張杰1，楊宏2，李冬1，楊繼娟2，肖立新2
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090；
2.中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021)

　　摘　要：通過(guò)無(wú)菌濾層與生物濾層的除鐵、除錳對(duì)照試驗(yàn)，得出了生物濾層不但可以同時(shí)去除原水中的鐵與錳離子，而且Fe²⁺參與了除錳菌的代謝，對(duì)維系生物濾層中生物群系的平衡起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)，生物濾層對(duì)Fe³⁺鹽的固體微細(xì)粒子也有很好的捕捉去除作用。
　　關(guān)鍵詞：生物濾層；除錳菌；鐵離子
　　中圖分類號(hào)：TU991.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)09-0014-03

　　The Function of Fe²⁺ and Its Effect on Manganese Removal in Biofilter Bed
ZHANG Jie1，YANG Hong²，LI Dong1，YANG Ji-juan2，XIAO Li-xin²
(1.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China; 2.China Northeast Municipal Engineering Design & Research Institute,Changchun 130021,China)

　　Abstract：Based on the comparative test for the removal of iron and manganese in aseptic filter bed and biofilter bed,a conclusion was drawn that simultaneous removal of iron and manganese ion from raw water is achieved in biofilter bed, while Fe²⁺ participates in the metabolism of manganese removal bacteria.It has important effect on the balance of biologic community in biofilter bed.Furthermore,the biofilter bed serves as a good function of trapping the Fe3+ solid micro-particles.
　　Keywords:biofilter bed;manganese removal bacteria;iron ion

　　鐵、錳的化學(xué)性質(zhì)相似，在自然界中常常共存，地下水中的Fe²⁺、Mn²⁺離子往往相伴而生，而且在含量上相當(dāng)穩(wěn)定，F(xiàn)e²⁺的濃度大致高于Mn²⁺濃度一個(gè)數(shù)量級(jí)。Fe²⁺在無(wú)菌接觸氧化濾層中的氧化是自催化氧化，接觸催化劑是Fe²⁺氧化反應(yīng)的生成物(含水氧化鐵)。Mn²⁺在pH中性域幾乎不能被溶解氧所氧化，只能在生物濾層中進(jìn)行生物氧化，筆者在試驗(yàn)中證實(shí)了Fe²⁺、Mn²⁺離子可以在生物濾層中同時(shí)被去除，突破了一級(jí)除鐵、二級(jí)除錳的傳統(tǒng)工藝技術(shù)［1～3］。

1　生物濾層與無(wú)菌濾層的除鐵試驗(yàn)

1.1　材料和步驟
　　有機(jī)玻璃管2根，直徑為100 mm，高為2.5 m。一根內(nèi)裝成熟錳砂濾料，厚為1 200 mm，制成生物濾層濾柱；另一根裝無(wú)菌錳砂生料，制成無(wú)菌過(guò)濾柱。
　　在已經(jīng)去除鐵、錳的自來(lái)水中加入FeSO₄溶液，配成一定濃度的只含鐵不含錳的試驗(yàn)用原水，經(jīng)跌水曝氣后分別進(jìn)入生物濾柱和無(wú)菌濾柱進(jìn)行過(guò)濾。濾速為17.8 m/h，單個(gè)試驗(yàn)柱流量為140 L/h。正常運(yùn)行兩周，每天取進(jìn)、出水樣進(jìn)行各項(xiàng)水質(zhì)項(xiàng)目分析，觀察兩個(gè)濾層中鐵的去除狀況。
1.2　結(jié)果與分析
　　將每天的分析結(jié)果制成圖1和圖2。

　　　　

