浅谈生物法处理含铁锰地下水的研究进展论文
地下水是一种十分宝贵的资源，近年来，我国地下水开采量迅速增加，占全国城市总用水量的30%左右，美国更甚，地下水开采量约占主要饮用水量的40%～50%。与地表水相比，地下水作为生活饮用水水源的优点显而易见，如地下水水质不易受到污染，比较卫生、可靠、安全，地下水一般水质良好，处理简单，水处理厂造价低等。但是我国大部分地区的地下饮用水中含有过量的铁、锰，尤其在北方地区，绝大部分地下水属于复合型微污染水源，即地下水中不仅含有铁、锰，同时还含有氨氮和有机物等。
自1960 年以来，不少学者对地下水除铁除锰进行了深入研究，相继研发出了接触氧化法、接触氧化除铁理论、接触氧化除锰工艺。在20 世纪90年代初时， 中国市政工程东北设计研究院项目组又提出了生物除铁除锰的新理论。随着生物固锰除锰技术的确立，生物法去除地下水中铁锰一直是相关领域的研究热点，该方法引起了国内外众多专家学者的兴趣，学者们纷纷对此进行研究探讨，进一步促进这一技术的全面发展及其在实际工程中的应用。由于地表水渗透等原因造成的地下水污染，原本只有铁锰超标的地下水源，有机物、氨氮浓度持续升高，并出现超标现象，形成复合型微污染地下水。近年来针对这种水源，基于地下水生物除锰理论的曝气-生物接触氧化工艺处理复合型微污染地下水的研究成为新热点。
1 生物法除铁除锰的机理
1.1 生物同时除铁除锰机理
上世纪80 年代初，锰的生物氧化理论在中国市政工程东北设计研究院项目组对微污染含铁含锰水的净化试验中发现并提出，即在pH 中性的条件下，除铁除锰滤层中Mn2+的氧化是在锰氧化菌胞外酶的作用下进行的，在生物滤层中Mn2+首先吸附于细菌表面，然后被细菌胞外酶氧化为Mn4+，从而从水中去除掉;而铁的去除主要是自催化氧化，生成的含水氧化铁为Fe2+氧化的催化剂。同时，生物滤层还能吸附与网捕进入滤层前已氧化成的Fe3+离子所形成的胶体颗粒，所以，Mn2+、Fe2+离子可以在同一生物滤层中去除，且Fe2+在维持生物滤层的生态稳定上是不可缺少的。
1.2 铁锰在生物滤层中的氧化还原关系
铁、锰的物理、化学性质非常相似，在自然界中常常共同参与许多反应，在溶解态与固态之间变化。由化学知识可知，O2 与Fe2+的氧化还原电位差为0.62 V，O2 与Mn2+的氧化还原电位差为0.22 V，即以溶解氧氧化Mn2+的能力是远远低于氧化Fe2+的能力。但在实际情况下，Mn2+只能在锰氧化菌胞外酶的作用下才能被溶解氧氧化，在pH 为中性条件下是几乎不能被溶解氧氧化的，与之相反， 二价铁离子却能被溶解氧迅速氧化。除此之外，二价铁和三价铁之间标准氧化还原电位为0.2 V，二价锰和四价锰之间的标准氧化还原电位为0.6 V,在Fe3+与Mn4+电位差的驱动下，Fe2+会被滤层中滤砂表面沉积的高价锰氧化物氧化为Fe3+，而高价锰氧化物被还原为Mn2+溶于水中。
1.3 Fe2+在生物滤层中的作用及对除锰的影响
对铁的研究表明，Fe2+参与了除锰细菌的代谢，对维系生物滤层中各生物间的平衡起到了非常重要的作用，如果没有Fe2+的存在，生物滤层是不可能建立起来的。虽然铁在无菌存在的条件下就可以完成氧化，但在生物滤层中铁的氧化与细菌繁殖有关，并且Fe2+在维持生物滤层的生态稳定上是不可缺少的'。研究发现，在生物除铁除锰滤层中，Mn2+的氧化过程会被高浓度Fe2+延缓，从而除锰难度随之增加。生物滤层中滤层上部是高效除铁段，Mn2+只有在Fe2+被去除达标的情况下才能被去除，主要原因如下：
