据最新统计数据显示,地下水供水量约占城市总供水量的22%左右,是饮用水水源的重要组成部分。对于地下水依赖程度较高的西北地区,地下水水质污染状况日趋严峻,其中氨氮、铁、锰等污染物超标较为普遍。因此,对饮用水地下水源中氨氮、铁、锰的去除是当前我国饮用水安全保障所面临的重要问题。研究发现,长期运行的铁锰地下水过滤处理系统中,滤料表面形成的复合氧化物滤膜对氨氮的去除具有接触催化氧化作用,据此本文以地下水锰协同氨氮接触催化氧化机理研究为重点,取得了以下成果和结论:(1)在中试石英砂滤柱运行初始阶段,即可实现对地下水原水中亚铁离子的达标去除。在稳定的进水条件下,滤柱持续运行20天及40天后,出水中锰、氨氮污染物先后实现达标去除;滤柱过滤周期于运行60天左右达到最长,约180h,随后逐渐下降至50h左右;经臭氧氧化处理后,滤柱过滤周期可延长至处理前的4倍左右;(2)利用扫描电子显微镜(SEM),电子能谱(EDS)、X衍射(XRD)及液氮吸附法(BET)等手段对各运行时期石英砂滤料表面形貌、化学组成及晶型结构进行表征分析,结果表明:随着滤柱运行的持续,石英砂生料表面逐渐形成非晶态复合氧化物滤膜结构,滤料比表面积增加,孔道特性得以改善;滤膜形成初期,其元素组成以钙、镁、铝等元素为主,滤料成熟后,滤膜为由铁锰氧化物与碳酸盐类物质构成的复合氧化物结构;(3)利用臭氧灭活与投加叠氮化钠两种方法,对成熟滤料表面可能存在的生物硝化作用进行抑制,考察氨氮去除情况。结果表明,臭氧氧化灭活对滤柱内氨氮去除效果无显著影响,叠氮化钠投加48h后,滤柱内氨氮去除效果即可恢复至投加前水平,滤料表面存在氨氮接触催化氧化过程;(4)通过实验,考察了不同运行时间下滤料表面氨氮、锰、溶解氧等物质单因素吸附特性,利用X光电子能谱(XPS)及程序升温脱附(TPD),考察了滤料表面锰、氨氮、溶解氧的化学吸附位与溶解氧的吸附态。结果表明,随着运行时间的持续,各反应物于滤料表面吸附作用均得到改善,而吸附类型及吸附位随滤膜组成变化亦发生相应的变化。成熟滤料表面锰离子、氨氮吸附位分别为Mn-O结构中氧原子,及以金属氧化物形式存在的Fe,Mn原子。溶解氧在成熟滤料表面吸附位为Si,Fe,Mn原子,吸附类型为弱化学吸附,吸附态为O2-;(5)利用填料篮间歇反应器,研究了锰、氨氮及氨氮氧化中间产物亚硝氮三种物质在成熟滤料表面接触催化氧化的L-H(E-R)反应机理。结果表明,锰离子接触催化氧化过程为吸附态锰离子与游离态溶解氧分子之间的反应,锰离子吸附过程为速率控制步骤;氨氮接触催化氧化过程为游离态氨氮与吸附态溶解氧之间反应,溶解氧吸附过程为反应过程速率控制步骤;亚硝氮接触催化氧化过程为吸附态亚硝氮与液相中游离态溶解氧分子之间的反应,亚硝氮吸附过程为反应过程速率控制步骤;(6)结合锰离子自催化氧化原理,利用牛顿-麦夸尔特法确定模型参数,初步建立了描述氨氮-锰协同接触催化氧化反应的动力学模型。