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我国自20 世纪60 年代以来相继采用自然曝气氧化法和接触催化氧化法去除地下水中的铁〔1〕。在水的pH 为中性的条件下, 接触催化氧化法除铁效率较高, 效果较好, 一般可以满足生产实践需要〔3〕。目前,在我国, 主要采用接触催化氧化法除铁。
自20 世纪80 年代以来, 国外在研究传统的自然曝气过滤除铁的过程中发现生物氧化除铁具有处理效率高、出水水质稳定、过滤周期长和对水质适应范围广等优点〔3~9〕, 可能比接触催化氧化除铁法的效率更高、效果更好。然而, 迄今为止, 我国对生物氧化除铁法未进行过专门的研究。笔者拟以石英砂为滤料, 初步探讨饮用水生物氧化除铁的效果, 寻找生物氧化除铁的证据。
1 条件和方法
1.1 水源与试验装置
试验装置主要由配水系统和滤柱( 池) 组成。试验滤柱高2.3m、内径65mm, 内装粒径为1.25～1.60mm的石英砂, 滤层厚度约为100 cm, 承托层厚度为20 cm。柱壁上设置了12 个取样口, 取样口间距为10 cm, 以便于集取水样和砂样。试验装置见图1。
试验水源来自于配水。城市自来水经活性炭柱吸附去除余氯, 有机物含量减少, 溶解氧含量降低。
进入水箱后, 采用氮气进一步脱除氧气, 并通过1 号蠕动泵加入碳酸氢钠缓冲溶液, 通过2 号蠕动泵加入硫酸亚铁、硫酸和微生物营养物等混合溶液, 然后通过计量泵输入密闭过滤柱。
滤前水主要水质指标如表1 所示。
1.2 检测项目与方法
试验中主要考察项目为亚铁离子( Fe2+) 、总铁( TFe) 、pH、溶解氧(DO) 、氧化还原电位( 0RP) 、铁细
菌数等。大部分项目根据《水和废水监测分析方法》检测〔10 〕。其中, 铁采用邻菲啰啉分光光度法检测,
ORP 采用奥立龙635pH/ORP 仪器检测, DO 采用奥立龙810A 溶解氧测定仪测定。铁细菌的测定采用液体稀释法( 简称MPN 法) 测定〔11〕。
2 生物滤柱的培养与成熟
生物除铁滤柱采用自然培养方式培养。滤柱培养启动时间为2004 年7 月22 日。培养期间, 进水Fe2+为3.0 ～5.5 mg/L, pH 为5.3 ～5.9, DO 为0.4 ～1.2mg/L, 水温为26 ～34 ℃; 滤层冲洗膨胀率控制在15%以内, 冲洗时间为2 min; 滤柱起始滤速为2 m/h,以后根据出水含铁量按2 m/h 的增幅逐步提高滤速, 直至8 m/h。滤柱培养期间进、出水含铁量以及滤速的变化情况如图2 所示。
从图2 可见, 随着培养的进行, 滤柱出水含铁量逐渐降低, 但每提高一次滤速, 滤柱出水含铁量有所升高, 但在随后的几天内降低到0.1 mg/L 之内。与此同时, 滤料表面上的黄色附着物( 亦称铁质活性滤膜) 越来越多, 滤层铁细菌含量不断增长, 至34 d 时, 上部滤层石英砂中铁细菌数达到1 ×107mL-1以上, 标志着生物除铁滤层的培养已基本成熟。
3 生物过滤除铁效果
为了解生物过滤除铁效果, 进行了数个周期过滤试验和多次分层取样试验。图3、图4 分别是进水pH 为5.7～5.9、水温为26～28 ℃、DO为0.7～0.9mg/L、空床接触时间( EBCT) 为7.5 min( 滤速为8 m/h) 时的某两次试验结果。
从图3 可知, 反冲洗后一个周期的过滤刚开始时, 出水Fe2+首先急剧升高, 之后又迅速降低, 至5 h左右时, 出水Fe2+降至0.1 mg/L 以下。到过滤周期( 50 h) 结束时, 出水Fe2+一直保持在0.1 mg/L 以下,Fe2+的去除率维持在97%以上。从图4 可知, 在滤柱内, Fe2+在滤柱内的氧化速率很高, 在不到25 cm 厚的滤层内Fe2+去除率即达75%以上; 而且随着过滤的进行, 滤层除铁速率逐渐增加, 至过滤终止, 除铁速率达到最高。
总之, 从图3、图4 可知, 生物滤柱过滤除铁效果良好, 滤柱出水Fe2+可长时间维持在0.1mg/L 以下。
4 生物氧化除铁的证据
