CN103224281A - 低温地下水生物去除铁锰及氨氮滤层培养启动方法 - Google Patents

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蔡言安
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Abstract

低温地下水生物去除铁锰及氨氮滤层培养启动方法属于给水净化领域。滤层接种后以下向流方式过滤，通过对初期运行与富集运行阶段的工况来筛选富集能适应低温水质条件的生物群落。首先，地下水经曝气提高溶解氧浓度之后通入接种滤层，初期以低反冲强度、高滤速运行以加速物理吸附能力饱和；之后逐渐降低滤速运行富集功能菌群，当进水氨氮硝化至0.2mg/l以下且工作周期内每天出水锰浓度呈升高趋势时提高反冲强度，直至运行至出水锰浓度小于0.1mg/l；在出水锰浓度小于0.1mg/l前提下逐渐提高滤速至5-7m/h，实现了低温地下水的铁锰、氨氮的同步生物净化，出水铁<0.3mg/l、锰<0.1mg/l、氨氮<0.5mg/l。

Description

低温地下水生物去除铁锰及氨氮滤层培养启动方法
技术领域
本发明具体涉及超低温含铁锰及氨氮地下水的生物滤层净化、是一种实现低温水质条件下生物滤层培养启动方法，属于给水净化领域。
背景技术
铁、锰通常以可溶性价态（+2价）广泛存在于地下水中，作为生活饮用水两项重要的金属指标，其浓度含量直接影响着人们的身体健康，生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）规定其限制浓度分别为0.3mg/L、0.1mg/L。自然界中，地下水中铁锰含量随着地区的不同而不同，以含铁锰地下水为水源的给水处理厂必须采用适当的处理工艺来满足居民饮用水要求。其中铁的去除通常可通过简单的曝气由溶于水中的氧气完成氧化去除过程；而氧气几乎不能与锰发生氧化作用。
对于锰的去除，传统方法一般采用强氧化剂完成锰的氧化，例如投加高锰酸钾、氯气、二氧化氯等，然而无论采用哪种氧化剂，都有其应用的弊端，从而不能达到理想的去除目的。对于含铁锰氨氮地下水，高锰酸钾对氨氮没有去除作用；尽管能氧化铁锰，但水中铁锰浓度的动态变化，造成各自消耗量不同使高锰酸钾投加量难以实现精确投加从而引起水体显色。采用氯气可以同步去除铁、锰、氨氮及降低有机物含量，但折点好氯量巨大，运行成本高；大剂量的氯气投加到水中必然引起消毒副产物的产生，其种类与含量都难以实现即时检测控制，运行难度与风险较高。
而生物除锰方法的提出，改变了传统除锰方法的理念。采用生物法依靠铁锰氧化细菌、硝化细菌可实现单滤池内铁、锰、氨氮的同步去除，简化了工艺流程、提高了水质安全性。目前，采用生物滤层净化含铁锰地下水技术已成功应用于工程实践，实现了给水净化厂的经济高效运行。然而这类地下水温恒定于10℃左右，对于3-4℃超低温含铁锰及氨氮地下水却并无采用生物滤层净化报道先例。温度作为微生物处理工程中一个关键参数，极大限度的影响着其代谢活性。一方面，低温条件下硝化细菌、铁锰氧化细菌代谢繁殖活性显著降低、胞外分泌物减小，造成滤料表面很难形成以氧化铁锰、氨氮为主的生物膜；另一方面，由于滤层接种启动运行后反冲洗时会不可避免的导致生物量损失，若此时损失量多于其繁殖量，则势必会进一步增加生物膜形成的难度甚至难以形成。可以看出，除铁锰细菌、及硝化细菌对源水温度的适应性是一个巨大的挑战，因此探求一种特殊的滤层培养启动方法完成滤层内生物量的快速富集对于实现3-4℃超低温含铁锰及氨氮地下水的生物同步净化至关重要。
发明内容
本发明目的在于提供一种低温条件下滤层内部生物量富集及快速启动培养方法以实现铁锰及氨氮的同步去除。
本发明所提供的一种生物滤层快速培养启动方法，是以低温含铁锰及氨氮曝气地下水为进水并以下向流过滤方式运行；以锰砂为滤层，出水管安装转子流量计，如图1所示。通过控制曝气量、滤速及反冲强度以实现生物滤层的富集培养启动。其特征在于，包含以下技术方案：
低温地下水生物去除铁锰及氨氮滤层培养启动方法，其特征在于，包含以下步骤：
1）承托层之上铺设120-130cm厚度锰砂滤层作为铁锰氧化细菌及硝化细菌生长载体，锰砂粒径0.6-1.2mm；
2）将成熟生物锰砂接种于滤层顶部，接种高度为10-20cm；
从正常运行的生物除铁、锰及氨氮给水厂滤池内取锰砂，即为成熟生物锰砂。
3）成熟生物锰砂接种完成之后，通过机械曝气将3-4℃源水中溶解氧浓度提高至10-11mg/L后通入滤层；
4）初期运行工况：滤速5-7m/h、反冲强度7-9L/（s.m2）、反冲时间2.5-3min、工作周期48-72h；当出水锰浓度在一周之内变化小于0.1mg/L时，初期运行阶段完成；
