（水力学及河流动力学专业论文）强化过滤处理长兴港区微污染水源水实验研究.pdf

摘要 随着水资源的短缺与水源污染问题的日益严重，常规过滤工艺已经不能保证良好 的出水水质，对浊度、耗氧量、氨氮、重金属等污染物的去除效果不甚理想，因此， 强化过滤工艺也就成为现代给水技术发展的新课题之一。 现有强化工艺手段主要集中在以下几个方面：改性滤料的开发与运用、二次微絮 凝与预氧化技术、生物活性炭与臭氧一生物活性炭和各种强化工艺的联合运用。 本论文针对长兴港区低浊、高藻、高有机物和重金属污染的水质特点，采用中试 试验，进行了炭砂双层生物滤池和改性滤料以及炭砂生物滤池的二次强化微絮凝等工 艺对港区微污染原水处理研究。以浊度、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 、氨氮、亚硝酸盐氮、 硝酸盐氮、色度、铁、锰和生物滤池过滤的滤速变化以及过滤周期为指标评价了炭砂 生物滤池和改性石英砂滤料的过滤效果。 试验结果表明： ( 1 ) 炭砂双层生物滤池对浊度、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 、氨氮、亚硝酸盐氮、 铁、锰的去除主要发生在上层生物活性炭层，去除率分别为7 5 8 、3 3 1 、3 9 1 、 6 0 6 、6 2 4 、4 6 6 和6 5 o 。对硝酸盐氮的积累能力表现也最为明显，相比增加 了1 2 3 m g l 。 ( 2 ) 炭砂双层生物滤池对沉后水中的高锰酸盐指数、u v 2 5 4 、氨氮、亚硝酸盐 氮和色度的去除效果均优于单层的均质石英砂滤料，去除率分别为4 1 、4 9 2 、7 1 、 7 8 6 ，出水色度小于5 ，保证率为1 0 0 。对浊度、锰的去除效果两者基本等同，对 铁的去除效果稍微差： ( 3 ) 炭砂生物滤池在4 0 h 过滤周期内滤池滤速的降低幅度较小，且对出水水质 影响不大； ( 4 ) 采用0 1 m g l 的p a c 强化二次微絮凝技术能够提高炭砂生物滤池对污染物 的去除效果，对浊度、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 、铁的去除率提高了1 1 、3 0 、4 3 和9 。 ( 5 ) p a c 改性石英砂滤料对浊度、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 均有良好的强化去除 效果，与未经改性的石英砂滤料相比，去除率提高了o 3 、1 3 8 、1 2 4 ，改性滤 料对高浓度铁锰水的处理效果好，进水铁浓度为1 0 5 m g l 和1 2 1 m g l 时，改性石英 砂滤料对铁的去除率比普通石英砂滤料高1 8 1 和9 1 。 关键词：微污染水源水：强化过滤；炭砂双层生物滤池；二次微絮凝；改性滤料 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es h o r t a g ea n dt h ei n c r e a s i n gp u l l u t i o no fd r i n k i n gw a t e rs o u r c e ，i ti s l e s se f f i c i e n c yt ot h et u r b i d i t y 、o x y g e nc o n s u m e d 、a m m o n i an i t r o g e na n dh e a v ym e t a lb y t h ec o n v e n t i o n a lf i l t e r a t i o n e n h a n c e df i l t e r a t i o nw o u l db e c o m ean e wt a s ki nt h em o d e m p o t a b l ew a t e rs u p p l y n l ee x i s t i n ge n h a n c e df i l t e r a t i o n t e c h n o l o g ym a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f c o a t e df i l t e r 、s e c o n d a r ym i c r o f l o c c u l a t i o na n d p r e o x i d a t i o n 、b i o l o g i c a l a c t i v a t e d c a r b o n ( b a c ) 、o z o n a t i o n - b i o l o g i c a l a c t i v a t e d c a r b o n ( 0 3 b a c ) a n dc o m b i n e dp r o c e s s i nt h i st h e s i s ，t h ew r i t e ra i m sa tt h el o wt u i b i d i t y 、h i g ha l g a ea n do