生物固錳除錳機理與工程技術

《生物固錳除錳機理與工程技術》是中國建築工業出版社出版的圖書，主要講述了從生物固錳除錳理論的確立，直至地下水生物除鐵除錳水廠設計與運行管理的成套技術的提出，展現了地下水除鐵除錳的現代觀。

內容簡介

本書總結了作者20年來關於生物固錳除錳機理與工程技術的研究成果和工程實踐。從生物固錳除錳理論的確立，直至地下水生物除鐵除錳水廠設計與運行管理的成套技術的提出，展現了地下水除鐵除錳的現代觀。

本書適用於給水排水工程、環境工程、廢水處理、房屋建築等專業的設計、施工、管理人員和有關大專院校師生。

編輯推薦

地下水品質遭受破壞而產生的異味、著色都使人難以忍受，甚至影響工業生產和危害人類健康，所以，地下水除鐵除錳技術是水質工程界一個長期的科研課題。本書總結了作者20年來關於生物固錳除錳機理與工程技術的研究成果和工程實踐，從生物固錳除錳理論的確立，直至地下水生物除鐵除錳水廠設計與運行管理的成套技術的提出，展現了地下水除鐵除錳的現代觀。

目錄

第l章緒 論……………………………………………………………… 1

1．1我國地下水資源與利用狀況………………………………………1

1．1．1我國的水資源……………………………………………… 1

1．1．2地下水資源的分布與開發一……………………………… 1

1．2地下水的物理、化學特性…………………………………………3

1．2．1地下水的物理性質…………………………………………… 4

1．2．2地下水的化學性質…………………………………………… 4

1．2．3地下水環境背景值的形成…………………………………… 5

1．3地下水污染………………………………………………………… 6

1．3．1地下水污染的含義…………………………………………… 6

1．3．2地下水污染源及途徑………………………………………… 7

1．3．3地下水污染狀況……………………………………………… 7

1．3．4地下水污染的特點…………………………………………… 8

1．3．5地下水系統中污染物的遷移、轉化與自淨………………… 8

1．4含鐵、錳地下水的特性………………………………………… 10

1．4．1 自然界中鐵、錳的存在及性質……………………… 10

1．4．2鐵、錳離子的水化學效應…………………………………11

1．4．3微生物與鐵、錳元素的循環………………………………12

1．4．4 地下水中鐵、錳的來源…………………………………14

1．4．5含鐵、錳地下水的分布……………………………………16

1．5鐵、錳與人類健康和工業生產………………………………… 17

1．5．1鐵的生理功能…………………………………………………17

1．5．2錳的生理功能…………………………………………………20

1．5．3含鐵、錳水對生活和工業生產的危害………………………22

1．5．4生活飲用水與工業用水中鐵、錳的濃度標準………………24

1．6地下水除鐵除錳技術發展歷程和趨勢………………………… 25

1．6．1地下水除鐵技術發展歷程…………………………………25

1．6．2地下水除錳技術發展歷程…………………………………26

1．6．3國外除鐵除錳技術的發展…………………………………27

1．6．4除鐵除錳技術的發展趨勢…………………………………27

第2章傳統地下水除鐵技術…………………………………………… 29

2．1空氣氧化除鐵法……………………………………………………29

2．1．1空氣氧化除鐵法的基本流程………………………………29

2．1．2 Fe。’的空氣氧化速度……………………………… …30

2．1．3 Fe。’氧化產物——氫氧化鐵的性狀………………… 34

2．1．4空氣氧化除鐵流程的設計特點 …………………………37

2．2氯氧化除鐵法…………………………………………………… 38

2．2．1氯對Fe“的氧化……………………………………………38

2．2．2投氯量的確定………………………………………………40

2．2．3氯氧化除鐵法的工藝流程…………………………………41

2．3接觸氧化除鐵法………………………………………………… 44

2．3．1接觸氧化除鐵的基本概念…………………………………44

2．3．2接觸氧化除鐵法的基本流程與特點………………………45

2．3．3接觸氧化除鐵觸媒…………………………………………47

2．3．4 Fe00H的結構形態…………………………………………52

2．3．5接觸氧化除鐵的機制………………………………………62

2．3．6接觸氧化除鐵工藝的設計與運行要點……………………64

2．3．7接觸過濾法在除鐵工藝技術中的位置……………………70

第3章傳統地下水除錳技術………………………………………………72

3．1氯接觸氧化過濾除錳…………………………………………… 73

3．1．1錳的氧化去除機制…………………………………………73

3．1．2確定投氯量的模型實驗……………………………………73

3．1．3高NW—N含鐵、錳地下水投氯量實驗…………………… 76

3．1．4氯接觸氧化過濾除錳生產裝置在運行中應注意的問題…78

3．1．5錳氧化觸媒的形態…………………………………………79

3．1．6氯接觸氧化過濾除錳的評價………………………………80

3．2鹼化除錳………………………………………………………… 81

3．3光化學氧化除錳………………………………………………… 82

3．4 KMn0。氧化除錳…………………………………………………85

3．5除鐵與除錳流程組合…………………………··…………… 85

3．6除鐵除錳與氧化還原電位……………………………………… 87