5）培养富集运行工况：反冲强度7-9L/（s.m2）、反冲时间2.5-3min、工作周期48-72h，滤速2.5-3.0m/h；工作周期内每天至少检测一次出水锰浓度与氨氮浓度，当氨氮浓度降低至0.1-0.2mg/L并且出水锰浓度出现增大趋势时，提高反冲强度至12-13L/（s.m2）、反冲时间3-4min；运行至出水锰浓度小于0.1mg/L，并在此前提下提高滤速至5-7m/h，实现低温地下水中铁锰及氨氮的同步生物净化。
本发明在滤层进水高溶解氧浓度基础上，通过改变滤速、反冲强度度、反冲历时实现了超低温水质条件下生物量的有效富集。滤层培养启动过程操控简单，但对数据变化规律掌握要求较为严格，以本方法为指导成功启动的生物滤层对铁、锰、氨氮的去除率分别为96%、90%、85%，实现了超低温地下水的铁锰净化并提供了一种滤层培养启动方法。
附图说明
图1是本发明启动生物滤层所采用的试验装置示意图
图2为铁浓度变化情况
图3为氨氮浓度及典型代表工作周期内锰浓度变化
图4为滤层初期及富集培养阶段中滤速及锰浓度变化
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述说明，但本发明保护范围并不限于此。
本发明所提供的低温水质条件下含铁锰及氨氮地下水的生物净化滤层培养启动方法，其整体思路为：首先滤层接种一定厚度已培养成熟的锰砂作为滤层培养启动的种源；之后通过机械曝气提高超低温含铁锰及氨氮地下水中溶解氧浓度，以满足各类菌群生长所需的溶氧量；运行初期，为尽快使锰砂的物理吸附能力达到饱和状态，地下水通入滤层以较高的滤速运行；当滤层物理吸附去除锰能力饱和之后便进行生物量富集培养运行，通过改变运行工况最终实现超低温地下水中铁锰、氨氮的同步生物去除。
本发明采用新锰砂滤层作为生物菌群生长的载体，厚度120-140cm、粒径0.6-1.2mm；于滤层顶部接种成熟锰砂10-20cm作为滤层培养启动的种源，滤层总厚度约130-150cm。以下向流过滤方式运行，可使顶部成熟锰砂表面生物菌群在水力作用下深入到滤层内部且在不断下移的过程中披覆于滤料表面。另外，若源水中含锰浓度较高则可适当增加滤层厚度
本发明中在超低温条件下所培养富集的各类细菌对溶解氧浓度要求较高，因此通过机械曝气将水中溶解氧浓度提高至10mg/L以上后通入滤层。通常1mg/L氨氮、铁、锰分别需理论匹配4.57mg/L、0.143mg/L、0.29mg/L溶解氧浓度以完成其氧化去除作用，即使在总溶解氧需求量较低时也应尽可能提高溶解氧浓度。若总溶解氧需求量高于此温度下水中饱和溶解氧含量时，则应进行多级过滤处理。
本发明在初期运行阶段以高滤速运行，可加快滤层吸附能力的饱和。运行过程中以出水锰浓度达到平衡状态且不再呈上升趋势的时刻为吸附饱和指示点，作为本阶段结束的标志其作用在于可以判断接种种源是否具有氧化活性并为之后出水锰浓度达标提供生物净化的依据。本阶段运行工况：溶解氧浓度>10mg/L、滤速5-7m/h、反冲强度7-9L/S.m2）、反冲历时2.5-3min、工作周期48-60h。
本发明富集培养阶段的目的在于积累滤层内部生物量，首先在溶氧浓度>10mg/L、反冲强度7-9L/S.m2）、反冲历时2.5-3min、工作周期48-60h的情况下，通过降低滤速来加速生物膜形成，但滤速不宜低于2.5m/h。其次，以氨氮硝化效果及工作周期内出水锰浓度变化来指示改变反冲工况，即当工作周期内出水锰浓度呈增高趋势且出水氨氮稳定于0.2mg/L以下时改变为：反冲强度12-13L/（S.m2）、反冲历时3-4min。运行至出水锰浓度小于0.1mg/L，并在此前提下提高滤速，实现超低温水质条件下铁锰及氨氮的生物滤层同步净化。
具体实例：
对于常年温度3-4℃、Fe2+=3.0-4.0mg/L，Mn2+=0.45-0.5mg/L、NH4 +-N=1.0-1.4mg/L的地下水，锰砂滤层总厚度130cm（新锰砂120cm，接种成熟锰砂10cm）、粒径0.6-1.2mm。通过机械曝气滤层进水溶解氧浓度维持在10.5-11.0mg/L，初期运行工况：首先1-2m/h滤速运行数日，之后改变工况为反冲强度7-8L/（S.m2）、反冲历时3min、工作周期60h，滤速7m/h，运行至40天左右后调至5m/h，直至100天时出水锰浓度达到平衡，此时锰去除率约40-50%，说明运行初期滤层具有较高的生物氧化活性。第125天左右降低滤速至3.0m/h进入富集培养阶段，130天左右氨氮浓度小于0.5mg/L实现达标。直至210天左右时滤层出水氨氮浓度稳定于0.1-0.2mg/L之间且之前周期内每天出水锰浓度呈增大趋势，此时降低滤速至2.5m/h并提高反冲强度至13L/（S.m2）、反冲历时3.5min、工作周期48h，运行约25天后出水锰浓度小于0.1mg/L实现达标。此后过程中在出水锰浓度达标前提下提高滤速，实现了超低温含铁锰及氨氮地下水的同步生物净化。

