除鐵除錳生物濾層最優(yōu)化厚度的探求

李冬¹，張杰²，王洪濤¹，尹曉君³
（1.清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京 100084；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090；3. 恒迅科創(chuàng)置業(yè)有限公司，北京 100053）

　　摘要：除鐵除錳生物濾層厚度的確定是與地下水水質(zhì)密切相關(guān)的。不同鐵、錳濃度的含鐵含錳地下水，所要求生物濾層的厚度也不盡相同。對(duì)于鐵、錳含量較低的地下水，濾層的厚度通常采用700~1000mm即可，而對(duì)于高含鐵含錳的地下水處理，生物濾層相應(yīng)地要增厚至1000~1300mm。
　　關(guān)鍵詞：鐵；錳；生物濾層；厚度；最優(yōu)化

The Study on the Optimization of the Filter Thickness for Biological Removal of Iron and Manganese

LI Dong¹, ZHANG Jie², WANG Hong-tao¹，YIN Xiao-jun³
(1.Dept of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China；2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China；3. E.C.S. LReal Estate Co., Ltd Beijing 100053)

Abstract：The thickness of the biological filter for iron and manganese removal is connected with the quality of the groundwater. The depth is different for the groundwater with different concentration of Fe²⁺ and Mn²⁺. The depth of the filter is 700~1000mm for the groundwater with low concentration of Fe²⁺ and Mn²⁺. It should be increased to 1000~1300mm for the groundwater with high concentration of Fe²⁺ and Mn²⁺.

　　過對(duì)除鐵除錳濾料表面的生物膜的分析可知，只有直接附著在濾料表面的鐵、錳氧化細(xì)菌才是濾層除鐵除錳能力的穩(wěn)定提供者，然而貧營養(yǎng)環(huán)境條件決定了生物膜稀疏而且薄，因此濾料的數(shù)量在很大程度上決定了濾層內(nèi)的生物量[1]。而濾料的數(shù)量是由濾池的面積和濾層的厚度所決定的。因此，決定濾層內(nèi)細(xì)菌數(shù)量的最終因素是濾料的面積和濾層的厚度。然而現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)模式?jīng)Q定了土地價(jià)格的昂貴，這就使得濾池的面積應(yīng)盡量地縮小。所以真正決定濾層內(nèi)細(xì)菌數(shù)量的因素就只有濾層的厚度。形式上看濾層的厚度越大，細(xì)菌數(shù)量就越多，實(shí)際情況是否是這樣將通過以下的試驗(yàn)說明。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　模型試驗(yàn)中以有機(jī)玻璃濾柱模擬實(shí)際生產(chǎn)中的濾池。濾柱直徑DN=250mm，高H=3000mm，以粒徑d=0.8~1.2mm的石英砂為濾料，濾層厚1100mm。以粒徑d=1~2mm的卵石為墊層，墊層厚300mm。以噴淋曝氣代替生產(chǎn)中的跌水弱曝氣。試驗(yàn)裝置如圖1所示。
1.2試驗(yàn)水質(zhì)和運(yùn)行參數(shù)
　　濾柱試驗(yàn)原水為人工配制的含鐵含錳水。經(jīng)噴淋曝氣后，水中溶解氧濃度控制在4~5mg/L，以濾速5m/h，反沖洗強(qiáng)度11L/(s•m²)，反沖洗時(shí)間3min，工作周期48h的運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行。 生產(chǎn)試驗(yàn)的水源水為天然的含鐵含錳地下水，蘭西縣生物除鐵除錳水廠水源水含鐵量為10~14mg/L，含錳量為0.65~1.1mg/L，是罕見的高鐵高錳地下水。

