生物除铁除锰滤池对砷(Ⅲ)的去除效果

刘晓天，李 冬 ，2，曾辉平，张 杰

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090;2.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124，lidong2006@bjut.edu.cn)

生物除铁除锰滤池对砷(Ⅲ)的去除效果

刘晓天1，李 冬1，2，曾辉平1，张 杰1

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090;2.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程重点实验室，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，通过已经培养成熟的生物除铁除锰滤柱进行过滤实验，分别考察了3、4、5 m/h滤速条件下砷的去除效果.结果表明:在原水中砷质量浓度低于200 μg/L的情况下，生物除铁除锰滤池的铁锰去除能力基本不受砷的影响，并且砷的去除效果明显，去除率在95%以上.经过滤柱分层取水实验，发现砷的去除集中在0～660 mm的滤层厚度.在反冲洗后，短时期内砷和铁有超标的现象.

生物滤池;砷;除铁;除锰

砷是一种对人和动物有毒害作用的物质，不仅可以引起急性、慢性中毒，还可以呈现致癌作用［1］，主要通过饮用水的途径进入人体.2003年，欧盟将饮用水中砷的标准由50 μg/L修改为10 μg/L.WHO也采用这一标准.我国新的 GB 5749－2006《生活饮用水卫生标准》中也已将砷标准由原来的50 μg/L修改为10 μg/L.在我国，受到高砷饮用水危害的人数众多［2］.采用沉降及共沉降、吸附等方法处理时，As(Ⅲ)的去除效果较差［3］.

生物除铁除锰技术是一种有效的去除地下水中铁锰的方法，在我国北方得到了广泛应用［4－6］.地下水中一般存在较多的金属离子和无机盐，在很多情况下，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铁除锰滤池对As(Ⅲ)的去除效果.

1 试验

1.1 试验装置

实验装置见图1.试验滤柱采用有机玻璃柱，滤柱高为2 500 mm，直径为60 mm，卵石承托层厚度为300 mm，滤层厚度为1 200 mm，滤料采用粒径为0.5～1.2 mm的普通石英砂.在有机玻璃柱上从底端开始每隔200 mm设一个水样取样口，共10个.该滤柱为已经培养成熟的生物除铁除锰滤柱，除铁除锰效果良好.

图1 试验装置

1.2 原水水质

试验中原水采用人工配制的方法，向静置24 h以上的自来水中投加一定浓度的MnSO4溶液、FeSO4溶液、As(Ⅲ)溶液(由 NaAsO2配制)，模拟天然水体含有As(Ⅲ)、Fe2+、Mn2+的情况.水箱2中为自来水，水箱1中为一定浓度的含Fe2+、Mn2+、As(Ⅲ)的储备液.两个水箱的水经过计量泵输送到静态混合器进行混合后，形成原水，原水中Fe2+、Mn2+、As(Ⅲ)的浓度可以通过计量泵进行调节.试验中原水的其他性质如下，温度为15～17℃，pH值为6.5～7. 0，浊度3.3～3.7 NTU，DO为6.4～6.9 mg/L.

1.3 试验过程

控制滤柱的运行工况分别在 3， 4，5 m/h的滤速下，每24 h从取样口取水样，测 Fe、Mn、As(Ⅲ)的浓度，考察滤柱在不同的滤速下对As(Ⅲ)的去除效果，以及在不同的滤层深度各目标物质的去除效果.

开始运行阶段，为减小As(Ⅲ)对滤层内生物产生的冲击，采用较低的进水As(Ⅲ)浓度及较小的滤速(2 m/h)，并延长反冲洗周期，减小反冲洗强度.在稳定运行后采用3～5 m/h的滤速，反冲洗强度8 L/(s·m2)，反冲洗时间3 min，反冲洗周期72 h.

1.4 分析项目及方法

pH值由pHS－3C型酸度计(上海雷磁仪器厂)进行测定，测定前用标准pH缓冲溶液进行校正.DO的测定采用溶解氧仪(WTW，oxi315i).As(Ⅲ)、Fe、Mn 浓度检测:水样经 0.45 μm 的滤膜过滤后，酸化至pH< 1，采用ICP－OES(Perkin Elmer，Optima 5300DV)测定.

