（模式识别与智能系统专业论文）饮用水深度处理试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 近年来，水源污染越来越严重，直接影响到人的身体健康。提高饮用水水质的核心 问题是去除水中微量有毒有害物质。在常规的絮凝、沉淀、过滤、消毒净水工艺难以满 足要求的情况下，深度处理技术在给水处理中的发展潜力巨大，应用前景广阔。因此， 研究开发饮用水深度处理新技术与新工艺，保障饮用水水质安全十分必要。 本课题针对水中污染物的特性，从污染物极性角度考虑，将极性无机吸附剂陶粒与 活性炭组成复合滤料，结合臭氧氧化，形成臭氧氧化+ 生物复合滤料过滤深度处理饮用 水的作用机制。该工艺集臭氧氧化、滤料的物理和化学吸附、生物降解技术为一体，有 效地克服了三者单独采用的局限性，充分发挥了三者的优点和协同作用，对水中污染物 具有去除效率高、效果稳定等特点。试验以经常规处理后的济南狼猫山水库水为原水， 分别进行了静态吸附试验及组合工艺连续运行试验。 在总投加量不变的基础上活性炭和陶粒的最佳配比为7 ：3 ；复合滤料对c o d m n 的吸 附平衡时间为4 h ，吸附等温式卵= o 11 6 5 c e l 1 9 8 4 ：温度对复合吸附去除c o d m n 及n h 3 - n 的的影响不太显著；而p h 值对其影响较大，在酸性条件去除率较高，其中p h 值在2 5 5 5 时c o d m n 去除效果最好，最高为3 0 4 ；n h s - n 高去除率的p h 范围更广，在3 5 8 5 之间时 去除率均大于3 0 ；碱性条件下吸附效果较差，去除率低。 活性炭一陶粒复合滤料容易挂膜，在平均温度1 8o c ，平均进水氨氮浓度0 7 m g l ， c o d m 4 m g l ，e b c t 2 0 , - , 3 0 m i n 时，1 4 d 后c o d m n 和n h s - n 的去除率分别稳定在6 0 和 3 0 以上，挂膜基本完成。该新型复合生物滤池长期连续运行时对污染物有稳定而良好 的去除效果，在e b c t l 5 2 0 m i n ，臭氧投加量为3 m g l 的情况下，连续运行9 0 天，对浊 度、c o d m n 、n h 3 n 、n 0 2 - - n 、u v 2 s 4 的平均去除率分别为7 0 1 、5 8 4 、8 6 6 、8 4 1 和4 3 2 。e b c t 对生物滤池净水效果有较大的影响，当e b c t 由5 m i n 延长到1 5 r a i n 再 到2 4 m i n 时c o d m n 的去除率由5 1 提高到6 2 再到7 3 ，浊度的去除率由4 4 至u5 1 再到6 7 ，n h 3 n 去除率由4 5 到9 2 再到9 8 ，n 0 2 一- n 由4 2 到5 5 再到5 7 ，综 合考虑污染物去除效果、处理水量和经济因素选择e b c t 为1 5 m i n 为最佳空床停留时间。 在空床停留时间1 5 m i n ，臭氧投加量3 m g 1 情况下，滤柱5 0 c m 处浊度、n h 3 - n 、n 0 2 - n 、 c o d m n 、u v 2 5 4 去除率已达6 2 、7 0 、6 0 、5 5 和3 8 ，可见由于滤柱上部溶解氧充 足，去除主要集中在滤柱5 0 e m 以上完成。滤柱对n h 3 n 、n 0 2 - - n 的去除率与进水n h 3 n 山东建筑大学硕士学位论文 浓度有关，在n h 3 - n 浓度由0 2 r a g 1 逐渐增加到8 r a g 1 的过程中，n h 3 - n 去除率由4 7 增加到最大值8 8 ( n h 3 - n 浓度1 7 m g l 时) 随后稳定在8 0 左右；n 0 2 - n 的去除率成 抛物线型变化，由6 3 1 到最大值9 0 ( n h 3 n 浓度0 6 m g l 时) 后逐渐下降，当n h 3 - n 浓度提高到3 m g l 以上1 种r - n 0 2 - - n 出现积累。c o d m n 去除率与进水c o d m n 成正相关，其 相关性拟合成对数曲线，相关系数o 8 ；n h 3 - n 的去除率与进水c o d m n 浓度呈负相关性， 拟合成对数曲线，相关系数0 8 。 关键词：饮用水，深度处理，活性炭，陶粒，生物复合滤料 山东建筑大学硕士学位论文 t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho fd r i n k i n gw a t e ra d v a n c e dt r e a t m e n t t e c h n o l o g y a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h es h o r t a g ea n dp o l l u t i o no fw a t e rr e s o u r c ei no u rc o u n t r yi sm o r ea n dm o r e s e r i o u s ，t h ec o n v e n t i o n a lw a t e rp u r i f i c a t i o ns y s t e mc a l l te f f i c i