（环境工程专业论文）软性滤料海绵过滤性能实验研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 在充分分析过滤技术发展历史和现代过滤技术进展的基础上，提出采用一种 孔隙较大且孔径可变的材料海绵作为滤料，并针对海绵滤料提出一种新型的 过滤方式力1 1 压改变滤料孔隙率的过滤方式：海绵过滤时，使海绵处于一定的 压实状态来保证过滤精度和效率；当对其清洗再生时，使其处于便于清洗的松散 状态。本文比较深入地研究了海绵过滤对污水中浊度、有机物、氨氮、总氮和总 磷的去除特性及其影响因素，论述了海绵变孔隙过滤的性能优势，并初步探讨了 海绵变孔隙过滤的机理。海绵滤料变孔隙过滤是一种新概念，目前国内外还没有 相关方面的研究。 本文开展了不同进水流速、不同进水浊度等操作参数下的直接过滤对比实 验，探讨了这些操作参数对海绵直接过滤特性的影响，在此基础上研究了出水悬 浮颗粒粒径分布情况。研究发现相对于传统颗粒滤料和新型的纤维滤料直接过滤 技术，海绵过滤具有过滤周期长、滤料损失较小、纳污能力强，在过滤中整个滤 层都能发挥截污作用的优势，且截污分布符合“理想滤层的概念。研究结果表 明：海绵直接过滤对水中悬浮物去除效果很好，进水浊度2 0 0 n t u 时，进水流速 1 0 讹，2 0 l l l ，3 0 l h 和4 0 饥时平均出水浊度为3 5 n t u ，6 9 n t u ，1 2 n t u 和 1 5 n t u ；进水流速为2 0 m 时，进水浊度2 0 n t u ，5 0 n t u 和2 0 0 n t u 时平均出 水浊度分别为0 8 n t u ，4 0 n t u 和6 9 n t u 。 在以上实验基础上比较深入地研究了海绵生物过滤对有机物、总氮、氨氮和 总磷的去除特性，并研究了水温、曝气和进水流速等因素对海绵生物过滤的影响， 并且初步分析了海绵生物过滤柱中生物量分布情况。研究结果表明：海绵生物过 滤可有效去除生活污水中有机物，而且海绵滤料适合微生物附着生长；在进水温 度2 0 ，进水流速1 0 l h 的条件下，海绵生物过滤对模拟生活污水中有机物的 去除率达到8 3 - - 9 4 ，对总氮、氨氮和总磷的平均去除率分别为4 5 、7 3 和6 5 ；随着水温的增加和进水流速的降低，海绵生物过滤对于有机物的去除 率增加，但是水温、曝气和进水流速的变化对总氮、氨氮和总磷的影响不大：生 物滤柱中分别添加活性污泥、活性污泥分离出混合菌和活性污泥分离出的单一菌 株以及不添加任何菌种，滤柱表层生物量的相差不大。 v 上海大学硕士学位论文 文章最后还以苏州河支流河水为处理对象进行了过滤试验，研究了苏州河支 流河水过滤的过滤效果，为海绵过滤特性作了补充和完善，探讨了海绵过滤用于 污水处理的可行性。 关键词：海绵滤料，直接过滤，生物过滤，浊度，有机物，影响因素 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ef u l la n a l y s i so ft h eh i s t o r yo ff i l t r a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n d t h ee v o l u t i o no fm o d e mf i l t r a t i o nt e c h n o l o g y , an e wf i l t r a t i o nt e c h n o l o g yu s i n g s p o n g ef i l t e rm e d i aw i t hb i gp o r ea n dv a r i a b l ea p e r t u r ew a sp r o p o s e d i nf i l t r a t i o n ，t h e f i l t e rp r e c i s i o na n de f f i c i e n c yc a r lb ee n s u r e db ya d j u s t i n gt h ec o n t e n to fc o n d e n s a t i o n o ff i l t e rr r i e d i a w h e nc l e a n i n go ff i l t e rm e d i a , t h es p o n g ef i l t e rm e d i ac o m p r e s s e dc a n b el o o s e n e dt om a k et h ec l e a n i n ge a s y ag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t sh a db e e nd o n et o s t u d yt u r b i d i t yo r g a n i cm a t t e r , t n ，t pa n dn i - 1 3 - nr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c s a n d i n f l u e n c ef a c t