生物除鐵除錳濾池對(duì)砷(Ⅲ)的去除效果

劉曉天，李 冬 ，2，曾輝平，張 杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090;2.北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

生物除鐵除錳濾池對(duì)砷(Ⅲ)的去除效果

劉曉天1，李 冬1，2，曾輝平1，張 杰1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150090;2.北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

采用人工配制的含有As(Ⅲ)30～200 μg/L，F(xiàn)e2+0.5～1.50 mg/L，Mn2+0.6～2.0 mg/L的原水，通過已經(jīng)培養(yǎng)成熟的生物除鐵除錳濾柱進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，分別考察了3、4、5 m/h濾速條件下砷的去除效果.結(jié)果表明:在原水中砷質(zhì)量濃度低于200 μg/L的情況下，生物除鐵除錳濾池的鐵錳去除能力基本不受砷的影響，并且砷的去除效果明顯，去除率在95%以上.經(jīng)過濾柱分層取水實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砷的去除集中在0～660 mm的濾層厚度.在反沖洗后，短時(shí)期內(nèi)砷和鐵有超標(biāo)的現(xiàn)象.

生物濾池;砷;除鐵;除錳

砷是一種對(duì)人和動(dòng)物有毒害作用的物質(zhì)，不僅可以引起急性、慢性中毒，還可以呈現(xiàn)致癌作用［1］，主要通過飲用水的途徑進(jìn)入人體.2003年，歐盟將飲用水中砷的標(biāo)準(zhǔn)由50 μg/L修改為10 μg/L.WHO也采用這一標(biāo)準(zhǔn).我國(guó)新的 GB 5749－2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中也已將砷標(biāo)準(zhǔn)由原來的50 μg/L修改為10 μg/L.在我國(guó)，受到高砷飲用水危害的人數(shù)眾多［2］.采用沉降及共沉降、吸附等方法處理時(shí)，As(Ⅲ)的去除效果較差［3］.

生物除鐵除錳技術(shù)是一種有效的去除地下水中鐵錳的方法，在我國(guó)北方得到了廣泛應(yīng)用［4－6］.地下水中一般存在較多的金屬離子和無機(jī)鹽，在很多情況下，As(Ⅲ)、Fe2+、Mn2+共同存在于地下水中，因此，本研究旨在考察生物除鐵除錳濾池對(duì)As(Ⅲ)的去除效果.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.試驗(yàn)濾柱采用有機(jī)玻璃柱，濾柱高為2 500 mm，直徑為60 mm，卵石承托層厚度為300 mm，濾層厚度為1 200 mm，濾料采用粒徑為0.5～1.2 mm的普通石英砂.在有機(jī)玻璃柱上從底端開始每隔200 mm設(shè)一個(gè)水樣取樣口，共10個(gè).該濾柱為已經(jīng)培養(yǎng)成熟的生物除鐵除錳濾柱，除鐵除錳效果良好.

圖1 試驗(yàn)裝置

1.2 原水水質(zhì)

試驗(yàn)中原水采用人工配制的方法，向靜置24 h以上的自來水中投加一定濃度的MnSO4溶液、FeSO4溶液、As(Ⅲ)溶液(由 NaAsO2配制)，模擬天然水體含有As(Ⅲ)、Fe2+、Mn2+的情況.水箱2中為自來水，水箱1中為一定濃度的含F(xiàn)e2+、Mn2+、As(Ⅲ)的儲(chǔ)備液.兩個(gè)水箱的水經(jīng)過計(jì)量泵輸送到靜態(tài)混合器進(jìn)行混合后，形成原水，原水中Fe2+、Mn2+、As(Ⅲ)的濃度可以通過計(jì)量泵進(jìn)行調(diào)節(jié).試驗(yàn)中原水的其他性質(zhì)如下，溫度為15～17℃，pH值為6.5～7. 0，濁度3.3～3.7 NTU，DO為6.4～6.9 mg/L.

1.3 試驗(yàn)過程

控制濾柱的運(yùn)行工況分別在 3， 4，5 m/h的濾速下，每24 h從取樣口取水樣，測(cè) Fe、Mn、As(Ⅲ)的濃度，考察濾柱在不同的濾速下對(duì)As(Ⅲ)的去除效果，以及在不同的濾層深度各目標(biāo)物質(zhì)的去除效果.

