（环境工程专业论文）生物强化过滤对水中微量污染物去除特性研究.pdf

摘要 随着水源水质污染恶化和水质标准的提高，常规净水工艺已无法保证供水水 质的安全性，因此迫切需要对微污染水源水的处理技术和工艺进行改进。 本文以人工配水为研究对象，采用生物强化滤池( b i o l o 酉c a l l ye n h 趾c e d a c t i v ef i l t c r ，b e a f ) 为处理工艺。主要研究了微生物驯化富集期间滤池沿层生物 量的动态变化；待形成成熟稳定的生物膜后，研究了滤池沿层滤料生物活性的变 化；初步研究了生物强化滤池中活性炭吸附和微生物降解的作用，以及两者的协 同作用。最后，考察了低温下生物强化滤池对氨氮的去除稳定性能和装置关闭后 的二次启动恢复情况。 本文主要结果： 采取动态自然微生物驯化富集方式，在e b c t 为1 5 m i l l 的条件下，生物强 化滤池从启动到富集成功所需时间为6 0 一6 5 天。通过测定中期和后期的生物量判 定滤料上微生物膜已形成，同时好氧率为7 5 一8 5 ，c o d m n 、氨氮、亚硝酸盐 的去除率分别约为4 0 5 0 、6 8 7 5 、9 5 左右，对百菌清和毒死蜱的去除效 果可达到9 0 左右。 生物膜成熟稳定运行期间，监测了近两个月的污染物指标，其中c o d 去 除效果在5 5 左右，氨氮的去除率7 5 一7 8 之间，亚硝酸盐氮可以达到 9 0 9 5 ，两种农药百菌清和毒死蜱去除率分别在9 0 9 2 和8 7 9 0 之间。 表明生物强化滤池能够保持较高的去除效果。 低温生物强化滤池对氨氮的去除仍然有6 5 6 8 ；短期关闭1 d 、5 d 后可在 重启的3 5 h 恢复正常，关闭2 0 天后可在重启的2 0 h 内恢复正常。体现了生物强 化滤池的在低温运行和运行停止后的再次启动方面的优势。 滤池中生物量和生物活性沿水流方向逐渐降低，生物滤池中单位生物量活性 的分布却相反。其中，微生物主要是异养菌，所占比例6 0 以上，其次是亚硝化 细菌，硝化细菌含量最少。c o d 的去除率在滤层上部3 5 c m 范围已达到总去除 率的7 6 7 以上。 对比生物活性炭和新鲜活性炭吸附试验，表明发现微生物能够迅速的释放吸 附点位，实现对活性炭的再生作用，生物可以延长了活性炭的使用寿命。生物强 化活性滤池对污染物的去除是活性炭吸附和微生物生物降解共同作用的结果。 关键词：生物强化滤池，生物量，生物活性，氨氮 a b s t r a c t mt h e d a y s ，c o n v t m t i o n a l 、a t e rp 证f i c 撕o np r o c e s sa l r e a d yc a n t tg u 雒锄t e et h e 删够o f d r i i i k i n gw a t e r ，谢mt l l ed e t e r i o r a t i o no fs l l r f a c ew a t e rq u a l i 够a n dm ei m p m v 锄e n to fd r i n k i n g w a t e rq u a l i 够s t a n d a r d s s ot l l ep r o c e s s i l 玛t e c h n i q u e so fi l l i c r o _ p o l l u t e dr a ww a t e rn e e dt ob e e n h 锄c e du 玛t l y kt h i sp a p a n i f i c i a l l yc o r n p o l l n dr a ww a t e rt h a ts i n m l 撕o n e d 谢m 舰d i t i o n a l t e d m o l o g yp c i p i 枷o no fm ew a t e rw 硒骶a t e da sr e s e a r c hd b j e c ta n dp 晌m a n c eo f b i o l o 舀c a _ 1 l y 吒n h a n c e da c d v ef i l t c r ( b e a f ) t om er e m o v i n go fp o l l u t a n t sw 嬲s t i l d i e d d 证n gm i c r o b i a l i n o c u l a t i n ga n de i l r i c h m e n t ，t h ed y n 釉i cc h 狮g e so ft 1 1 eb i o m 雒sa l o n gt h e1 a