生物濾池同步去除地下水中鐵、錳、砷的工藝及機(jī)理研究.pdf

1、砷廣泛存在于自然界，砷及其化合物毒性較大，長(zhǎng)期過(guò)量攝入可以導(dǎo)致急、慢性中毒甚至癌癥，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重?fù)p害。世界衛(wèi)生組織、歐盟、日本和美國(guó)等先后將飲用水中砷的最大允許濃度由50μg/L降低到10μg/L。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006中也將砷濃度標(biāo)準(zhǔn)定為10μg/L。這為我國(guó)今后地下水除砷技術(shù)提出了更高的要求。
　　鐵、錳和砷常共存于地下水中，生物法同步去除地下水中鐵、錳和砷是一種新方法，該方法具有工藝簡(jiǎn)單、可靠

2、、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)生物濾池同步去除地下水中鐵、錳、砷長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行效能的研究，考察了地下水中鐵、錳、砷同步去除的可行性，以及砷的存在對(duì)生物濾池內(nèi)微生物生長(zhǎng)的影響。對(duì)不同水質(zhì)條件和工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)除砷影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。對(duì)生物濾池系統(tǒng)內(nèi)的微生物在形態(tài)特征，種群數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)、沿濾層深度方向上的分布及遺傳學(xué)等方面進(jìn)行了研究，并將工藝研究和微生物學(xué)研究相結(jié)合，探討生物濾池同步去除地下水中鐵、錳和砷的機(jī)理，從而為生物濾池同步去除地

3、下水中鐵、錳和砷的工程實(shí)踐應(yīng)用提供技術(shù)支持。
　　生物濾池的長(zhǎng)期運(yùn)行效能的研究結(jié)果表明，原水中的鐵、錳和砷可以在同一生物濾層中去除，原水中的砷并未對(duì)濾池中生物菌群產(chǎn)生毒害作用，反而砷本身也得以去除。水中pH的升高，鐵錳氧化物表面所帶的電荷數(shù)逐漸減少，吸附砷的能力逐漸下降，砷的去除率會(huì)逐漸的降低。水中磷酸鹽的存在會(huì)對(duì)除砷具有較大的影響，因?yàn)榱姿猁}和砷存在吸附競(jìng)爭(zhēng)，從而降低了鐵錳氧化物對(duì)砷的吸附效率。水中硅酸鹽的存在對(duì)砷的去除效果影響

4、不大，因?yàn)楣杷猁}在水中絕大部分以硅酸（非離子態(tài)）存在，它們不易被鐵錳氧化物所吸附，所以不會(huì)和砷產(chǎn)生吸附競(jìng)爭(zhēng)。水中不同的鐵、錳濃度對(duì)除砷有較大的影響。鐵濃度的增加有利于砷的吸附去除，對(duì)As(V)的吸附效果要優(yōu)于As(Ⅲ)。錳濃度的增加有利于As(Ⅲ)氧化為As(V)。
　　進(jìn)水負(fù)荷會(huì)影響濾池的出水水質(zhì)，生物濾池對(duì)As(V)處理能力要高于As(Ⅲ)。濾速會(huì)影響生物濾池對(duì)除砷效果，濾速的提升會(huì)導(dǎo)致除砷效果下降。反沖洗會(huì)對(duì)生物濾池除砷的效

5、果產(chǎn)生影響，在反沖洗周期72h，反沖洗時(shí)間3min，反沖洗強(qiáng)度為8L/(s·m2)的條件下，反沖洗后的一小段時(shí)間里濾層會(huì)出現(xiàn)的鐵、砷超標(biāo)現(xiàn)象，但在30min內(nèi)就能恢復(fù)正常。
　　對(duì)濾池濾料表面微生物形態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)濾料表面鐵、錳氧化細(xì)菌逐漸的大量生長(zhǎng)，其表面包裹著鐵錳氧化物。EDS能譜分析說(shuō)明濾料表面含有的主要元素為Fe、Mn和As。生物鐵錳氧化物的XPS分析表明，濾池內(nèi)的鐵、錳的氧化存在著生物氧化的特征，As(Ⅲ)在生物濾池中被

6、很好的氧化，生成的As(V)又被吸附在鐵錳氧化物的表面截留在濾層中去除。
　　在溫度20oC±0.2，pH值6.9條件下，生物鐵錳氧化物對(duì)As(Ⅲ)和As(V)有較強(qiáng)的吸附能力。對(duì)As(III)的最大吸附容量為68.97 mg/g，對(duì)As(V)的最大吸附容量為35.46 mg/g。在相同條件下，對(duì)As(Ⅲ)的吸附效果要優(yōu)于As(V)。在溫度20oC±0.2， pH值6.9，初始As濃度2mg/L的條件下，生物鐵錳氧化物對(duì)砷的吸附符

7、合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。其對(duì)As(Ⅲ)和As(V)的平衡吸附量分別為14.88mg/g和12.25mg/g；初始吸附速率分別為4.36 mg/(g?min)和6.11 mg/(g?min)。在相同條件下，雖然生物鐵錳氧化物對(duì)As(Ⅲ)的吸附量更大，但其對(duì)As(V)的初始吸附速率更快。
　　生物濾池系統(tǒng)微生物進(jìn)行16S rDNA克隆文庫(kù)的構(gòu)建，通過(guò)對(duì)細(xì)菌和古菌的菌群組成進(jìn)行分析表明，1＃和2＃濾池內(nèi)細(xì)菌組成相似度較高，細(xì)菌可分為9個(gè)綱，

8、分別為α-變形菌、β-變形菌、γ-變形菌、δ-變形菌、放線菌、芽孢桿菌、酸桿菌、硝化螺菌以及疣微菌，其中大部分細(xì)菌都存在于變形菌門。有些細(xì)菌與已知的錳氧化菌和砷氧化菌具有相近的親緣關(guān)系。兩根濾柱內(nèi)古細(xì)菌種類相對(duì)較少，屬于泉古菌門，且與已知的泉古菌親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。
　　通過(guò)對(duì)生物濾池不同深度處微生物的T-RFLP圖譜分析得知，在生物濾池上層的微生物較多，下層的微生物較少。2＃生物濾池中的微生物種類比1＃生物濾池多。采用聚類分析和主成分

9、分析探討了生物濾池中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化得知，1＃和2＃濾池內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)差異性相對(duì)較大，而同一濾池的不同濾層間微生物群落結(jié)構(gòu)差異性相對(duì)較小。
　　生物濾池中微生物的PCR-DGGE分析結(jié)果表明，生物濾層沿深度方向分布著鐵氧化細(xì)菌、錳氧化細(xì)菌和砷氧化細(xì)菌。Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和As沿濾層深度方向的去除和這些細(xì)菌的分布具有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，與濾池反沖洗水物質(zhì)的XPS結(jié)果結(jié)合分析，說(shuō)明鐵氧化細(xì)菌和錳氧化細(xì)菌參與了Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ

10、)的氧化，而砷氧化菌可能參與了As的氧化。
　　生物濾池中錳的氧化物對(duì)As(Ⅲ)的氧化具有重要的作用，這對(duì)砷的去除具有重要的意義，而錳的氧化物是由 Mn(Ⅱ)在錳氧化菌的作用下氧化生成的，因此，錳氧化菌對(duì)生物錳濾池去除錳和砷具有重要的意義。本文利用 MSVP培養(yǎng)基從生物濾池反應(yīng)器中篩選出8株錳氧化菌株，這8株錳氧化菌屬于Pseudomonas（假單胞菌屬）、Bacillus（芽孢桿菌屬）和Arthrobacter（節(jié)細(xì)菌屬）這三個(gè)