微污染水中鎳離子初始濃度對(duì)其在不同生物慢濾柱中去除的影響

趙凱,張國(guó)珍,武福平,楊光

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái)，農(nóng)村地區(qū)的水源逐漸受到工企業(yè)重金屬的影響，對(duì)農(nóng)民飲水安全造成了巨大的挑戰(zhàn)[1]。目前，對(duì)于微污染水重金屬的處理，大多采用混凝、離子交換等方法，對(duì)貧困農(nóng)村的微污染水處理均不適用，而采用價(jià)格較低的生物法是比較可行的方法[2-4]。在生物法去除重金屬的研究中，多是在條件較好的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)單一微生物來(lái)研究其去除效果[2,5-6]，而生物慢濾技術(shù)能夠在苛刻的環(huán)境下對(duì)重金屬有很好地凈化作用[7-8]。另一方面，填料作為生物慢濾最重要的一部分，也是研究的重點(diǎn)[9]。本文研究不同的鎳離子初始濃度分別在不同的生物慢濾中對(duì)微污染水中鎳離子去除的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

活性炭(椰殼炭)、沸石、石英砂[10]；氯化鎳，優(yōu)級(jí)純；氯化銨、葡萄糖、硝酸、氨水、高氯酸、乙醇、次氯酸鈉、正丁醇、氫氧化鈉、檸檬酸銨均為分析純。

FA2004分析電子天平；202-00A電熱恒溫干燥箱；UV-2800A型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

由于實(shí)驗(yàn)每日用水量較大，實(shí)際的微污染水難以滿足，故參考西北村鎮(zhèn)微污染水水質(zhì)特征人工配制，通過(guò)在自來(lái)水中加入高嶺土、氯化銨、葡萄糖、樹枝樹葉以及一定量的氯化鎳，來(lái)改變自來(lái)水中濁度、氨氮、CODMn、鎳離子等的含量，使水質(zhì)特征符合微污染水，其溫度15～20 ℃，氨氮濃度0.5～1.0 mg/L， CODMn濃度3～6 mg/L，濁度3～6 NTU。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了活性炭、沸石、石英砂三個(gè)生物慢濾柱，見(jiàn)圖1?；钚蕴?、沸石和石英砂3種濾料粒徑均在0.3～0.6 cm，濾料高度0.9 m，承托層高0.1 m，濾速0.2 m3/h(9.14 mL/min)，水位超高0.4 m。

圖1 生物慢濾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device of biological slow filtration system

生物慢濾系統(tǒng)由配水系統(tǒng)(25 L)、提升系統(tǒng)和生物慢濾系統(tǒng)三部分構(gòu)成，水從配水系統(tǒng)經(jīng)提升系統(tǒng)輸配至三個(gè)生物慢濾系統(tǒng)。慢濾柱通過(guò)透明的有機(jī)玻璃管制成，慢濾柱的直徑為0.06 m，高度1.7 m， 慢濾柱的上部分是裝有濾料的反應(yīng)系統(tǒng)，慢濾柱的下部分是配水系統(tǒng)，中間由法蘭連接，如此設(shè)計(jì)是為了方便濾料的填裝和濾料的清洗，慢濾柱的上端10 cm處設(shè)有溢流管，用于控制水面高度。

水箱中的微污染水經(jīng)水泵提升進(jìn)入高位水箱后，依靠重力自上而下流入濾柱。濾速為0.2 m3/h， 24 h連續(xù)運(yùn)行。掛膜成功后運(yùn)行幾日，開始生物慢濾系統(tǒng)對(duì)鎳離子的去除研究。分別通過(guò)投加一定量的氯化鎳來(lái)改變進(jìn)水鎳離子的濃度(0.04,0.08,0.12,0.16 mg/L)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，每日取樣，采用丁二酮肟分光光度法測(cè)定出水鎳離子濃度，計(jì)算去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭生物慢濾柱的去除效果