e n t l yr e m o v et h ep o l l u t a n t ss u c h a st h eo r g a n i cm a t t e r ，a m m o n i an i t r o g e ne t c i nt h er a ww a t e r a tt h es a m et i m e ，t h ep u b l i ca l e p a y i n gm o r ea t t e n t i o nt om e i rd r i n k i n gw a t e rq u a l i t y s oa d o p t i n ga d v a n c e dd r i n k i n gw a t e r p u r i f i c a t i o nt oo b t a i nh i g hq u a l i t yw a t e ri sn e c e s s a r y t h es t u d yc h o s ec e r a m i c s ，al a t e - m o d e lw a t e rt r e a t m e n tm a t e r i a l ，c o m b i n ew i n la c t i v e c a r b o nt od i s p o s ed r i n k i n gw a t e ra tad e e pl e v e l t h ec o m p o s i t ef i l t e rh a sl a r g es p e c i f i c s u r f a c ea r e aa n ds t r o n ga b i l i t yo fa d s o r p t i o n m o l e c u l a rw i t hh i g h e rp o l a r i t ya n du n s a t u r a t e d a r ee a s i l ya d s o r b e db yc e r a m i c s ，a n di tc a na l s or e m o v et h ea m m o n i a - ni nm i c r o - p o l l u t e dr a w w a t e re f f i c i e n t l y t h eo s b i o - c o m p o s i t ef i l t e rf i to z o n eo x i d a t i o n ，c o m p o s i t ea d s o r p t i o na n d b i o l o g i c a le f f e c tt o g e t h e r , i to v e r c o m et h el i m i t a t i o n so fu s i n gt h r e es e p a r a t e l y , b u ta l s og i v e f u l l p l a yt ot h es t r e n g t h sa n ds y n e r g i e sa m o n gt h et h r e ep a r t i e s , w i t ht h ea d v a n t a g eo f e f f i c i e n t l ya n ds t a b i l i t ya n ds oo n t h ee x p e r i m e n tu s e st h el a n g m a o r e s e r v o i rw a t e ra st h e r a ww a t e r s t a t i ca d s o r p t i o nt e s t sa n dt h ec o m b i n e dp r o c e s so fc o n t i n u o u so p e r a t i o nt e s t sa r e c a r r i e do u t t h eb e s tm a t c h i n go ft h ea d s o r b e n ti s7 0 a c t i v ec a r b o n + 3 0 c e r a m s i t e t h er e m o v a l e f f e c to fc o d m na n dn h 3 - nb ya c t i v ec a r b o n - c e r a m i c si si n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e i n s i g n i f i c a n t t h et i m eo fa d s 9 r p t i o ne q u i l i b r i u mo fa c t i v ec a r b o na n dc o m p o s i t ef i l t e r m a t e r i a l st oc o d m ni s4 h t h ea b s o r p t i o ni s o t h e r m a lf o r m u l ai sq e = 0 116 5 c e l 19 8 4 t h e r e m o v a lr a t ei