（市政工程专业论文）生物除铁除锰滤池生态特性研究.pdf

摘要 摘要 生物除铁除锰技术是以“生物固锰除锰机理”为核心的成套工程应用技术，其 成败的关键在于能否在滤层内创造出适宜铁、锰氧化细菌生存、繁殖的良好微生 态环境，进而获得铁、锰氧化细菌数量的最大限度增殖与稳定。滤层生态系统的 研究，对于完善生物除铁除锰理论，改进生物除铁除锰工艺有着重要的作用。 本课题通过实验室模拟滤柱，采用人工配水的方式对滤池的生态系统进行研 究。考察了滤池在培养期生态系统的形成过程、成熟期生态特性及l 株m n ( i i ) 氧化能力较强菌r h o d o c o c c u ss p 一珀勺生长特性。 对培养期滤池生态系统的研究表明，在接种上应采用复合的具有土著特性的 细菌多次连续接种。滤柱的成熟过程可分为适应期、第1 活性增长期、第1 i 活性 增长期和稳定期4 部分，整个滤层对于铁、锰的去除能力，是随着滤层当中细菌 数量的增加而逐渐增强的。滤层在培养期生物膜的形成过程是游离态的细菌逐渐 附着并固定在滤料表面的过程。 对成熟期滤池生态系统的研究表明，运用单级过滤工艺，采用将反冲洗排水 收集、沉淀、曝气后“菌悬液”回流至滤池的方式实现了滤层细菌数量的补给和可 利用营养物质的回流，保持了贫营养条件下滤层生态系统的稳定，提高了滤层抗 负荷冲击的能力，在高滤速( 1 0 - 1 3 9 m h ) 、高锰浓度( 3 5 , - - - , 4 5 m g l ) 条件下， 滤池对铁锰的去除率达9 5 以上。铁、锰氧化细菌为滤层的优势菌群，数量达1 0 0 数量级，它们既附着在滤料表面上( 4 3 x 1 0 6m p n m l ) 形成致密的生物膜，又存 在于滤料间( 6 5 x 1 0 6m p n m l ) 形成以细菌为主体的悬浮絮体，此絮体对铁锰的 彻底去除至关重要。稳定运行时，滤池生物膜形态和细菌数量沿水流方向有较显 著变化，上层生物膜颜色较深，生物膜较致密。随着介质层的加深，生物膜内菌 种数量逐渐减少，细菌绝大部分集中在0 4 0 0 m m 的滤层空间内，而m i l 2 + 也主要 是在此空间内被去除的，4 0 0 m m 处去除率达9 0 以上，滤池中具有锰氧化能力细 菌的数量同滤池所具有的锰去除能力是正相关的。对成熟滤池细菌组成的研究 上，利用传统的细菌分离鉴定方法，从滤池中成功鉴定出2 2 2 株，涉及2 2 个属， 4 7 个种。通过l b b 法细菌氧化活性测定，从挑选的典型菌种中发现有2 5 种细菌具 有m n ( i i ) 氧化能力，株数占细菌总株数的8 5 以上，m n ( i i ) 氧化细菌以绝对 的优势数量存在，这保证了滤池高效的除铁除锰能力。 对1 株红球菌r h o d o c o c c u ss p j 生长特性及除锰能力的研究表明，该菌株在 接种培养2 0 h 进入生长稳定期，稳定期细菌数量达2 3 x 1 0 8 个m l ，同时具有很 强的m n ( i i ) 生物去除能力，去除量达1 2 m g l 。 关键词生物滤池；生态系统；铁、锰氧化细菌；除铁；除锰 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a lr e m o v a lo fi r o na n dm a n g a n e s ef r o mg r o u n d w a t e ri s t h ew h o l es e te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hc o l ei st h et h e o r yo ft h e f i x a t i o na n dr e m o v a lo fm a n g a n e s e i ti st h es t i c k i n gp o i n tf o rt h es u c c e s so ft h e b i o l o g i c a lr e m o v a lo fi r o na n dm a n g a n e s ef r o mg r o u n d w a t e rt ob u i l d af e a s i b l e s u r v i v a lm i c r o e n v i r o n m e n tf o rt h ei r o na n dm a n g a n e s eo x i d i z i n gb a c t e r i a ，t h e r e f o r e t h en u m b e ro fi r o na n dm a n g a n e s eo x i d i z i n gb a c t e r i ac a nb ei n c r e a s e da n dk e p t b a l a n c ew i t ht h ef u r t h e s tr a t ei nt h eb i o l o g i c a lf i l t e r t h es t u d yo nt h ee c o s y s t e mi nt h e b i o f i l t