（市政工程专业论文）饮用水生物强化过滤工艺处理微污染水的研究.pdf

a b s 仃c t 摘要 工业的发展、城市规模的扩大，随之产生的工业废水和生活污水进入天然水 体，对饮用水水源安全构成了严重隐患。与此同时，饮用水的水质要求不断提高， 饮用水的卫生和安全性受到越来越多的关注。 针对我国城市饮用水普遍存在的有机微污染问题，提出采用生物强化过滤的 新工艺处理饮用水。通过小试试验，研究了该工艺对长江下游南京段水源水污染 物的去除效能，重点考察了有机物去除效果的影响因素，为生物强化过滤在我国 饮用水处理中的应用提供借鉴。 试验采用自然挂膜的方式进行生物膜培养，提出了以滤柱对c o d 和 n o ；一n 的去除率作为生物膜成熟的评价指标。试验结果表明，强化过滤对有机 物的去除效果比常规工艺更为显著。试验期间( 滤速为7 5 砒) ，无烟煤电 ( 滤后水反冲洗) 和活性碳砂两种双层滤料滤柱在对t o c 和c o d m 。的平均 去除率分别比常规过滤工艺高5 1 4 6 和5 8 肛2 6 7 。同时，生物强化过滤 可以有效去除水中的氨氮和亚硝酸盐氮，当进水n h ，一n 浓度为 0 0 4 2 o 5 2 1 m g l ，n o ；一n 为0 0 0 6 0 16 4 m g l 时，出水氨氮和亚硝酸盐氮基本 检测不出。生物强化过滤能获得与常规过滤几乎一样低的出水浊度。当进水浊度 在3 1 9 7 n t u 时，生物强化过滤能在较长时间内保持出水浊度小于0 5 n t u 。 生物强化过滤对有机物的去除效果受滤料介质、接触时间、反冲洗以及水温 等因素的影响。与无烟煤和石英砂滤料相比，活性碳滤料表面的微生物具有较大 的生物量和生物活性，因此对污染物的去除效果也最好。在接触时间为 5 2 面n 1 7 2 耐n 范围内，增加接触时间，生物强化过滤效果提高，但两者并非成 正比关系，接触时间建议在1 0 m i n 左右。自来水反冲洗严重破坏了无烟煤滤料表 面的生物膜，但对活性炭滤料的影响较小；滤池出水反冲洗时，单独用水冲洗滤 料对有机物的去除影响不大，气反冲洗对过滤效果产生了负面影响，这种影响比 单水反冲洗的影响大。生物强化过滤的处理效率随水温的升高而有所提高。 关键词：饮用水；生物强化过滤；影响因素：生物膜； a b s t r c t a b s t r a c t 晰t 1 1t l l eh p r o v e m e mo fi 1 1 d u s 姆a n dt l l ee x p a n s i o no fc 埘s i z e ，v a r i o u s i n d u 嘶a l 锄dd o m e s t i cs e w a g e sh a v eb e e nd i s c h a 唱e di n t ow a t e rb o d i e s ，砌c hh a s b e e nt ob et h es e r i o u sh i d d e nt r o u b l eo ft h ed r i r l l ( i n gw a t e rr e s o u r c es a f e t ) r m e a l l w h j l e ， t l l er e q u i r e m e n t st od r i r l l 【i n gw a t e rq u a l i 锣w e r ei n c r e a s e i n gc o n s t a n t l ya i l dt 1 1 es a r e y o fd r i m ：i n gw a t e rw a sg e t i l l gm o r ec o n s e m s a g a i n s t 也eo 玛a 1 1 i ci i l i c r o - p o l l u t i o np r o b l e i n s ，t t l eb i o l o g i c a l l y e n h a n c e d f i l t r a t i o np r o c e s sw 硒u s e di n t ot h ed r i i i i ( i n gw a t e r 仃e a ：n 1 1 e n t t h en 。e 釉e n te f n c e n t s o ft 1 1 i sp r o c e s st 0 l ep o l l u t a n t si i lt h ey a n 舒z er i v e rw a t e rr e s o u r c ep l a c eo fn 删i i l g c i t ) rw e r es t u d i e d ，埘t 1 1t l l ef o c u so nt l l ea f r e c t i l l g f a c t o r so ft h e 仃e a t i n e n te 珩c i e 咄 、h i c hc o u l dr e f e r e n c eo nt h eu t i l i z a t i o no ft l l i sp r o c e s s 1 1 1 er e m o v a le 位c t st oo 玛a n i cm a l t e rb yt h e b i o f i l t r a t i o nw e r ea 虢c t e db y f i l t e r m e d i 如e b c t ，锄t i - w a s l l i n g ， t e m p e r 砷j 】r c ， 锄do t l l e rf a c t o r s c m p a r e d v v i t l l a i l t l l r 。