o r sa sw e l la sr e m o v a lm e c h a n i s mb yf i l t r a t i o ni nw a t e rt r e a t m e n t t h e f i l t r a t i o nb yu s i n gs p o n g ef i l t e rm e d i ai san e wc o n c e p t i o na n dn or e l e v a n tr e s e a r c h w a sf o u n di nt h ew o r l ds of a r a ne x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc o n d u c t e da b o u tt h et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t o p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha st u r b i d i t y , f i l t r a t i o nv e l o c i t yo fi n f l u e n t o nr e m o v a l e f f i c i e n c yo fp a r t i c l e so fs p o n g em e d i a d i r e c tf i l t r a t i o n , a n da na n a l y s i so ft h ep a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no fe f f l u e n tw a sc o n d u c t t h er e s u l t sh a ds h o w nt h a tt h e r ew e r es o m e i m p o r t a n ta d v a n t a g e so ft h es p o n g em e d i af i l t r a t i o n o v e rt r a d i t i o nd o w n s t r e a m f i l t r a t i o n s ，s u c ha sal o n g e rw o r k i n gp e r i o d ，al a r g e ra c c e p t e dc a p a b i l i t yf o rp o l l u t a n t ， l e s sl o s so ff i l t e rm e d i aa n dt h ep e r f e c tf i l t e r i n gb e ds t r u c t u r e r e s u l t si n d i c a t e dt h a ta t t h ef i l t r a t i o nr a t eo flo l h ，2 0 l h ，3 0 l ha n d4 0 l ha n dt h et u r b i d i t yo f2 0 0 n t uo f i n f l u e n t , t h et u r b i d i t yo fe f f l u e n ta r e3 5 n t u ，6 9 n t u ，12 2 n t ua n d14 9 n t u ；a tt h e f i l t r a t i o nr a t eo f2 0 l ha n dt h et u r b i d i t yo f2 0 n t u ，5 0 n t ua n d2 0 0 n t u ，t h e t u r b i d i t yo fe f f l u e n ta r e0 8 n t u ，4 0 n t ua n d6 9 n t u o nt h eb a s i so fa b o v es t u d y , t h ep e r f o r m a n c ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r si n c l u d i n g t e m p e r a t u r e ，f i l t e rs p e e da n da e r a t i o no ft h es p o n g ef i l t r a t i o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h et u r b i d i t y , o r g a n i cm a t t e r , t n ，t pa n dn h 3 - nr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e d ， a n da na n a l y s i st h eb i o m a s sd i s t r i b u t i o ni nf i l t e rw i n lt h es p o n g ef i l t e rm e d i aw a s c