（环境工程专业论文）生物接触氧化臭氧活性炭工艺处理微污染水的研究.pdf

筇州科技学院硕f 学位论文摘要 摘要 目前原水污染日益严重，传统的常规净水工艺系统难以与之相适应，不能有效地 去除原水中溶解性有机物、氨氮以及亚硝酸氮等污染物，特别是无法去除预氯化和出 水加氯产生的消毒副产物，因而近年来生物预处理去除污染技术得到迅速发展。弹性 填料生物接触氧化预处理去除污染技术由于运行费用低、操作管理方便稳定、去除污 染效果好等一系列优点，受到国内外的广泛重视和关注。本文采用弹性填料生物接触 氧化预处理工艺与后续臭氧活性炭系统优化组合对微污染水进行了实验研究。 本课题研究生物接触氧化反应器对微污染水的处理效果，并考察了不同的环境因 素及运行条件对处理效果的影响作用。实验结果表明，生物接触氧化法对于微污染水 有较好的处理效果，在不同的h i 汀( 2 h ，4 h ，6 h ，8 h ) ，出水d o ( 8 m l ) 的情况下对于有机物、氨氮、亚硝酸盐氮以及藻类有较好的去除效果。 h r t 、出水d o 、水温对处理效果有不同程度的影响。随着h r t 的延长，处理效 果得到改善。较大的出水d o 能够保证水中充分d 0 以及能够起到强制脱膜从而保持生 物活性的作用，但过高的出水d o 不仅使能耗增大而且使生物膜受到搅动较大，生物 膜脱落影响处理效果。实验结果表明，随着水温的提高反应器的处理效果都有上升的 趋势。 生物接触氧化与臭氧活性炭实验表明：对于本实验，生物接触氧化与臭氧活性炭 组合工艺去除有机物主要为t 0 c ，c o d m 。所代表的有机物。由t o c ，c o d m 。与n h 4 + n 的去除率，确定了生物接触氧化与臭氧活性炭组合工艺的最佳臭氧接触时间为3 0 m i n 。 生物接触氧化与臭氧活性炭组合工艺对t o c ，c o d m 。有显著去除效果，活性炭出水 t o c 和c o d m 。的去除率分别达到7 6 6 和6 6 5 。由组合工艺比较得出臭氧活性炭部 分对n h 4 + 悄的去除效果不显著，n h 4 + - n 的去除主要由生物接触氧化工艺完成。 通过对生物接触氧化预处理工艺所做的经济分析，在取水规模为7 5 0 0 m 3 d 条件 下，每吨水处理成本为：0 0 4 4 元。采用生物接触氧化预处理工艺处理微污染水经济高 效、技术可行，在我国微污染水的净化处理中具有很好的应用前景。 关键词：微污染水，生物接触氧化，臭氧活性炭 苏州 ： 技学院硕 j 学位论艾 b s l r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n tt h es o u r c ea sr a ww a t e rf o rw a t e rt r e a t m e n tf a c t o r i e sh a sb e e ni n c r e a s i n g l y p o l l u t e d i ti sd i 伯c u l tf o rt h ec o n v e n t i o n a lw a t e rp u r i 6 c a t i o ns y s t e m ( c w p s ) t or e m o v e t h ep o l l u t a m si n c l u d i n gt h ed i s s o l v e do r g a i l i cm a t t e r ，n h 4 + - na i l dn 0 2 。二ni nt h er a ww a t e r ， e s p e c i a l l yt h ed i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s t h e r e f o r et h eb i o l o g i c a lw a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s d e v e l o p e dr a p i d l yi nr e m o v i n gt h ep 0 1 l u t 觚t s 洫t h er a ww a t e r t h eb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s s ，、v h i c hh a sas e r i e so fa d v a n t a g e si n c l u d i n gt h el o wc o s to fr u n n i n g ，h i g h e m c i e n c y ，s 乜出l em n n i n ga 1 1 dc o n v e n i e n tm a n a g e m e n t ，h a sb e e ne x t e n s i v e l yt a k e na n d f 0 1 l o 、v e dw i t hi n t e r e s ta l lo v e rt h ew o r