低溫生物除鐵除錳工藝快速啟動與濾速的探求

李 冬,路 健,梁雨雯,張 杰,2,趙運新(.北京工業(yè)大學市政工程系,北京 0024；2.哈爾濱工業(yè)大學市政工程系,哈爾濱 50090)

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低溫生物除鐵除錳工藝快速啟動與濾速的探求

李 冬1*,路 健1,梁雨雯1,張 杰1,2,趙運新1(1.北京工業(yè)大學市政工程系,北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學市政工程系,哈爾濱 150090)

摘要：為凈化低溫(5～6℃)高鐵高錳這種地下水質(zhì),通過水廠實地濾柱實驗表明,在該種水質(zhì)下,適當調(diào)整工藝運行的參數(shù)能夠快速富集鐵錳氧化微生物,在120d左右實現(xiàn)生物除鐵除錳工藝的快速啟動和穩(wěn)定運行;濾柱啟動過程中,對濾層厚度進行了優(yōu)化,1500mm厚新濾料在啟動過程中會導致出水錳超標,而800mm厚成熟生物濾層在6～8m/h濾速下,可完成對鐵、錳的深度去除;在此條件下,進行濾速探求的實驗研究,最高濾速可達到16.5m/h保證出水鐵錳合格,并給出了相應的反沖參數(shù).

關鍵詞：低溫；快速啟動；除鐵除錳；最高濾速

* 責任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

含鐵含錳地下水在我國分布廣泛[1-3],而水中鐵錳過多會對人體的生理健康產(chǎn)生危害,對城市供水系統(tǒng)及人們的生活、工業(yè)生產(chǎn)造成不便[4].其中我國東北部分地區(qū)雖地處松花江沿岸,但是部分區(qū)段江水已被污染,無法作為飲用水源,只能尋求其他水源,因此含鐵含錳地下水是這些地區(qū)唯一的供水水源,其中佳木斯市佳西水廠采用傳統(tǒng)的化學接觸氧化除鐵除錳工藝,已無法實現(xiàn)該地區(qū)高鐵高錳地下水的凈化,水廠出水錳濃度嚴重超標,已不符合飲用水的標準.作為能夠高效去除鐵、錳的生物除鐵除錳技術,在我國已經(jīng)廣泛應用于工程實踐當中[5].2001年,首座生物除鐵除錳水廠投產(chǎn)運行并取得巨大成功,隨后的蘭西水廠、哈爾濱水廠原水雖是低溫且富含高鐵高錳,利用生物除鐵除錳工藝同樣取得了不錯的效果.但是佳木斯地區(qū)冬季水溫最低可降到5～6℃,相對于蘭西、哈爾濱水廠原水水溫9℃[6-7]還要低,溫度降低會抑制除鐵除錳細菌的活性[8],增加了生物富集的難度,生物濾層培養(yǎng)受到一定的限制,對生物除鐵除錳技術來說是一個巨大的挑戰(zhàn),因此為凈化這種低溫高鐵高錳水質(zhì),本實驗在當?shù)丨h(huán)境下嘗試生物除鐵除錳工藝的可行性,進行工藝的快速啟動和濾速探求的研究.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

實驗以有機玻璃濾柱模擬生產(chǎn)濾池.濾柱直徑250mm,高3000mm,填裝1500mm厚新錳砂濾料,粒徑0.6～1.2mm;以1～2mm的卵石作墊層,墊層厚300mm;每隔100mm設一個取樣口.實驗裝置如圖1所示.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental equipments of the reactor

1.2 實驗水質(zhì)

實驗進水為佳木斯江北水廠跌水曝氣之后的水,經(jīng)跌水曝氣后,水中溶解氧可達到9mg/L,原水中總鐵含量10～14mg/L,Fe2+含量8～10mg/L, Mn2+含量為0.8～1.2mg/L,pH值約6～7為中性,水溫最低時達到5℃左右,屬于罕見的低溫高鐵高錳地下水.