y e r 锄dp o l l u t a l l t s r e m o v a lm t ew e r ed 曲嘲幽e d ；疵ram a t i l r es 协i l i 锣o fb i 0 1 0 百c a lm e n 心m e ，b i 0 1 0 西c a l t i u t ) r a l o n gt 1 1 e1 a y e ro fb e a f 、硒r c s e a r c h e d ；a c 矗v ec a r b o na d s o r p t i o n 龃dm i c r o b i a ld e g r a d a l i o n f 1 1 n 舐o n 锄dd s y n e 晒s d ce f 五巴c to fb o l hi i lb e a fw e r ed i s c u s s e d h 1m ee n d ，b e a f1 1 1 l d 盯l o w t e m 肼戤吡l r ei nr e m o v a ls 协b i l i 够o fn h 4 十二na n dr e c o v e 叮o ft l l es e c o n dm 炯c es t a r t i n gw e r e i n v 豁t i g a t c d t h em 血他s u l t sa r es u m m a r i z e d ： f i l 缸a p p h e sd y n 锄i c 砌t u r eb i o f i l l nf 0 1 姐i i 培m o d e nt a l 【e s6 0 6 5d a y st o 锄mb i o 丘1 mi i l b e a fl l i l d e rt l l e 髓c t = 15 m i l lc o n d i t i o n c o m p 撕s o no fm em i d d l e 肌dl a t e rm i c r o b i a lb i o m s s o nf i l t 盯m a t 谢a l ，b i o f i l n lh 鹪f o 珊e d m e a i l w l l i l e ，o x y g e nc o n s 咖1 p t i o nr a t ei s7 5 - 8 5 a l l d a v c 弼er e n l o v a lr a t e so f c o d m n 、n h 4 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个贫水国之一【1 1 。据预测，到2 0 3 0 年 我国人口增至1 6 亿时，人均水资源量将降低到1 7 6 0 m 3 【2 | 。 我国年平均降水量为6 1 9 万h 3 ，年径流量为2 6 0 0 1 锄3 ，占全球陆地总径流 量的5 5 。其中地表水年径流量为2 6 1 万亿m 3 ，地下水储量为8 0 0 0 亿m 3 ，冰 山每年供水为5 0 0 亿m 3 【3 | 。 1 1 2 水资源分布不均衡 ( 1 ) 水资源时空分布不均，年际、年内变化大。年际间最大和最小径流量的 比值，长江以南中等河流在5 以下，北方河流多在1 0 以上。径流量的逐年变化 存在着明显的丰平枯水期，可能出现连续数年为丰水年或枯水年的交替现象【4 】。 ( 2 ) 水资源地域分布极不均匀，南北、东西部差距悬殊。我国水资源南多北 少，东多西少，与人口、耕地、矿产等资源分布极不匹配。 1 】【3 水资源污染严重 我国根据多年对地表水源的监测结果提出水中优先控制污染物有6 8 种，其 中有毒有机污染物有5 8 种【5 j ，说明我国水污染主要以有机物污染为主。据2 0 0 9 年国家环保总局发布的中国环境状况公报表明，我国的七大重点流域地表水 普遍受到有机污染，2 0 3 条河流4 0 8 个地表水国控监测断面中，i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 7 3 、2 4 3 和1 8 4 。主要污染指标为 高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。主要湖泊富营养化问题突出，如太湖、 滇池水质总体为劣v 类，主要污染指标为总氮和总磷，巢湖水质总体为v 类，主 要污染指标为总磷、总氮和石油类。 另一方面，地表水源水中检出的微量有机污染物种类明显增多，其在水中的 浓度也逐渐增加，值得关注的多种持久性有机污染物( p o p s ) ，如农药、多环 芳烃等，其具有长期残留性、生物蓄积性、长距离迁移性、高毒性，对人类健康 和环境带来严重危害。