生物濾池地下水除鐵除錳研究進(jìn)展

唐朝春，陳惠民，葉　鑫，劉　名

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

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生物濾池地下水除鐵除錳研究進(jìn)展

唐朝春，陳惠民，葉鑫，劉名

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

摘要：在眾多處理技術(shù)中，生物濾池由于具有運(yùn)行成本低、操作簡(jiǎn)單、可以同步去除鐵錳等物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于地下水除鐵除錳工程中。介紹了生物濾池的優(yōu)勢(shì)與效果，詳細(xì)分析了生物濾池中微生物的種類(lèi)、接種和處理鐵錳的部位，探尋了生物濾池處理過(guò)程中的影響因素:溶解氧、pH、Fe2+對(duì)Mn2+的影響、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及共存離子，簡(jiǎn)述了生物濾池最適運(yùn)行參數(shù)與方式。并在結(jié)論中指出了今后生物濾池需要改進(jìn)的地方和研究方向。

關(guān)鍵詞：地下水；除鐵；除錳；生物濾池

我國(guó)地下水資源豐富，地下水作為飲用水具有分布廣、水質(zhì)好、調(diào)蓄能力強(qiáng)、供水保證度高、不易被污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是我國(guó)大部分地區(qū)尤其是北方地區(qū)地下水含有過(guò)量的鐵錳[2]。根據(jù)2014年國(guó)家發(fā)布的環(huán)境公報(bào)發(fā)現(xiàn)，2013年，全國(guó)有309個(gè)地級(jí)及以上城市的835個(gè)集中式飲用水源地統(tǒng)計(jì)取水情況，地下水水源地主要超標(biāo)指標(biāo)為鐵、錳和氨氮[3]。

另?yè)?jù)2000年我國(guó)130個(gè)城鎮(zhèn)和地區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)表明[4]，我國(guó)西南、中南、華南和東北的主要城市地下水都受到不同程度的鐵錳污染，南方的鐵錳污染較為嚴(yán)重。全國(guó)含過(guò)量鐵錳的地下水有18個(gè)省市，地下水的鐵含量一般小于10.00 mg/L，少數(shù)可達(dá)到30.00 mg/L，含錳量一般不高于3.00 mg/L[5]。黃河、長(zhǎng)江中下游以及松花江流域的地下水大多數(shù)都含有高濃度的鐵錳。除我國(guó)外，地下水中含高鐵錳的國(guó)家也有很多，如土耳其[6]、澳大利亞[7]、印度[8]、德國(guó)[9]、美國(guó)[10]、越南[11]等許多國(guó)家和地區(qū)。由此可見(jiàn)，地下水鐵錳過(guò)量是一個(gè)國(guó)際性的難題[12]。現(xiàn)今，地下水鐵錳的處理技術(shù)有氧化法[13-14]、吸附法[15]、化學(xué)混凝法[16]、超/微濾膜法[17-18]和生物法[19]等。

1地下水鐵錳的來(lái)源與危害

1.1地下水鐵錳的來(lái)源

鐵是地殼表層中含量排第4位的元素，多以難溶性化合物狀態(tài)分散在各種沉積巖、巖漿巖以及第4系地層中，這些三價(jià)和二價(jià)鐵的氧化物主要是通過(guò)化學(xué)和生物反應(yīng)，溶解到地下水中[20-21]。

錳與鐵化學(xué)性質(zhì)相似，地下水中的錳主要來(lái)自于礦物和巖石中錳的化合物的溶解作用，此外在富含有機(jī)物的水中可能會(huì)存在有機(jī)錳[20-23]。錳的氧化、溶解及沉淀等過(guò)程都由氧化還原反應(yīng)控制，可溶性的二價(jià)錳離子較為穩(wěn)定[24]。

1.2地下水鐵錳的危害

人體攝入的鐵錳含量過(guò)高，都會(huì)引發(fā)各種各樣的疾病[25]。鐵元素?cái)z入過(guò)多會(huì)引起鐵中毒現(xiàn)象的發(fā)生，鐵元素在體內(nèi)大量積累，會(huì)導(dǎo)致胰腺、肝臟和皮膚的損壞，糖尿病、肝病變和各種皮膚疾病甚至心臟病的發(fā)生[26-27]。錳元素?cái)z入過(guò)量時(shí)，容易引發(fā)錳佝僂病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)方面的疾病[28-31]。

