（微生物学专业论文）低温复合产絮菌去除铁离子的试验研究.pdf

中文摘要 中文摘要中又手两斐 我国地下水资源中富含铁离子 为了提高对地下水的利用率 需要对其进行 去除 本试验利用从活性污泥和低温生物反应器中筛选得到的四株低温产絮菌 h 8 h 1 3 d n l d g 2 对水中的几种金属离子进行去除研究 发现这四株菌对铁离子的 去除效果最好 经过进一步菌种复配 得到由四株产絮菌组成的复合菌对水中铁 离子的去除率达到7 5 以上 为了得到对铁离子去除高效的复合絮凝菌 对其培养条件进行优化 结果表 明当向p h 8 0 的培养液中接种2 的复合茵后 在2 0 c 1 0 0 r m i n 1 的摇床中连续 培养7 2 h 培养出的复合茵对铁离子的去除效果最好 去除率达到8 0 以上 对培养得到的复合絮凝菌进行去除铁离子的静态试验研究 研究结果表明 试验水样p h 值为6 5 至7 o 时 向含有1 0 m g l 以铁离子的试验水样中投加4 的复 合絮凝菌 d 0 3 0 m g l 曝气5 h 后 复合絮凝菌对水中铁离子的去除率可达到 8 0 以上 进行除铁动态试验研究过程中 为了避免复合絮凝菌的流失 需要对复合菌 进行固定化 固定化试验研究后得到的最佳固定化条件为 海藻酸钠包埋剂的浓 度为4 低温复合絮凝菌与包埋剂的重量比为1 2 用直径为5 m m 的医用针头将 混合液滴入浓度为1 c a c l 2 交联剂中 交联1 8 h 得到的凝胶小球能够满足试验 和应用要求 将复合絮凝菌固定化小球投加到除铁试验装置中 进行装置运行参数和效果 优化 试验表明 试验装置中的水样p h 为6 5 7 0 向其中投加5 的复合絮凝 菌固定化小球 d 0 3 0 m g l q 条件下运行 复合菌对铁离子的去除率可达到8 0 以 上 运行3 0 d 时 复合絮凝菌对铁离子的去除率达到8 4 以上 由此可以推断 本试验的动态运行系统在经过较长时间的运行后 运行效果良好 对铁离子的去 黑龙江大学硕士学位论文 除能力较强 可为除铁工艺工程化进程奠定一定的理论和实践基础 关键词 复合絮凝菌 微生物固定化 生物除铁 a b s t r a c t a bs t r a c t i nc h i n at h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sc o n t a i n sa b u n d a n to fi r o n w h i c hn e e d st ob e r e m o v e di no r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fg r o u n dw a t e r i nt h i se x p e r i m e n lf o u rb a c t e r i as t r a i n so fl o w t e m p e r a t u r e f l o c c u l a n t p r o d u c i n g s t r a i nh 8 h 13 d n l a n dd g 2 w h i c hw e r es c r e e n e df r o ma c t i v a t e ds l u d g ea n dl o w t e m p e r a t u r eb i o r e a c t o rw e r ei n v e s t i g a t e di nr e m o v i n gs e v e r a lm e t a li o n si nw a t e r t h e s t u d yf o u n dt h a tt h ei r o ni o n sc o u l db er e m o v e de f f e c t i v e l yb yf o u rb a c t r i as t r a i n s a f t e r t h ef u r t h e rr e m a t c ht h e s ef o u rs t r a i n s o b t a i n e dt h ec o m p o u n df l u c c u l a n t i n gb a c t e r i a w h i c hi sc o n s t i t u t e d b yh 8 h 13 d n l a n dd g 2 b yu s i n gt h ec o m p o u n d f l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i a t h er e m o v a lr a t eo fi r o ni nt h ew a t e rw a so v e r7 5 i no r d e rt oi m p r o v et h ei r o nr e m o v a le f f i c i n c y t h ec u l t u r i n gc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d i n c l u d i n gc u l t u r i n gt e m p e r a t u r e p h c u l