净水技术|自养型锰氧化菌生物滤层的构建及其除锰效果
小编导读
来自青岛理工大学环境与市政工程学院的李金成副教授课题组根据自养菌的营养特点，从菌种的培养及营养条件的控制入手，构建了自养型生物除锰滤层。分别在添加和不添加氨氮营养的条件下进行了滤层启动实验试验，并对培养成熟的自养型除锰滤层的处理效果进行了影响因素的研究。机理分析表明，自养型除锰滤层的除锰效果源于锰氧化菌的酶促催化作用，因此具有较高的稳定性。
地下水是生产和生活用水的主要来源之一，我国地下水每年开采量占全国城市总用水量的30%左右。但地下水中常含有过量浓度的铁和锰，影响了地下水的应用。自上世纪60年代20世纪60年代以来，针对地下水除锰，研究人员相继提出了“接触氧化除锰”和“生物固锰除锰”等技术，其中生物除锰技术已越来越得到认同，并广泛应用于生产实践，如张杰等在黑龙江多个水厂的应用实践，均取得了良好的效果。
生物除锰主要是利用锰氧化菌的催化作用将溶解态Mn2+氧化转化成不溶于水Mn4+，然后通过沉淀或过滤达到去除目的。自然界中锰氧化菌的营养类型一般可分为自养型、异养型和兼养型三种类型。在除锰滤层的接种和启动培养过程中，所采用的培养液中常含有一定量的有机成分，使培养成熟的除锰生物滤层中的锰氧化菌更趋向于异氧菌占优势，而后续的实际运行过程中，地下水又多呈现贫营养状态，这就可能导致已经占据优势的除锰菌群由于无法适应贫营养的环境，而造成生物除锰系统运行的不稳定。
本研究在以往研究的基础上，根据地下水除锰运行环境更适合于自养型锰氧化菌生长的特点，从菌种的筛选及培养条件的控制入手，构建了自养型生物除锰滤层，并对滤层除锰效果的影响因素进行了研究，以期为实际生产中快速构建具有稳定除锰性能的生物滤层提供依据。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
（1）试验用水
试验中原水采用自来水进行人工配制，自来水在使用前需进行曝气和投加亚硫酸钠来去除自来水中的余氯，用硫酸亚铁和硫酸锰调节水中Fe2+和Mn2+的浓度。试验原水水质如表1所示。
表1 试验原水水质表
2）试验装置
试验装置如图1所示，生物接触滤层一般采用700~1000mm，本试验在实验室的规模下，采用了两个结构相同的1#和2#滤柱。滤柱高为1200mm，内径为32mm，底部填充100mm高、4~8mm粒径的石英砂承托层，上部为700mm高的、1~2mm粒径的石英砂滤料,，顶部进水口至水面设25cm跌水高度。滤柱的侧壁间隔100mm共设5个取样口。水箱体积为70L，PE材质。含锰原水根据试验中对原水锰浓度的要求，用分析纯硫酸锰在水箱中进行配制，然后通过蠕动泵提升到滤柱顶部，氨氮等营养投加在蠕动泵后的管道中。反冲洗水采用滤后水，用蠕动泵从滤柱底端打入，从顶部溢流口排出。
图1. 试验装置示意图
1.2 试验方法
（1）自养型锰氧化菌的培养及驯化
试验菌种取自青岛某污水处理厂硝化区的活性污泥。预处理方法为：取20mL污泥混合液，加入到含有100mL NaCl（0.8%）溶液的锥形瓶中，加数粒玻璃珠，置于180转r/min摇床震荡10min，沉淀后取上部悬浊液20mL进行离心分离，用含NaCl（0.8%）的蒸馏水冲洗2遍，再离心分离后配制成100mL原始菌液。
取10mL上述菌液接种到含有100mL经高温灭菌后的JFM液体培养基中，培养基成分如表2所示，培养液中的锰浓度为10mg/L。置于25℃、150r/min恒温摇床上培养，监测培养液中的锰浓度和pH，5d为一个周期，每个周期后离心分离，并重新加入新鲜的培养基进行培养。经过6个周期的培养，锰去除率可达到90%，即认为筛选得到自养型高效锰氧化菌，扩增后作为接种菌种使用。