鎳離子在活性炭生物慢濾柱中的去除率見(jiàn)圖2。

由圖2可知，在活性炭濾柱中，前3 d原水鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L時(shí)，出水鎳離子去除率分別從85%下降到77.5%，72.5%下降到58.75%，82.33%下降到75%，83.75%下降到78.13%；3～7 d時(shí)，出水鎳離子的去除率分別從77.5%上升到85%，58.75%上升到90%，75%上升到90%，78.13%上升到86.88%；至9 d時(shí)，出水鎳離子的去除率在90%，90%，89%，87%左右波動(dòng)。由此可知，活性炭濾柱的鎳離子出水濃度都是先上升后下降，隨后逐漸穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的去除率則相反，但隨后也逐漸穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，去除效率順序?yàn)椋?.04 mg/L=0.08 mg/L>0.12 mg/L>0.16 mg/L。

圖2 鎳離子去除率變化曲線Fig.2 Change curve of nickel ion removal rate

結(jié)果表明，在活性炭濾柱中，無(wú)論原水鎳離子濃度是多少，它的去除效果均是先下降后上升，因?yàn)殒囯x子對(duì)除鎳微生物有一定的毒害作用，鎳離子可能通過(guò)破壞生物吸附過(guò)程中的吸附點(diǎn)位，造成生物吸附能力下降，或在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，破壞生物轉(zhuǎn)化酶，從而降低生物轉(zhuǎn)化能力。去除效果后升高是由于生物解毒效果的存在，微生物通過(guò)運(yùn)輸、結(jié)合與轉(zhuǎn)化等方式消除抑制其正常生長(zhǎng)繁殖的鎳離子，并對(duì)其毒性產(chǎn)生抗性[11-14]。在該系統(tǒng)中，隨著原始鎳離子濃度的增加，去除效果逐漸降低，首先是由于除鎳微生物表面的吸附點(diǎn)位和生物轉(zhuǎn)化量達(dá)到最大；其次當(dāng)原水中的鎳離子濃度過(guò)高時(shí)，對(duì)除鎳微生物的毒害作用逐漸變大，而因毒害作用過(guò)大，造成后期難以恢復(fù)致使解毒作用減小。在此條件下，當(dāng)原水鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12 mg/L時(shí)，系統(tǒng)的鎳離子出水濃度均可達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749—2006，但原水鎳離子濃度為0.16 mg/L時(shí)，則不能達(dá)到。

2.2 沸石生物慢濾柱的去除效果

鎳離子在沸石生物慢濾柱中的去除率見(jiàn)圖3。

圖3 鎳離子去除率變化曲線Fig.3 Change curve of nickel ion removal rate

由圖3可知，在沸石濾柱中，前4 d鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L時(shí)，出水鎳離子的去除率分別從70%下降到62.5%，77.5%下降到60%，81.67%下降到72.5%，80%下降到75%；4～7 d時(shí)出水鎳離子的去除率分別從62.5%上升到80%，60%上升到87.5%，72.5%上升到86.67%，75%上升到82.5%；至9 d時(shí)，出水鎳離子的去除率在85%，87%，86%，83%左右波動(dòng)。由此可知，沸石濾柱的鎳離子出水濃度都是先上升后下降，隨后逐漸穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的去除率則相反，但隨后也逐漸穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，去除效率順序?yàn)椋?.08 mg/L>0.12 mg/L>0.04 mg/L>0.16 mg/L。

結(jié)果表明，在沸石濾柱中，無(wú)論原水鎳離子濃度是多少，它的去除效果是先降低后升高，也是因?yàn)殒囯x子對(duì)除鎳微生物的毒害作用以及后期的解毒作用的影響，但和活性炭生物慢濾柱相比，沸石濾柱的出水水質(zhì)及去除率均出現(xiàn)下降，這是因?yàn)榛钚蕴勘缺砻娣e大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，并且活性炭濾料所含促進(jìn)微生物代謝循環(huán)、影響微生物的種群結(jié)構(gòu)微量元素較多[15-16]。在該系統(tǒng)中，原水鎳離子濃度0.08 mg/L，去除效果最好，是因?yàn)樵诖藭r(shí)除鎳微生物表面的吸附點(diǎn)位和生物轉(zhuǎn)化量達(dá)到最大，隨后隨著濃度的增大，過(guò)量的鎳離子破壞了吸附點(diǎn)位和生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的酶，致使其解毒作用的減小導(dǎo)致其去除率出現(xiàn)下降。在此條件下，當(dāng)原始鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12 mg/L時(shí)，系統(tǒng)的鎳離子出水濃度均可達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749—2006，但原水鎳離子濃度為0.16 mg/L時(shí)不能達(dá)到。