o n d u c t r e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h es p o n g ef i l t e rm e d i ac a r le f f l e n t l y v i i r e m o v a lo r g a n i cm a t t e ri nd o m e s t i cs e w a g ea n dt h es p o n g ei sag o o dm e d i af o r m i c r o o r g a n i s mg r o w t h ；a tt h ef i l t r a t i o nr a t eo flo l ha n dt e m p e r a t u r ea t2 0 c ，j u s t f o u n do u tt or e m o v e8 3 - - 9 4 c o d c r , 4 5 t n ，7 3 t pa n d6 5 n h r na v e r a g e l y ； a st h ei n e a s eo ft e m p e r a t u r ea n dd e c r e a s eo ff i l t e rs p e e d , t h eo r g a n i cm a t t e rr e m o v a l r a t ei n c r e a s e ；b u tt e m p e r a t u r e ，f i l t e rs p e e da n da e r a t i o nd o n th a v eg r e a ti n f l u e n c eo n t n ，t pa n dn i - 1 3 - h ir e m o v a lr a t e ；t h eb i o m a s so fs p o n g ef i l t e rc o m p a r e dw i t ht h a t a d d e da c t i v a t e ds l u d g ea n dt h a ta d d e dm i c r o o r g a n i s m si s o l a t e df r o ma c t i v a t e ds l u d g e h a v en o tg r e a td i f f e r e c e 1 1 1t h el a s tp a r to ft h ep a p e r , t h ef i l t e r i n gp r o c e s so nt h ew a t e rf r o mt h ea n a b r a n c h o fs u z h o ur i v e rb yt h et h es p o n g ef i l t e rm e d i aw a ss t u d i e d ，a n dt h es p o n g ef i l t e r p e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d t h i ss t u d ya p p r o a c h e dt h ea p p l i c a t i o no ft h es p o n g e f i l t e r i n gi nt h ef i e l do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n dt h es t u d yw a sa l s ot h es u p p l e m e n t i n f o r m a t i o no ft h es p o n g ef i l t r a t i o n k e y w o r d s ：s p o n g ef i l t e rm e d i u m ，d e r e c tf i l t r a t i o n ，b i o f i l t e r i n g , t u r b i d i t y , o r g a n i c m a t t e r , i n f l u e n c ef a c t o r v i i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：硇纽鸶越e t 期：狻左：! l ：p 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：乙垒鹭垒生导师签名：；隧日期： i i 如。留，泸 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 人类从通过地层的过滤作用获得清洁的井水这一经验中受到启发，用过滤的 方法来处理经过沉淀仍然是浑浊的地表水【1 1 。从此，过滤成了水处理特别是生活 饮用水处理中不可缺少的一环。 在常规的水处理过程中，过滤能够有效的去除水中的悬浮物和胶体物质，也 能去除水中浊度、细菌、藻类、病毒、色度、铁和锰、放射性物质、某些溶解度 较低的重金属和有机物，随着浊度的降低，病毒也在相当程度上随浊度的去除而 去除【2 】。