（环境工程专业论文）微污染源水生物预处理微型后生动物的研究.pdf

摘要 摘要 污染源水生物处理工艺作为一种高效低耗、运行管理简单的处理方法，能够 降低饮用水的“三致”风险，减轻常规处理及深度处理负担，改善和提高饮用水水 质。微型后生动物是生物膜上除原生动物以外的多细胞低等动物，个体微小、结 构简单，在源水生物处理中发挥着重要的作用。 课题结合微污染源水生物处理的生产性装置和现场中试研究的微生物镜检、 微型后生动物的环境毒理等实验结果，探讨了微型后生动物的分布、功能对后续 净化的影响、微型后生动物的毒理等，为城镇供水安全提供参考。 通过在嘉兴、桐乡和海宁等地水厂源水生物预处理生产性装置中放置观察填 料和定期取样等现场试验，考察了污染源水生物处理装置除污染效果以及微型动 物的分布。研究表明，在源水水质相对较差( n - h 3 n l m g l ，c o d m 。 6 m g l ) 的情况下，生物预处理采用悬浮填料其对n h 3 - n 和c o d m 。的去除率分别为7 0 和1 5 左右，弹性填料对n h 3 n 和c o d m 。的去除率分别为6 5 和1 0 左右，悬 浮填料上生长的微型动物的种类和数量都要少于弹性填料。臭氧生物生物活性炭 滤池中发现大量孳生的椎实螺及其卵，滤池反冲出水发现其中微生物数量在 5 m i n 后达到峰值，约为1 6 0 0 - - 2 2 0 0 个m l 。建议在生物预处理装置之后投加预氧 化剂或消毒剂控制微型动物进入后续处理系统和提高滤池密封性等方面入手，控 制微型动物和藻类的生长繁殖，提高出水质量和用水。 研究表明，苔藓虫的分泌物和死亡残体对发光细菌的抑制率随浓度变化呈现 出非线性的s 型曲线，其最大抑制率不超过3 0 ，可以认为，苔藓虫大量生长 时，其毒性较弱，不会对人等高级动物造成危险。当苔藓虫发生爆发性生长并导 致沿程水头损失增加时，可强制清除。通过对软体动物椎实螺及虫卵进行冲击性 杀灭，当有效氯浓度为4 m g l 或臭氧浓度为4 m g l 时，可在3 0 m i n 内杀灭椎实 螺个体；当有效氯浓度为5 m g l 以上时，可在3 0 m i n l h 内杀灭椎实螺卵。 生物处理池以穿孔管曝气方式、气水比1 1 2 ：l 、h r t 为1 h 的工况运行，悬 浮填料和弹性填料对n i l 3 一n 的平均去除率分别为8 0 和6 5 左右，对c o d m 。 的去除率分别为1 8 和1 6 左右。此外，这两种预处理装置对藻类、s s 和浊度、 f e 、m n 也有一定的去除效果；对比分析了微型动物种类和数量与填料和水质的 相关性，探讨了微型动物在源水生物预处理中的指示作用。 关键词：微型后生动物，源水生物处理，苔藓虫，椎实螺，环境毒理 a b s t r a c t a b s t r a c t a sah i g h l ye f f i c i e n ta n dl o w c o s tm e t h o do ft r e a t m e n tw i t hs i m p l eo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t ，b i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n to fc a l lr e d u c et h er i s k o ft h ec a r c i n o g e n e s i s ， l e a d i n g t om a l f o r m a t i o na n dm u t a g e n e s i so fd r i n k i n gw a t e r i te n a b l e s t h e c o n v e n t i o n a lt r e a t i n gp r o c e d u r et op l a yab e t t e rr o l e ，h e l p st or e l i e v et h eb u r d e no ft h e r o u t i n ea n da d v a n c e dt r e a t m e n t ，a n da c h i e v e st h ei m p r o v e m e n ta n de n h a n c e m e n to f t h ed r i n k i n gw a t e rq u a l i t y m e t a z o a n sa r em u l t i c e l ll o w e ra n i m a l so nt h eb i o f i l m e x c e p tf o rt h ep r o t o z o a n i t ss m a l li ns i z e ，s i m p l ei ns t r u c t u r ea n de x e r t i n gs i g n i f i c a n t f u n c t i o ni nt h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fr