地下水生物除锰技术研究综述

张 盼，李广春

(吉林省煤田地质勘察设计研究院，长春 130062)

地下水生物除锰技术研究综述

张 盼，李广春

(吉林省煤田地质勘察设计研究院，长春 130062)

我国含铁、锰地下水分布甚广，人体过量摄入铁锰会对机体产生一定的副作用。生物除锰技术得到了国内外学者的广泛研究和应用。目前生物除锰技术在工艺参数的选取和优化以及影响因素的控制等方面已经取得了较为成熟的研究成果，但机理方面的研究还不够深入，生物除锰的机理研究，尤其是酶学研究将是重要发展方向。

地下水；生物除锰

我国东三省和内蒙古部分地区含铁、锰地下水分布甚广，华北及西南部分地区地下水铁锰也超标严重。根据《生活饮用水水质卫生规范》(2001)，饮用水中铁的含量超过0.3mg/L，锰的含量超过0.1mg/L即判定会对机体产生副作用。我国铁锰含量超过饮用水标准的地区人口较多，研究水中铁、锰的祛除技术具有重要意义。

碱性物质除锰法、高锰酸钾等氧化剂氧化除锰法、接触氧化除锰法以及生物氧化除锰法均为目前较为成熟的方法。生物氧化除锰法以其除锰效率高、出水水质稳定等优点得到了广泛研究和应用，本文主要讨论地下水生物除锰技术的研究现状。

1 生物氧化法除锰机理

天然水中锰主要以Mn2+的形式存在，Mn2+为主要的去除对象。生物除锰理论认为，除锰滤池中锰的去除主要是滤层中微生物作用的结果，而非传统锰去除理论所谓的锰是锰质活性滤膜的化学催化作用的结果。此外，该理论还认为除锰滤池中黑砂表面的锰质活性滤膜是锰的化合物和微生物的共生体，且活性滤膜是在微生物的诱导作用下形成。将水处理厂除锰滤池中成熟的石英砂灭菌后发现滤层的除锰能力急剧下降，且滤砂表层的黑膜逐渐脱落，这证明生物作用是锰去除的主要原因。

生物氧化法除锰过程可以分为扩散、吸附和生物氧化三个阶段，Mn2+由水中向滤膜表面扩散，通过离子交换或细菌胞外分泌物被吸附到滤膜表面，之后在滤膜表面微生物及其胞外聚合物的作用下被氧化成高价锰化合物，从而将 Mn2+去除。生物除锰要借助氧化细菌及其胞外聚合物等的催化作用，通常包括以下几种作用：其一，氧化菌胞内的酶促反应。其二，Mn2+吸附在细胞膜表面的胞外聚合物上，随之产生酶促氧化反应。其三，由细胞所分泌的有活性的代谢物产生的简单催化反应。但催化氧化的机理至今还不是十分清楚。

2 生物氧化法除锰的研究现状

2.1 生物学研究

微生物是生物除锰体系中污染物去除的主要承担者，生物除锰滤层接种后，其除锰能力与滤层中的细菌数量成正相关，对锰氧化微生物的研究意义重大。

对于微生物氧化法的生物学研究目前主要有细菌形态观察和细胞悬液、细胞破碎液的活力动力学测量、菌种的分离、纯化以及对单一菌种锰氧化能力的研究。文献报道的菌种来源主要有生物除锰滤池的滤砂、电解金属锰废渣、锰矿矿口、锰原料仓库以及锰污染场地土样，分离得到的具有锰氧化能力的菌属有氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、产酸克雷伯氏菌(Klebsiellaoxytoca)、食酸菌属(Acidovorax)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)等。

赵焱等筛选出了生物除铁除锰菌种MSB-4，16S rDNA的测序表明其为金黄杆菌属。该菌种是从某生物除铁除锰水厂的跌水曝气池壁上的附着液体分体得到。MSB-4除锰最适温度和pH值分别为8℃～12℃和8。在Mn2+的浓度为5.6mg/L、温度为12℃、pH值为7.5的初始条件下，该菌种对锰的去除率达94.44%。

地下水生物除锰滤池中存在着大量微生物且种类繁多，宋立新等通过对除锰水厂生物滤池中的细菌进行分离纯化，得到300株纯菌株，分属15个属40个种。针对除锰系统中微生物复杂的群落结构，赵焱做了一系列相关研究，溶解氧和铁锰离子对微生物群落的形成具有选择作用。不同铁锰含量水厂的微生物群落结构不同，高铁含锰工艺中20cm～60cm滤层微生物群落结构简单；高铁高锰工艺中各滤层微生物群落多样性较低，演替规律不明显；高锰微铁滤池有明显的演替规律，生物多样性最丰富，并确定了各条件下的优势功能菌群，为生物除锰工艺运行调控提供了理论指导。