t u r i n gt i m e a n dv a c c i n a t i n ga m o u n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eb e s tc u l t u r i n gc o n d i t i o nw a s a f t e rv a c c i n a t e d2 o f c o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i u mi n t ot h ec u l t u r es o l u t i o nw h i c hi sp h 8 0 a n d c u l t i v a t e d7 2 ha t2 0 c r o t a t i n g10 0 r m i n t h ee f f e c t i v eo fr e m o v i n gi r o ni sb e s tb y u s i n gt h ec o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i a sc u l t r u e du n d e rt h eb e s tc o n d i t i o n s t h er e m o v a lr a t eo fi t o nw a so v e r8 0 i n v e s t i g a t i n gt h ei r o nr e m o v i n gc o n d i t i o n sb ys t a t i ct e s t t h er e s u l t ss h o w e dt h eb e s t r e m o v i n ge f f e c tw a s v a c c i n a t e d4 o fc o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i u mi n t o t h ew a t e r t h ew a t e rc o n t a i n e d10 m g l i r o nw h i c hp hi sf r o m6 5t o7 0 a f t e r5 h a e r a t i o n d 0 3 0m g l t h er e m o v a lr a t eo fi r o nw a so v e r8 0 i no r d e rt oa v o i dt h eb a c t e r i ar u n n i n go f f c o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i a w e r en e e d e dt ob ei m m o b i l i z e d t h ec o n c h t i o no fi m m o b i l i z a t i o nw a ss t u d i e da n dw a s d e t e r m i n e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u ma l g i n a t ee m b e d d i n gm e d i u mw a s4 t h e p r o p o r t i o no ft h el o wt e m p e r a t u r ec o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i u ma n d m 黑龙江大学硕士学位论文 e m b e d d i n gm e d i u mw a s1 2 d r o p p i n gt h em i x e dl i q u o ri n t oc a c l 2l i n k e rw h i c h c o n c e n t r a t i o nw a sl c r o s s l i n k i n g 18h o u r s t h e g e lg l o c u l eo fc o m p o u n d f l u c c u l a n t i n g p r o d u c i n gb a c t e r i aw a so b t a i n e dw h i c hw a sa b l et oa p p l yt oi r o nr e m o v a l t h ei m m o b i l i z e dg l o b u l eo fc o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i aw a sa p p l i e d i n t ot h ed e f e r r i z a t i o nt e s tf a c i l i t i e sd e s i g n e df o ri r o nr e m o v a lt r e a t m e n t r u n n i n g p a r a m e t e ro ft h et r e a t m e n tw a so p t i m i z e da