（环境工程专业论文）跌水曝气生物接触氧化—超滤组合工艺净水技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文 跌水曝气生物接触氧化超滤组合工艺净水技术研究 东南大学 硕士研究生；王华成导师：吕锡武教授 摘要 面对饮用水水源污染日益严重而传统自来水厂无法保证供水水质的安全性的严峻局面，研究新型净 水工艺迫在眉睫。本文对“跌水曝气生物接触氧化一超滤”组合工艺处理微污染原水进行了较为系统的研 究。考察了在低温季节，以跌水曝气充氧方式的三阶式生物接触氧化池的挂膜特性，研究了水力停留时 问、跌水高度、污染物负荷等条件对生物接触氧化池处理效率的影响，污染物在各阶氧化池中沿填料层 高度的去除规律，分析比较了各阶生物接触氧化池中两种填料挂膜的生物量；在超滤处理前采用了砂滤 和陶粒过滤两种预处理，比较了两种滤料的处理效果：研究了超滤对各主要污染物的去除效果、超滤膜 的运行特性。研究结果表明： ( 1 ) 在低温季节，采用自然挂膜的方法，使用弹性填料的跌水曝气生物接触氧化池从启动到生物膜 培养成熟大概要3 0 4 0 天； ( 2 ) 污染物在生物接触氧化中的去除率随水力停留时间( r t ) 的增大而增大，而在h r t 1 6 h 范围内m 盯的影响较为显著，当 玎i t = 1 6 h 时，生物接触氧化池对浊度、氨氮、c o d 、藻类和u v 2 5 d 的去除率分别为：5 2 、3 5 9 、1 9 8 、7 1 o 和5 9 ； ( 3 ) 在各阶生物接触氧化池中，单位重量的弹性填料挂膜的生物量高于单位重量组合填料所挂膜的 生物量。 ( 4 ) 超滤膜对浊度、氨氮、c o d m 藻类和u v 2 5 4 的平均去除率分别为9 5 5 、1 3 9 、1 6 3 、 8 4 ，2 和6 9 ： ( 5 ) 超滤采用死端式运行时，每隔4 0 m i n 排放浓缩水一次( 即错流式运行一次) ，历时1 m i n ，每2 h 进 行清水反冲洗。反冲洗流量为1 8 0 0 l m ，历时2 3 m i n 可以缓解膜污染。 ( 6 ) 采用0 5 的n a 0 时加含有效氯量为1 0 m g ，l 的n a c l 0 混合溶液，对超滤膜进行循环清洗4 0 m i n 后， 超滤膜的比渗透通量恢复到初始通量的8 0 左右。 ( 7 ) 在平均水温7 6 时，生物接触氧化的水力停留时间( h r t ) = 1 6 h 时，组合工艺对浊度、氨氮、 c o d 、藻类和u v 2 5 4 的去除率分别为9 9 1 、4 4 o 、3 5 - 3 、9 7 9 和6 9 ，处理效率优于常规工艺， 且工程投资单价与制水成本和传统工艺相差无几。 关键词：微污染原水跌水曝气生物接触氧化生物量超滤膜污染 长三角区域城镇饮用水安全保障技术江苏省科技厅社会发展资助项目( b s 2 0 0 4 0 5 0 ) 太湖流域安全饮用水保障技术国家高技术发展研究计划( 8 6 3 ) 资助项目( 2 0 0 2 a a 6 0 1 1 3 0 ) 东南大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s so f a t e r d r o p p n q ga e r a t i o nb i o l o g l c a l c o n t a c to x l d a t l o na n du i j t r a f l l t r a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n 锄eo f g r a d u a t e w a n gh u a c h e n gs u p e r v i s o r p r o fl ux i - w u a b s t r a c t t h e 廿丑d i t i o n a lw a t e r 仃e a 恤e n tp r o c e s si s n ts u i t a b l ef o r 也es i t u a t i o no fr a ww a t e rp o l l u t e d n e wp r o c e s s e s a r en e e d e di m m i n c n u yap r o c e s so fw a t e 卜d r o p p i n ga e r a t i o nb j o l o g i c a lc o n t a c to ) 【i d a t i o n ( 啊a b c o ) 肌d u l 打a f i i t r a t i o n ( w a b c o u ) w a ss t u d i e di 1 1t l l ep a p e rw i t hap i l o t s c a l et e s t ，t l l ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o 捌m f o n t l i n g 曲t h e1 1 l r - s t e pw 缸e r d r o p p i n gb i 0 1 0 9 i c a