r g a n i cs u b s t a n c e a n dh e a v ym e t a lp o l l u t a n to fs o u r c ew a t e ri nc h a n g x i nh a b o r ，a n dh a su s e dt h ep i l o t - t e s t r e s e a r c h e dt h er e m o v a lt u r b i d i t y 、c o d m n 、u v 2 5 4 、a m m o n i an i t r o g e n 、n i t r i t en i t r o g e n 、 n i t r a t en i t r o g e n 、i r o na n dm a n g a n e s eb vb a c - s a n df i l t e r 、s e c o n d a r ym i c r o f l o c c u l a t i o n a n dp a c c o a t e df i l t e r 1 1 r e s u l to f t h et e s ts h o w st h a t ： ( 1 ) t h er e m o v a lo f t u r b i d i t y 、c o d m n 、u v 2 沁a m m o n i an i t r o g e n 、n i t r i t en i t r o g e n 、 n i t r a t en i t r o g e n 、i r o na n dm a n g a n e s eb vb a c s a n df i l t e ri sm a i n l yi nt h eu p p e rb a c f i l t e r a t i o n ，a n dt h er e m o v a lr a t ei s7 5 8 、3 3 1 、3 9 1 、6 0 6 、6 2 4 a n d 6 5 0 r e s p e c t i v e l y t h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i t en i t r o g e nb yb a c s a n df i l t e r a t i o nc a na l s ob e e a s i l yd e t e c t e di nt h et e s t 。i th a si n c r e a s e dt o1 2 3 m # l ( 2 ) d u a l m e d i u mb a c s a n df i l t e ri sm o r ee 伍c i e n tt h a nh o m o g e n e o u ss a n df l t e ri n r e m o v i n gt h ec o d m n 、u v 2 补a m m o n i an i t r o g e n 、n i t r i t en i t r o g e n ，w i t ht h er e m o v a lr a t e r e a c h i n g4 1 、4 9 2 、7 1 o a n d7 8 6 ，i n f l u e n c ec o l o rl e s st h a n5a n de n s u r e n c e s t a n d i n ga t1 0 0 t h er e m o v a lr a t eo f t u r b i d i t y 、m a g a n e s es t a n d sa tt h es a m el e v a l ，b u ti t i sl e s se f f e c t i v ei nr e m o v i n gi r o n ( 3 ) u n d e rt h e4 0 hf i l t e r a t i o nc y c l e ，b a c s a n df i l t e r a t i o nr a t ed e c r e a s e sw i t h i na n a r r o wr a n g e 。a n dt h ei n f l u e n c et ot h ew a t e rq u a l i t yi ss m a l l ( 4 ) s e c o n d a r ym i c r o f l o e c u l a t i o nc a ne n h a n c e dt h er e m o v a le 伍c i e n e yo ft h e p o l l u t a n t s ，a n dt h er e m o v a lr a t ei n c r e a s e sb v1 1 、3 o 、4 3 a n d9 t ot h et u r b i d i t y 、 c o d m n 、u v 2 5 4a n di r o nr e s p e c t i v e l y ( 5 ) p a c - e o a t e ds a n dc a nr e m o