a ww a t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o n ，f u n c t i o na n di n f l u e n c eo nt h es u b s e q u e n t t r e a t m e n to ft h em e t a z o a n sw e r ei n v e s t i g a t e d ，b a s e do nt h ef u l l - s c a l ef a c i l i t i e so f b i o l o g i c a lt r e a t m e n to fl i g h t p o l l u t e dr a ww a t e r , t h em i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o no f s a m p l e sf r o mt h ep i l o tt e s to nt h es p o t t h ed i s c u s s i o no ft h et o x i c i t yo ft h em e t a z o a n s a n dt h er e f e r e n c ef o rt h es a f e t yo fw a t e rs u p p l yt ot h ec i t i e sa n dt o w n sw e r ep r o b e d i n t oa c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe n v i r o n m e n t a lt o x i c i t ye x p e r i m e n t s b yi n s t a l l i n go b s e r v a t i o np a c k i n g si nt h ef a c i l i t i e so fb i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n to f r a ww a t e ra n ds a m p l i n ga tr e g u l a ri n t e r v a l sf r o ms o m ew a t e rp l a n t si nj i a x i n g ， t o n g x i a n ga n dh a i n i n g ，i n v e s t i g a t i o nw a si m p l e m e n t e do ft h ee f f e c to fp o l l u t i o n r e m o v a la n dt h ed i s t r i b u t i o no fm e t a z o a n si nt h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n tf a c i l i t i e so f p o l l u t e d r a ww a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t h t h e p o o r r a ww a t e r q u a l i t y ( n h 3 一n l m g l ，c o d m n 6 m g l ) ，t h es u s p e n d e d c a r r i e rh a dr e m o v a lr a t e so f 7 0 a n d15 f o rn h 3 na n dc o d m n ，r e s p e c t i v e l y ；w h i l et h ee l a s t i cp a c k i n gh a dt h e r a t eo f6 5 a n d10 f o rn h 3 na n dc o d m n ，r e s p e c t i v e l y t h es p e c i e sa n dq u a n t i t i e s o fm e t a z o a n sl i v i n go nt h es u s p e n d e dc a r r i e rw e r em u c hl e s st h a nt h o s eo nt h ee l a s t i c p a c k i n g al a r g en u m b e ro fl i m n a e a sa n di t se g g sm a d e t h e i ra p p e a r a n c ei nt h eo z o n e b i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o nf i l t e ra n di nt h em i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o no fi t s b