（市政工程专业论文）Olt3gt生物沸石活性炭处理姚江微污染水源水研究.pdf

申请同济大学硕士学位论文 摘要 摘要 本课题采用臭氧一生物沸石- g a c 工艺对姚江微污染水源水进行处理研究， 主要是去除姚江水中的氨氮和有机物。 在水温较高的时候，经过二十多天的自然挂膜，沸石的表面可以形成比较 成熟的富含硝酸菌和亚硝酸菌的生物膜，形成生物沸石。生物沸石可以通过生 物的降解作用，和沸石一起协同去除水中的氨氮，并可以对沸石进行生物再生， 降低沸石再生成本。通过逐渐增加进水中的臭氧投加量，可以实现臭氧对生物 沸石的驯化。 采用臭氧一生物沸石- - g a c 工艺进行处理，可以有效去除水中的有机物、 氨氮等污染物质。臭氧作为强氧化剂，不但可以有效去除亚硝酸盐、色度等污 染物质，将难生物降解的大分子有机物氧化成易生物降解的小分子有机物，同 时还可以起到向水中充氧的作用；生物沸石通过生物降解和沸石吸附可以有效 的去除水中的氨氮，并可以去除一部分有机物；g a c 有良好的吸附性能和生物 富集作用，经过一段时间运行之后形成b a c ，可以进一步去除水中的有机物和 氨氮，提高出水水质。 实验结果显示，当臭氧投加量2 0 m g l ，两级沸石罐空床滤速均为1 0 m h ， 活性炭空床滤速5 m h 时，臭氧一两级沸石一活性炭全流程氨氮去除率为 7 0 - - - 9 0 ，c o d m 。总的去除率为3 5 5 0 ，u v 2 5 4 的去除率为4 0 0 一6 5 。 关键词：微污染水源水，臭氧，生物沸石，活性炭，深度处理 o r 生物沸石- 活性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 a b s t t a c t a b s t r a c t t h i sp r o g r a mf o c m e so nh o wt or e m o v ea m m o n i aa n do r g a n i cm a t t e r si nt h e e f f l u e n to ff i l t e r si nt h em e i l i nw a t e rp l a n tb yo z o n e b i o - z e o l i t e g a cp r o c e s s u s e d 觞a na d v a n c e dt r e a t m e n tp r o c e s s a f t e rm o r et h a nt w e n t yd a y sc u l t i v a t i o ni nw a l n lw e a t h e r , am a t u r eb i o f i l m c o n s i s t e db yn l t r o b a c t e r i aa n dn i t r i t e - b a c t e r i af o r m e do nt h es u r f a c eo ft h ez e o l i t e ， a n dt h i sb i o - f i l ma n dz e o l i t ef o r m e db i o z e o l i t e i tc a nr e m o v ea m m o n i ab yz e o l i t e s a d s o r p t i o nw i t lt h ec o o r d i n a t i o no fb a c t e r i a sd e g r a d ea b i l i t y o ft h ea m m o n i a b i o z e o l i t ec a l la l s or e d u c et h ec o s to ft h ez e o l i t e s r e g e n e r a t i o n f o rt h e b i o r e g e n e r a t i o na b i l i t yo ft h eb a c t e r i a w ca l s om a d et h eb a c t e r i aa d a p tt oo z o n eb y i n c r e a s i n gt h eo z o n ed o s a g eg r a d u a l l y o z o n e b i o - z e o l i t e o a cp r o c e s su s e da sa r ta d v a n c e dt r e a t m e n tp r o c e s sc a n r e m o v ep o l l u t a n t ss u c ha so r g a n i cm a t t e r sa n da r n r n o n l af r o mw a t e re f f e c t i v e l y a sa s t r o n go x i d a n t ， o z o n ec a nn o t o n l y r e m o v en i t r i t ea n dc o l o ra n do x i d i z e a n - b i o d e g r a d a b