纵观深层过滤技术的发展过程，过滤介质一滤料的选择和滤层的结构是 深层过滤技术的关键。传统的深层过滤是以石英砂、无烟煤等粒状滤料为滤材采 用散堆的方式构成深层滤床的，石英砂滤料具有来源广、价格低、机械强度高和 化学稳定性好等优点，因此应用较早也较广泛。但传统的粒状滤料滤层在反冲洗 后由于水力筛分作用会造成滤层分级，使下向流过滤时，沿水流方向粒径与孔隙 尺寸均逐渐变大，从而使过滤时大部分悬浮物被截留于上部数厘米的滤层内，床 层上部孔隙易堵塞，床层的水头损失迅速上升，下部滤层大部分容量尚未发挥作 用就不得不终止过滤【l 】。粒状滤料为了克服这一缺陷，历经了由单层滤料到双层、 三层乃至多层滤料以及均粒滤料、人工陶粒滤料、轻质泡沫塑料球滤料等的发展 过程【3 。8 】，虽在一定程度上改善了滤层的过滤效率和提高了床层的截污容量，但 在实际使用中还是存在诸多问题，过滤效果仍难尽如人意。通过对过滤机制的剖 析表明，这种始终围绕着改变滤料的粒径、密度的以粒状滤料为过滤介质的传统 深层过滤技术的发展具有一定的局限性 9 1 。因此，开发新型滤料，并在深入研究 过滤过程理论的基础上，不断提高过滤的工艺效能，无疑具有重要的社会意义和 经济意义。 上海大学硕士学位论文 1 2 研究背景 1 2 1 过滤技术的发展 过滤是指悬浮液经过多孔介质或滤膜进行固液分离的过程，是水处理工艺过 程之一【i 】。水的过滤可视为一种“物理一化学 过程，使水通过颗粒物料滤床， 分离出水中的悬浮杂质和胶体杂质，水充满在滤池滤料的空隙内，杂质被吸附在 颗粒的表面或被截留在空隙中。 世界上最古老、最原始的水过滤设备是用滤水布袋，它是公元前4 6 0 3 5 4 年间由希波克拉底( h i p p o c r a t e s ) 推荐的，叫“希波克拉底布袋”。1 8 2 9 年，英 国伦敦的c h e l s e a 供水公司建成了用于实际生产的第一座慢滤池【n 】。1 8 世纪末 1 9 世纪初，世界上普遍采用了慢滤技术。其运行有两个特点：一是过滤的水流 速度很慢，其滤速为o 1 0 3 m h ，另一个是在过滤的初期存在一个称为成熟期的 时间，新建的慢滤池要运转1 2 周后，才能出现清亮的过滤水，在滤层表面形成 一层滤膜，滤膜发挥着对水的净化作用。在慢滤池运行的过程中，一般慢滤池在 运行2 3 个月后，须停止滤水，并把滤层表面2 3 c m 的砂刮掉，刮砂后的慢滤 池又需经过2 3 天的成熟期。虽然慢滤池出水水质良好，但因滤速太慢、表面负 荷低，占地面积太大，建造费用大，运转时费用也大，对慢滤池的这些缺点，快 滤池的出现成为必然。 1 8 8 5 年，美国人研究发明了快滤池，并于1 9 0 9 年建立了第一座快滤池。从 此快滤池逐步取代了低效的慢滤池。快滤池因它的滤速快而得名，其滤料与慢滤 池基本相同，有效粒径约为0 3 5 1 o o m m ，滤层厚度约为7 0 9 0 c m 。最初的标准 滤速为5 m h 【1 2 】，但现代快滤池滤速可达4 0 m h 。 快滤池的出现必须解决两个问题，一个是在高速水流条件下，如何让水中悬 浮固体粘在滤料表面上；另一个是如何清除在数小时甚至数十小时内，滤层中所 截留的大量悬浮固体。快滤池的净化机理是利用滤料与脱稳粒子的相互作用来净 化水质，由于水中悬浮固体的表面显电性而存在电荷斥力，无法相互凝聚，难以 被滤料颗粒吸附，因此向原水中投加混凝剂，使水中悬浮固体脱稳后再经过滤池 过滤，脱稳后的悬浮固体极易被滤料表面吸附截留，从而解决了第一个问题。快 滤池过滤一段时间后，截留在滤料表面的浊质增加，使得过滤后水质不能达到出 2 上海大学硕士学位论文 水水质要求，这时快滤池采用反冲洗的办法，使滤层膨胀或稍有膨胀，滤料在水 力的剪切作用下或滤料之间的相互碰撞摩擦下，使被截留的浊质剥落，滤料得以 清洗干净【。快滤池问世至今已有百年历史，过滤方式和滤池形式都在不断改进， 其主要目的在于逼近理想滤层概念，以增加滤池的含污能力，延长运行周期以及 提高过滤速度。于是形成了各种滤池 1 3 】： 从水流通过滤床方向来分有：下向流、上向流、双向流、径向流、水平流滤 池。 从不同滤料和滤料的组合有：单层、双层、三层以及混合滤料滤池。 从冲洗方式上分有：低水头冲洗、中水头冲洗、高水头冲洗、表面冲洗、气 水反冲洗滤池。 从滤池的水流性质来分有：压力式和重力式两种滤池。 从滤料的种类来分有：石英砂、石榴石、磁铁矿、无烟煤及各种人工合成滤 料滤池。 经过多年的发展，在目前水处理过滤工艺的应用中，存在的主要问题是滤料 颗粒在水中自由沉降形成上细下粗的颗粒层和孔径分布，使得滤料层表面很快形 成滤饼，结果使水头损失快速增大、滤速减小，起到截污作用的主要是表层滤料， 不能发挥整个滤床的截污能力，产水效率低。另外，传统石英砂等滤料比重大， 反冲洗强度大。这也是目前过滤工艺存在的缺陷之一。 1 2 2 国内外过滤工艺的研究现状 深层过滤是通过滤料层来去除水中颗粒的，因此，深层过滤工艺技术的关键 是过滤介质一滤料。石英砂滤料具有来源广、价格低、机械强度和化学稳定性好 等优点，因此应用较早也较广泛。但传统的石英砂滤料存在一定的缺陷。石英砂 滤层在反冲洗后由于水力筛分作用，使得沿水流方向的砂子粒径逐渐变大，孔隙 尺寸也是沿水流方向逐渐变大。