基于地下水生物除铁除锰装置的开放性实验教学实践

2013-11-23胡锋平唐朝春王全金

实验技术与管理 2013年12期

胡锋平，唐朝春，何伟，钟律，王全金

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013）

在高等教育改革的大趋势下，教学机制和培养模式［1］无疑是高校学科负责人思考的重点。华东交通大学把开展综合性、创新性实验作为一种日常教学内容列入实验教学计划，内容不仅包括基于课程的实验教学，还包括培养学生实践能力和综合素质的开放性实验。华东交通大学给排水工程实验中心系江西省产学研培养基地、实验教学示范中心、重点开放实验室，地下水生物除铁除锰研究就是开放性实验项目之一。

地下水生物除铁除锰装置是校企合作研发给水处理设备，并且已通过江西省重点新产品计划项目鉴定，成果达国内领先水平。结合华东交通大学给水排水工程、环境工程专业的教学大纲和培养目标，将地下水生物除铁除锰装置纳入开放性实验项目中，以该装置为基础，引导学生开展一系列实验。

1 地下水生物除铁除锰开放实验项目的开发

1.1 开放实验“地下水除铁除锰工艺”的确定

结合地下水水质和当前除铁除锰研究现状，确定采用生物除铁除锰工艺。地下水通过水泵提升，经穿孔布水管喷淋进入圆形滤罐中，经过滤罐中的改性锰砂滤料后，从底部出水。实验工艺流程如图1所示。

图1 实验工艺流程图

生物除铁除锰工艺在过滤的基础上引入以铁锰基质为营养的铁锰氧化细菌［2］对地下水中铁锰进行去除，铁锰氧化细菌大量附着在锰砂滤料上，形成具有除锰能力的微生物滤膜，当水流流经滤料时，通过铁锰氧化细菌的作用，进水中的铁锰浓度逐渐降低［3］，铁锰在同一滤池中被同时去除［4］。

生物除铁除锰工艺相比于传统物理－化学过滤方法区别在于引入微生物作用对原水中铁锰进行去除，具有以下优点：

（1）工艺流程短，主体投资省。生物除铁除锰工艺只需一个处理环节就可实现铁锰同时去除，工艺流程缩短，主体构筑物工程一次性投资可节省50%左右［5］，且传统的一级过滤除铁、二级过滤除锰的工艺方法流程复杂，不利用操作和管理［6］。

（2）抗冲击负荷能力强。生物除铁除锰装置中的微生物附着在滤料上，形成固定的微生物滤膜，能抵抗强水流的冲击力。对于含高浓度的铁锰地下水，滤层中微生物随营养的增加迅速增殖［7］，保证出水水质。单纯的物理－化学过滤在填料本身的吸附能力达到饱和后很难再有提升的空间。

（3）节省能耗。生物除铁除锰工艺整个处理过程只需1次提升，通过穿孔管布水和曝气同时进行，无需专门曝气［8］。传统的一级过滤除铁、二级过滤除锰的工艺需要2次提升，且原地下水需要提前曝气，增加了能耗。

（4）占地少。生物除铁除锰工艺充分利用空间高度［9］，加之工艺流程短，占地面积比传统工艺方法少。

生物除铁除锰工艺也有着自身的缺点，如为保证滤料上微生物适宜的生存环境，滤池运行条件较为严格，且从启动到填料挂膜所需的时间相对较长，温度对微生物有一定的影响等［10］。

1.2 开放性实验的地下水生物除铁除锰装置

装置整体呈圆柱体，直径1.4m，装置的高度为2.8m，设4个高度为0.5m的支撑。填料总高度1.1 m，下部铺0.1m的陶瓷滤料作为承托层。装置设计进水流量为10m3／h，滤速6.5m／h，采用短柄滤头进行反冲洗布水，滤头安装在用于承托填料层的滤板上。装置实物如图2所示，主要设备及材料如表1所示。

图2 除铁除锰装置实物图

表1 主要设备及材料表

2 本项目的意义

（1）通过开放性实验机制，让学生参与到实际的课题中，开阔学生的眼界。学生在做课题实验中能发现自己的长处，有展现自己能力的机会，有利于提高学生的自信心和积极性，同时学生可以了解自己平时在学习中的不足，弥补缺陷，提高自己。

（2）开放性实验从选题到方案的确定具有一定的灵活性和宽松性［11］，学生可以根据自己的兴趣和专长选择实验内容。这一方式调动了学生主动学习的积极性，培养学生自主解决问题和团队协作能力，激发他们的创新思维。

（3）在完成课题任务过程中，学生各取所长，彼此之间相互学习。同时在完成课题实验任务中所要用到的不仅是已学过的本专业的知识，还需要了解其他学科领域的相关知识，这有助于提高学生的整体素质和综合能力。