l eo r g a n i cm a t t e r s i n t ob i o - d e g r a d a b l eo n e s ，b u ta l s oi n c r e a s e d i s s o l v e do x y g e nv a l u ei nt h ew a t e r b i o z e o l i t ec a nr e m o v ea m m o n i ab yt h e b i o - d e g r a d a t i o no ft h eb a c t e r i aa n dt h ea d s o r p t i o no ft h ez e o l i t ee f f e c t i v e l ya n d r e m o v eap a r to fo r g a n i cm a t t e r sf r o mw a t e r f o rt h eg o o da d s o r p t i o na n de n r i c h m e n t a b i l i t yo ft h em i c r o b e ，g a cc a l lf o r mb a c a f t e rap e r i o do fo p e r a t i o n b a cc a n r e m o v eo r g a n i cm a t t e r sa n da m m o n i af a r t h e ra n di m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eo z o n e b i o - z e o l i t e g a cp r o c e s sc a nr e m o v e 7 0 9 0 o fa m m o n i a3 5 5 0 o fc o d m na n d4 0 - - 6 5 o fu v 2 5 4r e s p e c t i v e l yu n d e rt h e c o n d i t i o no fo z o n ed o s a g e2 0 m g l ，t h ef i l t r a t i o nr a t eo fz e o l i t ef i l t e rl o m ha n dt h e f j l t r a t i o nr a t eo f t h eg a cf i l t e r5 m h a k e y w o r d s ：m i c r o - p o l l u t e dr a ww a t e r , o z o l l e ，b i o 。z e o l i t e ，g a c ，a d v a n c e dt r e a t m e n t 0 3 生物沸石- 活性炭处理姚江微污染水源水研究 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：q 3 ：生物进互= 括挂塞处理姚江 微汪染盔遂盔班窥= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：菜铒喜 守一，年1 月c | 日 申请1 司济大学项上学位论文 第1 章概述 l t 我圆水赍潭现状 1 1 1 水资源贫乏 第1 章概述 水是人类生活和生产活动中不可缺少的重要物质，又是不可替代的重要自 然资源。随着经济发展、人口增长和人们物质文化生活水平的提高，世界各地对 水的需求日益增长，一些国家和地区在6 0 年代开始发生了水危机，水的问题引 起了当代世界各国普遍关注，我国也不例外， 虽然我国多年平均水资源总量为2 8 万亿d ，但人均占有量只有2 ，4 0 0 m 3 ， 人年，约为世界人均水资源量的i 4 。1 9 9 8 年联合国已将中国列为全球1 3 个 最缺水的国家之一。由于我国的水资源主要来自于降水，而降水受大气环流，海 陆位置以及地形、地势等因素的影响，因此在地区分布上很不均匀，总的格局是 南方多，北方少，东南多，西北少；在时间分布方面更不平衡，大多数降水集中 在夏季7 、8 、9 三个月份。我国西北、华北以及沿海缺水地区由于水资源的匮乏， 这些地区的国民经济发展受到严重的制约。1 1 1 2 1 在我国所统计的6 6 6 座城市中，有一半城市缺水，1 0 8 座严重缺水，日缺水 量达l ，6 0 0 万d ，。由缺水造成的年工业经济损失达2 ，3 0 0 多亿元。预计到2 1 世 纪中期，全国总用水量将从过去的5 , 0 0 0 多亿m 3 增加刭8 , 0 0 0 亿m 3 左右，占我 国可利用水资源总量的2 8 以上而根据国际上经验，一个国家用水量超过其可 利用量的2 0 ，就很可能发生水危机。p o 1 1 2 水责器于手袭严重 我国不仅水资源贫缺，而且还伴随着日益严重的饮用水水源污染问题。目 前，我国废水每年排放约1 , 0 0 0 亿m 3 ，8 0 0 , 6 左右的废水未经处理就直接排入水体， 造成水源，特别是地表水的污染。2 0 0 1 年度七大水系监测的7 5 2 小重点断面中， 其中水质符台地面水环境质量标准的i 类水质占2 95 ，类水质占 1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占5 28 。