当下向流过滤时，水流先经过粒径小、孔隙也小 的上部砂层，再到粒径大、孔隙也大的下部砂层。水中颗粒大部分截留在上部数 厘米深度内，床层上部孔隙容易堵塞，床层的水头损失上升迅速，下部滤层大部 分容量尚未发挥出来就不得不终止过滤。 为了克服这一缺陷，在五十年代研究人员开发了双层滤料，即在石英砂滤层 3 上海大学硕士学位论文 上部放置一层粒径较大，密度较小的轻质滤料，使用较早也较广泛的轻质滤料是 无烟煤。后来使用的轻质滤料还有人工陶粒、人工合成纤维等【悼1 7 1 。双层滤料过 滤在一定程度上提高了滤速和过滤效率，增加了床层截污容量，延长了过滤周期。 双层滤料体现了水先通过粗粒滤料后通过细粒滤料的理想滤层的概念。基于 理想滤层的原理，三层滤料【1 8 】，即在双层滤料下部再加一层密度大，粒径小的 滤料。这最下一层滤料一般用石榴石、磁铁矿等。三层滤料比双层滤料床层结构 更为合理。三层滤料是沿着双层滤料的思路追求理想滤层的结果。随后又出现了 四层滤料和五层滤料【1 9 。2 0 1 。s e m b i 和i c e s 2 1 1 用计算机模拟了十层滤料滤层的过滤 情况。沿着过滤的水流方向，滤层中滤料的粒径从大到小递减，颗粒间孔隙也沿 水流方向从大到小递减。依此推演，滤料层数越多，滤层结构越合理，越符合理 想滤层的概念。然而在实际应用中存在许多问题，如相邻两层滤料间的混杂和滤 料流失【6 1 2 2 - 2 3 1 ，加之滤料来源有限，加工复杂等因素，生产中所采用的仍然是双 层和三层滤料。 双层和三层滤料滤床实质上不过是两个或三个不同的单层滤料滤床串联组 成，而每层内仍存在水力筛分作用，主要担负截污作用的仍为表面部分。八十年 代以来开发应用的均粒滤料在很大程度上解决了非均粒滤料存在的问题，过滤速 度，过滤效率及床层截污容量都得到了明显提高【2 4 1 。 人工合成纤维，如丙纶、涤纶等具有作为滤料的基本条件，并且具有巨大的 比表面积和较高的床层孔隙率，这是粒状滤料所不及的，从而为拓展过滤工艺的 适应范围，提高过滤效率，增加床层截污容量，降低过滤阻力创造了前提条件 【2 弛6 1 。然而初期仅能用于气体除尘过滤。对于水的过滤，由于缺乏有效的清洗手 段，直到1 9 8 1 年才开始应用。1 9 8 1 年日本尤尼奇卡公司研究人员将长纤维改成 短纤维，形成杂乱短纤维深层床，当反冲洗时纤维像颗粒床层一样膨胀，容易反 冲洗【27 1 。然而，尽管有挡板，短纤维仍然容易流失。以后又进一步改进，用静 电植毛方法，将2 5 0 m m 短纤维植在多面体载体表面【2 8 1 。实验表明，当原水悬 浮物为1 2 - 2 8 m g l ，滤速为5 5 m h ，出水悬浮物为o 5 1 8 m g l 。然而这种滤料 加工比较困难。尤尼奇卡公司继续改进，用热处理方法进行加工，使纤维成为纤 维球【2 8 1 。这种纤维球滤床的滤速为砂滤床的5 8 倍，能有效的去除0 5 - - 一1 0l am 的微小颗粒。经简单的反冲洗可重复使用，但积留在纤维球内部的积泥不容易反 4 上海大学硕士学位论文 冲洗出来，过滤时容易释放，影响出水水质。 不同于传统的滤料形式块( 球) 状的纤维束滤料以近于平行水流方向垂直 置于设备中，过滤时沿水流方向孔隙逐渐变小，近于理想滤层，而反冲洗时床层 处于疏松状态，因此清洗更彻底，且气、水用量少，清洗时间短【3 0 1 。 随着纤维滤料的发展，出现了各种纤维滤料过滤器，包括有刷式过滤器，机 械加压式纤维过滤器，胶囊式纤维过滤器，滑板式纤维过滤器，彗星式纤维过滤 器和长纤维高效过滤器。 双层、多层、均质及纤维滤料的出现，不仅改变了滤床的结构，提高了滤床 的性能，而且改变了水处理厂的整体设计与操作概念。传统水处理过程中混凝与 过滤是分属两个独立的操作单元。直接过滤则是混凝与过滤过程有机结合成一体 而形成新的单元处理过程。它是五十年代由p i t m a n 和c o n l o y 用双层滤料实验成 功。由于直接过滤具有设计简单，节省占地面积以及减少投资和运行费用等优点。 7 0 年代以来，随着双层、多层、均质及纤维滤料、高分子聚合电解质的应用以 及过滤过程理论研究的不断深入，直接过滤得到了迅速发展。8 0 年代后在西方 发达国家，如美国、欧洲及澳大利亚得到了更广泛的应用，目前新建水厂很多都 采用了直接过滤工艺，滤料主要采用均质粗粒，粒径达1 2 1 8 m m ，滤层厚度 3 m 以上，滤速达2 0 m h t 3 4 】。 1 2 3 生物过滤技术的发展及研究现状 生物过滤在西欧饮用水处理中已得到比较广泛的应用。早在2 0 世纪6 0 - - 8 0 年代初，由于氨氮和有机物的污染，在西欧一些国家所采用的传统过滤工艺 慢滤、快滤和河岸过滤的滤料上，普遍附着生长着生物膜，并且这种生物膜对水 源中的氨氮与有机污染物有很好的去除效果。自此以后，生物过滤在西欧逐渐受 到重视并得到广泛应用。而在这一时期，美国等一些国家虽然对饮用水的生物膜 处理工艺开展了一些基础性研究工作，但其利用预氯化或臭氧化措施抑制微生物 的生长。自1 9 8 6 年美国国会颁布“安全饮用水法案 ，美国国家环保局( e p a ) 对 饮用水水质指标( 包括三氯甲烷等) 作出更严格的规定以后，这一情况开始改变。 