a c k f l u s h i n gs h o w st h ef a c t t h a tt h en u m b e ro ft h em i c r o o r g a n i s m sr e a c h e st h e s u m m i to f16 0 0 2 0 0 0 m li n5 m i na f t e rs a m p l i n g m e a s u r e sc a nb ea d o p t e db y a d d i n gp r e - o x i d a t i o na g e n to rd i s i n f e c t a n tt or e d u c et h en u m b e ro fm i c r o b ee n t e r i n g t h ef o l l o w i n gt r e a t m e n ta n db e t t e rt h es e a l i n gp r o p e r t i e so ft h ef i l t e rt oc o n t r o lt h e g r o w t ha n dr e p r o d u c t i o no fm i c r o b e sa n dt h ea l g a et oi m p r o v e t h ee f f l u e n tq u a l i t ya n d w a t e ru s e e n v i r o n m e n t a lt o x i c i t ye x p e r i m e n t sw e r ed e v e l o p e db ym a k i n gu s eo ft h e a b s t r a c t s a m p l e so fb r y o z o a n st a k i n gf r o mt h ef u l l s c a l ef a c i l i t i e so fb i o l o g i c a lt r e a t m e n to f r a ww a t e r e a c hd o s e r e s p o n s ec u r v e sw a sf i t t e du s i n gn o n l i n e a ri t e r a t i v el e a s ts q u a r e t e c h n o l o g ya n dt h ef a c tc o m e so u tt h a tt h ei n h i b i t i o nr a t eo f t h el u m i n e s c e n tb a c t e r i a b yt h es e c r e t i o na n dr e s i d u e sa p p e a r e da t an o n l i n e a rss h a p e dc u r v e ，w i t h o u t e x c e e d i n g3 0 c o n c l u s i o nc a nb ed r a w nt h a tt h em a s sg r o w t ho fb r y o z o a n si sw e a k a t t o x i c i t ya n dd o e sn oh a r mt oh i g h e ra n i m a l sl i k eh u m a n b e i n g c o m p u l s o r y c l e a r a n c ec a l lb ei m p l e m e n t e do nc o n d i t i o nt h a tm a s sg r o w t ho fb r y o z o a n sa d d st ot h e w a t e rh e a dl o s sa l o n gt h ef a c i l i t y t h ee x p e r i m e n t so fi m p a c te x t e r m i n a t i o no ft h e l i m n a e aa n di t se g g si n d i c a t e dt h a tl i m n a e ac a nb ee x t e r m i n a t e dw i t h i n3 0 m i na ta c o n c e n t r a t i o no f4 m g lo fe f f e c t i v ec h l o r i n eo rac o n c e n t r a t i o no f4 m g lo fo z o n e ， a n di t se g g sc a nb ee x t e r m i n a t e di n3 0 m i nt olha tac o n c e n t r a t i o no f5 m g lo f e f f e c t i v ec h l o r i n e t h eb i o l o g i c a lt r e a t m e n tr a