l d t h ep i l o tr e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e di n m i c r o p o l l u t e dw a t e rb y t h e o p t i m a lc o m b i n a t i o ns y s t e m o ft h eb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o np m c e s su s i n ge l a s t i cs t e r e op a c k i n gw i t ht h ef o l l o w - u po z o n e b i o l o g i c a l a c t i v a t e dc 2 u r b o nm e t h o di no r d e rt h a tm ep o l l u t a n t si nt h er a ww a t e rc a nb er e m o v e d e m c i e n t l y t h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nt r e a t i n gm i c r o - p o l l u t e dw a t e ri ss t u d i e d ，a n dt h e e f f e c t so fv 撕o u se n v i r o n m e n tf a c t o r sa n do p e r a t i o nc o n d i t i o na r ea l s or e s e a r c h e di nm i s p a p e r t h ee x p e r i m e mr e s u l t sr e p r e s e n tm 曲r e m o v a le m c i e n c yo fo r g a m cm a t e r i a l ， 踟m o n i a n i t r i t ea 1 1 da l g a ea td i f f e r e n th r t sa n dt h ed o so fe m u e n t p a r 锄e t e r ss u c ha sh r t ，t h er a t i oo fa i rt ow a t e ra n dw a t e rt e m p e r a n i r es h o ws t r o n g e f i f e c to nr e m o v a le m c i e n c y h i g h e rr e m o v a le m c i e n c yi s o b t a i n e dw h e nh r ti s p r o l o n g e d a l t h o u g hh i g hr e s o l v e do x y g e ni sm a i n t a i n e db yh i g hr a t i oo fa i rt ow a t e rs oa s t ok e e pt h eb i o l o g i c a la c t i v i t y ，t 0 0l a r g er a t i oc a nl e a dt on o to n l yb i o m e m b r a j l eb r e a ko f f a n de f n u e n ts sh i g h e r ，b u te n e r g yw a s t e r e m o v a le m c i e n c yi si m p r o v e di nt h er e a c t o r a l o n g 谢t ht h ew a t e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d t h eb i 0 1 0 9 i c a lc o n t a c to x i d a t i o nc o m b i n e dw i t ho z o n e - b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o n t e s ti sd i s c u s s e di nt 1 1 ep 印e r t h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nc o m b i n e dw i t h o z o n e - b i o l o 百c a la c t i v a t e dc a r b o np r o c e s sh a sag o o dr e m o v a lr a t eo ft o ca i l dc o d m n t k o u 曲t h er e m o v a lr a t e so ft o c ，c o d