在生活生產(chǎn)中，鐵錳暴露在空氣中，會(huì)使水體呈紅褐色和棕褐色，影響視覺(jué)[32-35]。鐵、錳氧化物會(huì)沉積在熱水器和硬水軟化器上，降低熱水器的加熱效率和軟化器的軟化效率[36-39]。地下水中的鐵錳會(huì)在管道系統(tǒng)中滋生大量鐵細(xì)菌和錳氧化菌，堵塞管道，細(xì)菌的代謝活動(dòng)也會(huì)腐蝕管道[40-42]。

2生物法除鐵錳的原理

生物法除鐵除錳與其他方法除鐵除錳有很大差異。生物除鐵的主要原理是：濾料表面的活性濾膜上生長(zhǎng)有大量鐵細(xì)菌，鐵細(xì)菌吸附水中的亞鐵離子(Fe2+)，利用溶解氧(DO)將Fe2+氧化成鐵離子(Fe3+)，并獲得能量維持自身生命活動(dòng)，通過(guò)鐵細(xì)菌的吸附氧化便可達(dá)到除鐵目的[14]。

生物除錳則有二種方式，一種是細(xì)菌直接產(chǎn)生酶或其他專(zhuān)一性因子來(lái)催化相關(guān)反應(yīng)，另一種則是生物細(xì)胞體分泌有反應(yīng)活性的小分子代謝物與錳反應(yīng)，或通過(guò)改變環(huán)境的pH來(lái)實(shí)現(xiàn)固錳[43]。例如某些鐵細(xì)菌表面能夠分泌出具有催化氧化二價(jià)錳離子(Mn2+)功能的活性物質(zhì)-酶，鐵細(xì)菌先將Mn2+吸附到細(xì)胞表面，然后在酶的催化作用下，使用DO將Mn2+氧化成四價(jià)錳離子(Mn4+)，并從中獲得能量，達(dá)到除錳目的，該鐵細(xì)菌組成了活性濾膜中具有活性的物質(zhì)[44-45]。

3生物濾池

3.1生物濾池除鐵除錳的優(yōu)勢(shì)與效果

3.1.1生物濾池除鐵除錳的優(yōu)勢(shì)生物濾池可以同時(shí)去除地下水中鐵錳及其他污染物。Athanasia等[46]研究使用生物濾池同步除鐵錳氨氮時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分的物理化學(xué)處理工藝不能有效的同時(shí)去除鐵、錳和氨氮這3種污染物，因?yàn)槊糠N物化處理對(duì)每個(gè)污染物有著不同的去除百分比，而生物濾池卻可以同時(shí)去除且成本更低，生物濾池前要進(jìn)行曝氣以為后續(xù)微生物提供DO，生物濾池中附著何種微生物取決于進(jìn)水水質(zhì)、環(huán)境(例如溫度)和操作條件。

對(duì)傳統(tǒng)水處理工廠改造的選擇中，生物濾池也是首選。Virginia等[47]在阿根廷除地下水鐵錳的傳統(tǒng)工廠改造中，發(fā)現(xiàn)使用生物濾池代替物理化學(xué)法除鐵錳是可行的，因?yàn)樵诋?dāng)?shù)厥褂蒙餅V池進(jìn)行改造具有足夠的優(yōu)勢(shì)：①可以不必接種污泥，可能是因?yàn)樵盀V料中含二氧化錳(MnO2)沉積物，15 d的培養(yǎng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵錳的有效去除；②經(jīng)營(yíng)成本被顯著降低，工廠的運(yùn)作簡(jiǎn)單化了，不用添加化學(xué)物質(zhì)和處理化學(xué)廢物；③產(chǎn)生的污泥對(duì)環(huán)境友好，因?yàn)闆](méi)有化學(xué)品的使用；④用現(xiàn)有物化處理設(shè)施改造成生物濾池不需要大的資金投入。

3.1.2生物濾池除鐵除錳的效果Hu等[48]研究微生物濾池對(duì)地下水的鐵錳去除效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水鐵濃度為0.96～5.56 mg/L、進(jìn)水錳濃度為0.87～2.38 mg/L、DO為2.00～4.00 mg/L、pH為中性、濾速為6.00 m/h時(shí)，鐵和錳的平均去除率分別為97.60%和90.90%，出水的鐵錳離子濃度都保持在0.10 mg/L以下，附著在濾料表面的鐵-錳氧化菌保持著一種穩(wěn)定的生長(zhǎng)和繁殖狀態(tài)，并持續(xù)的凈化地下水，嵌在鐵泥里的游離細(xì)菌和鐵-錳氧化菌一起將鐵錳離子固定到濾料表面的生物膜上。