其中，七大水系干流1 m 个国控断面中， i i i i 类水质断面占5 0 6 i v 类占2 6 0 ，v 类和劣v 类占2 34 ，备水系干 流水质好于支流。2 0 0 1 年度七大水系污染由重到轻的顺序依次是：海河、辽河、 流水质好于支流。2 0 0 1 年度七太水系污染由重到轻的顺序依次是：海河、辽河、 申请同济太学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 我国水资源现状 1 1 1 水资源贫乏 第l 章概述 水是人类生活和生产活动中不可缺少的重要物质，又是不可替代的重要自 然资源。随着经济发展、人口增长和人们物质文化生活水平的提高，世界各地对 水的需求曰益增长，一些国家和地区在6 0 年代开始发生了水危机，水的问题引 起了当代世界各国普遍关注，我国也不例外。 虽然我国多年平均水资源总量为2 8 万亿m 3 ，但人均占有量只有2 ，4 0 0 m 3 人年，约为世界人均水资源量的1 4 。1 9 9 8 年联合国已将中国列为全球1 3 个 最缺水的国家之一。由于我国的水资源主要来自于降水，而降水受大气环流，海 陆位置以及地形、地势等因素的影响，因此在地区分布上很不均匀，总的格局是 南方多，北方少，东南多，西北少；在时间分布方面更不平衡，大多数降水集中 在夏季7 、8 、9 三个月份。我国西北、华北以及沿海缺水地区由于水资源的匮乏， 这些地区的国民经济发展受到严重的制约。 1 1 1 2 1 在我国所统计的6 6 6 座城市中，有一半城市缺水，1 0 8 座严重缺水，日缺水 量达l ，6 0 0 万m 3 。由缺水造成的年工业经济损失达2 ，3 0 0 多亿元。预计到2 1 世 纪中期，全国总用水量将从过去的5 ，0 0 0 多亿m 3 增加到8 ，0 0 0 亿m 3 左右，占我 国可利用水资源总量的2 8 以上，而根据国际上经验一个国家用水量超过其可 利用量的2 0 ，就很可能发生水危机。p j 1 1 2 水资源污染严重 我国不仅水资源贫缺，而且还伴随着日益严重的饮用水水源污染问题。目 前，我国废水每年排放约1 , 0 0 0 亿m 3 ，8 0 左右的废水未经处理就直接排入水体， 造成水源，特别是地表水的污染。2 0 0 1 年度七大水系监测的7 5 2 个重点断面中， 其中水质符合地面水环境质量标准的i 类水质占2 9 5 ，i v 类水质占 1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占5 2 8 。其中，七大水系干流1 5 4 个国控断面中， i i 类水质断面占5 0 6 ，类占2 6 0 ，v 类和劣v 类占2 3 4 ，各水系干 流水质好于支流。2 0 0 1 年度七大水系污染由重到轻的顺序依次是：海河、辽河、 o ，生物沸石- 活性炭处理姚江微污染水源永研究 申请同济大学硕士学位论文第1 章概述 淮河、黄河、松花江、长江和珠江。而对我国主要湖泊水库的水质检测表明，湖 泊氮、磷污染较重，导致富营养化问题突出。2 0 0 1 年太湖和滇池外海均属中度 富营养状态，巢湖属轻度富营养状态。【4 】 水质分类评价结果表明，全国以耗氧量为有机污染参数评价的9 5 5 万k m 的河长中，被污染的河长为3 2 3 万k m ，占评价河长的3 3 8 ，其中严重污染( 超 过v 类) 河长8 , 3 0 0 k m ，占评价河长的8 7 。据对全国3 5 个江段合成有机物调查 结果表明，水体中痕量有机物种类繁多，致癌、致畸、致突变的“三致”物质超 标倍数高。在7 个流域1 4 个典型江段中共检出1 9 7 种有机物，其中，致癌化合 物2 5 种，属于美国环保局e p a 的优先控制污染物5 3 种。蟑1 1 2 水源污染及其危害 1 2 1 有机物对水源的污染 水源水中的污染物主要来自有机物，有机污染物大致可分为二类：天然有 机物( n o m ) ，包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的植物组织和动物的废弃物；另 一类是人工合成的有机物( s o c ) ，包括农药、商业用途的合成物及一些工业废弃 物。 天然有机化合物大多为动植物在自然循环过程中经过腐烂分解所产生的物 质，典型的天然有机物不超过1 0 2 0 种。其中大部分呈胶体微粒状，另外则呈真 溶液或悬浮物状。地表水中的天然有机物主要组成部分是腐殖质，占总的有机物 的4 0 6 0 。腐殖质根据溶解性的不同可分为腐殖酸、富里酸和黑腐物三种， 三种组分结果相似，但分子量和官能团相差较大。腐殖质也是水体色度的主要成 分，同时还是饮用水中多种消毒副产物( d b p s ) 的前体物，是导致饮用水致突变增 强的主要因素。水中的非腐殖质部分的天然有机物包括碳水化合物、蛋白质、肽 类、氨基酸、脂肪等，一般说来，这类有机物较易被微生物降解，具有较强的亲 水性和较低的芳香度。 随着各国工业的发展，人工合成的有机物越来越多，目前已知的有机物种 类约有7 0 0 万种之多，其中人工合成的有机物种类达1 0 万种以上，且以每年2 ，0 0 0 种的速度递增。随着人们的各种活动，它们以各种不同途径进入水体。