基于地下水生物除鐵除錳裝置的開放性實驗教學實踐

胡鋒平，唐朝春，何 偉，鐘 律，王全金

（華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013）

在高等教育改革的大趨勢下，教學機制和培養模式［1］無疑是高校學科負責人思考的重點。華東交通大學把開展綜合性、創新性實驗作為一種日常教學內容列入實驗教學計劃，內容不僅包括基于課程的實驗教學，還包括培養學生實踐能力和綜合素質的開放性實驗。華東交通大學給排水工程實驗中心系江西省產學研培養基地、實驗教學示范中心、重點開放實驗室，地下水生物除鐵除錳研究就是開放性實驗項目之一。

地下水生物除鐵除錳裝置是校企合作研發給水處理設備，并且已通過江西省重點新產品計劃項目鑒定，成果達國內領先水平。結合華東交通大學給水排水工程、環境工程專業的教學大綱和培養目標，將地下水生物除鐵除錳裝置納入開放性實驗項目中，以該裝置為基礎，引導學生開展一系列實驗。

1 地下水生物除鐵除錳開放實驗項目的開發

1.1 開放實驗“地下水除鐵除錳工藝”的確定

結合地下水水質和當前除鐵除錳研究現狀，確定采用生物除鐵除錳工藝。地下水通過水泵提升，經穿孔布水管噴淋進入圓形濾罐中，經過濾罐中的改性錳砂濾料后，從底部出水。實驗工藝流程如圖1所示。

圖1 實驗工藝流程圖

生物除鐵除錳工藝在過濾的基礎上引入以鐵錳基質為營養的鐵錳氧化細菌［2］對地下水中鐵錳進行去除，鐵錳氧化細菌大量附著在錳砂濾料上，形成具有除錳能力的微生物濾膜，當水流流經濾料時，通過鐵錳氧化細菌的作用，進水中的鐵錳濃度逐漸降低［3］，鐵錳在同一濾池中被同時去除［4］。

生物除鐵除錳工藝相比于傳統物理－化學過濾方法區別在于引入微生物作用對原水中鐵錳進行去除，具有以下優點：

（1）工藝流程短，主體投資省。生物除鐵除錳工藝只需一個處理環節就可實現鐵錳同時去除，工藝流程縮短，主體構筑物工程一次性投資可節省50%左右［5］，且傳統的一級過濾除鐵、二級過濾除錳的工藝方法流程復雜，不利用操作和管理［6］。

（2）抗沖擊負荷能力強。生物除鐵除錳裝置中的微生物附著在濾料上，形成固定的微生物濾膜，能抵抗強水流的沖擊力。對于含高濃度的鐵錳地下水，濾層中微生物隨營養的增加迅速增殖［7］，保證出水水質。單純的物理－化學過濾在填料本身的吸附能力達到飽和后很難再有提升的空間。

（3）節省能耗。生物除鐵除錳工藝整個處理過程只需1次提升，通過穿孔管布水和曝氣同時進行，無需專門曝氣［8］。傳統的一級過濾除鐵、二級過濾除錳的工藝需要2次提升，且原地下水需要提前曝氣，增加了能耗。

（4）占地少。生物除鐵除錳工藝充分利用空間高度［9］，加之工藝流程短，占地面積比傳統工藝方法少。

生物除鐵除錳工藝也有著自身的缺點，如為保證濾料上微生物適宜的生存環境，濾池運行條件較為嚴格，且從啟動到填料掛膜所需的時間相對較長，溫度對微生物有一定的影響等［10］。

1.2 開放性實驗的地下水生物除鐵除錳裝置

裝置整體呈圓柱體，直徑1.4m，裝置的高度為2.8m，設4個高度為0.5m的支撐。填料總高度1.1 m，下部鋪0.1m的陶瓷濾料作為承托層。裝置設計進水流量為10m3／h，濾速6.5m／h，采用短柄濾頭進行反沖洗布水，濾頭安裝在用于承托填料層的濾板上。裝置實物如圖2所示，主要設備及材料如表1所示。

圖2 除鐵除錳裝置實物圖

表1 主要設備及材料表

2 本項目的意義

（1）通過開放性實驗機制，讓學生參與到實際的課題中，開闊學生的眼界。學生在做課題實驗中能發現自己的長處，有展現自己能力的機會，有利于提高學生的自信心和積極性，同時學生可以了解自己平時在學習中的不足，彌補缺陷，提高自己。

（2）開放性實驗從選題到方案的確定具有一定的靈活性和寬松性［11］，學生可以根據自己的興趣和專長選擇實驗內容。這一方式調動了學生主動學習的積極性，培養學生自主解決問題和團隊協作能力，激發他們的創新思維。

（3）在完成課題任務過程中，學生各取所長，彼此之間相互學習。同時在完成課題實驗任務中所要用到的不僅是已學過的本專業的知識，還需要了解其他學科領域的相關知識，這有助于提高學生的整體素質和綜合能力。

3 地下水生物除鐵除錳裝置的教學實踐

給水排水工程專業2008級的5名學生參與了地下水除鐵除錳裝置開放性實驗研究，學生根據自己制定的實驗方案，對改性錳砂作為填料的生物除鐵除錳裝置的處理效果及各項工況進行了研究。

