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太原理工大学硕士研究生学位论文 生物砂滤池处理微污染原水及滤池反冲洗试验研究 摘要 “微污染”一词是近些年来各国环保人士谈论最为广泛的词语之一。随着 经济的发展、工业化进程的加快，全球范围内越来越多的水源已经或者是 正在遭到破坏。由于水体中的污染物呈现出种类越来越多、结构越来越复 杂的趋势，又由于人类文明程度的不断加深，使得人们对饮用水源的安全 问题越来越重视，因而，采用常规的给水处理工艺已经很难使处理水水质 达到标准。为了使人类能够得到安全、优质的饮用水，就需要对传统的给 水处理工艺进行改良，而生物砂滤池就是众多改良工艺中的一种较为有效 的新型工艺。 本课题以邯郸市滏阳河河水作为研究对象，在初期的挂膜试验阶段针 对三种不同的挂膜方式进行比较，挂膜试验结果表明挂膜速度最快的为采 用邯郸市东污污水处理厂活性污泥作为接种液的接种挂膜法，其次为自然 挂膜法，再其次为采用滏阳河底泥作为接种液的接种挂膜法。挂膜时间为 3 0 天。 挂膜试验结束后，即进入到本次试验的主体阶段。通过试验确定出生 物砂滤池对滏阳河微污染原水中c o d 池、n h 4 + - n 、n 0 2 - - n 、浊度的去除效 果以及滤速、温度、进水浓度等因素对各项污染指标降解过程的影响。同 时也确定出了单独水洗反冲洗方式以及气、水联合反冲洗方式的最佳运行 参数。 试验结果表明，在常温( 2 3 左右) 、常率速( 7 m h ) 下生物砂滤池对 滏阳河微污染原水中c o d m 。、n h 4 + - n 、n 0 2 一- n 及浊度的去除效果分别为 2 4 3 5 、8 2 9 3 、7 2 9 7 以及7 9 9 4 。 通过试验还可以知道，影响生物砂滤池去除效果的最主要的因素是滤 太原理工大学硕士研究生学位论文 速，具体表现为生物砂滤池对污染指标的去除效果与滤池滤速成反比；其 次温度的影响也较为显著；至于进水污染指标浓度的影响则较为复杂，且 各项指标间又有存在着一定的制约关系，具体表现是为，当进水指标浓度 较低时，去除率是随着进水指标浓度的增加而增大的，但是当进水指标浓 度较高时，去除效果就不再随着迸水浓度的增大而增加，反而是随着进水 浓度的增加而减少。 由试验得知，反冲洗过程能够将附着在生物膜表面的污染物质冲刷干 净，同时使老化的生物膜得到更新，使得传质过程和生物代谢速率加快， 处理效率得以恢复。通过试验确定出的单独水洗反冲洗方式的最佳运行参 数为：水洗强度：1 4 l ( m 2 - s ) 、水洗时间：8 m i n ；气、水联合反冲洗方式的 最佳运行参数为：单独气冲强度：8 l ( m 2 s ) 、单独气洗时间：6 m i n 、联合气 冲强度：8 l ( m 2 s ) 、联合水冲强度：3 l ( m 2 s ) 、联合冲洗时间：6 m i n 、单独 水冲强度：l o l ( m 2 s ) 、单独水冲时间：4 r a i n 。 综上所述，通过本次试验，证明了生物砂滤池工艺是一种较为简单、 经济、有效的新型处理工艺。 ， 关键词：微污染原水，生物砂滤池，挂膜，反冲洗机理，反冲洗方式 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h et r ea t 僵e n to n c r o p o l l u t e dr a w 公t e rb yb i o l o g i c a ls a n df i i j e ra n dt h e f t e rl n k sb a c k w a s h i n gr e s e a r c h a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h em i c r o - p o l l u t e dp h e n o m e n o n c a u s e sp e o p l e sm o r ea n dm o r e c o n c e ma l lo v e rt h ew o r l d a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ee c o n o m ya n dt h e i n d u s t r i a l ，m o s to f t h ew o r l d sw a t e r $ o b r c ea l r e a d yo r j u s te n c o u n t e rp o l l u t i o n b e c a u s et h ep o l l u t a n ti nt h eb o d yo f w a t e r p r e s e n t sn u m e r o u sq u a n t i t ya n d c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，a l s ob e c a u s eo f t h em a n k i n d c i v i l i z a t i o nd e g r e ed e e p e n s d a yb yd a y , m a k i n gp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o n0 nt h es a f ep r o b l