Claims (1)

1.低温地下水生物去除铁锰及氨氮滤层培养启动方法，其特征在于，包含以下步骤：
1）承托层之上铺设120-130cm厚度锰砂滤层作为铁锰氧化细菌及硝化细菌生长载体，锰砂粒径0.6-1.2mm；
2）将成熟生物锰砂接种于滤层顶部，接种高度为10-20cm；
3）成熟生物锰砂接种完成之后，通过机械曝气将3-4℃源水中溶解氧浓度提高至10-11mg/L后通入滤层；
4）初期运行工况：滤速5-7m/h、反冲强度7-9L/（s.m2）、反冲时间2.5-3min、工作周期48-72h；当出水锰浓度在一周之内变化小于0.1mg/L时，初期运行阶段完成；
5）培养富集运行工况：反冲强度7-9L/（s.m2）、反冲时间2.5-3min、工作周期48-72h，滤速2.5-3.0m/h；工作周期内每天至少检测一次出水锰浓度与氨氮浓度，当氨氮浓度降低至0.1-0.2mg/L并且出水锰浓度出现增大趋势时，提高反冲强度至12-13L/（s.m2）、反冲时间3-4min；运行至出水锰浓度小于0.1mg/L，并在此前提下提高滤速至5-7m/h，实现低温地下水中铁锰及氨氮的同步生物净化。
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