(1)高浓度Fe2+能够破坏生物滤层上部的生物除锰滤层结构;
(2)高价态的锰氧化物被还原并溶出Mn2+促使高效生物除锰段下移。研究发现当原水中Fe2+浓度高于3 mg/L 时，Fe2+足以成为还原高价锰氧化物的电子供体使Mn2+溶出，破坏生物滤层结构，影响生物除锰过程。
2 影响生物除铁除锰技术的主要因素
2.1 溶解氧浓度的影响
铁、锰的氧化在生物去除铁锰滤层中都是在pH中性条件下反应得，如果不要求散失二氧化碳，根据氧化还原反应电子得失，所需溶解氧计算如下：[O2] = a{0.29 [Mn2+] + 0.143 [Fe2+]}式中a 为过剩系数。据以往试验数据得出，对于18 ℃的含铁水，铁的最大浓度值为30 mg/L，饱和溶解氧量为9.17 mg/L，据以上公式可得出过剩系数为a=2.18，且溶解氧过剩系数几乎不影响生物氧化速率，所以实际工程上a 值取1.5 足够。假设地下水含铁含锰浓度分别为15 mg/L 和2 mg/L，则氧化除铁除锰的需氧量为：
[O2] = 1.5{0.29 [Mn2+] + 0.143 [Fe2+]} = 4.087 5 mg/L我国地下水铁、锰含量绝大部分都在15 mg/L和2 mg/L 以下，所以对于一般的含铁含锰地下水，利用简单的跌水曝气控制溶解氧浓度在4~5 mg/L之间，就能满足除铁除猛的要求。当原水中含有氨氮时应根据如下公式计算：
[O2] = a{4.6 [NH4+-N] + 0.143 [Fe2+] + 0.29 [Mn2+]}需控制溶解氧>7.5 mg/L，否则生物滤层不能培养成熟，出水锰离子浓度也不能达标。溶解氧充足时，铁锰与氨氮可在同一生物滤层被去除;在溶解氧不足的情况下，生物法将延缓除锰的速度，同时氨氮也不能完全被去除。综上所述，无论溶解氧是否充足，铁的去除都要优于锰和氨氮。
2.2 滤层厚度的影响
Hamdy S 等在实验中观察了颗粒活性炭滤层厚度对铁、锰去除的影响，发现滤层的厚度与铁和锰去除效果成正比，30 cm 厚滤层的处理效果(锰的去除率大于 94%，铁的去除率大于80%)能满足饮用水标准。除铁除锰生物滤池处理效果好坏的重要因素是滤层厚度，而地下水水质是决定滤层厚度的首要因素。实验结果表明：对于含铁量较低的地下水，除铁除锰生物滤层厚度一般为900～1 000mm;对于铁、锰含量一般的地下水，其生物除铁除锰滤层厚度适建议为1 000 mm 左右;对于含铁量较高的地下水，除铁除锰生物滤层厚度宜为1 000～1300 mm;当原水中含氨氮时, 应适当增加滤层厚度，约为1 500 mm。
2.3 滤料的影响
生物除铁除锰常用的滤料有无烟煤滤料、锰砂滤料、石英砂滤料。三者的优缺点如表1。通过对比三种滤料的优缺点，除铁除锰生物滤池的滤层结构可以采用双层结构，即滤层上部滤料用无烟煤，下部滤料用石英砂。无烟煤滤料用于滤层上部的高效除铁段，没有机会附着高价锰，对于下部的除锰层，由于有上部高效除铁段的保护，使其接触不到高浓度Fe2+，从而避免了Fe2+对除锰生物滤层的破坏和Mn2+的溶出。Hamidi A .Aziz等研究发现，对于pH 为7，锰浓度为1 mg/L 的地下水，用石灰石滤层比砂砾有更好的去除效果。
2.4 反冲洗参数的影响