e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h em nb i o - o x i d a t i o nt h e o r ya n dm n b i o l o g i c a lr e m o v a lt e c h n o l o g y t h es t i m u l a n tf i l t e rc o l u m ni nl a b o r a t o r ya n dt h ew a yo fa r t i f i c i a lm a n u f a c t u r e w a t e ri su s e di nt h i se x p e r i m e n tw h i c hd i dar e s e a r c ha b o u tt h ee c o s y s t e mi nt h e b i o f i l t e r t h ef i l t e re c o s y s t e mf o r m a t i o np r o c e s sd u r i n gt h ec u l t u r es t a g e ，t h e e c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a tt h em a t u r e s t a g ea n d t h e g r o w t hc h a r a c t e r o f r h o d o c o c c u ss p jw h i c hh a ds t r o n g e rm n ( i i ) b i o l o g i c a lr e m o v a la b i l i t yw e r es t u d i e d i nt h ep a p e r t h er e s e a r c ho fe c o s y s t e md u r i n gt h ec u l t u r es t a g ei n d i c a t e dm 她c o m p o u n d n a t i v eb a c t e r i aa n ds u c c e s s i v ei n o c u l a t i o ns h o u l db eu s e da ti n o c u l a t i o nd a t e t h e m a t u r i n gp r o c e s so ff i l t e rc o l u m nw a sd i v i d e di n t o4s t a g e s ，t h ea d a p t a t i o np e r i o d ，t h e f i r s ta c t i v i t yi n c r e a s e dp e r i o d ，t h es e c o n da c t i v i t yi n c r e a s e dp e r i o da n d t h es t a b l es t a g e m a n g a n e s e a n di r o nr e m o v a la b i l i t yo ft h ew h o l eb i o - f i l t e ri n c r e a s eg r a d u a l l yw i t ht h e i n c r e a s eo ft h en u m b e ro fb a c t e r i ai nb i o f i l t e rb e d t h ef o r m a t i o no fb i o f i l mi st h e p r o c e s st h a tt h ed i s s o c i a t i v e i r o na n dm a n g a n e s eo x i d i z i n gb a c t e r i aa d h e r eo nt h e f i l t e rs a n dg r a d u a l l y t h er e s e a r c ho fe c o s y s t e ma tt h em a t u r es t a g ei n d i c a t e dt h a t ，t os u p p l yn e c e s s a r y b a c t e r i aa n da v a i l a b l en u t r i e n t s ，am e t h o do fr e t u r n i n gb a c k w a s h i n gw a s t e w a t e rt ot h e b i o f i l t e rf o rr e m o v a lo fi r o na n dm a n g a n e s ew a su s e d b yt h em e t h o d ，t h eb i o f i l t e r k e p tag o o de c o s y s t e ms t a b i l i t ya n dh e l ds t r o n g e ra n t i s h o c