（市政工程专业论文）沸石—陶粒曝气生物滤池处理微污染水源水的试验研究.pdf

摘要 目前，世界范围内的饮用水源水普遍受到了污染，常规工艺不但去除水中的 溶解有机物效率低，而且，氯化过程本身还导致了水中对身体健康危害更大的有 机卤化物的形成。因此，寻求一种高效、实用、经济的水处理方法具有十分重要 的现实意义。水处理生物技术是一种经济有效且毒理学安全的水处理技术，曝气 生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，简称b a f ) 生物处理工艺具有体积小、 容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、历需基建投资少、处理出水水质好 等特点，应用潜力很大。 本研究通过模型试验，深入探讨了沸石一陶粒曝气生物滤池对微污染水中有 机物、氨氮、u v ：。浊度等的去除效果以及沸石吸附预处理+ b a f 组合工艺的去 除效果；考察了水力停留时间、填料高度、气水比、水温、反冲洗、滤池关闭等 因素对曝气生物滤池工艺处理效果的影响：而且考察了b a f 各影响因素的影响程 度。试验结果表明：沸石一陶粒b a f 能有效去除微污染水中有机物、氨氮、u v 2 5 4 、 浊度等污染物。在水力停留时间为3 0 m i n ，气水比为1 ：1 ，水温为1 7 2 6 。c 时， c o d 。，n h - n ，u v 。浊度平均去除率分别为3 2 6 5 ，9 5 5 7 ，9 7 3 9 6 ，7 3 5 。 水力停留时间在一定的范围内不会影响沸石一陶粒b a f 的处理效果；填料高度和 水温的增加可以改善沸石一陶粒b a f 的处理效果；沸石一陶粒b a f 抗冲击负荷的 能力强：反冲洗和较长时间的滤池关闭对曝气生物滤池的影响小：曝气生物滤池 比较适合采用的气水比为1 。 关键词：曝气生物滤池；沸石；陶粒；微污染水；去除；生物膜； s t u d yo ut r e a t m e n to fm i c r o p o l l u t e ds o u r c ew a t e rb y z e o l i t e - - c e r a m i c sb i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r a b s t r a c t ：p r e s e n t l y ，s o u t c c sw a t e ri nt h ew o r l d h a v eb e e n i n gw i d e l yp o l l u t e d t h er e m o v a lr a t eo fr e s o l v a b l e o r g a n i c s i n m i c r o p o l l u t e d s o u r c ew a t e rb y c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tm e t h o di sr a t h e rl o w , a n dc h l o r i n a t i o nc a nf o r mo r g a n i c h a l i d ew h i c hw i l ld oh a r mt op e r s o n t e s t ss h o wt h eb i o l c l g i ct r e a t m e n tt e c h n o l o g y i s n te c o n o m i c a la n de f f e c t i v e ，b u ta l s oi ss e c u r i t yi nt o x i c o l o g y b i o l o g i c a la e r a t e d f i l t e r ( b a f ) b i o l o g i ct e c h n o l o g yt r e a t i n gm i c r o p o l l u t e d s o u r c ew a t e rh a ss m a l l v o l u m e ，h i n g d i m e n s i o n l o a d ，s h o r t h y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m e ( h g t ) ，h i 曲t r e a t m e n t e f f i c i e n c ya n de f f l u e n tw a t e rq u a l i t y , l o wi n v e s t m e n ta n dr u n n i n gc o s te t c a p p l i c a t i o n p o t e n t i a lo f b a f i no u tc o u n t r yi sv e r yw i d e f u r t h e rs t u d yh a sb e e nc o n d u c t e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fz