李 冬,路 健,梁雨雯,张 杰,2,赵运新(.北京工业大学市政工程系,北京 0024；2.哈尔滨工业大学市政工程系,哈尔滨 50090)



低温生物除铁除锰工艺快速启动与滤速的探求

李 冬1*,路 健1,梁雨雯1,张 杰1,2,赵运新1(1.北京工业大学市政工程系,北京 100124；2.哈尔滨工业大学市政工程系,哈尔滨 150090)

摘要：为净化低温(5～6℃)高铁高锰这种地下水质,通过水厂实地滤柱实验表明,在该种水质下,适当调整工艺运行的参数能够快速富集铁锰氧化微生物,在120d左右实现生物除铁除锰工艺的快速启动和稳定运行;滤柱启动过程中,对滤层厚度进行了优化,1500mm厚新滤料在启动过程中会导致出水锰超标,而800mm厚成熟生物滤层在6～8m/h滤速下,可完成对铁、锰的深度去除;在此条件下,进行滤速探求的实验研究,最高滤速可达到16.5m/h保证出水铁锰合格,并给出了相应的反冲参数.

关键词：低温；快速启动；除铁除锰；最高滤速

* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

含铁含锰地下水在我国分布广泛[1-3],而水中铁锰过多会对人体的生理健康产生危害,对城市供水系统及人们的生活、工业生产造成不便[4].其中我国东北部分地区虽地处松花江沿岸,但是部分区段江水已被污染,无法作为饮用水源,只能寻求其他水源,因此含铁含锰地下水是这些地区唯一的供水水源,其中佳木斯市佳西水厂采用传统的化学接触氧化除铁除锰工艺,已无法实现该地区高铁高锰地下水的净化,水厂出水锰浓度严重超标,已不符合饮用水的标准.作为能够高效去除铁、锰的生物除铁除锰技术,在我国已经广泛应用于工程实践当中[5].2001年,首座生物除铁除锰水厂投产运行并取得巨大成功,随后的兰西水厂、哈尔滨水厂原水虽是低温且富含高铁高锰,利用生物除铁除锰工艺同样取得了不错的效果.但是佳木斯地区冬季水温最低可降到5～6℃,相对于兰西、哈尔滨水厂原水水温9℃[6-7]还要低,温度降低会抑制除铁除锰细菌的活性[8],增加了生物富集的难度,生物滤层培养受到一定的限制,对生物除铁除锰技术来说是一个巨大的挑战,因此为净化这种低温高铁高锰水质,本实验在当地环境下尝试生物除铁除锰工艺的可行性,进行工艺的快速启动和滤速探求的研究.

1 材料与方法

1.1 试验装置

实验以有机玻璃滤柱模拟生产滤池.滤柱直径250mm,高3000mm,填装1500mm厚新锰砂滤料,粒径0.6～1.2mm;以1～2mm的卵石作垫层,垫层厚300mm;每隔100mm设一个取样口.实验装置如图1所示.

图1 实验装置示意Fig.1 Experimental equipments of the reactor

1.2 实验水质

实验进水为佳木斯江北水厂跌水曝气之后的水,经跌水曝气后,水中溶解氧可达到9mg/L,原水中总铁含量10～14mg/L,Fe2+含量8～10mg/L, Mn2+含量为0.8～1.2mg/L,pH值约6～7为中性,水温最低时达到5℃左右,属于罕见的低温高铁高锰地下水.

1.3 实验方法

实验滤柱以1m/h的滤速开始启动,当出水铁锰合格并稳定运行7d左右,进行提高滤速,提升幅度在0.5～1m/h之间,反冲参数在相应的滤速下作出适当的调整,滤柱在某一滤速下稳定运行过程中,进行沿层取样.

在提升滤速的实验中,为保证高滤速的运行,不断调整反冲周期与反冲强度,在某一滤速阶段出水合格并稳定运行7d左右,进行提高滤速.

1.4 检测项目和方法

Fe2+:二氮杂菲分光光度法;Mn2+:原子吸收分光光度法;总铁:原子吸收分光光度法;DO、pH、 ORP:便携式测定仪.

2 结果与讨论

2.1 生物滤柱的快速启动

在当地环境下,首先对滤柱进行了生物除铁除锰工艺的启动.滤柱启动过程中,其进出水铁、锰浓度变化如图2、图3所示.

图2 启动过程进出水铁浓度变化Fig.2 Variation of iron and manganese concentration during the process of starting up

图3 启动过程进出水锰浓度变化Fig.3 Variation of manganese concentration during the process of starting up

工艺启动过程中,以慢滤速1m/h开始培养滤柱,逐渐提高滤速,并调整相应的反冲参数.

由图2可知,在滤柱启动过程中,出水铁是一直符合国家标准的.因为铁的去除大部分是依靠化学接触氧化的方式去除的,出水铁很容易就能达标[9],即0.3mg/L以下.

