生物滤池同步去除地下水中铁、锰、砷的工艺及机理研究

摘要

砷广泛存在于自然界，砷及其化合物毒性较大，长期过量摄入可以导致急、慢性中毒甚至癌症，对人体健康造成严重损害。世界卫生组织、欧盟、日本和美国等先后将饮用水中砷的最大允许浓度由50μg/L降低到10μg/L。我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006中也将砷浓度标准定为10μg/L。这为我国今后地下水除砷技术提出了更高的要求。
　　铁、锰和砷常共存于地下水中，生物法同步去除地下水中铁、锰和砷是一种新方法，该方法具有工艺简单、可靠、经济、环境友好等优点。本文通过对生物滤池同步去除地下水中铁、锰、砷长期稳定运行效能的研究，考察了地下水中铁、锰、砷同步去除的可行性，以及砷的存在对生物滤池内微生物生长的影响。对不同水质条件和工艺运行参数对除砷影响进行了详细的分析。对生物滤池系统内的微生物在形态特征，种群数量、群落结构、沿滤层深度方向上的分布及遗传学等方面进行了研究，并将工艺研究和微生物学研究相结合，探讨生物滤池同步去除地下水中铁、锰和砷的机理，从而为生物滤池同步去除地下水中铁、锰和砷的工程实践应用提供技术支持。
　　生物滤池的长期运行效能的研究结果表明，原水中的铁、锰和砷可以在同一生物滤层中去除，原水中的砷并未对滤池中生物菌群产生毒害作用，反而砷本身也得以去除。水中pH的升高，铁锰氧化物表面所带的电荷数逐渐减少，吸附砷的能力逐渐下降，砷的去除率会逐渐的降低。水中磷酸盐的存在会对除砷具有较大的影响，因为磷酸盐和砷存在吸附竞争，从而降低了铁锰氧化物对砷的吸附效率。水中硅酸盐的存在对砷的去除效果影响不大，因为硅酸盐在水中绝大部分以硅酸（非离子态）存在，它们不易被铁锰氧化物所吸附，所以不会和砷产生吸附竞争。水中不同的铁、锰浓度对除砷有较大的影响。铁浓度的增加有利于砷的吸附去除，对As(V)的吸附效果要优于As(Ⅲ)。锰浓度的增加有利于As(Ⅲ)氧化为As(V)。
　　进水负荷会影响滤池的出水水质，生物滤池对As(V)处理能力要高于As(Ⅲ)。滤速会影响生物滤池对除砷效果，滤速的提升会导致除砷效果下降。反冲洗会对生物滤池除砷的效果产生影响，在反冲洗周期72h，反冲洗时间3min，反冲洗强度为8L/(s·m2)的条件下，反冲洗后的一小段时间里滤层会出现的铁、砷超标现象，但在30min内就能恢复正常。
　　对滤池滤料表面微生物形态的观察，发现滤料表面铁、锰氧化细菌逐渐的大量生长，其表面包裹着铁锰氧化物。EDS能谱分析说明滤料表面含有的主要元素为Fe、Mn和As。生物铁锰氧化物的XPS分析表明，滤池内的铁、锰的氧化存在着生物氧化的特征，As(Ⅲ)在生物滤池中被很好的氧化，生成的As(V)又被吸附在铁锰氧化物的表面截留在滤层中去除。
　　在温度20oC±0.2，pH值6.9条件下，生物铁锰氧化物对As(Ⅲ)和As(V)有较强的吸附能力。对As(III)的最大吸附容量为68.97 mg/g，对As(V)的最大吸附容量为35.46 mg/g。在相同条件下，对As(Ⅲ)的吸附效果要优于As(V)。在温度20oC±0.2， pH值6.9，初始As浓度2mg/L的条件下，生物铁锰氧化物对砷的吸附符合拟二级动力学方程。其对As(Ⅲ)和As(V)的平衡吸附量分别为14.88mg/g和12.25mg/g；初始吸附速率分别为4.36 mg/(g?min)和6.11 mg/(g?min)。在相同条件下，虽然生物铁锰氧化物对As(Ⅲ)的吸附量更大，但其对As(V)的初始吸附速率更快。
　　生物滤池系统微生物进行16S rDNA克隆文库的构建，通过对细菌和古菌的菌群组成进行分析表明，1＃和2＃滤池内细菌组成相似度较高，细菌可分为9个纲，分别为α-变形菌、β-变形菌、γ-变形菌、δ-变形菌、放线菌、芽孢杆菌、酸杆菌、硝化螺菌以及疣微菌，其中大部分细菌都存在于变形菌门。有些细菌与已知的锰氧化菌和砷氧化菌具有相近的亲缘关系。两根滤柱内古细菌种类相对较少，属于泉古菌门，且与已知的泉古菌亲缘关系较远。
　　通过对生物滤池不同深度处微生物的T-RFLP图谱分析得知，在生物滤池上层的微生物较多，下层的微生物较少。2＃生物滤池中的微生物种类比1＃生物滤池多。采用聚类分析和主成分分析探讨了生物滤池中微生物群落结构的变化得知，1＃和2＃滤池内微生物群落结构差异性相对较大，而同一滤池的不同滤层间微生物群落结构差异性相对较小。
　　生物滤池中微生物的PCR-DGGE分析结果表明，生物滤层沿深度方向分布着铁氧化细菌、锰氧化细菌和砷氧化细菌。Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和As沿滤层深度方向的去除和这些细菌的分布具有相互对应的关系，与滤池反冲洗水物质的XPS结果结合分析，说明铁氧化细菌和锰氧化细菌参与了Fe(Ⅱ)和Mn(Ⅱ)的氧化，而砷氧化菌可能参与了As的氧化。
　　生物滤池中锰的氧化物对As(Ⅲ)的氧化具有重要的作用，这对砷的去除具有重要的意义，而锰的氧化物是由 Mn(Ⅱ)在锰氧化菌的作用下氧化生成的，因此，锰氧化菌对生物锰滤池去除锰和砷具有重要的意义。本文利用 MSVP培养基从生物滤池反应器中筛选出8株锰氧化菌株，这8株锰氧化菌属于Pseudomonas（假单胞菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）和Arthrobacter（节细菌属）这三个属。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 自然水体中的砷