lc o t a c to 姬d a t j 彻( t w a b c o ) w e r es t u d i e dd u r i n gt h e c 0 1 dp e o d s o m ef a c t o r so ft h ei 【i f l u e n c eo nt h ee m c i e n c yo ft 1 1 et a b c 0 ，s u c ha sh t ra n d 口0 1 1 u 1 0 a d i n g ，w e r ed i s c u s s e d a l s o ，t h ei a 、幅o fr e m o v a lr a t eo fp o i l u t 如t sj nd i 岱玎n tr e a c t o r so ft a g c o 卸d d i 髓r e n th e j g h to fp a d d i n g me a c h 矗c t o r 、v e r ei n v e s t i g a t e d t h eb i o m a s so f 押op a d d i n ga n dt h ee 每c i e n c yo f 6 l t r a t i o nb y 、s a l l da i l dc e r 锄i c - b a i lw e r ec o m p a r e d a tl a s t ，i tw a ss h o w e dt 1 1 a tt 1 1 er e m o v a le 丘i c f e n c yo f p o l i u t a n t sb yu h r a 矗i 仃a t i o na n dt h eo p e r 撕o nc h 叫a c t 丽s t i c so fu l t r a n i 付a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o ns h o w e da s f o o w ： ( 1 ) d u r i n g 也e c o l dp e r i o d ，i t t o o k8 b o u t3 0 t 0 4 0 d a y s t o m a k e t h eb i o 靠l m m 姗i n t h e t w a b c o ( 2 ) t h er e m o v a lr a i e so f m a i np o l l u t a n t sb y 吐1 et w a b c oi n c r c a s 甜w i t ht l l ei n c r c a s i n go f h r ta 1 1 di tw a s m o f eo b v i o u sw h e nh r tw a sl a w e rt h a n1 6h o u r s a st h eh r to ft h et w a b c ow a s1 6h o u r s t 1 1 er e m o v a l r a t e so f n l r b i d i m 锄m o i l i an j 打o g e n ，c o d 胁，a l g a e ，u v 2 5 4 ( u 1 打a “o i e ta b s o f b e n c ya tt h ew a v e l e n g mo f 2 5 4 啪) b y ，f w a b c o w e r ea s f l o ws e p 缸a t e l y ：5 2 3 5 9 ，1 9 g 7 1 o 蹁ds 9 ( 3 ) t h eb i o m a s s0 ne l a s t i c i t y _ p a d d i n gw a sm o r et h a nt h e 锄e so nc o m p o u n d i n g - j ) a d d i i l gi n 也et 、张b c o ( 4 ) t h er e i n o v a lr a t e so f t l 曲i d 咄a r l l m o n j an j t r o g e n ，c o d m n ，a l g a e ，u v 2 s 4b yu l 仃a f i 】t r a t i o nw e r ea sn o w s e p a r a t c l y ：9 5 5 ，1 3 9 ，1 6 3 ，8 4 2 a n d6 9 ( 5 】u i 订a t r 撕o nw 鹊o p e r a t e dw i 血d e a d - e n ds t y l e ；t l l ec o n c e n 仃吼ew a sd i s c h a r g c de v e r y4 0 m i n u t e sl a s 廿n g f o rlm i n u t e ，锄dt l l em e m b r 卸ew 踮b a c kw a s h e db yp e n e 仃a t ee v e r y2h o u r sl a s t i n gf o r2t o3m i n u t e sw i t ht | 1 e n u xo f l ，8 0 0 l p h ( j j t r ep e r h o u r ) u n d e r t l l e s ec o n d i t i o n ，i tc o u l ds l o w e r t l l e m e m b r a n e f 抽l i n g ( 6 ) 1 1 1 em e m b r 卸ew a sw a s h e db yn a o h ( o 5 哟a d d i n gn a c l o ( 1 0 m gc l 蚴m i x e ds o l u 曲nl a s t i n gf o r 4 0 m i n u t e s ，t h es p e c i f i cp e n e t r a t en u xr e c o v e r e dt o8 0 0 f t h ei n i t i a lo n e ( 7 ) a st h ea v e r a g et c m p e r a m r eo fr a ww a t e rw a s7 6 a n dt h eh r to ft w b c ow a s 】，6h o u r s ，t 】e r e m o v a im t e so f t u r b j d 吼a m m o n i an i t r o g e n ，c o d m i l ，a l g a e ，u v 2 5 4 b yw a b c o uw e r ea sn o ws e p a r a t e i y ：9 9 】 ，4 4 0 ，3 5 3 ，9 7 9 a n d6 9 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 rw a t e r - d r o p p i n ga e r a t i o n b i o l o g i c a lc o n t a c to x l d a t i o n b o m a s s u l t r 娟i t r a t i 叻m e m b a n ef o u l i n g l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 萎绎献 日期：兰：兰望 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：曼绨哆导师签名： 显勉丛日 期：2 翌羔：亟：! 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 水资源短缺与水污染现状 第一章绪论 民以食为天，食以水为先。随着世界人口增长和社会经济发展，人们对水的需求日益增长，同时， 用水的浪费和水资源的污染使优质水资源日益短缺，水的问题己经成为一个严重的社会问题。 我国水资源平均总量为2 8 万亿m ，居世界第6 位，但人均占有水量仅2 4 0 0 m ，为世界人均水资源占有 量的1 ，4 ，仅列世界第1 1 0 位。目前在中国6 6 6 座城市中，有3 3 3 座城市缺水，其中严重缺水1 0 8 座，曰缺水量 达1 6 0 0 万m 3 ，因缺水造成的年工业经济损失达2 3 0 0 多亿元。中国己被联合国列为1 3 个水资源贫乏的国家之 一。 在工农业取得迅猛发展的同时。我国的水污染形势也日趋严峻。2 0 0 3 年中国环境质量状况公报”m 指 出：2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面满足i 类水质要求，3 2 2 的断面属、 v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质；主要湖泊氮、磷污染较重，严重的富营养化现象未得到有效控制。 与0 2 年相比，太湖潮体水质虽有改善，但污染仍然较重，监测的2 1 个点位中。无i 类水体，属类、 v 类和劣v 类水质的点位比例分别为1 4 _ 3 、1 4 - 3 和7 1 4 。 根据国家“地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 8 8 y ，适宜作为饮用水水源的i 类水已经十分紧缺，要使 用完全不受污染的淡水水源的可能性越来越小，相当部分的自来水厂已经使用受污染的原水作为生活饮用 水的水源。 1 1 2 水中污染物质 1 1 2 1 有机污染物 水源水中的污染物主要来自有机物，大致可以分为两类：一类是天然有机物( n o m ) ，包括腐殖质、 微生物分泌物、溶解的植物组织和动物的废弃物：另一类是人工合成有机物( s o c s ) ，包括农药、商业用 途的合成物及一些工业废弃物。 天然有机物主要是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质，其中腐殖质占总量的6 0 9 0 ，是饮用水处理中主要去除对象。腐殖质是一类亲水的、酸性的多分散物质，根据其在水中的形态可 分为酸不溶但碱溶的腐殖酸( h a ) ，酸溶但碱不溶的富里酸( f a ) ，以及不溶于酸也不溶于碱的胡敏素， 三种组分在结构上相似，但在分子量和官能团含量上有较大的差别口j 。 