图3显示滤柱运行的前36d,出水锰除在提升滤速的时候有提高波动外,其他时间均稳定保持在0.1mg/L以下;滤柱运行从第37d开始,出水锰逐渐升高,出水水质恶化,这是由于在滤柱运行初期滤料对Mn2+有物理吸附作用,使滤层具有一定的除锰效果,随着滤料吸附容量达到饱和,且滤料上并没有生长大量的铁锰氧化细菌,使得滤层的除锰效果恶化,这与前期研究结果是一致的[10],其随后进行的细菌灭活试验[14]表明,锰的深度去除,是逐渐富集的微生物的作用;滤柱运行从第45d之后,随着滤料的培养成熟,除锰效果开始变好,而且之后的过程出水锰一直保持在国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)[15]以下,即0.1mg/L以下,滤速达到6m/h后,并稳定运行了10d左右,标志着滤柱培养成熟.

为进一步考察滤层成熟情况,对除锰理论耗氧量和实际耗氧量进行核算.在生物滤层中,铁、锰的氧化去除都是在pH值约为6～7的中性水质条件下进行的,溶解氧消耗量可根据氧化还原反应中的电子得失经计算得到,除锰理论耗氧量为

.如图3所示滤柱运行前36d,出水锰在各级滤速下稳定后均合格,从第37d开始出水锰逐渐超标,因此认为36d之前滤料吸附容量未达到饱和,假设36d之前Fe2+全部由化学接触氧化去除,Mn2+全部由物理吸附去除,即除锰理论耗氧量为0,对36d之前的实际消耗溶解氧量取平均值F平均,作为水中铁和锰除外的其他还原物质实际消耗的溶解氧量,则除锰实际耗氧量为.

所得除锰实际耗氧量和理论耗氧量如图4所示,两者基本相符,只是存在微小偏差,分析是由于进水Fe2+浓度不稳定导致其去除量不稳定所致,由图2可见,滤柱运行36d之前进水Fe2+的平均去除量为7.89mg/L,37～124d期间Fe2+的平均去除量为8.906mg/L.因此36d之后锰去除所需的实际溶解氧消耗量明显提高且与理论溶解氧消耗量相当,说明生物氧化除锰作用逐渐加强,生物滤层趋于成熟.

上述实验表明,以达到6m/h的滤速,并在该滤速下出水铁、锰浓度合格视为启动成功标准,通过对运行参数的调控,在水温5～6℃的高铁高锰水质下实现了生物除铁除锰工艺的快速启动,启动时间4个月左右,比兰西水厂9℃高铁高锰水质下8个月的生物滤层培养时间短4个月[11],鞍山、抚顺、长春地区的地下水铁含量为5～7mg/L,锰含量为0.4～0.5mg/L,水温在10℃以上,成熟期也在半个月至三个月之间[12].说明本实验的调控措施不仅在低温条件下成功实现了铁锰氧化细菌的富集,在5～6℃的水温且高铁高锰更为恶劣的条件下,启动工艺所用时间更短.

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

工艺启动过程参数的调控尤为重要,同样,滤层厚度如果选择得当,不仅有利于工艺的快速启动,对于出水水质和经济运行也有重要影响.

2.2 滤层厚度的优化

滤池中的生物量很大程度上取决于滤料的数量,而滤层的厚度是决定滤料数量的重要因素,显然滤层厚度过小处理效果会不佳;而滤层厚度过大不仅导致滤料的浪费,还会增加反冲时的阻力.所以,为优化在此种水质条件下净化水所需的滤层厚度,各级滤速出水稳定后进行沿层取样,期间进水锰稳定保持在1mg/L左右.因为铁在整个过程中出水是合格的,这里仅对锰的去除作分析, 图5、图6是滤柱启动过程中,各级滤速下锰被去除到0.1mg/L以下时所到达的滤层深度和在相应滤速下,锰在整个滤层及0～600mm段滤层中单位时间的去除量.其中锰去除量的计算如下:

式中:Mn去除为某一滤速条件下单位时间内滤层对锰的去除量,g/h;Q出为某一滤速条件下单位时间内滤柱的出水流量,m3/h;Ci进,Ci出为某一滤速条件下,第i天锰的平均进、出水浓度,mg/L;n为某一滤速条件下滤柱运行时间,d.

如图5所示,45d之前随着滤速的提高,锰的去除深度随之增大,最大到达1200mm处达到国家标准,滤速达到4m/h时,1500mm厚滤层无法完成对锰的去除而使出水锰达标,滤层对锰去除量随着滤速的提高也逐渐增加, 但在滤速达到3m/h以后,滤层对锰的去除量增加缓慢,无法法实现对锰的深度去除.分析认为,培养初期锰的去除大部分是依靠锰砂的物理吸附作用完成的,但当滤层吸附容量达到饱和以后,锰随即穿透滤层,使出水恶化.

