微污染水中鎳離子初始濃度對其在不同生物慢濾柱中去除的影響

趙凱,張國珍,武福平,楊光

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環境重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

近年來，農村地區的水源逐漸受到工企業重金屬的影響，對農民飲水安全造成了巨大的挑戰[1]。目前，對于微污染水重金屬的處理，大多采用混凝、離子交換等方法，對貧困農村的微污染水處理均不適用，而采用價格較低的生物法是比較可行的方法[2-4]。在生物法去除重金屬的研究中，多是在條件較好的實驗室培養單一微生物來研究其去除效果[2,5-6]，而生物慢濾技術能夠在苛刻的環境下對重金屬有很好地凈化作用[7-8]。另一方面，填料作為生物慢濾最重要的一部分，也是研究的重點[9]。本文研究不同的鎳離子初始濃度分別在不同的生物慢濾中對微污染水中鎳離子去除的效果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

活性炭(椰殼炭)、沸石、石英砂[10]；氯化鎳，優級純；氯化銨、葡萄糖、硝酸、氨水、高氯酸、乙醇、次氯酸鈉、正丁醇、氫氧化鈉、檸檬酸銨均為分析純。

FA2004分析電子天平；202-00A電熱恒溫干燥箱；UV-2800A型紫外可見分光光度計。

1.2 實驗用水

由于實驗每日用水量較大，實際的微污染水難以滿足，故參考西北村鎮微污染水水質特征人工配制，通過在自來水中加入高嶺土、氯化銨、葡萄糖、樹枝樹葉以及一定量的氯化鎳，來改變自來水中濁度、氨氮、CODMn、鎳離子等的含量，使水質特征符合微污染水，其溫度15～20 ℃，氨氮濃度0.5～1.0 mg/L， CODMn濃度3～6 mg/L，濁度3～6 NTU。

1.3 實驗方法

本實驗設計了活性炭、沸石、石英砂三個生物慢濾柱，見圖1。活性炭、沸石和石英砂3種濾料粒徑均在0.3～0.6 cm，濾料高度0.9 m，承托層高0.1 m，濾速0.2 m3/h(9.14 mL/min)，水位超高0.4 m。

圖1 生物慢濾系統實驗裝置Fig.1 Experimental device of biological slow filtration system

生物慢濾系統由配水系統(25 L)、提升系統和生物慢濾系統三部分構成，水從配水系統經提升系統輸配至三個生物慢濾系統。慢濾柱通過透明的有機玻璃管制成，慢濾柱的直徑為0.06 m，高度1.7 m， 慢濾柱的上部分是裝有濾料的反應系統，慢濾柱的下部分是配水系統，中間由法蘭連接，如此設計是為了方便濾料的填裝和濾料的清洗，慢濾柱的上端10 cm處設有溢流管，用于控制水面高度。

水箱中的微污染水經水泵提升進入高位水箱后，依靠重力自上而下流入濾柱。濾速為0.2 m3/h， 24 h連續運行。掛膜成功后運行幾日，開始生物慢濾系統對鎳離子的去除研究。分別通過投加一定量的氯化鎳來改變進水鎳離子的濃度(0.04,0.08,0.12,0.16 mg/L)進行單因素實驗，每日取樣，采用丁二酮肟分光光度法測定出水鎳離子濃度，計算去除率。

2 結果與討論

2.1 活性炭生物慢濾柱的去除效果

鎳離子在活性炭生物慢濾柱中的去除率見圖2。

由圖2可知，在活性炭濾柱中，前3 d原水鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L時，出水鎳離子去除率分別從85%下降到77.5%，72.5%下降到58.75%，82.33%下降到75%，83.75%下降到78.13%；3～7 d時，出水鎳離子的去除率分別從77.5%上升到85%，58.75%上升到90%，75%上升到90%，78.13%上升到86.88%；至9 d時，出水鎳離子的去除率在90%，90%，89%，87%左右波動。由此可知，活性炭濾柱的鎳離子出水濃度都是先上升后下降，隨后逐漸穩定，對應的去除率則相反，但隨后也逐漸穩定。在系統穩定后，去除效率順序為：0.04 mg/L=0.08 mg/L>0.12 mg/L>0.16 mg/L。

圖2 鎳離子去除率變化曲線Fig.2 Change curve of nickel ion removal rate

結果表明，在活性炭濾柱中，無論原水鎳離子濃度是多少，它的去除效果均是先下降后上升，因為鎳離子對除鎳微生物有一定的毒害作用，鎳離子可能通過破壞生物吸附過程中的吸附點位，造成生物吸附能力下降，或在生物轉化過程中，破壞生物轉化酶，從而降低生物轉化能力。去除效果后升高是由于生物解毒效果的存在，微生物通過運輸、結合與轉化等方式消除抑制其正常生長繁殖的鎳離子，并對其毒性產生抗性[11-14]。在該系統中，隨著原始鎳離子濃度的增加，去除效果逐漸降低，首先是由于除鎳微生物表面的吸附點位和生物轉化量達到最大；其次當原水中的鎳離子濃度過高時，對除鎳微生物的毒害作用逐漸變大，而因毒害作用過大，造成后期難以恢復致使解毒作用減小。在此條件下，當原水鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12 mg/L時，系統的鎳離子出水濃度均可達到《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2006，但原水鎳離子濃度為0.16 mg/L時，則不能達到。