石家庄黄壁庄水库曾检出微量有机物6 3 种，其中多环芳烃 2 2 种、单环芳烃1 7 种、酯类4 种、脂肪烃6 种【5 】；北京官厅水库水体中存在h c h s 、 d d t s 和七氯等污染物，其中以h c h s 和d d t s 为主【6 1 。另外检出的阿特拉津残留 浓度达到3 9 p l 【7 1 ，超过地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 规定标准限 值3 0 p l 。 综上看出，我国饮用水水源地水质呈恶化趋势和微污染状态，水中的微量有 机物量和种类势必呈增长趋势。因此，针对原水水质的变化，必须加强水源地的 保护、改进水厂常规水处理工艺以及采用深度处理工艺。 1 2 微污染水源的水质特征及其危害 1 2 1 微污染水源水质特征 微污染水源污染物种类较多，性质较复杂，浓度较低微，但是对人体的危害 很大，特别是一些有机微污染物质具有致癌、致畸、致突变的作用。微污染水一 般的水质特征如下【8 】： ( 1 ) 有机物的综合指标，如c o d 、b o d 、t o c 等值升高，水源水中这些指 标值越大，说明水中有机物越多，污染越严重【9 】； ( 2 ) 氨氮( n h 4 + - n ) 浓度升高； ( 3 ) 特定的污染质引起的色、嗅、昧明显； ( 4 ) 溶解性有机污染物、有机卤化物等有害物质，综合反映为a m e s 试验呈 阳性： ( 5 ) 水体中存在各种病原微生物，包括细菌、病毒、原生动物以及导致微生 物变异的因子。 1 2 2 主要污染物种类及危害 受污染水体中，一般同时存在胶体颗粒、无机离子、藻类、溶解性有机物、 不溶性有机物等，这些污染物相互联系、密不可分构成一个复杂的污染物体系。 ( 1 ) 有机物：微污染水中存在的有机污染物分为天然有机物州o m ) 和人工合 成有机物( s o c ) 。n o m 是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质， 包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物的废弃物等，是大部分消毒 副产物的前驱物，也称作耗氧有机物；s o c 大多是有毒有害有机物，一般难降 解、在环境中有一定的残留水平，具有生物富集性、三致作用和毒性。据世界卫 生组织统计：世界上的疾病，8 0 以上与水有关：在每年死亡的儿童中5 0 的 死因与饮用水水质不良有关【l0 1 。 ( 2 ) 氮：氮在水中以有机氮、n h 4 + - n 、n 0 3 。n 和n 0 2 。n 形式存在。由于氨 是自养菌繁殖的电子供体，在水厂流程和配水系统中，氨氮浓度达到0 2 5 m l 就足以使硝化菌生长，而引起溶解氧降低和嗅味问题【1 1 1 。氨使消毒时投氯量加大， 形成氯胺，降低消毒效率。硝酸盐和亚硝酸盐浓度过高的饮用水可能对人产成两 种危害：诱发正铁血红肮症和产生致癌的亚硝胺【1 2 1 。 ( 3 ) 三致物质：饮用水经氯化处理后，有可能形成“三致物质，威胁人的 健康。 ( 4 ) 铁、锰：含铁、锰较高的饮用水中会产生红褐色甚至出现沉淀物，会使 衣物着色，并有金属味；另外，容易使铁、锰细菌大量繁殖，堵塞、腐蚀管道。 ( 5 ) 藻类及藻毒素：某些富有氮、磷的营养水体，当水温适合时会引起藻类 的暴发生长。藻细胞分泌的藻毒素不仅使水质产生嗅、味和恶感，而且有毒，严 重时完全不能饮用或使用。 水源微污染给供水工艺带来严重的冲击，面临着原有工艺的改进，处理费用 增加，水厂运行管理难度加大等问题。 1 3 微污染水源处理技术 面对水源水质的变化以及饮用水水质标准的不断提高，常规饮用水处理工艺 已不能满足需要。试验研究和实际生产结果表明，常规的“混凝一沉淀一过滤一 消毒”主要去除浊度、色度和细菌等，而对病原微生物的去除率为5 0 左右，氨 氮的去除率为1 0 左右，对有机物的去除率也只有1 0 一5 0 ，平均为3 0 【9 1 。 由此可知，常规净水工艺存在一些缺点具体表现【9 】：( 1 ) 不能有效去除氨氮及有机 污染物，尤其是溶解性有机物；( 2 ) 不能有效去除藻类及藻毒素；( 3 ) 加氯生成副产 物，使出厂水致突变性增加；( 4 ) 臭、味及内分泌干扰物不能被去除；( 5 ) 存在出厂 水不稳定及管网二次污染等问题。 从2 0 世纪6 0 年代开始，针对微污染水源水质的特点，水处理研究人员开发 出许多净水新工艺，并且有的已经在实际中得到应用，取得了较好的效果【5 】，概 括起来是：预处理工艺深度处理工艺强化传统处理工艺【4 1 。 