在美国e p a 等部门的资助下，美国有关高校与研究机构开展了一系列生物过滤 工艺研究，形成并发展了生物过滤的理论构架和数学模型，其他一些国家( 如加 5 上海大学硕士学位论文 拿大、中国) 也陆续加入这一研究行列【3 5 刊。 具体来说，生物过滤工艺的发展大致经历了两个阶段：2 0 世纪6 0 8 0 年代 称为第一阶段，当时西欧各国饮用水水源普遍遭受氨氮、有机物、铁、锰等物质 的污染，同时，对于饮用水的感官和化学质量要求也较高，大多数水厂都采用或 自觉形成了一些生物处理工艺，如慢砂滤池、河岸过滤、地层过滤、生物快砂滤 池等【4 3 1 。但各国采用的形式又有所不同：德国和荷兰常采用慢砂滤池、河岸过 滤和地层过滤的方法；法国的传统方法是采用二级活性炭快滤池。而且当采用快 滤池、活性炭或两者兼用时，典型的做法是在之前使用臭氧进行预氧化。b r u c e t 4 4 1 等人研究指出：臭氧活性炭处理工艺在臭氧浓度为1 4 9 0 3 g c 时，d o c 的去除 率平均约为3 0 ，n i - 1 3 - n 的去除率平均为6 7 ，色度平均去除率为8 5 。 这一阶段初期，人们只是在生产实践中自觉或不自觉地使用生物过滤工艺。 直到7 0 年代末，继s o n t h e i m e r 等人的早期研究之后，b o u w e r , r i t t m a n n 等人的 研究均表明：通过一级( 以生物过滤为末级处理) 或二级( 生物过滤后再设一级滤池 以去除悬浮颗粒) 生物快滤池处理能够获得生物稳定且低浊度的出水。 第一阶段的理论研究成果主要表现在： ( 1 ) 提出贫营养菌的概念。认为在水中有机物浓度较低的情况下，构成滤 料上生物膜的微生物主要是一种被称为贫养微生物的生物，如土壤杆菌、假单胞 菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌、芽胞杆菌和纤毛菌等。这些贫营养微生物具有较大 的比表面积，具有很小的最大微生物比增长速率、很低的内源呼吸速率常数m ) 和很小的m o n o d 饱和常数( k s ) ，对水中的微量有机物具有很大的亲和力，具有 贫养生物膜有处理微污染饮用水源中微量有机物的潜力。 ( 2 ) 提出最小基质浓度s i n i i l 概念，导出了维持稳定状态生物膜的最小基质 浓度s m i n 。若基质浓度低于最小基质浓度s 曲，生物膜将不能维持稳定。 ( 3 ) 提出第二级利用的概念，虽然生物膜工艺不能将某种单独存在的基质 浓度降至其s 晌以下，但当水中存在某种浓度高于其相应的s m i n 的基质可以用来 维持生物膜的稳定时，其他浓度低于其相应的s m i n 的基质，也能被这种生物膜所 降解。这种由浓度高于其相应的s m i i i 的基质支持生长的生物膜对浓度低于其相应 的s m i n 的基质的降解，称为第二级利用【矧。 ( 4 ) 根据m o n d 方程、f i c k 定律和稳态生物膜的概念，导出了稳态生物模 6 上海大学硕士学位论文 型，并应用连续假设分析法获得了稳态生物模型的解的表达式【4 9 - 5 2 ，模型预测结 果与实测结果有一定的相关性。 这一时期，美国的水厂基本上都避免采用生物过滤工艺。因为美国的水厂普 遍采用快滤池过滤，采用的滤池冲洗强度和冲洗频率均较高，反冲洗很彻底。加 上在过滤前常采用预氯化。这些做法都抑制了微生物的生长【5 3 】。 2 0 世纪8 0 年代末至今称为第二阶段。这一阶段以美国的研究为主。1 9 8 6 年，美国国会通过饮用水安全法案，责成美国国家环保局对饮用水水质标准作出 更严格的规定，其中包括对饮用水中消毒副产物( - - 氯甲烷、卤乙酸_ ) 和微生物学 指标的严格要求。这一法案的推出使美国开始重视生物处理工艺在饮用水处理中 的应用。 19 8 8 年法国b a b l o n t 5 4 1 等人提出用双层滤料代替单层石英砂滤料，通过在滤 料表面培养生物膜去除各种有机污染物的方法，将常规滤池改造成生物滤池的新 思路。这一新思路的提出立即引起美、加等国有关研究者的浓厚兴趣，并随后开 展了一系列研究。这些研究表明，双层滤料生物滤池具有较好的氧化性能，生物 过滤对t o c 的去除率为1 5 8 - - 5 1 2 ：对溶解性有机碳( d o c ) 的去除率为1 3 4 l ；对a o c 的去除率为6 2 1 0 0 ；出水浊度小于0 5 n t u 的出现频率 为9 5 t 5 5 】；由活性炭、石英砂组成的双层滤料生物滤池比单层石英沙生物滤池 具有更好的除污染效果和更长的过滤周期。 第二阶段的研究成果主要表现在： ( 1 ) 对生物过滤的性能及影响因素展开全方位的研究。影响生物过滤处理 效果的因素主要有：水源水质、进水基质浓度、预氧化程度、滤料组成、反冲洗 方式以及空床接触时间等。不同的水源中有机物的成分不同，可生化性也随之不 同。可生化性是指水中可生物降解有机物与总有机物之比值，可生化性强的原水 生物过滤效果好，反之则差( 除非采用预氧化提高进水的可生化性) ；预氧化是指 在生物过滤前进水先通过与臭氧等氧化剂接触一定时间后再进行过滤，原水经臭 氧氧化后可生化性增强，有助于提高过滤效果；滤料组成的影响表现为采用不同 的滤料如活性炭、无烟煤、石英砂进行生物过滤时，由于滤料性能和级配不同， 滤料上附着的生物膜量亦不同，从而对有机物降解的能力和速度不同。 