　　試驗(yàn)中分析項(xiàng)目主要有Fe²⁺、Mn²⁺、DO、Fe³⁺等均采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法^[2]。
1.3 試驗(yàn)方法
　　細(xì)菌計(jì)數(shù)：沿成熟生物濾柱濾層不同深度取濾砂5mL，將濾砂表面的鐵、錳氧化細(xì)菌剝落。制成高濃度的菌懸液。將該菌懸液作系列的梯度稀釋，然后接種到液體培養(yǎng)基中，該培養(yǎng)基的制作方法略。每一個(gè)稀釋度作三個(gè)平行樣。將已接種的液體培養(yǎng)基在25℃恒溫培養(yǎng)14天，觀察陽性反應(yīng)，最終用MPN法計(jì)數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物濾層中細(xì)菌數(shù)量的沿層變化
　　成熟的除鐵除錳生物濾柱內(nèi)沿濾層不同深度細(xì)菌數(shù)量的檢測結(jié)果如圖2。
　　從圖中可見，成熟生物濾柱內(nèi)鐵、錳氧化細(xì)菌的數(shù)量沿濾層的分布是不均勻的。在濾層表面，鐵、錳氧化細(xì)菌的數(shù)量高達(dá)2×10⁶個(gè)/（mL濾砂），隨著深度的增加，細(xì)菌的數(shù)量逐漸減少，到濾層深處的740mm處，細(xì)菌數(shù)量下降到100個(gè)/（mL濾砂）。同樣對(duì)生產(chǎn)濾池不同深度的濾層取樣，測定濾砂表面附著的細(xì)菌數(shù)量，其結(jié)果如圖3。生產(chǎn)濾池濾層表面的細(xì)菌數(shù)量接近1.4×10⁵個(gè)/（mL濾砂），隨著深度的增加，細(xì)菌的數(shù)量直線下降，到濾層深處的300mm處，細(xì)菌數(shù)量下降到2×10⁴個(gè)/（mL濾砂）。
　　通過對(duì)濾層不同深度出水中鐵、錳含量的檢測得到如下的結(jié)果，如圖4所示。

　　濾層不同深度鐵、錳的去除率見圖5。由圖5中曲線可知，鐵的去除率在2號(hào)取樣口處（濾層深度的40cm）已在90％以上，而錳的去除率則到4號(hào)取樣口（濾層深度的80cm）才達(dá)到80％以上，5號(hào)取樣口（濾層深度的100cm）達(dá)到95％以上，到6號(hào)取樣口（濾層深度的120cm）則鐵、錳去除率都接近100％，而且水質(zhì)穩(wěn)定。
　　綜合圖4、5顯然可見：大量Fe²⁺都是在濾層深度的0~40cm之內(nèi)去除的，在表層20cm之內(nèi)去除率就達(dá)70％，在濾層深度的40cm之下，F(xiàn)e²⁺的去除率曲線變得較平緩。而Mn²⁺大部分是在濾層深度的20~80cm之內(nèi)去除的。
2.3 生產(chǎn)濾池的濾層厚度
　　鐵、錳氧化細(xì)菌及鐵、錳去除量的沿層分布，說明了在生物除鐵除錳濾層內(nèi)，存在著除鐵帶與除錳帶，上層為除鐵帶，下層為除錳帶。但兩帶之間并無明顯的界限，而是相互滲透的。濾層中錳的生物氧化需要Fe²⁺，但需求量很低，大量的鐵是在濾池的表層去除的，其生成物Fe₃O₄·mH₂O充填著濾料間的空隙并包裹著濾砂的表面，因而防礙了鐵、錳氧化細(xì)菌在濾砂上的黏附及與Fe²⁺、Mn²⁺的接觸，只有到濾層的中下部，在Fe²⁺氧化產(chǎn)物稀少的區(qū)域（20~40cm），鐵、錳氧化菌在含有少量的Fe²⁺和豐富的Mn²⁺底物的環(huán)境條件下，其代謝才逐漸旺盛起來，錳的去除率直線上升。原水中Fe²⁺濃度越高，其所需要的氧化空間（濾層厚度）越大，勢必將除錳帶推向下層，這樣就增加了生物除鐵除錳濾層的有效厚度，所以根據(jù)原水水質(zhì)條件，濾層應(yīng)有一個(gè)必要厚度。但濾層的厚度過大，對(duì)于鐵、錳含量一般的地下水，會(huì)有相當(dāng)一部分濾層空間被浪費(fèi)，是不經(jīng)濟(jì)的。這是因?yàn)闉V層深處細(xì)菌量極少，甚至沒有細(xì)菌的存在，對(duì)除錳也是無效的，因而生物除鐵除錳濾層存在最佳的濾層厚度。所以，除鐵除錳生物濾層厚度的確定是與地下水水質(zhì)密切相關(guān)的。不同鐵、錳濃度的含鐵含錳地下水，所要求生物濾層的厚度也不盡相同。對(duì)于鐵、錳含量較低的地下水，濾層的厚度通常采用700~1000mm即可，而對(duì)于高含鐵含錳的地下水處理，生物濾層相應(yīng)地要增厚，蘭西縣生物除鐵除錳水廠的運(yùn)行實(shí)例就證明了這一點(diǎn)。
　　蘭西縣的生物除鐵除錳水廠水源水含鐵10~14mg/L，含錳0.65~1.1mg/L。水廠濾層厚度的設(shè)計(jì)值為1000mm，濾層在2003年11月份接種，到2004年3月初已經(jīng)運(yùn)行了4個(gè)月，從出水水質(zhì)分析，錳平均去除率都在40％以下，而且上升的幅度緩慢，于是在2004年3月6日將其濾層厚度增加到1300mm。圖6是蘭西水廠2004年3月份生產(chǎn)濾池出水水質(zhì)情況。
　　由圖可見，添加濾料后的最初一周內(nèi)，由于進(jìn)水錳濃度的提高，濾層出水錳濃度也在增加，去除率下降。但濾層對(duì)錳離子的去除量沒有變化，說明新增濾料尚未發(fā)揮作用，但到3月14日短短一個(gè)星期后，濾層的除錳能力出現(xiàn)了飛躍，從30％升高到50％。這說明新添加的濾料對(duì)了除錳能力的提高起到了促進(jìn)作用。

