（材料学专业论文）入河口水污染控制技术的试验研究.pdf

摘要 摘要 我国水资源匮乏且利用率低，因此水环境质量改善、水生态修复和污水回用 问题已成为重要的研究课题。在污水处理过程中，由于河道入河口水质净化工艺 难，污水处理率低，对流域内的自然变化和人为作用相对敏感，所以对河口水污 染控制技术的研究一直受到高度重视。针对河道入河口的水污染控制技术难的问 题，本论文以温榆河二排干沟渠为研究对象，对二排干污水处理技术进行了研究。 通过对中试现场进行施工改造，将反应池内的填料进行清洗，填料堵塞问题 得到有效缓解，从而保证了反应器的良好运行。为了彻底解决泥沙影响反应器生 化处理效果的问题，对反应器装置进行改造设计，将格栅设计成门式格栅，采用 折流式沉淀系统，以及在每个处理池之间采用折流墙斜管过滤系统。综合式生 物膜反应器采用半固定模式的异径筒填料为生物载体，对影响综合式生物膜反应 器处理效果的影响因素进行分析研究，结果表明：好氧区溶解氧保持在6 m g 1 左 右，水力停留时间维持在8 h ，系统有机负荷为0 7 8 k g c o d m 3 d 左右，温度1 5 左右，系统达到最佳运行状况，取得稳定的出水效果。 为了提高污水中氮、磷的去除效果，比较了7 种水生植物净化二排干污水的 效果。7 种水生植物对营养物质都有一定的去除效果，但植物之间存在差异。挺 水植物净化污水效果优于浮水植物和沉水植物，其中水芹菜的综合处理效果最 好。考察了水芹菜在二沉池内的处理效果，结果表明：去除率不是很稳定，但经 过一段时间后，水芹菜长势良好。说明水生植物可以应用在二排干系统中。 最后，进一步探讨了处理水就地回用，提高水资源再利用率的问题。采用臭 氧生物活性炭技术对污水深度处理进行初步研究，考察了臭氧接触氧化时间和 活性炭吸附时间对二沉池出水的去除效果的影响，确定了最佳的工艺参数：臭氧 接触氧化时间为3 0 m i n ，活性炭吸附时间为2 0 m i n 。c o d c ，和n h 4 + n 的去除效 果基本上满足了城市杂用水的标准。 试验采用的工艺方法对二排干沟渠污水取得了很好的去除效果，为河渠的水 资源利用提供了技术支撑，并对其他排污支流污水资源化具有示范性意义。同时 采用臭氧生物活性炭技术为二排干污水回用系统提供数据和参考经验。 关键词生物膜反应器；污水处理；水生植物；深度处理 a b s t r a c t a b s t r a c t o u rc o u n t r yi s f a c i n gt h es h o r t a g ea n dl o wu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ， t h e r e f o r ei tb e c o m e sm o r ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fw a t e r e n v i r o n m e n t ，r e s t o r ew a t e re c o l o g ya n d r e u s ew a s t e w a t e r i nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s e s ，b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yi np u r i f i c a t i o np r o c e s so fw a t e rq u a l i t yi ne s t u a r y , t h el o wi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tr a t ea n dt h er e l a t i v es e n s i t i v i t yi nn a t u r a lc h a n g e sa n d h u m a n e f f e c t s ，t h er e s e a r c ho fw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya l w a y sa t t r a c t sh i g h a t t e n t i o n i nv i e w o ft h ed i f f i c u l t yo fw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi ne s t u a r y , t h e p a p e rs t u d i e sa c c o r d i n gt ow e n y ur i v e re rp a i g a nd i t c ho nt h et e c h n o l o g yo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t b yi m p r o v i n gt h ep i l o tp l a n ta n dc l e a n i n gf i l l e r si nt h er e a c t o r t h ee f f e c t i v er e l i e f o ff i l l e r sf o u l i n gm a d et h er e a c