na ta na i r - w a t e rr a t i oo f1 1 2 ：1i nt h ea e r a t i o no f p e r f o r a t e dt u b ea n dh r to fl h t h er e m o v a lr a t e so fn - h 3 - na n dc o d m nw i t h s u s p e n d e dc a r r i e r sr e a c h e d5 0 a n d7 0 w h i l et h o s ew i t he l a s t i cp a c k i n gr e a c h e d 18 - 2 0 w h a t sm o r e ，t h ef a c i l i t i e sh a ds o m ee f f e c t so nt h er e m o v a lo fa l g a e ， t u r b i d i t y , f ea n dm n t h er e l e v a n c ew a sa n a l y z e db yc o n t r a s tb e t w e e nt h es p e c i e sa n d q u a n t i t i e so fm e t a z o a n sa n dt h ep a c k i n ga n dt h ew a t e rq u a l i t y i n d i c a t i v ef u n c t i o no f m e t a z o a n sa n dp r o t o z o a n sw a se x p l o r e di nt h ea s p e c to fb i o l o g i c a lp r e - t r e a t m e n to f r a ww a t e r k e yw o r d s ：m e t a z o a n ，b i o l o g i c a lt r e a t m e n to fr a ww a t e r b r y o z o a n s ，l i m n a e a ， e n v i r o n m e n t a lt o x i c i t y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：一飞、氐 。了年弓月乙怕 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 志、寻、 弋年3 月l e l 第1 章综述 1 1 饮用水源水的危机 1 1 1 我国的水资源状况 第1 章综述 水被5 0 个国家的科学家列为本世纪最棘手的两大问题之一。目前，全世界 有超过8 0 个国家、占世界总人口4 0 的人严重缺水。水是人类生存和繁衍不可 替代的资源，也是经济和社会可持续发展的基础。地球是一个水球，水的储量十 分丰富，每年平均降雨量有1 1 亿k m 3 ，约有4 亿k m 3 可供人类利用。应该说， 水资源量是很丰富的，但是，由于自然环境的差异、降雨分布的不均衡、特别是 人类活动的影响，全世界真正可以利用的水资源量正同益减少，而用水量却急剧 增加，水资源的短缺逐渐成为全球性的危机。 进入2 1 世纪以来，我国的水环境仍呈恶化的趋势，这直接影响到城镇供水 的安全。以全国七大河流为例，我国很多城市分布在这些河流周围，2 0 0 1 - - 2 0 0 3 年七大河流的干流河道水质达到地表水i i i 类以上标准的5 0 左右。我国很多城市 直接以湖泊作为城市供水的水源地，由于湖泊的富营养化现象十分严重，藻类大 量生长和藻毒素的大量分泌等大大降低了水源水的质量。 1 , 1 2 饮用水源水污染物对人体的影响 饮用水源水的污染物主要来源于未经处理的工业废水、生活污水及农业灌 溉、养殖等废水。据统计，水源水中有5 , 0 0 0 到1 0 ，0 0 0 种天然或人工合成的化合 物，主要包括悬浮物、有毒重金属离子无机盐离子、有机化合物、溶解性有机物、 “三致”物质及其前体和人工合成有机物，还包括高等水生动植物、藻类、细菌、 病毒，原生动物和后生动物及其虫卵等。 饮用水源水污染物在常规净水流程中难以有效去除，居民饮用不洁的自来水 导致发病率上升，特别是预加氯或消毒过程增加氯剂量的方法产生的多种消毒副 产物( d b p s ) 如三卤甲烷、二氯乙酸等被证实是对人体健康有害的“三致”物质， 并且有机物对人体的危害往往具有滞后性，一般发现得病要在2 0 - - - 3 0 年后，同 时，污染源水对水厂的运行和给水管网产生十分严重的危害，居民饮用水的质量 可能会因此进一步恶化：而湖泊等水源水的氮、磷含量过高，会导致藻类的大量 生长，进一步的严重降低源水的质量，使居民饮用水的水质难以保证。 第1 章综述 1 1 3 微污染源水对传统净水工艺的影响 水源水的污染不仅给人类的健康带来了较大的危害，而且对传统净水工艺和 水质的影响所造成的各种损失更是难以估量。水源水质的恶化，一方面势必额外 投加大量的混凝剂，使制水成本大大增加：另一方面由于传统净水工艺对水中微 量有机污染物没有明显的去除效果，相反还可能使出水氯化后的致突变活性有所 增加，水质毒理学安全性下降，对人体健康造成危害。