腐殖质本身对人体无害，但由于其表面含有多种官能团，能够与水中金属离子络台，影响水处理效果。 同时，有机物可吸附在胶体颗粒表面，形成有机保护膜，增加了胶体表面电荷密度、阻碍了胶体颗粒间的 结合，从而大大增加了混凝剂的投加量。此外，腐殖质等有机物被认为是消毒副产物( d b p s ) ( 如三卤甲 烷等) 的主要前体物i j j ，是导致饮用水致突变活性增加的因素。 人工合成有机物( s o c s ) 大多为有毒害有机物污染物具有以下特点：难于降解，在环境中有一定的 残留水平，具有生物富集、三致( 致突变、致畸变、致癌变) 作用和毒性。相对于水体中的天然有机物， 它们对公众的健康危害更大。水体中人工合成有机物在数量上远大于天然有机物，而且常常吸附于悬浮颗 粒或底泥中，成为不可移动的一部分。它们对水环境的影响时间可能会很长，如p c b s ( 多氯联苯) 在水环 境中的停留时间可长达几年。有毒有机物一般难以被水中微生物降解，但却易为生物吸收，通过生物的食 物链过程，逐渐富集到生物体内从而对人体健康造成为危害。根据现有的监测技术水平，世界范围内饮 用水中已经出现7 6 5 种合成有机化台物，其中1 1 7 种是属于致癌的或促进致癌的物质。 l 蔓堕奎兰堡圭兰壁垒茎 1 1 2 2 病原微生物 饮用水的卫生性和安全性直接关系到公众的健康。水环境中存在主要的病毒及其所致疾病见表1 一】。 表1 1 水环境中存在主要的病毒及其所致疾病 病毒所致疾病 脊髓灰质炎病毒 艾奇病毒 柯萨基病毒a 组 柯萨基病毒b 组 新肠道病毒 甲型肝炎病毒 n o n v a l k 胃肠炎病毒 人轮状病毒 腺病毒 呼肠孤病毒 微小d n a 神经麻痹、脑膜炎、发烧 脑膜炎、呼吸道疾病、皮疹、腹泻、发烧 无菌性脑膜炎、疮疹性咽颊炎、麻痹、小儿肺炎 胸臂痛、心肌炎、心包炎、先天性心脏异常、脑膜炎 急性出血结膜炎、脑炎、脑膜炎、发烧 传染性肝炎 流行性呕吐、腹泻、发烧、恶心 小儿胃肠炎 呼吸道疾病、眼睛感染 尚不清楚 儿童呼吸道疾病 1 1 3 常规处理工艺的局限性 面对水源水质的变化，常规水处理工艺，即：混凝、沉淀、过滤和消毒，已经显得力不从心。主要表 现在以下几个方面： 第一，水中的有机污染物大多是带负电的化合物，它们的存在使水的z 咖电位升高，要保证出水水质 就必须加大混凝剂的投加量，增加了制水成本，同时可能使水中金属离子浓度增加，也不利于居民的身体 健康。 第二，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2 0 一3 0 ，且由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度 去除效果也明显下降( 仅为5 0 一6 0 ) ，而且水中氨氨问题也不能得到有效解决。去除率仅l o 左右【4 】。 第三，为防止藻类和微生物在水处理构筑物中的生长，大多数水厂采取预加氯措施，此外，采用折点 加氯法控制出厂水中氨氮浓度及获取必要的余氯，由此产生的大量有机卤化物导致水质毒理学安全性明显 下降。国内上海、武汉等地饮用水在致突变活性试验中均呈阳性结果1 4 】。 第四，有机污染物进入管网后，会被在管壁上附着的、氯化后仍存活的微生物所利用，引起二次污染。 同时，这些微生物会腐蚀管道，减少管网的使用寿命，也降低了水的生物稳定性。 目前我国的自来水现状是：感观质量差，有机物含量高，甚至有致突变活性】，因此必须研究开发新 的水处理工艺，确保饮用水的安全卫生。 1 1 4 微污染水源水处理技术研究现状 1 1 4 1 强化“混凝沉淀一过滤”工艺 为了有效地去除水中的有机物，减少消毒副产物的产生，以优化混凝工艺的条件( p h 调整等) 并减少 混凝剂投加量等为手段的强化混凝工艺已经成为美国控制n o m 三大主要方法之一( 强化混凝法、粒状活性 炭吸附法、膜滤法) 1 7 】。国内的李圭白院士等研制的高锰酸钾复合药剂( p p c ) 不仅具有混凝的功效而且 还有强氧化能力，从而有效地去除水中有机污染物和致突变物嘲。斜管或斜板沉淀，或气浮处理的应用强 化了沉淀效果。生物强化活性滤池可以有效去除氨氮、亚硝酸氮( 9 0 以上) ，有机物去除率也稳定在2 0 左右，是一种降低投资，节省占地的有效措施【9 】。 1 1 4 2 臭氧技术 2 第一蕈绪论 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以达到改变污染物性质的目的，在水处理 中的应用已经有几十年的历史。臭氧对各种有机物的氧化能力不一样，易与有机物中的一c = c 一取键反应， 对苯环有破坏作用【l ，但是对三卤甲烷没有去除能力。单纯投加臭氧并不能有效去除水中有机物，因为臭 氧氧化的选择性以及一定投加量下不能使有机物彻底无机化，相反，此时经氯化后三卣甲烷的含量较氧化 前反而上升。臭氧氧化的产物化的产物多是有机酸、醛类、酮酸等可生物降解物质，因此常常需要增加后 续生物处理，如生物活性炭( b a c ) 。 1 1 4 3 活性炭技术 以活性炭为代表的多孔物质是饮用水深度处理最有效方法之一，实践证明活性炭脱色除臭效果佳，所 吸附的有机物的分子量一般为5 0 0 一3 0 0 0 ，缺点是吸附周期短，再生困难，价格昂贵。