kl o a d i n gc a p a b i l i t y , w h e n t h es y s t e mw a so p e r a t e da th i g hf i l t r a t i o nr a t e ( 1 0 1 3 9m h ) a n dh i g hm a n g a n e s e c o n c e n t r a t i o n ( 3 5 - - 4 5m g l ) ，ar e m o v a lr a t em o r et h a n9 5 o f i r o na n dm a n g a n e s e w a sa c h i e v e d i r o na n dm a n g a n e s eo x i d i z i n gb a c t e r i aa r et h ed o m i n a n tm i c r o f l o r ai n b i o l o g i c a lf i l t e r i n gl a y e r , t h e y n o t o n l y a d h e r eo nf i l t e rs a n dm a t e r i a l s ( 4 3 10 6 m p n m l ) t of o r mc o m p a c tb i o f i l m ，b u ta l s oe x i s ta m o n gf i l t e rm a t e r i a l s v o i d ( 6 5 x 1 0 6m p n m l ) t of o r ms u s p e n d e df l o e s ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt oc o m p l e t e i i i 北京t 业人学t 学硕j j 学位论文 r e m o v a lo fi r o na n dm a n g a n e s e a tt h es t a b l es t a g e ，t h eb i o f i l mp a t t e r na n dt h e q u a n t i t yo fb a c t e r i ap o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r a d u a lc h a n g ea l o n gw a t e rf l o w , t h e p a r to ft h eb i o f i l mn e a rt h ef i l t e rs a n ds u r f a c eh a sg r e a t e rp a r t i c l es i z e ，t h ec o l o ri s r a t h e rd e e pa n dt h eb i o f i l mi sm o r ec o m p a c t w i t ht h ed i e l e c t r i cl a y e rd e e p e n i n g , t h e n u m b e ro fb a c t e r i aw i t h i nt h eb i o f i l mg r a d u a l l yr e d u c e ，t h em a j o r i t yo fb a c t e r i a c o n c e n t r a t ei nt h e0 - 4 0 0 m mf i l t e r s p a c e ，a n dm n 2 + i sa l s om a i n l yr e m o v e di nt h i s s p a c e ，r e m o v a lr a t eo fm n 十i sm o r et h a n9 0 i nt h e4 0 0 m mf i l t e r s p a c e m a n g a n e s e o x i d e c a p a c i t yi n c r e a s eg r a d u a l l yc o r r e l a t e dw i t ht h en u m b e ro f b a c t e r i a t h er e s e a r c h o fb a c t e r i a lc o m p o s i t i o ni n d i c a t e dt h a t ，a b o u t2 2 0s t r a i n sb a c t e r i aw e r eo b t a i n e da f t e r t h ep r o c e s so fs e p a r a t i o na n dw e r ei d e n t i f i e db ym i d im i c r o b i a li d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h er e s u l t si n v o l v e d2 2g e n e r aa n d4 7s p e c i e s i nt h