美国e p a 水质调查发现供水系统中有机污染物2 ，1 1 0 种，饮用水中含7 6 5 种，其中1 9 0 种 对人体有害，2 0 种为确认的致癌物，2 3 种为可疑致癌物，1 8 种为促癌物，5 6 种 为致突变物。我国的研究分析结果也表明，水源水和自来水中的有机物种类和数 量相当大，污染问题相当突出。上海黄浦江水中有机物种类至少在5 0 0 7 0 0 种 之间，g a m s 定性检出的2 1 8 种有机物中，属美国e p a 的优先污染物达3 9 种。 o ，- 生物沸石一活性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文第1 章概述 【6 1 【7 】 1 9 8 9 年4 月我国环保局通过的“水中优先控制污染物黑名单”中，包括1 4 类6 8 种有毒化学污染物，其中5 8 种为有机毒物，含2 5 种为有机氯化物。这些 污染物在水体中不易降解，难以被常规净水工艺去除，在环境中可生物积累，大 部分本身具有毒性，部分具有“三致作用”，构成了对人体的潜在威胁。【8 】 水源水中的有机污染物对传统净水工艺及水质的影响主要是：( 1 ) 增加制水 成本：( 2 ) 溶解性有机物不能有效去除，出水中的有机物含量仍然很高，其中某 些有机物就有致癌性：( 3 ) 氯消毒后，致突变物质含量增加；( 4 ) 出厂水生物稳定 性难以保证。 1 2 2 含氮化合物对水潭的污染 氮是自然界广泛存在的基本元素之一，动植物生长以及人类的生存都离不 开它。但其在水体中过多的存在也会成为对动植物以及人类有危害的作用的污染 因子。因此，饮用水水源要防止水体中的氮污染。 水体中的氮主要来源于生活污水和工业废水中的氮。城市生活污水中的氮 主要来源于人类日常生活一些含氦的溶解或非溶解性的物质排入下水中而形成， 其主要形式为有机氮和氨氮。一些工业废水也含有大量的氮，主要是由生产过程 中与水接触的含有氮的生产原料和废料流入下水所致，除了有机氮、氨氮外，还 常有亚硝酸氮和硝酸氮。我国七大水系的绝大部分水体和湖泊水库均不同程度受 到氮化物的污染。 这种受氮污染的水体作为饮用水水源具有较大的危害：( 1 ) 当水中有n h 3 存在时，会引起氯消毒效果下降，而加氯量过多，易产生三致物质：( 2 ) 当管网 中有氨氮存在时，会成为细菌的养料，从而引起水在管网中的二次污染，有关研 究表明，在处理厂和配水系统的水中，0 2 5 m g l 的氨氮就足以使硝化细菌生长 繁殖，而由硝化菌释放出来的有机物会造成嗅昧问题；( 3 ) 氮化物对人体具有毒 害作用，饮用水中含有的过量硝酸氮会在人胃中还原为亚硝酸氮，与人胃中的仲 胺或酰胺作用形成亚硝胺。亚硝酸盐在水中、食物中与二级胺、酰胺或类似氮氧 化合物发生反应，可形成直接致癌的亚硝基化合物如亚硝胺等。【9 】1 1 0 】 中国城镇供水协会制定的城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划中， 对一类水司出水的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氦指标有明确的规定：硝酸盐小于 2 0 m l ，亚硝酸盐小于0 1 m e , l ，氨氮小于0 5 m e j l 。 瓦习孺丽活性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文第1 章概述 1 3 进一步处理的必要性 今年来，在水污染防治方面我们国家虽然已经做了很多工作，但是水资源 污染的局面仍日趋严重，受污染水源的范围日益扩大。江河湖泊水质逐渐变差的 发展势头令人触目惊心，而这一现象在工业发达地区的表现尤为严重。当前，我 国人口增长势头虽然有所减慢，但是人口总数却在不断增加，同时在全国工农业 生产的快速发展中，为了经济的发展许多地区都有意无意的采取了牺牲环境的行 为。尽管这种行为已经得到了一定程度的有效控制，但是要想使已经受到污染的 水源在短期内完全恢复其原来的水质使不可能的。我国淡水资源本来就十分紧 缺，在这种背景下，不使用受污染的水源而另寻其他水源对大多数的地区来说使 不可能的。因而，我国绝大多数的自来水厂都面临着采用新技术来处理受污染的 水源，以便能继续为人们的生活与生产提供合格用水的艰巨任务。【5 】 踢生物沸石- 活性炭处理姚江微污染永源水研究 4 申请同济大学硕士学位论文 第2 章微污染水源水处理方法概论 笫2 章微污染水潭水处理方法概论 随着水源水的污染的不断加剧，处理微污染水源水的方法也在不断的得到 发展，使得处理的效果不断的提高。目前，处理微污染水源水的方法主要有：化 学氧化、生物预处理、膜处理、物理吸附和强化常规处理等。 2 1 化学氧化 水处理中化学氧化药剂主要有：臭氧、k m n o 、氯气和二氧化氯等。高锰 酸钾通常都作为预处理药剂来使用，而其他三种药剂则既可以用于预处理，又可 以作为消毒剂使用。 2 1 1 臭氧氧化 臭氧是常用氧化剂中氧化能力最强的，其在水中的氧化还原电位为2 0 7 v ， 比氯和二氧化氯都高。臭氧可氧化溶解性铁、锰离子，形成高价沉淀物，从而去 除；可以将氰化物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质；可将生物难分解的大分 子有机物氧化分解为中小分子量有机物，提高水中有机物的可生化性；应用臭氧 不会在处理过程中产生有害的三致物质。