a c i t e s a n d ，t h er n j c r 0 0 唱a 1 1 i s m a t t a c h e d b y g a ch a dm o r eb i o m a l s s 肌d b i o a c t i v i 饥w m c hb r o u g h tb e t t e rr e m o v a lr a t e s 、v h e ne r n p t ) ，b e dc o n 协c tt i m e ( e b c t ) 、a sb e t 、e e n5 2 m i i lt o17 2 m i n ，t 1 1 ee a e c t so ff i l t r a t i o ni l n p r o v e dw i t l lm e i n c r e a l s e m e n to ft l l ee b c t t h es u g g e s t i n ge b c tw a sa b o u t1o m i l l t 1 1 ec 1 1 l o r ! i n ei 1 1 t h ea m w a s h i j l gw a t e rw o u l dd e s t r o ym eb i o f i l ma _ t t a c h e db ya i l t l l r a c i t e s 锄d ，b u th a v e l i t t l ee 疏c t st ot h eg a c a i r - w a t e r b a c k w a s l l i n gw o u l dm n gn e g a t i v ei n f l u e n c et om e f i l t r a t i o ne 伍c e n t ，w i l i c hw a sr e m a f k a b l et h a i lt l l ew a t e rb a c k w a s h i n g f u r c l l e r m o r e ，t h ef i l t r a t i o ne m c e mw o u l di n c r e a u s ew i t ht l l e i n c r e a l s e m e n to fw a t e r t e m p e r a t u r e t h en a t l 】r a lb i o f i l mw a su s e da st h ew a yo fb i o f i l mc u l t i v a t i o n ，a n dt l l er e m o v a l r a t e so fc o d m 。a n dn o ；一n 、v e r et a k e na st h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r so ft h eb i o f i l m m a t u r a t i o n t h er e s u l ts h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lp r o c e s s ，t h er e m o v a l e 伍c e mt ot h eo 唱a j l i cp o l l u t a n t so f b i o l o g i c a l l ye n h a n c e df i l t r a t i o np r o c e s sw e r em o r e r e m a r k a b l e t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so ft o ca n dc o d m n o fd u a lm e d i u mo f a 1 1 t h r a c i t e s a n da n dg a c s a n da t7 5 n 讹w e r e5 一1 4 6 a n d5 8 2 6 7 r e s p e c t i v e l yh i 曲e rt h a nt h ec a n v e n t i o n a lp r o c e s s m e a n 、h i l e ，a m m o n i aa n dn i t r i t e n i t r o g e nc o u l db er e m o v e de 伍c i e n t l ya s 锄m o n i aa n dn i t r i t en i t r o g e nc o u l dn o tb e d e t e c t e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h en h 3 一na n dt h en o ；一ni nt h er a w ! ! ! ! ! ! ! ! 