m na i l dn 时- nd u 血gt h eb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o nc o m b i n e dw i t ho z o n e - b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o np r o c e s s ，t h eo p t i m a lo x i d a t i o n t i m eo fo z o n ei s3 0 m i n t h ep r o c e s so fb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nc o m b i n e dw i m o z o n e b i o l o g i c a la c t i v a t e dc a r b o ng e t sh i 曲r e m o v a lo ft o ca n dc o d m n t h et o t a l r e m o v a lr a t e so ft o c ，c o d m na r e7 6 6 a n d6 6 5 r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a lo fn h 4 + 二n d o e s n tr e l yo nt h eo z o n e - b i o l o g i c a la c t i v a t e dc 甜b o nb u tt h eb i o l o g i c a lc o m a c to x i d a t i o n t h ee c o n o m i ca n a l y s i so ft h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s si sc o n d u c t e di nt h e i l 苏卅f 科投学院顾f + 学何论文 a h 、c r a c t t e s t t h ec o s tf o ro n ec u b i cm e t e rr a ww a t e ri s0 0 4 4r m bu n d e rt h ei n f l u e n tn o wr a t ew a s 7t h o u s a n d5h u n d r e dc u b i cm e t e rp e rd a y t h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o np r o c e s si sa n e c o n o m i c a l ，h i g h e m c i e n ta 1 1 df e a s i b l ep r o c e s si nt r e a t i n gt h em i c r o - p o l l u t e dw a t e r t h e p r o c e s sh a sag o o d 印p l i c a t i o np r o s p e c ti nm ep o l l u t a n tr e m o v a lo fm i c r o p o l l u t e d 、v a t e ri n c h i n a k e y w o r d s ：m i c r o - p o l l u t e dw a t e r ，b i o l o g i c a l c o n t a c t o x i d a t i o n ，o 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 n 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究上= 作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。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。本声 明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：琏期：磁月日 学位论文使用授权书 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个集中式饮用水源地水 质进行监测发现，达标水量仅占7 2 3 。 从目前的状况看，水源污染日益严重，受污染的水源范围日益扩大，很难在短期 内恢复受污染水源。在我国淡水资源本来就十分紧缺的前提下，使用完全不受污染的 淡水水源的可能性越来越小，也就是说，我国自来水厂不得不面临着使用更多的水质 不符合要求的受污染源水作为生活饮用水和其他用途的水源。 1 1 2 1 水体有机污染及其危害 水源中的有机污染物可以分为以下两类：天然有机物和人工合成有机物。