e mo f t h ew a t e r s o u r c et h a na n yo t h e rt i m e ，a sar e s u l t ，t h et r a d i t i o n a lw a t e r - s u p p l yt r e a t m e n tc a l l h a r d l ym a k et h ea q u e o u sq u a n t i t ya t t a i nt h es t a n d a r d i no r d e rt om a k ep e o p l e d r i n kh i g hq u a l i t yw a t e r , m a l ls h o u l df m ds o m eo t h e rn e w w a t e r - s u p p l y t r e a t m e n t s a n dt h eb i o l o g i c a ls a n df i l t e rw h i c hi sp r o o f e dv e r ye f f e c t i v ei so n e o f t h en u m e r o u si m p r o v e m e n tc r a f t s t h er e s e a r c ho b j e c ti st h ew a t e ro f f u y a n gr i v e ro f t h eh a n d a nc i t y a tt h e b e g i n n i n g ，w ec a ! t yo nt h ef i l mf o r m a t i o ne x p e r i m e n t , a n dt h i ss t a g el a s t s3 0 d a y s i no r d e rt oc o m p a r et h es p e e do ff i l m f o r m i n g ，w ea d o p t3d i f f e r e n tf i l m f o r m a t i o nw a y s a f t e rt h ef i l m - f o r m i n ge x p e r i m e n t ，w ee n t e rt ot h em a i ns t a g eo f t h i s e x p e r i m e n t i nt h i sp e r i o d ，w ec o u l ds e et h ee f f e c t so f t h eb i o l o g i c a ls a n df i l t e r o nc o d ，n h 4 + _ n ，n 0 2 一- na n dm u d d yd e g r e er e m o v a la n dt h e i ra f f e c t i n g f a c t o r sw h i c hi n c l u d i n gt h ef i l t e r i n g - s p e e d ，t e m p e r a t u r ee t c f r o mt h i ss t a g ew e a l s of i n dt h eb e s tm o v e m e n t p a r a m e t e ro f t h es i m p l ew a t e rb a c k w a s h i n ga n d t h e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w a t e r - g a sb a c k w a s h i n g w ec o u l ds e ec l e a r l yf r o mt h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t ，u n d e rn o r m a l t e m p e r a t u r e ( a r o u n d2 3 。c ) a n df i l t e r i n g s p e e dw h i c h i s7 m h , t h et r e a t m e n tr a t e o nc o d ，n h 4 + - n ，n 0 2 一- na n dm u d d yd e g r e ei s2 4 3 5 ，8 2 9 3 ，7 2 9 7 a n d7 9 9 4 a n dt h ea f f e c t i n gf a c t o r s ，f r o mh i g h e rt ol o w e r , a r ef i l t e r i n g s p e e d ， t e m p e r a t u r ea n d t h er a ww a t e rd e n s i t yo f p o l l u t a n t f r o mt h ee x p e r i m e n t ，w ec o u l dm a k es u r et h eb e s tm o v e m e n tp a r a m e t e ro f t w od i f f e r e n tb a c k w a s h i n gw a y s f o rt h es i m p l ew a t e rb a c