高铁高锰高氨氮地下水的两级净化研究

书书书高铁高锰高氨氮地下水的两级净化研究曾辉平１，　李　冬２，　高源涛１，３，　李相昆１，　李灿波２，　张　杰１，２（１．哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００９０；２．北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京１００１２４；３．哈尔滨市松北区建设和管理局，黑龙江哈尔滨１５００２８）　　摘　要：　为解决高铁高锰高氨氮地下水同层净化中溶解氧不足的问题，同时提高产水量，进行了两级滤柱串联高速过滤的试验研究，分别启动接触氧化除铁一级滤柱和生物氧化除锰二级滤柱，将两者串联后在１０～１２ｍ／ｈ的高滤速下运行。试验结果表明，在高滤速工况下，两级净化工艺能够保证出水水质达标，与单级过滤工艺相比，在单位面积产水量相同的条件下，两级净化系统的运行效果更稳定，具有更强的抗冲击负荷能力。　　关键词：　高铁高锰高氨氮地下水；　溶解氧；　两级净化中图分类号：ＴＵ９９１　　文献标识码：Ｃ　　文章编号：１０００－４６０２（２０１０）１１－０１４２－０３ＴｗｏｓｔａｇｅＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｒｏｕｎｄｗａｔｅｒＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＨｉｇｈＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＩｒｏｎ，ＭａｎｇａｎｅｓｅａｎｄＡｍｍｏｎｉａＮｉｔｒｏｇｅｎＺＥＮＧＨｕｉｐｉｎｇ１，　ＬＩＤｏｎｇ２，　ＧＡＯＹｕａｎｔａｏ１，３，　ＬＩＸｉａｎｇｋｕｎ１，　ＬＩＣａｎｂｏ２，　ＺＨＡＮＧＪｉｅ１，２（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｒｂａｎＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｆＢｅｉｊｉｎｇＷａｔｅｒＱｕａｌｉｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＷａｔｅｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＲｅｃｏｖｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕｏｆＳｏｎｇｂｅｉＤｉｓｔｒｉｃｔ，Ｈａｒｂｉｎ１５００２８，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒａｐｉｄｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｗｏｆｉｌｔｅｒｃｏｌｕｍｎｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎｆｏｒｔｈｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎ，ｍａｎｇａｎｅｓｅａｎｄａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｗａｔｅｒｙｉｅｌｄ．Ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔａｇｅｆｉｌｔｅｒｃｏｌｕｍｎｆｏｒｉｒｏｎｒｅｍｏｖａｌｗｉｔｈｃｏｎｔａｃｔｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｅｃｏｎｄｓｔａｇｅｆｉｌｔｅｒｃｏｌｕｍｎｆｏｒｍａｎｇａｎｅｓｅｒｅｍｏｖａｌｗｉｔｈｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔａｒｔｅｄｕｐｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｏｐｅｒａｔｅｄａｔｈｉｇｈｓｐｅｅｄｏｆ１０ｔｏ１２ｍ／ｈａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｎｓｅｒｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｗｏｓｔａｇｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｆｉｌｔｅｒｅｄｗａｔｅｒｍｅｅｔｓｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓａｍｅｗａｔｅｒｙｉｅｌｄｐｅｒｕｎｉｔａｒｅａ，ｔｈｅｔｗｏｓｔａｇｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｓｔａｂｌｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔａｎｄｓｔｒｏｎｇｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｓｈｏｃｋｌｏａｄｉｎｇｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｓｔａｇｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎ，ｍａｎｇａｎｅｓｅａｎｄａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎ；ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ；　ｔｗｏｓｔａｇｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７８００１）；　国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００９ＺＸ０７４２４－００５－０３）·２４１·第２６卷　第１１期２０１０年６月　　　　　　　　　　　　中国给水排水ＣＨＩＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．１１Ｊｕｎ．２０１０　　笔者通过生物滤层的培养，实现了高铁高锰高氨氮地下水的同层净化［１］，试验过程中发现，溶解氧是关键控制因素［２］，由于氨氮的存在使得滤层对溶解氧（ＤＯ）的需求剧增，而在实际工程中一级过滤进水ＤＯ＜９ｍｇ／Ｌ，供需矛盾难以解决。鉴于此，笔者提出采用两级过滤、两次曝气充氧的方式净化该地下水，这样看似失去了一级过滤工艺节省基建费用的优势，其实不然，此处的两级过滤与传统的接触氧化两级过滤方式不同，是采用“接触氧化除铁／生物氧化除锰”组合工艺，充分发挥接触氧化除铁与生物催化氧化除锰的高效性，尝试在高滤速（１０～１２ｍ／ｈ）的条件下实现铁、锰及氨氮的去除，因此，与一级过滤的正常滤速（５～６ｍ／ｈ）相比，可弥补两级过滤投资加倍的缺陷。１　试验装置与方法试验装置采用两根有机玻璃滤柱，直径均为１５０ｍｍ，高为２５００ｍｍ。过滤流程如图１所示。!#!#$%&’$%$()’*+,-$$(./0$$$(&’*12,-$$%&’(34)’$%%&’(-$%)56$4$)7$89’)-$89&)!#89#):;$=();?)@AB!)CDE*)FG*+HIE*#图１　两级过滤流程Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｗｏｓｔａｇｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ一级过滤原水来自给水厂的深井地下水，Ｆｅ２＋为１２～１７ｍｇ／Ｌ，Ｍｎ２＋为１．５ｍｇ／Ｌ左右，氨氮为１．２ｍｇ／Ｌ左右；采用一次喷淋曝气，进水ＤＯ为６ｍｇ／Ｌ左右。滤柱采用双层滤料，考虑到滤速较大、Ｆｅ２＋浓度较高，铁泥积累会较严重，为提高滤层的纳污能力、延长反冲洗时间，上部滤料使用孔隙率较大的无烟煤（厚度为３５０ｍｍ），下部使用石英砂（厚度为９００ｍｍ）。滤速为１２ｍ／ｈ，由于水头损失增长较快，确定反冲洗周期为８ｈ、强度为１４Ｌ／（ｓ·ｍ２）、时间为６ｍｉｎ。二级生物过滤原水来自一级过滤出水，采用压缩空气曝气，控制进水ＤＯ为６～１０ｍｇ／Ｌ。滤料采用给水厂稳定运行的二级生物除锰滤池的成熟砂，厚度为１２５０ｍｍ。滤速为６～１２ｍ／ｈ，反冲洗周期为７ｄ、强度为１４Ｌ／（ｓ·ｍ２）、时间为８ｍｉｎ。在二级生物过滤提速到１０～１２ｍ／ｈ时，为防止一级除铁滤柱水头损失过快而引起出水量不足，遂引用与一级滤柱出水水质相似的给水厂一级除铁滤池出水作为二级生物滤柱原水的补充。两级滤柱均采用给水厂的大颗粒锰砂（厚度为１００ｍｍ）和鹅卵石（厚度为１５０ｍｍ）作为双垫层。试验用反冲洗水均来自给水厂二级除锰池出水。两级滤柱培养成熟后，逐步提升滤速，分析进、出水质。其中，铁浓度采用二氮杂菲分光光度法测定，锰浓度采用过硫酸铵分光光度法测定。２　结果与讨论２１　单级过滤的启动２１１　一级过滤以１２ｍ／ｈ的滤速对一级接触氧化除铁滤柱进行了培养，从培养开始到滤柱出水铁浓度接近达标历时一个月左右。