2.3 石英砂生物慢濾柱的去除效果

鎳離子在石英砂生物慢濾柱中的去除率見(jiàn)圖4。

圖4 鎳離子去除率變化曲線Fig.4 Change curve of nickel ion removal rate

由圖4可知，在石英砂濾柱中，前4 d原水鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L時(shí)，出水鎳離子的去除率分別從65%下降到47.5%，70%下降到55%，80%下降到70.83%，75%下降到67.5%；3～7 d時(shí)，出水鎳離子的去除率分別從47.5%上升到77.5%，55%上升到80%，70.83%上升到85%，67.5%上升到79.38%；至9 d時(shí)，出水鎳離子的去除率在70%，79%，84%，79%左右波動(dòng)。由此可知，石英砂濾柱的鎳離子出水濃度都是先上升后下降，隨后逐漸穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的去除率則相反，但隨后也逐漸穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，去除效率順序?yàn)椋?.12 mg/L>0.08 mg/L=0.16 mg/L>0.04 mg/L。

結(jié)果表明，在石英砂濾柱中，無(wú)論原水鎳離子濃度是多少，它的去除效果是先降低后升高，同樣基于2.1節(jié)和2.2節(jié)上述的原因，但和活性炭濾柱和沸石濾柱相比，石英砂濾柱的出水水質(zhì)及去除率進(jìn)一步出現(xiàn)下降，也是由于石英砂濾料的孔隙結(jié)構(gòu)沒(méi)有前兩者的發(fā)達(dá)，所含促進(jìn)微生物代謝循環(huán)、影響微生物的種群結(jié)構(gòu)微量元素沒(méi)有前兩者多。在該系統(tǒng)中當(dāng)原水鎳離子濃度達(dá)到0.12 mg/L去除效果最好，同樣是基于上述2.2節(jié)的原因，而原水鎳離子濃度為0.08,0.16 mg/L，在這兩種條件下的吸附點(diǎn)位和生物轉(zhuǎn)化量相同。在此條件下，當(dāng)原始鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12 mg/L時(shí)，系統(tǒng)的鎳離子出水濃度也均可達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749—2006，但原水鎳離子濃度為0.16 mg/L時(shí)不能達(dá)到。

3 結(jié)論

(1)不論微污染原水中的初始鎳離子濃度(0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L)為多少，在活性炭、石英砂和沸石的生物慢濾中，隨著時(shí)間的推移，均呈現(xiàn)出出水鎳離子濃度先上升后下降，對(duì)應(yīng)的去除率先下降后上升。原因是鎳離子對(duì)除鎳微生物有一定的毒害作用，導(dǎo)致其去除率出現(xiàn)下降，但隨著時(shí)間的推移，除鎳微生物慢慢恢復(fù)活性，其去除率又出現(xiàn)上升。

(2)適當(dāng)提升鎳離子的初始濃度，有助于去除率的提升，但過(guò)高的鎳離子初始濃度對(duì)除鎳微生物有不可恢復(fù)的傷害，導(dǎo)致其去除率出現(xiàn)大幅下降，微污染原水中的初始鎳離子濃度宜為0.08 mg/L和0.12 mg/L，在此初始濃度下，生物慢濾的去除率較高且可達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

(3)從整體的生物慢濾去除水平來(lái)看，活性炭生物慢濾柱去除率最高，其次為沸石生物慢濾柱和石英砂生物慢濾柱。因此，在生物慢濾技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)首先考慮選用以活性炭為濾料的慢濾柱。