生物活性炭( b a c ) 是活性炭应用实践的产物，通过炭表面附着生长的微生物将活性炭所吸附的有机物质氧化降解，延长活性 炭的再生周期，同时可以氧化水中氨氮为硝酸盐。臭氧一活性炭( 0 3 一b a c ) 工艺是当前饮用水深度处理 的主导技术，研究表明：o ，一b a c 深度处理工艺能够有效去除原水中的有机物，c o d 去除率为2 0 一4 5 ，对水中多环芳烃和t d x 能部分去除，但对已形成的c h c l 3 和c c k 不能分解去除，只能靠活性炭吸附去 除，能将a m e s 试验呈阳性的水转变为阴性，但进水氨氨浓度不易过高宜控制在2 m 以以下”。 1 ，1 4 4 高级氧化技术 指紫外光( u v ) 作用下进行的光化学、光催化或是光敏化的氧化过程，其主要工艺包括：紫外光一 臭氧( 【j v 0 3 ) 、紫外光一过氧化氢溶液( u v h 2 0 2 ) 、紫外光一二氧化钛( 【j v t j 0 2 ) 技术以及其他相应组 合。其中光催化氧化技术具有强氧化性、对作用对象的无选择性与最终可使有机物完全矿化，在饮用水深 度处理效果中具有难以超越的优点；但是其设备复杂，处理费用高，只适宜于中小型净水器( 4 j 。 1 1 4 5 生物预处理 生预处理工艺是指在常规净水工艺前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陈代谢活动，对水中 的有机污染物、氨氢、亚硝酸盐氯及铁、锰等无机污染物进行初步去除，改善水的混凝沉淀性能，更好地 发挥后续常规工艺的作用。生物预处理代替预氯化工艺，避免了由氯化引起的卤代有机物的生成，降低了 分类离子势子l 太分子徽较丈颗粒 liilii 粒镪抽m ) a ld m l取ll 。di ol i 删 i il i l i 近似分了：曩( d 神i o d 瑚i 舯oi 蝴劫舟吣 棚胂翻n _ j o l i - | ；1 0 4 一 一霸韬 1 硝 i 一 水中番种物质刊【溶鼓装+ i ”“ 的栅对太小腐璇酸 一l m - 女一 ，萨驰一 盎属离子 熹占 糖砂4 石端纤缝 反渗通 | l 傲滤 i 井搿结 纳淀 l l if i 常勰矬淄 i 超滤 i i ii 图1 1 压力驱动膜工艺的分类及其对应的分离粒径和分子量 东南大学硕士学位论文 水的致突变活性。在饮用水生物预处理工艺中大多是生物膜反应器，主要研究工艺为：生物接触氧化、生 物过滤反应器、生物转盘反应器、生物流化床及在水源地通过堤岸、沙丘等渗透的土地处理系统。国内的 研究以生物陶粒滤池和生物接触氧化为主。目前在宁波、广东东深、大同等地都有生物接触氧化和生物陶 粒滤池的实际生产应用。 1 1 4 6 膜分离技术 微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 等膜技术具有工艺适应性强、处理规模可大可 小、操作及维护方便、易于实现自动化等特点，因此在饮用水处理中的应用倍受关注，是2 1 世纪最有前途 的水处理技术之一。美国自1 9 8 6 年“安全饮用水法案( 修正案) ”( s d 、) 实行以来，为有效去除贾第虫 ( g i a d i a ) 和隐孢子虫( c r y p t o s p o r j d i u m ) 等原生动物、细菌和病毒，相继建成了许多m f 、u f 水厂m 1 ；日 本厚生省在1 9 9 1 一1 9 9 6 年相继启动了面向新世纪的“m a c 2 l ”( m e m b r a n e a q u a c e n 呻2 1 ) 和州e w m a c 一2 1 ， 计划，旨在利用n f 技术、m f 八】f 与活性炭、臭氧和生物处理相结合的技术，开发新的饮用水深度 处理技术，包括除浊、除菌( 病毒) 、减少消毒副产物( d b p s ) 、农药和臭气等删。膜技术在我国目前还 处于研究阶段，工程应用鲜有报道。 上述方法也有不足之处，如活性炭价格昂贵，对有机物的吸附受自身吸附特性和吸附容量的限制；臭 氧氧化破坏有机物结构的同时也可能产生部分中间污染物。而生物预处理能去除有机污染物、氨氮、铁和 锰等，还具有经济、有效且简单易行的特点，为广大研究者所推崇。膜生产技术逐渐提高，成本下降，其 出水水质优、应用范围广，前景看好。 1 2 选题的目的和意义 本研究为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “太湖流域安全饮用水保障技术”的子课题。太湖流域位 于长江三角洲南缘，是我国人口最集中、经济最发达、城镇化程度最高的地区之一。流域内分布着上海、 杭州、苏州、无锡、常州、嘉兴、湖州等大中城市。2 0 多年来太湖流域经济保持高速增长，工业化水平迅 速提高，城市化速度加快，人民生活水平提高，对流域水资源进行了高度开发和利用，但在开发利用同时， 对水资源保护重视不够，水污染治理措施尚未跟上，大量未经处理的生活污水直接入水体，农田化肥、农 药的大量使用以及水产养殖规模的不断扩大，致使太湖流域河湖水污染状况日趋严重，江南水乡成为水质 型缺水地区。由于常规工艺对有机污染物和氨氮等的去除不力，严重影响到饮用水的安全性和生物稳定性， 并对水处理过程的许多方面产生了不利影响。