n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb yp u t t i n g5 f o s s i l i z eg l o b u l eo fc o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i u mi n t ot h ew a t e r p hw a s 6 5 7 0 d 0 3 0 m g l t h er e m o v a lr a t eo f i r o nw a so v e r8 0 a f t e r3 0d a y sr u n n i n g t h e r e m o v a lr a t eo fi r o nr e a c h e dt o8 4 b yu s i n gt h ec o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n g b a c t e r i a t h ei r o nr e m o v a le f f e c tw a s p r o v e dh i 曲e f f i e n c yb yc o m p o u n d f l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i aa f t e ri m m o b i l i z a t i o na n dt h et r e a m e n te f f e c tc o u l dl a s tf o r l o n gt i m e t h er e s u l t sa b o v ec a n s e t t l et h e t h e o r ya n dp r a c t i c e f o u n d a t i o ni n d e f e r r i z a t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c t k e yw o r d s c o m p o u n df l o c c u l a n t p r o d u c i n gb a c t e r i a m i c r o b i a l i m m o b i l i z a t i o n b i o l o g i c a lr e m o v a lo fi r o n 独创性声明 独创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 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 也不包含为获得墨蕉婆太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 猢姗始多瞬一蝴膊刚日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权墨蕉选态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存 汇编本学位论文 学位论文作者签名 刍瞬 导师签名 轱嘞 签字日期 口c 一年 石月石日签字日期 o 少 p 年 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 第1 章绪论 第1 章绪论 铁元素是构成地壳的主要成分之一 尤其是广泛的存在于地下水中 由于我 国大部分地区特别是北方地区水资源相对稀缺 富含铁锰又是北方地下水水质的 主要特点 同时随着经济的发展和人民生活水平的提高 工农业及生活用水的需 求量逐年增加 所以去除地下水中的铁离子 提高对地下水的利用率尤为重要 随着科学技术的进步 对水处理的要求不再是仅满足于处理水量的多少 而 需要进一步提高为量 质并举 处理后的水质不但要达到标准 还要求处理的药 剂用量少 低残留和无二次污染等 絮凝剂又称为沉降剂 它能使溶液中不易沉 降的固体悬浮物颗粒凝集 沉淀 目前已被广泛应用于给排水 水处理和污泥脱 水等过程 作为絮凝处理技术的核心 絮凝剂的性能很大程度上决定了水处理效 果的好坏 1 j 与此同时 针对自然氧化法 接触氧化法等常规除铁技术达不到理想的除铁 效果以及工艺流程较复杂等问题 应用微生物技术而提出的一种新的除铁方法一一 生物法 它不仅可以进一步增强除铁效果 还可以降低工程投资和运行费用 是 当前除铁领域的最新发展方向 但作为一种新技术 生物法在实际工程应用的一 些重要方面仍需进一步完善 1 1 生物絮凝剂概述 1 1 1 生物絮凝剂的研究现状 絮凝剂的种类很多 主要分为有三类 无机絮凝剂 有机高分子絮凝剂 2 i 和微 生物絮凝剂 无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂都存在着一些缺陷 无机絮凝剂一 般用量大 絮凝沉降速度慢 在水处理过程中 停留时间长 处理效率低 并且 容易造成二次污染 危害人体健康等缺点1 3 以聚丙烯酰胺 p a m 为代表的人工 合成的有机高分子絮凝剂不易被降解 极易造成环境的二次污染 其残留单体有 黑龙江大学硕士学位论文 强烈的神经毒性和致畸 致癌 致突变的 三致 效应 6 所以只能用来处理废水 