生物除鐵除錳水廠的工藝設計與運行效果

錳砂生物除鐵除錳水廠的工藝設計與運行效果早在20世紀80年代，中國市政工程東北設計研究院就在水處理試驗和實踐中發現了微生物對地下水中錳的去除作用，隨后在我國率先開展了生物除鐵除錳技術的研究工作，在“八五”科技攻關課題中提出并確立了生物固錳除錳技術，在“九五”科技攻關課題中，確定了生物除鐵除錳水廠成套技術，解決了生物除鐵除錳工藝的生產性問題。沈陽經濟技術開發區供水廠就是在生物除鐵除錳技術指導下設計建造的我國第一座成規模的典型的地下水生物除鐵除錳水廠。該供水廠分兩期設計施工，一期工程于1999年7月開始設計、建造，至2001年5月完工并通水，2001年12月底濾池穩定運行，濾池出水鐵為痕量，錳小于0.05 mg/L，出水水質優于國家生活飲用水標準（鐵0.3 mg/L，錳0.1 mg/L）。
1、錳砂除鐵除錳工藝設計：
1.1　技術路線確定：沈陽經濟技術開發區供水廠原水為深井地下水，由于原水中含有鐵和錳，尤其是錳含量相當高，凈水的主要目標是除鐵除錳，所以凈化工藝采用生物除鐵除錳技術，主要體現在：跌水弱曝氣；在同一生物濾層中除鐵除錳；培養期、穩定期的反沖洗機制。
1.2　工藝流程及主體構筑物設計參數和特點。
錳砂凈水工藝流程：
水廠占地7.8 hm2，分為三個功能區：水處理區、鐵泥處理區和輔助生產區。全廠設計處理能力為12 萬m3/d，整個工程分兩期實施，每期6 萬m3/d。目前已建成一期水處理區和輔助生產區，一期水處理區包括：跌水曝氣池2座,單池內徑10.5 m；普通快濾池2列，每列6個單池；清水池2座；吸水井1 座；送水泵房1座；反沖洗系統；加氯系統。

從中可以看出，跌水曝氣池和生物除鐵除錳濾池是整個供水廠水質凈化的核心，其構筑物主要設計參數及特點如下。
（1）跌水曝氣池。跌水曝氣池是凈化系統的第一單元構筑物，曝氣方式采用跌水弱曝氣。之所以采用弱曝氣原因有三：一是生物除鐵除錳機制指出，在pH中性范圍內，Mn2+的氧化不是錳的氧化物的自催化作用，而是以Fe2+，Mn2+氧化細菌為主的生物氧化作用，研究證明有很大一部分鐵錳氧化細菌屬微好氧菌，過度的曝氣不僅造成能量浪費，還會抑制某些細菌的活性，產生負面影響；二是在生物除鐵除錳濾層中不要求散失CO2，因為水中CO2是微生物繁殖代謝的重要碳源；三是研究證明Fe2+對維系生物濾層中生物群系的平衡起到了至關重要的作用，強曝氣將使原水中大量的Fe2+在進入濾層前氧化成Fe3+，Fe3+絮凝體易堵塞濾層和穿透濾層，影響出水水質，而Fe2+的減少又嚴重影響生物濾層的穩定性。從以上三點可以看出生物除鐵除錳技術在曝氣方面與傳統的除鐵除錳工藝相比有很大不同，傳統的除鐵除錳工藝曝氣的主要目的是向水中溶解足夠數量的氧氣，并充分散除水中的CO2、提高pH，因此一般都要求較大的曝氣強度，而生物除鐵除錳機制要求弱曝氣。研究表明曝氣后水中溶解氧維持在3～5 mg/L即可滿足生物濾池運行要求。
跌水曝氣池具有結構簡單、造價低、能耗小、曝氣效果穩定的優點，特別適用于大中型水廠。曝氣池跌水高度在0.5 ～1 m的范圍內，曝氣后水中的溶解氧就能達到4～5 mg/L，可以滿足生物除鐵除錳濾層要求。該工藝曝氣池跌水高度為0.84 m，單寬流量為40.92 m3 /（h·m），有效水深0.6 m。
(2)生物除鐵除錳濾池。濾池分為獨立的兩列，每列設計水量為32 400 m3/d，每列共有6 個單元濾池。單池平面尺寸為7.5 m×6.2 m，池深3.7 m，設計濾速6 m/h，強制濾速6.5 m/h。濾料采用普通石英砂, 厚度1 m，粒徑0.5 ～1.2 mm。承托層采用卵石墊層，分四層，總厚度500 mm。濾池采用大阻力配水系統，采用中央集水池配水。反沖洗采用單獨水洗。
傳統接觸氧化除鐵除錳理論要求先除鐵后除錳，即除鐵與除錳要分別在兩個濾池中完成，因此必須采用一級曝氣過濾除鐵、二級曝氣過濾除錳的工藝。而生物除鐵除錳技術認為地下水中鐵錳的性質相近，可以在同一生物濾層中被去除，而且研究還證明，生物濾層對氨氮也有很好的去除效果。因此生物除鐵除錳工藝完全可以采用一級曝氣過濾的簡縮流程。
