（环境工程专业论文）生物过滤对城市雨水中氮磷的去除效果研究.pdf

摘要 论文题目： 学科名称： 研究生： 指导教师： 生物过滤对城市雨水中氮磷的去除效果研究 环境工程 陈远 贾忠华教授 摘要 作者签名： 导师签名： 随着我国城市化进程的加速，由雨水径流造成的非点源污染变得同益严重；由于此类 污染的来源分散、随机性强、影响因素多、污染物种类和浓度的变化大，防治十分困难。 生物过滤技术是一种借助填料的物理化学作用和微生物的新城代谢活动，对水体中氮素、 磷素等进行去除的生物膜工艺。本文模拟研究在不同的汇流面积下，生物过滤对城市雨水 中氮、磷的去除效果。试验用人工配水为进水，根据不同的进水面积负荷、滤料材质和填 充方式设计运行工况。结果表明，面积负荷对系统去除污染物的效果最为关键，其次是滤 料和填充方式。试验初期阶段间歇性进水，逐渐加大进水面积负荷的方式运行，启动阶段 系统对总磷的去除率8 7 左右，对硝念氮的去除率在3 0 左右。 本试验装置对磷素的去除能力最为突出，去除率可以到达6 0 - - - 9 0 ，试验出水总磷浓 度均小于0 2 m g l ，达到了地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 的i i i 类水质标准，试 验对于总氮的去除效果不够稳定，对总氮的浓度去除率在1 0 - - 4 0 之间，在试验进、出水 中总氮的质量平衡中分析，系统对总氮去除率在2 0 左右：对氨氮具有良好的处理效果， 去除率达到了7 0 以上：对硝念氮由于未能给微生物提供反硝化作用的厌氧环境，导致 出水中硝态氮大量累积，出水浓度较大。 生物过滤系统尽管存在堵塞现象，但运行过程中无能耗并且管理方便，可为城市非点 源污染控制提供有效的措施，研究成果为系统的实际应用提供了参考依据。 关键词：城市雨水径流：非点源污染：生物过滤：填料；氮；磷 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：r e m o v a le f f e c t so fu r b a nr a i n w a t e rc o n t a i n i n gn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sb yb i o f il t e r m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n i n e e r i n g n a m e ：y u a nc h e n s i g n a t u r e ： s u p e r v is o r ：p r o f z h o n g h u aj i as i g n a t u r e ： a b s t r a c t a tp r e s e n t ，i no u rc o u n t r yu r b a nr u n o f fc a u s e ds e r i o u sn o n p o i n ts o u r c ep o ll u t i o n i ti s h a r dt oc o n t r o lb e c a u s eo ft h ed e c e n t r a l i z a t i o na n dr a n d o m n e s so fp o l l u t a n ts o u r c e ，l o t so f i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，v a r i e t yo fc o n t a m i n a t i o n sa n dc o n c e n t r a t i o n s b i o l o g i c a lf i l t r a t i o ni st h e m o d e mw a t e rt r e a t m e n t ，w h i c hu s e dt h ep h y s i c a lc h e m i s t r yo fp a c k i n ga n dm i c r o b i a l m e t a b o l i s ma c t i v i t i e st or e m o v a lt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nw a t e r t h i sp a p e ri sm a i n l y u s e dt h et e c h n o l o g yo fb i o f i l t c rt ot r e a t m e n tt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u so fu r b a nr a i n w a t e ri n d i f f e r e n tp r o c e s s i n ga r e a t h ee x p e r i m e n tu s ea r t i f i c i a lw a t e rd i s t r i b u t i o n ，a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tw a t e ra r e ao fl o a d ，f i l t e rm a t e r i a lp l e d g e sa n df i l l i n gw a y d e s i g no p e r a t i n gc o n d i t i o n s s t a r t - u po fb i o l o g i c a lf i l t r a t i o ns y s t e mc a nb ea c h i e v e dt h r o u g ha d o p t i o no fi n t e r m i t t e n ti n f l o w a n de n l a r g et h ei n f l o ws u r f a c el o a d i n go fg r a d u a l l y a f t e rt h es t a r t - u p ，b i o l o g i c a lf i l t r a t i o nc a n r e m o v a la b o u t8 7 t o t a lp h o s p h o r u sa n d3 0 n i t r a t e t h e e q u i p m e n th a v eg o o dr e m o v a lf o rp h y o s p h o r u s ，t h er e m o v a lr a t ec a nr e a c h6 0 - - - 9 0 t e s tt o t a lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o no fw a t e ra r el e s st h a n0 2 m g l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e o u t f l o wc a nu pt ot h ec h i n ac r i t e r i o n so f ( g b 38 38 - 2 0 0 2 ) i l lw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ；t h ee q u i p m e n tf o rt o t a ln i t r o g e nr e m o v a le f f e c ti s n o tq u i t es t a b l e ，c o n c e n t r a t i o nr e m o v a lr a t ei sb e t w e e n10 - - 4 0 b u ti nt h ew a t e rq u a l i t yo f t o t a ln i t r o g e nb a l a n c ea n a l y s i ss h o w st h a te q u i p m e n tc a nr e m o v a la b o u t2 0 t h ee q u i p m e n t h a sg o o dp r o c e s s i n ge f f e c t sf o ra m n o n i an i t r o g e na n dr e m o v a lr a t ea c h i e v e7 0 a b o v e o nt h e n i t r a t eb e c a u s eo ft h ef a i l u r et op r o v i d et ot h em i c r o b i a ln i t r i f i c a t i o na n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ， l e a dt on i t r a t ei no u t f l o wa c c u m u l a t e d a sn oe n e r g ya n dc o n v e n i e n c em a i n t e n a n c e ，b i o l o g i c a lf i l t r a t i o ni sag o o dc h o i c et o c o n t m ln o n p o i n tc a u s e db yu r b a nr u n o f f t h i sr e s e s r c h f i n d i n gc a np r o v i d er e f e r e n c ef o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fb i o l o g i c a lf i l t r a t i o n k e y w o r d s ：u r b a ns t o r m w a t e rr u n o f f ；n o n p o i n tp o l l u t i o n ；b i o l o g i c a lf i l t r a t i o n ；f i l l e r ；n i t r o g e n ； p h o s p h o r u s ； 绪论 1 绪论 1 1 城市的非点源污染 随着城市的发展和生活水平提高，城市非点源污染问题越来越受到人们的关注。