基于地下水生物除鐵除錳裝置的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

胡鋒平，唐朝春，何 偉，鐘 律，王全金

（華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

在高等教育改革的大趨勢(shì)下，教學(xué)機(jī)制和培養(yǎng)模式［1］無疑是高校學(xué)科負(fù)責(zé)人思考的重點(diǎn)。華東交通大學(xué)把開展綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)作為一種日常教學(xué)內(nèi)容列入實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃，內(nèi)容不僅包括基于課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還包括培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的開放性實(shí)驗(yàn)。華東交通大學(xué)給排水工程實(shí)驗(yàn)中心系江西省產(chǎn)學(xué)研培養(yǎng)基地、實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，地下水生物除鐵除錳研究就是開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。

地下水生物除鐵除錳裝置是校企合作研發(fā)給水處理設(shè)備，并且已通過江西省重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃項(xiàng)目鑒定，成果達(dá)國內(nèi)領(lǐng)先水平。結(jié)合華東交通大學(xué)給水排水工程、環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)大綱和培養(yǎng)目標(biāo)，將地下水生物除鐵除錳裝置納入開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，以該裝置為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生開展一系列實(shí)驗(yàn)。

1 地下水生物除鐵除錳開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

1.1 開放實(shí)驗(yàn)“地下水除鐵除錳工藝”的確定

結(jié)合地下水水質(zhì)和當(dāng)前除鐵除錳研究現(xiàn)狀，確定采用生物除鐵除錳工藝。地下水通過水泵提升，經(jīng)穿孔布水管噴淋進(jìn)入圓形濾罐中，經(jīng)過濾罐中的改性錳砂濾料后，從底部出水。實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

生物除鐵除錳工藝在過濾的基礎(chǔ)上引入以鐵錳基質(zhì)為營養(yǎng)的鐵錳氧化細(xì)菌［2］對(duì)地下水中鐵錳進(jìn)行去除，鐵錳氧化細(xì)菌大量附著在錳砂濾料上，形成具有除錳能力的微生物濾膜，當(dāng)水流流經(jīng)濾料時(shí)，通過鐵錳氧化細(xì)菌的作用，進(jìn)水中的鐵錳濃度逐漸降低［3］，鐵錳在同一濾池中被同時(shí)去除［4］。

生物除鐵除錳工藝相比于傳統(tǒng)物理－化學(xué)過濾方法區(qū)別在于引入微生物作用對(duì)原水中鐵錳進(jìn)行去除，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）工藝流程短，主體投資省。生物除鐵除錳工藝只需一個(gè)處理環(huán)節(jié)就可實(shí)現(xiàn)鐵錳同時(shí)去除，工藝流程縮短，主體構(gòu)筑物工程一次性投資可節(jié)省50%左右［5］，且傳統(tǒng)的一級(jí)過濾除鐵、二級(jí)過濾除錳的工藝方法流程復(fù)雜，不利用操作和管理［6］。

（2）抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。生物除鐵除錳裝置中的微生物附著在濾料上，形成固定的微生物濾膜，能抵抗強(qiáng)水流的沖擊力。對(duì)于含高濃度的鐵錳地下水，濾層中微生物隨營養(yǎng)的增加迅速增殖［7］，保證出水水質(zhì)。單純的物理－化學(xué)過濾在填料本身的吸附能力達(dá)到飽和后很難再有提升的空間。

（3）節(jié)省能耗。生物除鐵除錳工藝整個(gè)處理過程只需1次提升，通過穿孔管布水和曝氣同時(shí)進(jìn)行，無需專門曝氣［8］。傳統(tǒng)的一級(jí)過濾除鐵、二級(jí)過濾除錳的工藝需要2次提升，且原地下水需要提前曝氣，增加了能耗。

（4）占地少。生物除鐵除錳工藝充分利用空間高度［9］，加之工藝流程短，占地面積比傳統(tǒng)工藝方法少。

生物除鐵除錳工藝也有著自身的缺點(diǎn)，如為保證濾料上微生物適宜的生存環(huán)境，濾池運(yùn)行條件較為嚴(yán)格，且從啟動(dòng)到填料掛膜所需的時(shí)間相對(duì)較長，溫度對(duì)微生物有一定的影響等［10］。