t o rg o o do p e r a t i o n i no r d e rt os o l v et h ee f f e c to f s e d i m e n to nr e m o v a lp e r f o r m a n c ec o m p l e t e l y , t h er e a c t o rd e v i c eh a db e e nd e s i g n e d ： t h eg r i dh a db e e nd e s i g n e dt ob ed o o rt y p eg r i d ：t h es y s t e mh a du s e dt h eb a f f l i n g s e d i m e n t a t i o na n dt h eb a f f l ew a l l t u b e sf i l t r a t i o nb e t w e e ne a c ht r e a t m e n tt a n k t h e s e m i f i x e dy i j i n g t o n gf i l l e r sw e r eu s e da sb i o l o g i c a lc a r r i e r si nt h eh y b r i db i o f i l m r e a c t o nt i l i se x p e r i m e n tw a st os t u d yt h ef a c t o r sw h i c he f f e c t e do nt h er e m o v a l e f f i c i e n c yo f t h eh y b r i db i o f i l mr e a c t o lt h er e s u l ts h o w e dt h a tw h i l et h ea e r o b i cz o n e d o ，h r t , o r g a n i cl o a d i n g , t e m p e r a t u r ew a s a t6 r a g 1 ，8 h , o 7 8 k g c o d m 3 - d ，a n d15 。c ， t h es y s t e mc a nr e a c ht h eo p t i m u mo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n ds t a b l ee f f l u e n te f f e c t i no r d e rt oi n c r e a s e n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yi n t h e w a s t e w a t e r , t h i se x p e r i m e n th a dc o m p a r e dt h ee rp a i g a nw a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yb e t w e e ns e v e na q u a t i cp l a n t s i nd e s p i t eo fr e m o v a le f f i c i e n c yt ot h e n u t r i e n t ，t h e r ew e r ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns e v e na q u a t i cp l a n t s t or e m o v et h en u t r i e n t ， t h ee m e r g e dp l a n t sw e r eb e t t e rt h a nt h ef l o a tp l a n ta n ds u b m e r g e dp l a n t s a m o n gt h e a q u a t i cp l a n t s ，o e n a n t h ej a v a n i c as h o w e dt h eb e s tp u r i f i c a t i o ne f f e c t t h e r e f o r e p u r i f i c a t i o ne f f e c to fo e n a n t h ej a v a n i c ai nt h es e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n kw a s s t u d i e d t l l er e s u l ts h o w e dt h a ta f t e rap e r i o d ，o e n a n t h ej a v a n i c ah a dag o o dg r o w t h 1 1 1 i sr e s u l tp r o v e dt h a ta q u a t i cp l a n t sc a r la p p l yi nt h es y s t e m f u r t h e r m o r e ，i ns i t ur e u s eo ft r e a t e dw a t e ra n di n c r