1.3 地下水除砷技术

1.4 生物产生的铁锰氧化物及其在水处理中应用的研究

1.5 分子生物学技术在水处理工艺研究中的应用

1.6 研究内容及技术路线

第2章 试验材料与方法

2.1 试验装置

2.2 试验原水水质

2.3 水样的检测及生物滤池的运行方法

2.4 生物滤池滤料表面形貌的观测方法

2.5 生物铁锰氧化物表面元素及价态分析

2.6 铁锰氧化物对砷的吸附试验

2.7 分子生物学分析方法

2.8 生物滤池中锰氧化菌的筛选

2.9 主要运用的试验仪器和软件

第3章 生物滤池同步去除铁、锰、砷的运行效能研究

3.1 引言

3.2 生物滤池去除Fe(II)、Mn(II)、As(III) 的运行效能

3.3 生物滤池去除Fe(II)、Mn(II)、As(V)的运行效能

3.4 不同水质条件对除砷的影响

3.5 工艺运行参数对除砷的影响

3.6 本章小结

第4章 生物滤池同步去除铁、锰、砷的机理研究

4.1 引言

4.2 生物滤池滤料表面物质的形态特征

4.3生物铁锰氧化物表面元素及价态分析

4.4 生物铁锰氧化物对砷的吸附性能研究

4.5 本章小结

第5章 生物滤池内微生物群落结构分析及锰氧化菌的富集培养

5.1 引言

5.2 滤池内微生物菌落结构组成

5.3 不同滤层深度微生物多样性研究

5.4 沿滤层深度方向微生物的分布

5.5 微生物的分布与铁、锰、砷去除之间的关系

5.6锰氧化菌的富集培养

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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