表2 JFM液体培养基成份
（2）自养型除锰滤层的接种
将上述培养驯化得到的高效自养除锰菌液150mL接种至滤柱，同时补充配制的含锰水，使滤柱中滤料完全浸没在菌液中，浸泡12h之后采用2m/h的滤速进行内循环，5d为一个循环周期，一周期结束后对循环液进行更换，连续循环运行4个周期，当循环液中锰去除率达到90%即完成接种。这时通入含锰原水进行自然启动。
（3）自养型除锰滤层的影响因素
试验对滤速、进水锰浓度和氨氮投加浓度3个典型的因素进行了单因素影响试验。其中滤速控制为2~16m/h，锰浓度控制在1~5mg/L之间，氨氮投加量为0~3mg/L之间，每个试验只改变一个影响因素，并使滤柱出水锰浓度稳定一段时间。试验的基本参数为：过滤速度为8m/h，Fe2+浓度为0.15mg/L之间，溶解氧在8~10mg/L之间,，反冲洗强度为6.5L/（(s·.m2）)，时间为5min，周期为10d。
1.3 检测方法
pH：玻璃电极法；
Fe2+：呤菲罗啉分光光度法；
Mn2+：高碘酸钾氧化光度法；
氨氮：纳氏试剂比色法；
DO：便携式溶解氧仪法。
2 试验结果及分析
2.1 自养型除锰滤层的构建及启动
地下水处于贫营养环境，通常不含有机碳及氮磷等营养成分，因此更适合于自养型锰氧化菌的生长和繁殖。针对地下水的水质特点，在对滤层进行接种后，可按自养菌的营养要求补充无机碳源或氨氮，以构建以自养型锰氧化菌为优势菌群的生物除锰滤层。为考察自养型除锰滤层启动过程中氮营养对滤层成熟的影响，启动过程采用了两个滤柱，在1#滤柱的循环培养液中，只添加1.0 mg/L的二价锰离子和4 mg/L的碳酸氢钠（无机碳源），而在2#滤柱的循环培养液中，除与1#滤柱相同外，还添加了0.35 mg/L（以N计）的(NH4)2SO4作为氮源营养。两个滤柱反冲洗强度均为6.5 L/(s·m2)，反冲洗周期为10 d，启动过程中锰浓度的变化如图2和图3所示。
由图2可知，1#滤柱在开始的15 d内，出现了出水锰浓度高于进水锰浓度的现象。这可能是由于循环液对滤层的淋滤作用使滤层中已经吸附的锰离子溶出。随着培养时间的增加，出水锰浓度逐渐减低。到55 d，滤柱的出水锰浓度降至0.32 mg/L，仍高于生活饮用水标准。到70 d，出水锰浓度才低于0.1 mg/L，滤柱完成启动。而2#滤柱虽然也出现了出水锰小幅增高的现象，但稳定性要高于1#滤层，并且从第15 d开始到第35 d，出水锰浓度快速降低，35 d时，出水锰含量已低于生活饮用水标准，并且保持稳定。观察发现2#滤层石英砂表面形成的黑色的活性滤膜较1#滤柱颜色较深，并且形成时间较快。
以上的结果表明，在以自养型锰氧化菌为主的除锰滤层启动时，添加少量氨氮营养可以促进自养型除锰菌的快速增长，缩短自养型除锰滤层的启动周期。这个结果与Kenneth L.Temple等用自养铁细菌除铁时的结果相吻合，本试验滤层中培养的锰氧化菌从生理特性上与铁细菌极其相似，因此在对营养的需求上也较为一致，这表明无机碳源和少量的氮源是构建自养型除锰滤层的营养基础。
2.2 滤速的影响
滤速反映了生物除锰滤层的接触时间，生物除锰过程通常包括锰离子在锰氧化菌表面的吸附及催化氧化反应等过程，因此需要相应的反应时间。本试验滤速从2 m/h开始，以2 m/h的间隔递增，研究了滤速对成熟后自养型除锰滤层除锰效果的影响，结果如图4所示。