v et u r b i d i t y 、c o d m n 、u v 2 5 4e f f e c t i v e l y ，c o m p a r e d 晰m o r d i n a r ys a n df i l t e r ，t h er e m o v a lr a t ei n c r e a s eb y0 3 、1 3 8 a n d1 2 4 i ta l s oc a nt r e a t t h eh i g hi r o np o l l u t e dw a t e re f f e c t i v e l y ，w h e nt h ei r o nc o n t e n ti s1 0 5 m g la n d1 21m g l ， t h er e m o v a lr a t eo fi r o nb yc o a t e df i l t e ri sh i g h e r18 1 a n d9 1 t h a no r d i n a r ys a n d 蠡l t e r k e yw o r d s ：m i c r o - p u l l u t e ds o u r c ew a t e r ；e n h a n c e df i l t r a t i o n ；d u a l m e d i u m b a c s a n df i l t e r ；s e c o n d d a r ym i c r o - f l o c c u l a t i o n ；c o a t e df i l t e r u 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：旌裂义眺沁厂月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者躲移彩也日期沙椎厂月多日 翩签名：畔抄仪期：冲朋垆日 1 1 港口水污染现状 第1 章绪论 随着社会经济的发展，工业化进程的加快，我国的环境状况不容乐观，特别是水 资源的污染与浪费现象十分严重；港口虽然不是直接生产和加工场所，但是港口有大 量、多类物资通过车船的运送在此集散，有的物资本身就是一种污染源，因此港区源 水水质大体呈现为油污、有机物含量高，港区水体富营养化加剧，生生活污水与工业 废水并行排放的特点。我国新的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - 2 0 0 6 ) 相比于旧标 准对出厂水质有了更严格的要求。我国港口城市供水行业面临着水源水质污染和水质 标准提高的双重压力。我国现在是一个发展中国家，经济基础还比较薄弱，无力对现 有水厂进行大规模的扩建，因此，对现有工艺流程进行改进、挖潜不失为一种行之有 效的办法。为此，强化工艺也就成为了研究热点与重点。 港口是供船舶航行、停泊使用，各种物资资源的集散地。港口水域与河、湖泊、 海相通以及水流运动等原因，还是工农业、民用，生产养殖，乃至水上运动重要的水 源地，水体本是无毒、无臭、无污染的洁净水。但是随着港口货运吞吐量的不断加大 和对港区水源依赖程度的加大，港口水源污染已经成为了制约港口可持续发展的一个 重要因素。港口水域的污染源主要来自以下几个方面：船舶排放的废油、废渣、动 力装置的冷却水、被油污污染的船舱水、洗舱水和生活垃圾等；船舶事故或码头以 及水上作业造成的油污泄漏；港区排放的未经过处理的生活污水和生产废水；港 区及航道挖泥疏浚，使淤泥、各种腐殖质以及水下的有毒物质被扰动、掀起和释放出 来，造成的水体的混浊度和有机物含量的急剧上升。我国港口一直把防治船舶石油类 物质对环境的污染作为港口防治污染的主要内容，但对其他污染一直没有足够的重 视，特别是近几年来港口水体的富营养化引起的大规模藻类爆发，人工合成有机物污 染，重金属污染等。为此，针对港口水源水现状，研究其除油后的去除浊度有机物污 染等常规水厂指标也就具有十分重要的现实意义。 在传统的“混凝沉淀过滤一消毒”水处理工艺中，混凝工艺对稳定性有机物、 细菌、病毒、原生动物的去除较低，而且随着水源污染的加剧，各种污染物容易吸附 在胶体表面形成有机保护膜，不但使胶体表面电荷密度增加，而且阻碍了胶体颗粒的 结合。过滤一般是指以粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水得到净化的过程。主 要是去除水中的浊质物质，同时水中的有机物、细菌、病毒也将随浊质的降低而被去 除，滤后水中的各种物质在失去浊质的保护作用后，也容易在滤后的消毒过程中被杀 灭，减轻了滤后消毒的负担。 过滤作为饮用水的净化过程中是不可或缺的一道工序，是保证饮用水卫生安全的 关键工艺之一。 1 2 过滤技术的发展简史 1 2 1 慢滤池 1 8 2 9 年在英国的p a i s l e y 1 】建立了第一座城市慢砂滤池供给城市用水，在实际的 运行过程中，其净水机理比较复杂，主要是在机械筛滤、生物吸附降解、沉淀、静电 吸附等一系列复杂的物理化学和生物化学的作用下完成净水过程。