孫作達(dá),藏 林,紀(jì)偉哲,戴月庭

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090； 2.上海雙場科技開發(fā)有限公司，上海 230000)

銀水灣坐落在哈爾濱市松北區(qū)，通過4號泵站引松花江水自流進(jìn)灣，于市政府附近的1號泵站排入松花江.該渠總長約6.5 km[1]，渠道底寬平均15 m，水面寬度平均31 m，水流量為7×104m3/d，流速為27 m/min，是松北區(qū)域雨水排放、工程降水、防洪排澇系統(tǒng)的組成部分，沿線為開放式濕地公園，兼具城市景觀功能.

銀水灣周邊為城市建設(shè)核心區(qū)，該區(qū)域地下水水位較高，潛水水位埋深1～3 m[2]，工程降水直接排入銀水灣.由哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心出具的銀水灣水質(zhì)檢測報(bào)告顯示，在哈爾濱市松北區(qū)銀水灣水體中鐵錳含量極高(見表1)，排放后，二價(jià)鐵離子(Fe2+)自然氧化為三價(jià)鐵(Fe3+)，二價(jià)錳離子(Mn2+)氧化為四價(jià)錳離子(Mn4+)，導(dǎo)致銀水灣支渠水體呈黃綠色.據(jù)哈爾濱市政府統(tǒng)計(jì)資料顯示，工程降水量約達(dá)7.5×104t/d.

表1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心出具的銀水灣水質(zhì)檢測報(bào)告Table1 Yinshuiwan water quality test report issued by the Experimental Center of Environmental College of Harbin Institute of Technology

理論上，地下水中的鐵、錳通過工程降水排入銀水灣，會與氧氣接觸從而發(fā)生氧化反應(yīng)，由于轉(zhuǎn)化成可以沉淀的Fe(OH)3和MnO2，不會造成水體渾濁發(fā)黃，但是銀水灣的水體并沒有像理論上一樣，水體仍然呈現(xiàn)黃綠渾濁和臭味.該現(xiàn)象在我國很多地方出現(xiàn)，有一定的代表性. 本文針對以上問題進(jìn)行了如下分析.

1 銀水灣水質(zhì)形成機(jī)制

我國大多數(shù)地區(qū)地下水源的鐵錳含量較高，當(dāng)水中含鐵量為0.5 mg/L時(shí)，色度可達(dá)30 FTU以上，達(dá)到1.0 mg/L時(shí)，不僅色度增加，而且會有明顯的金屬臭味[3].由于銀水灣附近建筑工程降水排放到銀水灣水體中導(dǎo)致水體為黃綠色.地下水中的鐵和錳在水中多數(shù)以游離的Fe2+和Mn2+的形式存在，F(xiàn)e2+為綠色，F(xiàn)e3+為黃色.在水體表面Fe2+與空氣接觸，被氧化成為Fe3+，在水體pH=2時(shí)開始沉淀，pH=3.7時(shí)沉淀完全，沉淀的鐵泥阻隔了江底微生物的生物氧化，使底泥中的溶解氧量迅速下降，導(dǎo)致水底厭氧化.厭氧環(huán)境下微生物可以進(jìn)行異化鐵/錳的還原作用，使微生物以胞外不溶性鐵泥為末端電子受體，通過電子供體耦聯(lián)進(jìn)行還原反應(yīng)成Fe3+及Mn4+.反應(yīng)步驟如下：在還原微生物的細(xì)胞內(nèi)，有機(jī)物釋放出的電子通過位于細(xì)胞質(zhì)膜上的醌池傳遞給細(xì)胞色素，再通過周質(zhì)空間中的功能性蛋白傳遞給細(xì)胞外膜上的各類金屬還原酶.當(dāng)還原微生物與Fe3+及Mn4+直接接觸時(shí)，細(xì)胞外膜上金屬還原酶將電子傳遞給它們，以此完成還原過程，最終導(dǎo)致Fe3+及Mn4+轉(zhuǎn)化成Fe2+及Mn2+.除外膜金屬還原酶外，還原微生物的“納米導(dǎo)線”-菌毛同樣能夠介導(dǎo)電子傳遞.