唐文偉等[49]研究掛生物膜后的活性炭(BAC)除水中鐵錳的效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)BAC對(duì)鐵和錳的平均去除率分別能達(dá)到71.40%和78.70%，生物活性炭對(duì)鐵錳的去除效果優(yōu)于活性炭。華金銘等[50]研究石英砂濾層生物膜除鐵錳效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)石英砂濾料形成生物膜后較未形成前，其除鐵除錳能力都增強(qiáng)了。禹麗娥[51]研究地下水生物濾池除鐵效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)以石英砂濾柱作為生物濾柱除鐵，當(dāng)原水Fe2+濃度為4.30 mg/L、pH值為6.40～6.60、水溫為23～25 ℃、DO為1.50 mg/L、濾速為8.00 m/h時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定后，濾層20.00 cm處的出水就能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，通過(guò)滅菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濾柱除鐵主要是通過(guò)生物氧化作用完成的，而非物理化學(xué)作用。

3.2生物濾池的微生物

3.2.1微生物種類(lèi)地下水除鐵除錳的微生物種類(lèi)有很多，如披毛菌、纖毛菌、硝化螺菌、生絲微菌和假單胞菌等[52]。經(jīng)長(zhǎng)期的研究，有些研究者也找到了一些由自己命名的菌種，如一種芽孢桿菌屬(命名為MHK-10)、一種金黃桿菌屬(命名為MSB-4)、一種假單胞菌屬(命名為4-05)和一種不動(dòng)桿菌屬(命名為11-02)等。

Li等[52]研究使用生物濾池同步去除地下水中的鐵、錳和氨氮時(shí)，發(fā)現(xiàn)生物濾池中存在著披毛菌、纖毛菌、硝化螺菌、生絲微菌和假單胞菌等微生物，這些微生物對(duì)去除地下水中的鐵、錳和氨氮起主要作用。其中的披毛菌和纖毛菌分別是主要的除鐵菌和除錳菌，屬于β-變形菌；其中的假單胞菌可以通過(guò)胞外氧化酶將游離態(tài)錳吸收并氧化成MnO2，屬于γ-變形菌[53]。

張盼等[54]研究高錳地下水中除錳微生物的篩選與處理效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)一株名為MHK-10的菌株對(duì)鐵錳有高效去除作用，當(dāng)原水的總鐵濃度為0.41 mg/L、總錳濃度為3.21 mg/L、溫度為15 ℃、反應(yīng)時(shí)間為15 min、投加一定量的MHK-10培養(yǎng)液時(shí)，錳的去除率達(dá)到96.00%以上，該菌株屬于芽孢桿菌屬。

趙焱等[19]研究高效生物除鐵除錳工程菌MSB-4特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為12 ℃、pH為7.50、Mn2+和Fe2+的初始質(zhì)量濃度分別為5.60 mg/L和14.00 mg/L時(shí)，MSB-4菌株在48 h內(nèi)對(duì)Mn2+的去除率高達(dá)94.44%，對(duì)Fe2+的去除率也高達(dá)90.00%，該菌株屬于金黃桿菌屬。

陳麗芳等[55]對(duì)兩株產(chǎn)鐵錳氧化酶細(xì)菌進(jìn)行了鑒定，發(fā)現(xiàn)這兩株細(xì)菌都具有氧化Fe2+和Mn2+的能力，分別被命名為4-05和11-02，其中4-05有93.00%的可能性為假單胞菌屬，而11-02有99.00%的可能性為不動(dòng)桿菌屬。

姚遠(yuǎn)等[56]研究2株高效鐵錳氧化細(xì)菌對(duì)鐵錳的去除實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe2+和Mn2+的初始質(zhì)量濃度分別為160.00 mg/L和65.00 mg/L、溫度為25～28 ℃、pH為6.80～7.50時(shí)，F(xiàn)e2+的去除率接近100.00%，Mn2+的去除率也有85.00%以上，表明這2株菌均為革蘭氏陰性菌，F(xiàn)e2+的去除時(shí)間與菌體的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期相對(duì)應(yīng)，而Mn2+的去除則偏后，該菌體適合應(yīng)用于高效率、長(zhǎng)時(shí)間、低消耗的富鐵錳地下水治理模型中。