si n f l u e n c e db yp hv a l u em o r er e m a r k a b l yt h a nt h a to ft e m p e r a t u r e u n d e rt h e a c i dc o n d i t i o n ，t h er e m o v a le f f e c to fc o d m na n dn h 3 - nb ya c t i v ec a r b o n c e r a m i c si sb e t t e r t h eo p t i m a lc o n d i t i o no fp hv a l u ef o rc o d m nr e m o v ei s2 5 - 5 5a n df o rn h 3 - nr e m o v ei s 3 5 - 8 5 ，h e r e ，t h er e m o v a lr a t e so fn h 3 - ni sb e a e rt h a n3 0 w h i l e ，i th a sb a dr e m o v a lr a t e s b o t hf o rc o d m na n dn h s - nu n d e rt h ea l k a l i n ec o n d i t i o n 山东建筑大学硕士学位论文 t h ec o m b i n e dp r o c e s so fc o n t i n u o u so p e r a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a t ：1 1 1 ef o r m a t i o no f t h eb i o f i l mi se a s y w h e nt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei sa b o u t18o c ，t h er e l a t i v ee l i m i n a t er a t e t a k e na sp a r a m e t e r s ，a f t e r14 d a y s ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 一na r r i v e sa ta b o u t6 0 w ec a l l c o n f i n en l a tt h ef o r m a t i o no ft h eb i o f i l mf i n i s h n er e s u l t so ft h ec o n t i n u o u sd y n a m i c a d s o r p t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a t ：t h ea c t i v ec a r b o n - c e r a m i c sc o m p o s i t ef i l t e rm a t e r i a l sh a s g o o dr e m o v a le f f e c to fp o l l u t a n t s ，u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o nf o rt r e a t i n gr e s e r v o i rw a t e r , 3 m g lo fo z o n ed o s a g e ，15 - 2 0m i no fe b c t ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so ft u r b i d i t y , c o d m m u v 2 5 4 ，n h 3 - na n dn 0 2 一na r e7 0 1 ，5 8 4 ，4 3 2 ，8 6 6 a n d8 4 1 r e s p e c t i v e l y e b c t h a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h eb i o l o g i c a lf i l t e r , w h e ne x t e n dt h ee b c tf r o m5 m i nt o15 m i nt h e n 2 4 r a i n , c o d m r e m o v a lr a t ef r o m51 t o6 2 t h e nt o7 3 ，t u r b i d i t yr e m o v a lr a t ef r o m4 4 t 05l t h e n6 7 ，n h 3 nr e m o v a lr a t ef r o m4 5 t o9 2 t h e n9 8 n 0 2 一一nf r o m4 2 t o5 5 t h e nt o5 7 ，c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t ep o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c y , p r