臭氧分解还可以为水充氧，使水的溶解 氧增加，为后续处理提供更好的条件。 3 6 1 1 3 7 】 虽然臭氧有很多优点，但也有不足。它不能有效的去除氨氮，对水中有机 氯化物也没有去除效果。当水中有机氮或某些含氮物质较多时，臭氧化后水中氨 氮含量常会升高；有时臭氧化后水的色度也有较大的上升，如水中f e 2 + 、m n 2 + 较多时。 3 6 1 3 7 1 2 1 2k m n 0 4 氧化 高锰酸钾具有较强的氧化能力。针对含藻的微污染源水，用高锰酸钾作为 氧化剂去除有机物和藻类，又研究表明，高锰酸钾预处理可以替代预加氯。它在 氧化分解有机物的同时，它还可以作为助凝剂来增强混凝效果，此外，用高锰酸 钾来氧化可以减少t h m s 的生成量。由于高锰酸钾的强氧化性能，它还能氧化去 除色度以及其他产生气味物质的有机物，对于某些藻类产生的异味具有特殊效 果。 t t l 0 3 生物沸石活性炭处理姚扛微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 第2 章微污染水源水处理方法概论 高锰酸钾作为微污染源水预处理药剂的缺点就是容易使处理的水着色，有 时会穿透滤池，导致出厂水的含锰量上升。 2 1 3c 1 2 氧化 氯气因其价格便宜、运输方便蛆及易于使用等原因是目前应用最为广泛的 消毒剂和预氧化剂，很多水厂都既采用预加氯处理并采用氯消毒。它能杀灭藻类， 杀灭细菌和病毒的效果也较好，也可以氧化很多无机物如氨氮，亚铁，m n 2 + 等。 但很多研究都显示，采用氯气氧化消毒会产生大量的有毒有害的副产物。最为显 著的就是三卤甲烷( 1 h m s ) 和卤乙酸( h a a s ) ，而且这些副产物一旦形成就比较 难再去除，而且采用氯气氧化可能产生有恶臭的氯酚。 2 1 4c 1 0 2 氧化 当二氧化氯用于预处理的氧化剂时，它的剂量是预氯化时所需剂量的3 0 5 0 。资料显示，c 1 0 2 投加量为2 m g l 左右时，对藻类有较好的杀灭效果。但 是二氧化氯对氨氮和亚硝酸盐的氧化效果不明显，对有机物和色度的去除效果也 较差。 二氧化氯能有效控制藻类的生长，并能去除因藻类而产生的以为。它能预 藻类及其分泌物反应生成无味无毒的物质。二氧化氯不仅对由藻类繁殖所引起的 以为有效，对去除由酚类所产生的臭味同样有效。在微污染源水中，通常都含有 一定量的酚类化合物。在用氯气处理时，会生成具有强烈味道的氯代酚。二氧化 氯则不会形成氯代酚，并且能够破坏已经形成的氯酚。此外，二氧化氯还可以用 于除铁和除锰。 二氧化氮的缺点就是不能和氨氮反应，当水体中有机氮或含氮物质较高时， 经其氧化的水含胺量和色度可能增加。而且二氧化氯生产成本较高，生产保存都 不方便。f j 2 】 2 2 生物预处理 生物预处理的反应器类型多为生物膜型，如陶粒生物滤池、浸没式弹性填 料接触氧化池、生物流化床等。反应器内均填装有一定量的填料，如陶粒、弹性 填料、活性炭等，利用自然挂膜或接种，使微生物生长、富集于填料上，并形成 有定厚度的生物膜( 微生物细胞和胞外分泌物所构成的膜状结构的微生态系 统，微生物种类可以包括细菌、放线菌、真菌、原生动物等，有时还包括一些后 生动物) 。其中的微生物要进行一定强度的新陈代谢，就会摄取水中的含c 、n 、 而笙砺丽葺孺硅炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 第2 章徽污染水源水处理方法概论 p 等元素的物质作为自己的能源和营养源，如其中的异养细菌主要去除c o d 等 有机物，将其分解为c 0 2 和h = o ，而由亚硝化和硝化细菌进行的硝化作用会将 n h 4 + 和n 0 2 分别氧化为n 0 2 和n 0 3 ，其本质和废水生物处理并没有区别。但是， 由于饮用水水源即使在受到污染的情况下污染物浓度与废水相比也是很低的，例 如其c o d m 很少超过1 0 m g l ，n h 4 + _ - n 3 - s m g , l 的情况也很少发生，因而其 生物膜的构成应以耐受贫营养的微生物类群为主，其动力学和反应器的设计参数 也不同于废水生物处理。 原水经生物预处理之后，水质得到一定程度的改善，浊度、c o d 、n h 4 + 一 n 等水平下降，后续常规工艺的压力相应减轻。生物预处理能使原水0 电位下 降，提高胶体颗粒的混凝性能，减少混凝剂的用量，最高减幅可达5 0 ：耗氯物 质n h 4 + n ( 折点加氯时会消耗大量消毒剂) 等以及b d o c ( 可生物降解溶解性有 机碳) 的减少会降低消毒剂的用量，最多可达7 0 一8 0 ，其意义不仅在于减少 生产成本，还在于减少了消毒副产物的生成，提高了出水的遗传毒理学安全性。 但是由于生物预处理主要依靠微生物的降解来净化水质，因而必然会受到 温度的影响，当在冬季温度较低时，微生物的活性会有较大的降低，生物预处理 的效果也就会相应变差。因此，由于这个局限性，生物预处理在南方应用的较多。 1 1 4 1 1 5 1 4 2 】 2 3 膜处理 膜法被认为是二十一世纪最具前景的技术。