ee x p e r i m e n t so fm n ( i i ) 一o x i d i z i n g a c t i v i t yd e t e c t i o n ，2 5s p e c i e sw e r ef o u n dt oh a v ea b i l i t yt oo x i d i z em n ( i i ) ，w h i c h c o v e r e dm o r et h a n8 5 o f t h et o t a li s o l a t e s t h ea b s o l u t eq u a n t i t yo f m n ( i i ) o x i d i z i n g b a c t e r i ai nt h ef i l t e rm a i n t a i nah i g hr e m o v a le f f i c i e n c yo fi r o na n dm a n g a n e s e t h es t u d yo nt h eg r o w t hc h a r a c t e ra n db i o l o g i c a lm a n g a n e s er e m o v a la b i l i t yo f r h o d o c o c c u ss p li n d i c a t e dt h a t ，t h eg r o w t ho fr h o d o c o c c u ss p lr e a c h e dt h es t a b l e s t a g ea f t e ri n o c u l a t i o n2 0 ha n dt h el i v ec o u n t sw e r e2 3x10 5 n m l ，a n dm e a n w h i l et h e s t r a i ns h o w e das t r o n gg r o u n d w a t e rm n ( i i ) b i o l o g i c a lr e m o v a la b i l i t y , t h er e m o v a l a m o u n tw a s12 m g l k e y w o r d s ：b i o - f i l t e r ；e c o s y s t e m ；i r o na n dm a n g a n e s eo x i d i z i n gb a c t e r i a ；r e m o v a lo fi r o n ； r e m o v a lo fm a n g a n e s e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：篮亟亟( 砰声期：竺短 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童童亟 导师签名：弛当日期：塑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 我国属于缺水国家，人均水量只有世界人均占有量的1 4 。我国陆地水资源 总量为2 8 0 0 0 x 1 0 8 m 3 a ，其中可更新的地下淡水资源量为8 7 0 0 x 1 0 8 m 3 a ，微咸水 2 0 0 x 1 0 s m 3 a ；地下淡水可开采资源量为2 9 0 0 x 1 0 8 m 3 a ，微咸水可开采资源量为 1 3 0 x 1 0 8 m 3 a 1 1 。根据国家环境保护总局( ( 2 0 0 7 年中国环境状况公报【2 1 ，水污染 形势依然严峻，监测的1 9 7 条河流的4 0 7 个断面中，一至三类、四五类和劣五类水 质的断面比例分别为4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 。七大水系中，只有珠江、长江总体 水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染， 我国河流污染相当严重。而地下淡水资源占全国水资源总量的1 3 ，在我国占有 举足轻重的地位，正被越来越广泛地开发和利用。我国4 0 0 多个城市开采利用地 下水，北方城市以开采地下水为主，其中华北、西北城市利用地下水的比例分别 高达7 0 和6 0 以上p j 。 2 0 世纪6 0 年代中期以前，地下水开采相对较少，6 0 年代中期到7 0 年代末，是 我国地下水大规模开发利用阶段，近2 0 年，地下水开采量平均以每年2 5 亿r n 3 的速 度增加。全国4 0 0 多个城市开采利用地下水，在城市用水总量中地下水占3 0 ； 北方城市以开采地下水为主，其中华北、西北城市利用地下水的比例高达7 2 和 6 6 t 4 1 。以2 0 0 2 年为例，全国总供水量5 5 3 4 亿m 3 ，其中地表水供水量4 4 4 3 亿m 3 ， 占总供水量的8 0 3 ，地下水供水量1 0 9 1 亿m 3 ，占总供水量的1 9 7 ；河北省地 下水供水量1 6 8 亿，占总供水量的8 0 以上，北京、山西、河南、山东等省占 5 0 - - 7 0 ，辽宁、陕西、黑龙江、吉林、内蒙古、天津等地占3 0 - 5 0 5 1 。