世界卫生组织( w h o ) 调查 结果表明，在发展中国家，8 0 的疾病和1 3 的死亡率与水污染有关。 饮用水水质标准状况是与生产力和分析手段的发展相适应的，标准直接反映 了对饮用水水质的研究现状和认识水平。世界上主要的国际饮用水水质标准有世 界卫生组织( w h o ) 标准、欧洲共同体( e c ) 标准、美国及其它国家的水质标准等。 各标准都在原标准的基础上作了大量修订，突出表现在水质指标数量的增加、有 机物种类和浓度的严格限制。我国也正致力于水质标准的修订和完善工作，在原 来水质指标的基础上增加了消毒副产物( d b p ) 、农药、生物学等指标虽然如此， 我国的饮用水水质标准较国际水平和发达国家标准仍有一定的差距，表现为检测 项目少，标准低；因此，随着国民经济的进一步发展和人民生活水平的提高，相 应的饮用水水质标准也会随之提高和完善，这就对传统净水技术工艺提出了新的 要求和挑战 2 , 3 1 。 与此同时，水源水的污染还加剧了水资源的危机，使得本来就较为紧缺的水 资源现状更为捉襟见肘。 1 2 源水物化处理技术概述 1 2 1 物理法处理技术在饮用水处理中的应用 近年来，活性炭用于源水处理受到各国水处理工作者的重视。活性炭具有比 表面积大、材料来源丰富、吸附能力强、吸附范围广、吸附时间短等优点，是目 前去除源水中的有机污染物尤其是三卤甲烷前体物的主要实用技术之一。活性炭 有颗粒活性炭( g a c ) 和粉末活性炭( p a c ) 两种。g a c 在水厂的应用很广， 常用于过滤后吸附微细颗粒有机物、溶解性有机物；有的水厂将其直接用于过滤 池，从而具有过滤和吸附的双重功能；还有的水厂将g a c 用于消毒工序之后以 吸附消毒副产物。p a c 因易于流失、难以操作而常用于源水污染物含量升高时的 应急处理。 膜分离技术是一项新兴的高效分离技术。由于膜分离技术高效、安全且工艺 2 第1 章综述 流程易自动控制，特别是其对消毒副产物的良好控制性，被美国环保署( e p a ) 推 荐为饮用水处理最佳工艺之一。在我国，膜技术用于饮用水处理工艺是近十年来 最重要的技术突破，它被誉为2 1 世纪水处理领域的关键技术，是替代传统处理 工艺的最佳选择。目前，在膜处理技术中，反渗透( r o ) 、超滤( u v ) 、微滤( m f ) 、 纳滤( n f ) 均能有效地去除水中的臭味、色度、有机污染物及消毒副产物前体物【4 1 。 1 2 2 化学氧化法处理技术在饮用水处理中的应用 化学氧化预处理技术是依靠投加的化学氧化剂的氧化能力，分解破坏水中有 机污染物，再利用混凝剂脱除胶体悬浮物，使水质达到处理要求。目前采用的氧 化剂有氯气、高锰酸钾、高铁酸钾、臭氧等。通常采用预氯化处理的方法来破坏 水源水中胶体，氧化有机物，使混凝效果改善，从而达到净化水的目的。但由于 在原水中大量加氯所产生的三氯甲烷等对人体有致癌的潜在危险，预氯化处理微 污染原水已经引起广泛关注。因此，采用其他氧化剂对微污染原水进行预氧化的 研究已引起广泛关注。投加高锰酸钾能氧化分解原水中低分子有机物，再投加硫 酸铝等混凝剂，形成的絮体颗粒较粗大，从而使出水的水质比投加常规混凝剂的 出水水质好。徐景翼等采用高锰酸钾替代液氯，对含藻微污染原水进行处理研究， 结果表明，利用高锰酸钾预氧化生成的三卤甲烷( t h m s ) 比采用预氯化少得多【5 】。 1 2 3 强化混凝处理技术在饮用水处理中的应用 为达到去除有机物的目的，在常规水处理工艺中主要是加常规混凝剂降低水 的浊度，有机物去除率的大小主要受混凝剂的种类和性质、混凝剂的投加量以及 p h 等因素的影响。新的强化混凝是以提高水中有机物净化效果为目的的强化常 规工艺，不但对水中大、中分子有机物( 主要指产生消毒副产物的先质有机物) 能有效地去除，同时对水中溶解性低分子有机物、氨氮、亚硝酸盐、致突变性物 等也有较明显的净化效果【6 ，7 】。 清华大学、华南理工大学和中科院广州地球有机化学研究所联合开展了对微 污染原水进行强化混凝处理的研究。研究结果表明，增加混凝剂投加量、降低 p h 和投加有机高分子助凝剂c g a ( 天然高分子改性絮凝剂) 都能不同程度地提 高对有机物和藻类的去除率，降低出水浊度和致突变性，但对氨氮和可同化有机 碳的去除效果不明显。 由中科院生态研究中心研制的高铁酸盐复合药剂，在水中的中间态水解产物 有较大的网状结构和更高的正电位，其絮凝、吸附效果比一般铁铝混凝剂高。另 外，高铁酸盐具有极强的氧化功能，其在标准状态下的氧化还原电位高达2 2 m v ， 第1 章综述 甚至高于臭氧( 2 0 7 m y ) 。由于高铁酸盐特殊的化学性质，使它在水处理过程中具 有氧化、絮凝、吸附等多种功能，对于水中多种有机物均有较高的去除率，对氨 氮也有去除作用，而且具有见效快、无残留性和不对饮用水造成二次污染等优点。 哈尔滨工业大学研制的高锰酸钾复合药剂，由高锰酸钾和其他无机盐复合， 使用过程中通过控制反应条件，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，具有去除水中有机物、除 藻、除臭、除味和强化絮凝等综合净化作用，高锰酸钾复合药剂在北方饮用水处 理中得到广泛研究和应用。 