面对日益复杂的水源水质，尤其是把有机物和氨氨等的去除 纳入工艺控制的主要目标时，在客观上要求必须对常规工艺进行革新或研究新型工艺以制取安全卫生的饮 用水。 本研究开发的“跌水曝气生物接触氧化一超滤”组合工艺可以有效去除氨氮和有机物。减少消毒副产物 ( d b p s ) 的生成，制取安全卫生的饮用水，同时操作管理简便，运行成本低、自动化程度高，这对提高流 域内居民饮用水质量，推动生物处理微污染原水的技术的快速发展和推广使用将起到积极的作用。 1 3 生物接触氧化预处理的研究应用概况 生物接触氧化法，也叫浸没式生物膜法，由日本小岛贞男博士于1 9 7 1 年研究成功。对于微污染原水， 有机物浓度不高，且存在一定量的无机碳酸盐( 碱度) ，在水中溶解氧充足的条件下。自养型的硝化细菌 和异养微生物以好氧生物膜的形式附着于填料表面上，钟虫、喇叭虫、寡毛类、棱角类和软体动物等原生 动物和后生动物也栖息在生物膜上，并附有蓝藻、绿藻和硅藻等多种藻类，形成一个复杂的生物群落。在 原水与生物膜接触时，通过微生物的新陈代谢活动和生物吸附、絮凝、氧化、硝化、合成和摄食等综合作 用，使源水中氨氮、铁、锰和有机物等逐渐被氧化和转化，达到净化水质的目的。 4 第一牵绪论 1 3 1 填料的选择 填料作为生物膜的载体是决定生物处理效果的关键因素之一。目前应用的主要有两类：( 1 ) 颗粒填料： 生物陶粒、焦炭、卵石等；( 2 ) 管状、柱状或刷状填料：弹性立体填料、塑料蜂窝管等。当前国内研究和应 用以陶粒和弹性立体填料为主。 清华大学在研究中筛选出生物陶粒空隙率高、比表面积可达3 9 9 m 2 g ，粒径一般2 5 m m ，一系列研究 与应用表明：以生物陶粒作为填料的生物接触氧化床处理多种原永都有较好的效果，相关资料见表1 2 i l 。 陶粒作为生物膜的载体同时也充当滤料作用，水体中的悬浮颗粒及胶体粒子在部分微生物代谢产生的粘性 物质作用下粘结在一起，形成絮体，被陶粒截留去除，因此相对于一般的软性填料或半软性填料更具有优 越性。但是随之而来的问题是生物陶粒滤池需要定期反冲洗，以避免滤池堵塞同时也使生物膜得到定期的 更新。 表1 2 粒状填料生物接触氧化预处理效果 原水 水温 水力负 n h - i l q c o d 】去除率( ) 研究者荷率 e b c t m 规模( )( m i n ) 进水去除率进水去除率 ( 1 n h ) ( m 叽)( )( m g 儿)c ) 浊度色度 河水 方振东等 o - 2 25 0 7 o1 5 0 2 7 oo 6 8 1 9 5 6 o 1 2 o3 0 o8 0 o4 6 4 中试 淮河水 刘文君5 - 2 03 6 6 o2 0 0 3 3 - 30 1 1 08 0 - 9 04 2 1 2 72 9 53 7 92 1 6 生产性 深圳水 黄小东 兰1 54 0 2 7 0 0 4 i 7兰8 4 2 3 4 5 2 1 46 2 0 4 7 0 中试 青甸湖 罗小鸿 8 2 3l 。0 - 4 o3 0 1 2 01 o - 4 18 54 9 6 52 5 26 7 73 3 7 小试 m e b c t ：空床接触时间。 弹性填料的比表面积相对于陶粒的比表面积要小，因此所需水力停留时问较长，但微生物的附着空间 大，对水中韵大、中型气泡有较好的切割性能，具有一定的重新布水、布气能力，水流阻力小。实际运行 结果发现填料有积泥现象，导致生物膜活性差，一般应设置冲洗脱膜系统。许建华应用生物接触氧化工艺 ( 采用y d t 弹性立体填料) 于1 9 9 6 年在宁波梅林水厂建成我国第一座目处理4 0 0 0 0 吨水的生物预处理池， 投产至今，运行稳定，后续净水过程节约矾3 0 5 0 、液氯8 0 8 5 ；高廷耀、周增炎于1 9 9 8 年在深圳 水库建成日处理4 0 0 万吨的生物接触氧化处理工程，运行以来，n r 。悄的去除率超过7 5 ，其它污染物也 有良好的去除效率“。 1 3 2 生物膜特性研究 生物膜性能是生物接触氧化预处理效果的决定性因素。微污染水源水中污染物的种类多，浓度低，溶 解氧较高，反应器中生物膜厚度介于00 7 4 0 m m 之间，当受机械或水动力学控制时，通常在2 0 0 岫以下。 薄的生物膜比不受外力控制的厚生物膜具有更高的基质去除速率，生物膜的扩散阻力限制了实际参与降解 基质的生物量”。t i h u j sl 利用显微测定技术研究生物膜中氧的分布，证实了好氧生物膜的活性厚度一般 在5 0 一1 5 0 脚范围1 1 “。 研究者对生物膜中的优势菌种进行分离鉴定，翟晓萌、李道棠i l ”分离出9 种细菌，分别归属芽孢杆菌 属、放线菌目和假单胞菌属：周春生等从生物陶粒柱反应器种分离到6 个优势菌属，即假单胞菌属、芽孢 杆菌属、不动杆菌属、克雷伯氏菌属、黄单胞菌属、邻单胞菌属：稻森悠平等分离出6 种，其中假单胞菌 属占优势，这与v d e r k o o “等人”报道的假单胞菌属的一些种能够在营养物浓度极低条件下生长吻合。 