唐玉蘭等[57]研究用鐵錳菌和硝化菌同步除鐵、錳和氨氮，發(fā)現(xiàn)鐵錳菌對(duì)鐵、錳和氨氮都有去除功能，且對(duì)氨氮的去除主要是通過(guò)亞硝化作用，而硝化菌只對(duì)氨氮有去除作用，對(duì)鐵錳則幾乎不去除，混合菌的去除性能比鐵錳菌和硝化菌都要好，鐵錳菌與硝化菌共存對(duì)同步去除鐵錳有協(xié)同作用。

3.2.2微生物接種在生物濾池中，微生物可以由兩種途徑得到，一種是經(jīng)長(zhǎng)期的地下水沖刷，濾料上自然生長(zhǎng)著微生物，這種微生物獲得途徑耗時(shí)太久，生長(zhǎng)出來(lái)的微生物種類(lèi)不夠全面，處理鐵錳的效果也不太理想；另一種則是給濾料接種微生物，很快就能獲得生物群落，縮短濾池的啟動(dòng)時(shí)間，處理效果也很好。

Zeng等[58]研究使用老化生物濾池的微生物接種新生物濾池時(shí)，發(fā)現(xiàn)老化的生物濾池有著巨大的生物活性，表面覆蓋著大量的細(xì)菌，將這些細(xì)菌接種到新生物濾池里會(huì)將新生物濾池啟動(dòng)時(shí)間減少到30 d，大大縮減了啟動(dòng)時(shí)間。

Tamara等[59]使用生物濾池去除克羅地亞北部含鐵錳氨氮的地下水時(shí)，濾池填料使用表面覆蓋了天然MnO2的石英砂并接種了微生物，該濾池3～4周就能成熟，其濾料表面微生物主要是鞘鐵菌、亞硝化單胞菌和硝化菌，數(shù)目可能分別為2.4×106、5×106和3.3×105個(gè)/g。

除了附著在濾料表面的接種方式外，也有研究將濾料和菌體固化為一體的接種方式。程群星等[60]研制去除鐵錳的微生物活性濾料時(shí)，用菌體含量70.00 g/L、粉煤灰20.00 g/L、活性炭粉30.00 g/L、麩皮10.00 g/L制備固定化鐵錳氧化細(xì)菌小球，使用該小球?qū)n2+和Fe2+初始質(zhì)量濃度分別為30.00 mg/L和100.00 mg/L的原水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)2 d后的鐵去除率達(dá)到了100.00%，7 d后的錳去除率也達(dá)到了99.02%，該微生物小球?qū)﹁F錳的去除效果很好，且在一定范圍內(nèi)，提高Fe2+初始質(zhì)量濃度能促進(jìn)Mn2+的去除。

3.2.3生物濾池中微生物除鐵除錳的部位微生物除鐵、除錳和除其他物質(zhì)的部位是不同的，在空間上有著先后去除的順序。

地下水只含F(xiàn)e2+和Mn2+時(shí)，曾輝平等[61]發(fā)現(xiàn)濾池上層為除鐵段并有微弱的除錳效果，中下層才是高效除錳段，但當(dāng)原水Fe2+>3.00 mg/L時(shí)，高濃度的Fe2+會(huì)從高價(jià)錳氧化物中還原出Mn2+，從而破壞了生物濾層結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)Fe2+在濾層上部被氧化成Fe3+后，在濾層中下部才能構(gòu)筑起高速率的生物化學(xué)除錳段，由此可知Fe2+和Mn2+并非同時(shí)被去除，而是有個(gè)先后順序的。另有實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+在濾層上部去除，而Mn2+在中下部去除，濾柱出水Fe2+濃度一般都在濾層深度0.75 m處達(dá)標(biāo)，而Mn2+的達(dá)標(biāo)深度則由0.75 m增加到1.60 m[62]。