此外 有机高分子絮凝剂的含水量高 产生的污泥体积庞大 价格昂贵 应用范 围受到很大限制 微生物絮凝剂即天然高分子絮凝剂是一类新兴的水处理剂 主要利用多糖 蛋白质 几丁质 甲壳素等生物体所产生的天然有机高分子或其改性后的产品制 成 目前微生物絮凝剂主要包括以下三类 1 微生物细胞壁提取的絮凝剂 2 微 生物细胞代谢产物的絮凝剂 3 微生物菌体直接作为絮凝剂l 目前研究比较多的是第二类微生物絮凝剂 它是由微生物产生的代谢产物 主要由糖蛋白 糖类 蛋白质 脂类 核酸等组成 这类絮凝剂属于生物大分子 可广泛应用于饮料工业 生物制药 水处理等方面 与传统的絮凝剂相比 微生 物絮凝剂具有廉价 高效 无毒 无二次污染和絮凝对象广泛等优点 8 9 1 1 2 微生物絮凝剂的絮凝机理 目前普遍为人们所接受的学说是离子键 氢键结合学说 1 0 1 1 该学说认为 虽 然微生物絮凝剂的性质不同 但对液体中固体悬浮颗粒的絮凝有相似之处 它们 通过以下几种方式起作用 1 吸附架桥一个絮凝剂分子可同时与几个悬浮颗粒通过离子键 氢键和范 德华力的作用 在颗粒间产生 架桥 现象 从而形成一种三维网状结构而沉淀 下来f 1 2 2 静电作用在胶体颗粒的絮凝过程中 体系中金属阳离子的种类 性质以 及数量对絮凝效果起重要作用 体系中的离子 尤其是高价异种离子能显著改变 固体的z 电位 降低其表面电荷 促进大分子与胶体颗粒吸附和架桥 阳离子的 影响 特别是c a 2 的促进作用报道很多 离子的加入减少了大分子和悬浮颗粒的 负电荷 增加了悬浮粒子对大分子的吸附量 c a 2 不仅可以促进絮体的形成 而且 高浓度的c a 2 可以有效地保护絮凝剂不受降解酶的作用 促进架桥的形成 3 卷扫作用又被称为网捕作用 由于絮凝剂的分子较大 在适宜条件下形 成小颗粒絮体的絮凝剂在重力作用下迅速沉降 卷扫水中颗粒产生絮凝效果 迅 第1 章绪论 速形成网状结构并沉淀 表现出絮凝能力 1 3 1 2 复合型微生物絮凝剂的研究 1 2 1 复合型生物絮凝剂的研究背景 复合型微生物絮凝剂 c o m p o u n dm i c r o b i a lf l o c c u l a n t 简称 c m f 由哈尔滨工 业大学的马放教授首先提出 马放教授提出的 复合型 并不是指不同种类的 絮凝剂的复配和联用 其含义主要包括 1 主要采用纤维素分解菌群和絮凝菌群 连续发酵而获得的高效微生物絮凝剂 2 微生物的有效成分为蛋白质 多肽和多 糖类物质的复合型生物絮凝剂 3 微生物菌株本身有絮凝作用 它主要分为三种 化学 微生物絮凝剂 助凝剂 微生物絮凝剂和复合菌群絮凝剂 1 2 1 1 化学 微生物絮凝剂 化学 微生物絮凝剂是一种复合微生物絮凝剂的复配形式 主要包括有机絮凝 剂与微生物絮凝剂的复配 无机絮凝剂与微生物絮凝剂的复配 研究表明 有机絮凝剂与无机絮凝剂复合使用的絮凝效果优于两者单独使用 的效果 且能减少有机絮凝剂的投加量 减少无机絮凝剂的毒性富集 提高了整 体经济效益和环境效益 1 圳 1 2 1 2 助凝剂 微生物絮凝剂 絮凝体系中离子种类及离子强度对絮凝活性有较大的影响 絮凝体系中的离 子 尤其是高价异种离子作为助凝剂 一方面能显著改变胶体的 电位 降低其表 面电荷 压缩双电层 使胶粒发生聚集作用 另一方面可以加强高分子物质与胶 粒间的吸附作用 促进架桥形成 1 6 j 1 2 1 3 复合菌群絮凝剂 复合菌群技术是近年来发展起来的 l j 新型处理技术f 1 7 1 8 它是一个由多种 微生物组成的菌群 多种微生物在发酵合成的状态下共存 共养 共荣 共生 使微生物的有害作用朝着出现有益效果的方向发展 最终构建出一种具有活性的 有效复合微生物 1 9 2 1 复合菌株构建依据生态位理论 不同菌株之所以能够共 黑龙江大学硕士学位论文 存 并产生生物活性 是因为它们之间通过种间相互作用会出现生态位的分离 从而避免了种群之间的激烈竞争 如果两种菌之间存在生态位重叠 种群间的竞 争就会导致它们生长效率低下 从而表现较低的絮凝率 一般情况下 单一菌株 对环境的适应能力较低 假如生长环境稍有改变 就会影响他们的生长 而混合 菌株的环境适应能力相对较强 所表现出的生物活性也更加稳定 因此 复合型 微生物絮凝剂比一般的微生物絮凝菌制剂功能齐全 处理效果更为明显 且运行 及维护都比较方便 复合菌群在养殖业 畜牧业 食品加工 环境净化等许多领 域都有重要的应用 1 2 2 复合型生物絮凝剂的应用 1 2 2 1 水处理 在水处理方面复合型生物絮凝剂主要用于废水脱色 高浓度无机物悬浮废水 絮凝 膨胀污泥的复性 乳浊液的油水分离等 2 2 对常规活性污泥法 a s 法 进行 微生物强化处理以提高它的处理能力和降解效果 已成为环境微生物技术发展的 一个主要方向 2 3 实际应用中采取的强化方法有高浓度活性污泥法 微生物 铁法 和微生物 活性炭法 采用微生物强化技术处理废水 能有效地脱磷脱氮和解毒 其发展的总趋势是最大限度地增加反应体系中的微生物量和微生物类群 尽可能 发挥微生物降解污染物的活性0 2 4 1 1 2 2 2 发酵工业 复合型生物絮凝剂所表现出的对微生物细胞广谱良好的絮凝沉降效果为其在 发酵工业后处理中的实际应用奠定了基础 在微生物发酵过程中 将发酵产品从 成分复杂的发酵液中分离出来 是发酵工业的一个重要下游加工过程口2 