地下水生物除錳技術(shù)研究綜述

張 盼，李廣春

(吉林省煤田地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春 130062)

地下水生物除錳技術(shù)研究綜述

張 盼，李廣春

(吉林省煤田地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春 130062)

我國(guó)含鐵、錳地下水分布甚廣，人體過(guò)量攝入鐵錳會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生一定的副作用。生物除錳技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和應(yīng)用。目前生物除錳技術(shù)在工藝參數(shù)的選取和優(yōu)化以及影響因素的控制等方面已經(jīng)取得了較為成熟的研究成果，但機(jī)理方面的研究還不夠深入，生物除錳的機(jī)理研究，尤其是酶學(xué)研究將是重要發(fā)展方向。

地下水；生物除錳

我國(guó)東三省和內(nèi)蒙古部分地區(qū)含鐵、錳地下水分布甚廣，華北及西南部分地區(qū)地下水鐵錳也超標(biāo)嚴(yán)重。根據(jù)《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》(2001)，飲用水中鐵的含量超過(guò)0.3mg/L，錳的含量超過(guò)0.1mg/L即判定會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生副作用。我國(guó)鐵錳含量超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)人口較多，研究水中鐵、錳的祛除技術(shù)具有重要意義。

堿性物質(zhì)除錳法、高錳酸鉀等氧化劑氧化除錳法、接觸氧化除錳法以及生物氧化除錳法均為目前較為成熟的方法。生物氧化除錳法以其除錳效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛研究和應(yīng)用，本文主要討論地下水生物除錳技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1 生物氧化法除錳機(jī)理

天然水中錳主要以Mn2+的形式存在，Mn2+為主要的去除對(duì)象。生物除錳理論認(rèn)為，除錳濾池中錳的去除主要是濾層中微生物作用的結(jié)果，而非傳統(tǒng)錳去除理論所謂的錳是錳質(zhì)活性濾膜的化學(xué)催化作用的結(jié)果。此外，該理論還認(rèn)為除錳濾池中黑砂表面的錳質(zhì)活性濾膜是錳的化合物和微生物的共生體，且活性濾膜是在微生物的誘導(dǎo)作用下形成。將水處理廠除錳濾池中成熟的石英砂滅菌后發(fā)現(xiàn)濾層的除錳能力急劇下降，且濾砂表層的黑膜逐漸脫落，這證明生物作用是錳去除的主要原因。

生物氧化法除錳過(guò)程可以分為擴(kuò)散、吸附和生物氧化三個(gè)階段，Mn2+由水中向?yàn)V膜表面擴(kuò)散，通過(guò)離子交換或細(xì)菌胞外分泌物被吸附到濾膜表面，之后在濾膜表面微生物及其胞外聚合物的作用下被氧化成高價(jià)錳化合物，從而將 Mn2+去除。生物除錳要借助氧化細(xì)菌及其胞外聚合物等的催化作用，通常包括以下幾種作用：其一，氧化菌胞內(nèi)的酶促反應(yīng)。其二，Mn2+吸附在細(xì)胞膜表面的胞外聚合物上，隨之產(chǎn)生酶促氧化反應(yīng)。其三，由細(xì)胞所分泌的有活性的代謝物產(chǎn)生的簡(jiǎn)單催化反應(yīng)。但催化氧化的機(jī)理至今還不是十分清楚。

2 生物氧化法除錳的研究現(xiàn)狀

2.1 生物學(xué)研究

微生物是生物除錳體系中污染物去除的主要承擔(dān)者，生物除錳濾層接種后，其除錳能力與濾層中的細(xì)菌數(shù)量成正相關(guān)，對(duì)錳氧化微生物的研究意義重大。