1.2 開放性實(shí)驗(yàn)的地下水生物除鐵除錳裝置

裝置整體呈圓柱體，直徑1.4m，裝置的高度為2.8m，設(shè)4個(gè)高度為0.5m的支撐。填料總高度1.1 m，下部鋪0.1m的陶瓷濾料作為承托層。裝置設(shè)計(jì)進(jìn)水流量為10m3／h，濾速6.5m／h，采用短柄濾頭進(jìn)行反沖洗布水，濾頭安裝在用于承托填料層的濾板上。裝置實(shí)物如圖2所示，主要設(shè)備及材料如表1所示。

圖2 除鐵除錳裝置實(shí)物圖

表1 主要設(shè)備及材料表

2 本項(xiàng)目的意義

（1）通過開放性實(shí)驗(yàn)機(jī)制，讓學(xué)生參與到實(shí)際的課題中，開闊學(xué)生的眼界。學(xué)生在做課題實(shí)驗(yàn)中能發(fā)現(xiàn)自己的長處，有展現(xiàn)自己能力的機(jī)會(huì)，有利于提高學(xué)生的自信心和積極性，同時(shí)學(xué)生可以了解自己平時(shí)在學(xué)習(xí)中的不足，彌補(bǔ)缺陷，提高自己。

（2）開放性實(shí)驗(yàn)從選題到方案的確定具有一定的靈活性和寬松性［11］，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和專長選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這一方式調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維。

（3）在完成課題任務(wù)過程中，學(xué)生各取所長，彼此之間相互學(xué)習(xí)。同時(shí)在完成課題實(shí)驗(yàn)任務(wù)中所要用到的不僅是已學(xué)過的本專業(yè)的知識(shí)，還需要了解其他學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，這有助于提高學(xué)生的整體素質(zhì)和綜合能力。

3 地下水生物除鐵除錳裝置的教學(xué)實(shí)踐

給水排水工程專業(yè)2008級(jí)的5名學(xué)生參與了地下水除鐵除錳裝置開放性實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)生根據(jù)自己制定的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)改性錳砂作為填料的生物除鐵除錳裝置的處理效果及各項(xiàng)工況進(jìn)行了研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)條件：處理水量10m3／h，進(jìn)水鐵濃度2.4～5.5mg／L，錳濃度0.3～2.2mg／L，pH 值6.88～7.02，溶解氧4mg／L。

實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)時(shí)，在濾池中一次性接入高濃度菌液，在3m／h的濾速下循環(huán)培養(yǎng)3～4天，再以同樣的濾速轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)至第35天時(shí)提高濾速到4.5m／h，運(yùn)行至第60天后濾速提高到6m／h。記錄濾柱每天進(jìn)出水的鐵、錳濃度。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過兩個(gè)多月的連續(xù)運(yùn)行，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，裝置處理效果見圖3和圖4。

圖3 生物除鐵除錳裝置進(jìn)出水Fe2＋濃度及去除率變化

圖3和圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濾柱對(duì)鐵的去除效果較好，通水1星期后，出水中Fe2＋濃度一直維持在0.3 mg／L以下，濾柱對(duì) Mn2＋的去除稍有波動(dòng)，但實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第50天時(shí)，錳濃度曲線趨于平穩(wěn)，出水中錳濃度保持0.1mg／L以下。在濾速6m／h時(shí)，原水鐵濃度為1.8～5.5mg／L，錳濃度為0.3～2.3mg／L，溶解氧2.5mg／L，在pH中性的條件下，生物濾層對(duì)鐵、錳的去除率分別可達(dá)99.3%和97.7%。從這一結(jié)果可以看出鐵錳確實(shí)能在同一濾池中被去除，且去除效果較好。