1 2 4 物化法处理技术应用于饮用水处理的不足 综述的各种对微污染水源水的净化处理方法都具有一定的适用范围和优缺 点。例如：物理法处理技术要对源水水质要求较高及定期的再生或化学清洗，基 建及运行费用高；化学氧化法额外投加药剂会使处理成本增大，并且有可能使出 水氯化后的致突变性或多或少地增加：强化混凝能提高饮用水的除浊性能，但对 溶解性有机物、氨氮去除有限【s l 。 在选择受污染水的处理工艺时，还应根据原水水质特点、有机物的物化性质、 分子大小分布与组成规律、地方具体条件等情况，因地制宜进行综合比较后，合 理地选择既经济又有效的处理工艺。污染源水生物处理具有投资省、运行稳定、 能耗低、维护管理简单、易于实施等特点，应该是当前国内净化微污染水源水首 选工艺技术。 1 3 源水生物处理综述 1 3 1 源水生物处理的含义和历史 源水生物处理是指利用微生物( 主要是细菌) 氧化分解源水中的各种污染物 的一种深度水处理方法。在处理构筑物内，微生物附着生长于固体介质一填料上 形成生物膜，当源水流过时，水中的污染物被吸附或扩散到生物膜上，经过微生 物的代谢活动将其去除。水的生物处理方法有两大类：活性污泥法和生物膜法。 它们在废水的处理中都有广泛的应用，但在源水处理中，由于水中的污染物浓度 一般为几m g l ，所以为保持足够的生物量、防止处理过程微生物的流失常采用生 物膜法。 源水生物膜法水处理技术的去除对象是水中的各种有机污染物、无机氮化合 物、f e 、m n 等重金属、藻类、致色、致臭物质，可见其适用范围很广。七十年 4 第l 章综述 代以来，源水污染日益严重，生物处理方法引起人们重视，很快用于生产并发挥 作用。最初，研究者对源水生物处理的认识源于慢滤池，经过长时间的过滤，滤 料表面自然形成了一层生物膜，水的净化能力增强。由此，人工强化的源水生物 净化处理很快形成研究和开发的热潮，至今，源水生物处理不仅在理论上有较深 入的研究，而且丌发了一系列新型实用的处理工艺和新方法，成为给水处理工艺 的重要组成部分。 ， 1 3 2 源水生物处理的研究进展 近年来，城镇供水规模和污水排放量均不断增加。生活污水、工业废水和农 业面源的一些化学物质进入水体，直接导致水源水中的还原性有机物、氨氮、藻 类等含量增加。水中的有机物经过常规氯消毒后产生副产物，有许多已被确认为 是致癌物或诱发物，一些还原性污染物在管道中易产生二次污染或孳生微生物， 对人体健康有极大的潜在危害。常规净水工艺面临着越来越大的挑战。针对水源 水日益恶化的现状，生物处理作为一种高效低耗、运行管理简单的处理方法，能 够去除有机污染物和还原性污染物质，降低饮用水的“三致”风险和生物风险。近 几年来，污染源水的生物处理取得了快速发展，包括强化传统处理的生物作用、 污染源水的生物预处理和生物深度处理等。 1 3 2 1 强化常规处理的生物作用 如何在现有常规净水工艺的基础上增加对有机物的去除效率是许多水厂和 科研工作者面临的课题，在常规净水单元中强化常规过滤的生物作用是可行的选 择。所谓强化过滤作用是指在常规过滤的基础上强化微生物的作用，实现有机污 染物、氨氮、铁、锰和浊度等物质的有效去除，生物过滤处理后的饮用水中具有 “三致”危害的有机物浓度大为减少，耗氯量降低，水质生物稳定性有所提高【9 。2 1 。 二十世纪七十年代以来，采用生物活性滤池能使出水具有生物稳定性在西欧 已为人们所认可，目前在法国、德国、荷兰等地仍为给水处理中常用的生物处理 技术。在北美，许多水处理厂鉴于采用生物过滤更易于实现现有处理设施的改造， 具有同时去浊和去除b o m ( 可生物降解有机物) 效果的生物滤池倍受青睐i l 1 4 j 。 生物过滤能够有效地去除微污染饮用水中的有机物、氨氮等物质。何元春【6 j 等人利用湘江水人工配制原水进行了模型实验，研究表明：在水温为8 c 、滤速 为8 m h 时，生物过滤对a o c 、b d o c ：t o c 的去除率分别为5 9 2 8 4 1 、 4 1 3 6 5 o 、2 4 8 - - 3 0 8 ；进水n h 3 n 质量浓度为o 5 4 1 0 7 m g l 时，去 除率达到3 9 0 - 9 0 o 。不同的过滤介质和反冲洗方式对生物滤池处理效果有 明显影响。生物过滤对水中痕量有机物也有较好的去除效果。痕量有机物是指人 工合成的、在饮用水源中含量较低的有机污染物( 如酚、苯、杀虫剂等) ，它可 第l 章综述 使水产生嗅和味并具有致癌性和致突变性，因而被广泛关注。研究表明，生物滤 池对苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、五氯苯酚的降解速率很快，其去除率可分别达 9 2 、9 2 、9 2 和7 0 ，对大部分醛类物质( 如甲醛、乙醛) 的去除率 8 0 ， 对一氯苯和二氯苯的降解速率较慢，但只要给予足够的时间，其去除率也可达到 8 1 以上【1 5 】。 强化常规过滤的生物作用，需要考虑脱落生物膜或游离等进入后续清水池的 影响，对后续消毒提出了新的要求。 