生物固錳除錳機(jī)理與工程技術(shù)

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(fā)一……………………………… 1
1．2地下水的物理、化學(xué)特性…………………………………………3
1．2．1地下水的物理性質(zhì)…………………………………………… 4
1．2．2地下水的化學(xué)性質(zhì)…………………………………………… 4
1．2．3地下水環(huán)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(tǒng)中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化與自凈………………… 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(zhì)……………………… 10
1．4．2鐵、錳離子的水化學(xué)效應(yīng)…………………………………11
1．4．3微生物與鐵、錳元素的循環(huán)………………………………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(yè)生產(chǎn)………………………………… 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(yè)生產(chǎn)的危害………………………22
1．5．4生活飲用水與工業(yè)用水中鐵、錳的濃度標(biāo)準(zhǔn)………………24
1．6地下水除鐵除錳技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢………………………… 25
1．6．1地下水除鐵技術(shù)發(fā)展歷程…………………………………25
1．6．2地下水除錳技術(shù)發(fā)展歷程…………………………………26
1．6．3國外除鐵除錳技術(shù)的發(fā)展…………………………………27
1．6．4除鐵除錳技術(shù)的發(fā)展趨勢…………………………………27
第2章傳統(tǒng)地下水除鐵技術(shù)…………………………………………… 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?！目諝庋趸俣取?…30
2．1．3 fe?！趸a(chǎn)物——氫氧化鐵的性狀………………… 34
2．1．4空氣氧化除鐵流程的設(shè)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(jié)構(gòu)形態(tài)…………………………………………52
2．3．5接觸氧化除鐵的機(jī)制………………………………………62
2．3．6接觸氧化除鐵工藝的設(shè)計與運行要點……………………64
2．3．7接觸過濾法在除鐵工藝技術(shù)中的位置……………………70
第3章傳統(tǒng)地下水除錳技術(shù)………………………………………………72
3．1氯接觸氧化過濾除錳…………………………………………… 73
3．1．1錳的氧化去除機(jī)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(chǎn)裝置在運行中應(yīng)注意的問題…78
3．1．5錳氧化觸媒的形態(tài)…………………………………………79
3．1．6氯接觸氧化過濾除錳的評價………………………………80
3．2堿化除錳………………………………………………………… 81
3．3光化學(xué)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(guān)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(jié)果………………………………………………………94
4．1．3除錳機(jī)理的探求………………………………………………97
4．1．4小結(jié)……………………………………………………………98
4．2錳質(zhì)活性濾膜理論(哈爾濱工業(yè)大學(xué)李圭白先生研究成果) …99
4．2．1哈爾濱平房區(qū)除鐵設(shè)備………………………………………99
4．2．2 “錳質(zhì)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(shè)計研究院的研究成果) 103
4．3．1沈陽市李官卜水源微污染地下水深度處理實驗……………103
4．3．2鞍山大趙臺水廠除鐵除錳實驗………………………………107
4．4地下水除鐵除錳現(xiàn)代觀……………………………………………107
第5章生物固錳除錳技術(shù)的理論研究……………………………………108
5．1 除錳濾池中生物量與mn?！难趸コ实难芯俊?108
5．1．1模擬濾柱過濾實驗……………………………………………108
5．1．2生產(chǎn)性實驗……………………………………………………110
5．1．3實驗室的培養(yǎng)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(jié)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(jié)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鞍山大趙臺水廠濾柱實驗…………………………………120
5．4．2撫順開發(fā)區(qū)除鐵除錳水廠生產(chǎn)運行實驗…………………124
5．4．3長春市雙陽區(qū)水廠成熟濾柱實驗…………………………125
5．5生物濾層鐵、錳同時去除的規(guī)律探討………………………… 126
5．5．1實驗材料與方法………………………………………………126
5．5．2結(jié)果與分析……………………………………………………127
5．6濾層中fe¨、mn?！x子氧化還原的動態(tài)研究……………… 129
5．6．1無fe?！i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(yǎng)實驗…………………………130
5．6．3自然地下水培養(yǎng)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(chǎn)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(xué)研究 ……………………………137