除了其出水水质比 较稳定外存在如下缺点： ( 1 ) 滤速慢，一般为o 1 o 3 m h ： ( 2 ) 滤池水力负荷低、单位面积产水率小； ( 3 ) 工作周期长、清洗过程复杂； 1 2 2 普通快滤池 2 0 世纪初，当混凝技术出现后，慢滤池逐渐被淘汰，快滤池的运用广泛起来。 1 8 8 5 年美国人开发了快滤池过滤工型2 】，快滤池的滤速一般为7 l o r n h ，现代快滤池 滤速可以达到2 0 m h 甚至更高，是慢滤池的十几倍甚至是几十倍。其工作特点是：滤 速快，处理水量大，在处理同等量的水时比慢滤池面积小；工作周期短，过滤周期一 般为十几个小时。但是普通快滤池存在如下缺点： ( 1 ) 由于水流过滤方向为下向流，反冲洗导致滤料出现水力分级现象，在生产实 践中发现只有上层l o o m m 表面的滤料能有效截留水中的悬浮颗粒物，中下层的大部 分滤料没有充分发挥其过滤作用； ( 2 ) 上层的滤料粒径小，滤池堵塞快，水头损失增长十分快： ( 3 ) 原水有机物污染严重时，滤池进水颗粒的化学稳定性高，石英砂滤料对其去 除率低，造成滤池出水浊度不达标，微生物特别是原生微生物极容易穿透滤池。 1 2 3 反向过滤技术 由于传统下向流过滤工艺存在滤料截污层薄，滤床容污量小，水头损失增长快等 缺点。2 0 世纪5 0 年代有人提出了反向过滤思路：即过滤水流由下向上经过滤床。 s h e k h t m a n t 3 1 进行大量研究后认为：合理有效的过滤应该是待滤水先经过粗滤料再经 过细滤料的过程。i v e s 4 j 也认为为了改善水质充分发挥整个滤床的截污作用，滤料沿 过滤水流方向的布置应该是先粗后细的方式。反向过滤解决了滤床容污量小的问题， 待滤水从滤床底部进入滤床，先经过粒度比较粗的底部大滤料，然后进入细滤料层， 滤层的截污空间能够得到充分的发挥，悬浮物的在滤层的穿透深度也比较大。由于过 滤水流方向与反冲水流方向一致，污物主要截留在下层滤料中，大量的污物在冲洗过 程中必须通过整个滤床才能排出，所以要求滤池的反冲洗强度大，滤床的膨胀率大， 易出现上层细滤料流失现象。 1 2 4 多层过滤技术 为了获得反向过滤的最佳效果，同时又解决冲洗问题，r a y m o u dp i t m a u 和w a l t e r c o u l e y 提出t - - 层或者双层下向流过滤技术【5 】o 多层滤料滤池上层采用滤料质量比较 2 轻的大颗粒均质滤料，如：无烟煤、活性炭；中层采用粒径小质量大的滤料，如：普 通石英砂、均质陶粒，下层则为质量更大的磁铁矿滤料。多层滤料过滤能基本达到反 向过滤的效果，但是在筛选滤料的过程中不可能使粒径均匀相等，在反冲洗的过程中， 每一层滤料仍然摆脱不了上细下粗的滤料粒径组成。反冲洗过程应该注意相邻滤料层 之间的混层现象。 1 2 5 生物过滤技术 为了解决日益严重的水源污染带来的水厂出水水质得不到保证的问题，改善出水 水质，使过滤工艺能够适应原水水质的变化，开发了生物过滤技术。典型的工艺有臭 氧一生物活性炭，活性炭不但容易吸附水中苯类化合物和小分子的腐殖质 6 1 ，而且可 以通过生物活性炭表面的微生物降解去除由臭氧氧化分解增加的b d o c ( 生物可降解 溶解性有机炭) 【7 】。瑞士苏黎士的l e n g g 水厂，法国的r o u e n 的l ac h a m p e u e 水厂， 我国的北京田村山水厂，昆明的第五水厂等利用臭氧生物活性炭工艺处理微污染水源 水获得了良好出水水质。 1 3 现有强化过滤工艺 1 3 1 强化过滤的研究现状和发展趋势 1 3 1 1 改性滤料的研究 石英砂是一种广泛用于各种给水处理、污水处理和环境治理的净水材料。由于石 英砂滤料表面孔隙少比表面积和等电点较低，在正常条件下带负电，使得它对水中 有毒物质( 重金属离子等) 、细菌、病毒和有机物的去除效果很不理想。因此，人们 在传统过滤介质的基础上研发了改性滤料。 ，+ 改性滤料是在载体表面涂以金属的氧化物或氢氧化物，使滤料的z e t a 电位改变同 时提高滤料的等电点【3 】，并且增大滤料的比表面积，从而增加对悬浮物和有机物的吸 附容量【9 】。e d y a t e s 等学者研究了氧化物在水界面上及其表面上吸附阴阳离子的机理 模型，这些研究为对氧化铁，氧化铝涂层砂的研究奠定了基础。j i b a nks a t p a t h y 1 u j 在平均几何尺寸为0 7 1 m m 的石英砂上涂以硝酸铁，e d a x 光谱显示单位质量滤料的表 面积比未涂层砂表面积增加了将近4 0 倍。印度工业学院的a n mj o s h i e n l 等制成氧化铁 层的砂滤料，用以制成了去除地下水中的三价砷和五价砷的低成本家用除砷装置。 e d z w a r dm 【1 2 】等用铁氧化物覆盖的砂粒柱进行t a b s + ，c u 2 + ，n i 2 + ，c ，的吸附实验， 结果表明对于溶解态的重金属离子，在p h = 8 5 时，几乎可以全部被去除。同济大学的 高乃云教授【1 3 】以硫酸铝或p a m 做改性剂制备的硅藻土和采用氧化铝涂层改性的石英 砂去除有机物和浊度试验研究表明：改性滤料出水的浊度、u v 2 5 4 、c o d m 、t o c 指 标均要低于未改性滤料【1 4 】。