k w a s h i n gw a y , w a t e r s t r e n g t hi s1 4 l ( m 2 s ) a n dw a t e r i n gt i m ei s8 r a i n a n df o rt h ew a t e r - g a s b a c k w a s h i n gw a y , t h eg a ss t r e n g t h ，g a sw a s h i n gt i m e ，c o m b i n e dg a ss t r e n g t h ， c o m b i n e dw a t e rs t r e n g t h ，c o m b i n e dw a s h i n gt i m e ，w a t e rs t r e n g t ha n dw a t e r i n g t i m ei s8 l ( m 2 s ) ，6 r a i n ，8 l ( m 2 s ) ，3 l ( m 2 s ) ，6 m i n ，1 0 l ( m 2 s ) ，a n d4 m i n i naw o r d ，b i o l o g i c a ls a n df i l t e ri san e ww a t e rt r e a t m e n tc r a f tw h i c hi s m o r es i m p l e ，e c o n o m ya n de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：m i c r o - p o l l u t e dr a ww a t e r , b i o l o g i c a ls a n d f i l t e r , f i l m f o r m a t i o n ，b a c k w a s h i n gm e c h a n i s m ，w a y so f b a c k w a s h i n g i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 论文中出现的主要符号及其对应中文含义列于下表中，以供参阅。其它符号在论文 中的出现处均有说明。 符号对应表 t h ec o r r e s p o n d i n gm e a n i n go f t h es i g n s v i i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：王匦塑日期：2 立虹! 篁! 塞 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：王涵鱼日期：垒吐皇：缱 导师签名：日期：兰：二z ! 堑： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 水资源的现状 第一章绪论 人类居住的地球是一个表面7 0 8 都被水覆盖着的星球。从广义上说地球上的水资 源很丰富，约有1 3 亿( k m ) 3 ，但是其中约有9 7 都是不能被人们直接利用的咸水。我们 通常所说的水资源是指从狭义上讲的可以被人们生产、生活直接利用的淡水，而陆地上 的淡水资源总量却只占地球上水体总量的2 5 3 ，而且大部分是主要分布在南北两极地 区的固体冰川。此外，虽然地下水的淡水储量也很大，但绝大部分是深层地下水，很难 被开采和利用。因此人类目前比较容易利用的淡水资源，主要是河流水、淡水湖泊水以 及浅层地下水，而这些淡水储量只占淡水总量的o 3 ，占全球总水量的十万分之七。 水是人类生存的重要资源，人类的任何生产和生活都离不开水。在影响社会经济发 展的各种要素中，淡水资源占有极为特殊的地位，它不仅制约着社会经济的发展，而且 制约着人类的生存和生存质量，其作用是任何其他资源无法替代的。 随着人口的增长、经济的发展以及人们物质文化生活的提高，人们对水资源的需求 量越来越大，因而水资源紧缺的问题也就越来越突出的显现了出来。早在2 0 0 0 年的时 候就有科学家预言，到2 0 2 5 年，全球三分之一的人口将面临缺水问题，但令水资源专 家们口乞惊的是，“水荒”问题的恶化速度比科学家们预期的还有快。2 0 0 6 年9 月在北京召 开的第5 届世界水大会上，来自世界许多国家的专家学者也都表示了对淡水资源的现状 和未来的担忧。据报道，全球现有1 2 亿人面临中度到高度缺水的压力，2 0 亿人的饮水 得不到保证，8 0 个国家水源不足，其中2 6 个国家的3 亿人口完全生活在缺水状态。预 计到2 0 2 5 年，形势将会进一步恶化，缺水人口将达到2 8 3 3 亿。波及的国家和地区达 4 0 多个，主要为非洲和中东地区、印度、秘鲁、英国、波兰及中国部分地区。 我国的淡水资源总量为2 8 万亿立方米，占全球水资源的6 ，名列世界第六位。 但是，我国的人均淡水资源量只有2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 。按照国际公 认的标准，人均低于3 0 0 0 立方米为轻度缺水 低于2 0 0 0 立方米为中度缺水；低于1 0 0 0 立方米为重度缺水；低于5 0 0 立方米为极度缺水。由此看来，我国已经进入中度缺水国 的行列，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。