2.2 影响因素研究

进水条件及滤池运行条件的控制决定了生物除锰的效果，进水考虑的主要条件有温度、pH值、DO、Mn2+浓度、Fe2+离子浓度、氧化还原电位等，滤池运行的主要控制参数有滤速、反冲洗周期和反冲洗强度。

对于最佳进水条件的研究很广泛，且研究结果存在一定差异。余健等研究了DO、pH值和氧化还原电位(ORP)对除锰效果的影响，结果表明，DO值在0.9～5.7mg/L时，出水含量均能达标且无明显变化，ORP在430～720mV时，除锰效果良好，pH值为5～8.5时，出水锰含量能够达标，当Ph<5时，出水锰含量增加，出水水质不达标；李芳芳的研究表明，pH值在6.0～7.5范围内，生物滤柱有很好的除锰效果，且锰的去除率随pH值的升高而升高，锰去除所需的滤层厚度也随之降低，最佳进水温度为20℃左右，极限进水Mn2+浓度为3mg/L。最佳进水条件的差异取决于生物滤池内功能菌群的生理生化性质。

对于滤速的控制，随滤速的增加，生物过滤除锰所需滤层厚度也需逐渐增加出水才能达标，如李芳芳研究发现，滤速为8m/h的情况下，在滤层深度为30cm处含锰量即低于0.05mg/L，而滤速提高到18m/h时，滤层厚度需达到90cm出水水质才能达标，生产实际中，滤速对滤层除锰的不利影响可以通过增加滤层厚度来控制，滤速的选择需要考虑单位面积滤柱的产水量及滤柱造价等多方面的因素。反冲洗强度的控制主要考虑两个因素，既要清除滤层截留的铁锰氧化物，又不能破坏滤层表面的微生物膜，而反冲洗周期受进水锰离子浓度及滤层结构的影响较大。

此外，针对生产实践中存在的滤池检修及用水量小造成的滤池关闭的问题，余健将滤柱内的水排干，关闭28d后再对其进行正常的反冲洗，发现通入原水2～3h后锰含量既能达标，表明滤柱较长时间的关闭对铁锰细菌的活性影响很小，对除锰效果的影响很小。

2.3 生物除锰滤池同步去除其他离子

地下水化学成分复杂，常伴有其他需要去除的离子，国内外学者对于氨氮及砷的超标现象和去除多有研究，相关研究多集中在离子存在对微生物除铁除锰的影响以及生物除铁除锰滤池同步去除砷及氨氮。曾辉平等对高铁、高锰、高氨氮地下水进行了生物同层净化技术研究，发现生物滤柱对其净化效果良好，Fe2+、NH4+-N和Mn2+的高效去除空间分别在滤柱的最上层、中上部和中下部，且彼此影响不大；李灿波得到相同结论，且认为滤速越低，溶解氧消耗得越多。杨宏等考察了生物除锰滤池对砷(Ⅲ)的去除效果，发现原水中砷(Ⅲ)对滤池除锰效果的影响只是在初级阶段，运行一段时间后，滤池对锰和砷(Ⅲ)均具有良好的去除效果。

3 问题与展望

国内外对生物锰氧化的研究已经有很长的时间，在工艺参数的选取和优化以及影响因素的控制等方面已经取得了较为成熟的研究成果。但在机理方面的研究还不够深入，生物除锰的机理研究，尤其是酶学研究是重要的发展方向。

[1] 宋立新.生物除锰滤池的生态学研究[C]//微生物实用技术生态环境应用学术研讨会论文集.2008.

[2] 赵焱. 高效生物除铁除锰工程菌MSB-4 的特性研究[J]. 中国给水排水，2009，25 (1)：40-44.

[3] 赵焱.生物固锰除锰工艺中锰氧化菌群结构功能及锰代谢机制分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[4] 余健. 地下水生物除锰效果及影响因素[J]. 中国给水排水，2003，19 (12)：11-14.

Research review on biological removal of manganese in groundwater

ZHANG Pan, LI Guang-chun

(Jilin Coal Geological Prospecting and Design Institute, Changchun 130062, China)

The groundwater containing iron and manganese is widely distributed in China. Excessive intake of iron and manganese can produce certain side effect to the body. Biological removal of manganese technology has been widely studied and applied by scholars at home and abroad. At present, biological removal of manganese technology has achieved relatively mature research results in the selection and optimization of process parameters and the control of influencing factors, but there is still insufficient research on mechanism, and research on enzymology is an important direction of development.

Groundwater; Biological removal of manganese

2016-09-21

张盼(1988-)，女，硕士研究生。

TU991

A

1674-8646(2016)22-0012-02