　　從圖1和圖2可知，①無(wú)論在生物濾柱還是無(wú)菌濾柱中，F(xiàn)e²⁺的氧化一直很穩(wěn)定，盡管進(jìn)水中Fe²⁺濃度波動(dòng)很大，兩根濾柱出水的Fe²⁺含量都趨近于痕量。②原水經(jīng)曝氣后，總會(huì)生成一定的Fe³⁺離子，F(xiàn)e³⁺離子呈固態(tài)微細(xì)顆粒狀懸浮于水中(該試驗(yàn)原水中的Fe³⁺離子占據(jù)總鐵的大半)。在無(wú)菌濾柱中，盡管Fe²⁺能很好地被去除，但對(duì)Fe³⁺的去除能力較差，總有一部分Fe³⁺粒子透過(guò)濾層而使出水總鐵濃度偏高，在高濾速(17.8 m/h)條件下達(dá)0.5～0.9 mg/L。③生物濾柱的出水總鐵濃度都在0.3 mg/L之下，絕大多數(shù)情況下低于0.2 mg/L，相當(dāng)部分達(dá)到0.1 mg/L之下。這說(shuō)明原水中的Fe³⁺離子微粒絕大多數(shù)被生物濾層所捕捉，從而得到了總鐵含量低且穩(wěn)定的凈化水。
　　以上的試驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明，生物濾層和無(wú)菌濾層在濾層構(gòu)成上有較大的區(qū)別。生物濾層培養(yǎng)完成后，在濾料表面及濾料的縫隙里存在著大量的細(xì)菌，而這些細(xì)菌同鐵、錳氧化物形成了實(shí)際的菌泥膠狀物，充滿了生物濾層的空間，具有捕捉截留Fe³⁺的能力。而無(wú)菌濾層不具備這樣的特點(diǎn)，濾料表面形成的含水氧化鐵的活性濾膜能很好地吸附水中Fe²⁺離子，并在其表面氧化形成新的含水氧化鐵。Fe³⁺離子則不能被濾料表面活性濾膜所捕捉，只能通過(guò)濾層的篩濾作用而截留，其中相當(dāng)部分的三價(jià)鐵微細(xì)粒子穿透濾層的曲折空隙隨水流出濾層。

2　單純含錳水經(jīng)生物濾層的過(guò)濾試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)材料與步驟
　　試驗(yàn)用濾柱同1.1節(jié)。首先將濾料層進(jìn)行生物接種并培養(yǎng)成熟，使濾層中微生物量達(dá)106 個(gè)/mL濕砂的水平。然后向?yàn)V柱通入只含錳不含鐵的原水，連續(xù)運(yùn)行120 h后，向原水中注入二價(jià)鐵鹽，繼續(xù)運(yùn)行。在全部運(yùn)行過(guò)程中，每隔一定時(shí)間采取水樣，分析鐵、錳含量，以觀察鐵、錳的去除動(dòng)態(tài)。
2.2　試驗(yàn)結(jié)果
　　單純含錳水通入成熟的生物濾柱中，在初始時(shí)間段內(nèi)對(duì)錳的去除效果甚好，進(jìn)水Mn²⁺濃度約5 mg/L，出水Mn²⁺濃度在0.2 mg/L之下。但其后除錳效果連續(xù)下降，直到90 h時(shí)，出水錳濃度與進(jìn)水錳濃度相同，完全喪失了除錳能力。再繼續(xù)通入單純含錳水，出水錳濃度繼續(xù)上升，超過(guò)進(jìn)水錳濃度。在120 h時(shí)開(kāi)始向試驗(yàn)原水中加入二價(jià)鐵鹽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)幾十小時(shí)后，出水錳濃度開(kāi)始減少，到加注Fe²⁺后126 h，出水錳濃度又開(kāi)始低于進(jìn)水錳濃度，濾柱除錳能力有恢復(fù)的跡象。繼續(xù)運(yùn)行下去，濾柱除錳能力漸漸提高，直至運(yùn)行時(shí)間達(dá)627 h，錳的去除率恢復(fù)到63.4%。
2.3　分析與討論
　　①試驗(yàn)為考察成熟的生物濾層對(duì)Mn²⁺的去除能力，有意將進(jìn)水Mn²⁺濃度提高到4～5 mg/L，是地下水最高含錳量的2～3倍；濾速也提高到10.19 m/h，高于正常除鐵、除錳濾池的濾速。在此運(yùn)行工況條件下，成熟濾層表現(xiàn)了很強(qiáng)的除錳能力，對(duì)Mn²⁺的去除率達(dá)95%。
　　②單純含錳水通入成熟生物濾層，運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)之后就開(kāi)始漏錳，充分說(shuō)明了生物濾層的除錳能力與Fe2+的存在和氧化還原有關(guān)。漏錳的原因是濾層中以除錳菌為核心的生物群系的平衡遭到了破壞，喪失了除錳能力。
　?、墼谶M(jìn)水中加入一定量的Fe²⁺后，濾層的除錳能力就漸漸得以恢復(fù)，可以斷定Fe²⁺參與了生物濾層中的代謝。Fe²⁺雖然在無(wú)菌濾層中也可以迅速地經(jīng)接觸氧化而被去除，但是在生物濾層中確實(shí)也參與了除錳菌的代謝，并且在維持生物濾層的生態(tài)平衡上是不可缺少的。
　　試驗(yàn)共進(jìn)行了627 h，鐵、錳的去除情況見(jiàn)表1。

