生物固锰除锰机理与工程技术

2005年中国建筑工业出版社出版的图书

《生物固锰除锰机理与工程技术》是中国建筑工业出版社出版的图书，主要讲述了从生物固锰除锰理论的确立，直至地下水生物除铁除锰水厂设计与运行管理的成套技术的提出，展现了地下水除铁除锰的现代观。

内容简介

本书总结了作者20年来关于生物固锰除锰机理与工程技术的研究成果和工程实践。从生物固锰除锰理论的确立，直至地下水生物除铁除锰水厂设计与运行管理的成套技术的提出，展现了地下水除铁除锰的现代观。

本书适用于给水排水工程、环境工程、废水处理、房屋建筑等专业的设计、施工、管理人员和有关大专院校师生。

编辑推荐

地下水品质遭受破坏而产生的异味、着色都使人难以忍受，甚至影响工业生产和危害人类健康，所以，地下水除铁除锰技术是水质工程界一个长期的科研课题。本书总结了作者20年来关于生物固锰除锰机理与工程技术的研究成果和工程实践，从生物固锰除锰理论的确立，直至地下水生物除铁除锰水厂设计与运行管理的成套技术的提出，展现了地下水除铁除锰的现代观。

第l章绪论……………………………………………………………… 1

1．1我国地下水资源与利用状况………………………………………1

1．1．1我国的水资源……………………………………………… 1

1．1．2地下水资源的分布与开发一……………………………… 1

1．2地下水的物理、化学特性…………………………………………3

1．2．1地下水的物理性质…………………………………………… 4

1．2．2地下水的化学性质…………………………………………… 4

1．2．3地下水环境背景值的形成…………………………………… 5

1．3地下水污染………………………………………………………… 6

1．3．1地下水污染的含义…………………………………………… 6

1．3．2地下水污染源及途径………………………………………… 7

1．3．3地下水污染状况……………………………………………… 7

1．3．4地下水污染的特点…………………………………………… 8

1．3．5地下水系统中污染物的迁移、转化与自净………………… 8

1．4含铁、锰地下水的特性………………………………………… 10

1．4．1 自然界中铁、锰的存在及性质……………………… 10

1．4．2铁、锰离子的水化学效应…………………………………11

1．4．3微生物与铁、锰元素的循环………………………………12

1．4．4 地下水中铁、锰的来源…………………………………14

1．4．5含铁、锰地下水的分布……………………………………16

1．5铁、锰与人类健康和工业生产………………………………… 17

1．5．1铁的生理功能…………………………………………………17

1．5．2锰的生理功能…………………………………………………20

1．5．3含铁、锰水对生活和工业生产的危害………………………22

1．5．4生活饮用水与工业用水中铁、锰的浓度标准………………24

1．6地下水除铁除锰技术发展历程和趋势………………………… 25

1．6．1地下水除铁技术发展历程…………………………………25

1．6．2地下水除锰技术发展历程…………………………………26

1．6．3国外除铁除锰技术的发展…………………………………27

1．6．4除铁除锰技术的发展趋势…………………………………27

第2章传统地下水除铁技术…………………………………………… 29

2．1空气氧化除铁法……………………………………………………29

2．1．1空气氧化除铁法的基本流程………………………………29

2．1．2 Fe。’的空气氧化速度……………………………… …30

2．1．3 Fe。’氧化产物——氢氧化铁的性状………………… 34

2．1．4空气氧化除铁流程的设计特点 …………………………37

2．2氯氧化除铁法…………………………………………………… 38

2．2．1氯对Fe“的氧化……………………………………………38

2．2．2投氯量的确定………………………………………………40

2．2．3氯氧化除铁法的工艺流程…………………………………41

2．3接触氧化除铁法………………………………………………… 44

2．3．1接触氧化除铁的基本概念…………………………………44

2．3．2接触氧化除铁法的基本流程与特点………………………45

2．3．3接触氧化除铁触媒…………………………………………47

2．3．4 Fe00H的结构形态…………………………………………52

2．3．5接触氧化除铁的机制………………………………………62

2．3．6接触氧化除铁工艺的设计与运行要点……………………64

2．3．7接触过滤法在除铁工艺技术中的位置……………………70

第3章传统地下水除锰技术………………………………………………72

3．1氯接触氧化过滤除锰…………………………………………… 73

3．1．1锰的氧化去除机制…………………………………………73

3．1．2确定投氯量的模型实验……………………………………73

3．1．3高NW—N含铁、锰地下水投氯量实验…………………… 76