一 _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - - _ i _ _ - _ _ _ _ i _ _ - - _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 一一一 一 w a t e rw e r e0 0 4 2 o 5 21 m g la n do 0 0 6 0 16 4 m g lr e s p e c t i v e l y m o r e o v e r ，t h e 缸b i d i t ) ，o ft l l ee m u e mo ft h eb i o l o g i c a l l ye n h a j l c e df i l t r a t i o np r o c e s sw e r ea sl o w a s m ec o n v e n t i o n a lf i l l 仃 i t i o np r o c e s s ，a st h et u r b i d i 妙o ft 1 1 ee m u e n to ft l l i sp r o c e s s 、v e r e l e s st h a l l0 5 n t ui nal o n g e rt i i n e k e y w o r d s ：d r i n k 访g 、r b i o m a s s ，b i o l o g i c a l l ye i l l l a n c e df i l 仃a t i o 玛a f f i e c t i n g f a c t o r s ，b i o f i l m 3 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 匕幺：荦莎莎年月，7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出与意义 水资源是指流域水循环中能够为自然环境和人类社会所利用的淡水，其补给 来源主要为大气降水，储存形式为地表水、地下水和土壤水，可通过水循环逐年 得到更新【l 】o 作为人民生活和社会生产必需的基本资源之一，水资源的状况直接 影响着经济社会发展和人民生活水平的提高。但是随着全球经济的迅速发展、人 口的增长和人们物质文明水平的提高，世界各地对水的需求不断增长，水资源紧 缺的现象越来越普遍。目前，地球上有6 0 的陆地、遍及6 3 个国家和地区面临 缺水问题。 在水资源缺乏的同时，随着工农业废水和居民生活用水排放量的日益增加， 对水环境造成了极大的危害，2 0 0 6 年中国环境状况公报显示，全国地表水总体 己呈中度污染。在国家环境监测网监测的七大水系7 4 5 个地表水监测断面中，i - 类( 优、良好) ，i v 类、v 类( 轻度和中度污染) ，劣v 类( 重度污染) 水质的断面 比例分别为4 0 、3 2 、2 8 。 地表水污染使饮用水安全受到威胁。据调查，目前全国3 亿多农村人口饮水 不安全。不少地区符合标准的饮用水水源呈缩减趋势。全国11 3 个环保重点城市 的2 2 2 个地表饮用水水源中，平均水质达标率只有7 2 。工业废水及生活污水进 入自然水体，对饮用水水源安全构成了严重隐患。 上述水质问题的存在，无疑给城市供水工作带来压力和挑战，因此供水行业 应该立足于国内实际，探索适合中国国情的新型饮用水处理技术。然而，我国许 多供水企业资金还较紧张，大部分水厂无扩建场地，通过新增处理工艺或构筑物 来去除微量有机物、改善供水水质的可能性很小。在这样的背景下，生物强化过 滤作为饮用水处理的一项新技术引起了人们的广泛关注，成为给水处理领域的热 点技术之一。本课题拟结合当前我国水处理面临的技术问题，通过模型试验深 入探讨生物强化过滤的性能和影响因素，为生物强化过滤在我国饮用水处理中的 应用打下一个良好的基础。 第一章绪论 1 2 文献综述 1 2 1 饮用水水源水质状况 1 2 1 1 地表水水源水质状况 地表水水源是饮用水源的主要补给水源，但是近年，随着我国工农业生产的 迅速发展，各类水体中的有机污染日趋严重，对人们的生活和健康构成了潜在的 威胁。在我国，饮用水水源受污染问题较普遍并受到广泛的关注。国家环保总局 对1 1 0 个环保重点城市的3 6 0 个集中式饮用水源地的监测结果统计，水源地水质 达标率仅为8 0 。河流型水源主要污染指标为粪大肠菌群，湖库型水源主要污染 指标为总氮。主要城市和平原地区的地下水水质状况相对稳定，但局部地区有继 续恶化的趋势。研究表明，受污染水源中含有的有机物大部分对人体健康有害或 具有形成对人体有三致作用( 致癌、致畸、致突变) 的氯消毒副产物( d b p s ) 的潜力， 这些消毒副产物的存在导致饮用者患消化和泌尿系统癌症的危险增加口3 1 。 