然而，中国又是世界上用水量最多的国 家。仅2 0 0 2 年，全国淡水取用量达到5 4 9 7 亿立方米，大约占世界年取用量的1 3 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 因而无论就世界范围还是我国来说，“水荒”问题都越来越突出的显现了出来。引起 “水荒”的原因主要可以归结为以下两点： ( 1 ) 水资源分布极不均衡。美国亚马逊河的经流量占南美总经流量的6 0 ，但它却没 有流经人口密集的地区，使得其丰富的水资源无法被充分利用。加拿大有着与中国同样 多的水资源，然而加拿大人口只有中国人口的2 5 ，人均淡水量远高于中国。而我国 的淡水分布也十分不均衡。据统计，长江流域及其以南地区，土地面积只占全国总面积 的3 6 5 ，水资源量却占8 1 ；淮河流域及其以北的地区，土地面积占全国总面积的 6 3 5 ，而水资源量仅占1 9 。水资源最为紧缺的黄、淮、海河流域本身，水资源量只 占全国的7 7 。目前，中国有1 6 个省( 区、市) 人均水资源量( 不包括过境水) 低于1 0 0 0 立方米的重度缺水线，有6 个省、区( 宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏) 人均水资 源量低于5 0 0 立方米的极度缺水线。 ( 2 ) 水资源的污染。人类在呼吁水资源紧缺的同时却一直源源不断的向各种水资源中 倾倒垃圾废物。目前人类每年向湖泊、河流、海洋中倾倒的化学品、金属物质以及有机 物等废物竞达数十亿吨。以中国为例，近日中国水利部门对全国约7 0 0 条大中河流近1 0 万公里的河段进行水质检测，结果是近1 2 的河段受到污染，1 1 0 的河段被严重污染， 不少河水已失去使用价值。 为了解决上述的两点问题就需要人们合理的使用水资源，对水资源加强管理。曾有 专家指出，“水荒”的成因有9 8 都是人为引起的，仅有2 是由自然造成的。因此解决 问题的关键在于水资源的管理，水资源专家毕特华斯说，“世晁并不缺水，而是水源供 应的管理上出现危机”。由于管理不善、资源匮乏、环境变化及基础设施投入不足等原 因，全球约有五分之一的人无法获得安全饮用水，4 0 的人缺乏基本卫生设施；仅在2 0 0 2 年，全球就约有3 1 0 万人死于腹泻和疟疾，而其中近9 0 的死者是不满5 岁的儿童。 1 2 水资源的污染状况 近年来，随着人口的增长、世界经济的持续发展、城市化进程的加快以及工农业生 产规格的扩大，尤其是有机化工、石油化工、医药等行业的迅速增长，使得有机化合物 的产量和种类不断增加，各种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接排入水体，对 地表水及浅层地下水造成了极大的危害。据联合国有关机构统计，人类每年向全球江、 河、湖、海中注入的有毒有害物质竟有上千万吨之多。全球1 1 0 的河流受到不同程度的 污染。发展中国家的城市所产生的工业和生活废物，仅有5 左右得到处理，其余的废 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 物大都随处弃置，从而对土壤、河流和地下水造成了严重污染，使大量淡水无法利用。 1 2 1 国外水赍源的污染状况 从世界范围看，水污染是伴随着经济发展的一个普遍现象。日本、美国、西欧等发 达国家，在由农业国向工业国过渡的过程中，其水体污染也是相当严重的，如日本曾发 生过水俣病事件，欧洲的莱茵河也曾生物绝迹。 英国的独立报曾发表过这样一则令人触目惊心的消息：在英国各大河流的浅水 区，有一半以上的雄鱼由于环境污染而发生了性别变化。这意味着，那些与雄鱼拥有着 同一水源的人类有可能同样受到变性的威胁。 2 0 0 3 年科学家们对美国东部长约4 5 9 公里的波托马克河流进行的调查中首次发现 “阴阳鱼”，约4 2 的雄性鲈鱼性器官中有卵子。2 0 0 6 年科学家们对波托马克河三条支流 又进行了一次调查，其结果更令人震惊，超过8 0 的雄性小口黑鲈体内有卵子。虽然科 学家们至今还尚未找到导致黑鲈畸形变异的化学物质，但有一点可以肯定的是，这种现 象与人们排放到环境中的各种雄性激素、杀虫剂以及肥皂添加剂等类激素物质有关。 世界卫生组织曾公布：迄今环境中的内分泌干扰物已从原来的6 9 种扩展到1 0 0 多 种。保守估计，目前水体中环境类激素的浓度较上世纪三四十年代至少上升了l o 倍。 尽管当代污水处理技术多种多样，但无论哪种处理技术似乎对污水中类激素物质都不起 什么作用。 最近在美国境内出现的致使1 0 0 多人感染大肠杆菌的“毒菠菜”事件，经调查可能的 细菌污染源就包括灌溉菠菜的水源。这很可能又是一件由于水体污染导致的人类较大范 围的中毒事件。 1 2 2 我国水资源的污染状况 尽管水环境污染在全球普遍存在，但我国水环境污染状况更加严重。早在2 0 0 5 年， 我国水利部就公开承认中国7 0 以上的水体已经遭到污染。水资源的污染已经成为了一 个全国性的问题。而且，越是丰水区和大城市，人口越密集，往往污染就越严重，这就 造成了丰水区水质性缺水的现象。近年来，我国水资源较丰富的珠江三角区也出现咸潮， 海水倒灌，淡水资源越来越少，居民用水都成了问题。 近日水利部门对全国约7 0 0 条大中河流近1 0 万公里的河段进行水质检测，结果显 示近1 2 的河段受到污染，1 1 0 的河段被严重污染，不少河水已失去使用价值。