1 3 1 预处理工艺 预处理通常是指在常规工艺前面，采用适当的物理、化学和生物的处理方法， 将水中的污染物进行初级去除，减轻后续处理的负担，改善饮水水质。主要包括： 吸附预处理、化学氧化预处理、生物预处理 4 1 。 1 3 1 1 吸附预处理 吸附预处理是在混合池中投加吸附剂，利用其强大的吸附性能或交换作用， 改善混凝沉淀效果来去除水中的污染物质。目前常用水源水处理的吸附剂有粉末 活性炭、硅藻土、二氧化硅、沸石、离子交换树脂，其中用得最多的是粉末活性 剔2 3 1 。 粉末活性炭对水中的色、嗅、味、有机物的去除效果显著，对酚类、农药、 消毒副产物及其前体物也有很好的去除效果，故在水处理中的应用越来越多，而 且粉末活性炭吸附可以和常规工艺的混凝配合联用：混凝对水中大分子量( 相对 分子量3 0 0 0 1 0 0 0 0 ) 的有机物去除效果较好；粉末活性炭对相对分子量介于 1 0 0 0 5 0 0 0 的有机物有较好的去除效果，所以二者协同作用，可大大提升微污 染水源水中污染物的去除效果。 1 3 1 2 化学氧化预处理 化学氧化预处理是利用氧化势较高的氧化剂改善污染物的可生化性，实现转 化和分解污染物的目的。目前常用的氧化剂有臭氧、高锰酸钾、二氧化氯、过氧 化氢等【1 3 】。 1 3 1 3 生物预处理 生物预处理是应用微生物群体的代谢活动，初级去除水中污染物，包括腐殖 酸在内的可生物降解有机物及可能在加氯后致突变物质的前驱物和n h 4 + _ n 、 n 0 2 等污染物。利用填料为生物载体，微生物富集在填料上形成生物膜，目前， 我国采用的反应器主要是生物膜型，种类有生物滤池、生物转盘、生物滤塔、生 物流化床、生物接触氧化池和生物活性炭滤池等【1 4 1 。 1 3 2 深度处理 深度处理是在常规处理后，采用适当的处理方法，将常规处理不能有效去除 的污染物或消毒副产物的前提物质去耐1 5 】。目前较成熟的深度处理技术主要有 活性炭吸附【1 6 1 、臭氧氧化、臭氧一活性炭、生物活性炭、光催化氧化、膜技术等 【4 】 o 1 3 2 1 活性炭吸附 活性炭吸附是完善常规处理工艺去除水中有机污染物的成熟的方法之一。活 性炭是弱极性的多孔物质，其中由微孔构成的内表面积约占总面积9 5 以上， 活性炭对有机物的去除主要靠微孔吸附作用，其中溶解度小、亲水性差、弱极性、 分子量不大的有机物易被活性炭吸附。 h u 掣1 7 1 研究表明，颗粒活性炭( g a c ) 对烷烃类有机物的去除效率最高，其 次是苯类、硝基苯类、多环芳烃类和卤代烃类，对醇类、酮类、酚类的去除效率 相对较弱。活性炭工艺若与臭氧联用或形成生物炭，生物降解作用将会使去除效 果有进一步的提高 1 3 2 2 臭氧氧化 臭氧具有很强的氧化能力，可以破坏有机污染物的分子结构完成改变污染物 性质的目的，臭氧分解放出的新生态氧 o 具有极强的氧化能力和渗入细胞壁能 力，从而破坏细菌有机链状结构而导致细菌死亡。臭氧对烯烃类化合物的双键氧 化能力最强，其次是胺类和一些碳氮双键，再次是烯烃三键、碳环、杂环的芳香 族化合物、硫化物、磷化物等。 h o i 皿e 和b a d e r 提出臭氧通过以下两条途径与水中有机物进行反趔1 8 】： ( 1 ) 与臭氧分子的直接反应： 直接反应一直接氧化有机物和微生物等一直接氧化产物( 反应慢，有选择 性) ( 2 ) 与臭氧分解过程中产生的羟基自由基( o h ) 的间接反应。 4 r 一氯他有机街和豢生钧辱璺瞧d 型隆啼阁接曩 匕产辑 i 蛳接聂纛 啼氯纯嘲一型随墼照鞠譬 ll 氯化伪一鸥仪粒 1 3 2 3 臭氧生物活性炭 臭氧生物活性炭是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物降解三种 技术合为一体的工艺，其优势主要是去除原水中微量有机物和消毒副产物的前体 物等有机物。 在炭前或炭层中投加臭氧，可以初步氧化水中的有机物以降低生物活性炭滤 柱的有机负荷；可使水中难降解有机物转化为易生物降解物质，从而提高进水的 可生化性，使生物活性炭充分降解未被氧化的有机物，从而达到水质深度净化的 目的。呲e u c m 等人在采用臭氧生物活性碳工艺去除水中天然有机物的试验中 发现臭氧处理可使水样的b o d c o d 从原来的0 1 2 上升到0 3 5 ，使水质的可生 化性得到很大改善【l9 1 。 臭氧生物活性炭技术在实际应用中也遇到一些问题，主要表现以下几点【2 0 】： ( 1 ) 系统工艺环节较多，操作运行较为复杂，导致系统运行控制和管理维修 较为困难。 ( 2 ) 臭氧投加量和和生物活性炭净水效果之间存在一定的关系，目前还不能 通过解析的方法计算出工艺系统的适宜臭氧投加量，只能通过试验获得。 ( 3 ) 活性炭上微生物的再生机理目前还不明确，没有统一的认识，目前主要 是i d i n 趾和p o n o t t i 等人提出的胞外酶再生假说。 ( 4 ) 因为缺少完善的系统模型，不能进一步明确进出水水质、臭氧及活性炭 装置的停留时间与臭氧投加量之间的关系，使得系统优化设计缺少完备的理论基 础。 1 3 2 4 生物活性炭 生物活性炭( b a c ) 是利用活性炭表面丰富孔隙结构对有机物及溶解氧的有 效吸附能力为好氧微生物在活性炭表面的固定生长和繁殖提供有利条件，将生物 降解与物理吸附相结合【2 1 1 。生物活性炭比单独采用活性炭吸附具有以下优点【捌： ( 1 ) 实现生物硝化作用，将n h 4 + - n 转化为n 0 3 。从而可以减少后氯化的投氯 量，降低了三卤甲烷的生成量； ( 2 ) 活性炭的吸附和微生物降解的协同作用延长了活性炭的使用周期； ( 3 ) 可以提高水中溶解性有机物的去除效率。 生物活性炭技术也有其局限性 2 3 】： ( 1 ) 生物活性炭采用微生物自然驯化富集方式，挂膜时间较长； ( 2 ) 受到进水水质p h 的限制； ( 3 ) 浊度对生物活性炭的吸附和运行周期有一定的影响，需要经常反冲洗； ( 4 ) 溶解氧的高低对其处理效果有一定影响； ( 5 ) 耐冲击负荷能力有限。 1 3 2 5 膜技术 膜技术是利用隔膜使水与溶质或微粒分离。膜分离技术的特点【2 4 】：( 1 ) 膜分 离过程不用发生相变，能量转化率高：( 2 ) 根据膜的选择透过性和膜孔径的大小 及膜的荷电特性来选择通过物质，且被分开的物质仍保持其理化性质不变；( 3 ) 膜分离过程不需要投加药剂，节省成本，且不会引起二次污染；( 4 ) 分离和浓缩 同时进行，可回收有价值的物质；( 5 ) 膜分离适应范围广，系统操作和维护方便。 随着饮用水水质标准的提高，随着膜材料价格的降低及其技术的成熟，膜技 术在饮用水处理中的应用越来越广泛。 但是缺点也存在【2 4 】： ( 1 ) 膜的应用与膜孔径的大小、水温、p h 值等有关； ( 2 ) 目前与传统的物化处理技术相比，成本一般要高； ( 3 ) 易形成膜污染或污垢，清理麻烦，膜的使用寿命较短。 膜分离是用天然或人工合成的高分子薄膜做介质，以外界能量或化学位差为 推动力，对双组分或多组分溶液进行过滤分离、分级提纯和富集的物理处理方法。 常见的膜技术有：微滤( m f ) 、超滤f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 等。表1 1 为不 同膜处理技术分离过程【2 4 】。 表1 1 不同膜技术的分离过程 t a b l l - lt h e 辩p a n t i 蚰p r o c 嚣so fd i 仃e r e n tm e m b r a n et h n o l o 科 1 3 3 强化常规净水工艺 强化常规工艺是指在加药、混凝、沉淀、过滤、消毒工艺的传统工艺流程中， 对其中环节的强化或优化，从而迸一步提高水中有机污染物，包括低分子溶解性 6 有机物的净化效果，降低三卤甲烷的出水浓度，主要方向有强化混凝、强化沉淀、 强化过滤( 在下一节主要介绍) 和改进消毒工艺。 1 3 3 1 强化混凝 强化混凝指合理投加助凝剂，优化混凝条件，以确定混凝的最佳条件，提高 混凝效果。强化混凝措施一般包括【2 5 】：( 1 ) 增加混凝剂投入量，使水中胶体脱稳， 在絮凝吸附作用下胶体沉降；( 2 ) 投絮凝剂，增强吸附、架桥作用；( 3 ) 絮凝流程的 强化，如优化搅拌强度、缩短流程时间、确定最佳反应条件等；( 4 ) 强化颗粒碰撞、 絮凝反应设备的研发。 王志军等【2 6 】利用聚合混凝剂代替硫酸铝对松花江微污染水源进行强化混凝 技术研究，通过对比试验得出：采用聚合混凝剂在除浊、去除c o d 等方面都优 于传统混凝。 1 3 3 2 强化沉淀 传统的沉淀机理是絮凝体借助接触碰撞等作用，表面吸附、截留水中大量悬 浮物和胶体以及部分天然有机物，絮凝体以单体颗粒沉降模式从中分离去除。 由于水源水质的恶化，出现了各种强化沉淀的措施，如斜管沉淀、拦截式沉 淀，优化沉淀区流态、优化排泥和优化斜板间距等2 7 1 。 强化沉淀技术主要有【2 8 】：( 1 ) 改善沉淀水流流态，减小沉降距离，提高沉淀 效率；( 2 ) 采用高效新型絮凝剂；( 3 ) 提高絮凝颗粒有效浓度，促进絮凝体网状结构 的快速形成。 强化沉淀能够在一定范围提高有机物的去除率，但是对氨氮、亚硝酸盐氮以 及影响出厂水生物稳定性的小分子有机物去除效果不明显【2 9 】。 1 3 3 3 改进消毒工艺 通过改变原来加氯点或使用新型消毒剂，如臭氧、二氧化氯、氯胺、高锰酸 钾【3 0 3 1 1 ，主要使出水中t h m s 的浓度降低。 