錳元素在自然界中存在多種物理化學(xué)形態(tài)。其中，二價(jià)錳以溶解態(tài)存在，無色無味且不產(chǎn)生沉淀。然而，一旦經(jīng)歷氧化過程——無論是由空氣、微生物作用，還是水中消毒劑的氧化——它將轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)或四價(jià)形態(tài)，并以黃色或黑色顆粒態(tài)沉淀物沉積下來。

我們的供水系統(tǒng)是一個(gè)相對獨(dú)立且封閉的體系，遵循物質(zhì)輸入輸出的基本原理。錳的輸入主要源自含錳原水，含錳原水通過原水管進(jìn)入水廠。在水廠內(nèi)，通過常規(guī)的沉淀和過濾工藝流程可以去除顆粒態(tài)的錳，然而溶解態(tài)的錳能夠穿透水廠的各個(gè)處理環(huán)節(jié)，進(jìn)入市政管網(wǎng)。在管網(wǎng)中，溶解態(tài)的錳會持續(xù)在空氣、微生物和消毒劑的作用下發(fā)生氧化和沉積作用，當(dāng)沉積到一定程度會達(dá)到非穩(wěn)態(tài)平衡。若水質(zhì)、水壓的穩(wěn)定性發(fā)生變化，管道中含錳沉積物便會失穩(wěn)突然釋放，導(dǎo)致大規(guī)模的黃水問題。

因此，我們構(gòu)建了一個(gè)全流程管控的研究思路，涵蓋從水源到水廠管網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在水源端，研究如何減少錳元素進(jìn)入供水系統(tǒng)的問題。在水廠端，我們關(guān)注如何迅速氧化錳并將其有效去除，以降低錳元素輸入管網(wǎng)的量。至于管網(wǎng)端，需解決的問題是如何抑制錳的氧化反應(yīng)，確保其穩(wěn)定傳輸，防止錳元素沉積。對于已經(jīng)沉積的錳，需要研究如何進(jìn)行有效沖洗和排放。

遵循此研究思路，飲用水水源普遍以河水和水庫水為主，若以河流作為水源，由于河水流動特性，其溶解氧含量較高，水中的錳含量低，并且主要是顆粒態(tài)的錳，水廠容易處理。然而，在水庫，尤其是在南方高溫時(shí)，水溫分層現(xiàn)象顯著，表層與底層水體缺乏有效的垂直混合，造成表層水錳含量較低。但隨著深度增加，錳含量會驟然升高，且主要以溶解態(tài)形式存在?；诖爽F(xiàn)象，可以采取汲取表層原水的策略，以減少底層高含量溶解態(tài)錳原水進(jìn)入水廠。

在水廠端，我們的目標(biāo)是提升錳的氧化速率，力求在砂濾池前將錳完全氧化。盡管存在多種氧化錳的方法，如臭氧、二氧化氯和高錳酸鉀等，這些方法各有其局限性。我們的研究聚焦于活性炭催化下氯（氯氣或次氯酸鹽）快速氧化溶解態(tài)錳。從圖中左上角的圖表，紅色曲線展示了在無活性炭催化條件下，次氯酸鈉氧化錳所需時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)以上。然而，加入活性炭后（藍(lán)色和黃色曲線），氧化過程顯著加速，最快可在十幾分鐘內(nèi)完成錳的徹底氧化。

對管網(wǎng)端的研究，我們構(gòu)建了一個(gè)模擬管網(wǎng)系統(tǒng)，研究在不同消毒條件下錳的氧化沉積情況。研究發(fā)現(xiàn)，在無消毒劑以及1mg/L余氯這兩種條件下，錳在管網(wǎng)中的沉積現(xiàn)象十分顯著。然而，當(dāng)消毒劑濃度為0.3mg/L余氯或1mg/L氯胺時(shí)，錳在管網(wǎng)中的沉積速度顯著減緩。原因分析，無消毒劑條件下微生物氧化起主要作用；1mg/L余氯消毒則是強(qiáng)氧化作用；而0.3mg/L余氯或1mg/L氯胺消毒時(shí)，則是弱氧化作用，既抑制了微生物的生長，又大大減慢了對溶解態(tài)錳的氧化。因此，采用氯胺消毒相較于水廠日常采用的氯消毒，能夠有效減少90%以上的錳在管網(wǎng)內(nèi)的沉積。這是出廠水使用氯胺消毒的另一個(gè)新優(yōu)點(diǎn)。

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