1 利用絮 凝剂来沉降菌体细胞具有操作简单 能耗低的特点 因而生物絮凝有望成为取代 传统的离心或过滤的新手段 1 2 2 3 重金属离子的去除 在工业废水中 重金属离子废水占有相当大的比重 这些废水中含有的重金属 离子如铬 铜 汞 镉 镊等是对生态环境危害极大的一类污染物 它们能够在 第1 罩绪论 进入环境后参与食物链并在生物体内积累 破坏生物体正常代谢 危害人体健康 2 5 1 与传统吸附法相比 复合生物絮凝剂具有吸附量高 吸附速度快 成本低等 优点 尤其在浓度为1 1 0 0 m g l 的重金属废水溶液时 复合生物吸附剂具有明显 的高效性 1 9 1 1 3 生物除铁的发展概况 1 3 1 地下水中铁的形成与危害 1 3 1 1 地下水中铁的形成 地下水中铁元素的形成 主要与铁元素的物理化学性质和水文地球化学环境 有关 铁是变价元素 价态的改变可引起离子性质的变化 从而导致其化学性质 发生变化 铁离子随电价增高而离子半径逐渐变小 离子电位和电负性相应增高 引起离子的非金属性增强 表现在铁的氧化物性质上 由碱性 低价态 向酸性 高 价态 变化 2 6 1 3 1 2 含铁水对人体 城市及其工业的危害 1 铁质对人体的危害 铁是人体必须元素之一 对人体的影响随着摄入量的不同而发生变化 当摄 入量少而缺乏时 会引起免疫功能下降 消化功能减弱 神经活动衰退等一系列 疾病 当摄入量过多时 多余的铁质以氢氧化铁的胶体形式积蓄于肝脏 不利于 血在肝细胞中的移动 从而严重地损害人的健康f 2 6 2 7 1 2 铁对日常生活的危害 当水中铁离子含量较多时 可以使水的颜色变成红褐色 产生铁化合物沉淀 使洗涤的衣物和器皿等产生锈斑 还会使水有金属臭味 导致铁细菌繁殖 3 铁对工业生产的危害 在冷却 锅炉 酿造用水中 过量铁可以降低管壁的传热系数 导致冷却水 管的堵塞 同时 铁还是生成水垢和罐泥的主要成分 它能与某些有机物生成带 色的化合物 使产品风味质量降低 黑龙江大学硕士学位论文 在纺织 造纸 食品工业中 铁能使纺织品上产生锈色斑点 染色时 铁能 与染料结合 使染料色调灰暗 此外 铁对漂白剂的分解具有催化作用 从而导 致漂白作业发生困难 过量的铁还能使纸浆颜色变黄 并使漂白和染色效果降低 在供水工程中 当地下水中含有过量铁离子时 可在管道中产生铁质沉积 尤其是当水中含有氧时 含铁地下水中的铁细菌可大量繁殖 极易造成管道堵塞 此时 铁细菌和硫酸盐还原菌共生 能加速金属管道的腐蚀 2 8 o 1 3 1 3 生活饮用水与工业用水中铁的浓度标准 按中国和w h o 的标准 饮用水卫生标准 g b 5 7 4 9 8 5 n 地下水质量标准 g b l 4 8 4 8 9 3 均规定生活饮用水铁元素含量不应超过0 3 m g l 1 3 2 传统除铁工艺的发展 对于地下水中铁离子的传统去除方法主要有自然氧化法和曝气接触氧化法两 种 2 8 3 0 1 3 2 1 自然氧化法除铁 自然氧化法是在建国初期 从国外引进的一种应用较多的除铁工艺 该方法 包括曝气 氧化反应 沉淀 过滤等一系列复杂的流程 基本原理是曝气充氧后 将亚铁氧化为三价铁 经反应沉淀之后 过滤去除沉淀后的铁离子 3 0 2 空气自然氧化除铁工艺的缺点主要有 1 所需的停留时间较长 2 三价铁絮 凝体较小 容易穿透滤层 影响水质 3 水中溶解性硅酸与三价铁氢氧化物易形 成硅铁络合物 使f e o h 3 胶体凝聚困难 影响氢氧化铁的絮凝 难以从水中分离 1 3 2 2 曝气接触氧化法除铁 含铁地下水曝气后经滤池过滤 能使高价铁的氢氧化物逐渐附着在滤料的表 面 形成铁质滤膜 使滤料成为黑色或暗色的 熟砂 这种接触催化作用 能大 大加快氧化速度 所以将这种在熟砂接触催化作用下进行的氧化除铁过程 称为 曝气接触氧化法 3 3 接触氧化法除铁工艺有许多优点 1 出水铁的浓度随过滤时间的增加而减少 可以防止在周期时间内发生出水铁超标的现象 2 不受溶解性硅酸的影响 3 氧 化效率高 可处理含铁量很高的水 4 泥渣脱水性较好 但不是所有的原水都适 第1 章绪论 用接触氧化法除铁 如 1 强还原物质浓度高的地下水 铁的氧化作用将受到妨 碍 2 空气自然氧化速度快的原水 由于f e 2 易于在滤料上水层中形成细微氢氧 化铁粒子 将影响出水水质 3 4 35 1 1 3 3 现代除铁工艺的发展 生物除铁技术 自然氧化法和接触氧化法存在许多缺点与不足 随着微生物生态系统被逐渐 的认知与熟知 我们了解到微生物生态系统对自然界中各种金属元素有强烈的影 响作用 由于细菌与真菌可以通过甲基化作用 络合作用 螯合作用 吸收作用 氧化和还原作用促进或直接改变各金属元素的价态 从而极大地影响着自然界中 金属的利用率和金属元素的扩散作用 因而科学家提出了一种新的除铁方法 生物法 生物除铁工艺是针对自然氧化法 接触氧化法等常规除铁技术达不到理想的 除铁效果及工艺流程较复杂等问题 提出的一种利用微生物技术的新方法 从而 进一步增强除铁效果 降低工程投资及运行费用 是目前除铁领域最新的发展方 向 从除铁的机理和实际运行看出 生物除铁法与传统法相比 主要的优点有 1 处理效果好 截污能力强 生物除铁法充分利用各种铁细菌对f e 2 的快速氧化能 力 其氧化生成的氧化物紧密程度高 滤池的截污能力也较高 2 铁细菌能在溶 解氧很低的情况下对f e 2 进行氧化 对p