马军教授采用改性石英砂强化处理含藻水，结果表明改性 石英砂对混凝沉淀后含藻水的处理效果明显优于普通石英砂【1 5 j 。雷国元【1 6 j 等的研究 表明：改性滤料可以实现在近中性条件下除去水中的微量重金属离子，去除机理主要 是化学吸附、离子交换吸附和离子沉淀。改性滤料去除水中细菌和病毒，机理主要是 改变滤料表面电性、强化静电吸附或降低静电排斥。近年来的实验结果还表明，针对 3 某些水质，在采用改性滤料强化过滤之前，预投少量的高锰酸盐复合药剂，能够强化 改性滤料对有机物的去除作用，去除率明显高于未投加高锰酸盐的单纯改性滤料【l 7 。 m s 趾c h e z i l 8 】等用二价锰负载改性炭凝胶研究了锰离子对臭氧的催化作用，结果表 明：二价锰改性炭凝胶催化过程中，i o h l ，l ql 值比传统臭氧过程高2 0 倍。m a f i a k t l 9 1 采用在强碱条件下制备的硝酸铁改性沸石处理含锰水，结果表明：硝酸铁改性沸石对 锰的吸附容量为普通沸石的3 5 倍，可以达到2 7 1 2 m g g 。纳米材料技术在饮用水处理 中的应用主要依靠小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 2 0 l 。主要应用在以下几个方面：作为光催化剂；纳米过滤膜；纳米水处理药剂。现在 研究主要集中在氧化铝对重金属的吸附上，鄂勇进行了重金属( 以c u 、z n 、c d 、和 p b 为例) 在氧化铝微粒上吸附的实验研究【2 l l 。熊文明对氧化铝吸附a d ( i i ) 进行了静 态实验研究，确定了最佳吸附及解脱条件 2 2 t 。居沈贵研究了氧化铝对废水中锌的吸附， 考察了锌例子浓度、温度和溶液的p h 值对吸附容量的影响团】。 ； 1 3 1 2 二次微絮凝与预氧化技术 二次微絮凝是在沉后滤前投加混凝剂，使水体中的残留颗粒物脱稳降低其z e t a 电位，改变其亲水性质，使颗粒物吸附截留在滤料上，强化滤池对悬浮颗粒物的去除 效果。其作用机理与直接过滤相同，是接触过滤的应用。齐玉玲，黄晓东等研究表明 二次微絮凝对浊度的去除十分明显，并且受原水浊度影响较小，基本上不存在滤池的 成熟期，对过滤水头影响不大，与一般滤池的反冲洗时间一致刚。 e d z w a r d 指出：当水中有机物含量较高时，有机物的含量决定了混凝剂的量，浊 度对混凝剂的影响居于次要1 2 5 】。有机物在水中的大量存在使胶体颗粒被有机物包裹， 由于有机物的高带电性和强亲水性造成颗粒空间阻碍和双电层作用，使无机颗粒的亲 水性增加，负电性增强，对水中的无机胶体起了稳定剂和分散剂的作用。原水中颗粒 物质表面上的负电荷由溶解性的有机物吸附产生的份额是颗粒粘土矿物所占份额的 1 0 0 倍【2 6 1 。因此，根据水中有机污染越来越严重的情况，运用预氧化技术破坏有机涂 层，降低悬浮胶体的表面电性从而有利于颗粒的脱稳，并且由氧化分解增加的小分子 量有机物可以在后续的生物处理工艺得到良好的去除 2 7 。2 9 。常用的预氧化药剂有臭 氧、高锰酸钾、氯气、二氧化氯、双氧水、f e n t o n 试剂等。欧洲国家运用臭氧作为预 氧化剂有了比较成熟的工艺，尤其是德国、法国等国家运用臭氧技术有长久的历史， 且有良好的效果。我国的李圭白，马军等在高锰酸盐的预氧化上有比较成熟的机理研 究，马军开发的高锰酸盐作为预氧化剂已经申请了国家专利，并已有了大规模的运用。 1 3 1 3 活性炭及其生物活性炭和臭氧生物活性炭 活性炭强化过滤是利用炭的物理化学吸附及生物作用去除水中污染物的过程。活 性炭的吸附机理主要是炭的表面自由能、炭表面的晶体边缘的各种含氧官能团( 如羟 基、羧基、羰基) 的化学作用、静电引力作用。据李英【3 0 】等报道：活性炭表面的含羟 基官能团有利于处理芳香族化合物。活性炭吸附的物理作用是范德华力，它没有选择 性，具有可逆、多层吸附性，这种作用力强度小。化学作用主要是化学键所决定，这 种作用具有选择性，吸附后的可逆性差，作用范围不超过一分子的大小。由静电引力 4 作用决定的离子交换吸附，这种作用表现为：离子所带的电荷越多，吸附力越强；电 荷相同的水合离子半径越小，越容易被吸附【7 】。活性炭易于吸附苯类化合物和小分子 的腐殖质，对于分子量在5 0 0 1 0 0 0 的腐殖质可吸附面积达g a c 吸附面积的2 5 【j 。 可查的最早使用炭作为水处理的记载源自曼特尔( m a n t e l l ) 所译大约公元前2 0 0 年的 梵文“在阳光下，用铜制容器中保持水并经过炭过滤”，原捷克斯洛伐克在1 9 2 5 年率 先采用活性炭处理水，2 0 世纪3 0 年代德国在给水处理中使用了活性炭，当初是为了 去除水中的余氯，5 0 年代后用于去除水中天然或加氯后产生的异味、异臭。后来发 现对水中的有机污染物有十分良好的处理效果，活性炭在饮用水处理中有了更大的发 展。常用的有粉末活性炭( p a c ) 和颗粒活性炭( g a c ) ，粉末活性炭主要用于处理 突发的水质污染事件，颗粒活性炭则大多运用于生物预处理和深度处理工艺中。 活性炭滤池经过一定时间的运行后，在适当的水温、p h 值、水中本底物质情况 下，对水中的有机污染物的去除趋于稳定，且工作周期大大延长。