生物除鐵除錳濾池對砷(Ⅲ)的去除效果

劉曉天，李 冬 ，2，曾輝平，張 杰

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱 150090;2.北京工業大學水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京 100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

生物除鐵除錳濾池對砷(Ⅲ)的去除效果

劉曉天1，李 冬1，2，曾輝平1，張 杰1

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱 150090;2.北京工業大學水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京 100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

采用人工配制的含有As(Ⅲ)30～200 μg/L，Fe2+0.5～1.50 mg/L，Mn2+0.6～2.0 mg/L的原水，通過已經培養成熟的生物除鐵除錳濾柱進行過濾實驗，分別考察了3、4、5 m/h濾速條件下砷的去除效果.結果表明:在原水中砷質量濃度低于200 μg/L的情況下，生物除鐵除錳濾池的鐵錳去除能力基本不受砷的影響，并且砷的去除效果明顯，去除率在95%以上.經過濾柱分層取水實驗，發現砷的去除集中在0～660 mm的濾層厚度.在反沖洗后，短時期內砷和鐵有超標的現象.

生物濾池;砷;除鐵;除錳

砷是一種對人和動物有毒害作用的物質，不僅可以引起急性、慢性中毒，還可以呈現致癌作用［1］，主要通過飲用水的途徑進入人體.2003年，歐盟將飲用水中砷的標準由50 μg/L修改為10 μg/L.WHO也采用這一標準.我國新的 GB 5749－2006《生活飲用水衛生標準》中也已將砷標準由原來的50 μg/L修改為10 μg/L.在我國，受到高砷飲用水危害的人數眾多［2］.采用沉降及共沉降、吸附等方法處理時，As(Ⅲ)的去除效果較差［3］.

生物除鐵除錳技術是一種有效的去除地下水中鐵錳的方法，在我國北方得到了廣泛應用［4－6］.地下水中一般存在較多的金屬離子和無機鹽，在很多情況下，As(Ⅲ)、Fe2+、Mn2+共同存在于地下水中，因此，本研究旨在考察生物除鐵除錳濾池對As(Ⅲ)的去除效果.

1 試驗

1.1 試驗裝置

實驗裝置見圖1.試驗濾柱采用有機玻璃柱，濾柱高為2 500 mm，直徑為60 mm，卵石承托層厚度為300 mm，濾層厚度為1 200 mm，濾料采用粒徑為0.5～1.2 mm的普通石英砂.在有機玻璃柱上從底端開始每隔200 mm設一個水樣取樣口，共10個.該濾柱為已經培養成熟的生物除鐵除錳濾柱，除鐵除錳效果良好.

圖1 試驗裝置

1.2 原水水質

試驗中原水采用人工配制的方法，向靜置24 h以上的自來水中投加一定濃度的MnSO4溶液、FeSO4溶液、As(Ⅲ)溶液(由 NaAsO2配制)，模擬天然水體含有As(Ⅲ)、Fe2+、Mn2+的情況.水箱2中為自來水，水箱1中為一定濃度的含Fe2+、Mn2+、As(Ⅲ)的儲備液.兩個水箱的水經過計量泵輸送到靜態混合器進行混合后，形成原水，原水中Fe2+、Mn2+、As(Ⅲ)的濃度可以通過計量泵進行調節.試驗中原水的其他性質如下，溫度為15～17℃，pH值為6.5～7. 0，濁度3.3～3.7 NTU，DO為6.4～6.9 mg/L.

1.3 試驗過程

控制濾柱的運行工況分別在 3， 4，5 m/h的濾速下，每24 h從取樣口取水樣，測 Fe、Mn、As(Ⅲ)的濃度，考察濾柱在不同的濾速下對As(Ⅲ)的去除效果，以及在不同的濾層深度各目標物質的去除效果.

開始運行階段，為減小As(Ⅲ)對濾層內生物產生的沖擊，采用較低的進水As(Ⅲ)濃度及較小的濾速(2 m/h)，并延長反沖洗周期，減小反沖洗強度.在穩定運行后采用3～5 m/h的濾速，反沖洗強度8 L/(s·m2)，反沖洗時間3 min，反沖洗周期72 h.

1.4 分析項目及方法

pH值由pHS－3C型酸度計(上海雷磁儀器廠)進行測定，測定前用標準pH緩沖溶液進行校正.DO的測定采用溶解氧儀(WTW，oxi315i).As(Ⅲ)、Fe、Mn 濃度檢測:水樣經 0.45 μm 的濾膜過濾后，酸化至pH< 1，采用ICP－OES(Perkin Elmer，Optima 5300DV)測定.

2 結果與討論

2.1 長期運行效果

在對濾池兩個月的運行效果觀測中，濾池對As(Ⅲ)、Fe、Mn均有很好的去除效果(見圖2～4)，出水均達到GB5749－2006《生活飲用水衛生標準》的水質指標.從圖2～4可以看出，在濾速由2 m/h增加到5 m/h，As(Ⅲ)的質量濃度從30 μg/L逐漸增加到200 μg/L的過程中，濾柱的出水Fe、Mn質量濃度一直能夠達標(國家標準:Fe 0.3 mg/L，Mn 0.1 mg/L)，As(Ⅲ)的加入沒有影響原濾柱對Fe、Mn的去除效果，并且出水中As的濃度也一直能夠達標.圖4中在濾速5 m/h，進水As(Ⅲ)質量濃度200 μg/L的運行工況下，出水As的質量濃度接近10 μg/L，說明在5 m/h的濾速下，且原水鐵錳離子質量濃度在1～2 mg/L波動時，生物除鐵除錳濾柱的極限除As(Ⅲ)質量濃度為200 μg/L左右.