据环保 部门对全国1 1 8 个大中城市地下水进行的调查中发现，地下水严重污染的城市占“， 轻污染的占3 3 。另据报导，全国9 0 的城市地下水都遭受到了不同程度的污染，并 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 且已经呈现由点向面的扩展趋势。据全国饮用水源调查报告显示全国约7 亿人饮用大肠 杆菌超标水，1 6 4 亿人饮用有机污染严重的水，7 7 0 0 万人饮用高氟水，1 6 亿人饮用耗 氧量高的水。近年来在我国频发的伤寒、细菌性痢疾、传染性肝炎、非典、腹泻等疾病 都与水污染有关。 目前全国废污水排放量以每年1 8 亿吨的速度增加，每天的工业废水和生活污水排 放量为1 6 4 亿吨，其中约8 0 未经处理就直接排入水域。全国大部分城镇的污水处理 设施落后，运行效率不高，一半以上的城镇污水都是直接排放。 综上所述，随着工业化进程的加快以及人类物质生活水平的提高，水资源污染已经 是当今世界范围内普遍存在的问题。由于水资源的污染日益严重，使得许多饮用水处理 厂的水源也受到不同程度的污染，从而导致饮用水水质变差。这就要求水处理工作者们 更加努力，共同行动，控制污染，保护水源。 1 3 微污染原水简介 水中的微污染物质包括有机物、n h 4 + - n 、n 0 2 - n 、n 0 3 - h i 、f e 2 + 、m n 2 + 、硫化物以 及水处理工程中产生的消毒副产物、可溶性微生物产物等。徼污染物质的浓度一般在数 m g 1 以下，但并无一个严格的上限。 微污染水中的有机污染物可以分为天然有机物( n o m ) 和人工合成有机物( s o t ) 。 天然有机物是动、植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质；人工合成的有机物 大多为有毒有害污染物。有机物在水中的存在使颗粒稳定，增加混凝剂用量和活性炭吸 附器的负荷。【1 】 原水中的微污染物质会引起许多问题，例如微生物再生长、嗅和味、消毒副产物、 需氯量增加等，其中最主要的问题是微生物再生长。【2 】 严格来说，至今人类还未给微污染”原水下过一个准确的定义，各国对“微污染”的 理解也是不一样的，因而不同国家所规定的微污染原水中的污染指标也是不同的。但总 的来说，我国的微污染水源中的污染物浓度要高于西方国家，因而我国微污染水的处理 闯题要比欧美国家复杂得多。 1 4 水源水的处理技术 给水处理的主要任务和目的是通过必要的途径和方法将水中的有毒有害物质去除， 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 最终提供给人们安全、优质的饮用水及符合国家相关标准规定的工业用水。 给水处理的方法和工艺应根据水源水质和用水对象对水质的要求而确定。随着全球 工业化进程脚步的加快，越来越多的水源水已经或者是正在遭受到破坏，致使人类的饮 水安全得不到保障。当人类逐渐认识到水质安全带来的危害时，为了得到安全、优质的 饮用水人类就不得不对受污染的水源水进行净化处理。有资料指出 1 1 ，到2 0 世纪初，人 类对饮用水的常规处理工艺已经基本形成，即：混凝、沉淀和澄清、过滤和消毒。可以 说这种常规处理工艺至今仍是世界上大部分国家所采用的最主要的饮用水处理工艺。但 是又有资料显示【3 】，这种常规的城市自来水厂处理工艺已很难得到满意的出厂水水质， 因此，为提高自来水厂的供水水质，改善城市居民的生活条件，寻求适宜且经济可行的 水处理工艺是十分必要的。 1 4 1 微污染原水的预处理工艺 预处理通常是指在常规处理工艺前，采用适当的物理、化学和生物的处理方法，对 水中的污染物进行初级去除，同时还可以使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理和 深度处理的负担，发挥水处理工艺整体作用，提高对污染物的去除效果，改善和提高饮 用水水质。【4 】 预处理方法按对污染物的去除途径不同可分为氧化法和吸附法。氧化法又可以分为 生物氧化法和化学氧化法。【4 】 一、氧化预处理技术 ( 1 ) 生物氧化预处理f 5 】 生物预处理是指在常规净水工艺之前，增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新 陈代谢活动，去除水中可生化有机物特别是低分子可溶性有机物、氨氮、亚硝酸盐、铁、 锰等污染物，这样既改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理更好地发挥作用，也 减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷，最大可能地发挥水处理工艺的整体作用， 保证出水水质f 6 j 。通过在上海惠南自来水厂中的实际运行 7 1 ，得出了以下结论，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 去除率为2 0 3 0 ，浊度去 除率为5 0 左右。达至4 了预处理的目的，减少了混凝剂的投加量。在生物预处理中，微 生物的生长对水温的变化较敏感，有试验结果表明【8 】：水温为1 6 2 0 时，c o d 去除 率为2 0 3 5 ，平均为2 5 ；当水温为7 1 2 c 时，c o d 去除率下降为8 2 0 ，平均下 降1 5 。生物处理运行管理比较复杂，需增设充气供氧系统和反冲洗再处理等相关设备， 这些都增大了水厂投资和运营费用，同时也加大了水厂运行管理的难度。