h 值的要求也较低 所以可以减少曝气量 3 当f e 2 被有机物络合时 几种异养型的铁细菌能利用络合物的有机成份把铁料 释放出来 再被催化氧化作用去除 4 生物除铁工艺简单 投资及运行费用都低 1 3 4 国内外同类课题的研究现状 我国在1 9 3 6 年就建立了地下水除铁系统 是日本人在黑龙江省佳木斯市和齐 齐哈尔市建立的 处理规模均为2 0 0 0 m 3 d 处理流程也基本相同 含铁地下水抽 取后 利用空气压缩机向其中加气 水样经过气水混合器混合后进入压力滤池 5 0 年代初 我国的地下水除铁技术基本上都是从苏联和东欧引进的 采用的 都是自然氧化法 这种工艺的实质就是地表水去除悬浮物的处理原理 即将氧化 亚铁氧化为高铁絮凝物 然后进行机械分离 而达到去除铁的目的 其工艺流程 黑龙江大学硕士学位论文 i i 一 t i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一般包括曝气 氧化反应和过滤三部分 曝气是使含铁地下水与空气充分接触 让空气中的氧溶入水中 同时散除地下水中的c 0 2 以提高水的p h 从而加快亚铁 离子的氧化速度 氧化反应沉淀是让水在反应沉淀池内停留相当长的时间 将水 中的二价铁离子氧化为三价铁 并絮凝生成沉淀物 由于地下水中的亚铁离子的 氧化反应速度较缓慢 所以要求水在池中的停留时间较长 需要具有庞大容积的 反应沉淀池 反应沉淀后 水中还残留着许多铁质悬浮物 需经石英砂滤池过滤 自然氧化法除铁工艺的运行系统复杂 设备庞大 由于三价铁絮状物极易破碎 穿透滤层 所以这种工艺十分难以控制 出水经常不合格 1 9 5 9 1 9 6 0 年 以李圭白为首的哈尔滨建筑工程学院部分师生在齐齐哈尔铁 路局给水段开展了天然锰砂除铁的试验研究工作 当时 主要针对过滤除铁各种 参数的优化 曝气装置的曝气溶氧效率的测定 锰矿成份的分析及滤料的优选等 基础工作 后来随着实践的增多 逐渐形成天然锰砂除铁理论 在地下水除铁过 程中 天然锰砂滤料对亚铁有强烈的催化作用 它能快速提高亚铁离子的氧化反 应速度 将曝气后的含铁地下水经天然锰砂滤池过滤 水中的亚铁离子的氧化反 应能迅速地在滤层中完成 并同时将铁质截留在滤层中得以除去 天然锰砂能在 水的p h 不低于6 0 的条件下顺利除铁 因而 对我国大多数地下水而言 曝气的 目的 只是向水中打入溶解氧 而不需散除c 0 2 以提高水的p h 值 这样 曝气装 置也可大大简化 曝气后的含铁地下水 经天然锰砂滤池过滤除铁 从而完成除 铁过程 在天然锰砂接触氧化除铁系统中 水的总停留时间仅为5 3 0 m i n 极大地降 低了除铁设备的投资 根据哈尔滨建工学院提出的原理和方法 1 9 6 0 年在解放军 5 7 0 4 工厂采用天然锰砂压力式过滤除铁 将原水含铁浓度由9 il m g l 降至o 1 0 3 m g l 这是我国第一套按接触氧化法除铁原理设计投产的压力式除铁系统 天 然锰砂接触法除铁不需要亚铁离子在过滤前进行氧化反应沉淀 这就使处理系统 大为简化 由于不需要强曝气过程 接触氧化的曝气可减少如曝气塔一样的大型设备 靠管道漏气及处理流程中的跌水 虹吸滤池进水过程等吸入的空气就足以使原水 第1 章绪论 i i i i i 的溶解氧提高2 一4 m g l 接触氧化法与自然氧化法相比有全方位的先进性 从提 出之时便得到了大量的运用 而且一直成为国内科学研究的重点 直到现在 很 多地下水处理工程中仍在研究和使用接触氧化法工艺 3 8 1 6 0 年代中期至7 0 年代初在大力推广天然锰砂接触氧化法除铁工艺的过程中 有三项成果颇有影响 其一是1 9 6 8 年佳木斯自来水公司工人马广生首次将水聚气射流泵用于地下水 除铁的曝气工艺中 利用水聚气射流泵吸入空气并加入含铁地下水管道中代替空 压机进行曝气 取得了成功 后来在压力式除铁系统中 用射流泵将空气加入深 井泵的叶轮下 通过叶轮搅拌 使空气中的氧气溶入水中 然后进入压力滤池过 滤除铁 压力式除铁系统采用射流泵曝气具有显著的优越性 射流泵类似一个管 件 便于和滤池组成一体 从而形成了以滤池为主体的单级天然锰砂接触氧化法 除铁工艺 其二是1 9 7 0 年 佳木斯自来水公司试验成功用除铁水厂排出的铁泥焙烧制造 氧化铁红和红木粉的生产工艺 为提纯氧化铁红的纯度 哈尔滨建筑工程学院汤 洪霄进行了大量的实验工作并取得了显著成果 此项 利废回收 工艺曾被编进 1 9 7 5 年版室外给水设计规范 其三是在天然锰砂接触氧化除铁的实验和生产运行过程中 哈尔滨建筑工程 学院发现了铁质 活性滤膜 的催化除铁作用 用以解释地下水除铁过程中所产 生的现象 并提出了在生产管理中有意识地 培养滤膜 保护滤膜 的方法 这对后来构成接触氧化法除铁的完整概念起到了决定性的作用 1 9 8 0 1 9 8 1 年哈尔滨建筑工程学院刘灿生 李圭白教授以马山锰砂 无烟煤 石英砂等滤料进行对比试验为基础 对接触氧化法除铁滤料的选择 铁质 活性 滤膜 的结构组成 特性 形成过程及附着机理进行了研究 试验中发现新滤料 对水中二价铁离子有吸附作用 吸附容量因滤料种类的不同而有所区别 但吸附 于新滤料表面的铁质氧化后并不具有催化性能 新滤料具有一定吸附容量 使过 滤初期除铁水质较好 对二价铁离子氧化起催化作用的是除铁过程中在滤料表面 上自然形成的铁质活性滤膜 