1 2 1 2 地下水水源水质状况 地下水资源作为饮用水源的另一个重要组成部分，受地形降水量的制约。我 国地势西高东低，降水量由东南向西北逐步递减，地下水资源的分布因此也呈现 出南方丰富、北方贫乏的局面。由于沉积环境和地质条件的不同，地下水水质也 存在很大的差异。由于通过地层时的过滤作用，地下水没有悬浮物。但在通过土 壤和岩层时溶解了其中的各种可溶性矿物质，所以含盐量和硬度等比地表水高。 含盐量一般在1 0 0 5 0 0 0 m g l 之间，硬度通常在1 0 0 5 0 0 m g l ( 以c a c 0 3 计) 之间【4 】。 但是，随着我国环境污染的日趋严重，人类活动导致地下水污染己从点状扩 展到面状污染。全国废水排放总量逐年上升，江、河、湖污染严重，并呈加重趋 势，据环保部门统计，5 0 的浅层地下水遭到不同程度的污染，其中4 0 已不适 宜饮用。并且过度开采地下水，对生态环境和地质结构发改变，会产生开采漏斗、 地面沉降、岩溶塌陷、海水入侵等地质灾害。现在越来越多的城市已经全面禁止 开采地下水。 1 2 1 3 饮用水水源中的污染物质 据统计，我国的1 2 0 0 多条河流，有8 5 0 条受到了不同程度的污染，占7 0 以上，严重污染的有2 3 0 多条，占1 9 。河流污染物的主要途径是生活污水以及 第一章绪论 工业废水的排放【6 1 。人类生活越频繁，其河流污染的机会就越大。河流由于其水 流较快，复氧能力强，其纳污容量也相对较高。但是，人类对河流的滥用，大量 的天然有机物和人工合成有机物被引入到水体中，导致生态环境被破坏，河流中 的有毒有害物质还通过生态系统的生物链富集，危害人类的健康。河流中的污染 主要分为有机污染和病原微生物。 ( 1 ) 有机污染 水源水中的有机物可以分为以下两类：天然有机物( n o m ) 和人工合成有 机物( s o c ) 天然有机物主要是由动植物在自然循环过程中腐烂分解产生的物质， 包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动植物组织及动物废弃物。人工合成有机物 大多为有毒有害物质，其中包括了三致( 致突变、致畸变、致癌变) 物质。自上 世纪7 0 年代开始饮用水中的有机污染物种类就急剧的增加。美国1 9 8 2 年的调查 结果表明：世界范围内饮用水已经出现了7 6 5 种合成有机化合物，其中1 1 7 种是 属于致癌的或有关致癌的物质。e p a 提出了水中的1 2 9 种优先控制污染物名单。 我国也相应的制定了我国的“水中优先控制污染物名单”，包括1 4 类6 8 种有毒化 学污染物。 ( 2 ) 病原微生物 水中的病原微生物主要来自城市生活污水、医院污水、垃圾及地表径流等。 病原微生物的危害历史悠久，至今任然是饮用水中危害人类健康和生命的主要污 染。 病原微生物污染的特点是：数量大、分布广、繁殖速度快且容易产生抗药性。 传统的氯消毒并不能完全杀死或灭活病原微生物。环境的改变，大量化学物质的 存在，水中还不断的出现新的病原微生物。随着人类活动的发展、科学技术的进 步，饮用水的中的化学物质和病原微生物的数目将不断的被发现和认识。 1 2 2 饮用水水质标准 饮用水的安全性对人体的健康和生命至关重要。随着微量物质的检测方法和 生物检测技术的进步，以及病理学的发展，人类对水中致病、致癌物质的认识不 断加深。1 9 7 4 年以来，在美国的饮用水中发现2 1 0 0 种化学物质，其中：1 9 0 种 是可疑的；9 9 种致癌或可疑致癌物；8 2 种致突变物；2 8 种急性或慢性致毒物。 地表水源的污染加剧和检测手段的更新，人类对水质的要求也不断了提高， 世界各国和世界卫生组织也不断的修改原有的饮用水水质标准，来满足人类对饮 第一章绪论 用水水质的新的要求，保障人类的人体健康。 1 2 2 1 水质标准的确定 目前，全世界有许多不同的饮用水水质标准，其中具有国际权威性、代表性 的有：世界卫生组织( w h o ) 的饮用水水质准则、欧盟( e c ) 的饮用水 水质指令以及美国环保总局( u s e p a ) 的国家饮用水水质标准，其他国家 或地区的饮用水标准大都以这三种标准为基础或重要参考，来制定本国的国家标 准。 水质指标的制定和修改在某种程度上反映了一个国家和地区的经济和技术 的发展水平。指标的确定应与本国或本区域的实情相适应。水质指标的制定一般 由以下三个方面【7 】： ( 1 ) 微生物指标 水质标准中的微生物指标非常重要，因为致病微生物的危害最大，它能够在 同一时间内引起大量饮用者染病。1 9 9 4 年美国威斯康星州m i 础e e 市爆发隐孢 子虫污染事件，4 0 多万人感染肠道疾病，近1 0 0 人死亡。因此，在饮用水中不 允许存在致病微生物。但是，致病微生物的种类繁多，检测方法也不尽相同。相 比用细菌特别是能够代表粪便污染存在和净水工艺效果的埃希氏大肠菌、粪性大 肠菌等作为指示微生物，更加的简便易行。因此各国的微生物指标均以埃希氏菌 代表致病微生物存在的可能性。多年的实践证明，这种致病性微生物的代表性指 标行之有效，并且有相当大的安全系数。 