3．6．1氧化還原電位(0RP) …………………………………… 87

3．6．2與除鐵除錳相關的氧化還原系 …………………………88

第4章空氣接觸氧化除錳工藝的探求……………………………………94

4．1空氧接觸氧化除錳(高井雄的研究成果)…………………………94

4．1．1實驗裝置和方法………………………………………………94

4．1．2實驗結果………………………………………………………94

4．1．3除錳機理的探求………………………………………………97

4．1．4小結……………………………………………………………98

4．2錳質活性濾膜理論(哈爾濱工業大學李圭白先生研究成果) …99

4．2．1哈爾濱平房區除鐵設備………………………………………99

4．2．2 “錳質濾膜”理論…………………………………………101

4．3除鐵除錳工藝的探索和工程實踐(中國市政工程東北設計研究院的研究成果) 103

4．3．1瀋陽市李官卜水源微污染地下水深度處理實驗……………103

4．3．2鞍山大趙台水廠除鐵除錳實驗………………………………107

4．4地下水除鐵除錳現代觀……………………………………………107

第5章生物固錳除錳技術的理論研究……………………………………108

5．1 除錳濾池中生物量與Mn。’的氧化去除效率的研究……… 108

5．1．1模擬濾柱過濾實驗……………………………………………108

5．1．2生產性實驗……………………………………………………110

5．1．3實驗室的培養基實驗…………………………………………110

5．1．4分析與討論……………………………………………………11l

5．2濾層生物活性來源的驗證實驗………………………………… 114

5．2．1實驗材料與方法………………………………………………114

5．2．2結果與討論……………………………………………………115

5．3生物濾層濾料的活性分析……………………………………… 117

5．3．1實驗材料………………………………………………………117

5．3．2實驗方法………………………………………………………117

5．3．3結果和討論……………………………………………………118

5．4鐵、錳在同一生物濾層中去除的實驗研究…………………… 119

5．4．1鞍山大趙台水廠濾柱實驗…………………………………120

5．4．2撫順開發區除鐵除錳水廠生產運行實驗…………………124

5．4．3長春市雙陽區水廠成熟濾柱實驗…………………………125

5．5生物濾層鐵、錳同時去除的規律探討………………………… 126

5．5．1實驗材料與方法………………………………………………126

5．5．2結果與分析……………………………………………………127

5．6濾層中Fe¨、Mn。’離子氧化還原的動態研究……………… 129

5．6．1無Fe。’含錳地下水成熟生物濾層過濾實驗……………129

5．6．2無Fe。’水的生物濾層培養實驗…………………………130

5．6．3自然地下水培養實驗………………………………………132

5．7生物濾層與無菌濾層的除鐵差異實驗研究…………………… 133

5．7．1生物濾層與無菌濾層的除鐵效果實驗……………………133

5．7．2鐵的生物氧化和非生物氧化所產生的鐵泥的性狀………134

5．8生物固錳除錳理論的確立……………………………………… 136

第6章生物除鐵除錳工藝的微生物學研究 ……………………………137

6．1 自然界的鐵、錳氧化、還原細菌…………………………… 137

6．2 自然界中的鐵、錳氧化和還原……………………………… 137

6．3鐵、錳氧化還原細菌的分類…………………………………… 139

6．4鐵、錳氧化還原細菌的生理學………………………………… 145

6．4．1代表性的鐵、錳氧化細菌(屬) …………………………145

6．4．2從水廠分離到的鐵、錳氧化細菌…………………………146

6．5細菌氧化鐵、錳的機理………………………………………… 150

6．5．1生物氧化的類型……………………………………………150

6．5．2細菌氧化Fe。’的機理……………………………………151

6．5．3細菌氧化Mn。’的機理……………………………………152

6．6鐵、錳氧化細菌的酶學研究…………………………………… 153

6．6．1細菌的生物催化劑——酶…………………………………153

6．6．2鐵、錳氧化還原酶(系) …………………………………155

6．7生物除鐵除錳濾池……………………………………………… 156

6．7．1濾料縫隙中的鐵泥及其作用………………………………157

6．7．2濾料上的生物膜及其特點…………………………………157

6．7．3濾層中生物量及其分布規律………………………………161

6．7．4濾層中生物活性的變化規律………………………………164

6·7·5濾層內的菌群形態…………………………………………166

6·7．6鐵、錳離子對亞硝化和硝化反應的不同效應……………167

6．8生物濾層中錳去除反應動力學研究…………………………… 169

6．8．1生物除鐵除錳動力學基礎…………………………………160

6．8．2濾層內錳去除反應動力學分析……………………………170

6．8．3濾層內錳去除反應動力學模型假設………………………171

6．8．4實驗驗證……………………………………………………172

6．9微生物固定化技術……………………………………………… 175

6．9．1微生物固定化過程……………………………………………175

6．9．2影響微生物固定的重要因素…………………………………177

