生物滤池同步除掉地下水中铁、锰、砷之工艺及机理研究

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1、生物滤池同步除掉地下水中铁、锰、砷之工艺及机理研究第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义世界许多地区都存在着饮水砷污染问题，如：阿根廷、哥伦比亚、智利、秘鲁、墨西哥、美国、澳大利亚、孟加拉国、中国、印度、泰国、越南、菲律宾、蒙古、芬兰、希腊、德国、罗马尼亚、西班牙、匈牙利、加纳、尼泊尔等[1]。图1-1为世界范围内高砷地下水分布图[2]。目前，我国在北京、黑龙江、吉林、山东、山西、河南、安徽、四川、新疆、宁夏、青海、内蒙古和台湾13个省区发现饮水型地砷病[3]。按照国家《生活饮用水卫生标准》（G

2、B5749-2006），我国饮用水中砷超标的人口数达1500多万[4]。因此，饮用水含砷量过高已经严重威胁广大人民的身体健康，成为人们关注的公共卫生问题。图1-2为我国高砷地下水分布图[2]。长期饮用砷污染地下水会造成皮肤癌、肺癌、膀胱癌、肾病、神经和心血管系统疾病等许多健康问题[5]。因此，砷污染地下水已经成为全球关注的问题，许多国家和地区已经将饮水标准中砷的最大允许浓度由50μg/L降低到10μg/L。为了更有效的去除地下水中的砷，许多新技术、新工艺孕育而生。地下水通常为还原环境，在

3、此条件下，经常出现Fe(II)、Mn(II)共同存在于地下水中，Fe(II)的存在能够促进砷在厌氧环境下转移到水中[6]，因此，铁、锰和砷常共存于地下水中[7]。我国许多城市具有这种典型的地下水水质，例如：汉川市地下水中Fe(II)的浓度为5.81mg/L、Mn(II)的浓度为0.60mg/L、As的浓度超过0.05mg/L[8]；呼和浩特地区地下水中Fe(II)的浓度为4.51mg/L、Mn(II)的浓度为0.97mg/L、As的浓度超过了0.05mg/L[9]。1.2自然水体中的砷砷是一种剧毒污

4、染物，在地下水中非常常见[12]。它在地壳中的丰度为第二十位，在海洋中的丰度为第十四位，在人体中的含量为第十二位[13]。砷虽然是人体必须的微量元素，但是长期的砷摄入会导致人体疾病，甚至死亡[14]。世界许多地区都存在着饮水砷污染问题，我国也发现许多饮水型地砷病病区或高砷区。世界卫生组织、欧盟、日本和美国等先后将饮用水中砷的最大允许浓度由50μg/L降低到10μg/L。我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006中也将砷浓度标准定为10μg/L。有机形式的砷主要存在食物中，对人

5、的毒性相对较小；然而，无机形式的砷主要存在于饮用水中，毒性巨大，对人的健康形成严重威胁[15]。砷广泛的分布在环境中，是地壳中的丰度第二十位的元素，在上层地壳中的总量约为4.011016kg，平均含量为6mg/kg。海水中砷的浓度在0.09μg/L和24μg/L之间；地表水中砷的浓度基本维持在0.15μg/L和0.45μg/L之间，最高浓度达到1mg/L；由于地热和矿物质析出的原因，地下水中砷浓度往往是地表水的300倍[16]。砷是245种矿物质的主要成分，在环境中砷主要和铜

6、、镍、铅、钴等其他金属组成硫化物矿物质。雌黄（As2S3），雄黄（AsS），毒砂（FeAsS），斜方砷铁矿（FeAs2），红砷镍矿（NiAs），辉钴矿（CoAsS），砷黝铜矿（Cu12As4S13），硫砷钢矿（Cu3AsS4）都是典型的含砷矿物质[17]。第2章试验材料与方法2.1试验装置本课题使用的试验装置包括2个生物滤池，分别命名为1#滤池和2#滤池，如图2-1所示。1#滤池的试验装置如图2-2所示，2#滤池试验装置与1#滤池相同只是原水的配制不同。试验滤池均为高2500mm，直径100mm的有

7、机玻璃柱，承托层卵石厚度为300mm，滤层厚度为1200mm，滤料为粒径为0.8～1.2mm的马山锰砂。在滤层底端开始每隔200mm设一个取砂样口(共6个)，每隔100mm设一个取水样口(共12个)。滤池试验前，滤层上层100mm接种水厂(哈尔滨松北水厂)滤池中的成熟锰砂。2.2试验原水水质试验模拟地下水水质采用人工配制的方法，铁、锰原水由去离子水与FeSO4•7H2O、MnSO4•H2O配制而成，As(III)原水由去离子水与NaAsO2配制而成，As(V)原水由去离子水与Na

8、H2AsO4配制而成，高浓度铁、锰原水和As(III)、As(V)原水经蠕动泵输送至混合器4与自来水按比例混合模拟含有Fe(II)、Mn(II)和As(III)和Fe(II)、Mn(II)和As(V)的地下水水质，该水质性质见表2-1。滤池进出水样及沿滤层深度方向不同高度处水样中铁、锰、砷的浓度采用ICP-OES（PerkinElmerOptima5300DV，美国）进行测定，取到水样首先经0.45μm水系滤膜过滤后，加硝酸酸化至pH<1，在每次测定前重新