通过对活性炭表面 分析结果表明：在小于5 n m 的微孔中存活了大量的微生物【3 引，微生物的生命活动使 活性炭得到生物再生，因此，发展了生物活性炭工艺。活性炭上的生物膜通过生物降 解作用去除吸附在活性炭空隙中的有机物和水中易被生物降解的小分子有机物，从而 提高了有机污染物的处理效果，延长了活性炭的使用周期。生物活性炭相比于普通活 性炭过滤具有以下优势： ( 1 ) 增加了溶解性有机物的去除率； ( 2 ) 通过生物再生作用，延长了活性炭的工作周期； ( 3 ) 朋时一n 可以被生物转化为硝酸盐氮，减少了后氯化消毒氯的投加量，同时 降低三卤甲烷( n m s ) 和卤乙酸( h a a s ) 的生成风险。 生物活性对小分子有机物的去除效果好，但是针对大分子有机物的去除主要还是 靠吸附作用，当活性炭达到吸附容量以后，微生物对大分子有机物的生物降解作用慢， 而且容易阻碍小分子有机物的吸附、分解，降低传质效率。因此针对微污染水源，人 们又开发了新的臭氧一活性炭工艺，进一步提高有机物的去除效果。由于臭氧有很强 的氧化能力，可以破坏有机污染物的分子结构，把大分子有机物氧化分解成小分子有 机物，从而在后续生物活性炭工艺中得到良好的去除。r i b a s 3 3 j 认为臭氧会引起b d o c ( 生物可降解溶解性有机炭) 增加5 3 8 - 6 3 6 ，部分不可降解有机物被臭氧氧化成 易降解有机物，容易被生物作为营养基质吸收。在天然水体中，臭氧发生以下几种反 应：臭氧与游离的或络合的金属发生电子传递反应，将亚铁离子，锰离子等氧化成 铁离子，四价锰离子；臭氧与腐殖质中的炭炭双键作用，首先产生过氧化的中间产 物，继而生成双氧水和羰基化合物；羟基与脂肪族化合物的侧链或脂肪酸反应，发 生氧原子提取作用；羟基与腐殖质中芳香烃基反应生成羟基化合物，再进一步与臭 氧氧化分解。臭氧一生物活性炭工艺中，臭氧的主要作用有：杀菌和生物灭活；氧化 无机物；除藻；助凝；去除天然有机物和农药、洗涤剂。瑞士苏黎士的l e n g g 水厂， 法国的r o u e n 的l ac h a m p e l l e 水厂，我国的北京田村山水厂，昆明的第五水厂等利 用臭氧活性炭工艺获得了良好的效果。 5 1 3 1 4 各种工艺的联用技术 生物氧化预处理既可以发挥微生物对有机物的去除，又可以增加生物处理带来 的饮用水可靠性，如生物处理后产生的微生物、颗粒物和微生物代谢产物都可以通过 后续的处理加以控制。常用的生物预氧化处理工艺有：生物过滤反应器、生物塔滤、 生物接触氧化池、生物转盘、生物流化床等。组合工艺中生物氧化预处理能降解的有 机物主要为相对分子量为5 0 0 的亲水性物质，如果原水中的这部分有机物含量较多， 生物预氧化放在混凝之前作为预处理可以降低受有机污染影响的胶粒的z e t a 电位， 有利于胶粒在混凝过程中的脱稳，降低混凝剂的投加量。法国的c h o i s y l e r e i 水厂 采用典型的组合工艺：水源一预臭氧化一混凝一沉淀一生物砂滤一主臭氧一生物活性 炭一氯化清水池。郭召海，杨敏d 4 等利用预臭氧与后臭氧生物活性炭对含有溴离子 的某水库水进行实验后发现：此工艺能够有效的去除消毒副产物( d b p s ) 前体物， 而且，能够控制臭氧副产物( 溴酸根和甲醛) 的形成。 l e c h e v l h e r d 5 j 认为n f 对b d o c 去除效果很好，但对a o c 去除效果不明显。天 然水中溶解性有机物( d o c ) 主要是腐殖质和产生嗅味的化合物以及人工合成有机物。 因此出现了将粉末活性炭与膜过滤技术联用的新型工艺，该工艺利用活性炭吸附作用 去除溶解性小分子有机物，然后通过膜过滤去除水中颗粒、粉末活性炭和吸附在活性 炭上的有机物。这样就能利用微滤( m f ) 和超滤( u f ) 技术开发出具有低压和低成 本的新型膜过滤技术1 1 8 1 。 以上各种强化过滤工艺主要针对的是不同水源的特定工艺，对应不同的水质各 种工艺的实际运用就有很大的差别。因此，针对特定的微污染水源水，应确定其最佳 处理工艺。 1 3 2 现有强化过滤工艺值得研究的问题和不足 ( 1 ) 改性滤料还处于实验阶段，对改性滤料的实际运行情况( 滤料厚度、滤料的 级配、滤速、反冲洗强度、过滤周期及表面涂层在反冲强度下的附着等) 有待做进一 步的分析和研究。纳米材料技术的研究处于实验室阶段，且是对单物质的吸附实验研 究，对实际水质条件的实验现在还开展的太少，研究不够深入。 ( 2 ) 预氧化技术主要面临的问题是氧化剂在预氧化过程中可能与水中的某些有 机物生成中间产物和有害物。马军f 刈就高锰酸钾预氧化指出：高锰酸钾在氧化过程中 往往生成许多中间产物，对于地表水甚至生成少量的删s 前质，同时也造成水的色 度与浊度增大，加大后续工艺的负担。臭氧能够杀菌和灭活病毒，并能迅速广泛的氧 化分解水中大部分有机物，但是与水中的有机物可以生成极性极强并难于生物降解分 解的甲醛和有“三致危险的溴酸根离子f 丌。因此，应该针对特定的水质条件选择合适 的预氧化剂，在一般情况下预氧化技术最好与生物处理联合运用。 ( 3 ) 粉末活性炭主要运用于突发性水质污染的处理，不利于回收，因此，利用其 处理微污染水显然不经济。