o c e s s i n gw a t e rv o l u m e a n de c o n o m i cf a c t o r s ，t h eb e s tc h o i c ee b c tf o r15 m i na st h eb e s t i nt h ee b c to f15 m i n , o z o n ed o s a g e3 m g lc a s e ，t h ew a t e rt u r b i d i t y , n i t r o g e na n do r g a n i cm a t t e rc o n t e n t sa r e d e c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ef l o wd i r e c t i o n ，b u tm a i n l yc o n c e n t r a t e da b o v e5 0 c mt oc o m p l e t e t h ee f f i c i e n c yo fn h 3 - na n dn 0 2 - - nr e m o v a lr a t ei sa f f e c t e db yt h en h 3 一nc o n c e n t r a t i o ni n t h es o u r c ew a t e r i nt h ep r o c e s so fn h 3 一nc o n c e n t r a t i o nf r o m0 2 m g lg r a d u a l l yi n c r e a s et o 8 m g l ，n h 3 nr e m o v a lr a t ef r o m4 7 t om a x i m u m8 8 f n h 3 - nc o n c e n t r a t i o no f1 7 m g l p m ) f o l l o w e db ys t e a d ya b o u t8 0 ；n 0 2 - - nr e m o v a le f f i c i e n c yi n t oap a r a b o l i c t y p ec h a n g e s ， f r o m - 6 31 t oam a x i m u m9 0 ( n h 3 nc o n c e n t r a t i o no f0 6 m g 1p r o ) d e c r e a s eg r a d u a l l y a f t e r , w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn h 3 - ni n c r e a s et o3 m g l ，n 0 2 乙na c c u m u l a t i o no c c u r s c o d m nr e m o v a li sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h ei n f l u e n tc o d m n ，i t sr e l e v a n c ei sl o g a r i t h m i c , t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti so 8 ；n h 3 - nr e m o v a li sn e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t i lt h ei n f l u e n t c o d m n ，i t sr e l e v a n c ei sl o g a r i t h m i c ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti s0 8 k e yw o r d s ：d r i n k i n gw a t e r , a d v a n c e dt r e a t m e n t , a c t i v a t e d c a r b o n ，c e r a m i c ， b i o c o m p o s i t ef i l t e r i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：盔啦日期亟吐山乙 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名： 日期蔓殳f 殳：6 ：f 兰 日期丛! ：巫! f 少 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 饮用水及水源污染现状 水是人类生活和生产中不可缺少的重要物质。当前随着经济的发展、人口的增加和 人们物质文化生活水平的日益提高，世界各地对水的需求量也逐年增加，一些国家和地 区早在2 0 世纪6 0 年代就发生了水危机，水的问题已经引起了世界各国的普遍关注【1 1 。 