3 地下水生物除铁除锰装置的教学实践

给水排水工程专业2008级的5名学生参与了地下水除铁除锰装置开放性实验研究，学生根据自己制定的实验方案，对改性锰砂作为填料的生物除铁除锰装置的处理效果及各项工况进行了研究。

3.1 实验方案

实验条件：处理水量10m3／h，进水铁浓度2.4～5.5mg／L，锰浓度0.3～2.2mg／L，pH 值6.88～7.02，溶解氧4mg／L。

实验装置启动时，在滤池中一次性接入高浓度菌液，在3m／h的滤速下循环培养3～4天，再以同样的滤速转入正常运行。实验至第35天时提高滤速到4.5m／h，运行至第60天后滤速提高到6m／h。记录滤柱每天进出水的铁、锰浓度。

3.2 实验结果与讨论

通过两个多月的连续运行，装置运行稳定，装置处理效果见图3和图4。

图3 生物除铁除锰装置进出水Fe2＋浓度及去除率变化

图3和图4实验结果表明，滤柱对铁的去除效果较好，通水1星期后，出水中Fe2＋浓度一直维持在0.3 mg／L以下，滤柱对 Mn2＋的去除稍有波动，但实验进行到第50天时，锰浓度曲线趋于平稳，出水中锰浓度保持0.1mg／L以下。在滤速6m／h时，原水铁浓度为1.8～5.5mg／L，锰浓度为0.3～2.3mg／L，溶解氧2.5mg／L，在pH中性的条件下，生物滤层对铁、锰的去除率分别可达99.3%和97.7%。从这一结果可以看出铁锰确实能在同一滤池中被去除，且去除效果较好。

图4 生物除铁除锰装置进出水Mn2＋浓度及去除率变化

图4数据中，运行初期出水中Mn2＋浓度较低，实验开始后第17天出水中Mn2＋浓度大幅上升，随后半个月，Mn2＋去除率一直处于大幅波动状态。这主要是因为锰砂滤料表面具有吸附Fe2＋、Mn2＋的特性。实验前期，滤料刚投入运行不久，吸附容量较大，对Fe2＋、Mn2＋的吸附能力强，出水中Fe2＋、Mn2＋低。随着滤料上吸附位逐渐被占据，滤料吸附容量渐渐被消耗，开始出现对Fe2＋、Mn2＋的吸收不彻底，出水中Fe2＋、Mn2＋浓度升高。滤柱定期的反冲洗，使得滤料表面的吸附位在一定程度上获得再生，出水中的Fe2＋、Mn2＋又有所下降，而随后又降下去，以致处理效果呈现波动状态。

由图3还可以看出，滤速的提高对滤层除铁基本没有影响。原因主要是铁的去除基本上靠滤层对氧化生成的Fe（OH）3沉淀物的截留作用。由图4也还可以看出Mn2＋去除受滤速的影响较大。滤速提高到4.5m／h前，出水Mn2＋浓度经历波动后下降，说明滤层中微生物已经开始发挥效用，但此时的细菌处于适应新环境阶段，细菌活性不强，虽经历短时间的自循环培养，但大多仍处于滤料颗粒间隙或滤料的表面，没有真正固定在滤料上，抗冲击负荷能力有限。提高滤速后，出水中Mn2＋浓度升高，直到第46天才有所下降。此时滤层中微生物已经达到一定数量，且有一部分附着固定在滤料上，滤层具备一定的抗冲击负荷能力。第60天，滤速提高到6m／h后，随出水中 Mn2＋浓度有上升趋势，但基本维持在0.1mg／L以下，滤池达到了稳定出水的能力。

实验开始启动时采用低滤速运行取得了很好的效果。低滤速条件下，水流对滤砂空隙间的剪切力较小，滤砂间隙中和滤砂表面上微生物群落受到的冲刷较轻，促进细菌在滤料表面附着和固定，有利于生物滤层的成熟。低滤速同时减缓了滤砂表面吸附容量的饱和速度，为生物除铁除锰效能与吸附能力的衔接，提供了时间和空间的保障［12］。

实验开始准备工作，对锰砂进行筛选，保证了装置的出水量。新购置的锰砂含有大量的灰尘及直径小于0.6mm的颗粒，若不去除，通水后，堵塞在大颗粒滤砂空隙间，阻碍水流通过，滤速减小，装置出水量难以提高。通过装置的反冲洗系统，通水对滤砂进行反冲洗，灰尘及小颗粒滤砂处于液面之上，随水流从反冲洗出水管流出。如此多次进行，直至达到所需要求为止。

学生通过参加开放性实验项目，根据自己制定的实验方案进行实验，普遍认为动手实践能力得到增强，学习积极性得到提高。