目前 在我国城市建设飞速发展，道路和建筑大大增加了不透水地面面积。如2 0 0 6 年西安市城 区面积是2 1 5 平方公里，预计到2 0 2 0 年将会达到6 0 0 平方公里【1 捌。通常情况下认为城市 中的建筑、沥青和混凝土等表面的不透水表层径流系数为0 9 ，这意味着在降雨过程中有 9 0 的降水量会形成地表径流。不透水面积在城市内随着城市的发展逐年增加，将会直接 导致阿水的汇集、排出时间逐年减小，降雨过程中高峰流量增大，雨水的下渗量及地下水 位下降等问题。 城市非点源污染主要是由于城市内各种污染物在降雨的冲刷下，随雨水径流排入受纳 水体而产生的污染，其污染源主要有地表径流污染、大气污染颗粒等沉降和城市水土流失。 地表水污染物主要是在降雨( 融雪) 过程中的形成的地表径流对城市地面的冲刷，将各种 污染物质直接排入水体而造成的水体非点源污染，有研究表明地表水污染主要取决于降雨 的历时、强度、周期和地面污染物的累积数量等因素【3 j ；大气污染颗粒等沉降污染主要是 大气中的粉尘，烟雾和有毒物质等在降雨过程中随同降雨( 降雪) 而进入到水体中，从而 造成水体的非点源污染，其最典型的实例就是酸雨。我国有三大酸雨区分别为华中酸雨区 ( 全国酸雨污染范围最大，强度最高) 、西南酸阿区( 污染程度仅次于华中区) 、华东沿海 酸雨区【4 1 ；水土流失主要是在城市建设过程中，人为的扰动地表和地下土层而破坏原有结 构，在降雨形成的雨水径流的冲刷侵蚀作用下造成的水环境污染，是一种比较特殊的水土 流失类型，具有人为性、复杂性、严重性、突发性【5 】 1 2 城市水环境污染现状 城市水环境中污染物来源广泛、成分复杂，主要有固体废料( 城市垃圾、建筑垃圾等) 、 化学药品( 工业排放物、城市绿地使用化肥等) 、大气中的沉积物和交通工具的尾气排放 等。在世界经济快速发展的情况下，各种工业废水及城市生活污水的不当排放，直接对城 市水体产生了极大的破坏，城市水环境因此急剧下降。在2 0 1 0 年对全国1 8 2 个城市地下 水水检测工作中，水质检测的共有4 1 l o 个，结果分析表明水质优良的占全部监测点的 1 0 2 ；水质为良好的占全部监测点的2 7 6 ；水质为较好的占全部监测点的5 0 ：水 质为较差的占全部监测点的4 0 4 ；水质为极差的占全部监测点的1 6 8 ，全国地下水水 质质量状况不容乐观。 全国l1 3 个重点城市监测的3 9 5 个集中式饮用水源地，其中地表水源地有2 4 5 个，地 下水源地1 5 0 个，在水质调查中发现，重点城市的2 0 1 0 年总取水量为2 2 0 3 亿吨，达标 水质为1 6 8 5 亿吨，占总量的7 6 5 ；不达标水量为5 1 8 亿吨，占总量的2 3 5 。全年废 水排放总量为6 1 7 3 亿吨，化学需氧量排放量为1 2 3 8 1 力吨，氨氮排放量为1 2 0 3 力吨。 目l i 我国水资源严重短缺并且水环境的污染状况也越来越严峻，受到污染的水源在逐 两安理t 大学硕士学位论文 年增加。虽然我国在处理城市水资源污染防治方面做了很多工作，例如我国城市绿地覆盖 面2 0 1 0 年达到1 6 1 5 万公顷覆盖率达到3 8 7 ，人均占有的绿地面积也在逐年增加，但 水环境的恶化并没有出现好转，特别是在工业发达的地区水环境状况更加恶劣。根据国务 院会议通过的水体污染控制与治理科技重大专项实施方案，在“十一五”期间水专项 将围绕“三河三湖一江一库”等重点流域设置6 个主题、3 3 个项目、2 3 8 个课题，投资资 金达到了3 2 1 亿元。因此水环境的污染治理问题已经迫在眉睫，净化处理技术已成为一 项重要而迫切的课题【7 】 1 3 城市雨水利用的现状 雨水利用自古以来就被人们使用，是一种古老的传统技术，特别是在一些缺水的国家 和地区得到了广泛的应用。在工业革命以后，世界经济快飞速发展，水资源环境随着地区 的城市化不断恶化，所以现代的城市雨水利用技术越来越受到人们的重视【8 】。 a 国外雨水利用现状 在国外雨水利用技术发展较早，在发达国家的雨水利用已经相当成熟。在英国伦敦的 世纪圆顶雨水收集利用系统，每天可以在该建筑内收集到5 0 0 m 3 的水，用于冲洗该建筑 物内的厕所，其中有1 0 0r n 3 为屋顶雨水收集得到；在月麦，由于以前的市政供水主要依 靠地下水的丌采，导致一些地区的地下水水位严重下降。为此，月麦政府积极寻求可以替 代的水源，在城市地区大力推广了雨水屋顶收集系统。每年可以从居民屋顶收集到6 4 5 万m 3 的雨水，如果将这些雨水用于冲厕和洗衣，那么将节省6 8 的居民冲厕和洗衣用水， 相当于节省了2 2 的居民总用水量，7 的市政总饮水量【9 j ；在同本，1 9 8 0 年丌始大力推 行雨水贮留计划，在长达5 年的观测中发现，在采用雨水利用措施后，在平均降雨量为 6 9 3 m m 的地区，其平均出流量由未采用雨水利用计划日订的3 7 5 9 m m 降到目前的5 4 8 m m ， 出流率由5 1 8 降到5 4 t l o 】。