、黑龙江省兰西镇生物除铁除锰水厂(1．5×10。m。／d)等多座示范工程。实际生产滤池出水中Mn。’的含量为0．05mg／。L，优于我国饮用水水质标准(0．1mg,／L)，同时对铁的去除比传统的接触氧化法更为有效。至此，从理论到实践彻底解决了地下水除锰的难题并在该领域占据了国际领先地位(“八五”攻关课题“生物固锰除锰技术”鉴定会结论)。

为将这一有完全自主知识产权的原创性研究成果和工程应用技术系统地介绍给从事给水排水、水资源及其相关专业的广大读者。特撰写一本专著《生物固锰除锰机理与工程技术》，全书共分8章。第l章绪论，介绍地下水中铁、锰来源与变迁，含铁、锰地下水的特性及对生活与生产的危害。第2章和第3章重点地总结了传统除铁除锰理论与技术。第4章总结了近年来国内外对空气氧化除锰的探索，其中包括哈尔滨工业大学李圭白先生和中国市政工程东北设计研究院卓有成效的工作。第5章阐明生物固锰除锰机理和生物除铁除锰技术的创建。以翔实的自然地下水除铁除锰试验数据和众多实际工程的生产实践，明确了在空气接触氧化滤层中，Mn。’的氧化是生物氧化。所谓除锰滤层的成熟是在滤料表面和滤层中，以铁、锰氧化细菌为主的微生物群系增殖并达到平衡的过程。：Mn。’氧化的催化剂不是铁的氧化物(1一FeOOH)，也不是锰的氧化物(MnO：·mH：O和Mn，0。)等化学接触触媒，而是铁、锰氧化细菌的胞外酶。锰首先黏附在细胞表面，然后在胞外酶的催化下氧化成Mn。’并截留于滤层中。此前，国内外采用空气接触氧化除铁工艺的除铁除锰水厂之所以只能使滤后水总铁达到饮用水标准而对锰的去除几乎没有效果或效果不大，其根本原因就是误认为锰的氧化与铁的接触氧化一样是化学接触氧化，追求DO和pH等工艺条件，以促成除锰滤层的成熟，而没有进行滤层的生物接种和培养来促进生物滤层的成熟。在明确了除锰机理是生物固锰除锰机制后，空气接触氧化除锰的难题就迎刃而解了。第6章介绍铁、锰氧化细菌的分离，除锰菌的活性定位和习性。第7章详尽地介绍了生物除铁除锰工艺成套技术和以弱曝气生物滤池为主体的生物除铁除锰水厂的设计运行方案与参数。第8章介绍沈阳、佳木斯、兰西、东丰生物除铁除锰水厂的示范工程。生产运行的实绩表明，以生物固锰除锰理论指导的生物除铁除锰工程技术具有优异的除铁除锰能力，一改除铁除锰水厂只能除铁不能除锰的困状，并以工程经济技术分析的手法评价生物除铁除锰流程较传统工艺流程节省基建费用30％，运行费用20％。

本书是中国市政工程东北设计研究院、东北各地除铁除锰水厂、哈尔滨工业大学、北京工业大学等单位产、学、研相结合的结果。是以张杰院士为首的“生物固锰除锰机理与工程技术研究”项目组多年成果的结晶。

本书第1章由李冬、高洁撰写，第2至第4章由张杰、李冬、高洁撰写，第5章由李冬、张杰撰写，第6章由李冬、杨宏、高洁撰写，第7章由李冬、张杰撰写，第8章由张杰、李冬、陈立学撰写。

在此书稿完成并将出版之际，向参加过生物固锰除锰实际试验的韩玉花、刘德明、卜恩云、徐爱军、杨维娟、陶子顺、赵丹丹、刘海臣等同志致谢；向大力支持过该项目的车书剑、聂梅生、林生、张宁惠等领导致谢；向所有参加过生物除铁除锰水厂设计与运行的同志们致谢!