3．1．4氯接触氧化过滤除锰生产装置在运行中应注意的问题…78

3．1．5锰氧化触媒的形态…………………………………………79

3．1．6氯接触氧化过滤除锰的评价………………………………80

3．2碱化除锰………………………………………………………… 81

3．3光化学氧化除锰………………………………………………… 82

3．4 KMn0。氧化除锰…………………………………………………85

3．5除铁与除锰流程组合…………………………··…………… 85

3．6除铁除锰与氧化还原电位……………………………………… 87

3．6．1氧化还原电位(0RP) …………………………………… 87

3．6．2与除铁除锰相关的氧化还原系 …………………………88

第4章空气接触氧化除锰工艺的探求……………………………………94

4．1空氧接触氧化除锰(高井雄的研究成果)…………………………94

4．1．1实验装置和方法………………………………………………94

4．1．2实验结果………………………………………………………94

4．1．3除锰机理的探求………………………………………………97

4．1．4小结……………………………………………………………98

4．2锰质活性滤膜理论(哈尔滨工业大学李圭白先生研究成果) …99

4．2．1哈尔滨平房区除铁设备………………………………………99

4．2．2 “锰质滤膜”理论…………………………………………101

4．3除铁除锰工艺的探索和工程实践(中国市政工程东北设计研究院的研究成果) 103

4．3．1沈阳市李官卜水源微污染地下水深度处理实验……………103

4．3．2鞍山大赵台水厂除铁除锰实验………………………………107

4．4地下水除铁除锰现代观……………………………………………107

第5章生物固锰除锰技术的理论研究……………………………………108

5．1 除锰滤池中生物量与Mn。’的氧化去除效率的研究……… 108

5．1．1模拟滤柱过滤实验……………………………………………108

5．1．2生产性实验……………………………………………………110

5．1．3实验室的培养基实验…………………………………………110

5．1．4分析与讨论……………………………………………………11l

5．2滤层生物活性来源的验证实验………………………………… 114

5．2．1实验材料与方法………………………………………………114

5．2．2结果与讨论……………………………………………………115

5．3生物滤层滤料的活性分析……………………………………… 117

5．3．1实验材料………………………………………………………117

5．3．2实验方法………………………………………………………117

5．3．3结果和讨论……………………………………………………118

5．4铁、锰在同一生物滤层中去除的实验研究…………………… 119

5．4．1鞍山大赵台水厂滤柱实验…………………………………120

5．4．2抚顺开发区除铁除锰水厂生产运行实验…………………124

5．4．3长春市双阳区水厂成熟滤柱实验…………………………125

5．5生物滤层铁、锰同时去除的规律探讨………………………… 126

5．5．1实验材料与方法………………………………………………126

5．5．2结果与分析……………………………………………………127

5．6滤层中Fe¨、Mn。’离子氧化还原的动态研究……………… 129

5．6．1无Fe。’含锰地下水成熟生物滤层过滤实验……………129

5．6．2无Fe。’水的生物滤层培养实验…………………………130

5．6．3自然地下水培养实验………………………………………132

5．7生物滤层与无菌滤层的除铁差异实验研究…………………… 133

5．7．1生物滤层与无菌滤层的除铁效果实验……………………133

5．7．2铁的生物氧化和非生物氧化所产生的铁泥的性状………134

5．8生物固锰除锰理论的确立……………………………………… 136

第6章生物除铁除锰工艺的微生物学研究 ……………………………137

6．1 自然界的铁、锰氧化、还原细菌…………………………… 137

6．2 自然界中的铁、锰氧化和还原……………………………… 137

6．3铁、锰氧化还原细菌的分类…………………………………… 139

6．4铁、锰氧化还原细菌的生理学………………………………… 145

6．4．1代表性的铁、锰氧化细菌(属) …………………………145

6．4．2从水厂分离到的铁、锰氧化细菌…………………………146

6．5细菌氧化铁、锰的机理………………………………………… 150

6．5．1生物氧化的类型……………………………………………150

6．5．2细菌氧化Fe。’的机理……………………………………151

6．5．3细菌氧化Mn。’的机理……………………………………152

6．6铁、锰氧化细菌的酶学研究…………………………………… 153

6．6．1细菌的生物催化剂——酶…………………………………153