1.3 實驗方法

實驗濾柱以1m/h的濾速開始啟動,當出水鐵錳合格并穩(wěn)定運行7d左右,進行提高濾速,提升幅度在0.5～1m/h之間,反沖參數(shù)在相應的濾速下作出適當?shù)恼{(diào)整,濾柱在某一濾速下穩(wěn)定運行過程中,進行沿層取樣.

在提升濾速的實驗中,為保證高濾速的運行,不斷調(diào)整反沖周期與反沖強度,在某一濾速階段出水合格并穩(wěn)定運行7d左右,進行提高濾速.

1.4 檢測項目和方法

Fe2+:二氮雜菲分光光度法;Mn2+:原子吸收分光光度法;總鐵:原子吸收分光光度法;DO、pH、 ORP:便攜式測定儀.

2 結果與討論

2.1 生物濾柱的快速啟動

在當?shù)丨h(huán)境下,首先對濾柱進行了生物除鐵除錳工藝的啟動.濾柱啟動過程中,其進出水鐵、錳濃度變化如圖2、圖3所示.

圖2 啟動過程進出水鐵濃度變化Fig.2 Variation of iron and manganese concentration during the process of starting up

圖3 啟動過程進出水錳濃度變化Fig.3 Variation of manganese concentration during the process of starting up

工藝啟動過程中,以慢濾速1m/h開始培養(yǎng)濾柱,逐漸提高濾速,并調(diào)整相應的反沖參數(shù).

由圖2可知,在濾柱啟動過程中,出水鐵是一直符合國家標準的.因為鐵的去除大部分是依靠化學接觸氧化的方式去除的,出水鐵很容易就能達標[9],即0.3mg/L以下.

圖3顯示濾柱運行的前36d,出水錳除在提升濾速的時候有提高波動外,其他時間均穩(wěn)定保持在0.1mg/L以下;濾柱運行從第37d開始,出水錳逐漸升高,出水水質(zhì)惡化,這是由于在濾柱運行初期濾料對Mn2+有物理吸附作用,使濾層具有一定的除錳效果,隨著濾料吸附容量達到飽和,且濾料上并沒有生長大量的鐵錳氧化細菌,使得濾層的除錳效果惡化,這與前期研究結果是一致的[10],其隨后進行的細菌滅活試驗[14]表明,錳的深度去除,是逐漸富集的微生物的作用;濾柱運行從第45d之后,隨著濾料的培養(yǎng)成熟,除錳效果開始變好,而且之后的過程出水錳一直保持在國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)[15]以下,即0.1mg/L以下,濾速達到6m/h后,并穩(wěn)定運行了10d左右,標志著濾柱培養(yǎng)成熟.

為進一步考察濾層成熟情況,對除錳理論耗氧量和實際耗氧量進行核算.在生物濾層中,鐵、錳的氧化去除都是在pH值約為6～7的中性水質(zhì)條件下進行的,溶解氧消耗量可根據(jù)氧化還原反應中的電子得失經(jīng)計算得到,除錳理論耗氧量為

.如圖3所示濾柱運行前36d,出水錳在各級濾速下穩(wěn)定后均合格,從第37d開始出水錳逐漸超標,因此認為36d之前濾料吸附容量未達到飽和,假設36d之前Fe2+全部由化學接觸氧化去除,Mn2+全部由物理吸附去除,即除錳理論耗氧量為0,對36d之前的實際消耗溶解氧量取平均值F平均,作為水中鐵和錳除外的其他還原物質(zhì)實際消耗的溶解氧量,則除錳實際耗氧量為.

所得除錳實際耗氧量和理論耗氧量如圖4所示,兩者基本相符,只是存在微小偏差,分析是由于進水Fe2+濃度不穩(wěn)定導致其去除量不穩(wěn)定所致,由圖2可見,濾柱運行36d之前進水Fe2+的平均去除量為7.89mg/L,37～124d期間Fe2+的平均去除量為8.906mg/L.因此36d之后錳去除所需的實際溶解氧消耗量明顯提高且與理論溶解氧消耗量相當,說明生物氧化除錳作用逐漸加強,生物濾層趨于成熟.