c b a f r e m o v i n go r g a n i cm a t t e r s ，a 勉：n 、u v 2 5 4 、t u r b i d i t yi nb a ra n d t h eb u i l t - u pp r o c e s s w i t hz e o l i t ea d s o r p t i o na n db a fb yp i l o t p l a n te x p e r i m e n t s f l i r t h e r m o r e s e v e r a l f a c t o r sc o n s i d e r e da f f e c t i n gz c b a fp r o c s sh a v eb e e ne x a m i n e dw h i c ha r eh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( a r t ) 、m e d i ah e i g h to fb a r 、w a t e rt e m p e r a t u r e 、t h ea i r w a t e r r a t i o 、b a c k w a s ha n ds h u td o w no f b a f t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c e o ft h em i c r o - p o l l u t a n t ss o u r c ew a t e rw i t hz c b a fi se x c e l l e n t , t h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo fc o d m n 、n i - h + - n 、u v 2 5 4a n dt u r b i d i t yi s3 2 6 5 、9 5 5 7 、9 7 3 a n d 7 3 5 r e s p e c t i v e l ya tt h eh r t o f3 0m i n a i r w a t e rr a t i oo f1 ：1 ，w a t e rt e m p e r a t eo f 1 7 ，2 6 t h ea i r w a t e rr a t i oa n dh r th a v es o m ee f f e c to i lt h er e m o v a lo fp o l l u t a n t s a p p r o p r i a t eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ef r e t ) h a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ee f f e c t o f z c b a f ；t h ei n c r e a s eo fm e d i ah e i g h to fz c b a fa n dw a t e rt e m p e r a t u r ec a l li m p r o v e t h er e m o v a le f r e e to fz c b a f ；z c b a fh a sh i 曲c a p a c i t yf o rs h o c kl o a d ；a n ds h o r t h r t b a c k w a s ha n ds h u td o w nf o ral o n gt i m eo fb a fh a sl i t t l ei m p a c to nt h e r e m o r a le f f e c to f z c b a f ：a p p r o p r i a t ea i r w a t e rr a t i oo f z c b a fi sl ：1 l i uj i n x i a n g ( m u n i c i p a l e n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yj i n s h e n gl o u k e yw o r d s ：b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r ( b a f ) ； z e o l i t e ；c e r a m i c s ； m i c r o p o l l u t e ds o u r c ew a t e r ；r e m o v a l ；b i o f i t m 、 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：年月 日 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储獬郴名锄繇磐啦嗍赫 2 f 第1 章绪论 1 1 地表水环境污染现状 随着工业化的发展和人类物质生活水平的提高，水环境的污染已是当今世界 范围内普遍存在的问题，特别是水源的有机物污染和氨氮的超标。