生物除铁除锰水厂的工艺设计与运行效果
早在20世纪80年代，中国市政工程东北设计研究院就在水处理试验和实践中发现了微生物对地下水中锰的去除作用，随后在我国率先开展了生物除铁除锰技术的研究工作〔1～2〕，在“八五”科技攻关课题中提出并确立了生物固锰除锰技术，在“九五”科技攻关课题中，确定了生物除铁除锰水厂成套技术，解决了生物除铁除锰工艺的生产性问题〔3〕。沈阳经济技术开发区供水厂就是在生物除铁除锰技术指导下设计建造的我国第一座成规模的典型的地下水生物除铁除锰水厂。该供水厂分两期设计施工，一期工程于1999年7月开始设计、建造，至2001年5月完工并通水，2001年12月底滤池稳定运行，滤池出水铁为痕量，锰小于0.05 mg/L，出水水质优于国家生活饮用水标准（铁0.3 mg/L，锰0.1 mg/L）。
1 工艺设计
1.1 技术路线确定
沈阳经济技术开发区供水厂原水为深井地下水，由于原水中含有铁和锰，尤其是锰含量相当高，净水的主要目标是除铁除锰，所以净化工艺采用生物除铁除锰技术，主要体现在：跌水弱曝气；在同一生物滤层中除铁除锰；培养期、稳定期的反冲洗机制。
1.2 工艺流程及主体构筑物设计参数和特点
图1 净水工艺流程
水厂占地7.8 hm2，分为三个功能区：水处理区、铁泥处理区和辅助生产区。全厂设计处理能力为12 万m3/d，整个工程分两期实施，每期6 万m3/d。目前已建成一期水处理区和辅助生产区，一期水处理区包括：跌水曝气池2座,单池内径10.5 m；普通快滤池2列，每列6个单池；清水池2座；吸水井1 座；送水泵房1座；反冲洗系统；加氯系统。其工艺流程见图1。
从图1中可以看出，跌水曝气池和生物除铁除锰滤池是整个供水厂水质净化的核心，其构筑物主要设计参数及特点如下。
（1）跌水曝气池。跌水曝气池是净化系统的第一单元构筑物，曝气方式采用跌水弱曝气。之所以采用弱曝气原因有三：一是生物除铁除锰机制指出，在pH中性范围内，Mn2+的氧化不是锰的氧化物的自催化作用，而是以Fe2+，Mn2+氧化细菌为主的生物氧化作用，研究证明有很大一部分铁锰氧化细菌属微好氧菌〔4〕，过度的曝气不仅造成能量浪费，还会抑制某些细菌的活性，产生负面影响；二是在生物除铁除锰滤层中不要求散失CO2，因为水中CO2是微生物繁殖代谢的重要碳源；三是研究证明Fe2+对维系生物滤层中生物群系的平衡起到了至关重要的作用，强曝气将使原水中大量的Fe2+在进入滤层前氧化成Fe3+，Fe3+絮凝体易堵塞滤层和穿透滤层，影响出水水质，而Fe2+的减少又严重影响生物滤层的稳定性。从以上三点可以看出生物除铁除锰技术在曝气方面与传统的除铁除锰工艺相比有很大不同，传统的除铁除锰工艺曝气的主要目的是向水中溶解足够数量的氧气，并充分散除水中的CO2、提高pH，因此一般都要求较大的曝气强度，而生物除铁除锰机制要求弱曝气。研究表明曝气后水中溶解氧维持在3～5 mg/L即可满足生物滤池运行要求。
跌水曝气池具有结构简单、造价低、能耗小、曝气效果稳定的优点，特别适用于大中型水厂。曝气池跌水高度在0.5 ～1 m的范围内，曝气后水中的溶解氧就能达到4～5 mg/L，可以满足生物除铁除锰滤层要求。该工艺曝气池跌水高度为0.84 m，单宽流量为40.92 m3 /（h·m），有效水深0.6 m。
(2)生物除铁除锰滤池。滤池分为独立的两列，每列设计水量为32 400 m3/d，每列共有6 个单元滤池。单池平面尺寸为7.5 m×6.2 m，池深3.7 m，设计滤速6 m/h，强制滤速6.5 m/h。滤料采用普通石英砂, 厚度1 m，粒径0.5 ～1.2 mm。承托层采用卵石垫层，分四层，总厚度500 mm。滤池采用大阻力配水系统，采用中央集水池配水。反冲洗采用单独水洗。
传统接触氧化除铁除锰理论要求先除铁后除锰，即除铁与除锰要分别在两个滤池中完成，因此必须采用一级曝气过滤除铁、二级曝气过滤除锰的工艺。而生物除铁除锰技术认为地下水中铁锰的性质相近，可以在同一生物滤层中被去除，而且研究还证明，生物滤层对氨氮也有很好的去除效果。因此生物除铁除锰工艺完全可以采用一级曝气过滤的简缩流程。
1.3 反冲洗机制
生物除铁除锰滤池的反冲洗机制在生物滤池培养阶段和稳定运行阶段是不同的。培养阶段为利于微生物的生长繁殖，使生物滤层尽快成熟，反冲洗的原则是弱；而在稳定运行阶段，应适当加大反冲洗力度，以防止滤层板结。适宜的反冲洗是保证滤层经济有效运行的必要条件。该工艺正常运行时的反冲洗参数为反冲洗强度15 L/（s·m2），反冲洗历时5 min，反冲洗周期72 h。