其形成速度一般与滤料种类无关 通过差热分析及 黑龙江大学硕士学位论文 热失重分析得到铁质活性滤膜的化学组成为f e o h 3 2 h 2 0 铁质活性滤膜接触氧 化除铁是自动催化反应过程 除铁过程中截留在滤层中铁质愈多 滤层的接触催 化能力愈大 新滤料的 成熟 过程就是铁质活性滤膜在滤料表面逐步积累的过 程 对成熟滤料而言 作为铁质活性滤膜载体的不同种类的滤料 其作用是没有 区别的 7 0 年代 国内开始研究铁细菌在地下水除铁中的作用 1 9 7 2 年 李圭白教授 等人便开始研究铁细菌在地下水除铁中的作用 并筛选出多种细菌 通过一系列 的实验研究发现铁细菌的生物作用对实验条件下的亚铁氧化和去除作用明显 3 9 4 2 o 8 0 年代以来 国内研究生物除铁除锰的人进一步增加 同时 很多相关文献 开始发表 如朴真三教授等做的鞘铁菌固锰的生化分析 发现对m n 2 离子的氧化 作用来自于细菌菌体本身而不是菌体外液 并通过对比提出 酶系统在菌体内大 多以非活性的酶原形式存在 经胰酶处理后酶原的催化能力被激活 4 3 御 张杰等 做的生物除铁除锰曝气溶氧研究 指出在满足滤层中微生物生理需要的前提下 较小的氧过剩系数即可达到生物滤层的稳定运行 除锰滤池的成熟与微生物群落 研究及锰氧化细菌的微生物研究等 研究了滤层成熟过程中各类微生物的生长及 铁锰细菌的氧化能力 4 8 5 7 1 薛罡对除铁除锰机制的培养基试验研究 发现铁细菌 在仅含铁培养基中生长状况良好 在仅含锰培养基中较差 在铁锰共存培养基中 最好 5 6 3 1 在多年的研究 实践基础上 我国研究人员提出 生物活性膜才是除 锰的关键所在 并有除锰必须采用生物法的提法 而法国的研究更进一步认为 生物法将成为代替化学氧化法的新一代除铁除锰方法 我国湖南大学的袁世荃教授于1 9 7 7 1 9 8 5 年间 在湖南省的汉寿 沉江 华 容 南县 常德 岳阳等地采用曝气架 反应池与滤池相结合的一体化形式 处 理地下水中的铁质 取得了成功 6 4 6 5 湖南大学的余建教授多年来也在洞庭湖地 区进行多处地下水除铁除锰实验 并运用生物接触过滤池实现了对铁锰的去除 1 6 6 6 7 o 反观国外 7 0 年代以来 采用生物活性滤池能使出水具有生物稳定性的观点 第1 章绪论 和事实在西欧己被人们认可 大量生物滤池也被用于去除铁 锰 硝酸盐 有机 物 氨和硫化物等 德 法研究者最先研究生物作用对铁 锰去除的影响 英 美及加拿大科研人员也做了大量研究 由于国外以往多采用化学氧化法除铁除锰 因而对生物除铁除锰的有关研究不多 自2 0 世纪8 0 年代以来 国外在研究传统的自然曝气过滤除铁的过程中发现 生物氧化除铁具有处理效率高 出水水质稳定 过滤周期长和对水质适应范围广 等优点 6 8 r 2 1 可能比接触催化氧化除铁法的效率更高 效果更好 因此在2 0 世纪8 0 年代初 国外逐渐开始重视有关生物在铁锰去除中的作用 并开展深入研究 其重点以生物除铁为主 7 3 母 到9 0 年代才较为系统的提出生物 除铁 锰的影响因素及相互关系 如p i e r r em o u c h e t 发现在低溶解氧 o 0 7 m g l 情况下 生物除铁 锰发挥重大作用并提出铁细菌的作用机理 其试验结果还表 明 生物除铁 锰具有过滤周期长 处理效率高 所需溶解氧低等优点 3 3 t s u y o s h i s u g i o 等研究亚硫酸盐对部分铁细菌的影响 9 2 gd i m i t r a k o sm i c h a l a k o s 等提出当 亚铁浓度大于5 m g l 时 生物活性便不显著 但有无微生物的作用对除铁的影响 很大1 9 3 1 c a t h e r i n evt r e m b l a y 提出在p h 值5 7 时 氧化还原电位对生物除铁有重 大的影响 并研究了氧化还原电位与生物氧化能力的关系 9 4 1 d m i t r is o b o l e v 等研 究了细菌对铁氧化物沉降的影响桫5 j a g o u z i n i s t s 等则研究了铁 锰和氨同时存在 时细菌对三者的作用及三者的相互影响一引 国内有关接触氧化除铁工艺比较成熟 而生物除铁因条件难以控制 所以相 应的研究较少 在生物除铁除锰方面的研究以除锰为主 而且研究较为深入 从 微观机理的研究 到现场的实践再到细菌的接种和培养 都已经有了比较成熟的 工艺流程 此外 铁细菌一般既能除铁 又能除锰 所以在研究生物除锰过程中 也进一步加强了对生物除铁的认识与了解 可以说我国在水中铁锰离子的去除方 面的研究和运用达到了世界先进水平 1 3 5 生物除铁理论在工程应用中存在的问题及发展趋势 随着除铁工艺的不断发展 该领域的研究正逐渐进入生物法除铁的研究阶段 黑龙江大学硕士学位论文 正如我国文献报道中提出并由法国研究进一步发展的观点 生物法将成为替代传 统除铁工艺的新一代除铁方法 生物法的研究发展至今 在学者们的不断努力下 取得了一些有价值的成果 并逐步向工程化的趋势发展 但作为一种新技术 在 实际应用中有一些重要方面尚需进一步完善 1 目前为止 除了证明蛋白质或酶参与铁的氧化还原反应外 生物化学研究 进展不大 仍局限在抑制剂实验和细胞悬液 细胞破碎液的动力学测量上 有关 铁细菌氧化铁离子的知识仍然不够全面 而且对铁细菌的生态学研究 细菌特征 