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(guó)地下水資源與利用狀況………………………………………1
1．1．1我國(guó)的水資源……………………………………………… 1
1．1．2地下水資源的分布與開(kāi)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(diǎn)…………………………………………… 8
1．3．5地下水系統(tǒng)中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化與自?xún)簟?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(lái)源…………………………………14
1．4．5含鐵、錳地下水的分布……………………………………16
1．5鐵、錳與人類(lèi)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(duì)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(shì)………………………… 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(guó)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(shì)…………………………………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——?dú)溲趸F的性狀………………… 34
2．1．4空氣氧化除鐵流程的設(shè)計(jì)特點(diǎn) …………………………37
2．2氯氧化除鐵法…………………………………………………… 38
2．2．1氯對(duì)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(diǎn)………………………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(jì)與運(yùn)行要點(diǎn)……………………64
2．3．7接觸過(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)……………………………………73
3．1．3高nw—n含鐵、錳地下水投氯量實(shí)驗(yàn)…………………… 76
3．1．4氯接觸氧化過(guò)濾除錳生產(chǎn)裝置在運(yùn)行中應(yīng)注意的問(wèn)題…78
3．1．5錳氧化觸媒的形態(tài)…………………………………………79
3．1．6氯接觸氧化過(guò)濾除錳的評(píng)價(jià)………………………………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(shí)驗(yàn)裝置和方法………………………………………………94
4．1．2實(shí)驗(yàn)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(shí)踐(中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院的研究成果) 103
4．3．1沈陽(yáng)市李官卜水源微污染地下水深度處理實(shí)驗(yàn)……………103
4．3．2鞍山大趙臺(tái)水廠除鐵除錳實(shí)驗(yàn)………………………………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(guò)濾實(shí)驗(yàn)……………………………………………108
5．1．2生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)……………………………………………………110
5．1．3實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)…………………………………………110
5．1．4分析與討論……………………………………………………11l
5．2濾層生物活性來(lái)源的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)………………………………… 114
5．2．1實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料………………………………………………………117
5．3．2實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究…………………… 119
5．4．1鞍山大趙臺(tái)水廠濾柱實(shí)驗(yàn)…………………………………120
5．4．2撫順開(kāi)發(fā)區(qū)除鐵除錳水廠生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)…………………124
5．4．3長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)水廠成熟濾柱實(shí)驗(yàn)…………………………125
5．5生物濾層鐵、錳同時(shí)去除的規(guī)律探討………………………… 126
5．5．1實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)研究……………… 129
5．6．1無(wú)fe。’含錳地下水成熟生物濾層過(guò)濾實(shí)驗(yàn)……………129
5．6．2無(wú)fe。’水的生物濾層培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)…………………………130
5．6．3自然地下水培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)………………………………………132
5．7生物濾層與無(wú)菌濾層的除鐵差異實(shí)驗(yàn)研究…………………… 133
5．7．1生物濾層與無(wú)菌濾層的除鐵效果實(shí)驗(yàn)……………………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(lèi)…………………………………… 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(lèi)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?！臋C(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(diǎn)…………………………………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(duì)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(dòng)力學(xué)研究…………………………… 169
6．8．1生物除鐵除錳動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)…………………………………160
6．8．2濾層內(nèi)錳去除反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析……………………………170
6．8．3濾層內(nèi)錳去除反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)………………………171
6．8．4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證……………………………………………………172
6．9微生物固定化技術(shù)……………………………………………… 175
6．9．1微生物固定化過(guò)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(guò)濾方式的實(shí)驗(yàn)研究…………………… 185
7·2-1實(shí)驗(yàn)材料……………………………………………………… 186
7·2·2實(shí)驗(yàn)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(jí)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(yè)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(yíng)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(guò)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(jì)與運(yùn)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(jì)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(duì)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(yáng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)生物除鐵除錳水廠的設(shè)計(jì)…………………… 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(jì)………………………………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(yùn)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(jì)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(jì)……………………………………………………218
8．2．5濾池接種、培養(yǎng)與運(yùn)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(jì)……………………………………………………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