因此，生物氧 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 化预处理在国内尤其在北方地区未得到普遍的推广应用。 ( 2 ) 化学氧化预处理【5 l 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。过去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。 由于在原水中投加大量的氯会产生三氯甲烷等致癌物，因此，人们就不得不寻找新 的化学氧化剂来代替氯。而高锰酸钾就是氯的替代品之一。有研究表明例： 化学氧化预处理时，采用高锰酸钾比采用氯作为预氧化剂生成的三卤甲烷要少得多。 化学氧化预处理技术虽然对微污染水源水有一定处理效果，但是由于需额外投加药 剂使得运营成本增大，并且有可能增加出水氯化后的致突变性。因而化学氧化预处理技 术在实际运用中也受到了一定限制。 二、吸附预处理技术 ( 1 ) 粉末活性炭吸附 活性炭是一种多孔物质，其中由微孔( 孔径小于4 纳米) 构成的内表面积约占总面积 的9 5 以上，过渡孔和大孔仅占5 左右。活性炭对有机物的去除主要靠微孔吸附作用。 【l0 】 国外曾对粉末活性炭去除原水中的色度和嗅味做过一些研究，并且已取得了成功经 验。试验证实，粉末活性炭对原水中的色度和嗅味的去除效果较好 4 1 。美国给水协会 ( a w w a ) 、美国国家环保局( u s e p a ) 在对活性炭吸附水中三卤甲烷能力进行的研究后表 明，活性炭对三卤甲烷有一定的吸附能力，但使用周期较短，且大量研究表明活性炭吸 附对三卤甲烷及其前体物去除能力不稳定【1 0 1 。 由于粉末活性炭投加后，将参与混凝沉淀过程，因此将混在混凝沉淀污泥中，而目 前还没有很好的回收再利用的方法，致使粉末活性炭只能作一次性使用，导致预处理的 费用增加，因而很难在现实中推广。【4 】 ( 2 ) 粘土吸附 研究证实，粘土特别是一些改良粘土，往往是较好的吸附材料。粘土之所以能对微 污染原水进行预处理，是通过粘土颗粒对水中有机物的吸附作用和交换作用来实现的。 通过投加粘土能够改善和提高后续混凝沉淀的效果。但大量粘土投加到混凝池中， 会增加沉淀池的排泥量，造成了后续工艺的负担，并且粘土吸附对氨氮并无明显的去除 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 效果，这些都限制了其在实际中的运行和推广。 三、强化混凝处理技术 强化混凝( e n h a n c e dc o a g u l a t i o n ) 处理技术是指：向水源中投加过量的混凝莉并控 制一定的p h 值，从而提高常规处理中天然有机物的去除效果，最大限度地去除消毒副产 物的前体物，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法。 强化混凝的作用主要是去除原水中的天然有机物。有研究认为，强化混凝去除有机 物的机理主要包括胶体状n o m 的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以 及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉作用。胶体状天然有机物的混凝主要依靠压缩双电 层、电中和吸附架桥或混凝剂沉淀物的网捕等。强化混凝去除天然有机物，其去除率的 大小受混凝剂的种类和性质、混凝剂的投加量以及p h 值等因素的影响。【4 】 另外还可以通过调节p h 值以及投加混凝剂的方法来对微污染原水进行预处理。【1 1 】 1 4 2 饮用水的常规处理技术 饮用水常规处理工艺简单的可以归纳为：混凝或絮凝、沉淀或澄清、过滤和消毒。 其主要去除对象是水源中的悬浮物、胶体杂质和细菌。混凝是向原水中投加混凝剂，使 水中难以自然沉分离的悬浮物和胶体颗粒相互聚合，形成大颗粒絮体。沉淀是将混凝后 形成的大颗粒絮体通过重力分离。过滤则是利用颗粒状滤料( 石英砂等) 截留经沉淀后 出水中残留的颗粒物，进一步去除水中杂质，降低水中浑浊度。过滤之后采用消毒方法 来灭活水中致病微生物，从而保证饮用水卫生安全性。 4 1 一、混凝和絮凝 混凝和絮凝的机理是：( 1 ) 双电层压缩；( 2 ) 因吸附作用使电荷中和；( 3 ) 拦截在沉淀池； ( 4 ) 因吸附形成颗粒间的架桥作用。铝盐或铁盐作为混凝剂时，主要机理是电荷中和、沉 淀物拦截，后者称为沉淀絮凝。 二、沉淀和澄清 增大颗粒尺寸或减小颗粒沉降距离均可加速悬浮物的沉淀，前者取决于沉淀前的混 凝效果，后者可用较浅的池来缩短沉降距离。 三、过滤 沉淀水过滤时一般采用单层砂滤料，为了提高滤速和增加滤料截污能力，改用无烟 煤、砂双层滤料，或用煤、砂、磁铁矿三层滤料。也有用较粗的单层均匀滤料，滤层较 厚。一些国家通过小型试验来正确选择合适的滤料品种及级配。其决定因素除了进水水 质外，还取决于滤池反冲洗系统的形式、滤料供应情况和费用、以及滤池运转维护的要 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 求等。 四、消毒 氯和次氯酸钠是使用较为广泛的消毒剂，它们具有价廉、便于应用、适用性强等优 点。氯消毒的特点是可以保持一定浓度的余氯，能在配水管网中持续杀菌，并可作为监 测依据。