法国的塞那河、 瓦滋河和马思河都不同程度受到工业和城市污水以及农业污染，它们的总有机碳 均在5m g l 以上，氨氮含量在0 3 o 8m g l 之间。三氯甲烷、四氯化碳等微 量有机物含量较高，超过了饮用水标准。德国的慕尼黑水厂以鲁尔河为水源，水 厂的进水d o c 达3 6 5 m g l ，n h 。l n 为4 6 m g l 。英国苏格兰北部的c a l d e r 地 区的c l y d e 河也受到了污染，水质监测结果b o d s 达到1 2 5 m g l ，n h 。+ - n 为3 0 2 m g l ， 据1 9 8 9 年的报告报道，美国3 7 个州的地表水源水中各类化学物质的浓度不断上 升，1 9 个州约1 0 4 6 0 k m 长的河流遭受到有毒化学物质的严重污染。 据2 0 0 1 年中国环境公报表明：我国的七大水系、湖泊、水库和近海均受到 了不同程度的污染。七大水系中，长江干流污染较轻，监测的河段中，6 7 7 的 河段为三类和优于三类，主要污染物指标为高锰酸盐指数。黄河面临污染和断流 的双层压力，监测的河段中，6 7 7 的河段为四类水质，主要污染物指标为氨氮、 挥发酚、高锰酸盐指数和生化需氧量。珠江干流水质尚可。淮河干流水质以三类、 四类为主，支流污染严重，一级支流有5 2 的河段超五类水质，二、三级支流 有7 1 的河段超五类水质。海滦河、大辽河及松花江的水质污染严重，主要污 染指标为高锰酸盐指数、氨氮和生化需氧量。1 。 湖泊、水库突出的环境问题是严重富营养化和好氧有机物，公报指出大淡水 湖泊和城市湖泊均为中度污染，主要污染物指标为总氮、总磷、高锰酸盐指数和 生化需氧量。如无锡主要城市水源梅梁湖1 9 9 2 年全湖年平均达到类水质，其 中t p o 1 m g l ，b o d ；4 2 m g l ，t n 3 2 4 m g l 。水库污染相对较轻，大型水库主要污 染物指标为总磷、总氮和挥发酚。 地下水总体质量较好，但多数城市地下水仍受到定程度的点源和面源污 染，使一些指标在局部地段超标。主要指标有矿化度、总硬度、硫酸盐、硝酸盐、 亚硝酸盐、氨氮、氯化物等。 由此可见，目前我国水域普遍受到不同程度的污染，除个别水系支流和部分 内陆河外，总体上仍呈加重趋势，7 8 的城市河段不适宜做饮用水水源，尤其工 业较发达城镇附近水域污染突出。污染型缺水城市的数量呈上升趋势f 3 i 。目前水 污染主要呈现如下特点：城市水污染状况无根本性改善，农村水污染状况迅速恶 化，面源污染异军突起，饮用水源破坏严重，社会问题浮出水面，水资源缺乏 和水域污染已成为我国经济与社会发展的制约因素。 1 2 我国部分城市饮用水水质现状 近几年来，伴随我国工农业生产的迅速发展，各类水体中的有机污染日趋严 重，已对人民的生活和健康构成了潜在的威胁。我国作为饮用水水源的地表水主 要为河流、湖泊和水库。许多地方的地表饮用水水源长期为i i i i v 类水体。椐 报道，我国主要城市饮用水源中，上海检测出有机物7 0 0 多种，天津检测出2 0 0 多种，就连水质较好的北京也检测出5 0 多种有机物。尽管传统饮用水处理工艺 在保证饮用水质方面起到重要作用，但它不能有效地去除水源水中微量可溶性有 机污染物，并且其氯化消毒工艺过程还可能产生许多卤代有机物，其中有许多为 致癌、致畸、致基因突变的物质。根据最近对我国4 6 座主要城市的资料表明： 我国饮用水的水质状况难尽如人意，现将几项指标列于表卜l 。 表1 _ 1我国4 6 个主要城市饮用水水质与水质标准比较 检测项目 平均值 国家标准 优质水标准 浊度n t u2 9 6小于3 0小于0 0 5 铁( 日g l ) o z l小于n3小于0 d 5 锰( m g l ) o 0 7 小于0 1小于0 0 5 p h73 4 6 、5 - 857 5 q - 80 0 细菌总数( 个吨) 8 4 5 2 小于1 0 0小于l0 0 大肠杆菌( 个l ) 4 1 5 小于3 0小于3 ，g o 致病菌 0 亚硝酸盐( m g l ) 0 1 2 小于0 1小于00 0 1 氯仿( u 2 儿)3 9 z 4小于6 0小于lo o a m e s $ 高锰酸钾指数 5 4 2 小于5 o小于z0 0 出厂水余氯( r a g l ) 0 0 l 大于0o s 四氯化炭( u g l ) 28 3 小于3 0小于10 0 2 注：1 ) 为用水点处统计与买测处理后结果； 2 ) $ 表示未捡铡或未作具体规定； 3 ) 未检测，但有关资料表明我国自来水多数为a m e s 阳性； 4 ) 重点城市实测值； 5 ) 优质水标准是参照多方资料综合而得出的。 从表卜1 可以看出，我国的饮用水水质在许多方面，特别在卤代物、亚硝酸 盐、高锰酸钾指数等三致物质的去除方面，不能达到国家饮用水标准，更达不到 优质水标准f 5 1 。 1 3 微污染水源水的性质、危害与污染原因 1 3 1 微污染水的性质与危害 “微污染”是中国近十多年来才出现的给水处理术语，“微污染水”也是 个没有严格含义的术语。西方的微污染水处理的中心问题是去除可同化有机碳 ( a o c ) 和氨氮为主的微污染物，以获得饮用水的生物稳定性。