對(duì)于微生物氧化法的生物學(xué)研究目前主要有細(xì)菌形態(tài)觀察和細(xì)胞懸液、細(xì)胞破碎液的活力動(dòng)力學(xué)測(cè)量、菌種的分離、純化以及對(duì)單一菌種錳氧化能力的研究。文獻(xiàn)報(bào)道的菌種來(lái)源主要有生物除錳濾池的濾砂、電解金屬錳廢渣、錳礦礦口、錳原料倉(cāng)庫(kù)以及錳污染場(chǎng)地土樣，分離得到的具有錳氧化能力的菌屬有氫噬胞菌屬(Hydrogenophaga)、金黃桿菌屬(Chryseobacterium)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、產(chǎn)酸克雷伯氏菌(Klebsiellaoxytoca)、食酸菌屬(Acidovorax)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)等。

趙焱等篩選出了生物除鐵除錳菌種MSB-4，16S rDNA的測(cè)序表明其為金黃桿菌屬。該菌種是從某生物除鐵除錳水廠的跌水曝氣池壁上的附著液體分體得到。MSB-4除錳最適溫度和pH值分別為8℃～12℃和8。在Mn2+的濃度為5.6mg/L、溫度為12℃、pH值為7.5的初始條件下，該菌種對(duì)錳的去除率達(dá)94.44%。

地下水生物除錳濾池中存在著大量微生物且種類繁多，宋立新等通過(guò)對(duì)除錳水廠生物濾池中的細(xì)菌進(jìn)行分離純化，得到300株純菌株，分屬15個(gè)屬40個(gè)種。針對(duì)除錳系統(tǒng)中微生物復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)，趙焱做了一系列相關(guān)研究，溶解氧和鐵錳離子對(duì)微生物群落的形成具有選擇作用。不同鐵錳含量水廠的微生物群落結(jié)構(gòu)不同，高鐵含錳工藝中20cm～60cm濾層微生物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；高鐵高錳工藝中各濾層微生物群落多樣性較低，演替規(guī)律不明顯；高錳微鐵濾池有明顯的演替規(guī)律，生物多樣性最豐富，并確定了各條件下的優(yōu)勢(shì)功能菌群，為生物除錳工藝運(yùn)行調(diào)控提供了理論指導(dǎo)。

2.2 影響因素研究

進(jìn)水條件及濾池運(yùn)行條件的控制決定了生物除錳的效果，進(jìn)水考慮的主要條件有溫度、pH值、DO、Mn2+濃度、Fe2+離子濃度、氧化還原電位等，濾池運(yùn)行的主要控制參數(shù)有濾速、反沖洗周期和反沖洗強(qiáng)度。

對(duì)于最佳進(jìn)水條件的研究很廣泛，且研究結(jié)果存在一定差異。余健等研究了DO、pH值和氧化還原電位(ORP)對(duì)除錳效果的影響，結(jié)果表明，DO值在0.9～5.7mg/L時(shí)，出水含量均能達(dá)標(biāo)且無(wú)明顯變化，ORP在430～720mV時(shí)，除錳效果良好，pH值為5～8.5時(shí)，出水錳含量能夠達(dá)標(biāo)，當(dāng)Ph<5時(shí)，出水錳含量增加，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)；李芳芳的研究表明，pH值在6.0～7.5范圍內(nèi)，生物濾柱有很好的除錳效果，且錳的去除率隨pH值的升高而升高，錳去除所需的濾層厚度也隨之降低，最佳進(jìn)水溫度為20℃左右，極限進(jìn)水Mn2+濃度為3mg/L。最佳進(jìn)水條件的差異取決于生物濾池內(nèi)功能菌群的生理生化性質(zhì)。