就我国而言，虽然水资源总量居世界第六位，约为2 8 1 x 1 0 1 4 m 3 ，但是由于人口众多， 若按人均水资源量计算，人均占有量只有2 3 0 0 m 3 ，约为世界人均水量的1 4 ，美国的1 5 ， 俄国的l 7 ，加拿大的1 5 0 ，在世界排第1 2 1 位，已经被联合国列为1 3 个贫水国家之一 目前在中国的6 6 6 座城市中，3 3 3 座城市缺水，其中1 0 8 座城市严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万吨，因缺水造成的年工业经济损失多达2 3 0 0 多亿元。在水资源短缺的总体状况下，中 国水资源分布还呈现出区域间和季节间的巨大不均衡的特点，其分布东多西少，南多北 少；夏秋多，冬春少。这意味着，冬春在北方地区尤其是西北地区的水资源短缺更加严 重。与此同时，现阶段人们对水资源的需求和消耗不断增加，预计到本世纪中期，全国 总用水量将从过去的5 0 0 0 多亿m 3 增n n 8 0 0 0 亿m 3 左右，届时总用水量已达我国可利用水 资源总量的2 8 以上。按照国际上的经验，当一个国家的用水量超过其水资源可利用量 的2 0 时，就很可能发生水危机【2 - i s l 。因此，我国正面临水资源短缺的严峻挑战。 除了水资源匮乏，我国水污染状况十分严重。由于水处理设施的滞后和非点源污染 控制不够得力，许多生产废水和生活污水未达排放标准就直接排入饮用水水源的天然水 体( 包括江河水、湖泊水、水库水以及地下水，其中又以江河水为主) ，致使水体受到 不同程度的污染，且已从河流蔓延到近海水域，从地表水延伸到地下水。 表1 1 全国近年废水和主要污染物排放量 项目废水排放量( 亿吨) 化学需氧量排放量( 万吨)氨氮排放鼙( 万吨) 年度 合计工q l ,生活合计1 业生活合计1 ：业生活 2 0 0 65 3 6 82 4 0 22 9 6 61 4 2 8 25 4 1 58 8 6 7 1 4 1 34 2 59 8 8 2 0 0 75 5 6 82 4 6 63 1 0 21 3 8 1 85 1 1 18 7 0 81 3 2 33 4 19 8 3 2 0 0 85 7 22 4 1 93 3 0 11 3 2 0 74 5 7 68 6 3 11 2 72 9 79 7 3 根据2 0 0 8 年中国环境状况公报【6 】( 如表1 1 ) ，全国废水排放总量5 7 2 0 亿吨，比上年 增加了2 7 ；化学需氧量排放量1 3 2 0 7 万吨，比上年下降了4 4 ；氨氮排放量1 2 7 0 万吨， 山东建筑大学硕士学位论文 比上年下降了4 o 。 环境公报中指出，全国地表水污染依然严重。其中，长江、黄河、珠江、松花江、 淮河、海河和辽河七大水系水质总体与上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，i i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 5 0 、2 4 2 和2 0 8 。其中，珠江、长江水质 总体良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。主要 污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类。2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足类水质的4 个，占1 4 3 ；i i i 类的2 个，占7 1 ；类的6 个，占2 1 4 ；v 类的5 个，占1 7 9 1 劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。主要污染指标为总氮和总磷。在监测营养状态的2 6 个湖( 库) 中， 重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的6 个，占2 3 0 。 由此可见，目前我国水环境的总体形势是t“局部有所改善，整体仍在恶化，前景 令人担忧 。在今后相当长的一个时期内，饮用水资源匮乏和水污染的状况无疑将继续 存在，严重威胁我国经济与社会的可持续发展。 1 2 水污染带来的危害 据世界卫生组织调查，人类疾病8 0 与水质有关，全球每年平均5 0 0 万人死于与水质 有关的疾病。水污染中，有机物污染和氨氮污染是当今世界范围所面临的普遍问题，具 有极大的危害性。 ( 1 ) 有机物对水源的污染 原水中的有机物污染大致可以分为两类：一类是天然有机物( n o m ) ，另一类是人 工合成有机 ( s o c ) t 7 1 。n o m 主要是指动植物在自然循环过程中腐烂分解后所产生的大 分子有机物，人工合成有机物则主要包括农药、各种商业用途的合成物以及一些工业废 弃物等。目前已经知道的有机物种类多达7 0 0 多万种，其中人工合成的有机物种类就多达 8 0 万种以上。这些有机物在生产、运输、使用或其它过程中以多种途径进入到水体中 1 8 】f 1 0 1 。我国的研究分析结果表明，目前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【m1 2 1 。其中，上海检测出有机物7 0 0 多种，天津2 0 0 多种，就连水质较 好的北京市也检测出5 0 多种有机物【1 3 】。