中国的微污染水 源，其污染物浓度远远比西方“微污染物”的浓度高得多，就中国近几年有关微 污染水处理研究文献中的水质来看，微污染水中c o d 。平均为l o m g l 左右，氨氮 平均为3 3 1 m g l “1 。这些微污染物的性质和危害归纳如下： 1 有机物：水源水中存在的有机物种类繁多，危害极大。据世界卫生组织统 计：世界上的疾病，8 0 以上与水有关；在每年死亡的1 8 0 0 万个儿童中，5 0 的死因与饮用水水质不良有关”1 。在世界各国的水体中已经监测到2 2 2 1 种有机 化合物，饮用水中7 6 5 种，其中1 1 7 种被认为或被怀疑为致癌物鼢。水中有机物 的存在，不仅增加了给水处理的困难，而且对公众的健康有较大的危害，其问题 主要表现如下：( 1 ) 水中的有机物对胶体具有保护作用，提高了胶体的稳定性， 为保证出水水质，需要投加过量的混凝剂和加氯，增加水处理成本。( 2 ) 不少有 机污染物对人体有急性或慢性、直接或间接的毒害作用，其中包括致癌、致畸、 致突变作用p 1 4 1 。许多国家水质检测报告证实：受污染的原水经水厂加氯消毒后， 出厂水中氯仿等三卤甲烷类( t i i m s ) 可疑致癌物含量常达原水中含量的三四十倍 之多，其原因主要是原水中的腐殖酸、富里酸等三卤甲烷的先质( p r e c u r s o r ) 可在净水氯化过程中形成三卤甲烷 ”_ 8 1 。1 9 7 6 年，美国国家癌症研究所 ( u s n c i ) 发表了对大鼠和小鼠连续喂饲高剂量氯仿会诱发肝癌或肾上皮出现 3 癌细胞的实验研究报告。国内外一些回顾性流行病学调查研究，发现饮用水水质 情况与人类肝癌、食道癌和胃癌等发病率呈正相关1 9 m 。( 3 ) 出水中的有机物 为配水管网中的细菌提供了生长所需的营养物质，使管壁上形成生物膜，水中细 菌总数增加，并增加管壁能耗。 2 氮：水源水中的氮以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸赫形式存在。地表水中 氨氮来源于工业废水、生活污水及农田土壤中的铵离子。到目前为止，还没有看 到过饮用水中氨氮对人体健康直接造成危害的报道，但由于氨是自养菌繁殖的电 子供体，在处理厂和配水系统中，氨氮浓度达到0 2 5m g l 就足以使硝化菌生长， 而由硝化菌和氨释放出来的有机物会造成嗅味问题【2 1 2 2 1 。氨形成氯胺也要消耗 大量的氯，降低消毒效率，而且，大量的氯气与饮用水中氨氮反应会散发出令人 厌恶的嗅和味。硝酸盐和亚硝酸盐浓度高的饮用水可能对人体造成两种危害，即 诱发正铁血红脘症和产生致癌的亚硝氨【2 3 ，这两种危害都是亚硝酸盐直接造成 的。 3 铁、锰：含铁、锰较高的饮用水中会产生红褐色以致出现沉淀物，会使被 洗涤的衣物着色，并有金属味；另外，含铁、锰过高的水容易使铁、锰细菌大量 繁殖，堵塞、腐蚀管道。 水源污染给供水行业带来的后果是，处理费用增加，水厂运行管理难度加大， 处理后的水质难以达到标准。 1 3 2 水源污染原因旧 造成水体污染的原因主要有以下几个：( 1 ) 城市工业废水：化肥、农药等化 学品及其他工业产品在生产、使用过程中，由于生产废水排入水体，或在使用中 的残留物、分解物通过各种途径进入水体。( 2 ) 城市生活污水：未经处理的生活 污水排入天然水体，污水中的大量碳水化合物和各种氮、磷、硫等各种营养元素， 会造成水体中溶解氧的大量消耗，促进水体富营养化，在厌氧菌作用下还易产生 恶臭，同时污水中的病原菌和病毒还可能通过水的媒介而使疾病蔓延。( 3 ) 大气 降水：废气粉尘排入大气，通过降雨最后进入水体，其中酸雨是大气污染引起水 体污染的重要因素。( 4 ) 垃圾渗滤液：城市工业垃圾与生活垃圾的露天堆放，降 水时垃圾中的无机与有机毒物随雨水流入城市附近的地表水体，给水体造成污 染。( 5 ) 水体中运输、娱乐和废水处置对水体的直接污染。( 6 ) 化学品运输事故 4 或其它事故。 1 4 微污染水源水处理技术的研究进展 1 4 1 常规给水处理工艺的局限性 目前，国内外大多数水厂普遍采用常规处理工艺，即混凝、沉淀、过滤、消 毒工艺流程，该工艺流程主要针对的是水源水中的悬浮物、胶体、杂质和细菌， 对于受污染的水源水，常规工艺对水中有机物和氨氮的去除能力较低。国内外的 实验研究及生产实践表明：传统工艺只能去除原水中有机物的2 0 3 0 ，且 由于溶解性有机物的存在不利于破坏胶体稳定性，使浊度的处理效果也明显下 降，面溶解性有机物和有毒物质在处理前后变化不大。地面水的氨氮问题常规处 理也不能有效解决。原水中氨氮和有机物的存在，不仅增加了氯化消毒剂的用量， 而且消毒过程产生的三卤甲烷和其他卤化副产物、有机卤化物严重危害着人体的 健康。因此研究新的水处理工艺，改善出厂水水质，己成为国内外水处理界的共 识。由建设部牵头，国家“七五”、“八五”、和“九五”科技规划中都把微污染 水源水处理技术的攻关放在重要地位。近年来，经过众多水处理研究者的努力， 许多新的水处理技术与工艺开始涌现出来。按其净化工艺可分为强化改进常规处 理工艺、深度处理技术、预处理技术及其组合工艺。 1 4 2 强化改进常规处理工艺 强化常规工艺是指在加药、混凝、沉淀、过滤、消毒工艺的传统工艺流程中， 对其中任一工艺环节的强化或优化，从而进一步提高水中有机污染物，包括低分 子溶解性有机物的净化效果，降低三卤甲烷的出水浓度。