張杰1，楊宏2，李冬1，楊繼娟2，肖立新2
(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：通過無菌濾層與生物濾層的除鐵、除錳對照試驗，得出了生物濾層不但可以同時去除原水中的鐵與錳離子，而且Fe²⁺參與了除錳菌的代謝，對維系生物濾層中生物群系的平衡起到了至關重要的作用。同時，生物濾層對Fe³⁺鹽的固體微細粒子也有很好的捕捉去除作用。
　　關鍵詞：生物濾層；除錳菌；鐵離子
　　中圖分類號：TU991.2
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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、錳的化學性質相似，在自然界中常常共存，地下水中的Fe²⁺、Mn²⁺離子往往相伴而生，而且在含量上相當穩定，Fe²⁺的濃度大致高于Mn²⁺濃度一個數量級。Fe²⁺在無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行生物氧化，筆者在試驗中證實了Fe²⁺、Mn²⁺離子可以在生物濾層中同時被去除，突破了一級除鐵、二級除錳的傳統工藝技術［1～3］。

1　生物濾層與無菌濾層的除鐵試驗

1.1　材料和步驟
　　有機玻璃管2根，直徑為100 mm，高為2.5 m。一根內裝成熟錳砂濾料，厚為1 200 mm，制成生物濾層濾柱；另一根裝無菌錳砂生料，制成無菌過濾柱。
　　在已經去除鐵、錳的自來水中加入FeSO₄溶液，配成一定濃度的只含鐵不含錳的試驗用原水，經跌水曝氣后分別進入生物濾柱和無菌濾柱進行過濾。濾速為17.8 m/h，單個試驗柱流量為140 L/h。正常運行兩周，每天取進、出水樣進行各項水質項目分析，觀察兩個濾層中鐵的去除狀況。
1.2　結果與分析
　　將每天的分析結果制成圖1和圖2。

　　　　

　　從圖1和圖2可知，①無論在生物濾柱還是無菌濾柱中，Fe²⁺的氧化一直很穩定，盡管進水中Fe²⁺濃度波動很大，兩根濾柱出水的Fe²⁺含量都趨近于痕量。②原水經曝氣后，總會生成一定的Fe³⁺離子，Fe³⁺離子呈固態微細顆粒狀懸浮于水中(該試驗原水中的Fe³⁺離子占據總鐵的大半)。在無菌濾柱中，盡管Fe²⁺能很好地被去除，但對Fe³⁺的去除能力較差，總有一部分Fe³⁺粒子透過濾層而使出水總鐵濃度偏高，在高濾速(17.8 m/h)條件下達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，絕大多數情況下低于0.2 mg/L，相當部分達到0.1 mg/L之下。這說明原水中的Fe³⁺離子微粒絕大多數被生物濾層所捕捉，從而得到了總鐵含量低且穩定的凈化水。
　　以上的試驗結果可以說明，生物濾層和無菌濾層在濾層構成上有較大的區別。生物濾層培養完成后，在濾料表面及濾料的縫隙里存在著大量的細菌，而這些細菌同鐵、錳氧化物形成了實際的菌泥膠狀物，充滿了生物濾層的空間，具有捕捉截留Fe³⁺的能力。而無菌濾層不具備這樣的特點，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，只能通過濾層的篩濾作用而截留，其中相當部分的三價鐵微細粒子穿透濾層的曲折空隙隨水流出濾層。

2　單純含錳水經生物濾層的過濾試驗

2.1　試驗材料與步驟
　　試驗用濾柱同1.1節。首先將濾料層進行生物接種并培養成熟，使濾層中微生物量達106 個/mL濕砂的水平。然后向濾柱通入只含錳不含鐵的原水，連續運行120 h后，向原水中注入二價鐵鹽，繼續運行。在全部運行過程中，每隔一定時間采取水樣，分析鐵、錳含量，以觀察鐵、錳的去除動態。
2.2　試驗結果
　　單純含錳水通入成熟的生物濾柱中，在初始時間段內對錳的去除效果甚好，進水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下降，直到90 h時，出水錳濃度與進水錳濃度相同，完全喪失了除錳能力。再繼續通入單純含錳水，出水錳濃度繼續上升，超過進水錳濃度。在120 h時開始向試驗原水中加入二價鐵鹽，結果發現經幾十小時后，出水錳濃度開始減少，到加注Fe²⁺后126 h，出水錳濃度又開始低于進水錳濃度，濾柱除錳能力有恢復的跡象。繼續運行下去，濾柱除錳能力漸漸提高，直至運行時間達627 h，錳的去除率恢復到63.4%。
2.3　分析與討論
　　①試驗為考察成熟的生物濾層對Mn²⁺的去除能力，有意將進水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。在此運行工況條件下，成熟濾層表現了很強的除錳能力，對Mn²⁺的去除率達95%。
　　②單純含錳水通入成熟生物濾層，運行幾個小時之后就開始漏錳，充分說明了生物濾層的除錳能力與Fe2+的存在和氧化還原有關。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。
　　③在進水中加入一定量的Fe²⁺后，濾層的除錳能力就漸漸得以恢復，可以斷定Fe²⁺參與了生物濾層中的代謝。Fe²⁺雖然在無菌濾層中也可以迅速地經接觸氧化而被去除，但是在生物濾層中確實也參與了除錳菌的代謝，并且在維持生物濾層的生態平衡上是不可缺少的。
　　試驗共進行了627 h，鐵、錳的去除情況見表1。

表1　成熟錳砂濾柱的單錳過濾試驗結果 運行時間(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　結論

　　Fe²⁺很容易在有溶解氧存在的條件下發生化學氧化，但通過試驗證明了其在生物除鐵、除錳濾層當中確實參與了生物氧化。同時，生物濾層對進入濾層前已經氧化的Fe³⁺所形成的小顆粒膠體，有很好的截濾作用。
　　濾層經接種、培養成熟后，對Mn²⁺具有很強的氧化性能，在這一培養成熟的濾層中存在著大量的鐵、錳氧化細菌和其他的一些微生物群系。單錳過濾試驗表明，這一由微生物群系所組成的生態系統的穩定是需要鐵的參與來維系的。

參考文獻：

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

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　　作者簡介：張杰(1938-)，男，遼寧本溪人，中國市政工程東北設計研究院特聘總工程師，哈爾濱工業大學、北京工業大學教授，博導，研究方向為水質凈化與水環境恢復。
　　電　　話：(0431)5627048(O)(0431)5654052(H)
　　收稿日期：2001-06-19