这些污染物大多在水体中不易分解，常规净水工 艺难以去除，在环境中有一定的积累性，大部分本身具有毒性，部分还具有三致作用， 构成了对人类健康的潜在威胁1 4 1 。 ( 2 ) 含氮化合物对水源的污染 水体中的氮化物主要有两种形态：有机氮和无机氮。有机氮是指氨基酸、蛋白氮和 尿素等；无机氮是指氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。水体中的氮主要来源于生活污水和 山东建筑大学硕士学位论文 工业废水中的氮污染物。城市生活污水中的氮主要来源于人们的日常生话中的一些含氮 的溶解或非溶解性的物质，例如肉、碎菜、粪便等排入下水中而形成的，其主要形式是 有机氮和氨氮。工业废水中也含有大量的氮，主要来源于生产过程中与水接触的含氮生 产原料和废料【1 5 1 。0 8 年环境公报指出，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很大的危害，同时当管网中有氨氮存在时， 会成为细菌的养料，使细菌繁殖，从而引起水在管网中的二次污染。有研究表明，在水 处理厂和配水系统中，足以使硝化细菌生长繁殖的氨氮量仅为0 2 5 m g l ，而由硝化菌释 放出来的有机物会造成嗅味等问题【1 5 1 6 1 。 由此可见，饮用水中有机物污染和氨氮污染正严重威胁着人们的健康，水源污染给 饮用水处理带来了极大的困难。 1 3 水质标准的提高 随着科学技术的发展、人们对生活质量的要求越来越高，水质规范和水质标准不断 地被修订。 我国于1 9 5 9 年颁布了第一个饮用水水质标准，只包括1 6 项水质指标，着重考虑浊度、 色度、嗅味等感观性指标；至1 j 1 9 7 6 年修订的标准将水质指标增 j u 蛩 2 3 项，重视了金属等 毒理学指标；8 0 年代以来，随着污染加剧以及检测手段的提高，开始注重有机污染物指 标。1 9 8 5 年提出的g b 5 7 4 9 8 5 正式规定的限量参数共3 5 项，其中有机物指标只有6 项，与 国际水质标准特别是对有机物的控制方面的差距很大。2 0 0 1 年9 月1 日施行的生活饮用 水水质卫生规范是对1 9 8 5 年颁布实施的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 的重 大突破。该规范的检测项目增加到了9 6 项，其中常规检测项目有3 4 项，非常规检测项目 有6 2 项，1 0 项无机物除外其他皆为有毒有害有机物，包括消毒副产物、藻毒素、农药等。 该规范可以说已基本上与国际标准接轨f 1 7 】。在此基础上国家标准委和卫生部于2 0 0 6 年 1 2 月修订了生活饮用水卫生标准和1 3 项生活饮用水卫生检验方法国家标准，并联合 发布了生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 强制性国家标准。新标准已于2 0 0 7 年7 月1 同开始分步执行，全部指标最迟于2 0 1 2 年7 月1 日实施，其中规定指标由原标准的 3 5 项增至1 0 6 项。新标准针对我国地面水污染状况，水质指标中增加了有机物及藻类污染 等项目。我国目前水源有机污染比较严重，又无法普及对具体有机物和测定总有机物 ( t o c ) 的检测，因此新标准将耗氧量作为有机物综合指标是一种符合我国国情的方法【1 8 】。 水质标准的提高迫使水处理工作者对原有工艺进行改造强化和新工艺的研究开发， 山东建筑大学硕士学位论文 针对水源水质的状况改进水厂处理工艺、提高供水水厨1 9 】。 1 4 常规水处理工艺存在的问题 目前，我国以地表水为饮用水水源的水厂大都采用混凝沉淀过滤消毒等常规水处 理工艺，主要去除水中浊度、悬浮凯胶体杂质并杀灭病菌 2 0 l 。随着水体水质恶化、饮 用水水质标准的提高以及分析监测手段的逐步完善，采用常规水处理工艺处理被污染的 饮用水源原水已不能满足饮用水水质的要求。 常规原水处理技术存在的问题： ( 1 ) 由于水源水中各种污染物成分增加，水中的有机污染物又大多是带负电的化合 物，当水体受到有机污染时，无机胶体颗粒表面对多为携带负电荷的有机物有吸附作用， 使其带电特性发生变化，导致胶体z e t a 电位升高，为了使胶体脱稳，有效去除浊度，保 证出水水质就必须加大混凝剂的投加量，这不仅使水处理成本上升，而且出水味道变差， 腐蚀性增强，水中金属离子浓度增加，不利于居民的身体健康【2 i 】。 ( 2 ) 混凝剂易与憎水性强的大分子有机物鳌合，发生电性中和和吸附架桥作用，使 其得到有效的去除，而小分子有机物亲水性强，在水中接近真溶液状态存在，不易与混 凝剂结合或絮体吸附，故去除效果不佳。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的2 0 3 0 。并且由于溶 解性有机物的存在，胶体的稳定性不利于被破坏，从而使常规工艺对原水浊度的去除效 果也明显下降( 仅为5 0 - - 6 0 左右) ，同时水中的氨氮问题也不能得到有效的解决，去 除率仅为1 0 左右【2 2 1 。 ( 3 ) 为防止藻类和微生物在水处理构筑物中的生长，大多数水厂采取预加氯措施， 此外，采用折点加氯法控制出厂水中氨氮浓度及获取必要的余氯，由此产生的大量有机 卤化物导致水质毒理学安全性明显下降。国内上海、武汉等地饮用水在致突变活性试验 中均呈阳性结果，而该试验阳性物与致癌物有近7 0 的一致性【2 2 】。 ( 4 ) 有机污染物进入管网后，会被管壁上附着的氯化后仍存活的微生物所利用，使细 菌重新生长并在管道中形成生物粘垢，不仅加快了管道的腐蚀，增大了输水能耗，而且 使用户水色度和浊度上升，细菌数增加，导致水质的二次污染。 由此可知，要解决饮用水存在的问题，就必须重视水中化学物质带来的安全性问题 和微生物带来的生物稳定性问题，这就要求我们积极研究开发各种饮用水深度处理技术。 特别是开发针对原水降低高锰酸盐指数、氨氮的去除、预处理、安全加氯等问题的深度 处理工艺显得尤为重要。 山东建筑大学硕士学位论文 1 5 饮用水深度处理工艺及应用 深度处理工艺通常是用于饮用水常规处理工艺之后，采用适当地处理方法，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加以有效去除，以提高和保证饮用水 水质的方法。目前应用较为广泛的深度处理技术主要有活性炭吸附法、生物活性炭技术、 臭氧活性炭法、深度氧化技术、膜技术等。 ( 1 ) 活性炭吸附法 活性炭是目前所有饮用水深度处理技术应用最广泛的一种深度处理技术，不仅对色、 嗅、味、农药、消毒副产物和微量有机污染物等具有一定的吸附能力，还可以通过氧化、 催化还原、鳌合或络合、吸附等机理有效去除铁、锰、铜、汞、铬、砷等重金属，且生 产方便。常用的活性炭种类主要为粉末活性炭( p a c ) 和颗粒活性炭( g a c ) 。p a c 基 建投资省且价格便宜，另外不需增加特殊设备和构筑物，一般用于当水质季节性变化或 发生突发性事故时水源处理的临时投加。g a c 处理效果稳定，因而得到广泛应用，美国 环保署( u s e p a ) 发布的饮用水标准中有5 1 项将g a c 列为最有效技术( b a t ) 。西欧一 些水厂使用颗粒活性炭，平均可降低水中2 0 - - 3 0 的总有机碳。g a c 处理工艺的缺点 是：活性炭一般只能有效吸附分子大小在1 0 0 1 0 0 0 埃之间的有机物和分子量4 0 0 以下的 低分子量的溶解性有机物，而对于极性高的低分子化合物及腐殖质等高分子化合物难于 吸附；基建和运行费用较高；存在易滋生细菌产生亚硝酸盐等致癌物；相对短期或突发 性污染适应性差等。因此，如何进一步提高活性炭吸附效率，降低基建投资和运行费用， 降低活性炭再生成本，g a c 技术的深入研究应用等将成为今后的研究重点。 ( 2 ) 生物活性炭技术 生物活性炭技术是活性炭多年应用于饮用水处理的实践中产生的，它是指水处理过 程中，有意识地助长在活性炭吸附中的好氧生物活性的处理工艺。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。微生物群落可以分散 覆盖在活性炭表面，也可以成膜覆盖在整个炭粒外表面。活性炭是一种多功能载体，其 兼有吸附、触媒和化学反应活性的作用。微生物附着在活性炭上，能发挥生化和物化处 理的协同作用，可以处理那些单独采用炭吸附法或生化处理不能去除的污染物，从而延 长活性炭的使用周期；减少了后氯化的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量，改善出水水 质，降低运行费用；水中氨氮可被微生物转化为硝态氮，大大提高处理效率。采用生物 活性炭法的缺点是该法一般采用自然挂膜的方式，挂膜时间较长；当进水浊度高时，活 性炭微孔容易被堵塞，在长期高浊度的情况下，会缩短活性炭使用周期；进水水质的p h 山东建筑大学硕士学位论文 值适用范围较窄，抗冲击负荷能力差。今后的研究的重点是降低生物活性碳技术的使用 成本并在该法前增加预处理工艺以提高生物活性碳法的处理效率。 ( 3 ) 臭氧氧化法 臭氧氧化化技术应用最广泛、最成功的领域是饮用水处理f 2 4 1 。臭氧在碱性环境中的 氧化还原电位仅次于氟，远远高于水厂中常用的消毒剂液氯，因此是一种很强的氧化剂 和消毒剂。研究表明，臭氧与有机物反应时具有很强的选择性，对水中形成的三卤甲烷 几乎没有去除作用。同时臭氧氧化还能使水中可生物降解物质增多，引起细菌繁殖，降 低出厂水的生物稳定性。这些因素的存在使臭氧很少在水处理工艺中单独使用。臭氧在 饮用水处理中的应用主要为预氧化和后氧化【2 5 1 。预氧化的主要作用是改善感观指标，去 除铁、锰及其它重金属、藻类，助凝，将大分子有机物氧化成为小分子有机物，氧化无 机物如硝化物等。臭氧后氧化主要是与生物活性炭联用即形成臭氧生物活性炭 ( 0 3 b a c ) 法。进水先经臭氧氧化后其中的大分子有机物分解为小分子状态，这样就使 有机物进入活性炭微孔内部的可能性大大提高【2 6 1 。活性炭能够吸附经臭氧氧化后产生的 大量中间产物，包括臭氧无法去除的三卤甲烷及其前驱物质。同时附着在活性炭上的微 生物与活性炭可以发挥生化和物化处理的协同作用，大大延长活性炭的使用周期【2 7 1 ，并 提高了最后出水的生物稳定性【2 引。臭氧一生物活性炭技术的第一次联合使用是1 9 6 1 年在 德国的d u s s e l d o 缔的a m a t a a d 水厂中开始的，它的成功立即引起了德国及西欧水处理工 程界的重视【2 9 1 。自从德国杜尔塞多水厂首先使用至今，已有近3 0 年历史，现己广泛地推 广应用于欧洲国家的上千座水厂中。