各国水处理专家在改进 和强化传统工艺方面做了许多工作 2 m 5 1 其中包括：采用新型混凝剂、改变投药 方式和条件：改进絮凝工艺：采用高效的斜管与斜板沉淀、气浮工艺以强化沉淀 效果；采用新型的过滤材料和过滤技术。 1 4 2 1 强化混凝技术 强化混凝技术是指通过某种方式，改善絮凝条件，提高常规处理对有机物的 去除率。常采用以下几种方法( 1 ) 加大混凝剂的投加量，使水中胶体脱稳，水 中胶体在絮体的吸附作用下从水中沉降去除；( 2 ) 另投絮凝剂，增强吸附、架桥 作用，使有机物易被絮体吸附下沉而去除，如投加助凝剂聚丙烯酰胺( p a m ) 、新 开发的m r 高分于絮凝剂等；( 3 ) 投加新型水处理药剂，通过氧化、混凝的综合 作用，能有效地去除水中的有机物，如珠海市自来水公司研制的高效脱色除臭剂 等；哈尔滨工业大学环境工程学院开发成功的高铁酸盐复合药剂和高锰酸盐复合 药剂。 1 4 2 2 强化沉淀技术 实测资料表明：水的浊度与有机物关系十分密切，将水的浊度降低至0 5 n t u 以下，有机物可能减少8 0 。强化沉淀常规工艺即是采用高效的斜管与斜板沉 淀、气浮工艺强化沉淀效果降低出水浊度，从而达到减少有机物的目的。我国近 年给水处理技术中引进的高密度澄清池，以回流活性泥渣强化絮凝核心，增大进 水絮体的有效浓度，改变沉淀分离流变特性，在沉淀区中部形成高浓度悬浮絮凝 层，并辅加小间距斜板沉淀设备，大幅度降低沉淀池出水浓度，提高对有机物的 净化效果。 1 4 2 3 强化过滤技术 强化过滤技术是在不预加氯的情况下，在滤料表面上培养繁殖微生物，利用 微生物的生理活动，去除水中的有机物。强化过滤技术既能去浊，又能降解有机 物、氨氮、亚硝酸盐氮。生物强化过滤处理微污染水，国内外已有相当多的研究 o 3 。近年来，国内外在生物滤池不同类型的滤料的开发利用方面开展了大量的 研究，并成功的开发了各种改性滤料。如国内利用天然活性载体( 如天然或合成 沸石、陶粒等多孔活性滤料) 代替石英砂滤料，或将不同特点的滤料组合作为生 物滤池的填料进行了研究。l e c h e v a l l i e r 等。2 1 研究发现：无烟煤一石英沙一石 榴石和活性炭一石英沙两种填料组合形式的生物滤池处理微污染水，a o c 的平均 去除率分别为7 5 3 、8 6 4 ，t o c 的平均去除率为2 6 、5 1 ；龙小庆等” 研究了活性滤池对水厂沉淀出水中有机物和氨氮的去除规律；目前，大梯度磁滤 技术处理微污染水也是微污染水处理的一种新途径”“。 1 4 2 4 改进消毒工艺 消毒工艺与t h m s 关系密切，许多水厂通过改变原有加氯点和降低加氯量以 降低出水中t i - l v i s 的浓度，也有许多水厂己经或正在尝试使用新型消毒剂。报道 较多的是臭氧、二氧化氯，也有使用氯胺或高锰酸钾的报道3 5 q7 1 。对于地表水 源水中的氨氮问题，大多数水厂采用折点氯化以控制出厂水中的氨氮。 1 ，4 2 5 强化改进常规处理工艺的技术分析 强化和改进传统的常规处理工艺是目前控制水厂出水有机物含量最经济且 有实效的手段，但是这些技术本身都有一定的利弊或受适用条件的限制。如强化 混凝，过量混凝剂的投加不仅会引起处理费用和污泥量的增加，而且可能导致水 中金属离子浓度的增加，不利于居民的身体健康。另外，强化混凝的去除对象主 要是天然大分子有机物，对于饮用水中的可溶解性低分子有机物和氨氮的去除效 果差。消毒工艺的改进也存在不足，如使用臭氧消毒，它在水中分解很快，不能 作为最终的消毒剂。另外，如果臭氧的剂量不足，可能会引起出水致突变性的提 高。在我国正处于兴起阶段的二氧化氯消毒，但二氧化氯只能是现场制备，这无 疑提高了成本。氯胺和高锰酸钾，其消毒副产物还有待研究。生物过滤技术虽能 有效去除源水中的氨氮和可溶性低分子有机物，但该技术在运行管理方面有较大 的困难：例如要控制反冲洗强度，既能冲去积泥，又能保持一定的生物膜，要控 制滤池的微环境才有利于微生物的生长。 1 4 3 深度处理技术 深度处理技术通常是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法，将常规 处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮 用水质，目前应用较广泛的深度处理技术有：活性炭吸附、臭氧氧化、臭氧活性 炭、生物活性炭、膜技术等。 1 4 3 1 活性炭吸附技术 活性炭吸附技术处理微污染水，是国内外公认的较为成熟和有效的方法。活 性炭具有巨大的比表面积和发达的孔隙，是一种良好的吸附剂，它对b o d 、c o d 、 色度、t t h m ( 总三卤甲烷) 都有良好的吸附效果，然而活性炭吸附具有明显的选择 性，其最佳吸附范围是活性炭微孔直径和有机物分子直径之比为1 7 3 0 ，因 此，有相当多的有机物将不能被活性炭吸附去除。 1 4 3 2 臭氧氧化技术 臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中有着很长的历史。最初用来作为消毒剂、 控制色度或嗅味，现在主要用来去除水中有机物。