图5 45d之前滤层沿程分析Fig.5 Analysis along filter bed 45days ago

如图6所示,在45d之后,重新降低滤速至1m/h,随着滤速的提升,锰的去除深度反而逐渐降低,分析是由于铁锰氧化细菌在滤料上的生长迎来了第一活性增长期[13],微生物迅速大量生长,逐渐增多,滤柱表现出对锰较强的去除能力,虽然滤速提高,但是锰的去除深度逐渐减小,滤层对锰的去除量的逐渐增加说明滤层除锰能力依然保持良好,铁锰氧化细菌数量的不断增多;滤速达到6～8m/h时,锰的去除深度开始增大,但是与此同时,整个滤层的锰去除量随之增大,0～600mm段滤层对锰的去除量却增加缓慢,增幅只有0.05g/h,远远小于整个滤层的除锰增加量0.3g/h,分析是由于0～600mm段滤层附着的锰氧化细菌处于第二活性增长期[13],即微生物处于平衡期,不再增长,且不足以去除该滤速条件下的锰,所以依靠滤层600～800mm段滤层的微生物,锰才被去除到0.1mg/L以下;滤速达到8～9m/h时,锰的去除深度并无变化,依旧依靠滤层0～800mm段的微生物实现锰的深度去除,之后滤速进一步提升到9～10m/h,锰的去除深度才进一步增加.本实验表明,整个培养过程中,在5～6℃的低温高铁高锰水质下,使用1500mm厚的新滤料不能保证整个过程出水达标,但是800mm厚的成熟生物滤层,即可保证在8m/h的滤速条件下出水不超标,相对于前期研究结果,在水温9℃,总铁含量10～14mg/L,总锰0.8～1.1mg/L的水质下,应用1300mm厚滤料可使出水稳定达标[11],在本实验的低温水质下,新砂滤料滤层厚度至少要大于1500mm.

图6 45d之后滤层沿程分析Fig.6 Analysis along filter bed 45days later

综上所述,在该种水质下,1500mm厚新滤料会导致滤层培养期到成熟期的过程中出水锰超标,而800mm厚的成熟生物滤层即可在6～8m/h的滤速下,完成低温高铁高锰水质下对铁、锰的深度去除.

滤料培养成熟以后,滤速只是达到了6～10m/h,为进一步开发在该水质条件下工艺的潜力,探求其滤速能否进一步提高,以及提升的极限是多少,将在接下来的实验中进行.

2.3 低温生物除铁除锰工艺滤速的探求

上述实验证明,生物除铁除锰工艺在低温高铁高锰水质下依然对铁、锰有良好的去除效果,为进一步开发工艺的潜力,本实验探求了工艺的滤速,明晰在保证出水合格的情况下,可以达到的最大滤速.滤速提升过程中进出水铁、锰浓度趋势如图7所示.实验采取逐级提升滤速的方法,为保证高滤速运行,调整相应的反冲周期与反冲时间.

图7 滤速提升过程进出水铁、锰浓度变化Fig.7 Variation of iron and manganese concentration during the process of lifting filtration rate

由图7看出,经过逐级提升滤速,出水铁浓度在滤速达到15m/h的时候开始接近甚至高于0.3mg/L,随着滤速的提升出水铁浓度变化不大,至滤速达到17m/h,出水铁浓度开始大于0.3mg/L;而出水锰浓度从滤速达到17m/h开始,高于0.1mg/L.而且,在该种低温高铁高锰水质下,保证最长反冲周期24h不变且出水合格时,最大滤速只能达到13m/h.目前,在生物除铁除锰领域中达到的最高滤速是19m/h[14],但是是在实验室的条件下完成的,温度在室温20℃左右,进水铁浓度<7mg/L,进水锰浓度<1mg/L.

本实验表明,在水温5～6℃,总铁10～14mg/L,总锰0.8～1.2mg/L的进水水质,且保证出水合格的条件下,生物除铁除锰工艺可以达到的极限滤速是16.5m/h,反冲周期8h,反冲时间5min,然而保证反冲周期24h的情况下,最大滤速只能达到13m/h.

3 结论

3.1 对于水温5～6℃,总铁10～14mg/L,总锰0.8～1.2mg/L的地下水,可以成功实现生物除铁除锰工艺的快速启动,启动时间大约4个月左右.

3.2 在该种低温高铁高锰水质下,1500mm厚新滤料在启动过程中会导致出水锰超标,而800mm厚成熟生物滤层在6m/h～8m/h滤速下,可完成对铁、锰的深度去除.

3.3 对于该种水质,在保证出水铁、锰合格的情况下,本实验最高滤速达到16.5m/h,反冲周期8h,反冲时间5min,保证反冲周期24h的情况下,最大滤速可达到13m/h.

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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

中图分类号：X523

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)01-0082-05

收稿日期：2015-06-10

基金项目：国家自然科学基金(51222807)

作者简介：李 冬(1976-)女,辽宁丹东人,教授,博士,主要从事污水处理与回用新技术研究.发表论文100余篇.