　　由圖可見，添加濾料后的最初一周內(nèi)，由于進(jìn)水錳濃度的提高，濾層出水錳濃度也在增加，去除率下降。但濾層對(duì)錳離子的去除量沒有變化，說明新增濾料尚未發(fā)揮作用，但到3月14日短短一個(gè)星期后，濾層的除錳能力出現(xiàn)了飛躍，從30％升高到50％。這說明新添加的濾料對(duì)了除錳能力的提高起到了促進(jìn)作用。事實(shí)上，由于定期的反沖洗，使新濾料與原有的未成熟濾料充分混合，一段時(shí)間后，部分新濾料也有鐵、錳氧化細(xì)菌的生長，這在一定程度上，加大了生物濾層空間，提高了生物量，因而導(dǎo)致除錳率的上升。說明原水水質(zhì)與生物濾層厚度存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。在我們設(shè)計(jì)的幾座生物除鐵除錳水廠，根據(jù)原水水質(zhì)，采用了不同的濾層厚度，見表1。其中4座水產(chǎn)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好，證明所選的濾層厚度基本正確。
　　從表中數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，含鐵量較高的水源水要求的濾層厚度都較大。以吉林東豐水廠和蘭西水廠為例。兩水廠水源水中錳含量相當(dāng)，分別為0.9mg/L和1.0mg/L，而鐵含量相差甚大，分別為7.0mg/L和14.0mg/L，生物濾層的厚度分別為1000mm和1300mm。而對(duì)于沈陽開發(fā)區(qū)水廠的含鐵量小于0.3mg/L這樣極低的地下水，盡管含錳量1.0~2.0mg/L，濾層厚度僅為900mm仍能實(shí)現(xiàn)鐵、錳的深度去除。因此可以說，水源水中鐵含量的差別將導(dǎo)致濾層厚度的差異，對(duì)于含鐵量較高的水源水，濾層厚度相應(yīng)地增加會(huì)提高生物量，而對(duì)于含鐵量較低的水源水濾層厚度的增加則是多余的。

目前設(shè)計(jì)運(yùn)行的生物除鐵除錳水廠的濾層厚度　　　　 表1
The depth of filter bed in water plant for biological removal of iron and manganese　 Table 1

3 結(jié)論

　　生物濾層厚度的選擇是與原水水質(zhì)密切相關(guān)的，工程中生產(chǎn)濾池的厚度在700~1300mm之間，對(duì)于鐵錳含量一般的地下水生物除鐵除錳濾池的厚度一般在1000mm左右；含鐵量較高的地下水要求的濾層厚度都較大，通常為1000~1300mm。對(duì)于含鐵量較低的地下水，濾層厚度都較小一般為700~1000mm。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李冬. 生物除鐵除錳理論與工程應(yīng)用技術(shù)研究.博士學(xué)位論文.北京工業(yè)大學(xué).2004
[2] 水和廢水監(jiān)測分析方法. 國家環(huán)保局. 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 1988:381~389

作者簡介：李冬（1976- ），女，遼寧丹東人，清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系博士后。