我国城 市地下水污染日益加剧，约有6 4 的城市地下水遭受了严重污染，3 3 的城市地 下水受到轻度污染，基本清洁的城市地下水只有3 t 6 1 。反映地下水污染的指标包 括矿化度、总硬度、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮、铅、砷、汞、铬、氰化物、 挥发性酚、石油类、铁和锰等。其中铁、锰的污染非常普遍，受其污染的水量约 占我国地下水总储量的2 0 以上【2 】。我国含铁含锰地下水比较集中的地区是松花 江流域和长江中、下游地区，其含铁量一般小于5 1 0 m g l ，含锰量约在0 5 2 m l 之削7 1 。在我国洞庭湖区，地下水蕴藏量极为丰富，一般采用2 0 一- - 4 0 m 深 的管井即可取集到第一承压含水层的地下水。但经测定该地区地下水含铁量普遍 在1 0 - - 2 0 m g l 之间，含锰量普遍在0 4 1 0 m g l 之间，超过国家允许标准几倍乃 至几十倍。在国外，地下水含铁含锰也较普遍，含铁量通常在1 1 0 m g l 之间， 含锰量通常在0 - - 1 m g l 之间。但含量也有很高的情况，例如，在芬兰b e d r o c k ，地 下水含铁最高达1 8 m g l ，含锰最高达7 6 m g l 引。 北京t 业大学t 学硕l 学位论文 1 2 地下水中铁和锰的来源及危害 1 2 1 地下水中铁和锰的来源 铁和锰都是地壳的主要构成成分。铁来源于岩层之中，花岗岩、绿岩、片岩、 砂砾岩、赤铁盐、菱铁矿、黄铁矿、褐铁矿等岩石和土壤中都含有三价铁的化合 物。在厌氧条件下三价铁被还原为二价铁，二价铁首先与水中c 0 2 反应生成碳酸 亚铁，再水解生成重碳酸亚铁而溶于水中，反应方程式如下： f e o + c 0 2 = f e c 0 3( 1 - 1 ) f e c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 = f e ( h c 0 3 ) 2( 1 2 ) f e s + 2 c 0 2 + 2 h 2 0 = f e ( h c 0 3 ) 2 + h 2 s( 1 3 ) 含铁地下水的产生过程实际上是一个水一岩相互作用的过程。关键的因素在 于要有能够产生含铁水存在的水环境条件，即氧化还原和p h 条件。 水体所含锰的来源，主要是由原生地质污染、含锰土壤的面源污染和采矿的 矿山尾水污染所引起的。m n 是典型的氧化还原元素，因此在自然界中存在的价 态较多，有：+ 2 、+ 3 、+ 4 、+ 7 价，其中+ 2 、+ 4 价较为稳定。+ 3 价是只有在酶催 化氧化过程中会产生的中间产物，+ 7 价具有强氧化性，如遇到还原性物质，将被 还原成低价形式。在天然水体中呈溶解状态稳定存在的主要是+ 2 价，它也是主要 的去除对象。 然而，这些作用仅仅是使地下水中铁、锰含量增高的部分因素。事实上，地 下水中铁、锰离子的形成是水化学作用、离子交换吸附、盐效应等综合作用的必 然结果【9 1 。 1 2 2 铁锰的危害 铁、锰是动物和人体所必需的微量元素，水中少量的铁、锰对人体健康并无 不利影响，但铁、锰过量摄入对人体可能有慢性毒害。正常人体内一般含锰7 1 0 m g ，但不能过量，过量可能产生中枢神经系统、呼吸系统等方面的疾病【1 0 1 ， 锰的生理毒性比较严重，在我国职业性接触毒物危害程度分级中已被列为极 度危害物质( i 级) zz j 。而且铁、锰被氧化后增加水的浊度及色度，污染卫生洁 具，使一些织物和某些工业品着色，因而严重影响水的使用价值。此外，在输送 过程中，水中的铁、锰可逐渐附着在管壁上，并且促进铁、锰细菌在输配水管网 中的生长，使输配水管网管径变小，水流阻力增大，从而增加输水的动力消耗， 降低饮用水水质【7 , 1 2 - 1 5 】。因此，在供水上应尽可能地对水源中的铁、锰进行处理， 使饮用水中的铁、锰含量降低或完全去除掉。 1 2 3 铁、锰的浓度标准 饮用水中铁、锰含量之和在0 5 m g l 以上时，水就有强烈的臭味，使人难以 2 第l 章绪论 忍受。大多数专家认为，将饮水中的铁、锰控制在不出现不愉快的颜色和味道的 程度，对人体就不会产生毒理学作用，因而也就是安全的。 鉴于此，世界各国对于饮用水中的铁、锰含量都进行了严格的限制。表1 1 为一些代表性地区饮用水中锰含量的标准。铁的标准大多数国家为0 3 m g l 。 表1 1 国外饮用水中锰的标准 t a b l e1 - 1t h es t a n d a r do f m a n g a n e s ec o n c e n t r a t i o nf o rd r i n k i n gw a t e ri nf o 崩盟c o u n t r y 多数国家规定饮用水中铁、锰浓度之和为0 3 m g l ，锰的允许浓度一般为 0 0 5 m g l ，最好在0 0 3 m g l 之下【。我国生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 中规定锰的含量最高为0 1 m g l ，总铁为0 3 m g l 。