哈爾濱市銀水灣水質形成的機制及其處理

孫作達,藏 林,紀偉哲,戴月庭

(1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，哈爾濱 150090； 2.上海雙場科技開發(fā)有限公司，上海 230000)

銀水灣坐落在哈爾濱市松北區(qū)，通過4號泵站引松花江水自流進灣，于市政府附近的1號泵站排入松花江.該渠總長約6.5 km[1]，渠道底寬平均15 m，水面寬度平均31 m，水流量為7×104m3/d，流速為27 m/min，是松北區(qū)域雨水排放、工程降水、防洪排澇系統(tǒng)的組成部分，沿線為開放式濕地公園，兼具城市景觀功能.

銀水灣周邊為城市建設核心區(qū)，該區(qū)域地下水水位較高，潛水水位埋深1～3 m[2]，工程降水直接排入銀水灣.由哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院實驗中心出具的銀水灣水質檢測報告顯示，在哈爾濱市松北區(qū)銀水灣水體中鐵錳含量極高(見表1)，排放后，二價鐵離子(Fe2+)自然氧化為三價鐵(Fe3+)，二價錳離子(Mn2+)氧化為四價錳離子(Mn4+)，導致銀水灣支渠水體呈黃綠色.據(jù)哈爾濱市政府統(tǒng)計資料顯示，工程降水量約達7.5×104t/d.

表1 哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院實驗中心出具的銀水灣水質檢測報告Table1 Yinshuiwan water quality test report issued by the Experimental Center of Environmental College of Harbin Institute of Technology

理論上，地下水中的鐵、錳通過工程降水排入銀水灣，會與氧氣接觸從而發(fā)生氧化反應，由于轉化成可以沉淀的Fe(OH)3和MnO2，不會造成水體渾濁發(fā)黃，但是銀水灣的水體并沒有像理論上一樣，水體仍然呈現(xiàn)黃綠渾濁和臭味.該現(xiàn)象在我國很多地方出現(xiàn)，有一定的代表性. 本文針對以上問題進行了如下分析.

1 銀水灣水質形成機制

我國大多數(shù)地區(qū)地下水源的鐵錳含量較高，當水中含鐵量為0.5 mg/L時，色度可達30 FTU以上，達到1.0 mg/L時，不僅色度增加，而且會有明顯的金屬臭味[3].由于銀水灣附近建筑工程降水排放到銀水灣水體中導致水體為黃綠色.地下水中的鐵和錳在水中多數(shù)以游離的Fe2+和Mn2+的形式存在，F(xiàn)e2+為綠色，F(xiàn)e3+為黃色.在水體表面Fe2+與空氣接觸，被氧化成為Fe3+，在水體pH=2時開始沉淀，pH=3.7時沉淀完全，沉淀的鐵泥阻隔了江底微生物的生物氧化，使底泥中的溶解氧量迅速下降，導致水底厭氧化.厭氧環(huán)境下微生物可以進行異化鐵/錳的還原作用，使微生物以胞外不溶性鐵泥為末端電子受體，通過電子供體耦聯(lián)進行還原反應成Fe3+及Mn4+.反應步驟如下：在還原微生物的細胞內，有機物釋放出的電子通過位于細胞質膜上的醌池傳遞給細胞色素，再通過周質空間中的功能性蛋白傳遞給細胞外膜上的各類金屬還原酶.當還原微生物與Fe3+及Mn4+直接接觸時，細胞外膜上金屬還原酶將電子傳遞給它們，以此完成還原過程，最終導致Fe3+及Mn4+轉化成Fe2+及Mn2+.除外膜金屬還原酶外，還原微生物的“納米導線”-菌毛同樣能夠介導電子傳遞.

化學反應式如下：

4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+

Mn2++O2+2H2O→MnO(OH)2+2H+

MnO(OH)2→MnO2↓+H2O

由此，F(xiàn)e2+隨著厭氧化的有機硫化物和氨氣等氣態(tài)污染物回到水體表層當中，使水體泛綠，空氣中的氧氣再次氧化成黃色的Fe3+形成氧化-還原-再氧化-再還原的動態(tài)平衡，這就是造成銀水灣水體總是呈現(xiàn)黃綠色的原因.

2 傳統(tǒng)水處理技術去除鐵錳

2.1 混凝

傳統(tǒng)去除原水中鐵的方法有混凝法、化學沉淀法、錳砂過濾法、石灰堿化法、RO膜過濾法等.混凝、化學法需要投入水體中大量的化學試劑從而破壞環(huán)境，不是首選方法.由于銀水灣的水體呈酸性，不適用于堿化法.RO膜過濾法不適用于大水量處理，不建議采用.