化學(xué)反應(yīng)式如下：

4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+

Mn2++O2+2H2O→MnO(OH)2+2H+

MnO(OH)2→MnO2↓+H2O

由此，F(xiàn)e2+隨著厭氧化的有機(jī)硫化物和氨氣等氣態(tài)污染物回到水體表層當(dāng)中，使水體泛綠，空氣中的氧氣再次氧化成黃色的Fe3+形成氧化-還原-再氧化-再還原的動態(tài)平衡，這就是造成銀水灣水體總是呈現(xiàn)黃綠色的原因.

2 傳統(tǒng)水處理技術(shù)去除鐵錳

2.1 混凝

傳統(tǒng)去除原水中鐵的方法有混凝法、化學(xué)沉淀法、錳砂過濾法、石灰堿化法、RO膜過濾法等.混凝、化學(xué)法需要投入水體中大量的化學(xué)試劑從而破壞環(huán)境，不是首選方法.由于銀水灣的水體呈酸性，不適用于堿化法.RO膜過濾法不適用于大水量處理，不建議采用.

2.2 錳砂過濾法

錳砂過濾法又稱鐵錳過濾法，主要的工作原理是利用氧化還原法將水中低價(jià)鐵離子和低價(jià)錳離子氧化成高價(jià)的鐵離子和高價(jià)的錳離子，再經(jīng)過吸附過濾去除，從而降低水中鐵錳含量，其反應(yīng)如下[4]：

2Mn2++O2+2H2O→2MnO2+ 4H+

4MnO2+3O2→2Mn2O7

Mn2O7+6Fe2++3H2O→2MnO2+6Fe3++6OH-

Fe3++3OH-→ Fe(OH)3↓

實(shí)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)了一套500 t/h的錳砂處理工藝.錳砂粒度：1.0～2.0 mm; 填充高度：1 500 mm；運(yùn)行濾速：8 m/h(除鐵、錳)；反洗水強(qiáng)度：4～10 L/m2·s(一般選用25 m3/m2/H)；反洗時(shí)間：5～15 min；運(yùn)行周期：8 h；出水要求(飲用水標(biāo)準(zhǔn))：含鐵量≤0.3 mg/L，含錳量≤0.1 mg/L，出水濁度<3 FTU.由于銀水灣水體含鐵、錳量較高，采用了二級串聯(lián)設(shè)置.至少需要5 m直徑3 m高過濾罐6只，三臺占地面積最少為600 m2的建筑，水泵3臺，反沖洗水泵一臺.配套水泵Q=250 m3/h，H=30 m,P=45 kW,P總功率=135 kW.

不得不提的是：錳砂過濾法有占地面積大、基建投資高、兩至三年需要更換錳砂濾料以及廢棄濾料容易二次污染環(huán)境的缺點(diǎn).

2.3 傳統(tǒng)水處理技術(shù)帶來的副作用

據(jù)分析報(bào)告和現(xiàn)場勘察顯示，銀水灣水體中含有氨氮、磷、COD等適于藻類增長的環(huán)境.但是銀水灣水體表面卻看不到藻類生長的跡象.這是因?yàn)樗w中過高含量的鐵、錳等陽離子抑制了藻類的繁殖.如果采用傳統(tǒng)技術(shù)去除銀水灣水體中的鐵、錳等陽離子，就會使水中的溶解氧上升，反硝化細(xì)菌得到大量繁殖，這個(gè)過程中需要消耗大量的氨氮，將其轉(zhuǎn)化成硝酸根，給藻類的生長提供大量的營養(yǎng)物質(zhì)而導(dǎo)致水華的產(chǎn)生.值得注意的是，采用傳統(tǒng)的除鐵、除錳工藝，會引起藻類的爆發(fā)式生長與污染.

3 雙場水處理裝置

3.1 雙場效應(yīng)水處理去除鐵錳的機(jī)理

“雙場”是指高梯度磁場和高頻電場.高梯度磁分離技術(shù)是美國著名的WOT水工業(yè)公司在20世紀(jì)70年代末研制成功的水處理技術(shù).后經(jīng)過哈爾濱工業(yè)大學(xué)給排水專家組按我國應(yīng)用環(huán)境改造成為適合于我國應(yīng)用的水處理工藝，并在1986年獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)，1997年獲得國家級重點(diǎn)新產(chǎn)品證書.該工藝具有靈活機(jī)動性強(qiáng)、占地面積小、效率高、處理速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、處理性能穩(wěn)定等特點(diǎn).特別是具有顯著的去除水中順磁性物質(zhì)的功能.