由于受投加量的限制，臭氧一 般不能将水中有机物全部无机化，但可将大分子有机物氧化分解成分子较小的中 间产物。经臭氧预处理的水再经氯化消毒，水中“三致”物质可能低于未预处理 的水，也可能更高，其效果视水质而定，这是因为臭氧氧化可能产生副产物，如 醛、酮、醇、过氧化物氯化会产生三卤甲烷( t h m s ) 【3 1 3 ”。 1 4 3 3 臭氧活性炭技术 采用臭氧活性炭联用深度处理技术，原水中不易被活性炭吸附的腐殖酸和富 里酸，经臭氧氧化后，变成一些易被吸附的小分子物质，使活性炭的吸附作用发 挥得更好。臭氧活性炭技术最早是1 9 6 1 年在德国的d u s s e l d o r f 市的a m s t a r d 水 厂开始采用，由于水源受到污染，水厂的原有工艺河岸过滤一臭氧氧化一过滤一 加氯工艺己不能满足出水水质要求，于是在过滤后又增加活性炭吸附，发现出水 水质明显提高“。随后，欧洲和美国等一些国家也将臭氧和活性炭联用处理受污 染的水，取得了较好的处理效果。我国先后在南京炼油厂、胜利炼油厂、北京田 村山水厂、燕山石化公司水厂等相继建成了臭氧活性炭处理设施，处理效果较好。 1 4 3 4 生物活性炭技术 生物活性炭技术能有效的去除饮用水中的有机物。生物活性炭技术是利用生 长在活性炭上的微生物的生物氧化作用，从而达到去除污染物的目的。最早应用 生物活性炭技术的是德国慕尼黑市水厂，目前该技术在欧洲己得到普遍应用。生 物活性炭处理微污染水与单独采用活性炭吸附技术相比，生物活性炭技术不仅可 以提高水中溶解性有机物的去除效率，延长活性炭的再生周期，减少运行费用； 而且水中氨氮可以被微生物转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，降低了 三卤甲烷的生成量。现除德国外，法国、荷兰、瑞士、前苏联等国家有许多水厂 也已采用生物活性炭作为饮用水处理的生产工艺。 1 4 3 5 膜分离技术 膜分离技术是一项新兴的高效分离技术，它具有良好的调节水质的能力，去 除的污染物范围广，从颗粒杂质到离子、细菌和病毒，不需投加药剂，物质不发 生相变，分离系数大，在常温下进行，装置简单，操作方便等特点，在水处理界 得到越来越广泛的应用。近年来，美国环保署( e p ) 推荐膜法为水处理最佳工艺 之一，日本则把膜技术作为2 1 世纪的基盘技术。现有的膜技术中，反渗透( r o ) 、 超滤( uf ) 、微滤( mf ) 、纳滤( n f ) 均能有效地去除水中的臭味、色度、有机 物及微生物。但是，膜法对进水水质要求高，且膜需要定期清洗，存在着经常费 用和运转费用高的问题。 1 4 3 6 其他深度处理技术 除上述的深度水处理方法外，一些其它方法也被用于微污染饮用水的深度处 理，如利用紫外光和臭氧( u v 一0 。) 结合的方法可以除去饮用水中的三氯甲烷； 8 利用臭氧和过氧化氢混合物去除饮用水中的微量污染物，包括苯化物、2 一甲基异 丁醇、四氯乙烯等；利用超声波技术可以较快的降解复杂水体中的多种有机物 。”。然而这些方法还处于研究阶段。 1 43 7 各种深度处理技术分析 各种不同的深度处理技术均有其局限性，如活性炭对有机物的吸附存在明显 的选择性，对优先控制污染物名单中绝大多数的极性较强的有机物，特别是危害 较大的卤代烃的吸附效果不够理想。另外，活性炭价格较贵，影响了其在水处理 中的推广。活性炭和臭氧联用技术，臭氧在破坏一些有机物结构的同时也可能产 生一些带污染性质的中间产物。研究结果表明，微污染水源水经臭氧一活性炭吸 附深度处理，氯化后的出水水质仍具有致突变性。”，也有部分有机物是难氧化的。 生物活性炭是一种有效的水处理方法，然而生长在细小活性炭颗粒上的微生物会 在水力冲刷作用下脱落，流入最后的氯化处理，由于生物膜上微生物为长期固定 培养，它们对各种不利环境有较强的适应性，从而对消毒有更大的抗性，氯化消 毒往往难以杀死这些微生物，使出水水质安全性降低。另外，活性炭价格昂贵， 妨碍了该技术的推广。而膜分离技术不仅基建投资和运转费用高；而且膜易堵塞， 需要高水平的预处理和定期的化学清洗，存在浓缩物处理问题。 1 4 4 预处理技术 由于深度饮用水处理技术均存在一定的局限性，于是人们着手考虑采用一些 新方法来弥补它们的不足，饮用水预处理技术正是在这样的条件下发展起来的。 预处理技术通常是指在常规处理工艺之前，采用适当的物理、化学、或生物的处 理方法，将水中的污染物进行初级去除，同时可以使常规处理更好地发挥作用， 减轻常规处理和深度处理的负担，改善和提高饮水水质。 1 4 4 1 物理化学预处理 物理化学预处理包括化学氧化预处理和吸附预处理，化学预氧化技术是指向 原水中加入强氧化剂，利用强氧化剂的氧化能力，去除水中的有机污染物，提高 混凝沉淀效果。常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等。吸附预处理技术是指 利用物质强大的吸附性能或交换作用或改善混凝沉淀效果来去除水中污染物的 技术，主要有粉末活性炭吸附和粘土吸附。同济大学的研究表明：当粉末活性炭 的投加量为2 0 m g l 时，可使常规处理工艺的c o d c r 去除率增加2 0 8 3 9 6 。 有报道表明1 4 酣，沸石是良好的吸附剂，对水中的有机物有良好的吸附效果 目前还在研究阶段。 