氯消毒的缺点是它能与水中有机物起反应，形成氯代有机物，其中一些能引起 令人不愉快的嗅、味，某些还具有“三致”作用。 臭氧是一种有效的消毒剂和不形成臭味物质的强氧化剂，而且能破坏原水中存在的 许多臭味物质。其不足之处是，由于它必须在现场用电生产，耗能大、费用高，与氯相 比缺少灵活性，不可能保持剩余臭氧，为此要在出厂水中加少量氯，保持管网中余氯。 其它此外线、过氧化氢、高锰酸钾等消毒，由于费用和设备方面的问题，只能用于 有特殊要求的小型给水系统中。 随着工业的迅速发展以及水质分析技术的逐渐改善，饮水安全问题越来越突出的展 现在了人们面前。面对水源水质的恶化，常规饮水处理工艺的弊端凸现了出来。国内外 的试验研究和实际生产结果表明，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去 除水中有机物的2 0 3 0 ，且由于存在溶解性有机物，不利于破坏胶体的稳定性，使得 常规工艺对原水浊度去除效果也明显下降( 仅为5 0 6 0 ) 。通过增加混凝剂投量的方 式来改善处理效果，不仅使处理成本上升，而且可能使水中金属离子浓度增加，也不利 于居民的身体健康。 总之，在水源受到污染的情况下，由于常规净化工艺的局限性，出水后的生活饮用 水水质安全难以保证。 1 4 3 深度处理工艺 4 1 深度处理通常是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺不 能有效去除的饮用水中的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，以提高饮用水水质。 目前国内外应用较广泛的深度处理技术有活性炭吸附、臭氧氧化、臭氧活性炭及生物活 性炭等等。 一、活性炭吸附 在各种改善水质处理的深度处理技术中，活性炭( g a c ) 吸附是完善常规处理工艺 以去除水中有机污染物最成熟有效的方法之一。 活性炭的孔隙率大且吸附能力强，在水处理中具有明显的优势。研究表明，活性炭 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 作为活性滤料或直接投加到水中均有不错的效果。有研究指出【1 2 1 ，投加粉末活性炭是解 决水厂短期及突发性水质污染的有效措施之一，可以提高水厂的出水水质，特别是对有 机物和色度的去除较为理想。但是从经济上来讲活性炭的成本比较高，而且到目前为止 还没有找到合理经济的再生方法。此外，p a c 投加到水中呈团状，严重影响处理效果。 随着水体污染的加剧，水中有机物大量增加，如果单凭活性炭的吸附作用来去除大量合 成有机物和t o c ，则不能做到经济有效。因为活性炭对有机物的吸附能力受其吸附容量 的限制，种类繁多的有机物使活性炭的运行周期缩短，再生频繁。而且对于水中已存在 的三卤甲烷，活性炭吸附只是在运行之初可有效发挥作用，几周之后即可穿透。另外， 活性炭吸附不能去除大部分短链含氧化合物，如甲醇、乙醇、乙醛、乙二醇、乙酸、甲 酸等【1 3 】。因此，为提高水处理效率，应强调通过整个净化工艺过程来防止有机卤化物的 形成，预处理工艺如预臭氧、生物预处理等不仅能强化整个水处理工艺，还可以通过化 学氧化和微生物氧化作用，降解活性炭吸附不能去除的一些极性有机物，减轻后续工艺 负担。 二、臭氧氧化 臭氧在水处理中的应用比活性炭早。在本世纪初被用作饮用水的消毒剂，某些国家 则用其去除水中的色度和臭味。现在世界各地使用臭氧的水处理已有上千家，并且主要 目的已转变为去除水中的有机污染物。由于臭氧具有很强的氧化能力，它可以通过破坏 有机污染物的分子结构以达到改变污染物性质的目豹。 臭氧氧化的优点是【1 4 l ：具有很强的杀菌消毒作用，可除臭去味、脱色除铁锰、去除 微量有机物，不易引起二次污染，而且臭氧可有效地氧化分解有机物，接触时间短且不 受温度和p h 的影响。但是其缺点是：对水中已经形成的三氯甲烷没有去除作用。有研 究显示，即使在臭氧投加量达到2 5 m g 1 ，接触时间4 5 m i n 的情况下，也不能有效地氧 化分解三氯甲烷。使用臭氧氧化还会产生令人不愉快的臭味。 通常认为臭氧对水的致突活性的影响没有什么规律，因为现在还无法确定到底有哪 些化合物能引起水的致突变活性。因此可以看出，利用臭氧氧化去除水中的有机污染物 应视水体所含的有机物性质来确定，若能与其它的方法联合使用，取长补短，方能有效 地净化饮用水中的有机污染物。 三、臭氧活性炭 臭氧活性炭采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化，这样就可 以扬长避短，充分发挥各自所长，克服各自所短。这一工艺可以使活性炭的吸附作用发 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 挥得更好。 四、生物活性炭 生物活性炭是多年来活性炭在饮用水处理的应用实践中产生的。通常，生物活性炭 的前提条件是应避免预氯化处理，否则微生物就不能在活性炭上生长，因而失去生物活 性炭的生物氧化作用。 其优点是：( 1 ) 提高出水水质，可以增加水中溶解性有机物的去除效果：( 2 ) 延长了活 性炭的再生周期，减少了运行费用；( 3 ) 水中氨氮可以被生物转化为硝酸盐，从而减少了 后氯化的投氯量，降低了三氯甲烷的生成量。 五、膜法 在水处理中，膜过滤( 微滤、超滤、纳滤和反渗透) 技术是比较有前途的一种方法。 其优点是具有良好的调节水质的能力，去除的污染物范围广。