德国是一个雨水资源充沛的国家，年平均降附量达到 8 0 0 m m ，且降雨分配均匀不存在缺水问题，但是为了保持良好的生态环境，德国也大力 发展了雨水利用工程，并且成为了世界上在雨水利用方面发展最为先进的国家之一，还形 成了一套完善的应用设计体系，制定了与此相关的法律法规和管理规定。德国的雨水利用 总体上有三种形式：一是屋面雨水收集系统，主要用于冲厕、庭院用水等。二是雨水截污 和渗透，主要用于回灌补充地下水。三是小区内雨水利用系统，通过小区内规划建设种有 草皮的生物过滤层，将降雨直接通过生物过滤层下渗补充城市地下水，当降雨量较大超过 生物过滤层的下渗能力时，可以将形成地表径流的雨水直接汇集到人工湿地或下渗池，作 为景观雨水并继续下渗补充地下水；美国雨水利用应用的主要目的也是通过下渗来补充地 下水，其中在美国加州弗雷斯诺市在进行雨水利用取得了显著地成效，在该市发展雨水利 用的1 0 年间，通过雨水下渗作用对地下水补充了1 3 3 8 亿立方米，年下渗补充地下水的 水量占到了该年城市用水量的2 0 ，芝加哥街区1 9 7 2 年为应付城市化而增大雨水径流， 强制性的实施了雨水贮留设施，通过建立各种贮留雨水的蓄水设旅，其贮留量可以储存集 2 绪论 水面积为9 7 1 k m z 的降雨量为1 7 2 m m 雨水，可见其贮留量相当的大【2 1 。 综上所述，国外的雨水收集利用系统起步早、范围广、设施全，并将收集的雨水通过 池、草地、透水地面等形式组成了地下水回灌系统，收集的雨水还可以用于冲厕、洗衣、 浇灌和回灌地下水等。雨水利用收集系统在国外发达国家已经形成了一个完整的产业链， 随着相关法律法规与设计标准的制定，同时也加快了为雨水利用推行，使得雨水利用在发 达国家得到了广泛的使用。 b 国内雨水利用现状 我国在雨水利用方面也具有悠久的历史，但主要应用在缺水地区的农阳用水和乡村用 水，如在干早缺水地区乡村居民家中的“水窖”，就是用来收集和储存雨水以作备用。从 2 0 世纪8 0 年代我国丌始才真正意义上的对城市雨水利用进行了研究与应用，在国内的大 中城市，随着城市化程度的增加、水环境的污染、干旱的加剧，使雨水利用成为了缓解城 市用水压力的重要途径，雨水利用在度被人们重视【l 。 在我国五十年代初期，我国经济与社会发展比较落后，城市雨水利用并没有得到重视。 在改革丌放后，我国的经济与社会获得了飞速发展，随着城市化带来的水资源短缺与生态 环境污染，城市雨水利用才被人们关注，所以现代意义上的城市雨水利用在我国发展较晚， 大中城市的雨水利用基本还处于探索和研究阶段，但随着这人们在生态环境保护方面意识 的增强，城市雨水利用已经表现出了良好的发展势头，如北京、上海、天津、南京、西安 等许多城市。北京市雨水利用走在国内发展的i j i 列，北京建筑工程学院和北京市节水办在 1 9 9 8 年开始“北京市城区雨水利用技术研究及雨水渗透扩大试验”项目研究，1 9 9 8 年北 京市节水办与中国农业大学合作进行“北京市城区建设中增加雨水蓄渗措施研究 ，研究 了城市内绿地对雨水的滞留和蓄渗作用。在理论和实践都同趋成熟的情况下，2 0 0 1 年在 北京八城区建立雨水利用示范工程，到目前为止北京市城区以完成的城市雨水利用系统 2 0 项，在建的雨水利用工程还有近2 0 项。2 0 0 1 年国务院批准的 2 1 世纪初期首都水资 源可持续利用规划中以将雨水利用列入规划范围内；北京市节约用水若干规定中明 确要求，要大力丌展城市的雨水利用工程：2 0 0 8 年奥运会主场馆“鸟巢就应用了先进 的雨水利用技术。 目前我国的城市雨水利用率与发达国家相比还很低，在推动城市雨水利用的法律法规 和设计标准方面还比较欠缺，我国东西，南北地区气候差异较大，要设计和丌发一系列适 合我国国情的城市雨水利用系统还需要进一步的努力，但雨水利用的前景已经被人们重 视，可丌发利用的潜力很大。 1 4 城市雨水利用的前景 在目i j 世界的经济形势下，大多数国家不论如何发展经济与社会，都面临着缺水和水 污染的问题。在当下世界雨水利用工程的不断发展推动下，我国也逐步丌展了对雨水资源 可持续利用的研究，并取得了相当不错的成效，产生了明显的经济效益、社会效益和生态 两安理：1 = 大学硕士学位论文 效益。雨水资源作为一种优质的淡水，其收集、使用方便，并且污染程度轻，易被处理净 化且所需的能耗少，具有十分广阔的发展前景。 城市雨水按照其利用方法可以分为三类：直接利用、间接利用、直接利用和问接利用 的相结合l 忆】。 ( 1 ) 城市雨水的直接利用 将收集的雨水直接利用主要是建筑物屋面雨水通过落水管收集，路面和绿地的地表径 流通过雨水口收集。在进入后续的处理系统之前，设置与污水处理前期拦截大块污染物的 格栅，并设置初期降雨的弃雨装置，以排出少量初期降雨中污染严重的雨水和减小暴雨时 冲击负荷。收集到的雨水主要用于城市的绿地浇灌、路面冲洗、景观用水等，这样不仅可 以有效的缓解城市市政供水的压力，还能够改善当地的自然生态环境。在我国由于各个地 区降雨量分布不均匀，所以一般需要和其他水源一起互为备用。 ( 2 ) 城市雨水的问接利用 将初期处理过的雨水下渗或回灌补充到地下水是城市雨水利用的i 日j 接过程。在一些降 雨量少并且降陌不均的地区，可以考虑雨水的间接方案，因为直接利用的经济效益不高。 一些国家推广和应用的雨水设计体系已经把雨水渗透作为雨水利用方案设计的重要考虑 因素。