淺談生物法處理含鐵錳地下水的研究進(jìn)展論文
地下水是一種十分寶貴的資源，近年來，我國地下水開采量迅速增加，占全國城市總用水量的30%左右，美國更甚，地下水開采量約占主要飲用水量的40%～50%。與地表水相比，地下水作為生活飲用水水源的優(yōu)點顯而易見，如地下水水質(zhì)不易受到污染，比較衛(wèi)生、可靠、安全，地下水一般水質(zhì)良好，處理簡單，水處理廠造價低等。但是我國大部分地區(qū)的地下飲用水中含有過量的鐵、錳，尤其在北方地區(qū)，絕大部分地下水屬于復(fù)合型微污染水源，即地下水中不僅含有鐵、錳，同時還含有氨氮和有機(jī)物等。
自1960 年以來，不少學(xué)者對地下水除鐵除錳進(jìn)行了深入研究，相繼研發(fā)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(jì)90年代初時， 中國市政工程東北設(shè)計研究院項目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(shù)的確立，生物法去除地下水中鐵錳一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，該方法引起了國內(nèi)外眾多專家學(xué)者的興趣，學(xué)者們紛紛對此進(jìn)行研究探討，進(jìn)一步促進(jìn)這一技術(shù)的全面發(fā)展及其在實際工程中的應(yīng)用。由于地表水滲透等原因造成的地下水污染，原本只有鐵錳超標(biāo)的地下水源，有機(jī)物、氨氮濃度持續(xù)升高，并出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，形成復(fù)合型微污染地下水。近年來針對這種水源，基于地下水生物除錳理論的曝氣-生物接觸氧化工藝處理復(fù)合型微污染地下水的研究成為新熱點。
1 生物法除鐵除錳的機(jī)理
1.1 生物同時除鐵除錳機(jī)理
上世紀(jì)80 年代初，錳的生物氧化理論在中國市政工程東北設(shè)計研究院項目組對微污染含鐵含錳水的凈化試驗中發(fā)現(xiàn)并提出，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(jìn)行的，在生物濾層中Mn2+首先吸附于細(xì)菌表面，然后被細(xì)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(wǎng)捕進(jìn)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(tài)穩(wěn)定上是不可缺少的。
1.2 鐵錳在生物濾層中的氧化還原關(guān)系
鐵、錳的物理、化學(xué)性質(zhì)非常相似，在自然界中常常共同參與許多反應(yīng)，在溶解態(tài)與固態(tài)之間變化。由化學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于氧化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(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為0.2 V，二價錳和四價錳之間的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為0.6 V,在Fe3+與Mn4+電位差的驅(qū)動下，F(xiàn)e2+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+溶于水中。
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，F(xiàn)e2+參與了除錳細(xì)菌的代謝，對維系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(xì)菌繁殖有關(guān)，并且Fe2+在維持生物濾層的生態(tài)穩(wěn)定上是不可缺少的'。研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)標(biāo)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(jié)構(gòu);
(2)高價態(tài)的錳氧化物被還原并溶出Mn2+促使高效生物除錳段下移。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)原水中Fe2+濃度高于3 mg/L 時，F(xiàn)e2+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(jié)構(gòu)，影響生物除錳過程。
2 影響生物除鐵除錳技術(shù)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(yīng)得，如果不要求散失二氧化碳，根據(jù)氧化還原反應(yīng)電子得失，所需溶解氧計算如下：[O2] = a{0.29 [Mn2+] + 0.143 [Fe2+]}式中a 為過剩系數(shù)。據(jù)以往試驗數(shù)據(jù)得出，對于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(jù)以上公式可得出過剩系數(shù)為a=2.18，且溶解氧過剩系數(shù)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(shè)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，所以對于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(dāng)原水中含有氨氮時應(yīng)根據(jù)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(yǎng)成熟，出水錳離子濃度也不能達(dá)標(biāo)。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(yōu)于錳和氨氮。
2.2 濾層厚度的影響
