姜安璽¹，韓玉花¹，楊宏²，張杰¹?
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；
2.中國市政工程東北設計研究院，吉林長春130021))

　　摘 要：從理論計算和試驗兩方面探討了生物除鐵除錳濾池中的曝氣溶氧問題。結果表明，生物濾層除鐵除錳不需要高溶解氧，也不需要通過散除CO₂來提高原水的pH值，相反CO₂可作為微生物繁殖代謝的碳源。認為簡單的曝氣充氧方式與生物濾池的結合可大大簡化傳統的處理流程。?
　　關鍵詞：生物濾池；除鐵除錳；需氧量；曝氣?
　　中圖分類號：TU991.26
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)10-0016-04

Study on the Oxygen Demand Provided by Aeration for Iron and ?Manganese Removal in Biofilter
JIANG An?xi¹,HAN Yu?hua¹,YANG Hong²,ZHANG Jie¹?

(1.School of Municipal & Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,?Harbin 150090,China; 2.China Northeast Municipal Engineering Design & Research Institute,Changchun 130021,China)

　　Abstract：Oxygen demand for iron and manganese removal in biofilter was discussed by means of theoretical calculation and experiment.The results show that neither high level of DO nor CO?2 dissipation in raw water is required for iron and manganese removal in biofilter bed,but rather CO?2 can be used as carbon source for microbial metabolism.It is considered that the simple aeration in combination with biofilter may result in significant simplification of the conventional treatment process.?
　　Keywords:biofilter;iron and manganese removal;oxygen demand;aeration

　　對于傳統的除鐵除錳工藝，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度。生物除鐵除錳機制指出，在pH值的中性范圍內，Mn²⁺的氧化不是其氧化物的自催化作用，而是以Fe²⁺、Mn²⁺氧化細菌為主的生物氧化作用。亞鐵對維系生物濾層中微生物群系所組成的生態群落起著非常重要的作用，并實現了鐵、錳在同一生物濾層中很好地被去除。從單純的物理化學氧化到生物化學作用機制的轉變，必然會引起實際運行中許多因素的變化。現僅就曝氣充氧量對生物濾層除鐵除錳效能的影響進行了研究。?

1　理論需氧量計算

　　從理論上講，Fe²⁺、Mn²⁺在生物濾層當中的氧化過程是很復雜的，它們的生物氧化反應在細胞膜表面進行，并且在整個氧化反應過程中有復雜的電子傳遞過程。但不論電子和能量是怎樣傳遞的，下列關系總是成立的：

　　　　4Fe²⁺+O₂4Fe³⁺+2O₂-
　　　　4Fe²⁺∶O₂=(4×55.8)∶32
　　　　　　　　　［O₂］=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⁺］
　　在化學氧化理論指導下，實際工程中為了散除游離CO₂，提高原水的pH值，同時也由于化學反應速率的需要，應有一定的過剩溶解氧，所以在理論需氧量的基礎上乘以一個過剩系數a。工程實際需氧量為：?
　　　　［O₂］=a(0.143［Fe²⁺］+0.29［Mn²⁺］)?
　　對于a的取值，以如下計算為例。18 ℃時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為9.17/0.143=65 mg/L。試驗表明，在自然氧化除鐵的條件下是不可能達到該值的。根據有關資料，18 ℃時去除鐵的濃度上限只為30 mg/L，反推過剩系數為a=9.17/(0.143×30)=2.18。?
　　在生物除鐵除錳濾層中，Fe²⁺、Mn²⁺的氧化都是在pH值中性條件下進行的，不要求散除CO₂，實際上生物氧化速率幾乎不受溶解氧過剩系數的影響。過剩系數a可取更低值，實際工程中取1.5足夠。?
　　假設地下水中含鐵濃度為15 mg/L，含錳2 mg/L，那么進行生物除鐵、除錳的需氧量為：?
　　　　［O₂］=(1.5(0.143［Fe²⁺］+0.29［Mn²⁺］)=4.1 mg/L
　　我國地下水的鐵、錳濃度大多數都在［Fe²⁺］=15 mg/L，［Mn²⁺］=2 mg/L之下。實際工程中各地除鐵除錳水廠如果采用生物機制，那么所需溶解氧量是很有限的。?

2　需氧量試驗

2.1　材料和方法
　　①試驗濾料為培養成熟的錳砂，原水為含鐵、錳的地下水，試驗濾柱為有機玻璃柱，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；濾速為12.7 m/h，用DO測定儀連續在線測定進出水的DO含量，同時取樣分析進、出水的鐵、錳濃度。試驗測定(或取樣)時間間隔為1 h。?
　　②試驗濾料為運轉一定時間但未成熟的錳砂，原水為含鐵、錳的地下水，試驗用生產濾池面積為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測定儀測定進出水DO含量，同時取樣分析進出水鐵、錳濃度。
2.2　結果與分析
　　①不同曝氣強度下的單錳過濾?
　　改變原水的曝氣強度，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。試驗結果見圖1。?