然而，近年来欧美等发达国家爆发了多起由甲第虫、隐孢子虫等致病微生物 引起的水介流行性病。美国经过大量的研究，在2 0 0 1 年提出出厂水中隐孢子虫 的数量为0 的规定，同时提高出厂水的浊度要求 0 3 n t u 。这两项规定在2 0 0 2 年1 月1 日起生效。 ( 2 ) 化学指标 饮用水中的污染物的毒理性评价是建立在水质化学的基础上的，w h o 通过 大量的数据和统计分析，并且根据动物试验和流行病学调查，确定了饮用水水质 的完整体系。 近年来消毒副产物和藻毒素的问题引起了世界各国的关注。美国早在上世纪 7 0 年代开始研究消毒副产物方面的研究，确定了氯消毒产生的有机卤代物的风 险。随着淡水资源的富营养化与饮用水的微污染，藻毒素也被广泛的调查研究以 4 第一章绪论 制定相应的标准。 ( 3 ) 感官性指标。 饮用水的水质好坏，普通用户是很难判断的。但是用户可以通过对水的感官 进行主观的判断。水的浑浊、有色、异味均会引起用户的不满。因此，水的感官 性指标是很重要的，通常各国都依据各国的国情确定和自己国家社会、经济和文 化习惯相适应的指标值。 1 2 2 2 我国的饮用水水质标准 自新中国成立以来，我国第一部全国性管理生活饮用水的技术规范是我国 1 2 个城市试行的自来水水质暂行标准，于1 9 5 5 年5 月由卫生部发布。国家 标准生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 于1 9 8 5 年由卫生部颁布实施。2 0 年 来，国内的人口增长、水资源匮乏，以及环境的恶化，使城市供水安全的压力越 来越大，旧标准已经远远落后，不能适应社会和人们的需要。另一方面，近年来， 国际组织和发达国家的饮用水水质标准有很大进展，世界卫生组织2 0 0 4 年发布 了第三版饮水水质准则【引，美国环境保护局2 0 0 4 年修订了饮水水质标准9 1 ， 日本2 0 0 4 年发布了新的饮用水水质基准【1 0 】，欧盟1 9 9 8 年修订了饮水标准【1 1 1 ， 俄罗斯2 0 0 2 年发布了新的国家饮用水卫生标准【1 2 】。科技技术的进步和检测水平 的提高，越来越多的污染物被检测出来，污染物的控制已经到了刻不容缓的时刻。 2 0 0 6 年1 2 月2 9 日由卫生部与国家标准化管理委员会发布新的饮用水卫生标准 生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，2 0 0 7 年7 月1 日在全国实施。 新标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 基本实现与国际饮用水水质标准接轨，水质项目的 选择参考了世界卫生组织、欧盟、美国、俄罗斯、日本等组织和国家现行饮用水 标准，指标限值主要取自世界卫生组织2 0 0 4 年l o 月发布的饮水水质准则第 3 版资料。增加和修订的卫生要求水质指标数量由( g b 5 7 4 9 8 5 ) 的3 5 项增加至 1 0 6 项，增加7 1 项；并对8 项指标的限值进行了修订( 见表1 1 ) 。增加指标主要 包括，反映水中有机物含量的指标化学耗氧量( c o d m 。) ，消毒剂及其副产物、农 药等有机化合物，无机化合物，贾第鞭毛虫、隐孢子虫、大肠埃希氏菌等微生物 指标等【1 3 - 1 4 1 。 第一章绪论 水质指标分常规指标和非常规指标提高了水质监测的可操作性。对全部1 0 6 项指标进行监测，需要的设备、检验费用高昂，实施困难。因此，在1 0 6 项指标 中，将4 2 项指标列为常规指标，这些指标能反映水质基本状况，检出率高，属 水质监测必检项目；将6 4 项指标列为非常规指标，这些指标视地区、时间或特 殊情况检出状况不同，由省级人民政府根据当地实际情况确定水质非常规指标的 实施项目和日期，但是最迟于2 0 1 2 年7 月1 日必须实施。 表1 1 生活饮用水卫生标准新旧对比 原标准修订后 指标类别 ( g b 5 7 4 9 8 5 )( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 生物学指标 26 消毒剂 l4 毒理学指标 1 57 4 无机化合物 1 02 l 有机化合物 5 感官性状和一般理化指标 1 5 5 3 放射性物质22 总计 3 51 0 6 饮用水水质标准的提高给目前水厂普遍采用的常规处理工艺带来了很大的 压力，这就要求水厂对现有常规处理工艺进行改造，研究开发新的饮用水处理工 艺。 1 2 3 饮用水处理技术 1 2 3 1 常规处理工艺 目前，国内外大多数水厂普遍采用常规处理工艺。常规处理工艺的基本形成 于上世纪初，即混凝、沉淀、过滤、消毒工艺流程，该工艺主要针对的是水源水 中的悬浮物、胶体、杂质和细菌，混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难以自然 沉淀分离的悬浮物和胶体颗粒相互聚合，形成大颗粒絮体。沉淀是将混凝后形成 的大颗粒絮体通过重力分离。过滤则是利用颗粒状滤料( 石英砂等) 截留经沉淀 后出水中残留的颗粒物，进步去除水中杂质，降低水中浑浊度。