但是到目前为止我国的大多数城市市政排水系统仍然采用的阿污合流制，无法起到 削减地面径流量、减轻污染负荷、补充地下水源、改善生态环境的综合效益。 ( 3 ) 直接和问接利用相结合 城市雨水直接和问接利用并不是两个独立的过程，可以在利用中将彼此有效的结合的 结合起来，在雨水利用中最大限度的提高雨水利用率，更充分的利用城市的雨水资源。 4 绪论 图1 1 城市雨水资源化途径 f i g 1 lu r b a nr a i n w a t e ru t i l i z a t i o nw a y 我国在国际雨水收集处理技术的不断推动下，推动了我国雨水利用的发展，在雨水利 用方面也取得了一定的经济效益，主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 经济效益 发展阿水利用在经济效益方面主要体现在两个方面。一是可以减少城市发展建设的市 政投入费用。在市政建设中由政府所投资建设的污水处理厂、市政排水管网和一些排洪防 洪等设施，一般造价都比较昂贵且运行与管理费用高，但通过推广城市雨水利用系统，可 以显著减少政府在市政设施与污水处理方面的投资费用；根据城市雨水利用西安市城区规 划，西安市通过城市屋面收集的雨水年可利用量为5 9 2 m m ，若以西安市某高校校园为例， 西安理l ：人学硕士学位论文 西安市屋面的年雨水可利用量为5 9 2 m m ，根据该校的校园面积和屋面、地面等地表径流 系数，那么该校的屋面和道路收集雨水的可利用量为4 6 0 0 m 3 ，广场收集雨水的利用量为 1 1 8 4 m 3 。对收集到的城市雨水，可以通过蓄水池和透水地面两种形式进行处理利用，若 一个蓄水池可以容纳雨水体积为2 0 0 m 3 ，每平米蓄水池按2 5 0 0 元的造价计，则需投资5 0 万元，施工材料和施工费用计4 0 万元；校区内广场地面铺设的透水砖以1 5 0 元每平方米 计，总共需要花费3 0 万元，道路雨水收集和利用的费用为5 万元，则这个雨水收集工程 的总费用为1 2 5 万元。若将这个雨水收集工程连续运行1 0 年，以水的成本价格3 0 元每立 方米计，若将通过雨水利用系统收集到的雨水提供给该地区的工业区用于工业用水，用工 业用水成本价格约4 0 m 3 每万元来换算雨水利用系统的收益，被我们收集到的雨水可以产 生约1 4 5 万元的产值，即每立方米水收集到的雨水可为我们产生2 5 0 元的收益。二是将收 集到的雨水用于居民用户，因为雨水收集和处理便利，可以大力节省市政和居民的用水丌 支。在甘肃省用雨水利用工程解决人畜用水，阿水利用工程的人均投资仅为国家人畜饮水 常用工程的l 3 l 1 5 ，远距离调水的1 6 - 1 8 1 3 】 ( 2 ) 生态环境效益 自然雨水水质状况良好并且受污染程度较低，在未来的生态环境可持续发展中越来越 被人们重视，雨水利用不仅可以缓解城市雨洪所造成的危害，还可以为水资源的丌拓提供 新的方式与思路。通过雨水利用收集到的城市南水，不仅能够改善城市的生态环境，减小 降雨时城市内的污水径流，缓解城市河道和湖泊的蓄洪压力，还可以为城市的市政建设减 少费用：如果我们将城市降雨径流在未进入城市排水管网之前，就地汇集我们的蓄水池或 透水地面等，通过下渗作用补充城市地下水，不仅可以减小了城市排水管网的压力、削减 洪峰雨水径流，还可以显著的减少城市雨水管网的投资，防止城市在暴雨期问，由于雨水 排出不畅而造成城市雨洪灾害；另一方面，城市雨水利用补充地下水可以缓解目前一些地 区存在的地面沉降等问题，还对调节当地气候，缓解城市的热岛效应有不可忽视的作用。 ( 3 ) 社会效益 城市雨水利用的发展前景良好，能够创造形成新的经济产业和经济增长点。雨水利用 市场前景巨大，随着雨水利用工程的发展，雨水与中水利用设备产业会吸引一大批民间的 资本进入，形成一个具有新生生命力的新产业。这个新产业对地域行差异要求不大，可以 在城区大都市，也可以在郊区小城镇，不仅可以减少地方政府的开支，而且还可以促进经 济的增长、创造就业机会、提高城镇建设的积极性。城市雨水利用也将促进雨水收集的设 备的生产、设施的建设、经营管理等方面产业链的发展，为地方带来新的经济增长点。 6 生物过滤技术的发展及研究现状 2 生物过滤技术的发展及研究现状 2 1 国外生物过滤技术的发展 1 8 9 3 年第一个通过装填天然介质处理污染物的生物过滤系统出现在英格兰，从那时 生物过滤才开始被用在处理气体、雨水和废水【1 4 】。在上世纪6 0 年代时，西欧许多国家研 究推进了生物过滤技术，随着世界水环境污染范围的普遍化和污染程度的加剧，国外对生 物过滤技术进行了广泛的研究。生物过滤技术的可以分为以下两个发展阶段： 从1 9 6 0 仞年到1 9 8 0 年木为生物过滤技术第一发展阶段，西方等发达国家工业的快速 发展使当地的饮用水水源普遍遭受了污染，与此同时人们对饮用水的质量也提出了更高的 要求，许多水厂都丌发和应用了生物处理工艺，如人工湿地、慢砂滤池、生物快滤等，使 生物处理工艺得到了快速的发展i l s l ，但是各国在发展生物处理工艺形式上又有所差别， 德国和荷兰采用的是慢砂滤池、河岸过滤的方法；法国采用的是传统二级活性炭快滤池。 