表1　成熟錳砂濾柱的單錳過(guò)濾試驗(yàn)結(jié)果 運(yùn)行時(shí)間(h) 原水錳(mg/L) 出水錳(mg/L) 原水鐵(mg/L) 錳去除率(%) 0 5.002 0.210 0 95.8 2 5.002 0.236 0 95.2 3 5.002 0.159 0 96.8 4 5.002 0.324 0 93.5 5 5.002 0.113 0 97.7 6 5.002 0.148 0 97.0 7 5.002 1.01 0 79.8 8 5.002 0.896 0 82.0 9 5.002 1.124 0 77.5 10 5.002 0.333 0 93.3 11 5.002 0.298 0 94.0 12 5.002 0.306 0 93.8 14 4.571 0.298 0 93.4 20 4.861 1.063 0 78.1 41 4.536 1.871 0 58.7 44 4.615 1.696 0 63.2 47 4.316 1.151 0 73.3 74 4.430 2.153 0 51.3 96 4.571 1.854 0 59.4 108 4.870 2.865 0 41.1 120 5.230 6.303 4.93 -20.5 144 4.49 6.13 5.9 -36.5 168 4.47 5.96 0 -33.4 192 4.55 5.81 5.76 -27.6 216 4.74 6.06 5.41 -27.7 240 5.15 5.48 5.84 -6.4 264 4.66 4.54 4.41 26 288 4.72 4.37 3.25 72 312 4.80 4.12 2.39 14.2 336 4.73 3.62 0.79 23.5 348 4.69 4.92 0 -4.8 360 4.85 3.11 0 35.8 387 4.22 3.90 2.58 7.4 435 1.76 1.25 1.09 28.9 459 2.48 1.81 1.53 26.9 483 2.27 1.94 1.47 14.3 507 2.06 0.91 4.76 55.4 531 2.42 1.66 5.54 31.2 555 2.28 0.83 4.28 63.2 579 1.87 1.07 5.61 42.6 603 2.20 1.04 3.59 52.7 627 2.21 0.81 5.18 63.4

3　結(jié)論

　　Fe²⁺很容易在有溶解氧存在的條件下發(fā)生化學(xué)氧化，但通過(guò)試驗(yàn)證明了其在生物除鐵、除錳濾層當(dāng)中確實(shí)參與了生物氧化。同時(shí)，生物濾層對(duì)進(jìn)入濾層前已經(jīng)氧化的Fe³⁺所形成的小顆粒膠體，有很好的截濾作用。
　　濾層經(jīng)接種、培養(yǎng)成熟后，對(duì)Mn²⁺具有很強(qiáng)的氧化性能，在這一培養(yǎng)成熟的濾層中存在著大量的鐵、錳氧化細(xì)菌和其他的一些微生物群系。單錳過(guò)濾試驗(yàn)表明，這一由微生物群系所組成的生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定是需要鐵的參與來(lái)維系的。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］李冬，楊宏，張杰.生物濾層同時(shí)去除水中鐵、錳離子研究［J］.中國(guó)給水排水，2001，17(8)：1-5.
　?。?］張杰，楊宏.生物固錳除錳技術(shù)的確立［J］.給水排水，1996，22(10)：5-10.
　　［3］張杰，戴鎮(zhèn)生.地下水除鐵除錳現(xiàn)代觀［J］.給水排水，1996，22(11)：13-16.

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　　作者簡(jiǎn)介：張杰(1938-)，男，遼寧本溪人，中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院特聘總工程師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樗|(zhì)凈化與水環(huán)境恢復(fù)。
　　電　　話：(0431)5627048(O)(0431)5654052(H)
　　收稿日期：2001-06-19