而且粉末活性炭可能与混凝剂进行竞争吸附，影响混凝过 程，混凝或沉淀不完善会穿透滤池形成“黑水”现象。颗粒活性炭的主要缺点是吸附容 量有限，需要频繁的换炭，处理大分子有机物效果不理想。生物活性炭能够延长炭的 使用周期，但是不可避免的出现了存活微生物的生理活动所产生的胞外分泌物( e p s ) 6 及其代谢产物( s m p ) 的释放。张长1 3 8 】等报道对于生物过滤，分子量大于6 0 0 0 道尔 顿的有机物，滤后水比滤前水高。杨弦【3 9 】等研究表明生物活性炭在处理低温水时( 小 于5 c ) ，容易产生亚硝酸盐的积累，也有研究表明对于进水氨氮浓度过高的水( 大 于l m g l ) ，单纯采用生物活性炭容易出现亚硝酸盐氮的积累m 】。臭氧一生物活性炭 也有如下不足：可生物同化有机炭( a o c ) 的含量增加，影响出水水质的生物稳定性； 菌落计数高；生物活性炭滤池中生长的革兰氏阴性菌细胞中含脂多糖和分泌的内毒素 对饮用水的安全形成威胁；在低p h 值时，水中的亚硝酸盐和仲胺发生化学反应生成 n 亚硝酸胺；生物活性炭脱落的微生物和水中的a o c 容易穿透生物滤池【7 j 。 ( 4 ) 反向过滤存在着滤料反冲洗不干净，滤速过高时使上层细滤料流态化而易于 流失的问题，过滤时还要防止待滤水中挟带的气体( 泡) 对滤池形成堵塞【4 l j 。 ( 5 ) 生物预处理和深度处理能够很好的控制微生物、颗粒物和微生物代谢产物， 但是它增加了基础建设投资费用，无法在财力紧张的地方推广运用。 ( 6 ) 膜过滤成本太高，膜易于堵塞，清洗困难，产水量有限，难以在水量需求大 的城市应用，目前世界上最大规模的微滤膜( ) 分离净水厂是位于美国加州s a nj o s e 的s a r a t o g a 水厂，产水量为1 9 万m j d 。 1 4 过滤理论 过滤理论一直采用1 w a s a l d ( 岩崎) 、m i n t z ( 敏茨) 、i v e s ( 艾福斯) 等人逐步发 展的宏观理论，即依据过滤过程中颗粒穿透的过滤时间( t b ) 和达到期终允许水头损 失的时间( t l i ) ，以铲“为最佳条件建立的理论模型。宏观理论主要研究过滤工艺的 宏观现象，其特点是对过滤包括反冲洗的整个过程建立模型。2 0 世纪6 0 年代以后， 由于传统过滤理论与宏观经验不能全面解释过滤过程中的许多实际问题，人们开始研 究过滤的微观物理化学作用机理。到2 0 世纪8 0 年代，在过滤的迁移机理基础上提出 了现象学理论和轨迹理论。现象学理论采用非稳态或稳态平衡方程描叙过滤时滤料中 杂质颗粒的质量和浓度的变化，轨迹理论是以单元过滤作为研究对象，研究杂质在流 场的运动轨迹，颗粒的迁移和黏附的微观物理化学过程。2 0 世纪8 0 年代后，随着水 质污染的日趋严重，人们开始从研究待滤水中杂质颗粒表面特性转移到研究滤料本身 的表面特性，逐步形成了表面位置、表面态、表面能和表面络合与沉积以及吸附理论。 滤池中悬浮颗粒物的去除过程比较复杂，受到的因素也比较多，譬如：滤速、水 中本底物质的性质、滤料粒径和滤料物理化学性质、水温的变化以及滤池的运行方式 等。对过滤机理的研究也在不断的完善中：首先滤池过滤去除水中浊质作用不是所谓 的筛滤过程，从试验中发现比滤料孔隙小很多的大部分悬浮物都能够在滤池中得到去 除。实际上滤池去除悬浮物的机理受到迁移和粘附机理的控制；另外，m i n t z ( 敏茨) 还提出了剥离机理，即认为在悬浮物颗粒吸附于滤料表面的同时，己吸附于滤料颗粒 表面上的颗粒有脱离滤料的趋势。 7 辩颞糊 图1 1 过滤机理 1 4 1 迁移机理 悬浮颗粒在滤层孔隙水流中迁移主要是五种基本作用力确定 4 2 1 ：沉淀、拦截、惯 性、扩散和动力学效应。 沉淀作用：沉淀作用是在2 0 世纪初提出的，即把滤料间的空隙看作是一个微型 滤池，后来分析认为只有当颗粒接近滤料表面时，由于重力所产生的沉降才能影响颗 粒物的运动，完成去除过程【4 3 】。 拦截：颗粒物沿流线运动时，与滤料颗粒接触而被俘获得以去除，它与颗粒的粒 径有关m 】。 惯性：由颗粒物本身的惯性力引起的，当惯性力足够大时颗粒物就脱离流线而与 滤料表面接触。 扩散：由滤层内颗粒物的浓度梯度引起。 水动力效应：滤层中水流是一个随时变化的非均匀流场，颗粒物在这种流场中会 产生旋转并做横向运动，使它能够达到滤料表面【4 针。 令 i薯， 藏留律用扩被作用惯性作用抗淀作用水动力捧用 图1 2 迁移机理 1 4 2 粘附机理 附着机理可分为两种：一种是悬浮颗粒与滤料的范德华力大于双电层的斥力就粘 附，另一种是悬浮颗粒与滤料颗粒借助高分子吸附架桥的作用而附着在滤料表面。水 中杂质颗粒迁移到滤料表面上时，在范德华力和静电力相互作用，以及某些化学键和 8 某些特殊的化学吸附力下，被粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤料表面原先粘附 的颗粒物上。此外，絮凝颗粒的吸附架桥作用也会存在。粘附决定于滤料和水中悬浮 颗粒的表面物理化学性质。当滤层孔隙逐渐变小时，表面滤料也能产生筛滤作用。 