天然有 机物主要包括腐殖质、好氧有机物、藻类有机物和非溶解性有机物，腐殖质占有总有 机物总量的6 0 9 0 ，腐殖质在天然水体中带负电荷，扩散能力强，分布范围广。是 饮用水中多种消毒副产物的前体物，是导致饮用水致突变活性增加的主要因素。此外， 消毒副产物的前体中相当一部分是来自水中的非腐殖质部分的天然有机物。水中的非 腐殖质部分的天然有机物是主要的可生物降解部分，具有较强的亲水性和较低的芳香 苏州科技学院顺 学f 一沦艾 第孕绪论 度，可能由亲水酸、蛋白质、糖类等组成1 3 l 。 随着各国工业的发展，人工合成的有机物越来越多，目前已知的有机物种类约有 7 0 0 万种之多，其中人工合成的有机物种类达1 0 万种以上，且以每年2 0 0 0 种的速度递 增。随着人们的各种活动，它们以各种不同途径进入水体。美国e p a 水质调查发现供 水系统中有机物污染物2 11 0 种，饮用水中含7 6 5 种。其中1 9 0 种对人体有害，2 0 种为确 认的致癌物，2 3 种为可疑致癌物，1 8 种为促癌物，5 6 种为致突变物i 4 ，1 9 9 7 年u s e p a 根据有机污染物的毒性、生物降解的可能性以及在水体中出现的几率等因素，从7 万 种有机物化合物中筛选出6 5 类1 2 9 种优先控制的污染物，其中有机化合物11 4 种，占总 数的8 8 ，包括2 1 种杀虫剂、2 6 种卤代脂肪烃、8 种多氯联苯、11 种酚、7 种亚硝酸及其 它化合物。这些化合物本身有一定的生物积累性，有些本身有毒性，有些有“三致” 作用【5 1 。我国的研究分析结果也表明，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。上海黄浦江水中有机物种类至少在5 0 0 7 0 0 种之间，g u m s 定性 检出的2 18 种有机物中，属美国e p a 的优先污染物达3 9 种1 6 。】。 混凝、沉淀、过滤和消毒等组成的常规净水工艺系统水中的悬浮物和胶体物质， 对溶解性有机物去除率却很低。由于水厂水源受到污染，许多出厂水已不能达到国家 生活饮用水水质标准。 1 1 2 2 水体氮污染及其危害 氮是自然界广泛存在的基本元素之一，动、植物生长以及人类的生存都离不开它。 但是，氮在水体中过多地存在会成为动、植物以及人类有危害作用的污染因子。因此， 饮用水源要防止水体中的氮污染。 水体中的氮主要来源于生活污水和工业废水中的氮。城市生活污水中的氮主要来 源于人类日常生活一些含氮的溶解或非溶解性的物质( 排泄物等) 进入下水中而形成 的，其主要形式为有机氮和氨氮。一些工业废水也含有大量的氮，主要是由生产过程 中与水接触的含有氮的生产原料或废料流入排水所致，除有机氮、氨氮外，还常有亚 硝酸氮和硝酸氮。 水体中的氮过量则成为污染因子。氨为0 5 m g l 时，将对水生生物，尤其是鱼类 造成毒害。硝化作用导致水体缺氧，并引起水中硝酸氮浓度增高。当饮用水中的硝酸 盐氮浓度超过1 0 m l 时，可能会诱发婴儿患高铁血红蛋白血症【8 】。此外，如果饮用水 中含有过量的硝酸氮，它们会在人胃中还原为亚硝酸氮，与人胃中的仲胺或酰胺作用 形成亚硝胺致癌、致畸、致突变物【9 】。水体中过量氨氮等存在易使藻类大量繁殖、富 集，大量消耗水中的d o ，引起水体发臭。给水水源中含有氨氮将会使消毒时投氯量 加大。为了在“折点”后达到氯化而形成较有效的自由氯，水中氨氮每增加l m l 时， 就需多投加8 m l 1 0 m l 的氯。 2 苏州科技学院硕 学位论文 第一节绪论 1 1 3 江南地区水源状况 苏南地区以江南水乡闻名，有着极为丰富的地表水资源，但是水体受富营养化影 响日益严重，有机物污染，氮，磷浓度超标，藻类大量繁殖增长，水源水受到了严重 污染。特别是湖泊水，由于水体流动性小，自净能力差，污染更为严重。对水厂而占， 一方面不断开发新的适合水源，改进处理工艺；另一方面可供水源越来越少。 作为饮用水水源，太湖的水体富营养化同趋严重，有机物污染不断加剧。如苏州 地区，在太湖枯水季节引长江水回太湖，沿线的污染物同时带入太湖水体；而无锡地 区将太湖取水不得不改为长江取水，说明水源的污染已制约国民经济的发展和影响人 们的生活质量。 1 2 传统工艺处理微污染水的缺陷 目前水源普遍存在着溶解性有机物多、氨氮浓度高、色度高和藻类大量繁殖等问 题，通常把这些受到污染、但通过特殊工艺处理后尚可使用的水称为微污染水。 面对水源水质的变化，传统工艺( 混凝一沉淀过滤消毒) 已经显得力不从心。国 内外实验研究证明，传统工艺只能除去水中有机物的2 0 3 0 ，且由于溶解性有机物 的存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对源水的浊度去除效果也明显下降。 传统工艺的加氯消毒是饮用水中卤代有机物的主要生成原因。卤代有机物的主要代表 是三卤甲烷即氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷及溴仿的总和。