世界卫生组织( w h o ) 对生活饮 用水中锰含量的理想标准值规定为0 0 5 m g l ，最高浓度不得超过0 5 m g l 。欧共 体制定的锰含量参考标准( g l ) 为2 0 “g l ，最大容许浓度( m a x ) 为5 0 1 上g l 。尽管世 界各地饮用水中铁、锰浓度的标准不尽相同，但都很严格【1 7 】。 由于生产用水中铁、锰的存在会产生严重的危害，所以任何工业企业都希望 其用水中的铁、锰含量越少越好。世界各国对工业用水的铁、锰含量都制定了严 格的浓度标准，有些产业甚至要求为痕量或零。 1 3 国内外生物除铁除锰技术的研究进展与应用 1 3 1 除铁除锰技术的发展与生物除铁除锰的提出 在世界范围内，针对水中锰的去除技术的研究由来已久。从1 9 世纪末期开始， 相继产生的除锰方法有：混凝、沉淀、过滤法；强氧化剂氧化法；空气氧化接触 过滤法；离子交换法和活性碳吸附法等【l m 4 1 。这些方法对锰的去除效果不是很 稳定。地下水锰在p h 中性域条件下，多以m n 2 + 离子形式存在，很难发生自然氧 化且难被去除，这是一个在世界范围内存在的共性问题。上世纪8 0 年代中期，我 国研究人员在试验中发现，细菌存在与否与滤池的除锰能力有很大关系，因此针 对我国除锰工程实际存在的问题，开始了锰的生物氧化的研究工作，并于1 9 9 6 年提出了“生物固锰除锰”理谢2 即6 j ：在p h 性时，m n ( i i ) 首先吸附于细菌表面， 然后在酶的作用下氧化为m n ( i v ) ，从而从水中除去。以该理论为指导提出了简洁 的地下水生物除铁除锰工艺流程，使广泛存在的生产性除锰问题得到了较好的解 决。与此同时，在国际上如欧洲也出现了生物除铁除锰工艺d 4 , 2 7 3 叭。随之，在 美国、加拿大和日本等也出现了慢滤池和多级过滤生物除铁除锰工艺【3 1 , 3 2 】。 3 北京工业人学工学硕j j 学位论文 1 3 2 生物除铁除锰工艺 ( 1 ) 单级过滤工艺 反冲洗 2 管网 图1 - 1 单级过滤| t 艺流程图 f i g u r e1 - 1t e c h n o l o g yo fs i n g l e s t e pf i l t r a t i o n 大多数地下水中f e 和m n 通常相伴存在，在单级工艺中，f e 、m n 在同一生 物滤池中被氧化去除( 图1 1 ) 。单级工艺较多级工艺流程短、占地面积小、投资 省、处理效果好，因此我国多数生物除锰的地下水厂【3 3 弓5 】和国外一些水厂【3 6 】采 用这种工艺。此外，单级工艺用于地表水的预处理，也能达到很好的除锰效果【3 7 1 。 ( 2 ) 多级过滤工艺 管网 图1 - 2 多级过滤工艺流程图 f i g u r e1 - 2t e c h n o l o g yo fm u l t i s t a g ef i l t r a t i o n 许多能氧化f e 2 + 的细菌同样能氧化m n 2 + ，但各自氧化的最佳条件不同，m n 2 + 的氧化需要更高的o r p 和p h 【3 2 1 。当f e 和m n 同时存在，f e 超过一定浓度时，可以 先通过一个曝气过滤步骤去除f e ，再通过中间曝气补充溶解氧、散除c 0 2 以提高 p h ，然后通过二级曝气过滤系统去除m n ( 图1 2 ) 。国外大都采用多级系统【3 2 ，3 8 ， 3 9 】 o 然而研究表明，f e 在生物滤池生态稳定性上起着重要作用，铁的存在是细菌 固锰除锰的必要条件，一级除铁后若水中没有一定数量的铁，二级滤池除锰效果 将难以保t i t 4 0 , 4 1 ，因此，采用上述哪种工艺，一级除铁到怎样的程度，应该根据 具体情况来确定。 ( 3 ) 复合m f u f 膜工艺 s u z u k i t 4 2 1 等人研究了一种循环粉末活性炭( p a c ) 与m f 膜结合的复合工艺( 图 4 第l 章绪论 1 3 ) ：中空纤维m f 膜浸没于水中，原水与p a c 以及m f 膜滤池里的回流污泥在混 合池中混合，然后进入m f 膜滤池。p a c 可以吸附原水中的有机物，并作为微生 物的载体，将m n 和n h 3 - n 进行生物氧化，p a c 和污泥通过m f 膜，实现与水的分 离。与传统m f 膜工艺相比，增加活性炭吸附有机物，可以改善膜的渗透条件， 减缓膜污染【4 2 4 3 1 。 出水 图i - 3 复合m f u f 膜工艺流程图 f i g u r e1 - 3h y b r i dm f u fh o l l o wf i b e rm e m b r a n es y s t e m 膜技术适用范围很广，但膜污染和高昂的费用是影响其进一步推广应用的主 要因素。目前，对于较大规模的水厂，如果只是针对原水中的m n 2 + 、n h 3 - n 和 少量有机污染物，生物滤池工艺比复合膜工艺具有更大的优势。 ( 4 ) 人工湿地处理矿山废水 矿山废水中m n 的浓度通常比未受污染的地表水和地下水高，美国环保总署 ( u s e p a ) 规定，酸性矿山废水中m n 的最高浓度为4 m g l ，3 0 天平均排放浓度不 超过2 m g l t 州。