錳砂和沸石生物濾料處理地下水中鐵錳的效果研究

唐朝春,段先月,鐘律,魯秀國,葉鑫,吳慶慶,許榮明

華東交通大學土木建筑學院,江西 南昌 330013

1 前言

國內(nèi)眾多地區(qū)地下水鐵錳超標,當水中鐵的溶度大于 0.3 mg·L-1時,水就會變渾濁[1]。雖鐵錳都是人體自身所需要的元素,但長期飲用鐵錳超標的水可導致慢性中毒,有害人體健康[2–5]。近年來研究發(fā)現(xiàn),地下水普遍存在鐵錳共存現(xiàn)象[6–8]。其主要由于原生地質(zhì)、含錳土壤及礦山尾水的污染,在長期污染環(huán)境下,水中鐵錳含量只會越來越高[9]。水中鐵錳含量過高不僅會導致水有腥、苦澀的味道,而且還會導致紡織品上易出現(xiàn)斑痕,對工業(yè)生產(chǎn)也是不利的[10]。

生物除鐵法不需要加化學試劑,具有運行費用低,出水水質(zhì)常年穩(wěn)定的優(yōu)點[11–13]。采用生物法處理水中鐵錳是今后的重點研究方向[14]。本文采用錳砂、沸石生物濾料對模擬微污染含鐵錳地下水進行了試驗研究。

1 實驗材料、裝置

1.1 實驗模擬地下水

實驗用水為模擬微污染含鐵錳地下水,水箱內(nèi)加有FeSO4,MnSO4,CaCl2,MgSO4,C6H12O6,NH4Cl,KH2PO4,NaHCO3的水溶液。

在水箱水快抽干時即進行下一次配水,在每次配水3小時后取樣進行相關(guān)的化驗,記錄數(shù)值。

1.2 實驗濾料

本試驗采用兩種濾料:鞏義錳砂、赤峰沸石。兩種濾料都是直接購買,經(jīng)篩選、清洗用于實驗。

1.3 實驗裝置

實驗裝置由以下幾個部分組成,如圖1。

1.4 實驗測試方法

總鐵測量方法:鄰菲羅琳分光光度法;總錳測量方法:甲醛肟分光光度法;測量儀器:哈希DR/2500可見光光度儀。

2 結(jié)果與討論

本實驗共分兩個時期,春夏季和秋冬季兩個試驗期。春夏季運行試驗 共110天。秋冬季試驗從11月28日開始至1月6日結(jié)束,時長共81天,此外時間裝置不運行。1月7日至3月22日期間裝置停工。

2.1 秋冬季試驗濾料除鐵錳效果對比分析

2.1.1 秋冬季錳砂、沸石除鐵效果對比

圖2所示,在整個秋冬季的運行試驗中,兩濾柱進水中總鐵TFe含量波動變化,濃度最高值為5.37 mg·L-1, 在11月1日, 最低值為1.34 mg·L-1;12月 6 日濃度為最低值,1.34 mg·L-1。

就整體而言,無論是錳砂濾料,還是沸石濾料,對鐵的去除能力較高,去除率為85%—99%,出水濃度升降變化趨勢也相近。10月28日和11月13日兩日的進水分別為 4.47 mg·L-1和 4.56 mg·L-1, 但錳砂出水濃度分別為 0.08 mg·L-1和 0.65 mg·L-1, 沸石出水分別為 0.07 mg·L-1和 0.76 mg·L-1。試驗進行一段時間后,錳砂,沸石對水中鐵的去除能力有所下降。 相較于國家飲用水衛(wèi)生標準中對鐵為0.3 mg·L-1的限值超標一倍多,主要原因可能是由于濾速的提高將濾層縫隙內(nèi)一些Fe3+微小絮體沖刷而下,造成臨時性的水質(zhì)超標。但是在后期,出水鐵的濃度都已符合國家出水水質(zhì)標準。

2.1.2 秋冬季錳砂、沸石除錳效果對比

圖1 裝置示意圖Fig.1 Graph of device schemes

圖2 秋冬季試驗除鐵變化曲線Fig.2 Removal of iron in autumn-winter

圖3 秋冬季試驗除錳變化曲線Fig.3 Removal of manganese in autumn-winter

如圖3,4所示:兩濾柱進水中錳濃度范圍(0.5—2.15 mg·L-1)。整體而言, 錳砂濾料及沸石濾料,對錳的去除能力表現(xiàn)不同,但總體來講錳砂比沸石除錳能力要強。從圖4來看,沸石對水中的錳去除能力很差。在一開始的十天左右有點效果,后期出水濃度和進水濃度進本沒有很多的差別。濾料對錳的去除能力除自身吸附作用外,還受接種細菌的影響。有學者通過鐵錳氧化菌、亞硝化菌、硝化菌對三氮轉(zhuǎn)化過程實驗研究得出低濃度鐵不但對硝化作用沒有抑制作用,還有一定促進作用,但低濃度錳卻可抑制硝化作用。

