生物除鐵除錳濾池的曝氣溶氧研究

對(duì)于傳統(tǒng)的除鐵除錳工藝，曝氣的主要目的是向水中充氧，并充分散除水中的CO2以提高pH值。因此，對(duì)于接觸氧化除鐵除錳(特別是除錳)，一般都要求較大的曝氣強(qiáng)度。生物除鐵除錳機(jī)制指出，在pH值的中性范圍內(nèi)，Mn2+的氧化不是其氧化物的自催化作用，而是以Fe2+、Mn2+氧化細(xì)菌為主的生物氧化作用。亞鐵對(duì)維系生物濾層中微生物群系所組成的生態(tài)群落起著非常重要的作用，并實(shí)現(xiàn)了鐵、錳在同一生物濾層中很好地被去除。從單純的物理化學(xué)氧化到生物化學(xué)作用機(jī)制的轉(zhuǎn)變，必然會(huì)引起實(shí)際運(yùn)行中許多因素的變化�，F(xiàn)僅就曝氣充氧量對(duì)生物濾層除鐵除錳效能的影響進(jìn)行了研究。��

1　理論需氧量計(jì)算

從理論上講，F(xiàn)e2+、Mn2+在生物濾層當(dāng)中的氧化過(guò)程是很復(fù)雜的，它們的生物氧化反應(yīng)在細(xì)胞膜表面進(jìn)行，并且在整個(gè)氧化反應(yīng)過(guò)程中有復(fù)雜的電子傳遞過(guò)程。但不論電子和能量是怎樣傳遞的，下列關(guān)系總是成立的：

4Fe2++O24Fe3++2O2-

4Fe2+∶O2=(4×55.8)∶32

�。跲2］=0.143［Fe2+］

2Mn2++O22Mn4++2O2-

2Mn2+∶O2=(2×54.9)∶32

　［O2］=0.29［Mn2+］

理論上所需溶解氧量可用下式表示：

［O2］=0.143［Fe2++0.29［Mn2+］

在化學(xué)氧化理論指導(dǎo)下，實(shí)際工程中為了散除游離CO2，提高原水的pH值，同時(shí)也由于化學(xué)反應(yīng)速率的需要，應(yīng)有一定的過(guò)剩溶解氧，所以在理論需氧量的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)過(guò)剩系數(shù)a。工程實(shí)際需氧量為：��

［O2］=a(0.143［Fe2+］+0.29［Mn2+］)��

對(duì)于a的取值，以如下計(jì)算為例。18 ℃時(shí)水中飽和溶解氧量為9.17 mg/L，理論上去除鐵的濃度上限應(yīng)為9.17/0.143=65 mg/L。試驗(yàn)表明，在自然氧化除鐵的條件下是不可能達(dá)到該值的。根據(jù)有關(guān)資料，18 ℃時(shí)去除鐵的濃度上限只為30 mg/L，反推過(guò)剩系數(shù)為a=9.17/(0.143×30)=2.18。��

在生物除鐵除錳濾層中，F(xiàn)e2+、Mn2+的氧化都是在pH值中性條件下進(jìn)行的，不要求散除CO2，實(shí)際上生物氧化速率幾乎不受溶解氧過(guò)剩系數(shù)的影響。過(guò)剩系數(shù)a可取更低值，實(shí)際工程中取1.5足夠。��

假設(shè)地下水中含鐵濃度為15 mg/L，含錳2 mg/L，那么進(jìn)行生物除鐵、除錳的需氧量為：��

［O2］=(1.5(0.143［Fe2+］+0.29［Mn2+］)=4.1 mg/L

我國(guó)地下水的鐵、錳濃度大多數(shù)都在［Fe2+］=15 mg/L，［Mn2+］=2 mg/L之下。實(shí)際工程中各地除鐵除錳水廠如果采用生物機(jī)制，那么所需溶解氧量是很有限的。��

2　需氧量試驗(yàn)

2.1　材料和方法

①試驗(yàn)濾料為培養(yǎng)成熟的錳砂，原水為含鐵、錳的地下水，試驗(yàn)濾柱為有機(jī)玻璃柱，直徑為100 mm，濾層厚為1.2 m，承托層厚為0.5 m。采用蓮蓬頭噴淋曝氣，曝氣量可調(diào)；濾速為12.7 m/h，用DO測(cè)定儀連續(xù)在線測(cè)定進(jìn)出水的DO含量，同時(shí)取樣分析進(jìn)、出水的鐵、錳濃度。試驗(yàn)測(cè)定(或取樣)時(shí)間間隔為1 h。��

②試驗(yàn)濾料為運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間但未成熟的錳砂，原水為含鐵、錳的地下水，試驗(yàn)用生產(chǎn)濾池面積為2.4 m×3.6 m，濾層厚為1.2 m。采用跌水曝氣充氧，單寬流量為20m3/(m·h)。用DO測(cè)定儀測(cè)定進(jìn)出水DO含量，同時(shí)取樣分析進(jìn)出水鐵、錳濃度。

2.2　結(jié)果與分析

①不同曝氣強(qiáng)度下的單錳過(guò)濾��

改變?cè)�水的曝氣�?qiáng)度，考察不同DO水平下成熟錳砂濾柱在深760 mm處出水的DO變化和錳去除情況。原水中錳含量為3.832～3.938 mg/L。

原水DO含量從3.0 mg/L逐漸提高到6.0 mg/L，原水經(jīng)過(guò)760 mm生物濾層后，DO消耗量變化不大，基本維持在0.5 mg/L左右，錳去除率也比較穩(wěn)定(63%～72%)。由此可見(jiàn)，水中DO含量在3.0～6.0 mg/L范圍內(nèi)變化，對(duì)錳的生物去除并無(wú)明顯的促進(jìn)作用。��

②DO在適當(dāng)范圍內(nèi)的單錳過(guò)濾��

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在一定范圍內(nèi)調(diào)整原水DO含量，測(cè)定成熟錳砂濾柱在深760mm和1 200 mm處錳的去除情況。原水錳含量為4.887 mg/L。

原水DO在3.1～4.5 mg/L水平下，經(jīng)過(guò)1.2 m厚的生物濾層，錳的去除率＞90%且出水穩(wěn)定。這進(jìn)一步說(shuō)明了原水DO在適當(dāng)范圍內(nèi)，是生物濾層除錳過(guò)程的非限定性因素。實(shí)際上用于生物濾層除錳的DO量是非常小的，但還要考慮到濾層中的除鐵需氧量，不能使水中DO含量太低。��

③DO(4.5 mg/L)對(duì)生物除鐵除錳的影響?yīng)?/P>

在原水含鐵量較高情況下，采用跌水曝氣溶氧的生產(chǎn)濾池在培養(yǎng)成熟過(guò)程中DO消耗量變化的情況。原水含鐵為7.45～10.16 mg/L，含錳為1.19～1.38 mg/L。��

生物濾層除鐵除錳與DO變化原水DO在4.5 mg/L的條件下，地下水總鐵平均為8 mg/L，錳平均為1.4 mg/L，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)全過(guò)程的順利進(jìn)行。由圖3可以看出，鐵的去除在生物濾層成熟過(guò)程中比較穩(wěn)定，因此對(duì)氧的需求變化不大。以出水錳穩(wěn)定在0.05 mg/L以下作為濾層成熟的標(biāo)準(zhǔn)，可以看出濾層成熟前后DO消耗量有所增加，這與錳去除率的提高是一致的。成熟后濾層DO消耗量維持在1.6～2.0 mg/L之間，趨于穩(wěn)定。與前面兩個(gè)試驗(yàn)相比較，因?yàn)樵�水含鐵量較高，濾層消耗DO量有所增加，但經(jīng)簡(jiǎn)單的曝氣，原水DO含量達(dá)4.5 mg/L左右時(shí)，鐵錳氧化細(xì)菌的實(shí)際需氧量還是過(guò)剩的。��

④分析與討論��

生物濾柱的除鐵除錳，運(yùn)行的每一個(gè)因素都與其存在的微生物相關(guān)。成熟的生物除鐵除錳濾層實(shí)際是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，鐵錳氧化細(xì)菌的種類繁多，去除鐵錳的機(jī)理也各不相同。但有一點(diǎn)是肯定的，即在滿足濾層中微生物生理需要的前提下，較小的氧過(guò)剩系數(shù)即可達(dá)到生物濾層的穩(wěn)定運(yùn)行；而且有很大一部分鐵錳氧化細(xì)菌屬微好氧菌，過(guò)度的曝氣不僅造成能量浪費(fèi)，還會(huì)抑制某些細(xì)菌的活性，產(chǎn)生負(fù)面影響。在生物除鐵除錳濾層中，鐵錳的氧化都是在pH值中性條件下進(jìn)行，不要求散除CO2，同時(shí)CO2還是微生物繁殖代謝的重要碳源。��

從除鐵方面考慮，太高的曝氣強(qiáng)度將使原水中大量的Fe2+在進(jìn)入濾層前氧化成Fe3+，形成絮凝體。這種Fe3+絮凝體易于堵塞濾層和穿透濾層，而且其沉積在濾料表面，會(huì)妨礙濾料表面微生物對(duì)鐵錳的吸附氧化，造成出水水質(zhì)降低。��

綜上所述，DO在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)生物除鐵除錳效率的提高無(wú)顯著影響。從經(jīng)濟(jì)和微生物角度考慮，生物濾池的除鐵除錳相對(duì)傳統(tǒng)工藝，可大大降低曝氣強(qiáng)度，原水DO水平維持在3～5 mg/L即可滿足運(yùn)行要求，而不必通過(guò)強(qiáng)曝氣來(lái)散除CO2。��

3　濾池的曝氣形式選擇

工程實(shí)踐中常用的幾類地下水曝氣充氧方法和設(shè)備對(duì)地下水有不同的曝氣效果，有些曝氣方式效果很好但耗能較大，是適應(yīng)傳統(tǒng)的地下水除鐵除錳工藝(強(qiáng)曝氣、大量散除CO2)所產(chǎn)生的曝氣技術(shù)。按曝氣方式的能耗大小劃分，依次為：射流泵曝氣＞壓縮空氣曝氣＞葉輪表面曝氣＞噴淋式曝氣＞跌水曝氣。鑒于生物除鐵除錳對(duì)DO的要求不高，因此采用簡(jiǎn)單的曝氣形式即可滿足生物除鐵除錳濾池的要求。噴淋式曝氣和跌水曝氣形式簡(jiǎn)單、節(jié)省能耗。在噴淋曝氣或跌水曝氣中，曝氣高度在0.5～1.0 m范圍內(nèi)，原水的DO就能達(dá)到4～5 mg/L，可以滿足生物除鐵除錳濾層要求。跌水曝氣尤其適用于大中型水廠，噴淋曝氣則較多地應(yīng)用于中小型水廠，不失為生物濾池曝氣設(shè)備的首選。��

由于這兩種曝氣方式設(shè)備簡(jiǎn)單，還可直接設(shè)在除鐵除錳濾池之上。從處理效果來(lái)講，因縮短了原水充氧后進(jìn)入濾層的時(shí)間，大大減少了Fe2+氧化為Fe3+絮凝體的機(jī)會(huì)，原水中的鐵更多的以Fe2+形式進(jìn)入濾層，為生物濾池的穩(wěn)定運(yùn)行提供更大保障；從工程角度來(lái)講，濾池和曝氣裝置的有效結(jié)合，更加充分地利用了建筑物空間，節(jié)省了獨(dú)立曝氣裝置或設(shè)備所需的建筑面積，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)上更為靈活，實(shí)現(xiàn)了濾池單元同曝氣系統(tǒng)的同步運(yùn)行，濾池的配水會(huì)更加均勻�？傊�，簡(jiǎn)單曝氣裝置同生物濾池的有效組合，使生物除鐵除錳工藝與傳統(tǒng)的除鐵除錳工藝相比優(yōu)勢(shì)更加明顯。��

4　結(jié)論

生物除鐵除錳濾層對(duì)曝氣溶氧的要求與傳統(tǒng)的化學(xué)接觸氧化除錳工藝有很大區(qū)別。生物濾層在較低的�獶O水平下即可實(shí)現(xiàn)高效除鐵除錳，濾層的實(shí)際需氧量非常有限。生物濾層的除鐵除錳不要求散除CO2，而且還可作為濾層中微生物繁殖代謝的碳源，將這一理論應(yīng)用于實(shí)際工程，采用蓮蓬頭曝氣或跌水曝氣與濾池相結(jié)合，可簡(jiǎn)化處理流程，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。�お�

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