哈尔滨市银水湾水质形成的机制及其处理

孙作达,藏 林,纪伟哲,戴月庭

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨 150090； 2.上海双场科技开发有限公司，上海 230000)

银水湾坐落在哈尔滨市松北区，通过4号泵站引松花江水自流进湾，于市政府附近的1号泵站排入松花江.该渠总长约6.5 km[1]，渠道底宽平均15 m，水面宽度平均31 m，水流量为7×104m3/d，流速为27 m/min，是松北区域雨水排放、工程降水、防洪排涝系统的组成部分，沿线为开放式湿地公园，兼具城市景观功能.

银水湾周边为城市建设核心区，该区域地下水水位较高，潜水水位埋深1～3 m[2]，工程降水直接排入银水湾.由哈尔滨工业大学环境学院实验中心出具的银水湾水质检测报告显示，在哈尔滨市松北区银水湾水体中铁锰含量极高(见表1)，排放后，二价铁离子(Fe2+)自然氧化为三价铁(Fe3+)，二价锰离子(Mn2+)氧化为四价锰离子(Mn4+)，导致银水湾支渠水体呈黄绿色.据哈尔滨市政府统计资料显示，工程降水量约达7.5×104t/d.

表1 哈尔滨工业大学环境学院实验中心出具的银水湾水质检测报告Table1 Yinshuiwan water quality test report issued by the Experimental Center of Environmental College of Harbin Institute of Technology

理论上，地下水中的铁、锰通过工程降水排入银水湾，会与氧气接触从而发生氧化反应，由于转化成可以沉淀的Fe(OH)3和MnO2，不会造成水体浑浊发黄，但是银水湾的水体并没有像理论上一样，水体仍然呈现黄绿浑浊和臭味.该现象在我国很多地方出现，有一定的代表性. 本文针对以上问题进行了如下分析.

1 银水湾水质形成机制

我国大多数地区地下水源的铁锰含量较高，当水中含铁量为0.5 mg/L时，色度可达30 FTU以上，达到1.0 mg/L时，不仅色度增加，而且会有明显的金属臭味[3].由于银水湾附近建筑工程降水排放到银水湾水体中导致水体为黄绿色.地下水中的铁和锰在水中多数以游离的Fe2+和Mn2+的形式存在，Fe2+为绿色，Fe3+为黄色.在水体表面Fe2+与空气接触，被氧化成为Fe3+，在水体pH=2时开始沉淀，pH=3.7时沉淀完全，沉淀的铁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，导致水底厌氧化.厌氧环境下微生物可以进行异化铁/锰的还原作用，使微生物以胞外不溶性铁泥为末端电子受体，通过电子供体耦联进行还原反应成Fe3+及Mn4+.反应步骤如下：在还原微生物的细胞内，有机物释放出的电子通过位于细胞质膜上的醌池传递给细胞色素，再通过周质空间中的功能性蛋白传递给细胞外膜上的各类金属还原酶.当还原微生物与Fe3+及Mn4+直接接触时，细胞外膜上金属还原酶将电子传递给它们，以此完成还原过程，最终导致Fe3+及Mn4+转化成Fe2+及Mn2+.除外膜金属还原酶外，还原微生物的“纳米导线”-菌毛同样能够介导电子传递.

化学反应式如下：

4Fe2++O2+10H2O→4Fe(OH)3↓+8H+

Mn2++O2+2H2O→MnO(OH)2+2H+

MnO(OH)2→MnO2↓+H2O

由此，Fe2+随着厌氧化的有机硫化物和氨气等气态污染物回到水体表层当中，使水体泛绿，空气中的氧气再次氧化成黄色的Fe3+形成氧化-还原-再氧化-再还原的动态平衡，这就是造成银水湾水体总是呈现黄绿色的原因.

2 传统水处理技术去除铁锰

2.1 混凝

传统去除原水中铁的方法有混凝法、化学沉淀法、锰砂过滤法、石灰碱化法、RO膜过滤法等.混凝、化学法需要投入水体中大量的化学试剂从而破坏环境，不是首选方法.由于银水湾的水体呈酸性，不适用于碱化法.RO膜过滤法不适用于大水量处理，不建议采用.