k b r a t i e r e s 等人l l6 j 研究表明：通过生物过滤作用可以有效的对水体进行净化处理，其中对 氮的去除率可达到7 0 ，对磷的出去率达到8 5 ，对固体悬浮物的去除率最高可以达到 9 5 。第一阶段人们对生物过滤的应用只是处于摸索阶段，直至1 9 7 0 年左右的时候生物 过滤的主要理论成果有以下三个方面： ( 1 ) 贫营养菌概念的提出：该理论认为在我们同常的饮用水源中，存在某些贫营养 的微生物，这类微生物的构造形态使得它们的呼吸速率低，比表面积大，它们可以吸收利 用饮用水中的一些有机物质，并且大的比表面积及使得对有机物质亲和行较强，所以它们 对饮用水源的净化具有一定的效果。 ( 2 ) 最小基质浓度的概念的提出：认为只有底物浓度大于某一个最小值，才能够为 贫营养微生物的生命活动提供必需的能源，这个最小值便是最小基质浓度。 ( 3 ) 有机物二级利用的提出：改理论认为在初级浓度( 浓度大于最小基质浓度) 满 足微生物生长所需的碳源和能量后，其他微量的无机物，例如酚、乙醛等，在其浓度小于 最小基质浓度的情况下，也可以被微尘物吸收利用。 从1 9 8 0 年至今为生物过滤技术发展的第二个阶段。在这一阶段中，对生物过滤技术 的快速发展贡献最为突出的国家是美国。1 9 8 0 年美国颁布了饮用水安全方案，提高了居 民饮用水的水质标准，特别是对饮用水进行消毒净化处理时，在饮用水中所遗留下的一些 消毒剂副产物( 如三氯甲烷等) 以及一些微生物指标提出了严格的要求【 】。美国这一饮 用水法案的颁稚，促进了生物过滤技术在净化处理饮用水方面的研究与应用。 1 9 8 8 年b a b l o n 等人用双层填料代替单层填料的方法，并通过在填料表面培养微生物 膜的方式来提高生物过滤对水中各类污染物质的去除能力，将普通的生物过滤技术改造为 具有一定生物活性的过滤装置。由于当时大多数的水厂运行费用和水厂扩建出现困境，所 以这一新的思路很快引起了美国相关部门的关注，使以后的生物处理工艺更偏向于将生物 处理和传统的过滤功能相结合，并在往后的丌发研究中以这一新的工艺为重点，开发出了 一系列处理能力强、投资运行费用低、占地面积小的生物活性过滤系统。在这一阶段，具 7 两安理i ：人学硕士学位论文 有代表性的一些研究结果主要有： ( 1 ) 对生物过滤工艺的性能和影响其运行效果的因素进行了全方位的分析。研究认 为对于生物过滤技术，影响其处理效果的因素主要包括源水水质、进水污染程度、滤料组 成、水力停留时间和进水水力负荷等。由于水体受污染程度和污染物质的不同，生物过滤 系统内的微生物对水体的净化程度也会随之不同；滤料组成对生物过滤系统的影响表现 在，当采用不同的滤料( 如活性炭、粉煤灰、石英砂等) 、不同的级配时，由于滤料的吸 附能力和比表面积不同，从而生物过滤系统对污染物质的处理能力和处理速度不同；水力 停留时间与水力负荷的大小也直接影响着生物过滤的出水效果，由于在生物过滤系统对源 水的处理能力是有上限的，当进水的水力负荷较大时，生物过滤对源水的处理不够充分出 水水质较差，甚至还会对生物过滤器造成破坏，当水水力负荷较小时，生物过滤的处理能 力不能充分的利用，所以一个大小适宜的进水水力负荷和水力停留时问将直接决定生物过 滤对源水的处理效果。 k a ib e a t e r 等人【他】研究了生物过滤器对雨水和废水中污染物的去除。研究表明，生物 过滤可以有效的滞留雨水与废水中的污染物质，在进水与出水中的有机污染物去除率可以 达到8 0 以上，特别是在系统中有泥炭层时，处理效果会更加明显，但是泥炭层中滞留 的物质不容易被清理也容易发生堵塞的状况也应该得到重视：d r i z o 等【i9 】综合比较了铝土 矿、页岩、沸石、石灰石、轻质陶粒、飞灰、油性页岩等7 中基质对磷的去除效果，认为 页岩对磷的去除最好；f o r r e s te d i e r b e r 等【2 0 】研究表明沼泽湿地对磷素有好的处理效果， 湿地系统中的磷素大多被湿地中的基质以及微生物吸附，去除率在5 0 以上，湿地基质 被认为是进入湿地系统中磷的最终归宿，磷去除率与湿地基质类型密切相关，即基质特殊 的梨花性质以及特定的吸附能力影响磷的去除，且在富含彳，3 + 、f e 3 + 、c a 2 + 的基质中， 通过吸附和沉淀反应有很好的除磷效果，并且湿地基质在经过一段时问“休息”再与空气 接触，可以恢复7 4 左右的蓄磷能力：rbeh u t e s 等【2 i 】研究表明在湿地处理城市径流中， 一般水力停留时问不超过2 4 小时，暴雨期间至少应有3 0 m i n 的水力停留时问，已保证处 理效果，如果水力停留时问达到1 0 1 5 h 就可以达到很好的处理效果，水力负荷不应超过 lm 3 ( m 2 d ) ，进水区的流速不超过0 3 o 5 m s 。当流速大于0 7 m s 时，水流会破坏植物的 生长，导致处理效果降低。 ( 2 ) 对生物膜数学模型的进一步研究。在这期间提出了多种生物膜降解动力学模型， 按不同的特性均可以将这些模型分为两类：如单一物种和多个物种、稳态生物膜和非稳态 生物膜、具有悬浮微生物和不具有悬浮微生物的、具有捕食生物和不具有捕食生物的、考 虑底物降解速度和不考虑底物降解速度的等等。这些模型大多是根据人们长时i 日j 监测的数 据从经验中获得的，所以每个模型的运行都有自己所特定的条件，运行参数多都带有一定 的“地方”特色不宜推广。