6．9．3生物f塗鐵除錳濾池中的微生物固定技術………………… 177

第7章生物固錳除錳理論工程套用技術研究……………………………179

7．1曝氣溶氧的實驗研究………………………………………………179

7．1．1生物氧化除鐵、除錳的需氧量………………………………179

7·1·2生物除鐵除錳濾層需氧量的測定……………………………180

7．1．3曝氣裝置………………………………………………………182

7．1．4工程套用………………………………………………………185

7·2生物除鐵除錳濾池不同過濾方式的實驗研究…………………… 185

7·2-1實驗材料……………………………………………………… 186

7·2·2實驗方法與結果………………………………………………186

7·3生物濾層結構………………………………………………………188

7·3·1均質濾料和級配濾料…………………………………………188

7·3．2不同材質濾料生物濾層除鐵除錳效能比較…………………190

7．3．3軟質濾料………………………………………………………191

7．3．4天然輕質頁岩…………………………………………………192

7．3．5雙層濾料………………………………………………………193

7．4除鐵、除錳生物濾層的建立………………………………………194

7．4．1貧營養微生物的生態特性……………………………………194

7．4．2細菌的選擇和接種……………………………………………195

7．4．3培養過程的調控………………………………………………195

7．4．4其他參數的調控………………………………………………197

7．4．5生物除鐵除錳濾層培養範例…………………………………198

7．4．6建立生物除鐵除錳濾層的總結………………………………201

7．5生物除鐵除錳水廠的設計與運行…………………………………202

7．5．1含鐵含錳地下水供水系統的總體布局………………………202

7．5．2生物除鐵除錳水廠標準流程…………………………………202

7．5．3單體構築物設計參數…………………………………………203

7．5．4生物除鐵除錳水廠的維護和管理…………………………206

7．6生物除鐵除錳工藝與錳質濾膜接觸氧化除錳工藝的比較…… 206

7．6．1工藝流程的比較………………………………………………206

7．6．2鐵、錳氧化機制的比較………………………………………207

7．6．3去除效果的比較………………………………………………207

7．6．4對微污染地下水的適應性……………………………………208

7．6．5經濟性…………………………………………………………208

第8章生物固錳除錳機理在工程中的套用………………………………209

8．1瀋陽經濟開發區生物除鐵除錳水廠的設計…………………… 209

8．1．1供水水源與原水水質…………………………………………209

8．1．2生物除鐵除錳水廠的工藝設計………………………………209

8．1．3生物除鐵除錳濾池的接種培養與成熟………………………213

8．1．4生物除鐵除錳濾池的正常運行………………………………214

8．1．5討論……………………………………………………………215

8．1．6結論……………………………………………………………216

8．2蘭西鎮生物除鐵除錳水廠……………·…………………………216

8．2．1水廠設計規模與供水水源……………………………………216

8．2．2取水形式與淨水廠位置………………………………………217

8．2．3除鐵除錳工藝方案的選擇……………………………………217

8．2．4淨水廠設計……………………………………………………218

8．2．5濾池接種、培養與運行………………………………………221

8．2．6討論與分析……………………………………………………222

8．3佳木斯江北大型地下水生物除鐵除錳工程………………………223

8．3．1城市概況………………………………………………………223

8．3．2水源的選擇……………………………………………………223

8．3．3淨水廠設計……………………………………………………225

8．4東豐縣第二水廠……………………………………………………228

8．4．1東豐縣城市與水資源概況……………………………………228

8．4．2第二水廠擴建工程……………………………………………228

8．5生物除鐵除錳技術工程套用的總結………………………………231

8．5．1原水水質與濾池的成熟期……………………………………23l

8．5．2淨化工藝流程…………………………………………………233

8．6生物除鐵除錳技術展望……………………………………………234

主題詞索引……………………………………………………………… 235

主要參考文獻…………………………………………………………… 239

1．6地下水除鐵除錳技術發展歷程和趨勢

鑒於地下水中鐵、錳的普遍存在及其危害，早在建國初期我國就確立了“地下水除鐵除錳”這一具有重要社會及經濟意義的課題。縱觀歷史，地下水除鐵除錳技術的理論和套用經歷了不同的發展階段：從早期的空氣直接氧化除鐵的嘗試、氯氧化除鐵的發展到接觸氧化除鐵的成功；從單純除鐵濾池的建立到綜合除鐵除錳工藝的探索；從傳統楊理化學方法除鐵除錳的套用到生物固錳除錳技術的確立，無不標誌著國人在這一領域不斷進行的探索和取得的成果。其中生物固錳除錳技術的確立，展現了地下水除鐵除錳的現代觀，引起了國內外眾多專家學者的興趣。學者們紛紛對此進行的研究和探討，更進一步推動了這一技術的全面發展和在工程實踐上的套用推廣。1．6．1地下水除鐵技術發展歷程