生物除铁的概念早在20 世纪60 年代就被提出, 但由于Fe2+的接触催化氧化相当迅速, 所以, 对生物除铁能否在过滤除铁中起重要作用仍存有疑问。因此, 寻找生物氧化除铁的证据很有必要。
4.1 pH 和氧化还原电位试验
ORP 和pH 与生物除铁的关系如图5 所示〔9〕。
从图5 可知, 滤层是否发挥生物除铁作用, 与水的ORP 与pH 存在密切的关系。比如, 当水的pH 为5.7、ORP 在150 ～700 mV 之间变动时, 将发生生物除铁作用。
在本试验中, 进水pH 为5.7～5.9, ORP 为355～410mV, 出水pH 为5.4～5.6, ORP 为563～746mV。对照图5 可知, 试验水质条件属于生物氧化除铁条件。因此, 滤柱除铁机理为生物氧化除铁作用。
4.2 滤层的灭菌试验
首先, 对滤柱进行灭菌前的分层取样试验; 然后, 停止过滤, 放干滤柱内的水, 并向滤层中缓慢加入含有效氯质量分数为5%的次氯酸钠溶液, 至滤层被淹没为止, 静止浸泡滤层2 h; 之后, 缓慢通入不含铁的水, 并监测滤柱出水pH 的变化。当出水pH恢复到灭菌前的水平时, 通入含铁水, 2 h 后对滤柱进行分层取样试验。试验时, 滤速为8 m/h, 进水pH 为5.7～5.8, Fe2+为2.97～3.28 mg/L, DO 为1.3～1.5mg/L, 水温为25～27 ℃。试验结果如图6 所示。
从图6 可见, 滤层灭菌前后的除铁效果发生了显著变化。灭菌前, 滤层除铁效率很高, 在0 ～14 cm的滤层深度内, Fe2+即由2.97 mg/L 降到0.29 mg/L,去除率达到90%, 到24 cm 的深度时, Fe2+即降到0.10 mg/L; 灭菌后, 滤层除铁效果显著下降, 在0 ～14 cm的滤层深度内, Fe2+由3.28mg/L 降到2.56mg/L,去除率仅为22%, 到24 cm 的深度时, Fe2+仍有2.0mg/L, 到94 cm 的深度时, Fe2+仍有0.67 mg/L。因此, 试验表明, 在灭菌前的滤层除铁过程中, 生物氧
化起着主要作用。
4.3 显微观测与细菌计数试验
试验过程中, 从滤柱取样口中取砂样, 采用扫描电子显微镜和光学显微镜进行观测〔12〕, 应用MPN 法测定铁细菌数〔11〕。试验结果表明: 在砂滤料表面上,生长着大量铁细菌。在这些铁细菌中, 有些细菌呈丝状, 在丝状体内, 含有并联在一起、小而圆的细胞,这些细菌可能为多孢泉发菌(Crenothrix polyspora) ;有些细菌呈短棒状, 宽约0.4 μm, 长约0.8～1.2 μm,这些细菌可能为特氏梢铁菌( Siderocapsa treubii) ;有些细菌呈串“珠”状, 这些小而圆的“珠”子可能是细胞及铁、锰的沉积物, 这些细菌可能为锈色嘉利翁氏菌(Gallionella ferruginea)〔13〕。滤层细菌含量沿滤层深度的变化见图7。
从图7 可见, 在滤层上部, 滤砂中的铁细菌数高达2 ×10^8 mL- 1, 即使在滤层的底部, 铁细菌数也达
2 ×10^5 mL- 1。这些数量众多的铁细菌的存在, 为生物过滤除铁提供了基本的条件。
5 结论
( 1) 在进水pH 为5.3～5.9, 水温为26～34 ℃, DO为0.4 ～1.2 mg/L 的条件下, 生物除铁滤柱经过35 d左右的自然培养可达到成熟。
( 2) 当pH 为5.7 ～5.9, 水温为25 ～28 ℃, DO 为0.7 ～1.5 mg/L, EBCT 为7.5 min 时, 生物滤柱具有良好的除铁效果。
( 3) 在生物除铁滤柱内, 滤层除铁机理主要为生物氧化作用, 而非物理化学作用。
( 4) 饮用水生物氧化除铁效率高, 效果好, 出水水质稳定, 具有良好的应用前景
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[ 作者简介] 任文辉(1967— ) , 2001 年毕业于国防科技大学, 学士,
工程师。研究方向为水处理理论与技术。电话: 0731-
8823822, E-mail: hdrenwenhui#126.com 将#转换成@