3.1 實驗方案

實驗條件：處理水量10m3／h，進水鐵濃度2.4～5.5mg／L，錳濃度0.3～2.2mg／L，pH 值6.88～7.02，溶解氧4mg／L。

實驗裝置啟動時，在濾池中一次性接入高濃度菌液，在3m／h的濾速下循環培養3～4天，再以同樣的濾速轉入正常運行。實驗至第35天時提高濾速到4.5m／h，運行至第60天后濾速提高到6m／h。記錄濾柱每天進出水的鐵、錳濃度。

3.2 實驗結果與討論

通過兩個多月的連續運行，裝置運行穩定，裝置處理效果見圖3和圖4。

圖3 生物除鐵除錳裝置進出水Fe2＋濃度及去除率變化

圖3和圖4實驗結果表明，濾柱對鐵的去除效果較好，通水1星期后，出水中Fe2＋濃度一直維持在0.3 mg／L以下，濾柱對 Mn2＋的去除稍有波動，但實驗進行到第50天時，錳濃度曲線趨于平穩，出水中錳濃度保持0.1mg／L以下。在濾速6m／h時，原水鐵濃度為1.8～5.5mg／L，錳濃度為0.3～2.3mg／L，溶解氧2.5mg／L，在pH中性的條件下，生物濾層對鐵、錳的去除率分別可達99.3%和97.7%。從這一結果可以看出鐵錳確實能在同一濾池中被去除，且去除效果較好。

圖4 生物除鐵除錳裝置進出水Mn2＋濃度及去除率變化

圖4數據中，運行初期出水中Mn2＋濃度較低，實驗開始后第17天出水中Mn2＋濃度大幅上升，隨后半個月，Mn2＋去除率一直處于大幅波動狀態。這主要是因為錳砂濾料表面具有吸附Fe2＋、Mn2＋的特性。實驗前期，濾料剛投入運行不久，吸附容量較大，對Fe2＋、Mn2＋的吸附能力強，出水中Fe2＋、Mn2＋低。隨著濾料上吸附位逐漸被占據，濾料吸附容量漸漸被消耗，開始出現對Fe2＋、Mn2＋的吸收不徹底，出水中Fe2＋、Mn2＋濃度升高。濾柱定期的反沖洗，使得濾料表面的吸附位在一定程度上獲得再生，出水中的Fe2＋、Mn2＋又有所下降，而隨后又降下去，以致處理效果呈現波動狀態。

由圖3還可以看出，濾速的提高對濾層除鐵基本沒有影響。原因主要是鐵的去除基本上靠濾層對氧化生成的Fe（OH）3沉淀物的截留作用。由圖4也還可以看出Mn2＋去除受濾速的影響較大。濾速提高到4.5m／h前，出水Mn2＋濃度經歷波動后下降，說明濾層中微生物已經開始發揮效用，但此時的細菌處于適應新環境階段，細菌活性不強，雖經歷短時間的自循環培養，但大多仍處于濾料顆粒間隙或濾料的表面，沒有真正固定在濾料上，抗沖擊負荷能力有限。提高濾速后，出水中Mn2＋濃度升高，直到第46天才有所下降。此時濾層中微生物已經達到一定數量，且有一部分附著固定在濾料上，濾層具備一定的抗沖擊負荷能力。第60天，濾速提高到6m／h后，隨出水中 Mn2＋濃度有上升趨勢，但基本維持在0.1mg／L以下，濾池達到了穩定出水的能力。

實驗開始啟動時采用低濾速運行取得了很好的效果。低濾速條件下，水流對濾砂空隙間的剪切力較小，濾砂間隙中和濾砂表面上微生物群落受到的沖刷較輕，促進細菌在濾料表面附著和固定，有利于生物濾層的成熟。低濾速同時減緩了濾砂表面吸附容量的飽和速度，為生物除鐵除錳效能與吸附能力的銜接，提供了時間和空間的保障［12］。

實驗開始準備工作，對錳砂進行篩選，保證了裝置的出水量。新購置的錳砂含有大量的灰塵及直徑小于0.6mm的顆粒，若不去除，通水后，堵塞在大顆粒濾砂空隙間，阻礙水流通過，濾速減小，裝置出水量難以提高。通過裝置的反沖洗系統，通水對濾砂進行反沖洗，灰塵及小顆粒濾砂處于液面之上，隨水流從反沖洗出水管流出。如此多次進行，直至達到所需要求為止。

學生通過參加開放性實驗項目，根據自己制定的實驗方案進行實驗，普遍認為動手實踐能力得到增強，學習積極性得到提高。

4 結論

（1）地下水中鐵錳能在同一濾池中被去除，且去除效果較好。

（2）進水鐵濃度2.4～5.5mg／L，錳濃度0.3～2.2mg／L，在pH值6.88～7.02，溶解氧4mg／L的條件下，地下水生物除鐵除錳裝置出水鐵濃度小于0.3mg／L，錳濃度小于0.1mg／L，對鐵錳的平均去除率分別達97%和82%。

（3）以實驗創新能力和科研素質培養為重點的開放性實驗教學實踐，調動了學生主動學習的積極性，培養了其自主解決問題和團隊協作能力，激發了他們的創新思維，學生的整體素質和綜合能力得到了提高。

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