物理化学预处理确实可以大大减轻后续传统工艺处理污染物的负荷，提高整 体工艺对污染物的去除率，但该方法也有它的局限性，如预臭氧氧化会产生一些 氧化副产物，其中有些物质具有致突变性及致癌性：预氯化导致水中卤代有机物 含量增加，而且这些物质在后续处理工艺中难以有效地去除；高锰酸钾预氧化处 理会增加水中无机物的含量，如控制不当还会使出水的色度及浊度有所增高。粉 末活性炭参与混凝沉淀，残留于污泥中，目前还没有很好的回收再生利用方法， 所以运行费用高，难以推广应用，在我国这样一个经济尚不发达的国家使用，也 存在一定的困难；粘土类吸附剂虽然货源充足，价格便宜，但大量粘土投入混凝 剂中，势必增加沉淀浊的排泥量，给生产运行带来一定的困难。 1 4 4 2 生物预处理技术 众所周知，生物氧化技术用于污水处理己有近百年的历史，但被移植到微 污染水源的给水处理的时间并不长，生物预处理技术是水源水处理技术领域取得 的一个重大进展。给水处理工艺中的生物作用现象最初出现在慢滤池与河床边土 壤渗滤净水系统。由于慢滤池很快被快滤池替代，这一现象未被充分认识。后来 在活性炭深度处理过程中再次发现生物作用现象，生物氧化技术在给水处理中的 应用才被重新认识，并逐渐深入研究。可以说，水源水的生物处理技术是借鉴了 污水生物处理的成果，并通过十多年的不断研究与实践取得的成果。水源水生物 处理的目的是去除那些传统处理方法不能有效去除的污染物，如可生化降解的有 机物、人工合成的有机物和氨氮、亚硝酸盐氮、铁和锰等。生物预处理去除有机 物和氨氮的反应方程式如下： 有机污染物氧化反应( 有机物以c m ，0 ：表示) 4 c ，h ，0 。+ ( 4 x + y 一2 z ) 0 2 4 x c 0 2 + 2 y h 2 0 ( 1 ) 氨氮氧化方程式： 2 n h + + 3 0 ：2 n o + 4 h + + 2 h ：0 ( 2 ) 2 n o 。一+ 0 。- - - 2 n o 。一 ( 3 ) 受污染水源水的生物预处理技术在欧洲研究较多且有工程应用，尤阻法国研 究为最早。而国内生物预处理的研究主要集中在生物接触氧化法，采用弹性立体 填料和生物陶粒两方面，并已取得了一定的成果。微污染水源水的生物处理研究 1 0 表明：生物预处理技术能有效去除原水中可生物降解的有机物、氨氮、铁、锰等 污染物，增加整个工艺出水的安全性【4 7 5 ”。张东等【5 3 】的研究表明：在原水浊度 为5 0 2 0 0 n t u 、氨氮为l l o m g l 、水温为1 8 3 0 0 c 时，氨氨的去除率为6 0 8 0 时，y d t 弹性立体填料生物接触氧化工艺对c o d 。的去除率为0 5 2 5 ， 而且较高浊度( 2 0 0 8 0 0 n t u ) 不会明显影响生化池对氨氮和c o d 。的去除；张金 萍等采用生物沸石流化床处理微污染原水中的有机物，试验表明该工艺对有机 物有较好的去除效果；于鑫等嵋吣利用颗粒活性炭为生化池填料，对原水进行预处 理研究。结果表明：在水力停留时问( h r t ) 为1 2 1 8 m i n ，气水比( 2 0 2 5 ) ：l ， 回流比( 3 4 ) ：1 的条件下，c o d 。、n h 4 + - n 、n 0 2 - - n 、浊度、色度的去除率分别 为4 1 3 2 、1 0 0 、9 7 1 0 0 、6 8 8 、3 0 - - 5 0 。同济大学采用生物转 盘处理黄埔江原水的实验研究表明：生物转盘对氨氮的平均去除率大于8 0 ， c o 的去除率近2 0 ，酚的去除率超过8 0 ，油的去除率为3 0 6 0 ，色度 去除率超过2 0 。齐兵强等“”研究发现生物陶粒膨胀床对微污染水的处理效果 良好。 另外，水处理研究者对微生物去除污染物的机理及影响因素等也进行了较深 入的研究5 8 州】，如同济大学研究探讨了生物接触氧化预处理微污染水源水所需 的气水比，提出了气水比的计算公式和有关系数的取值范围，并分析了影响气水 比的主要因素咖1 。梅翔等 6 2 - 6 卅对不同填料生物接触氧化工艺处理微污染水效果 进行了对比试验，而且还对其运行工况的调节进行了探讨。清华大学研究了生物 预处理对微污染饮用水原水中z e t a 电位的影响嘞1 。此外，刘辉等“”还对全流程 生物氧化处理微污染原水进行了研究，于勇等采用生物预处理组合工艺对微污染 水进行了处理研究。 9 0 年代起，国内生物预处理技术开始进入生产试验和实际工程的应用【7 5 。引， 许建华应用生物接触氧化工艺，于1 9 9 6 年建成我国第一座处理量为4 0 0 0 吨每天 的生物预处理池，投产至今，运行稳定，后续净水过程节约矾3 0 5 0 、液 氯8 0 8 5 。上海惠南水厂于1 9 9 9 年增设了生物接触氧化预处理工艺，经过 半年多的生产运行，生化池的处理效果稳定“”。还有如宁波梅林水厂斜管沉淀池 改生物接触氧化池工程，合肥四水厂平流式沉淀池改生物接触氧化池工程等，都 取得了较好的效果。 从小试中试到生产性试验及实际工程的应用结果表明：微污染水源水的生物 1 1 预处理经济有效且毒理学安全。对减轻后续处理工艺的负担，减少水中“三致” 物质有明显作用，并且其运行费用低，具有明显的经济效益和社会效益。对于饮 用水源污染日益严重，传统净水工艺难以满足要求的今天有着特别重要的意义。 