開始運(yùn)行階段，為減小As(Ⅲ)對(duì)濾層內(nèi)生物產(chǎn)生的沖擊，采用較低的進(jìn)水As(Ⅲ)濃度及較小的濾速(2 m/h)，并延長(zhǎng)反沖洗周期，減小反沖洗強(qiáng)度.在穩(wěn)定運(yùn)行后采用3～5 m/h的濾速，反沖洗強(qiáng)度8 L/(s·m2)，反沖洗時(shí)間3 min，反沖洗周期72 h.

1.4 分析項(xiàng)目及方法

pH值由pHS－3C型酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定前用標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖溶液進(jìn)行校正.DO的測(cè)定采用溶解氧儀(WTW，oxi315i).As(Ⅲ)、Fe、Mn 濃度檢測(cè):水樣經(jīng) 0.45 μm 的濾膜過濾后，酸化至pH< 1，采用ICP－OES(Perkin Elmer，Optima 5300DV)測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 長(zhǎng)期運(yùn)行效果

在對(duì)濾池兩個(gè)月的運(yùn)行效果觀測(cè)中，濾池對(duì)As(Ⅲ)、Fe、Mn均有很好的去除效果(見圖2～4)，出水均達(dá)到GB5749－2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的水質(zhì)指標(biāo).從圖2～4可以看出，在濾速由2 m/h增加到5 m/h，As(Ⅲ)的質(zhì)量濃度從30 μg/L逐漸增加到200 μg/L的過程中，濾柱的出水Fe、Mn質(zhì)量濃度一直能夠達(dá)標(biāo)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):Fe 0.3 mg/L，Mn 0.1 mg/L)，As(Ⅲ)的加入沒有影響原濾柱對(duì)Fe、Mn的去除效果，并且出水中As的濃度也一直能夠達(dá)標(biāo).圖4中在濾速5 m/h，進(jìn)水As(Ⅲ)質(zhì)量濃度200 μg/L的運(yùn)行工況下，出水As的質(zhì)量濃度接近10 μg/L，說明在5 m/h的濾速下，且原水鐵錳離子質(zhì)量濃度在1～2 mg/L波動(dòng)時(shí)，生物除鐵除錳濾柱的極限除As(Ⅲ)質(zhì)量濃度為200 μg/L左右.

圖2 長(zhǎng)期試驗(yàn)鐵的去除效果

圖3 長(zhǎng)期試驗(yàn)錳的去除效果

圖4 長(zhǎng)期試驗(yàn)砷的去除效果

2.2 不同濾層厚度的Fe、Mn、As(Ⅲ)去除效果

分別在濾層深度為 200， 460， 660， 860，1 060，1 200 mm處取水樣測(cè)定Fe，Mn，As的濃度，結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同濾層深度對(duì)As(Ⅲ)的去除效果

在 As(Ⅲ)初始質(zhì)量濃度 98.5 μg/L，pH=6. 8，溶解氧為6.5 mg/L的初始條件下，考察濾層中Fe、Mn、As(Ⅲ)的去除效果.從圖5可以看出，F(xiàn)e在0～200 mm的濾層深度內(nèi)很快被去除，在濾層中0～660 mm的深度范圍內(nèi)，As的濃度下降很快，去除率達(dá)到83.73%，到1 200 mm的濾層深度時(shí)，去除率為99.72%.Mn的分層去除效果與As幾乎一致，都是在濾柱上部(0～660 cm)得到大部分去除.

2.3 濾速對(duì)As(Ⅲ)去除效果的影響

考察了在As(Ⅲ)初始濃度100 μg/L左右，pH=6. 8，溶解氧6.5 mg/L的初始條件下，濾速分別為 3， 4，5 m/h時(shí)，濾柱對(duì) As(Ⅲ)的去除效果.從圖6可以看出，在3種濾速下，As(Ⅲ)的最終去除效果相差不大，盡管在濾速5 m/h時(shí)去除率稍有降低，但是出水As質(zhì)量濃度依然達(dá)到10 μg/L以下.由此可見，在實(shí)驗(yàn)條件下，濾池去除As(Ⅲ)的極限濾速可以達(dá)到5 m/h以上.