由图4可知，每次滤速增加后，出水锰浓度会随之产生波动，但滤速低于12 m/h时，出水锰浓度一直保持相对的稳定。表明成熟的自养型除锰滤层具有很强的抗冲击能力。当滤速提升至16 m/h时，出水锰浓度出现了快速增加，虽然稳定后锰浓度有所下降，但仍维持在0.22 mg/L左右，超出了饮用水卫生质量标准。因此在本试验条件下，16 m/h的滤速是生物除锰滤层的上限滤速。过高的滤速使锰离子与生物的接触时间无法满足吸附和氧化反应的需要，导致出水锰离子出现超标。由图4的试验结果可以观察到，当滤速从16 m/h逐渐降低时，出水锰浓度也会随之降低，并最终回到标准以下，这个结果表明，短期的超负荷运行不会影响自养型除锰滤层的除锰效果。
2.3 进水锰浓度的影响
地下水中锰浓度一般不超过5 mg/L，多在1~2 mg/L左右，本试验调节进水锰浓度分别为1.5、2.6、3.4 mg/L和4.8 mg/L，对进水锰浓度对除锰效果的影响进行了试验，结果如图5所示。由图5可知，当进水锰浓度小于3.4 mg/L时，出水锰浓度波动不大，能稳定达到饮用水标准，而当锰浓度提升至4.8 mg/L时，出水锰浓度则升高到3.2 mg/L以上，并不再有下降的趋势。
生物除锰的机理主要是源于锰氧化菌中酶的催化作用，因此从酶促反应动力学的角度来看，在初始锰浓度较高时，锰的氧化去除速率与锰浓度呈零级反应关系。同时锰氧化去除速率与微生物浓度（酶浓度）呈一级反应关系，即当锰氧化菌数量一定时，除锰速率也会相对稳定。此时对锰存在一个去除的极限值，当进水锰浓度低于此值时，出水锰浓度相对稳定，而高于此值时，除锰速率就无法满足锰离子的完全氧化，表现为生物除锰滤层的出水中锰浓度就会快速升高。由图5可知，3.4 mg/L是本试验滤层的除锰极限值，要想使除锰能力提高，必须增加滤层中的锰氧化菌的浓度。
2.4 氨氮浓度对除锰效果的影响
由启动过程可知，适量的氨氮营养投加可以促进除锰滤层的成熟过程，但氨氮的存在会促进硝化菌的生长繁殖。资料显示，硝化菌并没有除锰的效果，而且硝化菌对氧气的消耗会优先于锰氧化菌，导致水中氧气含量不足，对除锰产生抑制。图6为不同氨氮浓度对锰去除效果的影响。
由图6可知，对培养成熟的自养型生物除锰滤层，当进水中不含氨氮时，出水锰浓度的波动较大，滤层的除锰效果无法满足饮用水标准的要求。这表明锰氧化菌的活性受到影响，催化氧化过程受到抑制。而当氨氮浓度保持在0.5~1.0 mg/L（以N计）时，滤层出水锰浓度均达到痕量，并且处理效果也趋于稳定。继续增加氨氮浓度到大于1.5 mg/L时，出水锰浓度又开始出现上升；当氨氮浓度为3.0 mg/L时，滤柱出水除锰效果下降为20%，几乎没有除锰效果。表明，高氨氮浓度会导致自养型硝化菌的生长，抑制了自养型锰氧化菌的活性，同时硝化菌优先利用水中的氧气，也使锰氧化的过程受阻。这与Gouzinis A等的试验结果是一致的。因此实际运行过程中应根据原水水质情况补充微量氨氮，并使其浓度小于1 mg/L，以保持自养型生物除锰滤层的运行稳定性。
3 讨论
目前由于对锰氧化菌纯种分离及培养的研究还十分有限，因此对锰氧化菌群在除锰过程中的生理机制仍不完全清楚。资料显示锰氧化菌多数属于铁细菌，其对锰的氧化能力通常需要微量的亚铁离子进行促发，并且目前已知的从水环境中获取的典型锰氧化菌如嘉利翁氏菌属（Gallionella sp）、赭色纤发菌属（Leptothrix ochracea）、生盘纤发菌属（Leptothrix diacophora）、鞘铁菌属（Siderocapscaeae）和多芽孢泉发菌属（Crenothrix polyspora），这些菌的培养都需要有机物浓度维持在极低的水平，虽然还无法从生物学上证实这些菌是严格的自养菌，但大量的数据表明这些锰氧化菌更接近于自养菌的生存条件。同时，自然界中也存在大量的异养菌具有锰氧化的能力，但与自养型锰氧化菌相比，两者可能存在不同的氧化机理。