w a n g 5 6 】等人在研究中指出，颗粒活性炭上附着的生物膜量通常是无烟煤、 7 上海大学硕士学位论文 石英砂滤料的4 8 倍，所以由活性炭和石英砂组成的生物滤池比无烟煤和石英 砂滤池对冲击负荷，例如进水有机负荷变化、水温变化等，有较强的适应性；反 冲洗对生物过滤的影响主要是通过生物膜量的前后变化来体现的。m i l t n e r 5 7 】等人 的研究表明：用未加氯水反冲洗时滤池内生物膜量无明显减少，生物过滤的性能 几乎不受影响，但用加氯水反冲洗后生物膜量较冲洗前平均下降2 2 ，使生物滤 柱在成熟期对有机物的去除率有所下降。a b r o a d t 5 8 】等人研究发现气洗对生物滤柱 水头损失的增长有延缓作用，相比于气水反冲洗的生物滤柱，单纯水洗的生物滤 柱在成熟阶段产生较低的出水浊度；空床接触时间即e b c t 是滤层厚度与水力负 荷之比。一般而言，e b c t 增加，生物过滤效果好，但两者并非成正比关系，当 e b c t 增到一定程度后对有机物去除率带来的有利影响微乎其微【5 9 1 。 ( 2 ) 对生物膜的数学模型进一步研究。提出了许多生物膜降解动力学模型， 这些模型按不同的特性均可划分为两种类型：如稳态生物膜与非稳态生物膜模 型、单一物种的与多个物种的、不考虑捕食生物的与同时考虑捕食生物的、不区 分底物降解的快慢与区分降解快慢的、不考虑悬浮态微生物的与考虑悬浮态微生 物的等等。这些模型多属于经验性的，每个模型都有各自的假设条件，试验条件 也是特定的，而且参数较多，有的多达1 2 个，这无疑会使这些模型都带有一定 的“地方 色彩而难以推广。生物过滤是一种具有去除有机物与去除悬浮颗粒双 重功能的过滤方式，鉴于目前对常规过滤去除悬浮颗粒的物理过程的全面数学描 述所反映出的困难，双目标的生物过滤数学模型还未见雏形，有待研究。 ( 3 ) 对生物膜的附着与脱附过程进行了研究。a b r o a d 和a m i r t h a r a j a h 等人 唧】研究认为：由于细菌为疏水性胶体，可以通过水合作用力牢固地粘附在滤料 上，反冲洗时也不易从滤料表面脱落，这也从理论上解释了为什么正常的反冲洗 不会对生物过滤造成明显的不利影响。 ( 4 ) 对生物过滤去浊性能作了研究。g o l d g r a d e 等人【6 l 】的研究指出，生物过 滤出水浊度能达到o 1 n t u 以下，与传统的预氯化滤池相差无几，而且生物膜的 存在并未对水头损失的发展产生很大的影响，生物过滤仍能保持较长的过滤周 期。 以上概述的是国外进行的研究工作成果。近几年来，由于我国水源普遍受到 有机物、氨氮等物质的污染，有关研究者对生物过滤池也开展了初步研究。1 9 9 7 上海大学硕士学位论文 年，李亚新【6 2 】进行的生物砂滤池处理酚和氨氮的试验研究表明：进水酚为 0 0 2 5 m g l ，氨氮为1 0 m g l ，浊度为1 0 1 5 n t u ，滤速为8 m h 时，生物砂滤池 出水酚浓度低于0 0 0 2 m g l ，酚的平均去除率达9 2 以上，氨氮去除率几乎为 1 0 0 ，出水浊度不大于1 4 n t u 。1 9 9 9 年，吴为中等人【6 3 】运用生物陶粒滤池处 理受污染水库水，对氨氮、亚硝酸盐氮和c o d 的去除率分别为8 9 - - - , 9 7 5 ，9 7 5 9 9 ，2 0 - - 3 0 ，对藻类的去除率为6 0 1 8 4 3 。2 0 0 0 年，杨开等人【删研究的 活性炭一石英砂生物滤柱表明在滤前未预氯化或预氧化的条件下生物过滤对有 机物和氨氮的去除效果是显著的，c o d c ，、u v 2 补c h c l 3 的平均去除率分别为 4 0 4 ，4 8 9 ，3 8 9 ；对氨氮的平均去除率为8 2 5 ；浊度的平均去除率为 8 2 4 ，出水浊度平均值为0 51 n t u 。李德生等人【3 6 】【6 5 】对常规滤池进行了生物强 化，使氨氮的去除率由原来的3 0 - 4 0 提高到9 3 ，亚硝酸盐氮的去除率由原 来的0 提高到9 5 ，c o d m n 去除率由原来的2 0 提高到4 0 ，出水浊度保持在 o 1 n t u 以下。龙小庆、何元春等人f 6 6 稍】也作了与上述内容类似的研究。2 0 0 1 年， 仲丽娟等人【37 】采用由惰性和活性滤料( 由极性和非极性滤料复合而成) 复合构成 的新型生物活性滤料滤池进行过滤试验，使氨氮的去除率大于9 0 ，c o d m n 的 去除率大于4 0 ，a m e s 试验致突变性降低1 3 左右。2 0 0 3 年，黄晓东等人【6 9 】 对生物活性滤池强化过滤的影响因素进行了研究，研究结果表明在6 1 4 m h 的 滤速范围内，滤速对氨氮、亚硝酸盐氮去除率的影响不显著；在水反冲洗为1 2 次1 d 的情况下，生物滤池具有很好的生物活性；挂膜初期空气反冲洗和冲洗 水中过高的余氯水对生物滤池的处理效果有负面影响。