通过实践证明，反冲洗参数的确定主要考虑原水的特有性质，进水铁锰的含量、过滤的速度等因素。反冲洗强度是随着生物滤池的运行而不断提高的，与此同时滤池的工作周期减少，反冲洗时间增加。生物滤池培养成熟后，运转的核心工作是稳定运行，而滤池的稳定运行与过滤周期、滤速、反冲洗历时及反冲洗强度等参数密切相关。此时，滤料表面较多代谢产物的沉积、滤层在培养初期滞留的铁泥等都需要提高反冲洗强度来清除，此外，反冲洗强度的增加还有利于加固细菌在滤料表面的附着，增强生物滤层抗水利冲击的能力。程庆峰等的研究结果表明，在反冲洗周期分别为24、48 和72 h 时，铁、锰、氨氮的去除效果均低于国家标准，但随着反冲洗周期的延长，出水浊度不断增大，穿透滤层的物质也增多。高洁[25]等的研究结果表明，反冲洗参数选择的原则主要考虑两方面因素:一是通过保证滤层中微生物的数量来继续维持生态系统的平衡,从而保证下一工作周期的正常运行;二是冲出滤层滤料间隙中铁泥等悬浮状物质,恢复滤层的产水能力及初始水头。
3 生物法用于复合型微污染地下水处理的研究进展
复合型微污染地下水含有铁锰、有机物和氨氮，能够对其起氧化作用的细菌各不相同，且这些细菌对营养成分、生长环境也有各自不同的要求和对应的适宜条件。因此，溶解氧、滤速、温度、生物载体滤料等成为去除效果的重要影响因素。处理复合型微污染地下水所要达到的目标是实现复合型微污染地下水中铁、锰、氨氮、有机物同时去除达标，并且可以达到有生产实用意义的滤速。在此条件下，寻求溶解氧需求规律和需求量、及其与滤层厚度、滤速、温度的关系，是复合型微污染地下水处理工艺实现生产化运行的技术依据，也是目前复合型微污染地下水处理存在的问题。
目前有关复合型微污染地下水处理技术，主要是基于生物作用的曝气-生物接触氧化过滤法。复合型微污染地下水中各污染物质的去除主要是化学氧化生物氧化的共同作用，因此需要溶解氧的参与才能实现，且铁、锰、氨氮、有机物的去除机理不同，使得各污染物质在滤层中的去除存在空间上的差异和对溶解氧的竞争，而溶解氧的最佳含量需要通过对滤池在不同运行条件下的净化效果对比确定。国内外研究结果表明，接触氧化法处理复合型微污染地下水，水中各类污染物质的去除顺序依次是铁、氨氮、锰，去除氨氮需消耗大量的溶解氧，因此，只有在氨氮被去除后才开始进行彻底的除锰，有机物的去除则没有发现规律。张文博的现场中试结果表明，在1.0 m/h～1.5 m/h 滤速下，可实现4 项指标均达到饮用水标准。同时提出，溶解氧的不足是滤速不能提高的控制因素。李艳凤和闫谞的研究结果表明，锰砂-陶粒-锰砂的滤料组合是适宜的滤池滤料组合方式，可满足有利于去除难度较大的除锰、氨氮的要求，同时可去除铁和有机物。并且在试验条件下，滤速可达6 m/h。
4 结 语
生物法研究发展至今, 经过学者们不断努力，结合工程实际，已经取得了一些有价值的成果。生物法除铁除锰较其他方法有许多优点，在生物滤层中铁锰可同时去除，不需要提供多级构筑物，对于铁锰共存的地下水，通过一级曝气，一级过滤就能达到同时去除地下水中铁锰的目的，该工艺具有广阔的发展前景。但作为一种新技术，在实际工程应用中还有许多方面需进一步完善，如成熟的工艺参数，防止漏锰等问题。目前，对含有铁、锰、氨氮、有机物共存的复合型微污染地下水的研究还处于初级阶段。当含铁、锰的地下水中同时有氨氮和有机物存在时，有机物和氨氮的去除主要是通过滤料的吸附、在滤料表面的硝化自养菌和异样菌的吸收、代谢、排出，同时铁、锰自身也会受到有机物中羟基影响形成难降解的络合物，从而增加了处理复合型微污染地下水的难度，一般的地下水处理工艺难以达到净化效果，因此提出新的去除工艺值得关注和研究。以上问题有待深入研究与探讨，结合工程实践逐渐完善和解决，使该工艺更好地服务于我国供水事业。
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