圖6 不同濾速下As(Ⅲ)的去除效果

2.4 反沖洗對(duì)濾柱除砷效果的影響

考察了反沖洗后 5， 10， 20，30 min 時(shí)，濾池出水Fe、Mn、As的濃度，如圖7所示.可以看出，在濾柱反沖洗后的5 min內(nèi)，出水Fe的濃度超標(biāo);在反沖洗后20 min內(nèi)，出水As的濃度超標(biāo).

圖7 反沖洗后As(Ⅲ)、Fe、Mn的去除效果

3 結(jié)論

1)在實(shí)驗(yàn)水質(zhì)條件下，生物除鐵除錳濾池能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)Fe、Mn、As(Ⅲ)的良好去除，As(Ⅲ)的去除率在95%以上.當(dāng)進(jìn)水As(Ⅲ)質(zhì)量濃度200 μg/L時(shí)，生物濾柱運(yùn)行的極限濾速為5 m/h.

2)生物除鐵除錳濾池對(duì)As(Ⅲ)的去除起主要作用的濾層深度為0～660 mm;反沖洗強(qiáng)度8 L/(s·m2)，反沖洗周期72 h的條件下，反沖洗后20 min內(nèi)，出水As的濃度會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)，出水Mn的濃度一直能夠達(dá)標(biāo).

［1］GROEN K，HAMG V，JJG K，et al.bioavaibility of inorganic arsenic from bogore-containing soil in the dog［J］.Enviromental HealthPerspectives， 1994，102(2):182－184.

［2］張 嵐，陳昌杰.我國(guó)高砷飲用水的地理分布與暴露人群［J］.衛(wèi)生研究， 1997，26(5):310 －313.

［3］MEEA Kanga，HONG Chenb，YUKO Satoc，et al.Rapd and economical indicator for evaluating arsenic removal with minimum aluminum residual during coagulation process ［J］.Water Research， 2003，37(19):4599－4604.

［4］李 冬，楊 宏，張 杰.生物濾層同時(shí)去除地下水中鐵、錳離子研究［J］.中國(guó)給水排水， 2001，17(8):1－5.

［5］李 冬，楊 宏，張 杰.首座大型生物除鐵除錳水廠的實(shí)踐［J］. 中國(guó)工程科學(xué)， 2003，5(7):53 －57.

［6］李 冬，張 杰，陳立學(xué)，等.生物除鐵除錳在地下水處理廠的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水， 2004，20(12):85－88.

Arsenic(Ⅲ)removal by biofilter for iron and manganese removal

LIU Xiao-tian1，LI-Dong1，2，ZENG Hui-ping1，ZHANG Jie1

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;2.Key Laboratory of Water Quality Science and Water Enviroment Recovery Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China，lidong2006@bjut.edu.cn)

In this research，the removal efficiency of As(Ⅲ)by biofilter was studied under filtration velocity of 3，4 and 5 m/h respectively，using well-established biofilter column and synthetic raw water which contains As(Ⅲ)，F(xiàn)e(Ⅱ)and Mn(Ⅱ)in the concentration of 30 －200 μg/L，0.5 －1.5 mg/L and 0.6 －2.0 mg/L，respectively.The results indicate that the removal efficiency of biofilter on As(Ⅲ)can be over 95%，and it is not affected by As with the concentration below 200 μg/L in the raw water.The capability of arsenic removal of the biofilter is found to concentrate in the filter bed with deepness of 0－660 mm after measuring the samples from different sampling places.And As(Ⅲ)and Fe(Ⅱ)will exceed the standards for a short time after back-washing.

biofilter;arsenic;iron removal;manganese removal

TU991.2

A

0367－6234(2010)06－0873－03

2010－03－01.

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07424－005－003).

劉曉天(1985—)，男，碩士研究生;

張 杰(1938—)，男，教授，中國(guó)工程院院士.

(編輯 楊 波)