2.2 錳砂過濾法

錳砂過濾法又稱鐵錳過濾法，主要的工作原理是利用氧化還原法將水中低價鐵離子和低價錳離子氧化成高價的鐵離子和高價的錳離子，再經(jīng)過吸附過濾去除，從而降低水中鐵錳含量，其反應如下[4]：

2Mn2++O2+2H2O→2MnO2+ 4H+

4MnO2+3O2→2Mn2O7

Mn2O7+6Fe2++3H2O→2MnO2+6Fe3++6OH-

Fe3++3OH-→ Fe(OH)3↓

實驗初步設計了一套500 t/h的錳砂處理工藝.錳砂粒度：1.0～2.0 mm; 填充高度：1 500 mm；運行濾速：8 m/h(除鐵、錳)；反洗水強度：4～10 L/m2·s(一般選用25 m3/m2/H)；反洗時間：5～15 min；運行周期：8 h；出水要求(飲用水標準)：含鐵量≤0.3 mg/L，含錳量≤0.1 mg/L，出水濁度<3 FTU.由于銀水灣水體含鐵、錳量較高，采用了二級串聯(lián)設置.至少需要5 m直徑3 m高過濾罐6只，三臺占地面積最少為600 m2的建筑，水泵3臺，反沖洗水泵一臺.配套水泵Q=250 m3/h，H=30 m,P=45 kW,P總功率=135 kW.

不得不提的是：錳砂過濾法有占地面積大、基建投資高、兩至三年需要更換錳砂濾料以及廢棄濾料容易二次污染環(huán)境的缺點.

2.3 傳統(tǒng)水處理技術帶來的副作用

據(jù)分析報告和現(xiàn)場勘察顯示，銀水灣水體中含有氨氮、磷、COD等適于藻類增長的環(huán)境.但是銀水灣水體表面卻看不到藻類生長的跡象.這是因為水體中過高含量的鐵、錳等陽離子抑制了藻類的繁殖.如果采用傳統(tǒng)技術去除銀水灣水體中的鐵、錳等陽離子，就會使水中的溶解氧上升，反硝化細菌得到大量繁殖，這個過程中需要消耗大量的氨氮，將其轉化成硝酸根，給藻類的生長提供大量的營養(yǎng)物質而導致水華的產生.值得注意的是，采用傳統(tǒng)的除鐵、除錳工藝，會引起藻類的爆發(fā)式生長與污染.

3 雙場水處理裝置

3.1 雙場效應水處理去除鐵錳的機理

“雙場”是指高梯度磁場和高頻電場.高梯度磁分離技術是美國著名的WOT水工業(yè)公司在20世紀70年代末研制成功的水處理技術.后經(jīng)過哈爾濱工業(yè)大學給排水專家組按我國應用環(huán)境改造成為適合于我國應用的水處理工藝，并在1986年獲得國家科技進步獎，1997年獲得國家級重點新產品證書.該工藝具有靈活機動性強、占地面積小、效率高、處理速度快、適應性強、處理性能穩(wěn)定等特點.特別是具有顯著的去除水中順磁性物質的功能.

高梯度磁場由軛鐵(純鐵鐵芯和純鐵外殼)、電磁線圈和裝填不銹鋼毛的分離腔道組成.通電時，電磁線圈產生磁場，通過鋼毛產生巨大的磁場梯度差.理論上，顆粒物所受的磁力(Fm)同磁場強度(H)、磁場梯度(dH/dx)和顆粒物的磁化率(x)、體積(V)等呈對應關系.在磁場強度相同的情況下，梯度越高，分離能力越強，所產生的效應越強烈.

磁場高梯度是指單位距離內磁場強度的變化.在一定的磁場強度下，梯度的高低同基質的磁化強度、形狀、直徑、填裝率等有關.纖維狀鋼毛基質磁化強度高，銳邊多，直徑小，填裝率低(4%～6%)，梯度可高達1 000 G/μm.所以，采用鋼毛基質的高梯度磁分離器可以分離一般磁分離器不能分離的磁化率低、體積小的弱磁性納米顆粒物.此外，鋼毛基質還具有物理和化學穩(wěn)定性，磁滯矯頑力小，捕集點多，通過性能好的優(yōu)點.

在水流過程中施加以垂直于水流方向的磁場和電場，使水在磁場和電場中停留約為0.1 s，當電場梯度為幾十毫伏每厘米時，所產生的洛倫茲力能對一克離子做出幾百焦耳的功，從而使水系統(tǒng)中抗磁性離子的水合作用減小，順磁性離子水合作用增加.這種磁化會引起鐵離子和錳離子發(fā)生“磁化凝聚”，在凝聚過程使鐵離子和錳離子的膠體粒子增大，而增大的粒子更容易從溶液中分離出來.鐵離子和錳離子都是典型的順磁性物質，可以達到94%去除效率.

3.2 雙場效應處理水中微生物的機理

眾所周知，微生物細胞膜的基本支架主要是由磷脂雙分子層所構成，而磷脂雙分子層內充斥著電解質及帶電粒子，當微生物受到電場磁場的復合作用時，細胞膜內各帶電物質向電場方向發(fā)生移動，從而發(fā)生極化現(xiàn)象.微生物內各帶電物質隨著電磁場的作用方向、向細胞膜兩側發(fā)生移動，從而形成穿透膜電位差.隨著穿透膜電位差的增大，細胞膜兩側產生異性離子的作用，細胞膜的兩極就會變薄，其抗性也會隨之降低.當其達到一定程度的時候細胞膜就會形成穿孔現(xiàn)象.穿孔所導致的破裂使得細胞膜的結構發(fā)生缺損、紊亂，細胞質液外流，最終導致細胞的死亡，以此達到殺菌滅藻的效果[5].