生物膜的分布也呈现出一定的规律性i j w ：( 1 ) 进水端生物膜厚度( o 3 一o 5 m m ) 稍大干出水端生物膜的 东南大学硕士学位论文 厚度( o 1 0 3 m m ) ；( 2 ) 出水端硝化菌数量比进水端高出l 一2 个数量级；( 3 ) 最上层生物膜的功能以降解有 机物为主，硝化细菌活动只有在下层才起主导作用。 1 3 。3 影响生物接触氧化预处理的其他因素 凡影响微生物生长代谢活动的因素都会影响到生物处理的净化效果，如水温、d h 值、溶解氧、水力负 荷等。 硝化细菌的熬殖速率较碳化菌低几个数量级，在低温条件下繁殖速率更低，适宜硝化细菌生长繁殖的 温度在2 5 3 5 之间，当水温处于1 0 2 3 时，氨氮的硝化速率几乎随温度的升高而直线上升，5 1 0 时的氨氨硝化率大约为2 0 3 0 时的一半，2 3 以上时氨氮的去除效果最佳，5 8 时c o d m n 的去除率只 有常温下的5 0 左右。 好氧微生物适宜p h 在6 5 8 5 之间，硝化反应是一个耗碱的过程，其适宜的p h 值范围为7 0 8 5 ，超 出其适宜范围，硝化细菌的活性便急剧下降，降低氨氮的去除效果。微污染原水一般含有一定的碱度，满 足微生物生长需要，对处理效果无明显不良影响。 生物池曝气有两方面的作用：一是供给生物氧化所需要的氧气；二是提高池内水流紊动程度，以利污 染物、生物膜和氧气的充分接触，保证传质效果。因此气水比( 溶解氧) 是生物接触氧化工艺的一个重要 控制参数。在实际运作中，可根据原水水质和氨氮等指标的去除效果控制气水比，国内试验和生产性应用 采用气水比多数为( o - 8 1 5 ) ：严。 水力负荷的大小，一方面直接影响工程投资，另一方面在控制生物膜厚度、改善传质等也有一定的作 用。试验表明，生物陶粒滤池适宜水力负荷范围是4 6 n 池滤速，弹性填料接触氧化池以不大于1 o m 3 玎m 3 h ) 为宜。 1 4 超滤膜分离技术在饮用水处理中的应用研究现状 1 4 1 前言 1 8 6 1 年，s c h m i d t 首次提出超滤( u l 缸面l 仃a t i o n ，简称u f ) 概念，但直到2 0 世纪6 0 年代不对称超滤膜研制成 功，超滤技术才开始蓬勃发展。超滤是以压力为推动力( 一般为0 1 0 5 m p a ) ，利用膜的微孔对液体中物 质进行分离的物理筛分过程。其切害q 分子量( m w c o ) 通常为5 0 0 3 0 0 0 0 0 d ( d a t o n ) ，孔径5 l o o n m 。超滤技 术一开始被应用于医药、化工、饮料等行业，但近2 0 年来在饮用水处理中的研究和应用逐渐兴起，并取得 了快速地发展【1 2 川。 l 。4 2 超滤的基本理论【2 2 j 超滤膜具有精密的微细孔( 孔径在5 1 0 0 n m ) ，当原水流过膜表面时，在压力作用下，水、无机盐和 溶解性有机物等小分子物质透过膜而水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌和病毒等大分子物质被截留，从 而完成水的净化过程。但是在去除上述物质过程中，超滤膜除了发挥物理筛分作用以外，还应考虑这些物 质和膜材料之间的相互作用产生的物化影响。索里拉金博士认为“不能简单地分析超滤现象。孔结构是重 要因素，但不是惟一因素，另一重要因素是膜表面的化学性质。”在实际过程中主要存在三种情形：( 1 ) 污染物在膜表面及微孔孔壁上产生吸附；( 2 ) 污染物的粒径大小与膜孔径相仿，则在其孔中停留，引起阻 塞：( 3 ) 污染物的粒径大于膜孔径则在膜表面被机械截留，实现筛分。 第一章绪论 1 4 3 饮用水处理中的超滤技术 1 4 3 1 直接超滤 超滤作为饮用水深度处理技术之一，其对浊度、悬浮物、细菌、病毒等有很好的去除作用，但是对有 机物的去除率不高而且变化很大：c o m 、u v 2 5 4 的去除效率分别在0 4 9 、2 0 3 6 之间吲；王锦b 4 】 等采用切割分子量( m w c o ) 为十万的国产中空纤维超滤膜进行了自来水终端处理和浊度水直接过滤试验， 结果表明：超滤膜除浊、除菌作用显著，但对水中有机物也有一定的去除作用，) c 和u v 2 5 4 的平均去除 率分别为1 1 和2 7 。 分析认为，水中有机物的分子量分布状况和膜孔径决定了超滤膜对有机物的去除效率：1 w o r 等人口5 】 使用m w c o 在2 0 0 0 一4 0 0 0 0 范围内的不同超滤膜做试验，发现较低m w c o 的膜去除地下水中的溶解性有机 碳o c ) 去除率( 5 7 左右) 远大于较高m w c o 比的膜d o c 的去除率( 仅在5 左右) ；s c l l l l o o r 等人1 2 1 发现， i o w a 湖中分子量低于3 0 0 0 d a l t o n s 的溶解性有机物约占绝对优势( 9 0 ) ，而l a i l l e 等人【2 7 j 指出，d a c a h 工r 、湖中 分子量低于1 3 5 0 d a l t o n s 的溶解性有机物约占6 0 ，c o l l i n s 等人【”j 检测了几个湖和水库的水，发现分子量低 于5 0 0 0 一1 0 0 0 0 的天然有机物具有很高的百分比；李爽等人1 2 9 j 研究指出，澳门水源水中的有机物在0 1 0 0 0 分子量区间的占原水t o c 的4 8 6 4 ，1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 分子量区间的含量为总量的7 1 8 ，大于1 0 0 0 0 0 分子量区间的含量则为总量的5 9 ；董秉直等人p 使用国产超滤膜对上海黄浦江等华东地区4 种主要地 表天然原水进行了有机物分子量分布的测定，结果表明4 种地表天然原水中，分子量小于4 0 0 0 的溶解性有 机物占5 0 以上。 