现有的细菌对锰的氧化机理主要有两种，一是锰氧化菌通过对二价锰的氧化来获取增长的能量，这多为胞内的酶促反应；二是锰氧化菌借助锰的氧化以抵抗代谢产生的H2O2或O2-对菌体造成的毒性，这通常在胞外分泌物中进行。研究显示自养型锰氧化菌更多是通过机理一来完成的，而异氧型锰氧化菌则有可能是机理二的作用。
由于自养型锰氧化菌对锰的氧化通常是酶促反应，因此形成的除锰滤层具有以下的特点：（1）锰的氧化速率与锰氧化菌的数量成一级反应关系；（2）锰氧化菌的分布对除锰效果具有很大影响；（3）除锰效果受锰氧化菌增长的生理要素影响，如是否含有亚铁、无机碳源浓度、氨氮浓度等；（4）除锰滤层去除的原水锰极限浓度会随着锰氧化菌数量的增加而提高。本研究中自养型生物除锰滤层的实际运行结果与上述特点完全吻合，进一步表明自养型除锰滤层的除锰机理符合酶催化过程，以此机理构建的生物除锰滤层可以根据生物催化反应特点进行运行和控制，有利于缩短滤层的启动时间和稳定除锰效果。
而异养型锰氧化菌进行锰氧化时，锰的去除效果会取决与锰氧化菌产生H2O2或O2-等毒性产物的环境条件，如有机物浓度、pH以及形成的高价锰氧化物沉淀对锰离子的吸附作用等。由于影响毒性产物产生的因素和产生的机理都十分复杂，很多条件还不清晰，因此以异养型锰氧化为主的除锰滤层更易造成除锰效果的不稳定，并且难于得到有效的运行控制参数，这可能是某些除锰滤层实际中经常出现波动的主要原因。
由以上讨论可以得出，对生物除锰滤层，如果从菌种的筛选及培养阶段即按照地下水贫营养特性进行自养型锰氧化菌群的构建，可以缩短启动周期，并使生物除锰滤层的稳定性得到有效提高。
4 结论
（1）由于地下水是贫营养环境，采用自养型锰氧化菌构建生物除锰滤层，有利于除锰效果的稳定和运行管理，并且接种来源广泛，启动快速。
（2）滤柱启动过程中，在满足无机碳源的条件下，投加0.35 mg/L（以N计）的氨氮营养可以促进自养菌的生长，缩短生物除锰滤柱的成熟期。但投加过高的氨氮则又会争夺生物滤柱除锰所需的溶解氧，影响滤料表面生物膜的传质作用，导致除锰效果变差。
（3）本试验条件下，成熟的自养型生物除锰滤柱需控制滤速在8~1 2m/h、进水锰浓度在3.4 mg/L以下、、进水中氨氮浓度在0.5~1.0 mg/L时，出水可以达到饮用水水质标准。
（4）自养型除锰滤层的除锰机理多为酶促反应条件下，菌体通过锰的氧化获取能量，因此形成的除锰滤层对锰的去除与锰氧化菌的生长具有更紧密的联系，滤层的除锰稳定性较高。
推荐参考
李金成, 侯荷霞, 张晓, 等. 自养型锰氧化菌生物滤层的构建及其除锰效果[J]. 净水技术, 2017, 36(10):35-39，45.
Li Jincheng, Hou Hexia, Zhang Xiao, et al. Construction of bio-filtering layer with autotrophic manganese oxide bacteria and the effect of manganese removal[J]. Water Purification Technology, 2017, 36(10):35-39,45.