的研究还不够透彻 甚至部分细菌的定义 分离都没有达成一致 关于细菌生态 学 形态学方面还需要做更多 更深的研究 2 i 程实践相对较少 目前还没有构建起完善的工程设计理论及参数确定方 法 与此同时 在工程实践方面尚缺乏一套规范化的运行调试方法 所以这种新 技术目前还没有完全走出实验室 迈向工程化 3 生物除铁的工程实现方法 即如何以简单易行的接种方法形成铁细菌生物 滤池 是今后研究的重点 尽管铁细菌的筛选 驯化已获成功 但采用实验室筛 选驯化菌种的接种方法 对于大中型除铁滤池来讲 不仅在工程实现上较困难 而且菌种培养费用巨大 经济上不可行 4 对生物的影响因素 如p h 氧化还原电位 溶解氧等的研究尚不完善 对 于有机物 氨氮等可能对生物除铁造成不利影响的因素尚未进行研究 在关于有 机物对生物过滤除铁的影响试验中 对于有机物的浓度及种类等影响研究较少 并且尚未深入考察有机物的分子量分布对生物除铁的影响 1 4 本课题研究的目的与意义 我国北方大部分地区主要以地下水作为主要水源 富含铁锰又是东北地区地 下水水质的主要特点 而且我国北方地区四季明显 冬季气温较低 而低温絮凝 菌是一种能在低温条件下存活 并可以产絮凝剂的菌种 絮凝剂在水处理中应用 较多 且具有用量少 低残留 和无二次污染等优点 近年来新兴一种生物法除 第1 章绪论 铁工艺 较传统的除铁工艺 生物除铁法具有工艺简单 不受铁离子形态约束 可低曝气量条件下运行等优势 本试验结合自然氧化法和絮凝沉淀法对北方地下水水质中的铁离子进行去 除 从而得到符合生活及工农业生产标准的可利用水 在现有实验室条件下 结 合生物除铁的相关资料 利用从处理低温生活污水的生物膜及活性污泥中分离筛 选得到的四株产絮菌 h 8 h 1 3 d n l d g 2 在室温条件下 对含有过量铁离子 的地下水进行去除试验研究 并对试验菌种的培养条件进行优化 对离子去除的 影响因素 工程化动态系统运行等方面进行试验研究 从而为金属离子的去除工 艺迈向规模化 工程化奠定一定的理论与实践基础 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章去除铁离子的菌种筛选及培养条件优化 2 1 试验材料 2 1 1 试验菌株 h 8 与假单胞菌 p s e u d o m o n a sm a n d e l i i 亲源关系最近 h 1 3 与嗜气杆菌 b a c i l l u sa e r o p h i l u s 亲源关系最近 d n i 为动胶菌属 z o o g l e as p d g 2 为草莓假单胞菌 p s e u d o m o n a s f r 呼 以上四株产絮菌分别从处理低温生活污水的生物膜及活性污泥中分离筛选 出 为黑龙江大学微生物实验室保藏菌种 2 1 2 培养基 葡萄糖培养基 葡萄糖2 0 9 脲0 5 9 酵母膏5 9 m g s 0 4 7 h 2 00 2 9 k h 2 p 0 4 2 9 k 2 h p 0 45 9 n a c l0 1 9 n h 4 2 s 0 4o 2 9 琼脂2 0 9 蒸馏水1 0 0 0 m l p h7 0 1 1 2 灭菌3 0 r a i n 2 1 3 试验用水 试验过程中采用自配水作为试验用水 参照地下水中金属离子含量 配制 1 0 m g l 1 的铁离子水 1 0 m g l 1 的锌离子水 1 0 m g l 1 的铜离子水及5m g l 1 的锰 离子水 2 1 4 试验仪器 1 原子吸收分光光度计 日本岛津仪器公司 a a 6 6 5 0 2 双人单面净化工作台 苏州净化设备有限公司 3 紫外可见光分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司 t u 1 8 1 0 4 曝气装置 g 9 0 0 5 阪神立式冷藏陈立柜 江苏雪龙电器有限公司 第2 章去除铁离子的菌种筛选及培养条件优化 6 灭菌锅 日本三洋 m l s 3 0 2 0 7 电子天平 梅特勒 托利多仪器上海有限公司 m e t t l e r a e 2 4 0 8 高速离心机 湘仪仪器公司 t g l 6 w s 9 电热恒温培养箱 上海跃进医疗器械厂 h h h4 2 0 s 1 0 恒温磁力搅拌器 上海精科实业有限公司 2 2 试验方法 2 2 1 原子分光光度计法分析水中金属离子含量 本试验使用原子分光光度计测量水中的金属离子 在测量前 需要对测量水 样进行预处理 预处理步骤为 试验水样在8 0 0 0 r r a i n 离心15 m i n 取离心后上 清液经0 2 2 u r n 的水系滤膜过滤后测量水样中金属离子含量 2 2 1 1 仪器的工作条件 1 铁元素的仪器参数 铁空心阴极灯 波长为2 4 8 3 n m 狭缝0 2 n m 灯 电流1 2 m a 燃烧器高度9 m m 空气 乙炔气流量2 2 l m i n 2 铜元素的仪器参数 铜空心阴极灯 波长为3 2 4 8 n m 狭缝0 5 n m 灯 电流6 m a 燃烧器高度7 m m 空气 乙炔气流量1 8 l r a i n 3 锰元素的仪器参数 锰空心阴极灯 波长为2 7 9 5 n m 狭缝0 2 n m 灯 电流1 0 m a 燃烧器高度7 m m 空气 乙炔气流量2 0 l m i n 1 4 锌