2.2 沸石生物慢濾柱的去除效果

鎳離子在沸石生物慢濾柱中的去除率見圖3。

圖3 鎳離子去除率變化曲線Fig.3 Change curve of nickel ion removal rate

由圖3可知，在沸石濾柱中，前4 d鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L時，出水鎳離子的去除率分別從70%下降到62.5%，77.5%下降到60%，81.67%下降到72.5%，80%下降到75%；4～7 d時出水鎳離子的去除率分別從62.5%上升到80%，60%上升到87.5%，72.5%上升到86.67%，75%上升到82.5%；至9 d時，出水鎳離子的去除率在85%，87%，86%，83%左右波動。由此可知，沸石濾柱的鎳離子出水濃度都是先上升后下降，隨后逐漸穩定，對應的去除率則相反，但隨后也逐漸穩定。在系統穩定后，去除效率順序為：0.08 mg/L>0.12 mg/L>0.04 mg/L>0.16 mg/L。

結果表明，在沸石濾柱中，無論原水鎳離子濃度是多少，它的去除效果是先降低后升高，也是因為鎳離子對除鎳微生物的毒害作用以及后期的解毒作用的影響，但和活性炭生物慢濾柱相比，沸石濾柱的出水水質及去除率均出現下降，這是因為活性炭比表面積大，孔隙結構發達，并且活性炭濾料所含促進微生物代謝循環、影響微生物的種群結構微量元素較多[15-16]。在該系統中，原水鎳離子濃度0.08 mg/L，去除效果最好，是因為在此時除鎳微生物表面的吸附點位和生物轉化量達到最大，隨后隨著濃度的增大，過量的鎳離子破壞了吸附點位和生物轉化過程中的酶，致使其解毒作用的減小導致其去除率出現下降。在此條件下，當原始鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12 mg/L時，系統的鎳離子出水濃度均可達到《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2006，但原水鎳離子濃度為0.16 mg/L時不能達到。

2.3 石英砂生物慢濾柱的去除效果

鎳離子在石英砂生物慢濾柱中的去除率見圖4。

圖4 鎳離子去除率變化曲線Fig.4 Change curve of nickel ion removal rate

由圖4可知，在石英砂濾柱中，前4 d原水鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L時，出水鎳離子的去除率分別從65%下降到47.5%，70%下降到55%，80%下降到70.83%，75%下降到67.5%；3～7 d時，出水鎳離子的去除率分別從47.5%上升到77.5%，55%上升到80%，70.83%上升到85%，67.5%上升到79.38%；至9 d時，出水鎳離子的去除率在70%，79%，84%，79%左右波動。由此可知，石英砂濾柱的鎳離子出水濃度都是先上升后下降，隨后逐漸穩定，對應的去除率則相反，但隨后也逐漸穩定。在系統穩定后，去除效率順序為：0.12 mg/L>0.08 mg/L=0.16 mg/L>0.04 mg/L。

結果表明，在石英砂濾柱中，無論原水鎳離子濃度是多少，它的去除效果是先降低后升高，同樣基于2.1節和2.2節上述的原因，但和活性炭濾柱和沸石濾柱相比，石英砂濾柱的出水水質及去除率進一步出現下降，也是由于石英砂濾料的孔隙結構沒有前兩者的發達，所含促進微生物代謝循環、影響微生物的種群結構微量元素沒有前兩者多。在該系統中當原水鎳離子濃度達到0.12 mg/L去除效果最好，同樣是基于上述2.2節的原因，而原水鎳離子濃度為0.08,0.16 mg/L，在這兩種條件下的吸附點位和生物轉化量相同。在此條件下，當原始鎳離子濃度為0.04，0.08，0.12 mg/L時，系統的鎳離子出水濃度也均可達到《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2006，但原水鎳離子濃度為0.16 mg/L時不能達到。

3 結論

(1)不論微污染原水中的初始鎳離子濃度(0.04，0.08，0.12，0.16 mg/L)為多少，在活性炭、石英砂和沸石的生物慢濾中，隨著時間的推移，均呈現出出水鎳離子濃度先上升后下降，對應的去除率先下降后上升。原因是鎳離子對除鎳微生物有一定的毒害作用，導致其去除率出現下降，但隨著時間的推移，除鎳微生物慢慢恢復活性，其去除率又出現上升。

(2)適當提升鎳離子的初始濃度，有助于去除率的提升，但過高的鎳離子初始濃度對除鎳微生物有不可恢復的傷害，導致其去除率出現大幅下降，微污染原水中的初始鎳離子濃度宜為0.08 mg/L和0.12 mg/L，在此初始濃度下，生物慢濾的去除率較高且可達到生活飲用水衛生標準。

(3)從整體的生物慢濾去除水平來看，活性炭生物慢濾柱去除率最高，其次為沸石生物慢濾柱和石英砂生物慢濾柱。因此，在生物慢濾技術的實際應用中，應當首先考慮選用以活性炭為濾料的慢濾柱。