2.2 锰砂过滤法

锰砂过滤法又称铁锰过滤法，主要的工作原理是利用氧化还原法将水中低价铁离子和低价锰离子氧化成高价的铁离子和高价的锰离子，再经过吸附过滤去除，从而降低水中铁锰含量，其反应如下[4]：

2Mn2++O2+2H2O→2MnO2+ 4H+

4MnO2+3O2→2Mn2O7

Mn2O7+6Fe2++3H2O→2MnO2+6Fe3++6OH-

Fe3++3OH-→ Fe(OH)3↓

实验初步设计了一套500 t/h的锰砂处理工艺.锰砂粒度：1.0～2.0 mm; 填充高度：1 500 mm；运行滤速：8 m/h(除铁、锰)；反洗水强度：4～10 L/m2·s(一般选用25 m3/m2/H)；反洗时间：5～15 min；运行周期：8 h；出水要求(饮用水标准)：含铁量≤0.3 mg/L，含锰量≤0.1 mg/L，出水浊度<3 FTU.由于银水湾水体含铁、锰量较高，采用了二级串联设置.至少需要5 m直径3 m高过滤罐6只，三台占地面积最少为600 m2的建筑，水泵3台，反冲洗水泵一台.配套水泵Q=250 m3/h，H=30 m,P=45 kW,P总功率=135 kW.

不得不提的是：锰砂过滤法有占地面积大、基建投资高、两至三年需要更换锰砂滤料以及废弃滤料容易二次污染环境的缺点.

2.3 传统水处理技术带来的副作用

据分析报告和现场勘察显示，银水湾水体中含有氨氮、磷、COD等适于藻类增长的环境.但是银水湾水体表面却看不到藻类生长的迹象.这是因为水体中过高含量的铁、锰等阳离子抑制了藻类的繁殖.如果采用传统技术去除银水湾水体中的铁、锰等阳离子，就会使水中的溶解氧上升，反硝化细菌得到大量繁殖，这个过程中需要消耗大量的氨氮，将其转化成硝酸根，给藻类的生长提供大量的营养物质而导致水华的产生.值得注意的是，采用传统的除铁、除锰工艺，会引起藻类的爆发式生长与污染.

3 双场水处理装置

3.1 双场效应水处理去除铁锰的机理

“双场”是指高梯度磁场和高频电场.高梯度磁分离技术是美国著名的WOT水工业公司在20世纪70年代末研制成功的水处理技术.后经过哈尔滨工业大学给排水专家组按我国应用环境改造成为适合于我国应用的水处理工艺，并在1986年获得国家科技进步奖，1997年获得国家级重点新产品证书.该工艺具有灵活机动性强、占地面积小、效率高、处理速度快、适应性强、处理性能稳定等特点.特别是具有显著的去除水中顺磁性物质的功能.

高梯度磁场由轭铁(纯铁铁芯和纯铁外壳)、电磁线圈和装填不锈钢毛的分离腔道组成.通电时，电磁线圈产生磁场，通过钢毛产生巨大的磁场梯度差.理论上，颗粒物所受的磁力(Fm)同磁场强度(H)、磁场梯度(dH/dx)和颗粒物的磁化率(x)、体积(V)等呈对应关系.在磁场强度相同的情况下，梯度越高，分离能力越强，所产生的效应越强烈.

磁场高梯度是指单位距离内磁场强度的变化.在一定的磁场强度下，梯度的高低同基质的磁化强度、形状、直径、填装率等有关.纤维状钢毛基质磁化强度高，锐边多，直径小，填装率低(4%～6%)，梯度可高达1 000 G/μm.所以，采用钢毛基质的高梯度磁分离器可以分离一般磁分离器不能分离的磁化率低、体积小的弱磁性纳米颗粒物.此外，钢毛基质还具有物理和化学稳定性，磁滞矫顽力小，捕集点多，通过性能好的优点.

在水流过程中施加以垂直于水流方向的磁场和电场，使水在磁场和电场中停留约为0.1 s，当电场梯度为几十毫伏每厘米时，所产生的洛伦兹力能对一克离子做出几百焦耳的功，从而使水系统中抗磁性离子的水合作用减小，顺磁性离子水合作用增加.这种磁化会引起铁离子和锰离子发生“磁化凝聚”，在凝聚过程使铁离子和锰离子的胶体粒子增大，而增大的粒子更容易从溶液中分离出来.铁离子和锰离子都是典型的顺磁性物质，可以达到94%去除效率.