会
议
预
告
第二届中国水行业科研创新与应用发展论坛暨《净水技术》2017年学术年会
2017·12 中国上海
（向上滑动启阅）
第二届中国水行业科研创新与应用发展论坛暨《净水技术》2017年学术年会
伴随着我国水务事业的高速蓬勃发展，活跃于各领域、各层面的研发机构对理论创新和应用创新起到了至关重要的先导作用。作为所在企业和行业的技术推动引擎，研发机构既能够敏锐察觉到行业发展的最新方向，又能对行业的技术革新起到切实的引领作用。然而，机制体制的限制、创新环境的不成熟，以及研发机构相互间的信息共享和跨界合作较少，研发机构的技术引擎推动作用仍较为有限，横向的合作交流氛围尚未形成。
作为始终关注于我国水行业科技应用创新的科技核心期刊，《净水技术》杂志社在中国城镇供水排水协会科技委、给水委，及住建部给排水专业高指委的指导下，与国内多家国家级或地方水司研发中心形成合力，共同主办本论坛，以创新引领行业进步为宗旨，开展水行业跨界互动，充分交流我国水行业最新科技研究成果和应用前景，并共同探讨研发机构作为技术引擎的发展之路。论坛以院士主旨报告、研发中心头脑风暴、最新科研成果技术报告、应用创新案例考察等形式组织，论坛期间将召开2017《净水技术》杂志社编委会会议，“夜话研发”研发中心高校人才发展座谈会，进行“同臣环保杯”第二届《净水技术》优秀论文奖颁奖仪式，及《净水技术》高校优秀论文奖学金评审委员会专家受聘仪式。欢迎广大水行业研发人员、技术人员、工程人员、创新企业，及有志于投身研发行业的高校师生积极参与。
一、论坛组织
指 导：中国城镇供水排水协会科学技术委员会、中国土木工程学会水工业分会给水委员会、住房和城乡建设部高等学校给排水科学与工程学科专业指导委员会
主 办：上海《净水技术》杂志社
合作主办：城市水资源开发利用（南方）国家工程研究中心、国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所（尚在沟通）、国家环境保护膜分离工程技术中心、上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司研究院、城市污染控制国家工程研究中心、深圳水务集团科技研发中心、北京排水集团科技研发中心、哈尔滨供水集团科技研发中心（排名不分先后）
二、论坛内容（暂定）
1、院士主旨报告
曲久辉院士
侯立安院士
2、“水研者”论坛
· 各研发中心最新科技研发成果和创新应用成果
· 研发中心主任共话研发中心的技术引擎作用
3、创新应用技术论坛
· 湖泊水库管理和水源地水质保障
·高品质供水的综合管理保障技术
· 高标准污水污泥处理处置新应用
· 海绵城市黑臭水体创新应用实践
4、参观考察
5、“夜话研发”研发中心高校人才发展座谈会
· 研发中心分享职业发展规划与人才招聘的需求和标准
三、论坛详细议程（暂定）
日期
时间
内容
12月8日
全天
会议报到
12月9日
上午
开幕致辞
院士主旨报告
优秀论文奖颁奖
高校奖学金专家受聘
下午
“水研者”论坛
研发中心成果交流
晚上
欢迎晚宴
12月10日
上午
创新应用技术论坛
下午
创新应用技术论坛
晚上
“夜话研发”研发中心高校人才发展座谈会
12月11日
上午
参观考察
四、论坛时间与地点
1、论坛时间安排：12月8-11日（8日全天报道，9-10日会议，11日参观）
2、论坛地点：上海
五、创新应用论文征集
1、征文内容：有关年会主要议题（包括湖泊水源、高品质直饮水、高标准污水污泥处理处置、海绵城市、黑臭水体）的创新研究成果和创新应用经验（近年已公开发表的论文也可）。年会将组织专家对论文进行筛选，入选论文将收录至年会论文集，并邀请部分优秀论文作者在大会作报告交流；优秀论文可按期刊要求推荐至相关期刊发表。
入选论文第一作者参会会务费可享受优惠标准。
2、征文截止时间：2017年11月27日
3、征文要求：一般在6000字内。要求内容充实、数据准确、文字通顺、撰写规范。论文基本内容：论文题目、署名、作者单位全称、摘要、关键词、引言、正文、结语、参考文献、基金项目、作者简介（50字以内）与联系方式（邮箱、电话）；已公开发表的文章请标注稿件来源（《XX》期刊/论文集X年第X期起止页码）。
4、论文格式：采用A4幅面word文档，通栏版式，图文混排；论文题目为2或3号字，字体自选；署名、作者单位全称为小4号字，仿宋体；摘要、关键词为5号字，楷体；引言、正文、结语、参考文献、基金项目、稿件来源为5号字，宋体；作者简介与联系方式为小5号字，宋体；论文请加注页码。
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