e a s e dt h eu t i l i z a t i o no fw a t e r r e s o u r c e sw e r ed i s c u s s e d p r e l i m i n a r ys t u d yo na d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i m 0 3 - b a cw a sc a r d e do u t t h e nt h ee f f e c to fo z o n ec o n t a c to x i d a t i o nt i m ea n d a c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o nt i m eo nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ee f f l u e n to f s e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n kw a ss t u d i e d t h eo p t i m u mo z o n ec o n t a c to x i d a t i o nt i m e i i i 北京t 业大学t 学硕l 学位论文 a n da c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o nt i m ew a s3 0 m i na n d2 0 m i nr e s p e c t i v e l y 1 1 1 er e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o d c , a n dn h 4 + - nc o u l db a s i c a l l ym e e tt h es t a n d a r df o ru r b a n m i s c e l l a n e o u sw a t e r g o o de f f e c to fw a s t e w a t e rr e m o v a lc a nb ea c h i e v e db ya l lt h ea b o v ep r o c e s s i t c a np r o v i d et e c h n i c a l s u p p o r t f o ru t i l i z a t i o no fd i t c hw a t e rr e s o u r c e s ，a n d d e m o n s t r a t i o ns i g n i f i c a n c ef o ro t h e re s t u a r i e si nr e n o v a t i o no fw a s t e w a t e r t h e 0 3 一b a cr e s u l ta f f o r d ss o m ev a l u a b l ee x p e r i e n c ei nt h ee rp a i g a nw a s t e w a t e rr e u s e s y s t e m k e yw o r d s b i o f i l mr e a c t o r ；w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；a q u a t i cp l a n t ；a d v a n c e dt r e a t m e n t i v 独创性声明 本人声明所呈交的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i i i i 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，也不包含为获得北京工业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。 签名：日期：翊：篁= 堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，1 1 1 - 学校有权 保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：牲日期：型 菊1 章绪论 曼曼曼量曼曼曼皇罾鼍曼曼曼量曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量 i i i ! 第1 章绪论 1 1 课题的提出 水作为五大自然资源之一，主宰着生命的生长、社会经济的发展和文明的进 步，是一种重要的、无可替代的资源。一位知名学家曾预言：“水资源紧缺是未 来世界战争和争端的主要根源，2 l 世纪将是水战的世纪”。 近年来，工业化和城市化的迅猛发展以及人口的快速增长，给全球资源、环 境都带来了巨大的压力。一方面，为了更好的生存和发展，人类对水资源的需求 量日益增长；另一方面，人类的生存活动也使水污染程度日趋严重，致使全球可 利用的淡水资源日益减少，供需矛盾加剧。 我国是一个水资源相对匮乏的国家，尽管水资源总量较为丰富，但人均占有 量仅为2 3 0 0 立方米，为世界人均占有量的四分之一，居世界第1 2 1 位，被列为 世界1 3 个贫水国之一。