t o r g a 4 5 1 认为，过滤过程中悬浮颗粒物的的去除主要有以下因素：机械筛滤；悬 浮颗粒直接吸附于滤料表面；悬浮颗粒吸附于已附着滤料表面的颗粒。 1 4 3 剥离机理 悬浮颗粒粘附到滤料表面上后，以不同的几何构造聚集。这些几何构造不仅与滤 料颗粒有关，还与原先沉积物有关。悬浮颗粒不断聚集，滤层孔隙变小，孔隙中水流 速度逐渐变大，导致沉积颗粒受到的水流剪力逐渐增加，当水流的剪力与粘附力相等 时，原先粘附的悬浮颗粒物有脱离的趋势，悬浮颗粒就有可能剥离下来。在达到饱和 状态但沉积颗粒呈现亚稳定状态的滤料层中，粘附与剥离同时发生。 1 5 生物过滤的机理与模型研究 生物滤池的运用十分广泛，工艺形式也多种多样，譬如前置生物预处理工艺、单 独生物滤池工艺、普通石英砂和生物滤池联合过滤工艺、预氧化和生物处理工艺。起 初生物滤池的出现是以去除水中b o m ( b i o d e g r a d a b l eo r g a n i cm a n 髓) 为目的，但研 究证实m 生物滤池对水中的浊质也具有生物去除作用。生物滤池滤料表面附着的生物 膜是生物过滤过程区别于传统过滤过程的根本所在。2 0 世纪8 0 年代以来发展的几种生 物过滤模型如下： ( 1 ) 单物质稳态生物膜模型 r i t t m a n 署 i m c c a r t y 4 7 4 8 】等建立的单物质稳定态模型；s a e z 和r i t t m a n 4 9 , 5 0 1 借助无量 纲方法伪解析法，建立的生物膜反应器模型，确定了生物膜反应器的反应速率和液相 主体基质浓度之间的关系，h u c k 和h c a t h 运用其方法建立了适用于推流反应器生物滤 池的模型和适用于完全混合式生物滤池的标准化负荷曲线模型；s u m m e r s 和b i l l e n l 5 1 1 等运用直接法建立了推流式生物滤池模型，b i l l e n 5 2 - 5 4 】等人建立了c h a b r o l 模型。 ( 2 ) 单物质非稳态生物膜模型 h o l z a l k i 5 5 , 5 6 等建立了单物质非稳态模型，并且在模型中考虑了反冲洗对生物质 的积累和b o m ( 可生物降解有机物) 去除的影响。 ( 3 ) 多物种生物膜滤池模型 w a n n e r 和g | u i e 一7 l 建立的最初用于废水生物膜处理的多物种模型，r i t t m a n 和 m a n c m 等根据其条件建立了多物种的稳态生物膜滤池模型，利用试验数据对模型的评 价结果显示：该模型可以较好的描述硝化菌和异养菌的空间竞争。 ( 4 ) 生物滤池的一级过程模型 以上三种生物滤池模型为饮用水生物滤池的研究提供了重要的研究方法，但是这 些模型形式比较复杂，在各自环境条件下有其特殊适应性，而且参数难以确定。因此， 经验性模型发展比较迅速，h u c k 鲻j 等人根据中试试验研究的结果发现生物滤池对可 生物降解有机物( b o m ) 的去除呈现出一级生物过程，即饮用水生物处理对b o m 的 9 去除速率与进水浓度成线性关系。其去除速率受到水力条件、预臭氧条件、空床停留 时间( e b c t ) 等因素的影响。 在滤池的数学模型研究范围内，滤料颗粒的尺寸较小，流体在滤料层内的流动是 及其缓慢的爬流，没有边界层脱体现象发生。这样流动阻力主要由滤料层内固体表面 积的大小决定，而颗粒形状并不重要【5 9 1 。因此，在保证单位体积滤层表面积相同的前 提下可将滤池看作由平行细管组成的管束，过滤就是水流在细管中的爬流过程。这样 的简化得出了真实流动过程中的物理模型，它是实际流动过程的等效反映。由粒状滤 料组成的生物滤池，内部有无数孔隙通道，水流通过滤层的过滤方程就是水流在滤床 的流动过程。将滤床看成由毛细孔组成的管束，过滤过程就是水流在毛细孔的流动过 程。 生物滤池过滤同时考虑了b o m 和浊质两项指标，其过滤过程不同于传统过滤过 程，生物滤池滤料表面的沉积物厚度的变化除了传统滤池的浊质截留作用外，还必须 考虑生物降解溶解态b o m 时生物增长使得浊质的比沉积量( 盯) 变大和生物内源呼吸 使得盯变小的作用。在滤料表面沉积物变厚的过程中，生物膜和不具有生物活性的浊 质同时增长、衰减。膜的增长和衰减相互渗透、均匀分布，反冲洗时同时脱落。 1 6 过滤数学模型的研究现状与不足 由过滤过程十分复杂，过滤机理尚未完全被掌握，一般在建立数学模型的过程中 对过滤条件予以如下简化： ( 1 ) 滤床是均匀且各向同性的； ( 2 ) 清洁滤床的每一层对去除悬浮颗粒具有相同的效率； ( 3 ) 待滤水是均匀的非絮凝型悬浮液； ( 4 ) 过滤滤速保持不变。 过滤的数学模型由澄清方程式、连续性方程式和过滤系数方程式组成。以下是一 些过滤数学模型的基本方程式。 ( 1 ) 1 9 3 7 年1 w a s a k i 提出的过滤方程： 鼻 澄清方程式：娑= 卅； 出 连续性方程：一，i o c = 譬； o0l 过滤系数：名= 厶+ a c t 。 ( 2 ) 1 9 5 1 年m i n t z 提出的过滤方程： 匀“ 澄清方程式：娑= 一以； 斑 连续性方程：一1 ，譬；等； t t x研 、 过滤系数：名= ；t o l1 一旦i 。 盯c ( 3 ) 1 9 6 3