1 3 2 2 生物预处理 源水的生物预处理工艺指在常规净水工艺前采用生物处理方法将水中的部 分污染物去除的过程。生物预处理可使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理 及深度处理负担，改善和提高饮用水水质。污染源水生物预处理主要有以下几种 工艺：曝气生物滤池、生物接触氧化法，生物流化床，生物沸石反应器，生物塔 滤和生物转盘等。在水源地附近，通过堤岸、沙丘等渗透的土地处理系统也能够 实现一定的处理效果。近几年来，生物预处理技术发展很快，分别讨论如下。 ( 1 ) 曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r ) 曝气生物滤池( b a f ) 在欧洲、北美及日本等国已获得了广泛的应用，包括 城市污水处理、生活污水处理、工业废水处理以及中水等领域。目前，曝气生物 滤池技术逐渐成为污染源水进行生物预处理的有效手段之一。曝气生物滤池预处 理技术不仅可减少消毒过程中的氯气消耗量、减少水中卤代有机物的生成量、降 低给水管网中细菌滋生的可能性、提高饮用水的安全性，而且还可降低混凝剂的 投量，降低运行成本，使后继处理变得简单容易【l6 1 。b a f 不仅对污染源水的有 机物和氨氮等有较高的去除率，还可以降低水中胶体物质的z e t a 电位，水中的 胶体颗粒更加容易脱稳凝聚，降低混凝过程中混凝剂的投量【l 。卜9 】。 生物滤池所选择的填料类型是影响其运行效果的关键因素。目前运行效果较 好的填料主要有细卵石、碎石、焦炭、陶粒、轻质填料等。污染源水生物处理的 b a f 的工艺形式根据所使用的滤料的不同主要有两种，一种类似于d e g r e m e n t 公司推出b i o f o r l 2 0 】滤池，使用陶粒、沸石、麦饭石及砂子等密度大于水的物质 作为滤料。其中陶粒生物滤池提供了高效而简单的深度净化技术，集高效传质、 生化反应、生物絮凝、过滤技术于一体，通过小颗粒多孔载体的巨大比表面积来 提高单位容积的生物量，提高反应器的容积利用率和处理效果。另一种则类似于 法国o t v 公司推出的b i o s t y r 2 l 】滤池，滤料为b i o s t y r e n e ，主要成分是聚 苯乙烯，密度小于1 0g c m 3 。新型b i o s m e d i 生物滤池用于源水生物预处理时， 具有工程投资较低、占地面积小、运行管理方便、反冲洗耗水和耗气量小、滤层 阻力损失小及后续处理衔接方便等优点【z 引。 6 第1 章综述 从二十世纪九十年代起，国内微污染源水的曝气生物滤池预处理技术开始进 入生产性试验阶段。研究表明，b a f 能够有效去除污染源水中有机物、氨氮等 污染物，如对氨氮的去除率达8 0 以上，对耗氧量、浊度、色度、铁、锰等污染 物也均有较好的去除效果。 国内对硬质填料b a f 的研究较多。黄晓东【2 3 】等利用生物陶粒对深圳水库水 进行的生物预处理现场试验研究，工作滤速为4 m h ，气水比为1 ：1 。朱亮【2 4 】等人 以黄浦江上游水为水源，开展了生物陶粒滤池预处理的生产性试验，滤池曝气方 式采用底部设微孔扩散装置连续曝气，工作滤速5 5 m h ，气水比为( o 7 1 ：1 ) ， 反冲沈方式为单气冲2 - - 3 m i n ，再单水冲5 m i n 。上海市政院的邹伟国1 2 5 l 等人对 b i o s m e d i 生物滤池进行了小试、中试、生产性试验及工程推广应用。试验中采 用人工合成、密度小于1 0 9 c m 3 的轻质悬浮球形滤料；滤速为6 5 m h ，气水比为 ( 0 4 , - - 1 2 ：1 ) 。 几种b a f 处理微污染源水的效果总结得表1 2 。 表1 2 两种生物滤池出水水质指标比较 b a f 的局限性在于：硬质填料存在布水布气的均匀性，反冲沈问题、处理 规模较小等问题：对进水的悬浮物浓度有一定要求，容易出现填料堵塞和粘结问 题：轻质滤料在一定程度上解决了硬质填料的缺点，但填料流失的问题尚待克服， 且尚无大规模应用的实例。作为给水处理整体工艺的一部分，如何把曝气生物滤 池工艺同其他工艺过程协调统一，最大限度地发挥其作用，值得进行深入研究。 ( 2 ) 接触生物氧化法 生物接触氧化法通过微生物自身生命代谢活动氧化、还原、合成等过程， 微生物的生物絮凝、吸附、氧化、生物降解和硝化等综合作用使水中n h 3 n 、有 机物等逐渐有效去除。生物接触氧化法还能明显降低原水中可能形成t h m s 等 氯化有机物的有效前体物总量，大幅度减少其后续净化、消毒等过程中可能产生 的t h m s 等潜在致癌物，从而明显提高生活饮用水水质的安全性和改善卫生质 量【3 l 】。 肖羽堂p z j 等人通过姚江生物接触氧化预处理工程对其机理进行了一系列研 究，研究表明：生物接触氧化净水工艺除原水微污染，主要是填料上的生物膜对 7 第1 章综述 原水的净化作用。生物膜极薄，膜内d o 充足，无厌氧菌存在，原水中的有机物、 n h 3 n 和n 0 2 n 等基质浓度较低，生物膜上的微生物主要是高度好氧的贫营养 性细菌。原水中的有机物、n h 3 n 和n 0 2 一n 等污染物主要通过生物膜的吸附、 微生物的生物絮凝、吸附、氧化、生物降解以及生物硝化等综合作用逐渐去除。 