1.3　反沖洗機制
生物除鐵除錳濾池的反沖洗機制在生物濾池培養階段和穩定運行階段是不同的。培養階段為利于微生物的生長繁殖，使生物濾層盡快成熟，反沖洗的原則是弱；而在穩定運行階段，應適當加大反沖洗力度，以防止濾層板結。適宜的反沖洗是保證濾層經濟有效運行的必要條件。該工藝正常運行時的反沖洗參數為反沖洗強度15 L/（s·m2），反沖洗歷時5 min，反沖洗周期72 h。
2　生物除鐵除錳濾池的運行效果：
2.1　原水水質：該供水廠原水為深井地下水，凈水的主要目標是除鐵除錳，原提供給設計單位的水質參數是 Fe 3.2 mg/L，Mn 2 mg/L。但在調試運行前供水公司的化驗結果是Fe最高為0.3 mg/L，Mn 最高為4 mg/L。調試運行期間原水水質的平均值為Fe 0.13 mg/L，Mn 2.296 mg/L。從上可以看出，沈陽經濟開發區的原水含鐵相當低而錳含量卻很高。而按正常規律含鐵錳地下水中鐵錳的比例一般是10∶1左右，所以沈陽經濟技術開發區的原水水質是相當特殊的。這種特殊的低鐵高錳水不僅給除鐵除錳生物濾池的微生物培養帶來了很大困難，同時也是對生物除鐵除錳技術適用范圍的挑戰。
2.2　生物濾層的建立及運行效果：針對開發區原水水質的特殊性，研究小組對所有運行的6個生產濾池進行了考察，最后決定從1號池入手進行培養試驗，待摸清培養運行規律后再對其它生產濾池進行調試。2001年9月15日，經采集、培養、馴化的高濃度菌種液2400L接種入1號池，同時按照生物機制運行該濾池。濾池接種后第三天開始每24h取進水及濾池出水，分析測定其鐵、錳含量。至9月25日，1號池除錳能力開始出現，錳氧化細菌增加并進入適應期。生物濾池進入適應期后真正的培養就開始了。利用1號池所得到的工程經驗，我們接著對其余的5個濾池進行了大量的接種。接種成功后通過調整濾速、反沖洗強度、濾池工作周期等，對整個濾池的生物濾層進行原位培養。下面以1號池為例來說明生物濾池培養過程和運行效果。
1號池從培養到成熟及至穩定運行過程中的進、出水鐵錳濃度變化及錳去除率。1號池9月15日接種完畢，9月25日整個生物濾層進入適應期，10月8日進入對數生長期，直至11月5日以后出水優于國家標準，12月15日以后出水更加穩定。由于成熟后穩定運行階段濾池出水錳比較穩定，且幾乎檢測不到，所以對濾池出水不定期取樣，此時除錳率高達99%以上。又由于整個培養過程中出水鐵幾乎檢測不到，生物除鐵除錳濾池成熟過程曲線從除鐵除錳生物濾池的培養及穩定運行時期的出水水質我們可以看出，生物濾層一旦成熟，濾池出水始終優于國家標準。對于生物除鐵除錳技術來講，地下水中錳的去除已不再是個難題。同時沈陽經濟技術開發區這種特殊的低鐵高錳水的處理成功，也拓寬了生物除鐵除錳技術的應用范圍，給生物除鐵除錳技術的發展和推廣應用帶來了更廣闊的前景。
3　生物除鐵除錳水廠運行特點：
3.1　運行管理中應注意的問題：生物除鐵除錳工藝的關鍵是除鐵除錳生物濾池，因此運行管理中主要應注意的問題是保證生物濾池的穩定運行。對于生物除鐵除錳濾池，可控制的運行參數主要是濾速和反沖洗。首先為保證微生物穩定適宜的生存環境，發揮濾池正常處理效率，應嚴禁突然加大濾速，如果需要，要考慮濾層的適應過程，每次濾速變化量不超過1 m/h。其次沈陽開發區原水水質比較特殊，培養完成的生物濾池抗沖擊能力相對較差，在反沖洗時要相當注意，應嚴格按要求進行反沖洗。
3.2　技術經濟優勢：首先也是最重要的一點是生物除鐵除錳工藝鐵錳去除率高且穩定；其次由于采用一級曝氣過濾的簡縮流程，與二級處理工藝相比，主體構筑物工程一次性投資可節省50%左右；再次由于采用弱曝氣方式及不投加任何藥劑，在年運行費用上可節省資金70%左右；最后與二級處理工藝相比，生物除鐵除錳工藝濾池工作周期長、反沖洗強度小、歷時短，不僅可以節水節能，還能增加產水量。