1 3 4 微污染水处理组合工艺及典型流程 由于微污染水源水中污染物的多样性和复杂性，采用单一的净水工艺很难制 的安全、卫生的饮用水，目前常采用多个净水单元的组合，形成组合工艺，发挥 各单元的优势和组合的协同来净化微污染水源水。 1 3 4 1 微污染水处理组合工艺 常用的组合工艺分为活性炭组合工艺，生物法组合工艺、膜法组合工艺和臭 氧氧化法组合工艺。 ( 1 ) 活性炭组合工艺 臭氧生物活性炭工艺是活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降 解及臭氧灭菌消毒4 种技术合为一体的工艺。首先利用臭氧预氧化作用，初步氧 7 化分解水中的有机物及其他还原性物质，降低生物活性炭滤池的有机负荷，同时 臭氧氧化能使水中难以生物降解的有机物断链、开环，转化成简单的脂肪烃，改 变其生化特性。 活性炭能够迅速地吸附水中的溶解性有机物，同时也能富集微生物，使其表 面能够生长出良好的生物膜，靠本身的充氧作用，炭床中的微生物就能以有机物 为养料大量生长繁殖耗氧菌，致使活性炭吸附的小分子有机物充分生物降解。 ( 2 ) 生物法组合工艺 生物处理主要借助微生物的新陈代谢活动，去除水中的有机污染物、氨氮、 亚硝酸盐以及铁、锰等有机污染物。生物处理可以和常规处理、深度处理形成组 合工艺，来弥补常规工艺对有机物和氨氮去除不力的局限。 生物预处理常规处理从有机物分子量特征的角度来讲，生物处理去除 的主要是相对分子质量小于1 5 0 0 的低分子量有机物，这部分有机物一般是亲水、 易生物降解的；常规处理即混凝、沉淀和过滤，主要去除相对分子量1 0 0 0 0 左右 的有机物，对低分子量有机物的去除率很低。目前生物处理主要作为预处理设置 在常规工艺前，通过可生物降解有机物的去除，来减少消毒副产物的前体物，改 善出水水质，同时也减轻了后续常规处理的负荷，其常用形式主要有生物接触氧 化和生物陶滤。 生物预处理常规处理深度处理深度处理主要有活性炭吸附、臭氧氧化、 生物活性炭、膜滤和光催化等。对于原水水质较差，或者出水水质要求较高的处 理，一般增加深度处理工艺，如b a c 、膜过滤等。 ( 3 ) 膜法组合工艺 目前的膜技术包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 和反渗透( r o ) 。 曝气生物滤池( b a f ) 肘fb a f 和u f 有很强的互补性。天然水中低分子 可溶性有机物比例较大，而u f 对这部分的去除效果不佳。所以，b a f 通过微生 物的新陈代谢实现对这部分污染物的去除；u f 主要去除疏水、难降解的有机物 以及细菌和病毒，作为出水的把关措施。 p a c 舢f 此工艺形成了吸附固液分离系统，p a c 的作用主要是：一方面 吸附水中的低分子量有机物，把溶解性有机物转移至固相，再通过后续的u f 膜 截留去除；另一方面p a c 会在u f 膜上形成一层多孔状膜，吸附水中有机物， 从而能有效预防膜污染。u f 膜能去除水中的固体微粒，还能拦截p a c 于反应器 中，防止p a c 的流失。 此外，膜法还可以和混凝、0 3 等处理单元组合，形成优势互补，来提高水 处理的综合效益。 ( 4 ) 臭氧氧化法组合工艺 为了提高0 3 的氧化性，促使高级氧化工艺( a o p s ) 的产生。a o p s 就是将0 3 和h 2 0 2 或u v 照射等组合，强化o h 的产生，达达增强了氧化性，净水效果更 好。 1 3 4 2 微污染水处理典型流程 ( 1 ) 预处理工艺 原水_ 粉状活性炭_ 絮凝沉淀_ 砂滤_ 消毒叶出水 原水_ 0 3 或心妇0 4 预氧化一絮凝沉淀一过滤一消毒_ 出水 原水_ 生物接触氧化_ 常规处理_ 出水 原水_ b a f _ 常规处理_ 出水 、适用于有机污染物降解处理，氨氮、亚硝酸盐的氧化以及铁、锰预氧 化，配合后续处理可以有较好的去除效果。 ( 2 ) 深度处理 原水_ 絮凝沉淀_ 砂滤_ 0 3 + 生物活性炭_ 消毒_ 出水 原水_ 预臭氧_ 絮凝沉淀_ 砂滤_ 0 3 _ 活性炭_ 消毒一出水 原水_ 生物预处理_ 絮凝沉淀_ 砂滤一0 3 _ 活性炭一消毒- 出水 原水_ 絮凝沉淀_ 砂滤_ 颗粒炭_ m f _ u f 一出水 1 4 生物强化过滤 生物强化滤池是在不预加氯的情况下，对普通滤池进行生物强化，在滤料表 面上培养繁殖微生物，来去除水中的有机物、氨氮、亚硝酸盐氮等污染物的一种 水处理技术。 1 4 1 微生物富集 生物滤池发挥效果的前提是滤料上生长一定量的微生物，因此需要对其微生 物的驯化和富集。