圖4 生物除鐵除錳裝置進(jìn)出水Mn2＋濃度及去除率變化

圖4數(shù)據(jù)中，運(yùn)行初期出水中Mn2＋濃度較低，實(shí)驗(yàn)開始后第17天出水中Mn2＋濃度大幅上升，隨后半個(gè)月，Mn2＋去除率一直處于大幅波動(dòng)狀態(tài)。這主要是因?yàn)殄i砂濾料表面具有吸附Fe2＋、Mn2＋的特性。實(shí)驗(yàn)前期，濾料剛投入運(yùn)行不久，吸附容量較大，對(duì)Fe2＋、Mn2＋的吸附能力強(qiáng)，出水中Fe2＋、Mn2＋低。隨著濾料上吸附位逐漸被占據(jù)，濾料吸附容量漸漸被消耗，開始出現(xiàn)對(duì)Fe2＋、Mn2＋的吸收不徹底，出水中Fe2＋、Mn2＋濃度升高。濾柱定期的反沖洗，使得濾料表面的吸附位在一定程度上獲得再生，出水中的Fe2＋、Mn2＋又有所下降，而隨后又降下去，以致處理效果呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。

由圖3還可以看出，濾速的提高對(duì)濾層除鐵基本沒有影響。原因主要是鐵的去除基本上靠濾層對(duì)氧化生成的Fe（OH）3沉淀物的截留作用。由圖4也還可以看出Mn2＋去除受濾速的影響較大。濾速提高到4.5m／h前，出水Mn2＋濃度經(jīng)歷波動(dòng)后下降，說明濾層中微生物已經(jīng)開始發(fā)揮效用，但此時(shí)的細(xì)菌處于適應(yīng)新環(huán)境階段，細(xì)菌活性不強(qiáng)，雖經(jīng)歷短時(shí)間的自循環(huán)培養(yǎng)，但大多仍處于濾料顆粒間隙或?yàn)V料的表面，沒有真正固定在濾料上，抗沖擊負(fù)荷能力有限。提高濾速后，出水中Mn2＋濃度升高，直到第46天才有所下降。此時(shí)濾層中微生物已經(jīng)達(dá)到一定數(shù)量，且有一部分附著固定在濾料上，濾層具備一定的抗沖擊負(fù)荷能力。第60天，濾速提高到6m／h后，隨出水中 Mn2＋濃度有上升趨勢(shì)，但基本維持在0.1mg／L以下，濾池達(dá)到了穩(wěn)定出水的能力。

實(shí)驗(yàn)開始啟動(dòng)時(shí)采用低濾速運(yùn)行取得了很好的效果。低濾速條件下，水流對(duì)濾砂空隙間的剪切力較小，濾砂間隙中和濾砂表面上微生物群落受到的沖刷較輕，促進(jìn)細(xì)菌在濾料表面附著和固定，有利于生物濾層的成熟。低濾速同時(shí)減緩了濾砂表面吸附容量的飽和速度，為生物除鐵除錳效能與吸附能力的銜接，提供了時(shí)間和空間的保障［12］。

實(shí)驗(yàn)開始準(zhǔn)備工作，對(duì)錳砂進(jìn)行篩選，保證了裝置的出水量。新購置的錳砂含有大量的灰塵及直徑小于0.6mm的顆粒，若不去除，通水后，堵塞在大顆粒濾砂空隙間，阻礙水流通過，濾速減小，裝置出水量難以提高。通過裝置的反沖洗系統(tǒng)，通水對(duì)濾砂進(jìn)行反沖洗，灰塵及小顆粒濾砂處于液面之上，隨水流從反沖洗出水管流出。如此多次進(jìn)行，直至達(dá)到所需要求為止。

學(xué)生通過參加開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)自己制定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，普遍認(rèn)為動(dòng)手實(shí)踐能力得到增強(qiáng)，學(xué)習(xí)積極性得到提高。

4 結(jié)論

（1）地下水中鐵錳能在同一濾池中被去除，且去除效果較好。

（2）進(jìn)水鐵濃度2.4～5.5mg／L，錳濃度0.3～2.2mg／L，在pH值6.88～7.02，溶解氧4mg／L的條件下，地下水生物除鐵除錳裝置出水鐵濃度小于0.3mg／L，錳濃度小于0.1mg／L，對(duì)鐵錳的平均去除率分別達(dá)97%和82%。

（3）以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)培養(yǎng)為重點(diǎn)的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了其自主解決問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，激發(fā)了他們的創(chuàng)新思維，學(xué)生的整體素質(zhì)和綜合能力得到了提高。

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