在高梯度磁場的作用下，細胞中的帶電粒子和許多帶金屬活性中心基團的酶受到洛侖磁力的影響，胞內的電子、離子由于運動方向的變化而導致其無法正常進行傳遞過程，同時酶中的許多生物分子的三維結構發(fā)生了變化，因此細胞的正?；顒右矔l(fā)生一定的影響.

以上的生物作用都會導致藻菌的失活，雙場技術在分離凈化水中污染物的同時、具有高效的滅藻作用.這是其他傳統(tǒng)工藝不能比擬的.

與其他傳統(tǒng)水處理工藝相比，雙場水處理技術在去除鐵錳的基礎上，可以同時達到滅藻的作用；可以抑制水華的出現(xiàn).設備易移動，應用范圍廣；從水中分離出來的鐵錳化合物，相對于傳統(tǒng)水處理工藝純度高，可為城市園林綠提供高鐵、高錳的專用化肥，滿足目前的可持續(xù)發(fā)展與綠色化學的要求.該工藝技術與常規(guī)的水處理工藝技術比較有如下一些優(yōu)點：

1)具有廣泛的適應性，適應各種原水指標，在原水指標發(fā)生較大變化時，可依據(jù)水質情況改變磁場強度即可達到高效的處理作用，而常規(guī)的水處理工藝則需要變化投藥量、反應時間、處理流量等.

2)雙場水處理技術占地面積只是常規(guī)水理處設備的1/20，因此可以節(jié)省大量的基建投資，而且應用靈活.

3)雙場水處理技術的捕集效率是混凝沉淀水處理技術的幾十倍，從進水到出水僅幾秒鐘.而常規(guī)水處理技術需要經(jīng)過化學反應、混凝、沉淀、過濾等，一般需要數(shù)個小時才能出水.

4)雙場水處理技術還具有其他任何水處理技術都不具備的保健作用.依據(jù)科學研究證實，經(jīng)過磁分離處理技術可以改變水分子的結構，結構變化后的水分子具有增強人體機能的作用.

5)雙場水處理技術具有很好的微生物抑制作用，特別是對水中的藻類具有顯著的殺滅作用.

6)由于雙場技術的特點，所分離出來的鐵含量比較高，因此，雙場裝置反沖洗的高含鐵泥可用于植物的營養(yǎng)培土.促進植物移植的成活率，補充植物的微量元素.

3.3 雙場水處理的實驗

為了確認雙場水處理技術的效果，本文試制了一套處理500 t/h的雙場裝置，見圖1.被處理的水首先經(jīng)過自清洗汲水水泵和二級過濾器，去除水體的雜質，然后經(jīng)提升泵進入電磁磁體作用空間，去除水體中的鐵、錳離子.當運行達到飽和時，采用氣泵和河水反沖洗，將磁體內的截留物質沖入反沖洗磁種回收池，上清液排入河中沉淀物為高含鐵泥.高含鐵泥可銷售給園林部門用于高含鐵培植土壤應用.整套設備占地40 m2，配套水泵Q=600 m3/h，H=12 m,P=37 kW,磁體P= 10 kW，總電功率47 kW.該實驗裝置處理前的水質分析報告見表1，處理后的水質結果見表2.

圖1 雙場水處理裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of double fields water treatment device

表2 處理后水質結果Table2 Water quality test results after treatment

4 結 論

引起銀水灣水質發(fā)黃發(fā)臭的原因包括水質滯留時間過長，水中鐵錳含量超標等諸多方面，針對這些問題我們利用雙場裝置對其進行了調查及理論分析.

1) 水中游離的Fe2+和Mn2+與水體空氣接觸氧化成為Fe3+和Mn4+，與水中的OH-結合后最終生成Fe(OH)3和MnO2沉淀，導致微生物無法正常代謝，水底溶氧量的下降導致厭氧微生物大量繁殖，從而進行異化鐵/錳還原為Fe2+和Mn2+，以達到動態(tài)平衡.

2) 如果采用絮凝法或錳砂過濾法對水體中的鐵錳進行去除，當鐵錳去除后，水體缺少鐵錳抑制藻類生長的因素，會引起藻類的爆發(fā)式生長，導致水華的產生.

3) 與其他兩種方法相比，雙場效應技術在去除鐵錳的基礎上，還可以達到殺菌滅藻的效果，不會導致藻類的爆發(fā)式生長的現(xiàn)象，沉淀析出的鐵錳化合物可以給周圍樹木提供肥料，滿足目前的可持續(xù)發(fā)展與綠色化學的要求.