在欧洲，臭氧活性炭法被公认为处理污染原水、降 低饮用水中有机物浓度最有效的方法【3 0 】。目前对该法关注的重点是对臭氧氧化机理的研 究和如何更有效的利用臭氧去除饮用水中有机物。 ( 4 ) 膜技术 膜分离技术是一种新型的流体分离单元操作技术，以高分子分离膜为代表。它具有 物质不发生相变，分离系数大，在常温下进行，适用范围广及装置简单，操作方便等特 点，在水处理界的应用越来越广泛【3 1 1 ，包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和 反渗透( r o ) 等。微滤技术主要用于过滤0 1 1 0 1 a m 大小的颗粒、细菌和胶体等物质，作 为一种较经济的微过滤方式其在饮用水处理方面应用广泛，可代替常规的混凝过滤和二 沉池，并且具有在水质波动较大时仍可连续处理，占地面积小的特点，因此是目前应用 最广泛的一种膜分离技术。超滤膜的孔径范围为0 0 5 l n m ，主要用于去除悬浮物、固体 颗粒、胶体和大分子有机物质。纳滤介于反渗透和超滤之间，其操作压力一般为 山东建筑大学硕士学位论文 0 5 m p a - i 0 m p a 3 2 1 ，广泛应用于水中低分子有机物、三卤甲烷潜体、农药、异味、氟、 硼、砷硝酸盐、硫酸盐等有害物质的去除【3 3 】。反渗透膜几乎对所有溶质都有很高的去除 率，反渗透的出水水质很高，因此在水处理中通常于最后的精制阶段使用。目前，美国、 法国、英国、日本、澳大利亚、南非和荷兰都已相继建立了生产性膜技术水厂。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。我国的 膜技术在饮用水深度处理领域的应用与世界先进水平尚有较大差距，目前尚未在国内大 面积使用。膜技术今后的研究重点是长寿命、高强度、高通量、抗污染膜材料的开发和 制造。在膜的使用中着重解决膜污染、清洗和浓差极化等关键问题。 ( 5 ) 深度氧化技术 饮用水深度氧化法( a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s 简称a o p ) 是指使用产生的羟基自由 基对原水中的污染物质进行更彻底氧化的方法。该技术具有氧化能力强、有机物去除效 率高、对水中有机优先控制污染物如三氯甲烷、三氯乙烯、四氯化碳、四氯乙烯、六氯 苯及多氯联苯等也能进行有效分解且没有选择性的特点。近年来深度氧化技术得到了长 足的发展，以提高o h 生成量及生成速度为主要的研究内容的【蚓，出现了臭氧一过氧化 氢( 0 3 a 1 2 0 2 ) 3 5 】、臭氧一二氧化锰( o s m n 0 2 ) 【3 6 1 、臭氧一紫外线( 0 3 u v ) 3 7 1 、臭 氧一二氧化钛( 0 3 厂r i 0 2 ) 联用技术等【3 8 】。深度氧化法的设备复杂，处理费用高，目前该 技术还处于实验室和中试阶段，实际应用上只限于小水量规模处理。今后的研究重点是 解决长期运行过程中催化剂中毒问题、寻求理想的再生方法和实现深度氧化处理装置的 简捷、小型化。 1 6 饮用水深度处理的发展趋势 近年来，水资源匮乏和污染现象日益突出，同时居民环保意识的增强、生活水平的 不断提高和健康条件的同益改善，使饮用水水质标准越来越严格。在常规的水处理工艺 难以满足要求的情况下，饮用水深度处理技术在给水处理中的应用潜力巨大，发展前景 十分广阔，其研究和应用呈现蓬勃发展的趋势。我国的饮用水深度处理技术同世界先进 水平差距较大，目前应积极研究开发各种深度处理饮用水的工艺，降低投资和运行成本， 更好的推进深度处理技术在我国给水处理工程上的应用。 1 7 本课题应用的理论基础 本课题选用臭氧一复合填料生物滤池工艺深度处理饮用水。臭氧生物滤池对污染物 的去除包括三个过程：臭氧氧化、复合填料吸附和生物降解，即在对污染物的去除上， 先发挥臭氧的强氧化能力，将其氧化成可被生物降解的小分子物质，接着利用填料良好 山东建筑大学硕士学位论文 的吸附能力将其吸附，再由吸附在填料上的生物对吸附的物质进行生物降解，而臭氧分 解后产生的氧，可以提高水中溶解氧浓度，使水中溶解氧呈饱和状态或接近饱和状态， 为填料处理中的生物降解提供必要条件。三个过程是一个有机整体，协同作用完成对污 染物质的去除。 1 7 1 臭氧氧化的理论分析 1 7 1 1 臭氧的基本特性 常温常压下，较低浓度的臭氧为无色气体。当浓度达到1 5 时，呈现出淡蓝色。臭 氧能溶于水，常温常压下臭氧在水中的溶解度比氧气高约1 3 倍，比空气高约2 5 倍。臭氧 的熔点为一1 9 2 ，沸点为一1 1 1 ，密度为2 1 4 9 l ( o ，o 1 m p a ) 。臭氧及不稳定， 在常温常压下即可分解为氧气。臭氧在水溶液中强烈地受到羟离子的催化，分解速度比 在气相中的分解速度快的多，其分解过程如下： 0 3 + h 2 0 _ h o 升+ o h h o ”+ 3 0 h 。一2 h 2 0 + 0 2 0 3 + h 0 2 _ o h + 2 0 2 h o + h 0 2 一h 2 0 + 0 2 臭氧在水中的分解速度与温度和p h 值有关。温度越高，分解速度越快，当温度超过 1 0 0 c 时，分解非常剧烈，温度达到2 7 0 时，立即转化为氧气。p h 值越高，分解速度也 越快。臭氧于常温下蒸馏水中的半衰期约为1 5 3 0 m i n 。 1 7 1 2