Hamdy S 等在實驗中觀察了顆�；钚蕴繛V層厚度對鐵、錳去除的影響，發(fā)現(xiàn)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(錳的去除率大于 94%，鐵的去除率大于80%)能滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。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(zhì)是決定濾層厚度的首要因素。實驗結(jié)果表明：對于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;對于鐵、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;對于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(dāng)原水中含氨氮時, 應(yīng)適當(dāng)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(yōu)缺點如表1。通過對比三種濾料的優(yōu)缺點，除鐵除錳生物濾池的濾層結(jié)構(gòu)可以采用雙層結(jié)構(gòu)，即濾層上部濾料用無煙煤，下部濾料用石英砂。無煙煤濾料用于濾層上部的高效除鐵段，沒有機(jī)會附著高價錳，對于下部的除錳層，由于有上部高效除鐵段的保護(hù)，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 .Aziz等研究發(fā)現(xiàn)，對于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 反沖洗參數(shù)的影響
通過實踐證明，反沖洗參數(shù)的確定主要考慮原水的特有性質(zhì)，進(jìn)水鐵錳的含量、過濾的速度等因素。反沖洗強(qiáng)度是隨著生物濾池的運(yùn)行而不斷提高的，與此同時濾池的工作周期減少，反沖洗時間增加。生物濾池培養(yǎng)成熟后，運(yùn)轉(zhuǎn)的核心工作是穩(wěn)定運(yùn)行，而濾池的穩(wěn)定運(yùn)行與過濾周期、濾速、反沖洗歷時及反沖洗強(qiáng)度等參數(shù)密切相關(guān)。此時，濾料表面較多代謝產(chǎn)物的沉積、濾層在培養(yǎng)初期滯留的鐵泥等都需要提高反沖洗強(qiáng)度來清除，此外，反沖洗強(qiáng)度的增加還有利于加固細(xì)菌在濾料表面的附著，增強(qiáng)生物濾層抗水利沖擊的能力。程慶峰等的研究結(jié)果表明，在反沖洗周期分別為24、48 和72 h 時，鐵、錳、氨氮的去除效果均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，但隨著反沖洗周期的延長，出水濁度不斷增大，穿透濾層的物質(zhì)也增多。高潔[25]等的研究結(jié)果表明，反沖洗參數(shù)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(shù)量來繼續(xù)維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡,從而保證下一工作周期的正常運(yùn)行;二是沖出濾層濾料間隙中鐵泥等懸浮狀物質(zhì),恢復(fù)濾層的產(chǎn)水能力及初始水頭。
3 生物法用于復(fù)合型微污染地下水處理的研究進(jìn)展
復(fù)合型微污染地下水含有鐵錳、有機(jī)物和氨氮，能夠?qū)ζ淦鹧趸饔玫募?xì)菌各不相同，且這些細(xì)菌對營養(yǎng)成分、生長環(huán)境也有各自不同的要求和對應(yīng)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。處理復(fù)合型微污染地下水所要達(dá)到的目標(biāo)是實現(xiàn)復(fù)合型微污染地下水中鐵、錳、氨氮、有機(jī)物同時去除達(dá)標(biāo)，并且可以達(dá)到有生產(chǎn)實用意義的濾速。在此條件下，尋求溶解氧需求規(guī)律和需求量、及其與濾層厚度、濾速、溫度的關(guān)系，是復(fù)合型微污染地下水處理工藝實現(xiàn)生產(chǎn)化運(yùn)行的技術(shù)依據(jù)，也是目前復(fù)合型微污染地下水處理存在的問題。
目前有關(guān)復(fù)合型微污染地下水處理技術(shù)，主要是基于生物作用的曝氣-生物接觸氧化過濾法。復(fù)合型微污染地下水中各污染物質(zhì)的去除主要是化學(xué)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(xiàn)，且鐵、錳、氨氮、有機(jī)物的去除機(jī)理不同，使得各污染物質(zhì)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運(yùn)行條件下的凈化效果對比確定。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，接觸氧化法處理復(fù)合型微污染地下水，水中各類污染物質(zhì)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，只有在氨氮被去除后才開始進(jìn)行徹底的除錳，有機(jī)物的去除則沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)律。張文博的現(xiàn)場中試結(jié)果表明，在1.0 m/h～1.5 m/h 濾速下，可實現(xiàn)4 項指標(biāo)均達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。同時提出，溶解氧的不足是濾速不能提高的控制因素。李艷鳳和閆谞的研究結(jié)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，可滿足有利于去除難度較大的除錳、氨氮的要求，同時可去除鐵和有機(jī)物。并且在試驗條件下，濾速可達(dá)6 m/h。
4 結(jié) 語
生物法研究發(fā)展至今, 經(jīng)過學(xué)者們不斷努力，結(jié)合工程實際，已經(jīng)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(yōu)點，在生物濾層中鐵錳可同時去除，不需要提供多級構(gòu)筑物，對于鐵錳共存的地下水，通過一級曝氣，一級過濾就能達(dá)到同時去除地下水中鐵錳的目的，該工藝具有廣闊的發(fā)展前景。但作為一種新技術(shù)，在實際工程應(yīng)用中還有許多方面需進(jìn)一步完善，如成熟的工藝參數(shù)，防止漏錳等問題。目前，對含有鐵、錳、氨氮、有機(jī)物共存的復(fù)合型微污染地下水的研究還處于初級階段。當(dāng)含鐵、錳的地下水中同時有氨氮和有機(jī)物存在時，有機(jī)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(yǎng)菌和異樣菌的吸收、代謝、排出，同時鐵、錳自身也會受到有機(jī)物中羥基影響形成難降解的絡(luò)合物，從而增加了處理復(fù)合型微污染地下水的難度，一般的地下水處理工藝難以達(dá)到凈化效果，因此提出新的去除工藝值得關(guān)注和研究。以上問題有待深入研究與探討，結(jié)合工程實踐逐漸完善和解決，使該工藝更好地服務(wù)于我國供水事業(yè)。
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