梁汀【7 0 1 、余健【7 1 1 、乔铁 军【3 8 】等人还分别就滤料的选择、滤池关闭对生物过滤的影响和反冲洗对生物滤 池中生物活性的影响进行了试验及论述，指出：选择既经济又适合生物过滤的滤 料将成为生物活性滤池研究的一个重要方向；短期的滤池关闭对生物过滤影响较 小，滤池在重新启动后的2 - , 一6 h 内就能基本恢复到关闭前的处理效果，长期的滤 池关闭对单层石英砂滤料生物过滤的影响比对活性炭一石英砂双层滤料生物过 滤影响更大；滤后水及加氯水两种水质的反冲洗都增大了亚硝化细菌和硝化细菌 的活性。同时，乔铁军【7 2 1 、胡文容【7 3 】、余健【硎等人对生物滤池中的微生物生长 情况、生物相特征和生物滤池除浊及水头损失的增长特点进行了研究，研究结果 表明：生物活性滤池中微生物的生长速度是不同的，从大n d , 分别为异养细菌、 9 上海大学硕士学位论文 亚硝化细菌、硝化细菌，且后两者之间表现为互生关系；生物滤池内沿滤池高度 方向由于污染物浓度、d o 的变化而呈现丰富的生物种群，形成了结构完整、功 能稳定的生态系统，保证了生物活性滤池对有机物、氨氮的有效去除；生物滤池 的水头损失比采用同样尺寸滤料的常规滤池的大，而且增长较快。龙小庆与查人 光等人【4 0 】【7 5 】分别在2 0 0 0 年与2 0 0 3 年把浙江平湖地面水厂和嘉兴市南门水厂的 砂滤池改造为生物滤池用于生产，运行结果表明：生物滤池对c o d ，n h 3 - n 的去除效果明显优于常规滤池，能够保证出水浊度，而且运行管理方便，增加成 本合理，对以传统工艺为主的老水厂改造具有较强的针对性和可行性。 1 2 4 滤料的应用 过滤技术中，滤料及滤料层的构成是决定过滤设备性能优劣的关键，它们决 定着滤后水的水质，决定着过滤设备的基本性能。因此，过滤技术的发展在很大 程度上取决于对滤料和滤料层构成的研究与改进。 一般来说，能作为过滤介质的滤料必须有较规则的外形，以便滤料堆积时有 适当的孔隙率；有足够的机械强度，以保证冲洗时滤料不会产生严重磨损和破碎； 有足够的化学稳定性，以免滤料溶解于水或发生化学反应而影响水质及降低滤料 使用寿命。随着过滤技术的发展，人们对滤料的要求越来越高。一种好的滤料， 除了满足上述基本要求外，还要求其滤速大、过滤周期长、纳污量大、滤层水头 损失增长慢、反冲洗彻底等。 在水处理工艺中，最常用的传统滤料有石英砂、无烟煤粒、石榴石粒、磁铁 矿粒、白云石粒和花岗岩粒等。其中以石英砂使用最广。砂的机械强度大，相对 密度在2 6 5 左右；在p h 值2 1 6 5 的酸性水环境中化学稳定性好；在水呈碱性 时，有溶出现象。无烟煤的化学稳定性较石英砂好，在酸性、中性及碱性环境中 都不溶出，但机械强度稍差，其密度因产地不同而有所不同，一般为1 4 1 9 。 大密度滤料常用于多层滤料滤池，其中石榴石和磁铁矿的相对密度大于4 2 ，莫 氏硬度大于6 。 传统的深层过滤，因其滤速高，截污容量大，以及清洗操作方便等优点，至 今仍然是其他方法无法替代的。但是传统的深层过滤使用的粒状滤料过滤效率有 其局限性，普遍存在的问题是比表面积小、孔隙率小，截污能力受到限制；而活 1 0 上海大学硕士学位论文 性炭价格昂贵，沸石来源不广，陶粒滤料耐磨度较差【7 6 1 。 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外开始新型滤料的研究。过滤新工艺、新材料是 目前水处理研究的重要课题之一，而适于工业化生产，孔隙率高，比表面积大， 适宜去除水中胶体杂质的新型滤料是过滤技术发展的突破口。这时期出现了一系 列新型粒状滤料，包括有：人工轻质新型陶粒滤料、瓷砂滤料、硅藻土滤料、轻 质泡沫塑料球粒以及橡胶粒滤料。 ( 1 ) 人工轻质新型陶粒滤料最早在原苏联开发应用，是用黏土或类似材料 经适当处理后；高温焙烧制成。由于其外表粗糙多棱角，内部及表面孔洞很多， 作为滤料具有孔隙率高，比表面积大，比重轻等优点。我国在2 0 世纪7 0 年代中 期开始研究并逐步得到应用。人工轻质新型陶粒滤料的缺点是机械强度差，多次 冲洗易破碎而损耗，价格偏高。 ( 2 ) 瓷砂滤料是以优质高岭土为原料，掺和一定的成孔剂、粘合剂和发泡 剂，经过炼泥、陈腐、成型、干燥，经高温焙烧而成的一种球形均质滤料。瓷砂 一般为粒径1 5 2 5 m m 的圆形颗粒，颗粒表面粗糙坚硬，外观白色，呈麻点状， 内部多微孔，作为滤料不仅孔隙率高，比表面积大，密度小，易清洗而且具有耐 腐蚀、抗冲击、抗氧化、硬度大等优点，使用寿命长，可达1 0 - - 2 0 年。瓷砂滤 料过滤效果好且反冲洗容易，省时、省水，管理方便，特别是用于污水再生利用 的过滤。 ( 3 ) 随着过滤概念的发展，许多粉末材料以及滤膜等多孔材料被包含在滤 料的范围当中。硅藻土滤料就是其中的一种。硅藻土滤料是将硅藻土矿经过破碎、 研磨、筛选、干燥、焙烧以及加助熔剂焙烧而成。焙烧处理进一步改善了硅藻土 颗粒的表面性能，使颗粒结合成更适宜的粒度。硅藻土滤料可形成孔隙很小的滤 层，能筛除粒径5 0 n m 以上的颗粒，如采用适当的预除剂，对细菌的滤除率可达 到9 9 5 以上。若投入少量混凝剂，则可明显降低水头损失增长速度，延长过滤 周期。然而，硅藻土滤料滤层孔隙小，水头损失增长快，滤速慢，一般只适用于 过滤精度高，且原水水质较好的场合。 ( 4 ) 轻质泡沫塑料球粒、橡胶料滤料具有孔隙均一，密度小，易搬运等特 点。在过滤中，可避免发生反冲洗后的水力分级造成滤料表面悬浮颗粒聚集的现 象，从而使整个滤层都能发挥截污作用