生物过滤对去除悬浮颗粒和去除有机污染物的双重功效，使其 具有良好的发展前景。 ( 3 ) 对生物膜的吸附和脱附过程的研究。a h m a d 和a m i r t h a t a j a h 等i z 2 j 人的研究认为： 8 生物过滤技术的发展及研究现状 细菌中存在疏水性胶体和非疏水性胶体两种，具有疏水性胶体的细菌，在生物过过滤系统 内对滤料的吸附粘贴作用强，并且在系统进行反冲洗时不易被水流的剪切作用从滤料表面 上冲刷下来，这也是反冲洗作用对生物过滤系统内的微生物造成严重破坏的原因。 以上就是国外的进行的一些研究进展。就发达国家来说，城市的供水能力已经不是问 题，随着对水质指标的提高，他们主要进行的是提高水质技术的研究，以便能为人们提供 更加安全、洁净、卫生的生活用水。由于生物过滤可以有效去除水中的有机物、病毒和味， 在国外尤其是欧美国家生物过滤已是水厂出水水质的重要保障之一。 2 2 国内生物过滤技术的发展 我国的生物处理技术起步较晚，在2 0 世纪3 0 年代才丌始逐渐使用，那时候生物处理 技术在中国约有十几个左右，而且大多集中在上海和天津等大工业城市。随着我国经济的 发展，水体环境在我国也遭受了严重的污染，可作为引用水源的湖泊和水库越来越少，因 此我国也大力发展和研究了生物过滤处理系统。鉴于我国疆域辽阔、气候差异大、源水水 质多样化等特点，所以生物过滤在我国的应用主要作为预处理或深度处理。黄梨等【2 3 】在 生态滤沟处理城市降雨的中试研究中，作者提到在影响运行效果的因素中，水力负荷的影 响最大，进水面积负荷越小，污染物去除率越高；其次，滤料粒径和滤床形式的影响也很 大，滤料材质和水温影响较小。并且在对系统能承受的积累悬浮物固体负荷折算中，在重 庆等降雨丰富的地区，生态滤沟的使用周期在1 6 4 年以上，系统堵塞主要发生在种植层， 可通过松土，更换土层等方法恢复系统的处理能力。向红，吕锡武等【2 4 】人在生物过滤池 工艺的微生物群落特征及运行中发现，生物过滤器中生物群落的多样性有助于提高生物过 滤的处理效果，在其实验中对n h 4 + - n 、n o 2 - n 、高锰酸盐指数、u v 2 5 4 和b d o c 的去除 率分别为8 0 、9 5 4 、2 4 、1 2 和6 7 9 ；郎建、肖海文等【2 5 】在生物滤沟处理景观水 体实验研究中发现，生物滤沟对进水中的色嗅等感官性状有良好的出去效果，对有机物有 较高的去除率，并且对s s 的去除率比较稳定，一般都在8 0 左右；对氨氮的去除率较低 平均在3 1 9 6 ；对磷的去除率较高在4 8 2 3 左右；李德生等【2 6 j 人在传统工艺中的普通滤 池经过生物强化后，其出水中氨氮的去除率可以从原先的2 5 3 5 提高到9 0 以上，亚硝 酸盐的去除率提升到9 0 ，c o d m n 去除率从原来的2 5 提高到4 5 ，出水浊度也可以一 直保持在0 1 n t u 以下。 2 3 生物过滤去除污染物机理 生物过滤技术属于通过生物膜反应去除污染物的一种形式，因此生物膜在生物过滤系 统中对水中有机物的去除过程和特点我们要有一定的了解，生物过滤中的去除污染物方式 包括生物膜降解有机物、生物过滤去除悬浮物颗粒以及生物过滤中的反冲洗作用。 生物膜是指细菌通过胞外分泌的聚合物质相互粘贴连接，并具有一定的生物活性，最 终附着在滤料表面的一种微生物聚合体。与我们通常情况下所说的废水中生物膜不同的 9 西安理1 ：人学硕+ 学位论文 是，在生活用水中进行净化处理的微生物大多属于贫氧型，其组成的微生物膜也属于贫氧 型微生物膜，出这种微生物所聚合形成的微生物膜厚度较小，通常在几微米到几百微米的 范围内【2 7 1 ，在介绍通过生物膜处理有机物之前，我们先了解一下生物膜是怎样在生物过 滤系统内的滤料表面进行附着与固定的。 2 3 1 微生物的附着机理 首先，生物过滤系统内的微生物会在滤料表面的微环境下进行繁殖增长，在生物量达 到一定程度后，大量的微生物丌始缓慢在滤料表面上附着聚集，并最终形成具有一定厚度 的生物膜。有大量的研究表明，微生物在滤料表明进行附着聚集的过程，是通过微生物和 滤料之间的相互作用共同完成，一方面是由于生物过滤系统内的微生物特性，主要是其表 面的特性，另一方面是所选滤料表面的物理和化学特性。总体上来说，在滤料表面要形成 微生物膜，微生物要完成以下几个步骤：微生物向滤料表面的迁移一微生物的可逆附着一 微生物的不可逆附着一固定在滤料表面并再次增长【2 8 1 。 ( 1 ) 微生物向滤料表面的迁移 微生物向滤料表面的迁移过程主要有两种方式，一方面是微尘物借助水力动力学和各 种扩散力向滤料表面迁移的主动运输，当生物过滤器内的水体处于动态时，微生物从水体 中向滤料表面的迁移主要依靠主动运输：另一方面，微生物通常情况下都非常小，在水动 力学中可以将其看做胶体粒子，因此，微生物会进行布朗运动，在加上其自身的运行和重 力作用，通过这些被动运输作用同样可以促进微生物向滤料表面的迁移过程，微生物借助 以上几种作用力，完成从水体中向滤料表面的迁移过程，为后续的微生物在滤料表面附着 做好准备。 ( 2 ) 微生物的可逆附着 迁移到滤料表面的微生物与滤料直接接触，但微生物与滤料表面之问的这种接触是暂 时的，虽然通过各种物理与化学作用力，使得微生物看似固定在了滤料表面，但是生物过 滤系统内的水体流动会产生的剪切力，可以将已经“附着固定”在滤料表面的微生物再次 冲刷进入到水体当中，所以初期的微生物附着过程，是一种可逆的附着，即存在附着与脱 落的双向运动。