矿山废水通常通过投加氧化药剂、石灰药剂和混凝剂来处理( 主 动方法) ，这就增加了处理费用，因此人工湿地处理系统( 被动方法) 得到了发展。 人工湿地系统可以单独运行，在严重污染的地方，还可作为大型处理系统的一部 分与主动处理系统一起运行【4 5 1 。 湿地系统中存在有效的促进m n 2 + 氧化沉淀的生物过程：细菌对m n 2 + 的生物 氧化；藻类通过光合作用提高水的p h 值和溶解氧，为m n 2 + 的生物氧化创造更有 利的环境。此外，对于酸性矿山废水，采用碱性的底层提高原水p h 值，也有利 于m n n + 的氧化 4 6 】。 目前设计除锰湿地，主要是通过最大限度地增加光照和溶解氧来提高处理效 率，如在湿地深处曝气、采用适于接触反应的底层【4 7 】。英 s h a l l o t t e 煤矿【4 8 】采用 氧化塘和多个湿地串联的系统，大部分f e 能在系统的前段被有效地去除，m n 2 + 浓度的降低则出现在后面部分，这与生物除锰滤柱的情况相似。s c h r a u t c 【4 5 1 在他 的研究中发现，同等负荷下，除锰需要比单纯除f e 多三倍的湿地面积。 湿地作为一种新型生态污水处理技术，具有设计简单、易于维护、出水水质 较好、改善和美化生态环境等诸多优点。目前，我国大部分矿山废水未经处理直 5 北京t 业大学t 学硕l 学位论文 接排方文【4 9 1 ，对矿区周围环境造成了严重污染，利用天然湿地或建造人工湿地是一 个可行的方法。 1 3 3 生物除锰技术研究进展 ( 1 ) 同时去除n h 4 + 、f e 2 + 和m n h 的研究 用生物法同时去除n h 4 + 、f d + 、m n 2 + 比较困难，这主要是由于它们的氧化需 要不同的氧化还原电位。有研究者认为，如果水中含有 n h 4 + ，只有在硝化反应 完全后才会发生m n 2 + 的去除 2 8 , 5 0 , 5 1 】。 v a n d e n a b e e l e t 5 0 】认为n 0 2 - 的存在对m n 2 + 去除有抑制作用，在微酸性环境下， n 0 2 参与了m n 0 2 的还原，而n 0 3 。则是m n 0 2 的稳定因素。硝化菌是快滤池除m n 的一个关键因素，通过将n 0 2 。氧化，就能降低n 0 2 对m n 2 + 氧化的负面影响。 m a d o n i t ：2 9 1 认为，n h 4 + 的去除和m n 2 + 的去除正相关，说明这两个过程可能受 同样参数的影响。g o u z i n i s t l 4 】等人研究发现，如果n h 4 + 含量低，n h 4 + , 和1 v 1 1 1 2 + 能在 同一生物滤池中去除，否则就需要另设一个滤池来去除m n 2 + 。张杰【5 2 】等人研究 了f e 2 + 、m n 2 + 对n h 4 + 去除的影响效应，发现微量的f e 2 + 、m n 2 + 对亚硝化反应的促 进作用强于对硝化反应的作用。 ( 2 ) 其它工艺中m n 2 + 的生物氧化 在某些并非为除锰专门建造的水厂和工艺中，也存在锰的生物氧化现象。意 大利l o m b a r d i a 州的一个地下水厂用活性污泥法对受到有机物污染的原水进行 处理，b e r b e n n i 等人删发现出水中m n 2 + 浓度随季节的变化显著( 夏季低冬季高) ， 和污泥龄也有一定关系。他们建议：夏季采用较低的污泥龄，促进m n 的生物氧 化；冬季对原水进行加热或采用较高污泥龄，留住m n 0 2 促进m n 的化学氧化。 因此，在很多工艺中都可以利用这种机理，通过调整各项参数创造适应m n 2 + 氧 化的环境，优化水质。 1 4m n ( i i ) 氧化细菌的研究进展 1 4 1m n ( n ) 氧化细菌的种类 m n ( i i ) 氧化细菌广泛存在于海水、淡水和土壤环境中，其中既能氧化锰又能 氧化铁的细菌有c r e n o t h r i x ( ：泉发菌属) 、l e p t o t h r i x ( 纤发菌属) 、g a l l i o n e l l a ( 嘉利翁 氏菌属) 、s i d e r o e a p s ap s a c e a e q ( 鞘铁菌) 、h y p k o m i c r o b i u m ( 生丝微菌属) 、 m e t a l l o g e n i u ms y m b i o t i c u m ( 共生生金菌) 、t h i o b a c i l l u st h i o o x i d a n s ( i 氧化硫硫杆菌) 和t h i o b a c i l l u s f e r r o o x i d a n s f 氧化亚铁硫杆菌) ；只能氧化铁的细菌有s p h a e r o t i l u s n a t a n s ( 浮游球衣菌) ；只能氧化锰的细菌有两种假单胞菌c 风e “如埘d ，l 口s ) 【泓5 6 1 。 1 4 2m n ( i i ) 生物氧化的机理研究 ( 1 ) m n 对锰氧化细菌的生理作用 6 第l 章绪论 m n 是所有生物体的基本微量元素，是某些金属酶如过氧化物岐化酶、精氨 酸酶和磷酸盐转移酶的成分【5 丌。