3.2 双场效应处理水中微生物的机理

众所周知，微生物细胞膜的基本支架主要是由磷脂双分子层所构成，而磷脂双分子层内充斥着电解质及带电粒子，当微生物受到电场磁场的复合作用时，细胞膜内各带电物质向电场方向发生移动，从而发生极化现象.微生物内各带电物质随着电磁场的作用方向、向细胞膜两侧发生移动，从而形成穿透膜电位差.随着穿透膜电位差的增大，细胞膜两侧产生异性离子的作用，细胞膜的两极就会变薄，其抗性也会随之降低.当其达到一定程度的时候细胞膜就会形成穿孔现象.穿孔所导致的破裂使得细胞膜的结构发生缺损、紊乱，细胞质液外流，最终导致细胞的死亡，以此达到杀菌灭藻的效果[5].

在高梯度磁场的作用下，细胞中的带电粒子和许多带金属活性中心基团的酶受到洛仑磁力的影响，胞内的电子、离子由于运动方向的变化而导致其无法正常进行传递过程，同时酶中的许多生物分子的三维结构发生了变化，因此细胞的正常活动也会发生一定的影响.

以上的生物作用都会导致藻菌的失活，双场技术在分离净化水中污染物的同时、具有高效的灭藻作用.这是其他传统工艺不能比拟的.

与其他传统水处理工艺相比，双场水处理技术在去除铁锰的基础上，可以同时达到灭藻的作用；可以抑制水华的出现.设备易移动，应用范围广；从水中分离出来的铁锰化合物，相对于传统水处理工艺纯度高，可为城市园林绿提供高铁、高锰的专用化肥，满足目前的可持续发展与绿色化学的要求.该工艺技术与常规的水处理工艺技术比较有如下一些优点：

1)具有广泛的适应性，适应各种原水指标，在原水指标发生较大变化时，可依据水质情况改变磁场强度即可达到高效的处理作用，而常规的水处理工艺则需要变化投药量、反应时间、处理流量等.

2)双场水处理技术占地面积只是常规水理处设备的1/20，因此可以节省大量的基建投资，而且应用灵活.

3)双场水处理技术的捕集效率是混凝沉淀水处理技术的几十倍，从进水到出水仅几秒钟.而常规水处理技术需要经过化学反应、混凝、沉淀、过滤等，一般需要数个小时才能出水.

4)双场水处理技术还具有其他任何水处理技术都不具备的保健作用.依据科学研究证实，经过磁分离处理技术可以改变水分子的结构，结构变化后的水分子具有增强人体机能的作用.

5)双场水处理技术具有很好的微生物抑制作用，特别是对水中的藻类具有显著的杀灭作用.

6)由于双场技术的特点，所分离出来的铁含量比较高，因此，双场装置反冲洗的高含铁泥可用于植物的营养培土.促进植物移植的成活率，补充植物的微量元素.

3.3 双场水处理的实验

为了确认双场水处理技术的效果，本文试制了一套处理500 t/h的双场装置，见图1.被处理的水首先经过自清洗汲水水泵和二级过滤器，去除水体的杂质，然后经提升泵进入电磁磁体作用空间，去除水体中的铁、锰离子.当运行达到饱和时，采用气泵和河水反冲洗，将磁体内的截留物质冲入反冲洗磁种回收池，上清液排入河中沉淀物为高含铁泥.高含铁泥可销售给园林部门用于高含铁培植土壤应用.整套设备占地40 m2，配套水泵Q=600 m3/h，H=12 m,P=37 kW,磁体P= 10 kW，总电功率47 kW.该实验装置处理前的水质分析报告见表1，处理后的水质结果见表2.

图1 双场水处理装置示意图Figure 1 Schematic diagram of double fields water treatment device

表2 处理后水质结果Table2 Water quality test results after treatment

4 结 论

引起银水湾水质发黄发臭的原因包括水质滞留时间过长，水中铁锰含量超标等诸多方面，针对这些问题我们利用双场装置对其进行了调查及理论分析.

1) 水中游离的Fe2+和Mn2+与水体空气接触氧化成为Fe3+和Mn4+，与水中的OH-结合后最终生成Fe(OH)3和MnO2沉淀，导致微生物无法正常代谢，水底溶氧量的下降导致厌氧微生物大量繁殖，从而进行异化铁/锰还原为Fe2+和Mn2+，以达到动态平衡.

2) 如果采用絮凝法或锰砂过滤法对水体中的铁锰进行去除，当铁锰去除后，水体缺少铁锰抑制藻类生长的因素，会引起藻类的爆发式生长，导致水华的产生.

3) 与其他两种方法相比，双场效应技术在去除铁锰的基础上，还可以达到杀菌灭藻的效果，不会导致藻类的爆发式生长的现象，沉淀析出的铁锰化合物可以给周围树木提供肥料，满足目前的可持续发展与绿色化学的要求.