在一開始階段,錳砂對水中錳的去除能力要好于沸石。這是由于雖濾柱接種細菌濃度較高,但鐵錳氧化細菌還需要一個適應期。同時,沸石在此過程僅有吸附過程,而錳砂除了吸附,在此過程還有催化反應。而在11月11號到12月5號,錳砂,沸石兩者對錳的去除效果都不好,都未達國家標準。這可能是錳砂吸附、接觸催化氧化效率都差,而沸石從11月8號開始對水中的錳沒有去除任何作用。在12月6號到18號,錳砂對水中錳的去除效果非常好,這可能是由于鐵錳細菌處在對數(shù)生長期,細菌消化水中錳的速度更加快。在12月19號之后,由于水溫降到10℃以下,生物活性受到低溫威脅,除錳效率逐日降低,即便水中含有較高的溶解氧(6—9 mg·L-1)達到了生物除鐵除錳對氧濃度的要求卻不能將錳去除,此類觀點同樣出現(xiàn)在他人論文[16–17]。

大自然中廣泛存在對Mn2+有催化氧化活性的細菌—鐵細菌。有學者發(fā)現(xiàn)在鐵錳共存時鐵細菌生長的最好。見表1。

從整個去除效果來看,錳砂濾料對錳的去除率高于沸石。見圖4

2.2 春夏季試驗運行

2.2.1 春夏季錳砂、沸石除鐵效果對比

如圖5, 在3月25日,當進水鐵濃度為1.61mg·L-1時,錳砂濾柱出水鐵濃度為0.52 mg·L-1,而沸石濾柱出水鐵濃度達到了0.92 mg·L-1,數(shù)據(jù)反映出經(jīng)過較長時間的停工,濾柱內(nèi)微生物活力基本喪失,除鐵效果不是很好。

表1 某地下水中鐵細菌在培養(yǎng)基中生長情況[18]Tab.1 The growth of iron bacteria of groundwater in culture medium

調(diào)控運行期間,隨著濾速提高到6.5 m·h-1,進水鐵濃度也逐步升高6.29 mg·L-1。經(jīng)錳砂濾柱處理后的出水均能達標。沸石濾柱在運行到7月3日時,達到了運行負荷極限(TFe=4.97 mg·L-1,濾速為6.5 m·h-1), 之后逐漸降低并保持 4 m·h-1的濾速穩(wěn)定并運行了6天,此間出水水質(zhì)保持平穩(wěn)。

此實驗結(jié)果與鄭薇[19]所的結(jié)果相似,錳砂除鐵效果較好。

上述說明:濾柱在經(jīng)過了長時間的休停之后后重啟,濾柱凈化能力減弱;通過重新接種混合菌的濾柱逐漸趨于成熟,生物活性增強,除鐵能力逐步增強。較高的濾速及進水負荷對濾料除鐵效果都有一定的影響。

2.2.3 春夏季濾料除錳效果對比

圖6、圖7所示,在開始階段,濾料自身吸附性能不佳,同時細菌還沒適應所處環(huán)境。故在進水錳濃度范圍介于 0.48 mg·L-1—1.15 mg·L-1,兩種濾料對錳的去除量較小,最大去除量不超過 0.6 mg·L-1。

圖4 秋冬季試驗除錳去除率變化曲線Fig.4 Removal rate of manganese in autumn-winter

圖5 春夏季試驗除鐵變化曲線Fig.5 Removal of iron in spring-summer

圖6 春夏季試驗除錳變化曲線Fig.6 Removal of manganese in spring-summer

圖7 春夏季除錳去除率變化曲線Fig.7 Removal rate of manganese in spring-summer

在4月12到5月7號之間 ,錳砂濾柱出水錳濃度的變化趨勢逐漸減少,但還是不穩(wěn)定,有時出水錳濃度相較于進水濃度要高。在5月11日之后,這種波動有所減小。同時,沸石濾柱反映出同樣的除錳規(guī)律。錳砂濾柱出水錳濃度低于0.1 mg·L-1,在時間上先于沸石濾柱。

調(diào)控運行后期,隨著試驗時間的增長,小幅度持續(xù)提高每天進水Mn2+濃度,最終濃度為2.49 mg·L-1。這段時期,細菌已適應周邊環(huán)境,細菌開始消化水中錳,兩濾柱除錳率較高,平均去除率為90%以上。穩(wěn)定運行時期,裝置以4 m·h-1的濾速運行5天,期間出水錳濃度達標且無異常變化。調(diào)控運行時期的溶解氧保持一定的變化范圍(3.42—5.71 mg·L-1)。