对于直接超滤法提高有机物去除效率的唯一途径是降低超滤膜的截留分子量，但是截留分子量的减 小，随之而来的是膜污染速度加快，透水通量下降，运行压力上升。经济运行的超滤膜要求截留分子量大 于1 0 0 0 0 d a l t o n s p “，因此单独的超滤工艺尤其是截留分子量比较大的超滤膜是不能作为饮用水深度净化工 艺的主体工艺，必须结合高级氧化、吸附等去除有机物效果比较好的工艺，能达到较好的饮用水深度净化 效果。 l _ 4 3 2 预处理一超滤 为使超滤技术可以有效地去除水源水中天然有机物( n o m ) 及人工合成有机物( s o c ) ，在超滤单元 之前必须有适当的预处理设施，有效地将低分子量有机物聚集成颗粒状态或彻底氧化。目前采用的技术的 主要有混凝一超滤、活性炭( p a c 或g a c ) 一超滤、淹没式中空纤维膜过滤装置、生物陶粒柱_ p a c - r 、 曝气生物滤池一超滤等。 ( 1 ) 混凝一超滤 混凝预处理由于简便、易行，与超滤组合去除水中的有机物的工艺受到了关注，但是对于该组合工艺 的特点和控制方法的研究尚不深入( 尤其是去除机理方面) 。腐殖酸( h a s ) 是天然水体中有机物的重要组 成，它与三卤甲烷前体物( t h 枷f p ) 具有高度相关性p “，h a s 的去除就显得至关重要。r u l i i lb i a n 等p 3 】通 过混凝预处理发现可以有效提高姒s 的去除，且最佳混凝条件与常规处理混凝条件一致。也有试验者【40 l 投 加f e 2 0 3 提高了天然有机物( n o m ) 的去除率。 王晓昌等人口1 以水中天然有机物的代表性物质一腐殖酸为研究对象，利用国产超滤膜( 截留分子质量 为l 1 0 d a i t o n 的国产中空纤维膜，材质为聚丙烯腈) 进行的混凝一超滤组合工艺的试验结果表明：超滤前 加混凝预处理对腐殖酸的d o c 和u v 2 5 4 的去除率分别从2 8 、4 0 提高到5 3 、7 8 。同时高效液相色谱 m p l c ) 分析表明，混凝一超滤组合工艺对分子质量 6 0 0 0 d a i t o n 的有机物的去除率提高幅度更为显著。混 凝超滤组合工艺的最佳p h 值条件为p h = 7 ，通过卷扫混凝使小分子有机物结合成微絮体，降低了膜孔污 染，使超滤保持了较高的渗透通量。 混凝一超滤组合工艺使膜渗透通量基本上保持不变，但膜表面滤饼层形成较快，一般通过水力反冲洗 剥离以恢复膜过滤性能；混凝预处理对膜污染起到了很好的缓解作用，这种缓解膜污染、提高渗透通量的 机理可以归结为：减少了进入膜孔的污染物量。改善了膜表面沉积层的性质。提高了颗粒的反向传 输速度。 ( 2 ) 活性炭( p = a c 或g a c ) 一超滤 活性炭与超滤膜的组合系统克服了单用任何一种处理手段时的弱点，如活性炭出水中常常含有一定量 7 东南大学硕士学位论文 的细菌而影响出水的水质，超滤膜则存在膜阻塞和膜污染的问题。采用活性炭对进水进行必要的预处理， 能去除水中大部分的浊度、各种类型的有机化台物和色度，从而为后续的膜过滤提供了必要的保障，从而 缓解了膜阻塞和膜污染问题，延长了膜的使用寿命。 王琳等人”在北京燕山石化总厂利用活性炭吸附与超滤膜组台系统进行饮用水深度净化中试研究，结 果表明，该系统能有效地去除水中的浊度、高锰酸盐指数、u v 2 ，。和大肠杆菌。尤其是淹没式超滤膜组件 有效地减少了出水中腐殖酸和富敏酸含量，其去除率平均为4 0 ，从而有效减少了消毒副产物( d b p s ) 量。 m a r i a 等”人研究了e a c ，u f 系统对水中有机物( o m ) 的去除情况，结果当p a c 投加量为1 0 0 m 虮。时， 腐殖酸( h a s ) 去除9 0 以上，苯酚1 0 0 去除而不投加p a c 时腐殖酸( h a s ) 只有4 0 去除，而苯酚则 全部出现在出水中；当p a c 电o m g ，l 时，反冲洗对膜通量恢复很有效，超过2 0 1 1 1 肌时，即使反冲后也不能 恢复到初始膜通量，但还能保持l m 5 时，d 的通量。 p a c 与超滤膜联用系统在实际中已取得广泛应用，在法国这种联用系统已达到工业化规模，p a c 直 接浸入膜反应器中，可以保证p a c 与被处理水的良好接触，而净水厂中现存的澄清池和砂滤池可以较方便 地改造为p a c 与超滤膜联用的处理池p ”。也有研究者在p a c 之前进行混凝处理。 ( 3 ) 曝气生物滤池一超滤 曝气生物滤池是近年来在微污染原水处理中发展起来的一项新技术，是去除水中微量有机物和氨氮的 一种行之有效的方法，它与超滤技术的组合是一