高梯度磁場由軛鐵(純鐵鐵芯和純鐵外殼)、電磁線圈和裝填不銹鋼毛的分離腔道組成.通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生磁場，通過鋼毛產(chǎn)生巨大的磁場梯度差.理論上，顆粒物所受的磁力(Fm)同磁場強(qiáng)度(H)、磁場梯度(dH/dx)和顆粒物的磁化率(x)、體積(V)等呈對應(yīng)關(guān)系.在磁場強(qiáng)度相同的情況下，梯度越高，分離能力越強(qiáng)，所產(chǎn)生的效應(yīng)越強(qiáng)烈.

磁場高梯度是指單位距離內(nèi)磁場強(qiáng)度的變化.在一定的磁場強(qiáng)度下，梯度的高低同基質(zhì)的磁化強(qiáng)度、形狀、直徑、填裝率等有關(guān).纖維狀鋼毛基質(zhì)磁化強(qiáng)度高，銳邊多，直徑小，填裝率低(4%～6%)，梯度可高達(dá)1 000 G/μm.所以，采用鋼毛基質(zhì)的高梯度磁分離器可以分離一般磁分離器不能分離的磁化率低、體積小的弱磁性納米顆粒物.此外，鋼毛基質(zhì)還具有物理和化學(xué)穩(wěn)定性，磁滯矯頑力小，捕集點(diǎn)多，通過性能好的優(yōu)點(diǎn).

在水流過程中施加以垂直于水流方向的磁場和電場，使水在磁場和電場中停留約為0.1 s，當(dāng)電場梯度為幾十毫伏每厘米時(shí)，所產(chǎn)生的洛倫茲力能對一克離子做出幾百焦耳的功，從而使水系統(tǒng)中抗磁性離子的水合作用減小，順磁性離子水合作用增加.這種磁化會引起鐵離子和錳離子發(fā)生“磁化凝聚”，在凝聚過程使鐵離子和錳離子的膠體粒子增大，而增大的粒子更容易從溶液中分離出來.鐵離子和錳離子都是典型的順磁性物質(zhì)，可以達(dá)到94%去除效率.

3.2 雙場效應(yīng)處理水中微生物的機(jī)理

眾所周知，微生物細(xì)胞膜的基本支架主要是由磷脂雙分子層所構(gòu)成，而磷脂雙分子層內(nèi)充斥著電解質(zhì)及帶電粒子，當(dāng)微生物受到電場磁場的復(fù)合作用時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)各帶電物質(zhì)向電場方向發(fā)生移動，從而發(fā)生極化現(xiàn)象.微生物內(nèi)各帶電物質(zhì)隨著電磁場的作用方向、向細(xì)胞膜兩側(cè)發(fā)生移動，從而形成穿透膜電位差.隨著穿透膜電位差的增大，細(xì)胞膜兩側(cè)產(chǎn)生異性離子的作用，細(xì)胞膜的兩極就會變薄，其抗性也會隨之降低.當(dāng)其達(dá)到一定程度的時(shí)候細(xì)胞膜就會形成穿孔現(xiàn)象.穿孔所導(dǎo)致的破裂使得細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生缺損、紊亂，細(xì)胞質(zhì)液外流，最終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡，以此達(dá)到殺菌滅藻的效果[5].

在高梯度磁場的作用下，細(xì)胞中的帶電粒子和許多帶金屬活性中心基團(tuán)的酶受到洛侖磁力的影響，胞內(nèi)的電子、離子由于運(yùn)動方向的變化而導(dǎo)致其無法正常進(jìn)行傳遞過程，同時(shí)酶中的許多生物分子的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此細(xì)胞的正?；顒右矔l(fā)生一定的影響.

以上的生物作用都會導(dǎo)致藻菌的失活，雙場技術(shù)在分離凈化水中污染物的同時(shí)、具有高效的滅藻作用.這是其他傳統(tǒng)工藝不能比擬的.

與其他傳統(tǒng)水處理工藝相比，雙場水處理技術(shù)在去除鐵錳的基礎(chǔ)上，可以同時(shí)達(dá)到滅藻的作用；可以抑制水華的出現(xiàn).設(shè)備易移動，應(yīng)用范圍廣；從水中分離出來的鐵錳化合物，相對于傳統(tǒng)水處理工藝純度高，可為城市園林綠提供高鐵、高錳的專用化肥，滿足目前的可持續(xù)發(fā)展與綠色化學(xué)的要求.該工藝技術(shù)與常規(guī)的水處理工藝技術(shù)比較有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

1)具有廣泛的適應(yīng)性，適應(yīng)各種原水指標(biāo)，在原水指標(biāo)發(fā)生較大變化時(shí)，可依據(jù)水質(zhì)情況改變磁場強(qiáng)度即可達(dá)到高效的處理作用，而常規(guī)的水處理工藝則需要變化投藥量、反應(yīng)時(shí)間、處理流量等.