过滤之后采用 消毒方法来灭活水中致病微生物，从而保证饮用水卫生安全性。 ( 1 ) 混凝和絮凝 净水工艺中混凝的现象比较复杂。不同的混凝剂品种和投加量、不同的混合 悬浮液p h 值，其混凝的效果也不同。混凝剂种类很多，据目前所知，不少于 2 0 0 3 0 0 种。按化学成分为无机和有机两大类，目前在给水处理领域中无机混凝 6 第一章绪论 剂应用最多。多年来水处理的专家从铝盐和铁盐着手，研究混凝和絮凝的机理， 提出了混凝的四种作用：( 1 ) 双电层压缩；( 2 ) 因吸附作用使电荷中和；( 3 ) 拦截在 沉淀物上；( 4 ) 因吸附形成颗粒间的架桥作用。目前，这几种作用的机理只是做 定性的描述，今后的研究目标将以定量为主。 ( 2 ) 沉淀和澄清 水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称为沉淀。增大颗粒尺 寸或减小颗粒沉降距离均可加速悬浮物的沉淀，前者取决于沉淀前的混凝效果， 后者可用较浅的池来缩短沉降距离。 给水处理中，常用的沉淀池有平流沉淀池和斜板、斜管沉淀池两种。常用的 澄清池主要有机械搅拌澄清池，而水力循环澄清池、脉冲澄清池和悬浮澄清池国 内较少采用。 平流沉淀池具有对原水水质、水量变化的适用性强，沉淀效果好且稳定的优 点，目前常被大型水厂采用；而斜管、斜板沉淀池、机械搅拌澄清池等具有占地 面积小、造价较低的优点，常被中、小型水厂采用。 早先研究的高效率斜板斜管沉淀池，可以增加出水量和提高水质，已在新建 水厂和老水厂挖潜改造中大量应用。近几年来斜板沉淀有了新的发展，开发出效 率更高的同向流斜板、迷宫式斜板、人字形短斜板等新型沉淀池，这些池型在我 国上海、青岛等城市都有应用。 从8 0 年代起，对沉淀效果差的低温低浊水和含藻水，又开始重视采用气浮 法处理。这种方法对低温低浊水和含藻水处理效果较好，而且停留时间比斜管沉 淀池还要短。在我国南方地区特别适宜采用。 ( 3 ) 过滤 过滤通常置于沉淀或澄清工艺之后。过滤工艺不仅能去除引起水浑浊的悬浮 物和胶体杂质，而且能去除水中部分有机物、细菌和病毒。在以地面水为水源的 饮用水净化工艺中，有时沉淀或澄清工艺可以省略，但过滤却不可缺少。它是保 证饮用水卫生安全的重要环节。 关于滤池的形式，先后开发的有单阀、双阀、无阀、鸭舌阀等滤池，虹吸滤 池以及v 型滤池。最近几年来，有些国家对下向流直接过滤进行了许多半生产 和生产性的研究，该方法是在滤池内完成絮凝和过滤过程，适用于原水浊度较低 的水库、湖泊水。我国南方有采用直接过滤处理水库水的水厂( 如深圳、南宁) 。 第一章绪论 直接过滤存在的问题是承受水量、浊度冲击负荷的能力低。 ( 4 ) 消毒 为了保障人民的身体健康，防止通过饮用水传播疾病，饮用水的消毒是必不 可少的。英国p a c k h 锄rf 对目前消毒实践作出评沦，氯和次氯酸钠是广泛使 用的消毒剂，它具有价廉、便于应用、适用性强等优点，氯消毒的特点是可以保 持一定浓度的余氯，能在配水管网中持续杀菌，并提供监测依据。氯的缺点是它 能与水中有机物起反应，形成氯代有机物，其中一些能引起不愉快的臭、味，一 些具有“三致”作用。 其它紫外线、过氧化氢、高锰酸钾等消毒，由于费用和设备方面问题，只能 用于有特殊要求的小型给水系统中。 1 2 3 2 常规处理工艺的局限性 水的常规处理技术形成于上世纪初，在二次世界大战之前，工业尚未发达， 天然水很少受污染，水处理的主要对象是水中的泥沙和胶体类等杂质。常规的工 艺进行便可得到透明、无色、无嗅、味道可口的饮用水。直到7 0 年代初期，饮 用水处理的任务仍主要以除浊和保证饮者免受水传播疾病的危害。 现代工业的迅速发展，城市化和人口增长尤其是化学工业的突飞猛进，使得 人工合成的化学物质总数己超过4 万种，而且每年有上千种新的物质被合成。这 些化学物质中相当大的一部分通过人类的活动进入水体，如生活污水和工业废水 的排放，农业上使用的化肥、除草剂和杀虫剂的流失等，使接纳水体的物理、化 学性质发生了显著的变化。 面对水源水质的变化，常规饮用水处理工艺己显得力不从心。国内外的试验 研究和实际生产结果表明，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去 除水中有机物2 0 。3 0 ，且由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性 而使常规工艺对原水浊度去除效果也明显下降( 去除率仅为5 0 6 0 ) 。地面水源 中普遍存在的氨氮问题常规处理也不能有效解决。目前国内大多数水厂都采用折 点氯化的方法来控制出厂水中氨氮浓度，以获得必要的活性余氯，但由此产生的 大量有机卤化物又导致饮用水水质安全性难以得到保证。 近年来的研究表明，饮用水中存在的有机营养物质是促进细菌在管网中生长 的主要因素【1 5 。9 1 。微污染原水经常规处理后水中仍然存在一些可生物降解有机 物，它们可成为管网中异养细菌生长所需的营养基质，使水中未被消毒杀死的细 8 第一章绪论 茵或由其他途径进入给水管网的细菌重新生长【1 5 】，久而久之，管壁会附着生长生 物膜，致使水管腐蚀加速【2 0 1 ，而且生物膜的老化脱落会增加饮用水的色度、浊度 和气味，引起用户抱怨。 