缺点是基建投资和运转费 高，易发生堵塞，需要高水平的预处理和定期的化学清洗，存在浓缩物的处理问题。 六、光催化氧化 光催化氧化是以n 型半导体为敏化剂的一种光敏化氧化技术。其突出特点是氧化能 力极强。 一般认为在合适的反应条件下，有机物经光催化氧化的最终产物是二氧化碳和水等 无机物。该处理方法的强氧化性、对作用对象的无选择性与最终可使有机物完全矿化， 使得其在饮用水深度处理效果中具有难以超越的优点。同处理效果很好的紫外臭氧氧 化法相比，由于无需臭氧发生器，光催化氧化处理设备简单、初期投资低，运行的可靠 性也相应较好。用作催化剂的二氧化钛化学性质稳定，对人体无害，货源充足，价格不 高，可以回收重复使用，上述特点使光催化氧化法在饮用水深度净化方面具有良好的应 用前景。由于同净水厂常规处理工艺相比，光催化氧化法的处理费用高，设备复杂，同 时将工业生产用水都处理到符合饮用水的标准，在经济上难以接受，所以光催化氧化法 在近期只可能用于中、小型净水器，对城市自来水进行深度处理以满足宾馆、企事业单 位及家庭的饮用水供应及食品、饮料工业用水。至今国际上尚无光催化氧化法实际应用 于饮用水深度处理的报道。 七、吹脱法 吹脱法是指利用水中溶解化合物的实际浓度与平衡浓度之间的差异，将挥发性组分 不断由液相扩散到气相中，达到去除挥发性有机物的目的。优点是费用低、操作简单。 缺点是对难挥发的有机物去除效果差。 】o 太原理工大学硕士研究生学位论文 除了以上详细介绍的几种方法外，还有一些方法也可被用作饮用水的深度处理中， 如：紫外和臭氧( u v - 0 3 ) 结合的方法、过氧化氢和紫外光结合的方法等等。在此就不 再做详细介绍。 以上所介绍的深度处理工艺，尽管在控制饮用水的污染和提高水质等方面都发挥了 较好的作用，但是却都或多或少的存在着这样或是那样的局限性，且并不能完全解决水 质污染问题，其处理费用也都较高，这就要求人们进行更为广泛和深入的探讨研究以寻 求一种更为经济、更为有效的新的水源水的处理工艺。 1 5 本课题的提出及内容 1 5 1 课题的提出 随着水源水质污染成因日趋复杂和水质检测水平的提高，城市供水常规工艺的局限 性日益显现。具体表现为：城市供水水质的感官指标难尽人意，生物稳定性差，a m e s 致 突变风险有所增加等。在水源污染较为严重的地区，相应矛盾尤为突出【”】。这就需要人 们对城市常规供水工艺进行改良和优化，这样才能供给人类安全优质的饮用水。 国内、外对微污染水源水的处理方法主要有：预处理、深度处理及常规工艺的强化。 预处理主要有生物预处理和化学预氧化，深度处理主要有活性炭吸附和膜处理技术。预 处理和深度处理的方法各有其优点，但也存在明显的局限性，即均须在现有常规工艺的 基础上另外增设构筑物及设备，这就需要大量占地与设备投资。而强化常规工艺主要指 在不增加水厂构筑物的前提下，通过对混凝及过滤工艺的改进，最大程度地发挥现有构 筑物及设备的处理效果，或使其具有某种新的处理功效，达到提高自来水水质的目的， 具有投资少、不需另设构筑物的优点。强化混凝虽能在一定程度上提高有机物的去除率， 但对原水中氨氮、亚硝酸盐氮和影响出厂水生物稳定性的小分子有机物却无能为力。b 6 由于社会经济的发展以及人们对供水水质要求的提高，使得传统净水处理工艺的处 理效果已经很难达到卫生部于2 0 0 1 年9 月1 日颁布的生活饮用水卫生规范的要求【删。 在微污染原水的传统处理工艺中引入新的更为优秀的处理工艺必将是大势所趋，而生物 砂滤池就是其中的一种。 1 5 2 课题的研究内容 本次试验是以邯郸市滏阳河微污染原水作为研究对象，系统分析了生物砂滤池对滏 阳河河水中污染物质的去除效果。研究的主要内容包括： ( 1 ) 对生物砂滤池处理滏阳河微污染原水的处理效果及影响因素进行系统分析； 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 对生物砂滤池处理滏阳河微污染原水的作用机理进行分析研究； ( 3 ) 通过长期反复试验确定生物砂滤池反冲洗的最佳运行参数及条件。 1 2 太原理工大学碰士研究生学位论文 2 1 原水水质 第二章试验方法与试验装置 本试验原水取自邯郸市滏阳河。滏阳河是子牙河水系的一条重要支流，发源于邯郸 峰峰矿区滏山南麓，流经邯郸、邢台、衡水等4 市1 8 县，在沧州的献县与滹沱河汇合 后流入子牙河，垒长4 0 2 公里。上世纪七十年代以前的滏阳河河水十分清澈，可必直接 饮用。但是在八十年代以后情况却发生了很大的变化。由于在上游接纳了彭城、峰峰矿 区的工业废水和沿途汇入的来自纺织厂、化工厂、印染厂等的工业废水咀及城市生活污 水，再加之城市的污水处理能力相对滞后，致使产生的大部分污水未经处理就直接排到 了滏阳河中，导致滏阳河水质严重恶化。 经调查，滏阳河河水冬季最低水温一般为0 h 1 5 ，夏季水温在2 3 ( 2 左右，原水常 年浊度较低，一般为1 0 2 0 n t u ，暴雨后的一段时间浊度可达数十n t u 原水中的氨 氮、c o d m n 等监测指标也偏高。原水水质随季节变化较大，某些化学指标常超过国家现 行的生活饮用水卫生标准的要求。色、嗅、味等感观指标也常不符合国家的相关要求。 滏阳河原水水质状况及生活饮用水卫生标准分别见表2 - - 1 和2 2 。 袁2 1 澄阳河水质状玩 t a b l e2 - 1 t h e f u y a n gr 押盱se n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o