　　由圖1可以看出，原水DO含量從3.0 mg/L逐漸提高到6.0 mg/L，原水經過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，錳去除率也比較穩定(63%～72%)。由此可見，水中DO含量在3.0～6.0 mg/L范圍內變化，對錳的生物去除并無明顯的促進作用。?
　　②DO在適當范圍內的單錳過濾?
　　根據上述試驗結果，在一定范圍內調整原水DO含量，測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，試驗結果見圖2。

　　從圖2可以看出，原水DO在3.1～4.5 mg/L水平下，經過1.2 m厚的生物濾層，錳的去除率＞90%且出水穩定。這進一步說明了原水DO在適當范圍內，是生物濾層除錳過程的非限定性因素。實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)對生物除鐵除錳的影響?
　　圖3表示的是在原水含鐵量較高情況下，采用跌水曝氣溶氧的生產濾池在培養成熟過程中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。?
　　圖3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，實現了培養全過程的順利進行。由圖3可以看出，鐵的去除在生物濾層成熟過程中比較穩定，因此對氧的需求變化不大。以出水錳穩定在0.05 mg/L以下作為濾層成熟的標準，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，趨于穩定。與前面兩個試驗相比較，因為原水含鐵量較高，濾層消耗DO量有所增加，但經簡單的曝氣，原水DO含量達4.5 mg/L左右時，鐵錳氧化細菌的實際需氧量還是過剩的。?
　　④分析與討論?
　　生物濾柱的除鐵除錳，運行的每一個因素都與其存在的微生物相關。成熟的生物除鐵除錳濾層實際是一個復雜的生態系統，鐵錳氧化細菌的種類繁多，去除鐵錳的機理也各不相同。但有一點是肯定的，即在滿足濾層中微生物生理需要的前提下，較小的氧過剩系數即可達到生物濾層的穩定運行；而且有很大一部分鐵錳氧化細菌屬微好氧菌，過度的曝氣不僅造成能量浪費，還會抑制某些細菌的活性，產生負面影響。在生物除鐵除錳濾層中，鐵錳的氧化都是在pH值中性條件下進行，不要求散除CO₂，同時CO₂還是微生物繁殖代謝的重要碳源。?
　　從除鐵方面考慮，太高的曝氣強度將使原水中大量的Fe²⁺在進入濾層前氧化成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，會妨礙濾料表面微生物對鐵錳的吸附氧化，造成出水水質降低。?
　　綜上所述，DO在一定范圍內的變化對生物除鐵除錳效率的提高無顯著影響。從經濟和微生物角度考慮，生物濾池的除鐵除錳相對傳統工藝，可大大降低曝氣強度，原水DO水平維持在3～5 mg/L即可滿足運行要求，而不必通過強曝氣來散除CO₂。?

3　濾池的曝氣形式選擇

　　工程實踐中常用的幾類地下水曝氣充氧方法和設備對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，是適應傳統的地下水除鐵除錳工藝(強曝氣、大量散除CO₂)所產生的曝氣技術。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DO的要求不高，因此采用簡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單、節省能耗。在噴淋曝氣或跌水曝氣中，曝氣高度在0.5～1.0 m范圍內，原水的DO就能達到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用于中小型水廠，不失為生物濾池曝氣設備的首選。?
　　由于這兩種曝氣方式設備簡單，還可直接設在除鐵除錳濾池之上。從處理效果來講，因縮短了原水充氧后進入濾層的時間，大大減少了Fe²⁺氧化為Fe³⁺絮凝體的機會，原水中的鐵更多的以Fe²⁺形式進入濾層，為生物濾池的穩定運行提供更大保障；從工程角度來講，濾池和曝氣裝置的有效結合，更加充分地利用了建筑物空間，節省了獨立曝氣裝置或設備所需的建筑面積，同時在系統運轉上更為靈活，實現了濾池單元同曝氣系統的同步運行，濾池的配水會更加均勻。總之，簡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的除鐵除錳工藝相比優勢更加明顯。?

4　結論

　　生物除鐵除錳濾層對曝氣溶氧的要求與傳統的化學接觸氧化除錳工藝有很大區別。生物濾層在較低的?DO水平下即可實現高效除鐵除錳，濾層的實際需氧量非常有限。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，將這一理論應用于實際工程，采用蓮蓬頭曝氣或跌水曝氣與濾池相結合，可簡化處理流程，提高系統運行的穩定性。

參考文獻：

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［2］張杰，戴鎮生.地下水除鐵除錳現代觀［J］.給水排水，1996，22(10)：5-10.
［3］李圭白，劉超.地下水除鐵除錳(第2版)［M］.北京：中國建筑工業出版社，1989.
［4］Piere Mouchet.From Conventional to Biological Removal of Iron and Manganese in France［J］.J AWWA，1992,(4).
［5］高井雄.用水の除鐵除錳處理(1～22)［J］.用水と廢水，1993，24(2)：3-10.

　　作者簡介：姜安璽(1938-)，男，遼寧復縣人，哈爾濱工業大學市政環境工程學院教授，博士生導師，研究方向為大氣和水污染控制。

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　　收稿日期：2001-06-20