地下水只含F(xiàn)e2+、Mn2+和三價(jià)砷離子(As(Ⅲ))時(shí)，楊柳等[63]研究生物濾池同步去除地下水鐵錳砷實(shí)驗(yàn)時(shí)，將人工配制含F(xiàn)e2+為0.50～1.50 mg/L、Mn2+為1.00～1.50 mg/L和As(Ⅲ)為100.00～150.00 μg/L的原水通入已接種了微生物的成熟錳砂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)出水的Fe2+<0.30 mg/L、Mn2+<0.05 mg/L、As(Ⅲ)<10.00 μg/L，F(xiàn)e2+、Mn2+和As(Ⅲ)在濾層中的不同深度處具有各自的去除規(guī)律，這說(shuō)明濾料和濾層中逐漸生長(zhǎng)了大量微生物。圍繞各個(gè)離子具體去除深度的研究，Yang等[64]發(fā)現(xiàn)，鐵氧化菌、錳氧化菌和砷氧化菌在生物濾池中占主導(dǎo)地位，共同存在生物濾池的不同深度處，其深度分別為20.00、60.00和60.00 cm，即為相應(yīng)離子的主要去除深度，該深度對(duì)應(yīng)的鐵、錳和砷去除效率分別為86.00%、84.00%和87.00%，而該生物濾池對(duì)鐵、錳和砷的總?cè)コ史謩e為96.20%，97.70%和98.20%。

地下水只含F(xiàn)e2+、Mn2+和氨氮(NH4+-N)時(shí)，Li等[52]研究發(fā)現(xiàn)除鐵、除錳和除氨氮的微生物分布在生物濾池的不同深度上，因此對(duì)鐵、錳和氨氮也是分層去除的。后有學(xué)者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+和NH4+-N的氧化優(yōu)先于Mn2+的氧化，鐵離子的進(jìn)水濃度會(huì)影響錳的氧化速率和氨氮的轉(zhuǎn)化，除鐵帶出現(xiàn)在濾層上部，而除錳帶則出現(xiàn)在濾層中下部，要想成功除錳必須保證足夠的DO和濾層厚度[65-66]。

地下水只含F(xiàn)e2+、Mn2+和有機(jī)物時(shí)，張建林等[67]研究發(fā)現(xiàn)錳砂生物濾柱對(duì)含鐵錳地下水具有良好的凈化效果，其中Fe2+的高效去除區(qū)間在濾層上部，Mn2+和有機(jī)物可以實(shí)現(xiàn)同層去除，其高效去除區(qū)間在濾層中下部。

3.3生物濾池除鐵除錳的影響因素

3.3.1DODO濃度對(duì)除鐵除錳影響較大。趙海華等[68]發(fā)現(xiàn)DO是影響生物氧化菌活性的主要因素，當(dāng)DO在2.00～10.00 mg/L變化時(shí)鐵細(xì)菌的生長(zhǎng)未受到明顯影響，但其他濃度時(shí)的影響較為明顯。

DO濃度可以通過(guò)人工充氧干預(yù)。Kang等[53]使用噴射曝氣、跌水曝氣和生物濾池組合裝置有效的給地下水充了氧，使得濾池對(duì)鐵、錳和氨氮的去除率分別可以達(dá)到99.10%、95.00%和85.20%，出水中的鐵和錳濃度分別降到0.10和0.05 mg/L。

曝氣形式不同，也會(huì)影響去除效果。蔡言安等[69]研究發(fā)現(xiàn)在下向流單級(jí)生物濾池中DO是錳和氨氮去除的主要影響因素，下向流底部曝氣和上向流底部曝氣都能提供充足的DO，但是前者的濾柱濾水能力有限，而后者曝氣擾動(dòng)了濾池，使出水鐵錳濃度無(wú)法達(dá)標(biāo)。

3.3.2pHpH可以通過(guò)影響微生物活性來(lái)影響鐵錳的去除效果。趙海華等[68]研究發(fā)現(xiàn)pH是影響生物氧化菌活性的主要因素，pH為6.50～7.50時(shí)能滿足細(xì)菌生長(zhǎng)。周志華等[70]研究鐵氧化菌除Fe2+的影響因素時(shí)，也發(fā)現(xiàn)在溫度、pH、溶氧量、離子質(zhì)量濃度的4個(gè)理化因素中，pH對(duì)菌株的生長(zhǎng)及對(duì)Fe2+去除的影響最大。付偉等[71]控制接種條件來(lái)觀察錳的去除率，發(fā)現(xiàn)在濾層成熟前期，在控制DO、pH、溫度等條件下接種除錳細(xì)菌的濾層，會(huì)比單純接種除錳細(xì)菌的濾層多出21.00%的錳去除率，且濾層成熟時(shí)間也更短。