三卤甲烷的可能浓 度与原水中的总有机物含量( t o c ) 有较好的线性相关性，因此原水有机物含量将直 接影响氢化消毒副产物的生成量，影响饮用水生物稳定性。尽管水厂出厂水都保持一 定的有效余氯，对细菌总数也有严格的控制，但在配水管网中仍经常发现细菌的再次 生长，这主要与出水中残留的异养菌的营养基质( 有机物) 和硝化细菌的营养基质( 氨 氮) 有密切的关系。 受到有机污染的饮用水水源直接影响现有传统工艺的水厂出水水质和正常运行。 因此，传统工艺流程不能满足微污染水源水质净化的要求，不能有效解决原水中持续 出现的氨氮、亚硝酸盐氮超标和原水高含量藻类及藻类代谢物引起的色、嗅、味的问 题，不能达到高标准出水水质的要求。针对微污染原水的水质特征选择预处理技术和 深度水处理技术势在必行。 1 3 微污染水预处理技术的发展概况 预处理通常是指在传统处理工艺前面，采用适当物理、化学和生物的处理方法， 对水中的污染物进行初级去除，同时可以使传统工艺更好地发挥作用，减轻传统工艺 和深度处理的负担，提高对污染物的去除效果，改善和提高饮用水水质。预处理方法 苏一h 1 科 学院硕f 学化论史 第章绪论 按对污染物的去除途径不同可分为氧化法和吸附法。氧化法又可分为化学氧化法和生 物氧化法。 1 3 1 氧化预处理 1 3 1 1 化学氧化预处理技术 氯化预氧化是应用最早的和目前应用最广泛的方法。在水源水输送过程中或进入 传统工艺构筑物之前，投加一定量氯气，此法可以控制因水源污染生成的微生物和藻 类在管道或构筑物内的生长，同时可以氧化一些有机物和提高混凝效果并减少混凝剂 使用量。臭氧氧化法不会像预氯化那样产生有害卤代化合物，也不会残留在水中。由 于臭氧具有很强的氧化能力，它可以通过破坏有机物分子结构以达到改变污染物性质 的目的。 化学预处理确实可以大大减轻后续传统工艺处理污染物的负荷，提高整体工艺对 污染物的去除率，但该方法也有它的局限性，存在着不足。如预氯化可能造成处理后 水的毒理学安全性下降，有些氧化产物不易被传统工艺去除，有些可能导致水的致突 变活性有较大幅度的增加。运行费用昂贵始终是其全面推广的局限性因素。目前，化 学氧化法还没有在我国的大中型水厂中推广应用，但高锰酸钾氧化取得了进展，哈尔 滨建筑大学研制的高锰酸钾复合药剂，去除水中有机污染物效果好，且能显著降低水 中的致突变性1 1 0 1 ，已经用于处理微污染水源水的生产性实验f l l 】。 1 3 1 2 生物预处理技术 生物预处理是指在传统净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新 陈代谢活动，去除水中的污染物【l2 1 ，如一些可生物降解的有机物、氨氮、亚硝酸盐、 硝酸盐和金属等。目前饮用水中采用的生物反应器大多数是生物膜类型的，其形式大 致可归纳为以下几种类型：生物接触氧化、淹没式生物滤池、生物塔滤、生物流化床 和生物转盘等。 ( 1 ) 、生物接触氧化法 在池内设置人工合成的填料，经过充氧的水，以一定的速度循环流经填料，通过 填料上形成的生物膜的絮凝吸附、氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降 解去除i ”】。其生物膜上的生物相丰富，由细菌、真菌、丝状菌、原生动物、后生动物 等组成比较稳定的生态系统。这种工艺是介于活性污泥法与生物滤池之间的处理方 法。填料己从最初的蜂窝管式填料，经软性填料、半软性填料，发展到近几年的弹性 立体填料；曝气充氧方式也从最初的单一穿孔管式，发展到现在的微孔曝气头直接充 氧以及穿孔管中心导流筒曝气循环式。在一定程度上，促进了膜的更新，改善了传质 效果。 4 苏州科亍上院硕i 化论支 第。币绪论 将生物接触氧化法工艺用于污染水的净化，是由f 1 本小岛贞男博士于1 9 7 1 年研 究成功。他提出了用浸没式生物膜接触氧化装置来预处理多摩川河水的方案，浸没水 中的微生物膜载体，填料用塑料蜂窝斜管，在水中人工通入空气充氧，取得了良好的 去除污染效果。2 0 世纪7 0 8 0 年代初，日本进行了大量的生物处理原水的工程实剐1 4 j 。 生物预处理用于给水中的研究在国内正在不断发展、深化。2 0 世纪8 0 年代国内清 华大学f 1 5 。1 引、同济大学【1 9 之5 1 和中国市政工程中南设计院【2 6 之7 1 等单位对微污染源水生物 接触氧化预处理技术进行了系统的实验和研究，取得了很好的效果，表明这种方法是 一种行之有效的方法。近年来，国内许多自来水厂己开始采用该工艺对微污染源水进 行预处理。结果表明，生物预处理对氨氮有较好的去除效果，去除率在8 0 以上， c o d m 。去除2 0 3 0 ，浊度去除5 0 左右【2 8 1 ，达到了预处理的目的，减少了混凝剂 的投加量。 生物接触氧化法具有处理水量大，处理时间短，容积负荷高，对冲击负荷有较强 的适应性，耐停运，出水水质较稳定，污泥产率低，运行费用低，占地面积小，运行 灵活，操作管理方便等优点，对促进给水事业发展具有普遍和重大的现实意义。 生物接触氧化工艺的运行效果受诸多因素的影响，如原水水质、水量及水温的变 化、操作管理水平的高低、填料本身的理化性质等。