2)雙場水處理技術(shù)占地面積只是常規(guī)水理處設(shè)備的1/20，因此可以節(jié)省大量的基建投資，而且應(yīng)用靈活.

3)雙場水處理技術(shù)的捕集效率是混凝沉淀水處理技術(shù)的幾十倍，從進(jìn)水到出水僅幾秒鐘.而常規(guī)水處理技術(shù)需要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)、混凝、沉淀、過濾等，一般需要數(shù)個(gè)小時(shí)才能出水.

4)雙場水處理技術(shù)還具有其他任何水處理技術(shù)都不具備的保健作用.依據(jù)科學(xué)研究證實(shí)，經(jīng)過磁分離處理技術(shù)可以改變水分子的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)變化后的水分子具有增強(qiáng)人體機(jī)能的作用.

5)雙場水處理技術(shù)具有很好的微生物抑制作用，特別是對水中的藻類具有顯著的殺滅作用.

6)由于雙場技術(shù)的特點(diǎn)，所分離出來的鐵含量比較高，因此，雙場裝置反沖洗的高含鐵泥可用于植物的營養(yǎng)培土.促進(jìn)植物移植的成活率，補(bǔ)充植物的微量元素.

3.3 雙場水處理的實(shí)驗(yàn)

為了確認(rèn)雙場水處理技術(shù)的效果，本文試制了一套處理500 t/h的雙場裝置，見圖1.被處理的水首先經(jīng)過自清洗汲水水泵和二級過濾器，去除水體的雜質(zhì)，然后經(jīng)提升泵進(jìn)入電磁磁體作用空間，去除水體中的鐵、錳離子.當(dāng)運(yùn)行達(dá)到飽和時(shí)，采用氣泵和河水反沖洗，將磁體內(nèi)的截留物質(zhì)沖入反沖洗磁種回收池，上清液排入河中沉淀物為高含鐵泥.高含鐵泥可銷售給園林部門用于高含鐵培植土壤應(yīng)用.整套設(shè)備占地40 m2，配套水泵Q=600 m3/h，H=12 m,P=37 kW,磁體P= 10 kW，總電功率47 kW.該實(shí)驗(yàn)裝置處理前的水質(zhì)分析報(bào)告見表1，處理后的水質(zhì)結(jié)果見表2.

圖1 雙場水處理裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of double fields water treatment device

表2 處理后水質(zhì)結(jié)果Table2 Water quality test results after treatment

4 結(jié) 論

引起銀水灣水質(zhì)發(fā)黃發(fā)臭的原因包括水質(zhì)滯留時(shí)間過長，水中鐵錳含量超標(biāo)等諸多方面，針對這些問題我們利用雙場裝置對其進(jìn)行了調(diào)查及理論分析.

1) 水中游離的Fe2+和Mn2+與水體空氣接觸氧化成為Fe3+和Mn4+，與水中的OH-結(jié)合后最終生成Fe(OH)3和MnO2沉淀，導(dǎo)致微生物無法正常代謝，水底溶氧量的下降導(dǎo)致厭氧微生物大量繁殖，從而進(jìn)行異化鐵/錳還原為Fe2+和Mn2+，以達(dá)到動態(tài)平衡.

2) 如果采用絮凝法或錳砂過濾法對水體中的鐵錳進(jìn)行去除，當(dāng)鐵錳去除后，水體缺少鐵錳抑制藻類生長的因素，會引起藻類的爆發(fā)式生長，導(dǎo)致水華的產(chǎn)生.

3) 與其他兩種方法相比，雙場效應(yīng)技術(shù)在去除鐵錳的基礎(chǔ)上，還可以達(dá)到殺菌滅藻的效果，不會導(dǎo)致藻類的爆發(fā)式生長的現(xiàn)象，沉淀析出的鐵錳化合物可以給周圍樹木提供肥料，滿足目前的可持續(xù)發(fā)展與綠色化學(xué)的要求.