生物法對嚴寒村鎮地區地下飲用水中鐵錳的去除研究

田偉偉，孫 楠，李晨洋，景曉彤(. 東北農業大學水利與建筑學院，哈爾濱 50030；. 東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 50030)

我國北方地區村鎮飲用水大多取自地下水，但受原生地質環境影響，地下水中鐵、錳含量超標嚴重，這已成為該地區較為普遍的污染現象[1,2]，對村鎮的經濟發展及人民健康產生嚴重威脅[3,4]。近年來生物法在凈化飲用水中日益受到國內外學者的廣泛關注[5-7]，但其在低溫條件下面臨著生物活性低、濾層培養成熟緩慢、處理效果不佳等難題，因此如何克服低溫影響，實現鐵、錳低溫環境下的有效去除已成為飲用水處理領域共同關注的瓶頸問題[8,9]?；诖彐偟貐^經濟基礎相對薄弱的特點，傳統的濾料如錳砂、活性炭等價格相對較高[10,11]，不適于大量應用于村鎮的實際飲用水處理工程中，因此探尋儲量大、廉價、高效的農業副產品廢料也已成為水處理領域的研究熱點[11]。

我國是水稻種植大國，每年大量的廢棄稻殼若直接焚燒處理不僅加重環境負荷還會造成嚴重的資源浪費。目前，關于以稻殼為吸附劑吸附地下水中鐵、錳的研究已有相關報道[12]，但以稻殼為濾料并與生物法相結合去除地下水中的高鐵高錳的研究還鮮少有涉及。該研究以600 ℃煅燒制備的炭化稻殼顆粒為濾料、以低溫條件下篩選優化的巨大芽孢桿菌為生物工程菌對低溫地下水中高鐵高錳進行相關去除研究，以期為嚴寒地區高鐵錳飲用水的處理提供理論依據與技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 炭化稻殼顆粒的制備

將自然稻殼顆粒經20目篩過濾除雜，之后用10 %的H2SO4溶液浸泡2 h，在以去離子水洗滌至pH=7，于110 ℃下烘干24 h。將干燥后的稻殼置于半圓型剛玉瓷舟內，將半圓型剛玉瓷舟置于管式加熱爐中，爐先抽真空一段時間以排除爐內空氣，之后通入流動的氬氣，以10 ℃/min的速度升溫，加熱至600 ℃，保溫4 h進行稻殼的炭化處理，冷卻后即得到炭化稻殼顆粒。

1.2 生物工程菌的篩選及菌液制備

取地下取水口處的泥樣接種于新鮮培養基中富集菌種，于PYCM固體培養基培養至有明顯菌落后經過初篩、搖瓶法復篩后得到去除鐵、錳效果最佳的菌株。菌株的培養、篩選溫度條件均為15 ℃。

將經優化篩選的生物工程菌菌種接種于盛有新鮮PYCM液體培養基的三角瓶中，菌種與液體培養基比例為1∶100，之后將三角瓶置于培養箱中培養48 h。共計培養菌液6 L。

1.3 試驗裝置及運行

試驗裝置主要由有機玻璃濾柱、潛水泵、水箱等組成，濾柱高2.8 m，濾料為經過長期過濾吸附鐵、錳的炭化稻殼顆粒，濾料層厚160 cm，承托層為鵝卵石，承托層厚10 cm，試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置Fig.1 The test device 注：1-進水箱；2-進水潛水泵；3-進水控制閥門；4-進水流量計；5-進水控制閥門Ⅱ；6-濾柱；7-進水口；8-溢流口；9-取樣口；10-取料口；11-出水口；12-出水控制閥門；13-出水箱；14-反沖洗潛水泵；15-反沖洗控制閥門；16-反沖洗流量計。

以高濃度的經篩選的生物菌浸泡濾柱1 d，以原菌液及少量營養液全循環濾層5 d，之后以試驗用水在低濾速2 m/h、弱

反沖洗強度4.70 L/(s·m2)、反沖洗時間5 min、工作周期3 d的條件下啟動濾柱。啟動階段，逐漸改變濾速及反沖洗強度，確定濾柱最佳運行參數，實現濾層的快速啟動，并在最佳運行參數下穩定運行濾柱。穩定運行階段結束后，其他條件不變，只改變原水中總鐵的濃度考察鐵濃度的變化對生物濾層去除鐵、錳的影響。