對(duì)于濾速的控制，隨濾速的增加，生物過(guò)濾除錳所需濾層厚度也需逐漸增加出水才能達(dá)標(biāo)，如李芳芳研究發(fā)現(xiàn)，濾速為8m/h的情況下，在濾層深度為30cm處含錳量即低于0.05mg/L，而濾速提高到18m/h時(shí)，濾層厚度需達(dá)到90cm出水水質(zhì)才能達(dá)標(biāo)，生產(chǎn)實(shí)際中，濾速對(duì)濾層除錳的不利影響可以通過(guò)增加濾層厚度來(lái)控制，濾速的選擇需要考慮單位面積濾柱的產(chǎn)水量及濾柱造價(jià)等多方面的因素。反沖洗強(qiáng)度的控制主要考慮兩個(gè)因素，既要清除濾層截留的鐵錳氧化物，又不能破壞濾層表面的微生物膜，而反沖洗周期受進(jìn)水錳離子濃度及濾層結(jié)構(gòu)的影響較大。

此外，針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中存在的濾池檢修及用水量小造成的濾池關(guān)閉的問(wèn)題，余健將濾柱內(nèi)的水排干，關(guān)閉28d后再對(duì)其進(jìn)行正常的反沖洗，發(fā)現(xiàn)通入原水2～3h后錳含量既能達(dá)標(biāo)，表明濾柱較長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)閉對(duì)鐵錳細(xì)菌的活性影響很小，對(duì)除錳效果的影響很小。

2.3 生物除錳濾池同步去除其他離子

地下水化學(xué)成分復(fù)雜，常伴有其他需要去除的離子，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于氨氮及砷的超標(biāo)現(xiàn)象和去除多有研究，相關(guān)研究多集中在離子存在對(duì)微生物除鐵除錳的影響以及生物除鐵除錳濾池同步去除砷及氨氮。曾輝平等對(duì)高鐵、高錳、高氨氮地下水進(jìn)行了生物同層凈化技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)生物濾柱對(duì)其凈化效果良好，F(xiàn)e2+、NH4+-N和Mn2+的高效去除空間分別在濾柱的最上層、中上部和中下部，且彼此影響不大；李燦波得到相同結(jié)論，且認(rèn)為濾速越低，溶解氧消耗得越多。楊宏等考察了生物除錳濾池對(duì)砷(Ⅲ)的去除效果，發(fā)現(xiàn)原水中砷(Ⅲ)對(duì)濾池除錳效果的影響只是在初級(jí)階段，運(yùn)行一段時(shí)間后，濾池對(duì)錳和砷(Ⅲ)均具有良好的去除效果。

3 問(wèn)題與展望

國(guó)內(nèi)外對(duì)生物錳氧化的研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，在工藝參數(shù)的選取和優(yōu)化以及影響因素的控制等方面已經(jīng)取得了較為成熟的研究成果。但在機(jī)理方面的研究還不夠深入，生物除錳的機(jī)理研究，尤其是酶學(xué)研究是重要的發(fā)展方向。

[1] 宋立新.生物除錳濾池的生態(tài)學(xué)研究[C]//微生物實(shí)用技術(shù)生態(tài)環(huán)境應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2008.

[2] 趙焱. 高效生物除鐵除錳工程菌MSB-4 的特性研究[J]. 中國(guó)給水排水，2009，25 (1)：40-44.

[3] 趙焱.生物固錳除錳工藝中錳氧化菌群結(jié)構(gòu)功能及錳代謝機(jī)制分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[4] 余健. 地下水生物除錳效果及影響因素[J]. 中國(guó)給水排水，2003，19 (12)：11-14.

Research review on biological removal of manganese in groundwater

ZHANG Pan, LI Guang-chun

(Jilin Coal Geological Prospecting and Design Institute, Changchun 130062, China)

The groundwater containing iron and manganese is widely distributed in China. Excessive intake of iron and manganese can produce certain side effect to the body. Biological removal of manganese technology has been widely studied and applied by scholars at home and abroad. At present, biological removal of manganese technology has achieved relatively mature research results in the selection and optimization of process parameters and the control of influencing factors, but there is still insufficient research on mechanism, and research on enzymology is an important direction of development.

Groundwater; Biological removal of manganese

2016-09-21

張盼(1988-)，女，碩士研究生。

TU991

A

1674-8646(2016)22-0012-02