水资源匮乏的同时，我国正面临着更为严峻的问题，即 河流污染情况十分严重，污水回用率低，且呈发展趋势。水利部在2 0 0 3 年对全 国1 3 0 0 余条、约1 3 万k r n 河流，开展了水资源质量评价，结果表明：因水质污 染严重而不能用于灌溉( 即劣于v 类) 的河段约占1 7 4 ：水体己丧失使用价值 ( 相当于，v 类及劣v 类) 的河段约占3 8 2 。其中，尤为严重的是城市河 流。由于受城市发展的影响较大，无论是从污染类型，还是从污染强度来说，河 流的污染程度都在不断加大。目前，水资源的功能及作用正在不断地被弱化，人 们的正常生产和生活也受到严重的影响【1 1 。所以，水环境质量的改善、水生态修 复和污水回用问题己成为与人类生存息息相关的重要研究课题。 氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前备受关注的环境问题之一【2 ，3 j 。 对污染源进行治理，通过控制污染物的排放量，使污水处理厂出水中的氮、磷含 量必须降低到一定的标准，可以有效控制水体富营养化，防止水体污染【4 】。目前， 污水排放标准的日趋严格是世界各国普遍的发展趋势；以控制富营养化为目的的 氮、磷脱除也已成为世界各国治理水污染的主要奋斗目标。无论是新建污水厂， 还是已有的污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的要求。 目前，对于城市污水而言，由于其主要污染物中有机成分含量较高，所以生 物处理法污水处理技术在整个城市污水处理系统中占主导地位，同时，这种方法 也在污水处理中得到了广泛地研究和应用。应用生物处理法可以降低污水的化学 需氧量( c o d ) 、生化需氧量( b o d ) 、悬浮固体( s s ) ，去除臭味，降低色度，提高 水中溶解氧含量，从而改善水质和水体外观。其中，具有代表性的是生物膜法和 活性污泥法。另外，在水体富营养化治理的过程中，自然净化法作为水体净化技 术的一种，因其自身所具备的优势，正受到越来越多的关注。而水生植物作为自 北京t 业大学t 学硕十学位论文 然净化法的关键因素，能从水中吸收氮、磷等营养元素以维持正常的生命活动， 具有成本低、能耗小、治理效果好，对环境污染小，有利于资源化、生态环境改 善和美化环境价值等优点。随着污水资源化的发展，污水回用问题日益突出，目 前普遍的处理方法是采用污水回用技术对污水厂二级出水进行深度处理。污水处 理就地回用，体现了水的“优质优用，低质低用 的原则；有利于提高城市水资 源综合利用效益，是实现环境保护战略的重要措施。根据不同的回用目的，选择 不同的深度处理工艺，可以保证再生水资源回用到适宜的位置。代表性的污水深 度处理技术有活性炭吸附、臭氧氧化、膜分离技术、超声空化技术法、光氧化技 术等【5 1 。 综上所述，鉴于我国水资源的氮磷污染已相当严重，而现有污水处理厂运行 费用高、脱氮除磷效果不稳定和达标率较低的现状，结合二排干工程实际情况以 及就地处理、就地回用理论，本课题以新型高分子异径筒填料为生物载体，采用 生物膜法作为主要污水处理技术，同时以水生植物净化技术为辅，并采用臭氧 生物活性炭为深度处理工艺，综合处理生产生活混合污水，降低污水氮磷的排放 总量。 1 2 国内外污水处理研究现状 1 2 1 生物膜法概述及国内外研究现状 1 2 1 1 生物膜法概述与净化原理 生物膜法是利用生物膜上生长的微生物摄取污水中呈溶解态和胶体状态的 有机污染物作为营养物质，进行新陈代谢作用使之转化为稳定的无害化物质，从 而达到净化废水的目的【6 1 。生物膜法处理工艺的特征主要有【7 】： ( 1 ) 对水质、水量变动有较强的适应性 生物膜法对流入污水水质、水量的变化都具有较强的适应性，这种现象已被 多数运行的实际设备所证实，即一段时间内中断进水，对生物膜的净化能力也不 会造成致命的影响，通水后能够较快地恢复。 ( 2 ) 污泥沉降性能良好，宜于固液分离 由生物膜上脱落下来的生物污泥，所含动物成分较多，比重较大，且污泥颗 粒个体较大，沉降性能良好，宜于固液分离。但是，如果生物膜内部形成的厌氧 层过厚，在其脱落后，将有大量的非活性细小悬浮物分散于水中，使处理水的澄 清度降低。 ( 3 ) 能够处理低浓度的污水 生物膜法对低浓度污水能够取得较好的处理效果，运行正常时，可使原b o d 5 为2 0 3 0 m g 1 的污水中的b o d 5 值降至5 1 0 m g 1 。 第1 币绪论 ( 4 ) 易于维护运行、节能 生物膜法中的各种工艺都是比较易于维护管理的，而且节省能源，动力费用 较低，去除单位重量b o d 的耗电量较少。 在生物膜反应器中，污染物、溶解氧及各种必须营养物等首先要经过液相扩 散到生物膜表面，进而再扩散到生物膜内部。只有扩散到生物膜表面或内部的污 染物才能有机会被生物膜微生物分解与转化，最终形成各种代谢产物( c 0 2 和 h 2 0 等) 。生物膜的最外层能够形成以好氧微生物为主的生物膜层，其厚度一般 为1 - 2 m m ，而有机物的降解主要是在好氧层内进行的，其分解代谢产物直接从 好氧层向外输至附着液层再至流动液相，c 0 2 、c h 4 等则最终进入气相环境【8 】。 在生物膜内部，由于具有较大的阻力而阻止了基质，尤其是溶解氧向其纵深的扩 散传递，从而形成缺氧、厌氧区。