圖2 長期試驗鐵的去除效果

圖3 長期試驗錳的去除效果

圖4 長期試驗砷的去除效果

2.2 不同濾層厚度的Fe、Mn、As(Ⅲ)去除效果

分別在濾層深度為 200， 460， 660， 860，1 060，1 200 mm處取水樣測定Fe，Mn，As的濃度，結果如圖5所示.

圖5 不同濾層深度對As(Ⅲ)的去除效果

在 As(Ⅲ)初始質量濃度 98.5 μg/L，pH=6. 8，溶解氧為6.5 mg/L的初始條件下，考察濾層中Fe、Mn、As(Ⅲ)的去除效果.從圖5可以看出，Fe在0～200 mm的濾層深度內很快被去除，在濾層中0～660 mm的深度范圍內，As的濃度下降很快，去除率達到83.73%，到1 200 mm的濾層深度時，去除率為99.72%.Mn的分層去除效果與As幾乎一致，都是在濾柱上部(0～660 cm)得到大部分去除.

2.3 濾速對As(Ⅲ)去除效果的影響

考察了在As(Ⅲ)初始濃度100 μg/L左右，pH=6. 8，溶解氧6.5 mg/L的初始條件下，濾速分別為 3， 4，5 m/h時，濾柱對 As(Ⅲ)的去除效果.從圖6可以看出，在3種濾速下，As(Ⅲ)的最終去除效果相差不大，盡管在濾速5 m/h時去除率稍有降低，但是出水As質量濃度依然達到10 μg/L以下.由此可見，在實驗條件下，濾池去除As(Ⅲ)的極限濾速可以達到5 m/h以上.

圖6 不同濾速下As(Ⅲ)的去除效果

2.4 反沖洗對濾柱除砷效果的影響

考察了反沖洗后 5， 10， 20，30 min 時，濾池出水Fe、Mn、As的濃度，如圖7所示.可以看出，在濾柱反沖洗后的5 min內，出水Fe的濃度超標;在反沖洗后20 min內，出水As的濃度超標.

圖7 反沖洗后As(Ⅲ)、Fe、Mn的去除效果

3 結論

1)在實驗水質條件下，生物除鐵除錳濾池能夠實現對Fe、Mn、As(Ⅲ)的良好去除，As(Ⅲ)的去除率在95%以上.當進水As(Ⅲ)質量濃度200 μg/L時，生物濾柱運行的極限濾速為5 m/h.

2)生物除鐵除錳濾池對As(Ⅲ)的去除起主要作用的濾層深度為0～660 mm;反沖洗強度8 L/(s·m2)，反沖洗周期72 h的條件下，反沖洗后20 min內，出水As的濃度會出現超標，出水Mn的濃度一直能夠達標.

［1］GROEN K，HAMG V，JJG K，et al.bioavaibility of inorganic arsenic from bogore-containing soil in the dog［J］.Enviromental HealthPerspectives， 1994，102(2):182－184.

［2］張 嵐，陳昌杰.我國高砷飲用水的地理分布與暴露人群［J］.衛生研究， 1997，26(5):310 －313.

［3］MEEA Kanga，HONG Chenb，YUKO Satoc，et al.Rapd and economical indicator for evaluating arsenic removal with minimum aluminum residual during coagulation process ［J］.Water Research， 2003，37(19):4599－4604.

［4］李 冬，楊 宏，張 杰.生物濾層同時去除地下水中鐵、錳離子研究［J］.中國給水排水， 2001，17(8):1－5.

［5］李 冬，楊 宏，張 杰.首座大型生物除鐵除錳水廠的實踐［J］. 中國工程科學， 2003，5(7):53 －57.

［6］李 冬，張 杰，陳立學，等.生物除鐵除錳在地下水處理廠的應用［J］.中國給水排水， 2004，20(12):85－88.

Arsenic(Ⅲ)removal by biofilter for iron and manganese removal

LIU Xiao-tian1，LI-Dong1，2，ZENG Hui-ping1，ZHANG Jie1

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;2.Key Laboratory of Water Quality Science and Water Enviroment Recovery Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China，lidong2006@bjut.edu.cn)

In this research，the removal efficiency of As(Ⅲ)by biofilter was studied under filtration velocity of 3，4 and 5 m/h respectively，using well-established biofilter column and synthetic raw water which contains As(Ⅲ)，Fe(Ⅱ)and Mn(Ⅱ)in the concentration of 30 －200 μg/L，0.5 －1.5 mg/L and 0.6 －2.0 mg/L，respectively.The results indicate that the removal efficiency of biofilter on As(Ⅲ)can be over 95%，and it is not affected by As with the concentration below 200 μg/L in the raw water.The capability of arsenic removal of the biofilter is found to concentrate in the filter bed with deepness of 0－660 mm after measuring the samples from different sampling places.And As(Ⅲ)and Fe(Ⅱ)will exceed the standards for a short time after back-washing.

biofilter;arsenic;iron removal;manganese removal

TU991.2

A

0367－6234(2010)06－0873－03

2010－03－01.

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07424－005－003).

劉曉天(1985—)，男，碩士研究生;

張 杰(1938—)，男，教授，中國工程院院士.

(編輯 楊 波)