1 2 3 3 深度处理工艺 由于水处理常规工艺的局限性，在常规处理工艺以后增加适当的深度处理， 将常规处理不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物去除，以提高和保证饮 用水水质。现应用较为广泛的深度处理技术有：活性炭吸附、臭氧氧化、臭氧一_ 一 活性炭联用和膜技术等。 ( 1 ) 活性炭吸附 活性炭活性炭是一种多孔性物质，其中由微孔( 孔径小于4 0 埃) 构成的内表 面积约占总面积的9 5 以上。活性炭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 ，因此还是有大量的有机物不能被活性炭吸附。 ( 2 ) 臭氧氧化 臭氧在水处理中的应用比活性炭早。本世纪初，法国的n i c e 就开始使用臭 氧作为饮用水的消毒剂。臭氧是一种强氧化剂，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。如果使臭氧与其它工艺配合，比如臭氧与 常规工艺或活性炭吸附相结合，则可以降低三卤甲烷的前体物。臭氧氧化会导致 水中可生物降解物质的增多，容易引起细菌繁殖，使出厂水生物稳定性下降。因 此臭氧氧化很少在水处理工艺中单独使用。 ( 3 ) 臭氧活性炭 臭氧活性炭采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化，这 样可以扬长避短，这一工艺可以使活性炭的吸附作用发挥得更好。目前国内水处 理使用的活性炭能比较有效地去除小分子有机物，但去除大分子有机物却比较困 难，天然水中有机物大分子较多，所以活性炭孔的表面面积将得不到充分的利用。 在炭前或炭层中投加臭氧后，一方面可使水中大分子转化为小分子，改变其分于 结构形态，提供了有机物进入较小孔隙的可能性，使大孔内与炭表面的有机物得 到氧化分解，从而达到水净化取得较好的效果。随着现代分析检测技术的进步和 9 第一章绪论 卫生毒理学研究的进展，臭氧副产物对健康的影响及有害副产物的控制技术己引 起了水处理研究者的关注。特别是含有溴离子( b r - ) 的原水经过臭氧氧化后生成一 种可能对人体具有致癌性的溴酸根离子( b r 0 3 ) ，动物试验确认其具有致癌性，微 生物试验发现其具有致突变性。因此，在使用臭氧活性炭技术时要严格避免 水中溴离子超标。 ( 4 ) 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，在水处理领 域得到越来越广泛的应用。近年来，美国环保署( e p a ) 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 世纪的基本技术。现有的膜技术中，反渗透( r o ) ， 超滤叫f ) 、微滤( m f ) 、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，存在着经费和运转费 用高的问题，目前尚未在国内大面积使用。 ( 5 ) 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 理之中。如利用紫外光和臭氧( u v - 0 3 ) 结合的方法可以除去饮用水中的三氯甲烷； 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。 但这些方法正处于研究阶段【2 l 】。 1 2 4 生物过滤技术研究进展 为了控制饮用水中有机物的含量和提高饮用水的生物稳定性( 饮用水的生物 稳定性是指饮用水中有机营养基质能支持异养细菌生长的潜力，即细菌生长的最 大可能性) ，许多国家( 主要是美国、西欧等) 研究和开发了一些微污染饮用水处理 新技术。其中，生物强化过滤技术以其较好的处理效果而受到广泛关注。初步研 究表明，该工艺具有同时去除水中微量有机物、氨氮、铁、锰等物质的功能，投 资省，处理效率高。 生物强化过滤是一种将传统的过滤技术与微生物技术结合而形成的新型过 滤工艺【2 2 1 。生物过滤在西欧饮用水处理中应用比较广泛。早在2 0 世纪6 0 8 0 年 代，由于氨氮和有机物的污染，在西欧一些国家所采用的传统过滤工艺慢滤、 1 0 第一章绪论 快滤和河岸过滤的滤料上，普遍附着生长着生物膜，并且这种生物膜对水源中的 氨氮与有机污染物有很好的去除效果。自此以后，生物过滤在西欧逐渐受到重视 并得到广泛应用。生物过滤对水中的t o c 特别是b d o c 、a o c 有较好的去除效 果。研究表明，生物滤池对t o c 的去除率为5 7 5 【2 3 甾】，对d o c 的去除率为 1 3 叫1 ，对b d o c 、a o c 的去除率达9 0 以上，对三卤甲烷t h m s 、卤乙酸 h a a s 的先质t h m s f p 、h a a s f p 的去除率分别达4 0 和7 5 【2 6 1 。生物过滤 出水中的t o c 浓度可降至2 m g l 以下【2 4 1 。