特别是水温对n h 4 + n 去除又较 大的影响，当水温低于5 8 时，n h 4 + - n 去除率较低。另外，与物化处理设备相比， 生物处理需要进行生物挂膜，所以需要更长的启动时间。 生物预处理工艺出水对人体健康的影响，还有待进一步研究。生物处理中的微生 物活性产物，如内毒素、溶解的微生物产物，及未完全降解的有机化合物等对健康的 影响尚不清楚。目前还不能肯定生物处理出水中是否含有内毒素。 ( 2 ) 、淹没式生物滤池 生物滤池是目前生产上常用的生物处理方法，有淹没式生物滤池( 曝气与不曝 气) 、煤砂生物过滤及慢滤池等。常用的生物填料有卵石、砂、无烟煤、活性炭、陶 粒等。滤池中装有比表面积较大的颗粒填料，填料表面形成固定生物膜，水流经生物 膜的不断接触过程中，使水中有机物、氨氮等营养物质被生物膜吸收利用而去除，同 时颗粒填料滤层还发挥着物理筛滤截留作用。曝气生物滤池通过输入压缩空气，不仅 为生物膜生长提供足够的d o ，而且有助于生物膜的更新，保证较高生物活性。该工 艺的特点是运行费用低，处理效果稳定，污染物去除效果好，污泥产量少，且受外界 环境变化的影响较小，能全面净化、改善水质，降低后续传统处理的混凝剂与消毒剂 氯的投加量。但运行一定时问的生物滤池易出现填料堵塞、曝气不均匀的现象，需要 进行周期性的反冲洗。 ( 3 ) 、其他 塔式生物滤池轻质滤料的开发和采用，为塔式生物滤池的应用创造了条件。采用 劭悖 十t ：院颂卜孚 0 论丈弼一荦绪论 生物膨胀床与流化床，可解决固定填料床中常出现的堵塞问题，进一步提高净水效率， 且占地面积少。生物转盘在污水处理中己广泛采用，目前在给水处理领域，对某些污 染程度较为严重的微污染水进行了一些研究。 在生物膜反应器中，吸附在生物填料或载体上的生物种类和数量较多。生物膜上 的细菌大多数是贫营养菌，如土壤杆菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌、芽菌和纤毛菌等对 可利用基质有较大的亲和力，且呼吸速率低，有较小的最大增殖速度和m o n o d 半速率 常数( k s ) f 2 蚰。所以在营养比较贫乏的饮用水源条件下，能够充分利用水中的有机物。 并且，贫营养菌还可以通过二次基质的利用去除浓度极低的微量难降解的有机物 【3 2 3 4 】。显然不同于污水处理中生物膜法的微生物生长、代谢特性。 饮用水生物处理生物模型设计一般从微生物动力学、营养物及可降解物质的传输 动力学来考虑【3 5 4 7 1 。近年来生物模型的建立已经从纯粹经验性模型到以m o n o d 方程和 基质的f i c k 扩散模型为基础的半经验半理论模型。r i t t m a r m l 3 珀j 认为生物膜内部基质 利用至少考虑三个过程：第一是液相内基质传输到生物膜的过程；第二是生物膜内部 基质的传输过程；第三是生物膜利用基质的动力学过程。在此基础上，提出了生物膜 反应器的模型，先后发展了稳态生物反应器中单菌属的反应模型、多菌属反应模型， 尤其对多菌属生物反应器中各菌属之间的关系作了定量化的描述，其中对生物膜中的 异养菌和自养菌的竞争生长、共生关系作了深入的研究。h u c k l 4 8 4 9 】研究发现，生物 反应器中进水a o c 浓度或三卤甲烷的浓度与去除率的关系呈一级反应关系，该结论对 于饮用水生物处理反应器的工程设计具有一定的参考意义。e d w a r d l 5 啦5 l j 等从微生物活 性出发，建立了微生物活性与有机基质的去除率的关系模型，得出微生物量和微生物 活性之问不存在绝对的相关关系【5 。 1 3 2 吸附预处理 吸附预处理技术是指利用物质强大的吸附性能或交换作用或改善混凝沉淀效果 来去除水中污染物的技术，主要有粉末活性炭吸附和粘土吸附掣5 2 j 。由于粉末活性炭 参与混凝沉淀过程，残留于污泥中，目前还没有很好的回收再生利用方法，所以处理 费用较高，难以推广应用。而粘土矿物类吸附剂虽然货源充足，价格便宜，具有很好 的吸附性能，但大量粘土投入混凝剂中也增加了沉淀池的排泥量，给生产运行带来了 一定困难。因此，寻找货源充足，便于回收利用的高效吸附剂是水处理工作者的任务 之一。此外，有报道指出，沸石作为一种极性很强的吸附剂，对氨氮、氯化消毒副产 物、极性小分子有机物均具有较强的去除能力，将沸石和活性炭吸附工艺联合使用， 有望使饮用水源中的各种有机物得到更全面和彻底的去除1 5 引。 1 4 微污染水深度处理技术的发展概况 6 为：i ：l 技7 ：院仍! 卜f t 论义弼+ 币绪论 深度处理技术通常是指在传统工艺以后，采用适当的处理方法，将传统工艺不能 有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水质。应用较为 广泛的深度处理技术有：臭氧氧化、活性炭吸附、臭氧活性炭吸附联用、膜技术、光 催化氧化，强化混凝等。 1 4 1 臭氧氧化技术【5 4 】 臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中有着很长的历史。