因此在生物过滤系统内生物膜形成初期阶段，我们应当采取较低的水力负 荷，避免水体的剪切力对尚未滤料表面固定下来的微生物进行冲刷，应给微生物提供可以 在滤料表面的附着和固定的有利环境。 ( 3 ) 微生物的不可逆附着 当微生物的可逆附过程进行到一定程度后，由于微生物可以分泌一种具有粘性的代谢 物质它能使微生物在滤料表面的产生不可逆的附着过程。在这一阶段的微生物会被自身 分泌的粘性物质紧紧的粘贴在滤料表面，水流的剪切力也不容易将其从滤料的表面上冲刷 下来。在生物过滤系统选择填料时，我们通常应考虑硬度强、表面丰h 糙、多孔且具有较大 的比表面积材料( 如活性炭、石英砂、无烟煤等) ，这样不但可以增加滤料与微生物之间 1 0 生物过滤技术的发展及研究现状 的接触面积，还可促进微生物在滤料表面的附着过程。有研究表明：吸附性较强的活性炭， 其对微生物的吸附量可以达到石英砂或无烟煤的4 - - 8 倍，而且由于活性炭特殊的空问构 造，使得微生物在其表面的附着更加牢固，水流的剪切作用也不会对其造成大的影响，可 以显著提高微生物在生物过滤系统的吸附效果。 ( 4 ) 微生物固定在滤料表面并再次增长 在微生物完成不可逆的附着后，滤料表面会形成具有稳定生命状态的微生物聚合体， 微生物将会在这一新的形态上继续分解利用水中的营养物质繁殖增长，直到具有薄层结构 的生物膜在滤料表面上形成。 2 3 2 生物膜对有机物的去除 有机污染物可根据其状态分为两种：颗粒态有机污染物与溶解态有机污染物。一般能 够被填料和植物根系直接吸附沉降，然后被微生物吸附降解的有机物污染物为颗粒念。溶 解态的有机污染物可以直接被微生物吸收利用2 9 1 ，k a ib e c t e r r 等人f 1 8 1 研究表明：生物过滤 可以有效的滞留雨水和废水中的污染物质，在进水与出水中的有机污染物的去除率可以达 到8 0 以上，特别是在系统中有泥炭层时，处理效果会更加明显，但是泥炭层中的滞留 物质不容易被清理，运行时间长会造成生物过滤系统的堵塞。 在生物过滤系统中，水体中的有机污染物和溶解氧等首先由水体进入到生物膜表面 上，进而通过作用力的迁移进入到生物膜内部被微生物分解利用。微生物对有机污染物的 去除主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对于水体中的小分子有机污染物，微生物可以直接通过自身的代谢作用，将其 分解转化为二氧化碳和水，同时在这一过程当中繁殖生长新的微生物个体。 ( c h 2 0 ) + 0 2 一c 0 2 + h 2 0 由上式可以看出，水体中有机物的含量和溶解氧的含量直接决定生物过滤对有机污染 物的去除能力。在有机物含量充足的条件下，溶解氧含量将会是影响有机物去除效果关键 因素：当溶解氧供应充足时，好氧降解过程主要是受到有机物供应量的限制。 在生物过滤内除了好氧降解外，在其缺氧和厌氧区还可能发生厌氧降解的过程。发酵 反应是有机污染物的厌氧降解的一个典型过程，它由厌氧的自养细菌通过多个步骤逐渐完 成的【3 0 1 。发酵反应第一阶段进行的化学反应如下所示： c 6 日1 2 q 一3 c h 3 c o o h + h 2 c 。h 、! o 。2 c h 、c h o h c 0 0 h c 6 1 2 哦_ 2 c 0 2 + 2 c h 3 c h 2 0 h 当第一阶段的发酵反应的产物生成后，会进行下一步的反应，主要是通过以下产甲烷 细菌和硫化细菌来反应完成的，主要发生的化学反应如下所示： c h 3 c o o h + h 2 s o , 一2 c 0 2 + 2 h 2 0 + h 2 c h 3 c o o h + 4 h 2 d 一2 c h 4 + 2 h 2 0 西安理r 大学硕+ 学位论文 4 h 2 + c d 2 一c h 4 + 2 h 2 0 产甲烷菌和产酸菌都是一些厌氧的自养型菌类，这两类细菌在生物过滤系统去除有机 物和碳循环中扮演重要角色【3 。其中产甲烷细菌对生存环境比较敏感，适宜的p h 为6 7 ， 相对而言产酸菌对生存环境具有较强的适应性【3 2 】；在厌氧发酵过程中，当产酸菌活跃时 会致使生物过滤系统内的水环境呈现酸性，这样会使产甲烷菌的活性收到拟制，产生造成 环境污染的带有气味的有机物。在通常情况下，生物过滤对有机污染物的降解以好氧降解 为主f 3 3 l ，但是当生物过滤系统内的氧含量不足时，厌氧降解有机污染物将会起主导作用， 特别是在处理有机污染浓度较高的污水时【川。 。 ( 2 ) 微生物的胞外酶对大分子有机物的分解作用。 ( 3 ) 生物的吸附和絮凝作用。根据生物膜的特性，一方面它可以吸附部分大分子有 机物；另一方面，生物膜内的微生物的分泌物会将部分有机物相互粘贴起来，形成絮状物 沉淀去除，并在生物过滤系统在进行反冲洗时随反冲洗水排出。 1 2 生物过滤技术的发展及研究现状 有机物 r1r 颗粒态 - 溶解态 1r1 ，1r 沉淀滞留 生物降解填料等吸附 r 1r 好氧降解厌氧降解 一次发酵 r1r 二氧化碳和水乳酸等 二次发酵 r 甲烷、硫化氢 图2 1 有机物去除途径