嘉兴石臼漾水厂二期扩建中采用了生物接触氧化工艺【3 3 1 ，在h r t 为1 h 、气 水比o 6 ：l 、有效水深3 m 、填料高度2 5 m 的条件下，生物预处理池运行稳定后， c o d m 。平均去除率在6 5 左右；当进水n h 3 n 值 1 5 m g l 时，去除率达6 0 - - 8 0 ，生物预处理池的出水能 保持相对小的n h 3 n 值。预处理对浊度、亚硝酸盐氮、细菌总数、大肠菌群均 有3 0 以上的去除率，对总f e 有2 6 的去除率，对色度也有5 8 的去除率。 该预处理池对改善和提高原水水质起到一定的作用。 1 9 9 8 年根据工艺优化试验成果，深圳水库首先建立了世界最大的日处理4 0 0 万吨的生物接触氧化处理渠。东深源水生物处理工程是目前世界上最大的污染源 水生物处理工程，处理规模达到4 0 0 万m 3 d ，工程投产后以气水比1 o o 、水力 停留时间5 5 4 7 0 m i n 、穿孔管曝气方式等参数运行，污染物的去除效果良好， n h 3 n 进水浓度为3 0 m g l 左右时去除率平均可保持7 0 以上。c o d m 。为1 0 - - 3 0 ，b o d 5 的去除率最高可达6 0 ；源水的浊度和s s 、藻类、f e 、m n 等也有 良好的去除效果p 4 1 。 生物接触氧化处理池出水水质的改善是由曝气氧化、生物降解和生物絮凝三 方面构成，一个理想的预处理池在这三方面应是相互联系、相互促进，并使这三 部分功效得到最大的协调、发挥。为达到这一目的，根据生产运行实际，生物接 触氧化预处理池拟从以下几方面进行改进：改进生物处理池和填料的排泥方式； 采用更加先进合理的微生物载体等【3 5 3 9 】。 近年来，生物接触氧化预处理的微型动物问题开始受到关注，尤其是微型后 生动物的大量生长和控制等问题【4 0 1 。 ( 3 ) 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ，。m b b r ) 移动床生物膜反应器吸取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法两者的优 点而成为一种新型、高效的复合工艺处理方法。其核心部分就是以比重接近水的 悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的载体，依靠曝气池内的曝气和水流的 提升作用而处于流化状态，微生物和水的传质均有大幅提高，能够在较短的时间 内实现除污染的目的。悬浮填料比表面积大，多为为弹性立体填料的3 - 6 倍： 密度与水接近；不结团、不堵塞；可直接投加，不需固定支架。m b b r 具有处 理能力高、能耗低、不需要反冲洗、水头损失小、不发生堵塞的特点。 图1 1 为m b b r 处理污染源水的流程示意图。 第1 章综述 图1 1m b b r i 艺流程示意图 m b b r 应用于源水生物预处理具有良好的生物硝化效果以及较好的去除氨 氮能力。夏四清等人采用新型悬浮填料对黄浦江原水进行生物接触氧化预处理中 试研究1 4 引。他们发现，在水力停留时间l h 、填料填充率为5 0 、气水体积比o 5 6 的情况下，n h 3 n 处理效率可达到7 0 8 0 ，c o d m 。去除效率可达1 0 。采用 悬浮填料的生物接触氧化工艺具有挂膜时间短、氨氮去除效率高、气水体积比小、 传质效果好、占地面积小、运行方便以及不积泥等优点。徐斌等采用m b b r 工 艺对微污染黄埔江原水硝化过程动力学和反应器动力学进行了研究【4 3 1 。采用 m i c h a e l i s m e n t e n 方程模拟，氨氮去除速率方程为，：堕警紫 各动力学 参数分别为：最大氨氮去除速率n m a x 为18 7 9m g ( m 2 d ) ，半速率常数k 。为1 6 m g l ，最小基质氨氮质量浓度为0 0 8m g l ，最大细胞比增长速率l x m a x 为1 0 5 d ；结合硝化反应动力学，建立了完全混合式原水生物预处理硝化反应器动态模 拟模型，通过模型计算与实际中试运行效果比较可以得出：在低进水氨氮质量浓 度条件下，模型计算值与实验数据略有差别；在中高进水氨氮质量浓度条件下， 模型计算值与实验结果较为一致。 嘉兴市微污染原水采用穿孔管曝气方式和悬浮球填料处理工艺l 4 4 j ，在水力 停留时间为1 5 h 、气水比为( 1 1 5 ：1 ) ，悬浮球填料填充率为4 0 左右的条件下， c o d m 。有一定的去除效果，去除率基本保持在1 0 1 5 ；n h 3 n 的去除率稳定 保持在7 0 以上，出水n h + 4 - n 能稳定在o 5 m g l 以下；n 0 2 - n 的去除效果稳定 在9 6 以上，出水n 0 2 - n 保持在o 0 1 m g l 以下。由于原水c o d m 。较高 ( 6 - 8 m g l ) ，因此预处理工艺对后续工艺c o d m 。去除效果以及出厂水c o d m 。 达标有很大帮助。浊度的去除率可达3 0 ；f e 的平均去