1.4 試驗水質、檢測項目及方法

試驗原水為向靜置24 h以上的自來水中投加一定濃度的FeSO4溶液及MnSO4溶液，試驗用水溫度保持在10～15 ℃。

試驗運行期間每天檢測鐵、錳進出水指標，檢測方法分別為鄰菲啰啉分光光度法、高錳酸鉀分光光度法。

2 結果與討論

2.1 生物菌的篩選與鑒定情況

分別對不同菌株降解鐵、錳的情況進行對比分析，結果見圖2，其中Mt1～Mt10為鐵錳氧化菌、F1～F5為鐵氧化菌、M1～M5為錳氧化菌。由圖2可知，鐵氧化菌對鐵的去除中，F1、F4號菌株對鐵的去除率均可達到97% 以上，錳氧化菌對錳的去除中，M3、M5號菌株對錳的去除率可達到81% 以上。鐵錳氧化菌對鐵、錳的去除中Mt1、Mt8對鐵、錳的去除率分別可達92%、71% 以上，經過鑒定，F1、M3為蠟狀芽孢桿菌，M5、Mt1為短小芽孢桿菌，F4、Mt8分別為不動桿菌與巨大芽孢桿菌，鑒于蠟狀芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、不動桿菌對人體健康有害，不適應用于飲用水處理，因此選擇鐵錳氧化菌株Mt8 (bacillus megaterium) 為優勢菌種以擴大培養，用于試驗研究。

圖2 不同菌株對鐵、錳的去除情況Fig.2 The removal efficiency of iron and manganese by different strains

2.2 試驗裝置的運行情況

2.2.1濾速對鐵、錳去除效果的影響

培養期間，逐漸提高濾速至2、3、4、5 m/h，濾柱對鐵、錳的去除情況見圖3。由圖3可知，鐵、錳的平均進水濃度分別為10.60、1.08 mg/L，初始濾速為2 m/h時，鐵、錳的去除效果較差，平均去除率僅為47.25%、60.87%，這與Bruins等[13]的研究結果相似。這是因為此階段濾柱內接種的工程菌處于適應新環境階段，生物物質代謝緩慢，發揮作用效果不明顯，此階段濾柱的去除能力主要依靠改性稻殼顆粒的高效吸附性能。

圖3 濾速對鐵、錳去除效果的影響情況Fig.3 The effect on iron and manganese removal by filter speed

待出水指標穩定后逐漸提高濾速，濾速增至3 m/h時，鐵、錳的去除率均明顯提高，分別增長近45%、15%，說明濾層內微生物已進入對數生長期，優勢菌群含量大幅提高且結構較為穩定；濾速增至4 m/h時，鐵的去除率幾乎無變化，錳的去除率由98.18% 降至88.20%，但僅經過4 d左右去除效果即可恢復穩定，出水鐵、錳濃度均低于國家飲用水標準，說明濾層內濾膜已趨于成熟，并具有一定的抗沖擊能力；濾速增至5 m/h后，鐵、錳去除情況均不穩定，平均去除率為99.04%、88.42%，且出水錳伴有超標現象，這是因為濾速過大，達到濾層抗沖擊負荷極限，固定于濾料上的微生物等松散，濾層截留鐵、錳能力下降，至使去除情況變化較大。綜上考慮濾柱的處理效率及去除效果，確定最佳濾速為4 m/h。

由圖3還可知，濾層培養至第12 d時，出水鐵、錳即可達到國家飲用水標準，第26 d，生物濾層已成熟穩定，完成濾柱的啟動。

2.2.2反沖洗強度對鐵、錳去除效果的影響

反沖洗時，濾料受剪切力的作用不僅可去除濾層內的鐵泥、細菌殘體及老化生物膜，還會損失一些有活性的生物工程菌，但在適宜的反沖洗強度下，濾料表面的生物膜會促進膜內細菌迅速增殖，維持濾層內生物量的平衡，使得濾層很快恢復去除能力[14]，因此取反沖洗后3 h內的出水水樣進行檢測。