6．6．2铁、锰氧化还原酶(系) …………………………………155

6．7生物除铁除锰滤池……………………………………………… 156

6．7．1滤料缝隙中的铁泥及其作用………………………………157

6．7．2滤料上的生物膜及其特点…………………………………157

6．7．3滤层中生物量及其分布规律………………………………161

6．7．4滤层中生物活性的变化规律………………………………164

6·7·5滤层内的菌群形态…………………………………………166

6·7．6铁、锰离子对亚硝化和硝化反应的不同效应……………167

6．8生物滤层中锰去除反应动力学研究…………………………… 169

6．8．1生物除铁除锰动力学基础…………………………………160

6．8．2滤层内锰去除反应动力学分析……………………………170

6．8．3滤层内锰去除反应动力学模型假设………………………171

6．8．4实验验证……………………………………………………172

6．9微生物固定化技术……………………………………………… 175

6．9．1微生物固定化过程……………………………………………175

6．9．2影响微生物固定的重要因素…………………………………177

6．9．3生物f涂铁除锰滤池中的微生物固定技术………………… 177

第7章生物固锰除锰理论工程应用技术研究……………………………179

7．1曝气溶氧的实验研究………………………………………………179

7．1．1生物氧化除铁、除锰的需氧量………………………………179

7·1·2生物除铁除锰滤层需氧量的测定……………………………180

7．1．3曝气装置………………………………………………………182

7．1．4工程应用………………………………………………………185

7·2生物除铁除锰滤池不同过滤方式的实验研究…………………… 185

7·2-1实验材料……………………………………………………… 186

7·2·2实验方法与结果………………………………………………186

7·3生物滤层结构………………………………………………………188

7·3·1均质滤料和级配滤料…………………………………………188

7·3．2不同材质滤料生物滤层除铁除锰效能比较…………………190

7．3．3软质滤料………………………………………………………191

7．3．4天然轻质页岩…………………………………………………192

7．3．5双层滤料………………………………………………………193

7．4除铁、除锰生物滤层的建立………………………………………194

7．4．1贫营养微生物的生态特性……………………………………194

7．4．2细菌的选择和接种……………………………………………195

7．4．3培养过程的调控………………………………………………195

7．4．4其他参数的调控………………………………………………197

7．4．5生物除铁除锰滤层培养范例…………………………………198

7．4．6建立生物除铁除锰滤层的总结………………………………201

7．5生物除铁除锰水厂的设计与运行…………………………………202

7．5．1含铁含锰地下水供水系统的总体布局………………………202

7．5．2生物除铁除锰水厂标准流程…………………………………202

7．5．3单体构筑物设计参数…………………………………………203

7．5．4生物除铁除锰水厂的维护和管理…………………………206

7．6生物除铁除锰工艺与锰质滤膜接触氧化除锰工艺的比较…… 206

7．6．1工艺流程的比较………………………………………………206

7．6．2铁、锰氧化机制的比较………………………………………207

7．6．3去除效果的比较………………………………………………207

7．6．4对微污染地下水的适应性……………………………………208

7．6．5经济性…………………………………………………………208

第8章生物固锰除锰机理在工程中的应用………………………………209

8．1沈阳经济开发区生物除铁除锰水厂的设计…………………… 209

8．1．1供水水源与原水水质…………………………………………209

8．1．2生物除铁除锰水厂的工艺设计………………………………209

8．1．3生物除铁除锰滤池的接种培养与成熟………………………213

8．1．4生物除铁除锰滤池的正常运行………………………………214

8．1．5讨论……………………………………………………………215

8．1．6结论……………………………………………………………216

8．2兰西镇生物除铁除锰水厂……………·…………………………216

8．2．1水厂设计规模与供水水源……………………………………216

8．2．2取水形式与净水厂位置………………………………………217

8．2．3除铁除锰工艺方案的选择……………………………………217

8．2．4净水厂设计……………………………………………………218

8．2．5滤池接种、培养与运行………………………………………221