2 生物除铁除锰滤池的运行效果
2.1 原水水质
该供水厂原水为深井地下水，净水的主要目标是除铁除锰，原提供给设计单位的水质参数是 Fe 3.2 mg/L，Mn 2 mg/L。但在调试运行前供水公司的化验结果是Fe最高为0.3 mg/L，Mn 最高为4 mg/L。调试运行期间原水水质的平均值为Fe 0.13 mg/L，Mn 2.296 mg/L。从上可以看出，沈阳经济开发区的原水含铁相当低而锰含量却很高。而按正常规律含铁锰地下水中铁锰的比例一般是10∶1左右，所以沈阳经济技术开发区的原水水质是相当特殊的。这种特殊的低铁高锰水不仅给除铁除锰生物滤池的微生物培养带来了很大困难，同时也是对生物除铁除锰技术适用范围的挑战。
2.2 生物滤层的建立及运行效果
针对开发区原水水质的特殊性，研究小组对所有运行的6个生产滤池进行了考察，最后决定从1号池入手进行培养试验，待摸清培养运行规律后再对其它生产滤池进行调试。2001年9月 15日，经采集、培养、驯化的高浓度菌种液2 400 L接种入1号池，同时按照生物机制运行该滤池。滤池接种后第三天开始每24 h取进水及滤池出水，分析测定其铁、锰含量。至9月25 日，1号池除锰能力开始出现，锰氧化细菌增加并进入适应期。生物滤池进入适应期后真正的培养就开始了。利用1号池所得到的工程经验，我们接着对其余的5个滤池进行了大量的接种。接种成功后通过调整滤速、反冲洗强度、滤池工作周期等，对整个滤池的生物滤层进行原位培养。下面以1号池为例来说明生物滤池培养过程和运行效果。
1号池从培养到成熟及至稳定运行过程中的进、出水铁锰浓度变化及锰去除率见图2。1号池9 月15日接种完毕，9月25日整个生物滤层进入适应期，10月8日进入对数生长期，直至11月5日以后出水优于国家标准，12月15日以后出水更加稳定。由于成熟后稳定运行阶段滤池出水锰比较稳定，且几乎检测不到，所以对滤池出水不定期取样。如图2中曲线后部分所示，此时除锰率高达99%以上。又由于整个培养过程中出水铁几乎检测不到，故图2中没有标出。
图2 生物除铁除锰滤池成熟过程曲线从除铁除锰生物滤池的培养及稳定运行时期的出水水质我们可以看出，生物滤层一旦成熟，滤池出水始终优于国家标准。对于生物除铁除锰技术来讲，地下水中锰的去除已不再是个难题。同时沈阳经济技术开发区这种特殊的低铁高锰水的处理成功，也拓宽了生物除铁除锰技术的应用范围，给生物除铁除锰技术的发展和推广应用带来了更广阔的前景。
3 生物除铁除锰水厂运行特点
3.1 运行管理中应注意的问题
生物除铁除锰工艺的关键是除铁除锰生物滤池，因此运行管理中主要应注意的问题是保证生物滤池的稳定运行。对于生物除铁除锰滤池，可控制的运行参数主要是滤速和反冲洗。首先为保证微生物稳定适宜的生存环境，发挥滤池正常处理效率，应严禁突然加大滤速，如果需要，要考虑滤层的适应过程，每次滤速变化量不超过1 m/h。其次沈阳开发区原水水质比较特殊，培养完成的生物滤池抗冲击能力相对较差，在反冲洗时要相当注意，应严格按要求进行反冲洗。
3.2 技术经济优势
首先也是最重要的一点是生物除铁除锰工艺铁锰去除率高且稳定；其次由于采用一级曝气过滤的简缩流程，与二级处理工艺相比，主体构筑物工程一次性投资可节省50%左右；再次由于采用弱曝气方式及不投加任何药剂，在年运行费用上可节省资金70%左右；最后与二级处理工艺相比，生物除铁除锰工艺滤池工作周期长、反冲洗强度小、历时短，不仅可以节水节能，还能增加产水量。
参考文献
1 张杰,杨宏,徐爱军，等.生物固锰除锰技术的确立.给水排水, 1996, 22(11): 5～10
2 张杰,戴镇生.地下水除铁除锰现代观.给水排水, 1996,22(10): 13～16
3 中国市政工程东北设计研究院.生物除铁除锰成套技术研究.长春: 中国市政工程东北设计研究院,2001
4 J Vandenabeele, D Debeer, et al. Influence of nitrate on manganese removing microbial consortia from sand filter. Wat Res, 1995, 29(2): 579～587
“九五”国家科技攻关课题（96-909-01-02-04）。
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