上述實驗表明,以達到6m/h的濾速,并在該濾速下出水鐵、錳濃度合格視為啟動成功標準,通過對運行參數(shù)的調(diào)控,在水溫5～6℃的高鐵高錳水質(zhì)下實現(xiàn)了生物除鐵除錳工藝的快速啟動,啟動時間4個月左右,比蘭西水廠9℃高鐵高錳水質(zhì)下8個月的生物濾層培養(yǎng)時間短4個月[11],鞍山、撫順、長春地區(qū)的地下水鐵含量為5～7mg/L,錳含量為0.4～0.5mg/L,水溫在10℃以上,成熟期也在半個月至三個月之間[12].說明本實驗的調(diào)控措施不僅在低溫條件下成功實現(xiàn)了鐵錳氧化細菌的富集,在5～6℃的水溫且高鐵高錳更為惡劣的條件下,啟動工藝所用時間更短.

圖4 溶解氧消耗量Fig.4 Dissolved oxygen consumption

工藝啟動過程參數(shù)的調(diào)控尤為重要,同樣,濾層厚度如果選擇得當,不僅有利于工藝的快速啟動,對于出水水質(zhì)和經(jīng)濟運行也有重要影響.

2.2 濾層厚度的優(yōu)化

濾池中的生物量很大程度上取決于濾料的數(shù)量,而濾層的厚度是決定濾料數(shù)量的重要因素,顯然濾層厚度過小處理效果會不佳;而濾層厚度過大不僅導致濾料的浪費,還會增加反沖時的阻力.所以,為優(yōu)化在此種水質(zhì)條件下凈化水所需的濾層厚度,各級濾速出水穩(wěn)定后進行沿層取樣,期間進水錳穩(wěn)定保持在1mg/L左右.因為鐵在整個過程中出水是合格的,這里僅對錳的去除作分析, 圖5、圖6是濾柱啟動過程中,各級濾速下錳被去除到0.1mg/L以下時所到達的濾層深度和在相應濾速下,錳在整個濾層及0～600mm段濾層中單位時間的去除量.其中錳去除量的計算如下:

式中:Mn去除為某一濾速條件下單位時間內(nèi)濾層對錳的去除量,g/h;Q出為某一濾速條件下單位時間內(nèi)濾柱的出水流量,m3/h;Ci進,Ci出為某一濾速條件下,第i天錳的平均進、出水濃度,mg/L;n為某一濾速條件下濾柱運行時間,d.

如圖5所示,45d之前隨著濾速的提高,錳的去除深度隨之增大,最大到達1200mm處達到國家標準,濾速達到4m/h時,1500mm厚濾層無法完成對錳的去除而使出水錳達標,濾層對錳去除量隨著濾速的提高也逐漸增加, 但在濾速達到3m/h以后,濾層對錳的去除量增加緩慢,無法法實現(xiàn)對錳的深度去除.分析認為,培養(yǎng)初期錳的去除大部分是依靠錳砂的物理吸附作用完成的,但當濾層吸附容量達到飽和以后,錳隨即穿透濾層,使出水惡化.