膜分离技术是一种在某种推动 力作用下，利用特定膜的透过性能分离水中的离子、分子和杂质的技术。以压力 为驱动力的膜分离技术有反渗透( r e v e r s eo s i m o s i s ，r o ) 、纳滤( n a n o f i l t m t i o n ， n f ) 、超滤( u l t r a f i l t m t i o n ，u f ) 和微孔过滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，m f ) 。膜分离性能按 截留分子量( m o l e c u l a rw e i g h tc o m p o u n d s ，m w c ) 大小进行评价。由于u f 和 m f 可截留水中绝大部分的悬浮物，胶体和细菌，其作用相当于以除浊杀菌为目 的的传统自来水处理工艺，因此，以u f 和m f 膜技术可替代传统处理工艺。膜 技术有许多优点：( 1 ) 出水水质稳定可取，不受原水水质变化的影响：( 2 ) 占地面 积小，只有传统水厂的十分之一；( 3 ) 可实现自动化。 1 9 8 7 年，美国的科罗拉多州的k e y s t o n e ，建成了世界上第一座膜分离水厂， 水量为1 0 5 m 3 d ，采用0 2ur l l 孔径的聚丙烯中空纤维膜。次年，在法国的 a m o n c o u r t ，建成世界上第二座膜分离水厂，水量为2 4 0 岔d ，采用o 0 1 1 ti t i 醋 酸纤维索中空纤维膜。到1 9 9 9 年，全世界已建成的膜分离水厂超过5 0 座，水量 规模从1 0 0m 3 d 到l o o ，0 0 0m 3 d ，总水量接近4 0 0 ，0 0 0m 3 d 。正在建设的最大规 模的膜分离水厂在法国，水量为1 4 0 ，0 0 0 m j d 。i l 刨1 瓦巧孺丽丽霜葫曩_ 理姚旺徽污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 第2 章微污染水源水处理方法概论 膜分离的效果虽然比较好，但膜污染是膜法推广的最大障碍。由于膜污染 问题未得到很好的解决，兼之膜法处理的价格昂贵，所以现在膜分离法多用于纯 水制造，大规模的水厂应用很少。只要膜污染的问题得到解决，膜处理技术必将 得到广泛的应用。 2 4 物理吸附 以活性炭为代表的吸附处理工艺是目前去除水中有机物的首选技术。因为 其原料来源丰富，比表面积大，对农药及其他有机物的去除率较高，所以，被广 泛应用。它具有发达的细孔结构和巨大的比表面积，能够有效去除水中的溶解性 有机物，解决水中臭味、色度问题。但是，在实际应用中它通常和化学氧化特别 是臭氧联用。如果滤后水直接进入活性炭滤池，不经过化学氧化，水中的大分子 有机物很容易将活性炭微孔堵塞，降低了活性炭的吸附能力，缩短了使用寿命。 经过臭氧氧化后，去除了部分有机物，降低了活性炭的有机物负荷；将大分子有 机物氧化为易于吸附和生物降解的小分子的中间产物，有利于对有机物的去除； 通过臭氧氧化的水中含有充分的氧，使活性炭床处于富氧状态，导致好氧微生物 繁殖，提高活性炭去除有机物的能力以及使用寿命。 在水处理中除常用碳质吸附剂外，国内外都曾开发过吸附水中有机物的专 用吸附树脂。如德国拜耳的m p s o o a 树脂，国产的d x - - 9 0 6 大孔吸附树脂等， 它们是一种极性吸附材料，对水中有机物吸附可逆性较好，可用n a c i - - n a o h 溶液再生，具有较高的复苏率，而且能在较高流速下运行，去除率可达3 5 左右。 但是，由于它们是一种极性吸附剂，限制了有机物去除率的进一步提高，并且在 低浓度时吸附容量很小。因此，尽管吸附树脂在给水处理中有过试验、应用，但 由于其性能上的明显弱点，没有能在工业上被广泛使用、推广，其有关性能有待 进一步改善。 1 7 】 2 5 强化常规处理 2 5 1 强化混凝 混凝是去除胶体物质，强化固液分离的主要手段之一；因其操作简便、适 应性好、费用低廉，我国的各大自来水水厂无一例外的使用混凝作为饮用水的主 要净化工艺。所谓强化混凝就是指为提高常规混凝效果所采用的一系列强化措 施，通常包括三个方面：无机和有机絮凝药剂性能的改善；强化颗粒碰撞、吸附 和絮凝长大的设备的研制和改进 絮凝工艺流程的强化，如优化混凝搅拌强度、 确定最佳反应p h 等。i l m o 生物沸石滔性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 第2 章微污染水源水处理方法概论 新的强化混凝机理，首先是药剂的组合功能，它不仅具有以絮凝体吸附水 中非溶性大分子有机污染物的物理吸附作用：又能对水中溶解性低分子有机物产 生很强的晶体析出、化学吸附和强氧化等多种净化个。有试验表明，它的溶液化 学形态决定了对有机物的净化功能的强弱，首先借助高分子无机盐混凝剂水解过 程的中间产物对大部分溶解性有机物产生吸附共沉作用：其次是由于混凝剂的投 加，水中大部分溶解有机物的阴离子基团又能置换氢氧化物表面结合的水分子或 氢氧根生成新的有机盐，而这些新形成的有机盐的溶解度很低，容易从水中以晶 体的形态析出。【i 卅 新的强化混凝是以提高水中有机物净化效果为目的的工艺，不但对水中大 中分子有机物能有效的去除，同时对水中溶解性的小分子有机物、氨氮、亚硝酸 盐、致突变物也有较好的净化效果。