对于细菌为什么以及如何氧化m n ( i i ) 这个问题， 一直都没有得到满意的答案。研究者们对此提出了一些假设： 对于一些自养细菌，m n ( i i ) 的氧化过程能产生a t p 作为能量来源【5 8 】； 锰通常不被认为是有毒元素，对于某些细菌来说，m n 2 + 有时是有毒的或能 引起突变【5 9 1 。有研究者认为m n 2 + 的氧化是为了避免m n 2 + 毒性的积累【删。 i n 的氧化物包裹在细菌表面，可以防止病毒的侵害或原生动物的吞噬【57 1 。 m n 的氧化物能分解复杂有机分子，促进细菌对碳源的利用1 6 。 在厌氧条件下，细菌利用m n 的氧化物作为电子受体【6 2 】。 或者细菌并不能从锰的氧化中获益，这个过程仅仅是偶然现象，是其他过 程的副产物【5 n 。 ( 2 ) m n ( i i ) 的生物氧化机理 以往的研究提出，生物对m i l 2 + 的氧化有两种方式。一种是间接方式，即生物 细胞体分泌有反应活性的小分子代谢物与锰反应，或通过新陈代谢作用改变环 境、微环境的p h 、e h 等来促进氧化( m n 2 + 在p h 8 5 条件下可以实现化学氧化) ； 另一种是直接方式，即细菌直接产生酶或其他专一性因子来催化相关反应。 细菌可以通过胞外富集、细胞表面吸附络合、胞内富集等方式将锰从水中分 离。对几种锰氧化细菌的研究表明【6 3 - - 6 5 1 ：p s e u d o m o n a sp u t i d a ( 恶臭假单胞菌) 和 p e d o m i c r o b i u m ( 土微菌属) 的锰氧化发生在膜外，l e p t o t h r i xd i s c o p h o r a ( 生盘纤发 菌) 的氧化锰发生在外壳上。 在实际生产生物滤池中我们观测到，滤池中具有锰氧化能力细菌的数量同滤 池所具有的锰去除能力是正相关的；用抑制剂来抑制细菌的酶合成系统，会导致 除锰效果大幅度下降甚至完全丧失【6 6 , 6 7 1 。 ( 3 ) m n ( i i ) 生物氧化产物的研究 p a s t o a 6 8 】对l e p t o t h r i xd i s c o p h o r as p 6 氧化m n 的产物进行了分析，发现m n 介于i i 价和i v 价之间，当有f e 存在时，更靠近i i 价，无f e 时靠近价。 k a t s o y i a n n i s 2 7 】对m n 2 + 生物氧化产物的x 射线衍射结果显示，沉淀物是完全无定 形的，生成的锰氧化物中m n 介于i i i 、i v 价之f l l ( m n 0 2 和m n o o h ) 。b a r g a r 等 人发现芽孢杆菌b a c i l l u ss p 氧化m n ( i i ) 的主要产物是m n ( i v ) ，而m n ( i i i ) 是瞬时 的中间产物。 1 5 课题的提出 微生物生态学是研究微生物种群、群落与环境之间相互关系及其相互作用规 律的科学。某些生态因子的改变，会引起群落中优势种群组成及微生物生理特性 发生相应变化。同时，在改变过程中，微生物群落也会对环境产生一些反作用， 使环境也发生相应变化以便更利于微生物群落保持相对稳定，达到稳定项级状 7 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 态。群落受环境影响的动态特点是具有演替过程，而顶极状态实质上就是演替过 程中微生物群落与环境之间相互作用，协同发展的生态结果【6 9 7 2 1 。 在种群、群落、微生物生态学等方面，国内外不少研究者通过传统与现代分 子生物学相结合的方法，研究了颗粒污泥、活性污泥、曝气生物滤池、管道等上 微生物的生长状况、相互规律【7 3 8 1 】。而对于地下水生物除铁除锰滤池这种贫营养 条件下的生态系统的研究鲜见报道。 滤层中存在的各种微生物构成了特定环境下特有的群落，群落又与其环境形 成了特定的生态系统。与自然界的其他生态系统一样遵循着一定的原则。这种原 则也就是我们努力探求的控制生物除铁除锰滤池高效稳定运行的法则。 1 6 研究课题来源、研究意义及主要内容 1 6 1 课题来源 本课题的来源于国家“8 6 3 计划”项目。“十一五”国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 计划) 项目为饮用地下水原生污染物锰生物去除机理及除铁除锰系统技 术研究。 1 6 2 研究意义 生物滤层的建立是生物除铁除锰工艺启动运行的首要环节，而其生态特性的 研究将为快速建立成熟的生物滤层提供了稳定的基础。只有在滤层内建立一个以 铁、锰氧化细菌为优势菌群的稳定而复杂的生态系统，滤池才能保证高效稳定的 除铁除锰能力。单纯地依靠生物除铁除锰滤池的外部条件来维持滤池的运行使得 生物除铁除锰技术的推广在很大程度上受到限制。如何使不同的地区的地下水都 能应用此技术，就需要对生物除铁除锰滤层内部的生物生态系统进行深入研究， 进而指导某一个地区的地下水能否应用此技术，或者如何才能保证出水稳定。所 以本课题的研究将为生物除铁除锰技术的进一步展开进而大面积的推广提供了