pH也可以通過(guò)影響亞鐵離子與錳氧化物反應(yīng)來(lái)影響鐵錳的去除效果。李燦波等[72]研究生物濾池除鐵錳過(guò)程中的“漏錳”現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)“漏錳”現(xiàn)象是由亞鐵離子與錳氧化物反應(yīng)引起的，pH是重要的影響因素，酸性條件可以促進(jìn)亞鐵離子和錳氧化物的反應(yīng)，而堿性條件下“漏錳”現(xiàn)象則不易發(fā)生。

3.3.3Fe2+對(duì)Mn2+的影響微量的Fe2+可以促進(jìn)Mn2+的去除。商俊等[73]用曝氣生物濾池處理含鐵錳的微污染地下水，研究發(fā)現(xiàn)微量的Fe2+對(duì)生物除錳有重要意義，濃度為0.03～0.04 mg/L的Fe2+可以維持濾層的生態(tài)平衡，即使進(jìn)水錳濃度高達(dá)6.00 mg/L，曝氣生物濾池仍然能達(dá)到較高的除錳效率，出水錳濃度可以降到0.10 mg/L以下。付偉等[71]研究也發(fā)現(xiàn)少量的Fe2+的存在是保證生物除錳濾柱成熟的必要因素。Fe2+的存在促進(jìn)了Mn2+的去除，是因?yàn)檠趸F對(duì)Mn2+的去除有催化效果[74]。另有趙海華等[68]研究發(fā)現(xiàn)，除錳必須得有Fe2+存在，F(xiàn)e2+可能是鐵細(xì)菌錳氧化酶的激活劑，而成熟的生物除鐵除錳濾層內(nèi)的鐵、錳氧化細(xì)菌對(duì)進(jìn)水Fe2+的營(yíng)養(yǎng)需求極低。使用工程菌MSB-4除錳發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2+卻對(duì)MSB-4的除錳效果具有一定的促進(jìn)作用[19]。

Fe2+對(duì)除Mn2+的影響因菌而異，也有起抑制作用的。張盼等[54]研究Fe2+對(duì)MHK-10菌株除錳的影響，發(fā)現(xiàn)Fe2+的存在對(duì)除錳起抑制作用。

3.3.4營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及共存離子(1)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。NH4+-N的影響，曾輝平等[65]對(duì)生物除鐵錳濾池需要DO情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不含NH4+-N的地下水，其對(duì)DO的需求有限，使用簡(jiǎn)單的跌水曝氣就能滿足生物除鐵錳要求，而對(duì)于含NH4+-N的地下水，其對(duì)DO的需求大幅增加，簡(jiǎn)單跌水曝氣難以滿足要求。

高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)的影響，張建林等[67]研究用錳砂濾柱除高鐵錳地下水時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物濃度較高(CODMn>6.00 mg/L)時(shí)，會(huì)使得濾層DO濃度逐漸降低，從而CODMn和Mn2+的凈化效果變差。

(2)共存離子。地下水中除了含有Fe2+和Mn2+外，有時(shí)候還含有As(Ⅲ)、鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)等等，這些離子對(duì)生物除鐵除錳有一定的影響。

共存離子對(duì)除鐵除錳有促進(jìn)作用。鈉離子(Na+)和Ca2+的存在對(duì)MHK-10菌株除錳起促進(jìn)作用[54]。銅離子(Cu2+)、鋁離子(Al3+)和Mg2+對(duì)MSB-4的除錳效果也具有一定的促進(jìn)作用[19]。

共存離子對(duì)除鐵除錳有抑制作用。張盼等[54]研究地下水中共存離子對(duì)一株名為MHK-10的菌株除錳的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉀離子(K+)、Mg2+和NH4+-N的存在對(duì)除錳起抑制作用。

共存離子對(duì)除鐵除錳無(wú)明顯影響。楊柳等[63]研究生物濾池同步去除地下水鐵錳砷實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)原水中As(Ⅲ)未影響濾柱對(duì)Fe2+和Mn2+的去除效果。另有趙焱等[19]也發(fā)現(xiàn)鋅離子(Zn2+)和汞離子(Hg2+)對(duì)工程菌MSB-4除錳過(guò)程無(wú)明顯影響。