中国市政工程西北设计研究院的强化混凝生 产性试验表明，当进水含沙量为1 0 2 0 k g m 3 时，c o d 去除率9 5 以上；a m e s 毒性试验致突变率( m r ) 得到明显改善；氨氮去除率为3 0 5 0 。哈尔滨工业大 学研制的高锰酸盐复合药剂将高锰酸钾预某些无机盐有机复合，并通过控制定 的反应条件，促进高锰酸钾氧化还原介稳态中间产物的形成，从而强化了该药剂 对有机物的氧化、催化和吸附功能。在水处理过程中以常规处理工艺投加药剂的 方式假如源水中，水解后形成具有很强氧化能力的中间态成分，具有去除水中有 机污染物、藻类、除臭、除味、除色和强化絮凝等综合净化作用。1 2 0 】 2 5 2 强化过滤 过滤过程是现行的传统给水处理工艺的主要环节，具有强化除污染的潜力。 要实现这一目的，主要有两种途径：一种是采取某些措施对现行的滤料表面进行 改性处理，强化其除污染功能；另一种是对具有不同功能的滤料复合应用。 马军等人进行了将水合二氧化硅涂渍于石英砂滤料表面，以强化常规过滤 过程除污染效能的实验，并借助于色一质联机分别对石英砂、表面涂渍水合二氧 化锰的石英砂、以及天然锰砂等滤料的除污染效能进行了初步性的对比试验。结 果表明，石英砂滤料对水中有机污染物的去除效率很低；表面涂渍水合二氧化硅 后除污染效果明显提高；含有二氧化锰成份的天然锰砂滤料对水中有机污染物也 有明显的去除作用。严子春等人采用沸石作为新型滤料进行了强化过滤试验。结 果表明沸石不仅具有去除水中浊度作用，而又还可去除水中氨氮和部分有机物。 在试验条件下，沸石对浊度的去除率在6 5 左右，对c o d m 。氨氮的去除率分别 在1 0 、9 5 以上，对水中常见的3 种微污染有机物l a s 、三氯甲烷、苯酚的去 除率分别达到1 7 7 、4 4 4 5 、3 4 ，且沸石作为滤料不会增加水中有害金属离 子浓度。【2 1 ) 【2 2 】 石孟物浦j i j 舌性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 第2 章微污染水源水处理方法概论 2 5 3 强化沉淀 沉淀分离是常规给水处理工艺的重要组成部分，传统的沉淀分离机理是絮 凝体借助接触碰撞，表面吸附水中大量悬浮物和胶体以及部分天然有机物，絮体 以单颗粒分选沉降模式从水中分离去除。由于水源水质的有机污染增加，水中除 含有悬浮物和胶体以外，又增加了大量低分子可溶性有机物，各种金属离子，氨 氮等有机和无机成分，它们很难借助絮体的碰撞或架桥吸附而被去除。 新的强化沉淀分离技术是基于以下论点：一是改善沉淀水流流态，减小沉 降距离，大幅度提高沉淀效率；二是提高絮凝颗粒的有效浓度，促进絮凝体整体 网状结构的快速形成。当水进入沉淀区后，在水中很快形成悬浮状态的整体网状 结构过滤层，源水通过该过滤层以自下而上的分离轻水和自上而下的浓缩絮凝泥 渣的过程，事先对源水有机物进行连续性网捕、吸附、共沉等一系列综合净化。 f 19 1 里堕型堑奎兰塑主鲎堡堕奎 苎! 兰兰塑塑至塑苎鲞 3 1 虢江水质特点 第3 章研究背景和研究工艺路线 宁波市梅林水厂位于宁波市江北区，以姚江为水源，由于姚江上游企业污 水排放以及两岸农田污水和生活污水的污染，姚江水源水污染较重，水质较差， 试验期间姚江水源水质状况见表3 1 。 表3 i 试验期间姚江水源水质 水温 色度 浊度亚硝酸盐 氨氮耗氧量 月份 ( ) ( 度) ( n t u ) 6 m g i j6 n a g l )( m g l ) 0 3 7 2 9 3 32 9 3 84 5 8 s 2 70 2 0 m m 5 0 0 0 2 0 - 加5 05 3 8 1 0 0 3 82 8 3 22 8 4 32 7 0 - , - 1 0 10 1 0 0 , q ) 6 0 0o 2 0 1 8 05 4 - 1 0 4 0 3 92 6 3 02 6 - - 4 52 7 s 1 3 6 8o 0 6 阻m 4 0 00 1 5 加8 56 4 - - , 8 3 0 3 1 0 1 4 - - 2 62 5 3 64 9 8 一1 1 3o 0 2 5 - 4 ) 1 5 0 0 ，1 5 - 0 3 0 25 6 7 6 0 3 1 11 4 1 92 1 - - 3 15 1 5 1 1 4 0 0 3 0 m 1 4 0 o 2 0 一3 0 06 2 8 2 0 3 1 28 1 82 2 3 65 4 2 1 1 50 0 2 0 旬1 4 02 2 5 4 5 05 4 - - - 7 4 0 4 1 4 91 6 2 73 6 8 5 6 80 0 2 0 田1 1 51 8 0 3 5 0 5 6 7 1 0 4 25 - 1 12 l 3 14 4 0 7 3 8o 0 2 0 + 0 72 2 0 - 4 7 55 8 7 2 0 4 3 6 1 22 2 3 05 3l 9 6 6o 0 2 2 0 0 9 03 5 0 8 ，0 25 ，5 0 5 由表3 - 1 可知，姚江源水冬季最低温度4 9 ，常年浊度较低，一般5 n t u 左右，但源水中氨氮、色度、耗氧量等较高，且季节性变化较大，姚江源水中的 氨氮浓度在1 2 月3 月明显高于其他月份，最高可达到8 0 0 m g l 而8 月1 1 月的耗氧量较大。 