2 结果与讨论

2.1 长期运行效果

在对滤池两个月的运行效果观测中，滤池对As(Ⅲ)、Fe、Mn均有很好的去除效果(见图2～4)，出水均达到GB5749－2006《生活饮用水卫生标准》的水质指标.从图2～4可以看出，在滤速由2 m/h增加到5 m/h，As(Ⅲ)的质量浓度从30 μg/L逐渐增加到200 μg/L的过程中，滤柱的出水Fe、Mn质量浓度一直能够达标(国家标准:Fe 0.3 mg/L，Mn 0.1 mg/L)，As(Ⅲ)的加入没有影响原滤柱对Fe、Mn的去除效果，并且出水中As的浓度也一直能够达标.图4中在滤速5 m/h，进水As(Ⅲ)质量浓度200 μg/L的运行工况下，出水As的质量浓度接近10 μg/L，说明在5 m/h的滤速下，且原水铁锰离子质量浓度在1～2 mg/L波动时，生物除铁除锰滤柱的极限除As(Ⅲ)质量浓度为200 μg/L左右.

图2 长期试验铁的去除效果

图3 长期试验锰的去除效果

图4 长期试验砷的去除效果

2.2 不同滤层厚度的Fe、Mn、As(Ⅲ)去除效果

分别在滤层深度为 200， 460， 660， 860，1 060，1 200 mm处取水样测定Fe，Mn，As的浓度，结果如图5所示.

图5 不同滤层深度对As(Ⅲ)的去除效果

在 As(Ⅲ)初始质量浓度 98.5 μg/L，pH=6. 8，溶解氧为6.5 mg/L的初始条件下，考察滤层中Fe、Mn、As(Ⅲ)的去除效果.从图5可以看出，Fe在0～200 mm的滤层深度内很快被去除，在滤层中0～660 mm的深度范围内，As的浓度下降很快，去除率达到83.73%，到1 200 mm的滤层深度时，去除率为99.72%.Mn的分层去除效果与As几乎一致，都是在滤柱上部(0～660 cm)得到大部分去除.

2.3 滤速对As(Ⅲ)去除效果的影响

考察了在As(Ⅲ)初始浓度100 μg/L左右，pH=6. 8，溶解氧6.5 mg/L的初始条件下，滤速分别为 3， 4，5 m/h时，滤柱对 As(Ⅲ)的去除效果.从图6可以看出，在3种滤速下，As(Ⅲ)的最终去除效果相差不大，尽管在滤速5 m/h时去除率稍有降低，但是出水As质量浓度依然达到10 μg/L以下.由此可见，在实验条件下，滤池去除As(Ⅲ)的极限滤速可以达到5 m/h以上.

图6 不同滤速下As(Ⅲ)的去除效果

2.4 反冲洗对滤柱除砷效果的影响

考察了反冲洗后 5， 10， 20，30 min 时，滤池出水Fe、Mn、As的浓度，如图7所示.可以看出，在滤柱反冲洗后的5 min内，出水Fe的浓度超标;在反冲洗后20 min内，出水As的浓度超标.

图7 反冲洗后As(Ⅲ)、Fe、Mn的去除效果

3 结论

1)在实验水质条件下，生物除铁除锰滤池能够实现对Fe、Mn、As(Ⅲ)的良好去除，As(Ⅲ)的去除率在95%以上.当进水As(Ⅲ)质量浓度200 μg/L时，生物滤柱运行的极限滤速为5 m/h.

2)生物除铁除锰滤池对As(Ⅲ)的去除起主要作用的滤层深度为0～660 mm;反冲洗强度8 L/(s·m2)，反冲洗周期72 h的条件下，反冲洗后20 min内，出水As的浓度会出现超标，出水Mn的浓度一直能够达标.

［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］张 岚，陈昌杰.我国高砷饮用水的地理分布与暴露人群［J］.卫生研究， 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，杨 宏，张 杰.生物滤层同时去除地下水中铁、锰离子研究［J］.中国给水排水， 2001，17(8):1－5.

［5］李 冬，杨 宏，张 杰.首座大型生物除铁除锰水厂的实践［J］. 中国工程科学， 2003，5(7):53 －57.

［6］李 冬，张 杰，陈立学，等.生物除铁除锰在地下水处理厂的应用［J］.中国给水排水， 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.

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07424－005－003).

刘晓天(1985—)，男，硕士研究生;

张 杰(1938—)，男，教授，中国工程院院士.

(编辑 杨 波)