3.4生物濾池最適運(yùn)行參數(shù)與方式

3.4.1生物濾池最適運(yùn)行參數(shù)郜玉楠等[75]研究用生物增強(qiáng)技術(shù)處理含鐵、錳和氨氮的微污染地下水，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錳、氨氮、鐵和CODMn的年平均值分別為5.77、1.61、1.47 和1.36 mg/L、水溫為8～12 ℃、經(jīng)曝氣后DO為6.50～8.50 mg/L時(shí)，其最適宜的運(yùn)行參數(shù)為：?jiǎn)?dòng)期采用逐級(jí)增加濾速的方式，直至穩(wěn)定期濾速為4.00～5.00 m/h，反沖洗周期為3～5 d，反沖洗強(qiáng)度為12.00～15.00 L/(m2·s)，曝氣工藝的氣水比為3∶4，進(jìn)水DO應(yīng)達(dá)到6.50～8.50 mg/L。

3.4.2生物濾池最適運(yùn)行方式楊宏等[76]對(duì)貧營(yíng)養(yǎng)下生物除鐵錳濾池穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)將反沖洗排水進(jìn)行收集、沉淀、曝氣后“菌懸液”回流，可以實(shí)現(xiàn)濾層細(xì)菌數(shù)量的不斷補(bǔ)給和系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用，保持了貧營(yíng)養(yǎng)條件下此濾層生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，且提高了生物濾層抗負(fù)荷沖擊的能力，在濾速為10.00～13.90 m/h、錳濃度為3.50～4.50 mg/L時(shí)，經(jīng)該穩(wěn)定性的濾池出水鐵和錳仍可長(zhǎng)期維持0.10和0.05 mg/L以下。

4展望

生物濾池除鐵除錳是生物法除鐵除錳的主要表現(xiàn)形式。在研究生物濾池時(shí)，有很多學(xué)者研究和培養(yǎng)了某些微生物，發(fā)現(xiàn)其效果不錯(cuò)，但是pH和水質(zhì)對(duì)這些微生物的影響較大，今后的研究方向可以培養(yǎng)出超級(jí)菌為目標(biāo)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地下水水質(zhì)。

生物濾池除了需要研究其中的微生物外，還需要根據(jù)特定菌體研究其最適的填料，研究者可以這個(gè)作為一個(gè)研究方向。

生物濾池是一個(gè)工程，工程類(lèi)研究者可以根據(jù)已研究出的最適運(yùn)行參數(shù)和需要處理的地下水情況，設(shè)計(jì)優(yōu)化出新型生物濾池，或者與其他處理技術(shù)聯(lián)合，設(shè)計(jì)出新型生物濾池，為生物濾池除鐵除錳技術(shù)添磚加瓦。

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Advances in Removal of Iron and Manganese from

Groundwater by Biological Filter

TANG Chao-chun，CHEN Hui-min，YE Xin，LIU Ming

(College of Civil Engineering and Architecture，East China JiaoTong University，Nanchang 330013，China)

Abstract：In many processing technologies,biological aerated filter,due to its low operation cost,simple operation,simultaneous removal of iron and manganese and other substances’is widely used in removal of iron and manganese from groundwater.This paper briefly introduces advantages and effects of biological aerated filter,analyzes in detail the community of microorganisms in biological aerated filter (BAF),the site of inoculation and treatment of iron manganese,explores the influencing factors in the treating process (effect of dissolved oxygen,pH,Fe2+to Mn2+,nutrients and coexisting ions),describes the optimum operating parameters and patterns of the filter,and points out the research direction and improvement of the biological filter in future.

Key words:groundwater；iron removal；manganese removal；biofilter

作者簡(jiǎn)介：唐朝春(1964—)，男，教授，主要從事水處理理論與技術(shù)研究,E-mail:tangcc1964@163.com。

基金項(xiàng)目：江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20132BAB203033)、江西省研究生創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2014-S251)和江西省科技廳支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009AE01601)

收稿日期：2015-05-20修回日期：2015-07-18

中圖分類(lèi)號(hào)：TU991.26+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-2286(2015)06-1113-08

唐朝春，陳惠民，葉鑫，等.生物濾池地下水除鐵除錳研究進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(6)：1113-1120.