圖5 45d之前濾層沿程分析Fig.5 Analysis along filter bed 45days ago

如圖6所示,在45d之后,重新降低濾速至1m/h,隨著濾速的提升,錳的去除深度反而逐漸降低,分析是由于鐵錳氧化細菌在濾料上的生長迎來了第一活性增長期[13],微生物迅速大量生長,逐漸增多,濾柱表現(xiàn)出對錳較強的去除能力,雖然濾速提高,但是錳的去除深度逐漸減小,濾層對錳的去除量的逐漸增加說明濾層除錳能力依然保持良好,鐵錳氧化細菌數(shù)量的不斷增多;濾速達到6～8m/h時,錳的去除深度開始增大,但是與此同時,整個濾層的錳去除量隨之增大,0～600mm段濾層對錳的去除量卻增加緩慢,增幅只有0.05g/h,遠遠小于整個濾層的除錳增加量0.3g/h,分析是由于0～600mm段濾層附著的錳氧化細菌處于第二活性增長期[13],即微生物處于平衡期,不再增長,且不足以去除該濾速條件下的錳,所以依靠濾層600～800mm段濾層的微生物,錳才被去除到0.1mg/L以下;濾速達到8～9m/h時,錳的去除深度并無變化,依舊依靠濾層0～800mm段的微生物實現(xiàn)錳的深度去除,之后濾速進一步提升到9～10m/h,錳的去除深度才進一步增加.本實驗表明,整個培養(yǎng)過程中,在5～6℃的低溫高鐵高錳水質(zhì)下,使用1500mm厚的新濾料不能保證整個過程出水達標,但是800mm厚的成熟生物濾層,即可保證在8m/h的濾速條件下出水不超標,相對于前期研究結果,在水溫9℃,總鐵含量10～14mg/L,總錳0.8～1.1mg/L的水質(zhì)下,應用1300mm厚濾料可使出水穩(wěn)定達標[11],在本實驗的低溫水質(zhì)下,新砂濾料濾層厚度至少要大于1500mm.

圖6 45d之后濾層沿程分析Fig.6 Analysis along filter bed 45days later

綜上所述,在該種水質(zhì)下,1500mm厚新濾料會導致濾層培養(yǎng)期到成熟期的過程中出水錳超標,而800mm厚的成熟生物濾層即可在6～8m/h的濾速下,完成低溫高鐵高錳水質(zhì)下對鐵、錳的深度去除.

濾料培養(yǎng)成熟以后,濾速只是達到了6～10m/h,為進一步開發(fā)在該水質(zhì)條件下工藝的潛力,探求其濾速能否進一步提高,以及提升的極限是多少,將在接下來的實驗中進行.

2.3 低溫生物除鐵除錳工藝濾速的探求

上述實驗證明,生物除鐵除錳工藝在低溫高鐵高錳水質(zhì)下依然對鐵、錳有良好的去除效果,為進一步開發(fā)工藝的潛力,本實驗探求了工藝的濾速,明晰在保證出水合格的情況下,可以達到的最大濾速.濾速提升過程中進出水鐵、錳濃度趨勢如圖7所示.實驗采取逐級提升濾速的方法,為保證高濾速運行,調(diào)整相應的反沖周期與反沖時間.

圖7 濾速提升過程進出水鐵、錳濃度變化Fig.7 Variation of iron and manganese concentration during the process of lifting filtration rate

由圖7看出,經(jīng)過逐級提升濾速,出水鐵濃度在濾速達到15m/h的時候開始接近甚至高于0.3mg/L,隨著濾速的提升出水鐵濃度變化不大,至濾速達到17m/h,出水鐵濃度開始大于0.3mg/L;而出水錳濃度從濾速達到17m/h開始,高于0.1mg/L.而且,在該種低溫高鐵高錳水質(zhì)下,保證最長反沖周期24h不變且出水合格時,最大濾速只能達到13m/h.目前,在生物除鐵除錳領域中達到的最高濾速是19m/h[14],但是是在實驗室的條件下完成的,溫度在室溫20℃左右,進水鐵濃度<7mg/L,進水錳濃度<1mg/L.

本實驗表明,在水溫5～6℃,總鐵10～14mg/L,總錳0.8～1.2mg/L的進水水質(zhì),且保證出水合格的條件下,生物除鐵除錳工藝可以達到的極限濾速是16.5m/h,反沖周期8h,反沖時間5min,然而保證反沖周期24h的情況下,最大濾速只能達到13m/h.

3 結論

3.1 對于水溫5～6℃,總鐵10～14mg/L,總錳0.8～1.2mg/L的地下水,可以成功實現(xiàn)生物除鐵除錳工藝的快速啟動,啟動時間大約4個月左右.