6．1 自然界的鐵、錳氧化、還原細(xì)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(xì)菌的分類…………………………………… 139
6．4鐵、錳氧化還原細(xì)菌的生理學(xué)………………………………… 145
6．4．1代表性的鐵、錳氧化細(xì)菌(屬) …………………………145
6．4．2從水廠分離到的鐵、錳氧化細(xì)菌…………………………146
6．5細(xì)菌氧化鐵、錳的機(jī)理………………………………………… 150
6．5．1生物氧化的類型……………………………………………150
6．5．2細(xì)菌氧化fe?！臋C(jī)理……………………………………151
6．5．3細(xì)菌氧化mn。’的機(jī)理……………………………………152
6．6鐵、錳氧化細(xì)菌的酶學(xué)研究…………………………………… 153
6．6．1細(xì)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(guī)律………………………………161
6．7．4濾層中生物活性的變化規(guī)律………………………………164
6·7·5濾層內(nèi)的菌群形態(tài)…………………………………………166
6·7．6鐵、錳離子對亞硝化和硝化反應(yīng)的不同效應(yīng)……………167
6．8生物濾層中錳去除反應(yīng)動力學(xué)研究…………………………… 169
6．8．1生物除鐵除錳動力學(xué)基礎(chǔ)…………………………………160
6．8．2濾層內(nèi)錳去除反應(yīng)動力學(xué)分析……………………………170
6．8．3濾層內(nèi)錳去除反應(yīng)動力學(xué)模型假設(shè)………………………171
6．8．4實驗驗證……………………………………………………172
6．9微生物固定化技術(shù)……………………………………………… 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涂鐵除錳濾池中的微生物固定技術(shù)………………… 177
第7章生物固錳除錳理論工程應(yīng)用技術(shù)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工程應(yīng)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(jié)果………………………………………………186
7·3生物濾層結(jié)構(gòu)………………………………………………………188
7·3·1均質(zhì)濾料和級配濾料…………………………………………188
7·3．2不同材質(zhì)濾料生物濾層除鐵除錳效能比較…………………190
7．3．3軟質(zhì)濾料………………………………………………………191
7．3．4天然輕質(zhì)頁巖…………………………………………………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(yǎng)微生物的生態(tài)特性……………………………………194
7．4．2細(xì)菌的選擇和接種……………………………………………195
7．4．3培養(yǎng)過程的調(diào)控………………………………………………195
7．4．4其他參數(shù)的調(diào)控………………………………………………197
7．4．5生物除鐵除錳濾層培養(yǎng)范例…………………………………198
7．4．6建立生物除鐵除錳濾層的總結(jié)………………………………201
7．5生物除鐵除錳水廠的設(shè)計與運行…………………………………202
7．5．1含鐵含錳地下水供水系統(tǒng)的總體布局………………………202
7．5．2生物除鐵除錳水廠標(biāo)準(zhǔn)流程…………………………………202
7．5．3單體構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)…………………………………………203
7．5．4生物除鐵除錳水廠的維護(hù)和管理…………………………206
7．6生物除鐵除錳工藝與錳質(zhì)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(jī)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(yīng)性……………………………………208
7．6．5經(jīng)濟(jì)性…………………………………………………………208
第8章生物固錳除錳機(jī)理在工程中的應(yīng)用………………………………209
8．1沈陽經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)生物除鐵除錳水廠的設(shè)計…………………… 209
8．1．1供水水源與原水水質(zhì)…………………………………………209
8．1．2生物除鐵除錳水廠的工藝設(shè)計………………………………209
8．1．3生物除鐵除錳濾池的接種培養(yǎng)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(jié)論……………………………………………………………216
8．2蘭西鎮(zhèn)生物除鐵除錳水廠……………·…………………………216
8．2．1水廠設(shè)計規(guī)模與供水水源……………………………………216
8．2．2取水形式與凈水廠位置………………………………………217
8．2．3除鐵除錳工藝方案的選擇……………………………………217
8．2．4凈水廠設(shè)計……………………………………………………218
8．2．5濾池接種、培養(yǎng)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凈水廠設(shè)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(kuò)建工程……………………………………………228
8．5生物除鐵除錳技術(shù)工程應(yīng)用的總結(jié)………………………………231
8．5．1原水水質(zhì)與濾池的成熟期……………………………………23l
8．5．2凈化工藝流程…………………………………………………233
8．6生物除鐵除錳技術(shù)展望……………………………………………234
主題詞索引……………………………………………………………… 235
主要參考文獻(xiàn)…………………………………………………………… 239