我國最早的地下水除鐵系統始建於1936年，在黑龍江省佳木斯市和齊齊哈爾市同時建成，處理規模為2000m’/d，採用的是空氣氧化除鐵法。這一系統是由日本人在當時的歷史背景下建造的，因此還不能算是我國除鐵技術的開始。建國初期，國民經濟空前發展，為適應工農業生產和人民生活的需要，我國從前蘇聯和東歐引進了地下水除鐵技術，也採用空氣氧化除鐵工藝。其工藝流程一般由曝氣、氧化反應、沉澱和過濾組成。空氣氧化除鐵工藝流程複雜，構築物多，占地面積大，不能保證穩定的除鐵效果。由此可以看出，我國的除鐵技術開始於20世紀50年代，而且由於缺乏經驗，引進的方法、技術在當時並不先進。

真正意義的我國自行研發的除鐵技術始於60年代。針對空氣自然氧化法存在的問題，60年代初李圭白先生提出“鐵質濾膜”自催化理論，並將其套用於工程實踐，研製開發了“天然錳砂接觸氧化除鐵工藝”，這是將催化技術用於地下水除鐵的一種新工藝。這種工藝不需設定反應沉澱裝置，使處理系統大為簡化，而且適應性很強，許多套用自然氧化除鐵工藝效果不好的設備，改用接觸氧化除鐵後，都獲得了良好效果。因此在生產中得到迅速推廣和套用。迄今，我國多數地下水除鐵設備，均採用了天然錳砂接觸氧化除鐵工藝。接觸氧化除鐵工藝過程如下：含鐵水經簡單曝氣後直接進入濾池，在濾料表面催化劑的作用下，Fe。’迅速氧化為Fe¨的氫氧化物，並截留於濾層中，從而一次完成了全部除鐵過程。

在大力推廣天然錳砂接觸氧化除鐵的工藝過程中，相關的一些理論和技術都獲得了長足的發展和進步。如在曝氣方式上，馬廣生首次將射流泵用於地下水除鐵的曝氣工藝中，從而代替了空壓機曝氣(1968年)。在鐵泥回收利用方面，馬廣生與湯鴻霄先生合作研製出利用除鐵水廠排出的鐵泥焙燒製造氧化鐵紅和紅土粉的生產工藝。在濾料選擇方面，黃毅軒首次套用石英砂、無煙煤雙層濾料代替錳砂濾料(1976年)；李圭白先生的實驗，研究成功了人造銹砂除鐵(1975年)。在理論研究方面，1980～1981年李圭白先生所領導的研究人員對接觸氧化除鐵濾料的選擇、“鐵質活性濾膜”的結構、組成、特性、形成過程及附著機理進行了詳細的研究，並推導了接觸氧化除鐵中鐵質轉移的數學模式；其後，徐廷章、黃毅軒、王志石對亞鐵氧化的理論和規律也進行了研究，取得了更為深刻的認識；在影響因素方面，蔡同辛、黃宇萍對溶解性二氧化矽含量高的水進行研究並取得了進展；1984年劉燦生等人對接觸氧化除鐵濾料“成熟”的影響因素進行了實驗研究。

隨著接觸氧化除鐵工藝及理論的發展和成熟，80年代以來，國內興辦起一批給水設備廠，生產出多種形式的地下水除鐵定型設備，為中小型地下水除鐵技術的迅速推廣提供了有利條件。除接觸氧化除鐵工藝及理論外，1980—1986年期間，國內各地紛紛對充氧回灌地層除鐵技術進行了大量的實驗研究工作，對充氧回灌的形式、組成、抽灌比、地層成熟期、地層堵塞的可能性、回灌水質以及曝氣充氧方法和氣水分離措施等都進行了詳細的生產性實驗研究。

綜上所述，我國除鐵技術雖然起步較晚，但以李圭白先生為代表的眾多學者、工程技術人員及各地市政設計院、自來水公司在長期實驗和實踐的基礎上，提出了自己的地下水除鐵理論，發展了我國的地下水除鐵技術，成功地指導了工程實踐。1．6．2地下水除錳技術發展歷程