而影响富集效果的因素较多，如温度、富集方式、填料的特性、 气水比等【3 2 3 3 1 。 ( 1 ) 温度对其影响较大，主要影响挂膜过程中细菌的生长速度。在适宜的 范围内温度每提高1 0 ，酶促反应速度将提高1 2 倍，相应地，微生物的代谢 速率和生长速率也随之提高【3 4 1 。好氧微生物的适宜温度范围是1 0 3 5 ，亚硝 酸菌适合在2 4 0 范围内生长，硝化菌适合在5 4 0 范围内生长。同时，温度 高也有利于填料上原生动物和后生动物的吸附和生长。本试验始于夏季气温相对 较高进水水温为3 0 2 0 ，整个挂膜期间平均水温为2 6 ，因此整个阶段温度 适宜微生物的生长，且期间滤池运行正常，按计划完成了微生物的富集。水温的 变化经历了先高后低的过程，挂膜初期温度较高，微生物生长迅速，微生物生长 处于对数增长期，到了中后期，微生物进入稳定期。 ( 2 ) 驯化富集方式也是影响微生物生长的主要因素。人工接种方式时间短， 9 但是膜的稳定性较差；采用自然驯化方式，它虽然膜时间较长，但成功后能稳定 运行。考虑到启动期间的温度等条件适宜自然驯化的进行，故本试验滤池采用自 然驯化富集的方式。 ( 3 ) 填料直接影响微生物的富集的效果。填料的比表面积越大则亲水性能和 吸附性能就越好；粗糙度越大，挂膜越快；一般微生物表面带负电，因此载体表 面电位越高，生物膜中的微生物越容易附着，生物膜生长越快。本实验选择的填 料是活性炭，具有巨大的比表面积，因此，填料不是本文试验装置微生物生长的 主要影响因素。 ( 4 ) 溶解氧( d i s 0 1 v e d o x y g e i l ，d o )好氧微生物的生长繁殖需要充足的溶解 氧：硝化反应必须在好氧条件下进行，溶解氧浓度也会影响硝化反应速率，为了 使硝化反应顺利进行应使液相主体中保持较高的溶解氧浓度。对于生物滤池来 说，在出水d o 4 m l 时，氨氮的去除率能维持在9 0 以上【9 】。本试验中滤池进水的d o 值均在7 0 左 右，d o 能保证生物生长的需要，故可以得出生物滤池进水的d o 不是启动阶段 的限制因子。 1 4 2 生物强化滤池对降解机制 目前国内外比较认可的生物活性炭的降解机制是协同作用，有几种假说，比 较常见的有胞外酶假说、浓度差解吸假说，还有学者认为是胞外酶和浓度差解吸 共同作用。 1 9 7 3 年p 伽t t i 及r o d m a n 等人提出了胞外酶假说认为【3 5 】：在生物活性炭的表 面生长的微生物个体大小大约是1 岬，不能够进入活性炭的主要吸附区微孔区 ( 直径 4 姗) ，而微生物分泌出的胞外酶直径是l 姗的数量级，水解酶可以通过扩 散作用进入炭的微孔内与吸附质进行生物化学反应，形成酶基质复合体，并发生 解吸，使得活性炭的吸附能力得到恢复。 1 9 8 1 年a n d r e w s 和t i c n 提出 3 6 】，由于在生物膜和溶液中的生物降解造成相 反的吸附浓度梯度，从而可以使吸附质解吸回到生物膜和溶液中进一步降解。 2 0 0 1 年a l e x 锄d c r 等【3 7 】通过实验总结前人的假说，认为微孔解吸是由于反相 浓度梯度，而胞外酶假说适用于过渡孔和大孔再生，而不适用于微孔再生。生物 再生是微生物生物活性、胞外酶生物化学活性和反相浓度梯度共同作用的结果。 微生物附着活性炭上可以发挥炭、微生物和基质之间生化和物化处理的协同 作用。活性炭的吸附催化作用提高了微生物的活性，增进了微生物的代谢活动， 具体反应在以下几个方面【弱j ： 活性炭对有机物负荷调节作用 活性炭可吸附大量有机污染物，当水中污染物负荷过高时，部分污染物就可 1 0 被吸附并储存在活性炭内；当水中污染物负荷低时，这部分被储存的物质就被解 析扩散进而被微生物所降解利用，从而为微生物创造了稳定的降解条件。 活性炭表面的催化效果 在室温下，水中很多化合物在炭表面上的活性官能团和金属氧化物催化作用 下生成新的化合物，有可能把难生物降解的化合物转化成易降解的，进而促进了 生化处理的进行。 活性炭对氧的吸附 活性炭对氧的富集作用，在水中溶解氧浓度变化幅度较小时，起调节作用， 有利于微生物的工作。 微生物代谢对延长了活性炭的使用周期 生物碳上的固化细菌主要集中在炭颗粒的外表及邻近的大孔、过渡孔中，因 此附着在这部分的有机物可以直接被微生物降解去除；吸附在微孔区的有机物则 主要通过：一方面，大孔和过渡孔中微生物降解有机物后孔隙中形成的由内向外 减小的浓度梯度而引起的解析作用；另一方面，微生物分泌的胞外酶和细菌死亡 后细胞解体而释放出的酶类由于个体很小( 1 0 a 左右) 能够直接进入炭粒内部的微 孔中，使其从吸附位上解脱下来，并被微生物利用。