3.2 在該種低溫高鐵高錳水質(zhì)下,1500mm厚新濾料在啟動過程中會導致出水錳超標,而800mm厚成熟生物濾層在6m/h～8m/h濾速下,可完成對鐵、錳的深度去除.

3.3 對于該種水質(zhì),在保證出水鐵、錳合格的情況下,本實驗最高濾速達到16.5m/h,反沖周期8h,反沖時間5min,保證反沖周期24h的情況下,最大濾速可達到13m/h.

參考文獻：

[1] 曾昭華.長江中下游地區(qū)地下水中鐵錳元素的形成及其分布規(guī)律 [J].長江流域資源與環(huán)境, 1994,(4):326-329.

[2] 馬志毅.城市污水回用概述 [J].給水排水, 1997,(12):61-63.

[3] 籍國東,姜兆春,趙麗輝,等.我國污水資源化的現(xiàn)狀分析與對策探討 [J].環(huán)境科學進展, 1999,(5):85-95.

[4] Tekerlekopoulou A G.,Vayenas D V.Simultaneous biological removal of ammonia, iron and manganese from potable water using a trickling filter [J].Biochemical Engineering Journal, 2008,39(1):215-220.

[5] 李 冬,楊 宏,張 杰.首座大型生物除鐵除錳水廠的實踐 [J].中國工程科學, 2003,(7):53-57.

[6] 李 冬.生物除鐵除錳濾池的快速啟動研究 [J].中國給水排水, 2005,(12):35-38.

[7] 曾輝平.含高濃度鐵錳及氨氮的地下水生物凈化效能與工程應用研究 [D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學, 2005.

[8] 謝 晶,李小明,曾光明.生物除鐵除錳及其影響因素 [J].凈水技術, 2003,(5):37-39.

[9] 張 杰.生物濾層中Fe～(2+)的作用及對除錳的影響 [J].中國給水排水, 2001,(9):14-16.

[10] 李 冬.無煙煤濾料在生物除鐵除錳水廠中的應用 [J].沈陽建筑大學學報(自然科學版), 2007,(5):818-821.

[11] 李 冬.除鐵除錳生物濾層最優(yōu)化厚度的研究 [J].中國給水排水, 2007,(13):94-97.

[12] 李 冬.生物固錳機理與工程技術 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2005.

[13] 張 杰.生物固錳除錳技術的確立 [J].給水排水, 1996, (11):5-10.

[14] 李 冬.生物除鐵除錳理論與工程應用技術研究 [D].北京:北京工業(yè)大學, 2004.

[15] GB/T5750-2006 生活飲用水標準檢驗方法 [S].

Quick start-up and filter speed searching of biological iron and manganese removal process.

LI Dong1*, LU Jian1, LIANG Yu-wen1, ZHANG Jie1,2, ZHAO Yun-xin1(1.Department of Municipal Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 10024, China；2.Department of Municipal Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：82～86

Abstract：A pilot-scale biological filter was constructed to removal of iron and manganese simultaneously from groundwater.The results indicated that adjusting process parameters appropriately can realize rapid enrichment of iron and manganese oxidizing microorganisms and quick start-up of biological iron and manganese removal for the water incuding high iron and manganese at low tempreture (5～6℃) in 120d; During the process, The thickness of filter layer is optimized, and the result is that effluent water may be overproof when thickness of filter bed is 1500mm, and it will be standard if thickness of mature filter bed is 800mm when the filtering speed is 6～8m/h; Under this contition, the highest filtering speed is 16.5m/h and relevant backlashing parameter is clear.

Key words：low tempreture；quick start-up；Fe and Mn removal；highest speed

中圖分類號：X523

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0082-05

收稿日期：2015-06-10

基金項目：國家自然科學基金(51222807)

作者簡介：李 冬(1976-)女,遼寧丹東人,教授,博士,主要從事污水處理與回用新技術研究.發(fā)表論文100余篇.