a o c 浓度可降至1 0 熠几以下，即使 不加氯消毒也可使管网水中的细菌总数 1 0 0 个n 儿i l 5 。 对生物强化过滤的研究成果主要包括机理与应用两方面。其中，机理研究以 国外研究为主。研究成果主要表现在： ( 1 ) 提出贫营养菌的概念。认为饮用水水源中的微量有机物适合于贫营养 菌的生长，这些微生物具有较大的比表面积，对可利用基质有较大的亲合力，且 呼吸率低，有较小的最大增殖速度和m o n o d 饱和常数( 约为1 1 0 p g l ) ，所以对 水中微量有机物有高效的去除作用【3 1 1 。 ( 2 ) 提出最小基质浓度s 。；。概念。认为为维持贫营养微生物的生长，底物 浓度不能低于一个下限值，该值称为s 。佃，可根据莫诺特方程式导出。 ( 3 ) 提出二级基质利用的概念。认为当初级基质，例如腐殖质类等物质( 浓 度远大于s 。i 。) 提供了微生物生长的基本碳源和能源后，单个的痕量有机物如酚、 胸腺嘧啶、乙醛等，其浓度远小于s 。面时也能被微生物利用3 3 1 。 ( 4 ) 用稳态生物膜模型解释了生物强化过滤对有机物与氨氮的去除，模型 预测结果与实测结果有一定的相关性。 ( 5 ) 对生物强化过滤的性能及影响因素展开全方位的研究。影响生物强化 过滤处理效果的因素主要有：水源水质、进水基质浓度、预氧化程度、滤料组成、 反冲洗方式以及空床接触时间等。 ( 6 ) 对生物膜的附着与脱附过程进行了研究。a h n l a d 和a m i n h a r a j a l l 研究 认为：由于细菌为疏水性胶体，可以通过水合作用力牢固地粘附在滤料上，反冲 洗时也不易从滤料表面脱落，这也从理论上解释了为什么正常的反冲洗不会对生 物强化过滤造成明显的不利影响【3 3 1 。 ( 7 ) 对生物强化过滤去浊性能作了研究。g o l d g r a d e 的研究指出，生物强化 第一章绪论 过滤出水浊度能达到o 1 n t u 以下，与传统的预氯化滤池去浊效果相似，而且生 物膜的存在并未对水头损失的发展产生很大的影响，生物强化过滤仍能保持较长 的过滤周期【3 6 l 。 近几年来，我国地表水普遍受到污染，水源遭受破坏，饮用水源合格率不容 乐观，因此国内也逐渐开始研究和采用生物处理工艺。其中研究较多的有生物接 触氧化池、生物塔滤、生物流化床等。1 9 9 7 年，李亚新等人对生物砂滤池进行 研究以来，李亚新等人进行的生物砂滤池处理酚和氨氮( n h ，一n ) 的试验研究 表明：当进水酚为0 0 2 5 m g l ，氨氮为1 0 m g l ，浊度为1 0 1 5 n 1 1 j ，滤速为8 n 油 时，生物砂滤池出水酚浓度低于0 0 0 2 m g l ，酚的平均去除率达到9 2 以上，氨 氮去除率几乎为10 0 ，出水浊度不大于1 4 n t u 【2 刀。2 0 0 0 年杨开等研究的活性 炭一石英砂生物滤池表明在滤前未预氯化或在预氧化条件下生物强化过滤对有 机物和氨氮的去除效果显著，化学需氧量( c o d 。) 、紫外吸光度( 鲥) 、三氯甲 烷( c h c l ，) 的去除率分别为4 0 。4 、4 8 9 、3 8 9 ；对氨氮的平均去除率为8 2 5 ； 浊度的平均去除率为8 2 4 ，出水浊度平均值为0 5 1 n t u l 2 8 】。李德生、龙小庆等 人也做了与上述内容类似的研究【2 9 1 。研究成果表明生物强化活性滤池过滤化效果 主要表现在以下三个方面：去除有机微污染物，提高出水的生物稳定性；去 除氨氮、亚硝酸盐氮，提高出水的生物安全性；去除颗粒物，保证出水浊度。 1 3 研究内容与研究目标 如前所述，分析国内外关于生物过滤技术的研究现状，国外对于生物膜去除 污染物的机理已经研究的比较详细；国内则主要偏向于生物强化过滤对污染物的 去除效能研究。研究方向的对比和存在的不足，见表1 2 。 表1 2 国内外研究现状对比 国外国内 1 、对生物滤池的研究主要集中在臭氧预氧 l 、对生物强化过滤的机理研究涉及较少： 化与生物滤池的结合。而对于未进行预氧 2 、对生物强化过滤的除污性能考察不全面，研 化的生物强化过滤处理效果如何研究较究所采用的滤池形式较单一，对双层滤料的研 少；究较少； 2 、研究采用的滤层结构形式多为双层滤3 、对生物强化过滤的影响因素没有深入而全面 料，对单层滤料的研究较少。地探讨。 第一章绪论 1 3 1 研究内容 本课题旨在利用贫营养生物膜，处理微污染水中的有机物。在去除污染物的 同时，降低饮用水深度处理的成本，改善饮用水的水质。以饮用水生物强化滤池 的净水效能分析为目标，选用不同的影响因子，通过不同影响因子的作用对净水 效能的影响分析，提出控制工艺出水水质的措施与建议； ( 1 ) 研究贫营养条件下生物膜的培养及生物膜特性 a 生物活性过滤工艺生物膜培养方法； b 生物活性过滤工艺生物膜培养期间的除污效能； c 生物活性过滤工艺生物膜的特性研究。 ( 2 ) 研究贫营养条件下饮用水生物强化过滤的除污效能 a 生物活性过滤工艺对沉淀池出水中有机物的去除效能； b 生物活性过滤工艺对沉淀池出水中无机物( 主要研究含氮物质) 的去