试验中考察了一级滤柱沿程铁离子的去除状态，发现对铁离子的去除基本集中在４０ｃｍ以上的滤层部分；随着滤膜的积累，滤层的除铁能力不断提高，滤柱稳定运行后出水总铁浓度在０．４ｍｇ／Ｌ左右，其中三价铁离子居多，占２／３左右。试验也检测到了一级滤柱的除锰能力，但是由于一级滤柱没有接种微生物，其除锰能力很弱，对锰的去除率只有１０％左右；另外，在运行初期，由于高浓度亚铁离子对锰砂大颗粒垫层中高价态锰的还原，曾导致出水锰离子浓度大于进水的现象。试验还考察了一级滤柱对氨氮的去除效果，结果表明，一级滤柱对氨氮的去除效果也较差，去除率低于１０％。２１２　二级过滤二级生物滤柱填充成熟砂后，以６ｍ／ｈ的滤速运行，此时进水ＤＯ为１０ｍｇ／Ｌ左右。在运行初期，由于一级滤柱的除铁能力还较弱，导致二级除锰滤柱的进水Ｆｅ２＋浓度过高（＞９ｍｇ／Ｌ），与二级滤柱上部的成熟除锰滤层接触后，有锰溶出的现象；运行半个月后，二级滤柱的进水铁离子＜３ｍｇ／Ｌ，滤柱上部滤层不再有锰离子溶出，且此时滤柱的运行已进入稳定状态，在滤层的２０～３０ｃｍ深度锰离子已经达标，氨氮也在３０ｃｍ以上的滤层中被去除，出水水质较稳定。随后将二级滤柱的滤速直接提高到１０～１２ｍ／ｈ，此时进水ＤＯ为６ｍｇ／Ｌ。试验发现，滤速提高后二级滤柱的除锰能力有所下降，除锰带向下推·３４１·ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｃｏｍ曾辉平，等：高铁高锰高氨氮地下水的两级净化研究第２６卷　第１１期移，当滤速为６ｍ／ｈ时，除锰滤层需要３０ｃｍ；当滤速为１０ｍ／ｈ时，则需要８０ｃｍ厚的除锰滤层；当滤速增至１２ｍ／ｈ时，除锰滤层则需要近１ｍ厚。分析可能是在高滤速条件下，微生物与锰离子的接触反应时间减少，必然导致除锰效率下降，需要的除锰滤层则相应增厚。试验同时也考察了高滤速运行中对氨氮的去除效果。当滤速由６ｍ／ｈ提高到１２ｍ／ｈ时，使氨氮达标所需的滤层厚度由２０ｃｍ增至４０ｃｍ，对氨氮的深度去除（出水浓度＜０．２ｍｇ／Ｌ）所需的滤层厚度由４０ｃｍ增至近１００ｃｍ。由以上分析可知，由于微生物去除锰及氨氮的高效性，具有一定厚度的生物除锰滤柱能在１０～１２ｍ／ｈ的高滤速下保证出水水质达标且稳定运行。２２　全流程高速过滤的净化效果两级滤柱均成功启动后，在１０～１２ｍ／ｈ的滤速下稳定运行一周后，对地下水的净化效果见图２。可以看出，在全流程高速过滤运行的情况下，出水的铁、锰、氨氮浓度均能达到国家标准。!#$%&’%&(%#)%#*&&*!*’*)*&+!’)&!,-./!!0*1#$%&!,-./!23*1’()*+(,-.(,-+(/01##$图２　全流程高速过滤的净化效果Ｆｉｇ．２　Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｂｙｔｗｏｓｔａｇｅｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｈｉｇｈｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ在一级滤柱中，铁基本能被去除，而对氨氮、锰的去除效果均很差，笔者认为一级滤柱的除污机理主要是滤料的吸附作用。在一级滤柱的净化过程中，消耗的溶解氧量为２．８ｍｇ／Ｌ，主要用于亚铁离子的氧化以及其他还原物质的损耗。对氨氮和锰的去除主要发生在二级生物滤柱中，消耗的溶解氧量为５．６ｍｇ／Ｌ；由于二级滤柱中微生物的网捕作用，使得出水的总铁浓度进一步降低，由一级出水的０．４ｍｇ／Ｌ降到０．１５ｍｇ／Ｌ以下，这也充分体现了生物滤柱除铁的优势。２３　两级净化工艺与同层净化工艺的对比对于高铁高锰高氨氮地下水，在水质净化效果上，两级净化工艺（接触氧化除铁／生物氧化除锰组合工艺）与同层净化工艺（生物同层除铁除锰除氨氮工艺）相差无几，但后者的滤速相对较慢（６ｍ／ｈ）［１］，两级净化工艺在１０～１２ｍ／ｈ的高滤速下实现了与同层净化工艺相同的单位面积产水量。另外，两级净化工艺比同层净化工艺多一次水力提升和一次曝气，这就弥补了同层净化中溶解氧不足的缺点，可在一级过滤出水溶解氧耗尽的情况下补充溶解氧进行二级过滤。在同层净化的滤柱试验中，出水ＤＯ＜１ｍｇ／Ｌ［１］，如果原水水质稍有波动，耗氧还原性物质一旦增加，就会导致滤柱中缺氧，出水水质恶化，因此同层净化工艺的运行稳定性欠佳。而在两级净化工艺中，一级除铁滤柱可以减轻二级滤柱对溶解氧的需求，二级滤柱进水的溶解氧为６ｍｇ／Ｌ时即可满足需氧要求，而一级过滤出水的ＤＯ为４ｍｇ／Ｌ，经再次曝气后溶解氧很容易达到１０ｍｇ／Ｌ（极限需氧值），足以抵抗一定幅度的水质波动。在特定情况下还可以考虑将两级净化工艺中的一级滤层也培养成生物滤层，