3 結(jié)論

本實驗采用生物法,在秋冬季及春夏季兩個時間段,對錳砂及沸石濾料處理模擬地下水中鐵錳的去除效果進行對比研究,得出以下結(jié)論:

在秋冬季試驗過程中,錳砂濾柱及沸石濾柱對鐵均有較強的去除能力,對進水中鐵的最要去除率分別達到了達到96%和99%。出水水質(zhì)達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749—2006)中 TFe＜0.3 mg·L-1的標準。錳砂濾料對錳的去除能力由于鐵錳細菌及接觸催化作用,對錳去除效果不是很穩(wěn)定,中間有段時間出水水質(zhì)未達標。同時,沸石濾料僅在試驗的初期有一定的吸附效果,隨著試驗時間增長,無除錳能力。

在春夏季試驗過程,錳砂濾柱及沸石濾柱對鐵的去除能力經(jīng)歷一個由弱轉(zhuǎn)強的過程。當濾速達到6.5 m·h-1時, 鐵濃度為 6.24 mg·L-1時, 錳砂濾柱出水依然達到國家標準,而沸石的極限負荷為濾速6.5 m·h-1, 鐵濃度為 4.79 mg·L-1。錳砂濾柱及沸石濾柱對錳的去除能力在后期表現(xiàn)較好。在濾速為4 m·h-1,進水鐵濃度為2.4 mg·L-1的負荷下,錳砂濾柱和沸石濾柱出水依然達標。就整體處理效果而言,錳砂濾料處理鐵錳效果好于沸石濾料。

參考文獻

[1]張競月.地下水除鐵除錳技術(shù)分析[J].技術(shù)與市場,2016(1):91–91.

[2]李冬,曾輝平,張杰.飲用水除鐵除錳科學技術(shù)進展[J].給水排水,2011,37(6):7–13.

[3]王云波,廖天鳴.沸石處理農(nóng)村高鐵錳地下水的改性研究[J].水科學與工程技術(shù),2012(4):1–3.

[4]譚萬春,王云波,喻晨雪,等.改性沸石處理高鐵錳下水[J].環(huán)境工程學報,2013(6):2203–2207.

[5]孫毅,楊繼富,李斌,等.農(nóng)村供水中鐵錳超標水處理技術(shù)研究——以遼寧省為例[J].濟南職業(yè)學院學報,2015(5):81–83.

[6]汪洋,黃廷林,文剛.地下水中氨氮、鐵、錳的同步去除及其相互作用[J].中國給水排水,2014(19):32–35.

[7]汪洋,黃廷林,文剛,等.地下水中錳對濾料表面氧化膜去除氨氮的影響[J].環(huán)境工程學報,2015,9(12):5737-5744.(1)

[8]TEKERLEKOPOULOUA G,PAPAZAFIRIS P G D,VAYENAS D V.A full‐scale trickling filter for the simultaneous removal of ammonium,iron and manganese from potable water[J].Journal of Chemical Technology&Biotechnology Biotechnology,2010,85(7):1023-1026.

[9]程慶鋒,李冬,李相昆,等.高鐵錳氨氮地下水錳極限質(zhì)量濃度研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2014,46(4):20–24.

[10]袁爍,劉樹元,鄭晨,等.飲用水中除錳技術(shù)的研究進展[J].臺州學院學報,2015(3):52–59.

[11]崔恒,鄭西來,陳蕾,等.二氧化氯-接觸催化氧化聯(lián)合去除水中鐵和錳[J].環(huán)境工程學報,2014,8(6):2478–2484.(2)

[12]程慶鋒,李冬,李相昆,等.反沖洗周期對生物除錳濾池去除效果的影響[J].環(huán)境工程學報,2014,8(1):72–76.(3)

[13]李冬,張杰,王洪濤,等.生物除鐵除錳濾池的快速啟動研究[J].中國給水排水,2005,21(12):35–38.

[14]趙海華,袁建偉.含鐵錳地下水處理技術(shù)展望[J].中國農(nóng)村水利水電,2014(6):42–46.

[15]姜安璽,韓玉花,楊宏,等.生物除鐵除錳濾池的曝氣溶氧研究[J].中國給水排水,2001,17(10):16-19.

[16]PAOLO BERBENNNI,ALFIERI POLICE.Removal of iron and manganese from hydrocarbon contaminated groundwater[J]. Bioresource Technology,2000,74:109–114.

[17]唐文偉,王禎貞,徐竟成,等.溫度和溶解氧對生物活性炭處理鋼鐵工業(yè)排水的影響[J].工業(yè)用水與廢水,2008,39(2):32–35.

[18]孫全慶,馮勇,許根福.我國地下水除鐵、除錳技術(shù)發(fā)展狀況[J].濕法冶金,2004,23(04):169–175.

[19]鄭薇.生物法凈化高鐵錳地下水試驗研究[D]西安:長安大學,2015.