最初用来作为消毒剂，控 制色度或嗅味，现又用来去除水中有机物。臭氧氧化法与传统方法比较具有显著的特 点，如对生物难降解物质氧化能力强、分解速度快、占地面积小、自动化程度高、无 二次污染、浮渣和污泥产生量较少，同时具有杀菌、脱色、防垢等作用。饮用水处理 中臭氧的投加方式包括预氧化，中间氧化和最后消毒。由于投量的限制，臭氧不能将 水中有机物全部无机化，但可将大分子有机物分解成分子较小的中间产物。由于臭氧 的强氧化能力，臭氧的氧化作用是破坏有机物的分子结构，可将一部分有机物彻底分 解，同时可将大分子的，细菌不易利用的有机物，生成小分子的，细菌易氧化分解的 有机物，降低了有机物的分子量，改变了有机物的性质，提高其可生化性。吴红伟等 认为原水经过臭氧氧化后，分子量在1 0 0 0 3 0 0 0 的有机物含量增加了1 3 。5 ，分分子量 为1 0 4 1 0 5 的有机物增加9 7 ，但其它区间的有机物含量都减少了，尤以分子量大于1 0 5 的有机物含量减少得最多。溶于水中的臭氧可氧化、分解从而有效去除水中的有毒物 质如有机毒物、氰化物以及敌敌畏、氧化乐果等农药。同时臭氧用于水消毒可以大大 降低自来水中卤代烃等有机致癌物。尽管臭氧的氧化能力很强，但主要是选择性地与 水中有机污染物作用，破坏其不饱和键，导致有机物极性增加，可生化性提高，对总 有机碳的影响很小。臭氧氧化很难将水中的有机污染物彻底无机化，主要以中间产物 的形式存在于水中。臭氧预处理的水再经氯化消毒，水中“三致”物质可能低于未预处 理的水，也可能更高，其效果视水质而定，这是因为臭氧副产物，如醛、酮、醇、过 氧化物氯化会产生三卤甲烷。 臭氧氧化与水温，无机碳，p h 值有关，臭氧在水中的分解速度随水温和p h 值的 提高而加快，同时还受自由基抑制剂浓度的影响，自由基抑制剂的浓度直接影响臭氧 化反应的性质。为了提高臭氧利用率，水处理过程中要求臭氧分解得慢些，而为了减 轻臭氧对环境的污染，则要求处理尾气中的臭氧分解得快些。 1 4 2 活性炭吸附 活性炭吸附作为饮用水深度处理的重要手段广泛用于城市供水工程。由于颗粒活 性炭极其丰富的微孔体积和巨大的比表面积，使其具有良好的吸附性能。而水中溶解 7 苏州 ： 技产院硕l 学位论史 第一。帚绪论 杂质溶质分子的憎水性和活性炭对溶质分子的静电吸附、物理化学吸附以及生物吸附 的联合作用，使活性炭对多种分子量大而极性小的有机有害物质、金属、非金属、色、 嗅、味、酚类、表面活性剂、不易溶解的碳氢化合物以及各种农药去除效果明显。但 对极性溶剂和分子量小的有机氯化物吸附较差，而且需要频繁再生、费用较高。颗粒 活性炭又是微生物生长的载体，但必须以水中充足的d o 作为好氧微生物着床、生长、 繁殖的必要条件。活性炭表面及微孔形成的微生物膜通过生物降解作用，可进一步降 解在活性炭表面及微孔富集的有机物，从而降低了活性炭的吸附饱和度。延长了其使 用寿命。因其通过界面吸附作用实现水质净化的目的，虽有竞争吸附即更换替代吸附 过程发生，但不产生新的有毒有害物质，因而被认为是相对安全的深度处理手段。 活性炭吸附性能受其本身特性和吸附质性质的影响，且随着炭的使用时间的延 长，吸附效果也会发生变化。活性炭对一些有机氯化物的去除效果比较差，虽对水中 氯化产生的致突物质有去除作用，但并不能有效去除氯化致突物质的自 体物。 1 4 3 臭氧活性炭 臭氧活性炭组合技术是以消除水中微量有机物为目的的饮用水深度净化技术。臭 氧活性炭工艺是将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附、生物降解四 种技术结合为一体的工艺。 它的做法是在传统水处理工艺的基础上，以臭氧氧化代替预氯化，利用臭氧的氧 化作用，初步氧化分解在水中的有机物及其它还原性物质，以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，将大分子有机 物氧化为小分子有机物，提高原水中有机物的可生化性和可吸附性，从而减小活性炭 床的有机负荷，延长活性炭的使用寿命。 臭氧作为强氧化剂，从1 9 0 6 年法国尼斯v e y a g e 水厂用于消毒以来至今已在欧洲普 遍使用。进一步的研究显示，在有效去除水中溶解性有机物、去除三卤甲烷母体物、 改善水体的致突变活性、去除色、嗅、味、消毒、杀藻等方面，臭氧具有明显的优势， 因而不仅用于预氧化和消毒，而且广泛地用于深度处理。当臭氧量充分时，有机物被 氧化得较为彻底，生成c 0 2 ，和h 2 0 ，但当臭氧量不足时，会出现副产物如过氧化物、 环氧衍生物、甲醛、丙酮酸、丙酮醛和乙酸等，这些副产物多为亲水性物质，有些是 对人体有害的诱变剂和致癌物质。副产物产生量一般与原水有机物浓度成正比，由于 上述臭氧氧化中副产物的影响，在给水处理中不宜单纯采用臭氧作为深度净化手段。 另外，由于臭氧在水中自行分解为氧，活性炭进水含有较高浓度的d o ，因此促 使好氧微生物在活性炭表面繁殖。