鐵、錳進水濃度分別為10.12、1.08 mg/L。在濾速4 m/h、反沖洗時間5 min、工作周期3 d的條件下，逐漸改變反沖洗強度至4.15、4.70、5.53、6.08 L/(s·m2)。反沖洗強度對鐵、錳的去除影響情況見圖4。當反沖洗強度為4.15、4.70 L/(s·m2)時，濾層除鐵、錳能力恢復較快，且出水鐵濃度始終在0.3 mg/L 以內，滿足國家飲用水標準，而出水錳濃度分別經過1.5、2 h可達0.1 mg/L 以內；在較高的反沖洗強度5.53、6.08 L/(s·m2)下，隨反沖洗后時間的延長，濾層除鐵能力可逐漸恢復，但除錳能力恢復緩慢，3 h內出水濃度始終高于0.1 mg/L，這可能與生物濾層除錳的條件較除鐵條件嚴苛有關[15]。

綜上，反沖洗強度為4.15、4.70 L/(s·m2)時均能實現濾層的快速恢復，但基于經濟效益考慮，以4.15 L/(s·m2)為最佳反沖洗強度。

圖4 反沖洗強度對鐵、錳去除效果的影響情況Fig.4 The effect on iron and manganese removal by back washing intensity

2.2.3裝置的穩定運行情況

在濾速4 m/h，反沖洗強度4.15 L/(s·m2)、反沖洗時間5 min、工作周期3 d的條件下穩定運行濾柱12 d，每天檢測鐵、錳進出水指標。穩定運行期間鐵、錳的去除情況見圖5。由圖5可知，鐵、錳的平均進水濃度分別為9.93、0.96 mg/L，平均去除率可高達99.35%、94.89%，穩定運行期間鐵、錳的出水水質持續達標，平均出水濃度分別為0.06、0.05 mg/L，說明本研究的生物濾柱的運行及去除情況均較為穩定，可為該技術方法在嚴寒村鎮地區的推廣應用奠定基礎。

圖5 穩定運行期間鐵、錳的去除情況Fig.5 The removal efficiency of iron and manganese in stable period

2.3 總鐵濃度對鐵、錳去除的影響情況

考察總鐵濃度對生物濾柱去除鐵、錳的影響，試驗共分4個階段，每階段進水鐵濃度分別10、5、2、0.5 mg/L左右，進水錳濃度始終保持在1 mg/L左右，每階段至少運行7 d，每天對鐵、錳進出水指標進行檢測。

總鐵濃度改變對鐵、錳的去除影響情況分別見圖6、圖7。由圖6知，進水鐵濃度在10～2 mg/L時，鐵的去除情況變化不大，去除率僅降低3.6%，當總鐵濃度由2 mg/L降至0.5 mg/L時，鐵的去除率由95.82% 降至81.25%。由圖7知，錳的去除情況受總鐵濃度變化影響較大，每次降低進水鐵濃度時，錳的去除率均有明顯下降，4個階段錳的平均去除率分別為95.27%、87.31%、55.67%、30.14%，這是因為鐵濃度在以鐵錳氧化菌為核心的生物群系的穩定平衡中起到至關重要的作用，這與楊宏等[16]觀點一致。鐵濃度降低，生物群系結構遭受破壞，削弱生物系統對錳的氧化活性，至使錳的去除效果下降。

圖6 總鐵濃度變化對鐵的去除影響情況Fig.6 The removal efficiency of iron by different total iron concentration

圖7 總鐵濃度變化對錳的去除影響情況Fig.7 The removal efficiency of manganese by different total iron concentration

3 結 語

(1)生物工程菌經過低溫條件下的篩選鑒定，選擇巨大芽孢桿菌 (bacillus megaterium) 為接種于濾柱中的優勢鐵錳氧化菌。

(2)綜合考慮生物濾柱的除鐵、錳效果、運行效率及經濟效益，確定最佳運行參數為濾速4 m/h、反沖洗強度4.15 L/(s·m2)、反沖洗時間5 min、工作周期3 d。

(3)生物濾柱運行至第12 d，出水鐵、錳濃度即可達到國家飲用水標準，運行至第26 d即可完成濾柱的啟動；穩定運行階段，鐵、錳的平均出水濃度分別為0.06、0.05 mg/L，可實現持續穩定達標。

(4)總鐵濃度的變化會對鐵、錳的去除情況產生一定的影響，尤其是對錳，當總鐵濃度分別為10、5、2、0.5 mg/L左右時，錳的去除率分別為95.27%、87.31%、55.67%、30.14%，說明鐵濃度對維持以鐵錳氧化菌為核心的生物群系的穩定平衡起到至關重要的作用。

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