从目前国内外的研究和工程实践来看，生物预处理大多采用生物膜方法。其工艺 形式主要有生物接触氧化池、曝气生物滤池、生物转盘、生物流化床等。其中， 曝气生物滤池由于具有占地面积小、污染物的去除能力强、使用范围广、投资省、 运行灵活、易于管理、抗冲击能力强等特点而成为一种发展很快的新型生物处理 技术，也是符合我国国情的水处理技术，具有很大的应用潜力。 1 5 本课题国内外研究现状与展望 1 5 1 本课题国内外的研究现状。”删 曝气生物滤池( b a f ，b i o l o g i c a la e r a t e df i i t e r ) 也叫淹没式曝气生 物滤池( s b a f ，s u b m e r g e db i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) ，是8 0 年代末在 欧美发展起来的一种新型水处理技术。世界上首座曝气生物滤池于1 9 8 1 年在 法国投产，由于曝气生物滤池的诸多优点，随后在欧洲各国得到了广泛的应用， 目前全球范围内以曝气生物滤池为主体技术的水处理厂己超过1 0 0 座以上，主 要分布在欧洲和北美洲地区。亚洲的韩国，我国台湾、大连也有曝气生物滤池 的实际应用。该技术被广泛应用于工业废水、生活污水、医药废水、城市污水 等污水有机物、s s 的二级处理，脱氮除磷的三级处理以及微污染水源水的预处 理 8 9 - - 9 2 1 。 曝气生物滤池在生物膜、反应动力学、填料的开发与改良以及微污染水处 理方面的研究现状如下： ( 1 ) 生物膜 生物膜是附着在固体表面的微生物体的层状聚集。生物膜占生物总量的9 9 9 9 9 。目前，微污染水源水的生物预处理技术均采用生物膜法，水处理研 究工作者关于生物膜对微污染水中的微生物营养基质的去除机理已进行了广泛 的探讨，建立了一些数学模型，如稳态生物膜模型和非稳态生物膜模型。有关生 物膜结构特征、生物活性、生物种群构成、污染物负荷、传质效率、扩散效率、 水力条件、处理效率与反应器微生物特征相关性的研究近年来比较活跃”。 f d z p o l a n c o 等探讨了工艺参数变化与生物膜生长及硝化菌活性的关系：生 物膜生长速度与滤池的高度、氨氮的浓度及充氧有关，硝化菌的活性主要受氨氮 浓度和温度的影响。f d z p o l a n c o 等。”还研究了硝化曝气生物滤池中异养菌和硝 化菌的空间分布清况，发现当c o d 。，n h 。+ 4 时，生物膜内将出现不同的功能分 区；通过测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器中的空间 分布与c o d 。浓度有关，呈明显的分区分布。s v i l l a v e r d e 等啡研究了曝气生 物滤池的p h 值对硝化菌硝化活性的影响。丘立平等。“”对曝气生物滤池的短 程硝化反硝化机理的研究结果表明：曝气生物滤池的结构特征和运行方式能够进 行短程硝化反硝化。w i j e y e k o o n 等。“研究了滤速与硝化菌活性的关系，发现硝 化菌活性分布与滤速有关。通过采用分子生物学技术、扫描隧道显微镜技术( s t m ) 等检测手段，提高了生物检测的灵敏性和准确性，使得生物膜的研究正得以广泛 而深入地进行，成为一个较前沿的领域。但与曝气生物滤池直接相关的研究报道 尚很少见。 ( 2 ) 反应动力学 生物膜反应器系统的动力学研究己进行得比较深入，在m o n o d 公式的基础上 建立了一系列生物膜反应动力学模型，如比较著名的反应一扩散理论、我国学者 刘雨等提出的表面反应理论等等。但是直接针对曝气生物滤池的动力学研究报道 还很少。h a m o d a 通过对曝气生物滤池处理合成碳水化合物废水的研究，提出了 一种理论模型，他认为底物利用速率是底物浓度的双曲线函数，固体停留时阳j 是 水力停留时间、有机物负荷等的函数。m a n n 等则推导出了以溶解性c o d 。的进出 浓度及反应器高度为参数因子的经验模型，在试验中对模型进行了应用研究，并 在预测试验中取得了满意的结果。目前许多学者认为好氧生物膜过滤反应器的总 反应级数为一级，但在具体的处理理论和数学模型形式上还有许多分歧。同时由 于运行条件及处理对象、处理目的的不同，许多经验模型缺乏普遍性，理论模型 又过于复杂而实际指导意义差，所以进步对曝气生物滤池的反应动力学进行深 入探讨是研究曝气生物滤池处理机理的主要工作之一”1 。 ( 3 ) 填料 填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着曝气生物滤池的发展。曝 气生物滤池发展过程中生物填料的物理特征、化学稳定性、有无生物毒害、吸附 特征、粒径、材质、孔隙率等对微生物的吸附生长和反应器效能有着重要的影响。 曝气生物滤池所用填料，根据其采用原料的不同，可分为无机填料、有机高分子 填料；根据填料密度的不同，可分为上浮式填料和沉没式填料。无机填料一般为 沉没式填料，有机高分子填料一般为上浮式填料。常见的无机填料有陶粒、焦炭、 石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚 丙烯等。目前在曝气生物滤池中采用的多为颗粒状硬