3 2 课题的提出 申请同济大学硕士学位论文 第4 章生物沸石的培养 梅林水厂由于传统的常规净水工艺系统难以去除氨氮、有机物等污染物， 所以当源水水质较差时，出厂水水质相应也较差。姚江水源水质变化引起了宁波 市自来水公司的重视，他们曾在1 9 9 7 年进行了生物预处理试验研究，并在梅林 水厂建成了4 万m 3 ，d 的生物接触氧化池一座，后因与其他构筑物衔接不良，遂 於2 0 0 0 年停用。为了探求新的合适的除污染方法，宁波市自来水公司特委托同 济大学进行研究，我们根据实际的水质状况，提出了臭氧、沸石及g a c 处理工 艺。 经过将近年的现场中试，虽然臭氧、沸石及g a c 集成处理技术能使水质 满足国家水质标准，但是在高氨氮季节，沸石的再生过于频繁，再生剂消耗过多， 从而使费用增加较多，因此我们考虑采用生物再生的办法来解决沸石的再生问 题，从而使本工艺更加经济实用。 3 3 工艺的选择 由于影响梅林水厂水质的主要指标是耗氧量和氨氮，针对较高含量的有机 物，可以在滤后水后采用臭氧和颗粒活性炭联用工艺，该工艺可以能有效降解水 中的有机物，是目前最常用的深度处理工艺。如果采用滤后水直接进入活炭滤池 进行吸附，水中的大分子有机物容易堵塞活性炭的微孔，降低活性炭吸附能力， 从而缩短使用周期。而滤后水先经过臭氧氧化后，不仅可以去除部分有机物，降 低活性炭的有机物负荷；还可以将大分子有机物氧化为易于吸附和生物降解的小 分子的中间产物，有利于对有机物的去除；另外通过臭氧氧化的水中含有充足的 氧，可使活性炭床处于富氧状态，导致好氧微生物繁殖，提高活性炭去除有机物 的能力。 2 3 1 1 2 6 臭氧和颗粒活性炭联用工艺在去除有机物的同时，由于活性炭滤池存在大 量微生物，对氨氮也有较好的去除能力。但受水中溶解氧的限制，当进水氨氮浓 度较好时，活性炭出水水质就会变差，由于氨氮的不完全氧化，出水的亚硝酸盐 浓度明显增加。有文献指出用臭氧和颗粒活性炭作为深度处理时，夏季时进水氨 氮不宜大于1 5 m g l ，冬季不宜大于2 0 m g l 。而梅林水厂滤后水的氨氮浓度经 常大于2 0 m g l ，有时高达8 0 m g c l ，因此有必要解决臭氧活性炭进水氨氮浓度 过高的问题。 2 4 1 巧】 而生物预处理是一种有效的去除氨氮的工艺，常温下对氨氮的去除率为 6 5 9 0 ，因此在常规处理之前增加一个生物预处理工艺，可以使臭氧活性炭 工艺进水氨氮小于2 m e , l ，这是解决臭氧活性炭工艺进水氨氮浓度过高的一种方 法。但是，生物预处理受温度影响较大，当水温低于1 0 ( 2 时，氨氮去除率较低。 而姚江高氨氮经常出现在水温较低的冬季、春季，为此我们采用沸石来解决氨氮 石：生物沸石活性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文第4 章生物沸石的培养 问题，天然沸石对n i - h + 具有较强吸附势，可通过离子交换作用除氨氮，因此它 具有生物方法所不具有的优越特性，外界环境的影响因素要少些，尤其受温度影 响不大，在水温较低的情况下仍有很好的去氨氮的效果同时考虑投加0 3 后的 水流在沸石滤罐中的继续氧化。前己叙及由于在本课题第一阶段采用臭氧一沸石 一活性炭工艺处理时，虽然效果较好，但是在高氨氮季节沸石的再生剂用量较高， 从而造成费用的上升，所以本课题的第二阶段采用臭氧一生物沸石一活性炭工 艺，通过生物作用来再生沸石。此外，由于梅林水厂采用二次加氯工艺，故滤后 水余氯较高，为了能在沸石表面顺利挂膜并保证生物沸石的顺利运行，采用姚江 源水作为本课题第二阶段的水源。 2 6 1 1 2 1 3 4 工艺流程 中试工艺装置进水采用姚江源水，整个装置2 4 h 连续运行。中试工艺流程 图如下图3 1 所示。 3 , 5 设备装王 图3 - 1 梅林水厂试验流程图 本试验采用的主要设备如下： 1 l n 一1 0 3 a t 型臭氧发生器一台，采用氧气气源，正常工作压力1 6 巴( 1 巴= 1 0 5 p a ) ，最大产气量6 9 ，i l r ，由o z o n i a 公司生产。 2 由3 0 0 3 ，0 0 0 不锈钢臭氧接触罐一个，内装填料，填料层高1 ，8 m 。 3 巾5 0 0 x 3 , 0 0 0 碳钢滤罐两个，滤罐内均放入沸石，沸石层厚度2 0 m ，在 沸石层下面放一层3 0 c m 厚的天然鹅卵石作为承托层。 4 巾6 0 0 x3 ，0 0 0 碳钢滤罐一个，滤罐内放入颗粒活性炭，活性炭层高度2 o m ， 同样，在活性炭层下面放一层3 0 c m 厚的天然鹅卵石作为承托层。 石习：呖丽右话性炭处理姚江微污染水源水研究 申请同济大学硕士学位论文 第4 章生物沸石的培养 5 水泵1 个，流量计4 个。 3 6 分析项目与测试方法 本课题主要测定项目为：浊度、色度、n h 4 + - n 、c o d m 。、u v 2 沁溶解氧、 p h 值。各测试项目的测定方法如表3 - - 2 所示。 表3 2 主要常规水质分析项目 分析项目测定方法 浊度( n t u )h a c h 2 1 0 0 浊度仪 色度( 度) x s i 型袖珍色度仪 n h 4 + - n ( m g l