生物降解使原来被占据的吸 附位又重新释放出来，继续吸附水中的有机物，进而重复上述过程称为活性炭的 生物再生，通过这种生物再生的方式活性炭的使用寿命可以大大延长。 1 4 3 生物强化滤池对污染物的去除 ( 1 ) 有机物的去除： 微生物对小分子有机物的降解。由于微生物生长代谢中物质能量的需要， 将部分低分子有机物分解成c 0 2 和水，同时也将降解过程中生成的部分中间产 物合成微生物体； 微生物胞外酶对大分子有机物的分解作用； 生物吸附絮凝作用。微生物分泌物多聚糖等粘性物质有类似化学絮凝的 作用，使部分大分子有机物被生物膜吸附，在反冲洗时被带出滤池。 ( 2 ) 氨氮的去除 生物过滤对氨氮的去除是通过亚硝化菌和硝化菌的联合作用而完成的，称为 硝化作用【3 8 1 。在硝化过程中，氨先被氧化成亚硝酸盐，然后氧化为硝酸盐，用 化学反应式可表示如下： 2 n h 4 + + 3 0 2 - 2 n 0 2 。+ 2 h 2 0 + 4 h 十一f l( f l = 2 7 8 4 2 ) 2 n 0 2 + 0 2 - 2 n 0 3 。f 2( f 2 = 7 2 2 7 ) 硝化反应总反应式为： n h 4 十+ 2 0 2 n 0 3 。+ h 2 0 + 2h +一f 3 ( f 2 = 3 5 1k j ) 硝化细菌属自养菌，其增长速度慢，世代期长，需要在反应器中有较长的停 留时间，有较大的比表面积供微生物生长，大的介质和孔隙率以及足够的溶解氧。 ( 3 ) 亚硝酸盐氮的去除 滤池亚硝酸盐氮主要来源是氨氮的转化，在滤池运行初期亚硝酸盐氮经常出 现积累现象。是由于亚硝酸菌比硝酸菌有竞争优势，硝酸菌生长缓慢，繁殖周期 长。随着微生物富集的进行，硝酸菌的量达到一定，可以和亚硝酸菌处于平衡状 态，共同完成氨氮向溶解状态的硝酸盐的转化。 在此，分析亚硝酸盐氮的积累的因素，包括温度、p h 值、进水氨氮浓度和 溶解氧的影响【3 9 j 。 首先，亚硝酸菌与硝酸菌生长的最适宜温度不同，在低温或较高温度时，硝 化产物主要是亚硝酸盐氮。生物硝化反应适宜温度为2 0 3 5 ，一般情况下 1 5 3 0 范围内，硝化过程形成的n 0 2 。n 可完全被氧化成硝态氮，而温度超过3 0 后又会出现n 0 2 - n 积累【4 0 训】。 其次，当p h 在7 4 8 3 时，n 0 2 。- n 积累速率很高，其生成速度在p h 为8 附近达 到最大，而硝态氮生成速率在p h 为7 附近达到最大【4 2 】。此外，随着p h 值提高，游 离氨会增加，其对亚硝酸细菌和硝酸细菌均有抑制作用，但对硝酸细菌抑制作用 更强。 另外，进水氨氮浓度也会对n 0 2 。- n 积累造成影响。当氨氮浓度较高时，水中 的溶解氧主要被亚硝酸菌消耗于氨氮的氧化，使得硝酸菌可利用的溶解氧较低， 也会抑制硝酸菌的活性【4 3 】。张东等人发现当氨氮浓度低于2 5 m l 时，n 0 2 。n 的去 除率在2 0 一5 0 ，而当原水氨氮较高于2 5 m l 时，n 0 2 。- n 积累会增爹州。 2 引言 2 1 研究的目的与意义 国内对生物强化过滤的认识与研究处于刚刚起步的阶段，主要体现在：对 生物强化过滤的机理的研究不够完备；对生物强化过滤的性能考察不全面，包 括滤料的种类、停留时间、反冲洗方式等；对生物强化过滤的生物作用没有深 入而全面地探讨。 鉴于水源受污染严重，社会对饮用水水质安全性要求提高，水质标准也在严 格化，对净水工艺提出更高的要求。生物强化过滤只需在原有滤池基础上改进， 相对再投资少，以经济、高效的特点尤显出在工程应用中的可行性。 本课题结合当前我国水处理面临的技术问题，试验探讨生物强化过滤的性能 和生物量和微生物活性的沿层部分以及生物活性炭的协同作用，为完善生物强化 过滤的研究做出贡献。 2 2 研究内容 ( 1 ) 以实验模拟常规工艺的沉淀池出水为试验对象，采用动态自然方式完成 活性炭表面微生物的富集和驯化。考察期间微生物的动态变化、污染物的削减和 溶解氧的消耗情况来确定挂膜是否成功，并考察稳定期间的去除效果； ( 2 ) 装置稳定运行后，研究生物活性滤池对污染物的去除； ( 3 ) 考察两种异常状态：低温状态对氨氮去除影响和短期和长期关闭二次启 动； ( 4 ) 考察生物活性滤池不同炭层深度生物量和生物活性的分布情况及变化规 律，分析其与工艺净水效果的关系； ( 5 ) 初步探索了生物活性滤池对百菌清和毒死蜱微量有机物的去除机制。 3 试验设计与研究方法 3 1 配水方案及进水水质 实验进水是根据一般微污染水源水的水质状况，采取配水的方式模拟常规沉 淀处理后的水，配水方案：在三个水箱中分别加入3 2 0 l 自来水放置过夜以除去 余氯后，投加0 5 9