8．2．6讨论与分析……………………………………………………222

8．3佳木斯江北大型地下水生物除铁除锰工程………………………223

8．3．1城市概况………………………………………………………223

8．3．2水源的选择……………………………………………………223

8．3．3净水厂设计……………………………………………………225

8．4东丰县第二水厂……………………………………………………228

8．4．1东丰县城市与水资源概况……………………………………228

8．4．2第二水厂扩建工程……………………………………………228

8．5生物除铁除锰技术工程应用的总结………………………………231

8．5．1原水水质与滤池的成熟期……………………………………23l

8．5．2净化工艺流程…………………………………………………233

8．6生物除铁除锰技术展望……………………………………………234

主题词索引……………………………………………………………… 235

主要参考文献…………………………………………………………… 239

书摘

1．6地下水除铁除锰技术发展历程和趋势

鉴于地下水中铁、锰的普遍存在及其危害，早在建国初期我国就确立了“地下水除铁除锰”这一具有重要社会及经济意义的课题。纵观历史，地下水除铁除锰技术的理论和应用经历了不同的发展阶段：从早期的空气直接氧化除铁的尝试、氯氧化除铁的发展到接触氧化除铁的成功；从单纯除铁滤池的建立到综合除铁除锰工艺的探索；从传统杨理化学方法除铁除锰的应用到生物固锰除锰技术的确立，无不标志着国人在这一领域不断进行的探索和取得的成果。其中生物固锰除锰技术的确立，展现了地下水除铁除锰的现代观，引起了国内外众多专家学者的兴趣。学者们纷纷对此进行的研究和探讨，更进一步推动了这一技术的全面发展和在工程实践上的应用推广。1．6．1地下水除铁技术发展历程

我国最早的地下水除铁系统始建于1936年，在黑龙江省佳木斯市和齐齐哈尔市同时建成，处理规模为2000m’/d，采用的是空气氧化除铁法。这一系统是由日本人在当时的历史背景下建造的，因此还不能算是我国除铁技术的开始。建国初期，国民经济空前发展，为适应工农业生产和人民生活的需要，我国从前苏联和东欧引进了地下水除铁技术，也采用空气氧化除铁工艺。其工艺流程一般由曝气、氧化反应、沉淀和过滤组成。空气氧化除铁工艺流程复杂，构筑物多，占地面积大，不能保证稳定的除铁效果。由此可以看出，我国的除铁技术开始于20世纪50年代，而且由于缺乏经验，引进的方法、技术在当时并不先进。

真正意义的我国自行研发的除铁技术始于60年代。针对空气自然氧化法存在的问题，60年代初李圭白先生提出“铁质滤膜”自催化理论，并将其应用于工程实践，研制开发了“天然锰砂接触氧化除铁工艺”，这是将催化技术用于地下水除铁的一种新工艺。这种工艺不需设置反应沉淀装置，使处理系统大为简化，而且适应性很强，许多应用自然氧化除铁工艺效果不好的设备，改用接触氧化除铁后，都获得了良好效果。因此在生产中得到迅速推广和应用。迄今，我国多数地下水除铁设备，均采用了天然锰砂接触氧化除铁工艺。接触氧化除铁工艺过程如下：含铁水经简单曝气后直接进入滤池，在滤料表面催化剂的作用下，Fe。’迅速氧化为Fe¨的氢氧化物，并截留于滤层中，从而一次完成了全部除铁过程。

在大力推广天然锰砂接触氧化除铁的工艺过程中，相关的一些理论和技术都获得了长足的发展和进步。如在曝气方式上，马广生首次将射流泵用于地下水除铁的曝气工艺中，从而代替了空压机曝气(1968年)。在铁泥回收利用方面，马广生与汤鸿霄先生合作研制出利用除铁水厂排出的铁泥焙烧制造氧化铁红和红土粉的生产工艺。在滤料选择方面，黄毅轩首次应用石英砂、无烟煤双层滤料代替锰砂滤料(1976年)；李圭白先生的实验，研究成功了人造锈砂除铁(1975年)。在理论研究方面，1980～1981年李圭白先生所领导的研究人员对接触氧化除铁滤料的选择、“铁质活性滤膜”的结构、组成、特性、形成过程及附着机理进行了详细的研究，并推导了接触氧化除铁中铁质转移的数学模式；其后，徐廷章、黄毅轩、王志石对亚铁氧化的理论和规律也进行了研究，取得了更为深刻的认识；在影响因素方面，蔡同辛、黄宇萍对溶解性二氧化硅含量高的水进行研究并取得了进展；1984年刘灿生等人对接触氧化除铁滤料“成熟”的影响因素进行了实验研究。

随着接触氧化除铁工艺及理论的发展和成熟，80年代以来，国内兴办起一批给水设备厂，生产出多种形式的地下水除铁定型设备，为中小型地下水除铁技术的迅速推广提供了有利条件。除接触氧化除铁工艺及理论外，1980—1986年期间，国内各地纷纷对充氧回灌地层除铁技术进行了大量的实验研究工作，对充氧回灌的形式、组成、抽灌比、地层成熟期、地层堵塞的可能性、回灌水质以及曝气充氧方法和气水分离措施等都进行了详细的生产性实验研究。

综上所述，我国除铁技术虽然起步较晚，但以李圭白先生为代表的众多学者、工程技术人员及各地市政设计院、自来水公司在长期实验和实践的基础上，提出了自己的地下水除铁理论，发展了我国的地下水除铁技术，成功地指导了工程实践。1．6．2地下水除锰技术发展历程

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