好氧微生物以活性炭表面吸附的有机物为养料，将 它们转化为二氧化碳和生物量，从而不仅去除了原水中的有机物，而且在一定程度上 使活性炭再生，从而具有继续吸附有机物的能力，大大地延长了活性炭的使用寿命和 8 ，j ：州 ： 技院顾i j 学位论文第一干绪论 再生周期。 臭氧和活性炭联用技术具有优异的去除水中微量有机污染性能，该工艺在国外运 用已经比较成熟，欧洲国家如德、意、荷等己经广泛地将其应用于上千座水厂中，近 年来在我国受到重视，正在逐步推广应用。 1 4 3 1 臭氧活性炭深度处理技术在国外应用情况 臭氧和活性炭联用技术最初是1 9 6 1 年在德国杜塞尔多夫水厂得到首次应用【55 1 ，此 水厂水源使用莱茵河水，因水质不断恶化，原有的河岸过滤臭氧化过滤- 力口氯消毒的 工艺已不能满足出水水质要求，为了提高出水水质，进一步消除嗅味，水厂在过滤后 增加了活性炭吸附，结果表明出水水质明显提高，炭的使用周期大为延长。此后，经 过多年的使用和研究，逐渐认识到炭床中大量生长的微生物所具有的生物活性是处理 效率提高和活性炭使用周期延长的主要原因1 5 6 。 此水厂臭氧生物活性炭联合使用的成功，引起了德国以及西欧水处理界的重视， 从2 0 世纪7 0 年代开始，进行了臭氧生物活性炭水处理工艺的大规模研究和应用。 德国不来梅水厂从1 9 6 9 年开始，对颗粒活性炭的臭氧预处理作用进行了为期三年 的中试试验的详细研究。其流程是在快滤池后设置：预臭氧化池水池砂滤池性炭滤 池。研究发现具有预臭氧化的活性炭滤池去除有机物和氨氮的能力不会减弱，三年期 间活性炭无需再生。氮的去除在有生物活性的慢砂滤池中进行，这种让砂或惰性介质 过滤在臭氧化与活性炭柱之间的结合，使炭的吸附能力增大到最大限度。 德国慕尼黑市乌哈尼水厂从鲁尔河中取水，产水量为4 8 0 0 0 m 3 d 。该厂采用的 0 3 b a c 工艺流程为：臭氧氧化( 1 m l ) 、絮凝、沉淀、臭氧氧化( 2 m l ) 、过滤与重 复絮凝、活性炭柱、后加氯( 0 2 0 3 m g l ) 。使用结果是：水中溶解性有机碳和氨的 减少是非常令人满意的，并预期活性炭至少两年不需再生。更重要的是该水厂出水中 已没有了有机氯化物。 美国于1 9 7 6 年丌始研究0 3 b a c 。加利福尼亚州的c 捌t a s 市供水部门的0 3 b a c 试 验表明：当原水t o c 在8 9 m l 时，预臭氧化剂量为2 m l ，t o c 可降到3 4 m l ，再经 过活性炭过滤处理，滤速为1 5 1 删恤，t o c 进一步明显下降。 德国米尔海姆市某水厂在1 9 7 7 年和1 9 7 8 年分别进行了臭氧生物活性炭中试和生 产性实验，结果表明，臭氧生物活性炭组合技术完全可以代替原有的预氯化活性炭工 艺流程( 5 7 5 引。 此后，臭氧生物活性炭组合工艺相继出现于法国、前苏联、意大利和瑞典等地， 近年来，f j 本的东京、大阪的水厂、澳大利亚的水厂也先后采用【5 9 。6 0 1 。 国外臭氧生物活性炭技术的应用，为我国饮用水深度处理工艺技术研究提供了有 益的借鉴。 9 苏悖 手上学院硕卜学f i ! 论文 第一争绪论 1 4 3 2 臭氧活性炭深度处理技术在国内应用情况 我国在二十世纪七十年代开始该技术的研究【6 1 螂】，近年来，已相继建成了一批使 用臭氧生物活性炭的深度处理水厂，并取得了较好的处理效果，保证了水质安全。 北京f 日村山水厂是较早采用该技术的水厂，处理水量1 7 万吨日，1 9 8 5 年投产， 水源为官厅水库水，臭味、色度、有机物和氨氮浓度均较高，其臭氧设计投加量为 2 m l ，接触反应时问为1 0 m i n ，炭层厚1 5 m ，滤速为1 0 舳，出水水质：色度 5 度， 无异嗅和异味，浊度 2 度，c o d m 。由4 m g l 降至3 m l 。 进入2 l 世纪后，随着经济发展，臭氧生物活性炭深度处理技术相继在我国东南沿 海等地得到广泛应用，典型的有上海周家渡水厂、深圳梅林水厂等m 柳j 。 上海自来水公司【6 8 】研究了臭氧生物活性炭工艺在自来水深度处理的效果。实验表 明，臭氧生物活性炭工艺对水中的有机物、三卤甲烷前体物和芳香烃类有机物的去除 率分别是3 3 7 0 ，3 9 5 5 和2 0 4 0 ，并且a m e s 实验呈阳性的进水在处理后转 变为a m e s 实验呈阴性的出水。哈尔滨建筑大学1 6 9 j 进行了臭氧生物活性炭深度处理饮 用水的中试。结果表明，出水c o d m 。为0 。8 2 0 m g l ，c o d m 。平均去除率为7 3 1 ，出 水浊度接近o 度。同时发现，砂滤后加氯f j 的原水经色质联机检测，含有1 2 0 种有机物， 臭氧生物活性炭处理后出水，大部分有机物得到去除。同济大学1 7 u j 在上海周家渡水厂 进行了臭氧生物活性炭处理工艺的半生产性实验，研究表明，臭氧生物活性炭工艺对 滤后水中的有机物具有明显的去除效果，c o d m n ，u v 2 5 4 和t o c 的平均去除率分别是 2 7 5 ，5 7 和3 4 7 。但对氨氮去除率不高，仅4 8 4 ，而亚硝酸氮则比进水有所增 加。这是由于进水氨氮浓度较高，达