当生物膜的厚度不大时，好氧层与厌氧层之间 可以维持平衡关系，厌氧层产生的代谢产物，如有机酸、醇类、硫化氢等在透过 好氧层时，可被进一步降解除去，取得满意的出水水质。随着厌氧层的逐渐加厚， 厌氧层的代谢产物也不断增多，特别是气态产物不断逸出，削弱了生物膜的固着 力，这时的生物膜称为老化了的生物膜，很容易从载体或填料上脱落下来，而原 来的位置又会生长出新的生物膜。通过生物膜的这种不断循环更新便可达到处理 污水的目的【9 1 。生物膜净化原理示意图，如图1 1 所示。 生物囊 授量好曩射着农屡藏翡球鏖 图1 1 生物膜净化原理示意图 f i g 1 1t h em e c h a n i s mo f w a s t e w a t e rr e m o v a li nb i o f i l m 生物膜工艺强化了生物脱氮过程1 0 1 ，反应方程式可以表示为： 硝化过程： n h 4 + + 1 5 0 2 幽b n 0 2 一+ h 2 0 + 2 h + n 0 2 一+ o 5 0 2 吗n 0 3 一 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 北京t 业大学t 学硕l 二学位论文 n h 4 + + 2 0 2 当n 0 3 一+ h 2 0 + 2 h + ( 1 3 ) 反硝化过程： 6 n 0 3 一+ 2 c h 3 0 h 驾6 n 0 2 一+ 2 c 0 2 + 4 h 2 0 ( 1 - 4 ) 6 n 0 2 一+ 3 c h 3 0 h 屿3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + o h ( 1 5 ) 6 n 0 3 一+ 5 c h 3 0 hj 驾3 n 2 + 5 c 0 2 + 7 h 2 0 + o h 。( 1 - 6 ) 在厌氧好氧运行条件下驯化出聚磷菌一类的微生物，它能够过量的、在数 量上超过其生理需要的，从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合磷的形式贮存在体 内，形成富磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果【l l 】。生物除磷过程通 常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程。 厌氧释磷：在厌氧条件下，聚磷菌水解体内的三磷酸腺苷( a t p ) ，形成二磷 酸腺苷( a d p ) 和能量，同时将胞内多聚磷酸盐( p o l y - p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 3 - ) 的形式释放出去。另一方面，聚磷菌利用糖原酵产物( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中 的有机物来合成大量的有机颗粒聚b 羟基丁酸酯( p h b ) ，贮存在细胞体内。此时 表现的是磷的释放，其反应方程式可以表示为： a t p + h 2 0 a d p + h 3 p 0 4 + 能量( 1 7 ) 好氧吸磷：在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p h b 而产生的 能量完成繁殖代谢作用，而a d p 获得这个能量，可用来合成了a r p ；同时，聚 磷茵超量吸收溶液中的磷酸盐来合成p o l y - p 及糖原等有机颗粒，储存在细胞体 内，此时反映出的是磷的吸收，其反应方程式可以表示为： a d p - i - h 3 p 0 4 + 能量一a t p + h 2 0 ( 1 8 ) 1 2 1 2 生物膜法国内外研究现状 生物膜法既是古老的，又是发展中的污水生物处理技术。属于生物膜处理法 的工艺有生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池、生物流化床、厌氧生物膜膨胀 床、微孔膜生物反应器、移动床生物膜反应器。近年来，生物膜反应器与其他污 水生物处理工艺联用，形成复合式生物膜反应器，主要有活性污泥生物膜反应 器、序批式生物膜反应器、升流式厌氧污泥床厌氧生物滤池和附着生长污水稳 定塘等。生物膜法国内外研究现状有： a s a r t i 等【i2 】利用固定膜厌氧序批式生物膜反应器r ( a s b b r ) 对城市污水进行 处理，待稳定运行后，可以有效处理城市污水。随着运行时间的延长，c o d 去 除率从4 0 升高到8 3 ，出水c o d 浓度在4 7 3 2 3 m g 1 之间。 4 第l 审绪论 gp a s t o r e l l i 等【1 3 】利用移动床生物膜反应器( m b b r ) 进行中试研究，可以有效 地进行有机碳和氮的去除，出水水质稳定。污水预处理厂f r e v a r t h 】用两级高 效m b b r ，无固体分离和污泥处理装置，处理加工废水，填料比表面积2 5 0 m 2 m 3 ， 有机负荷3 0 - 4 5 k g c o d m 3 d ，m b b r l 中c o d 去除率为8 0 ，m b b r l 和m b b r 合用c o d 去除率为9 0 9 5 。 法国o t v 公司【”1 采用单级曝气生物滤池( b a f ) 系统，以去除c o d 和 n h 4 + n ，其c o d 、b o d 5 、s s 、t k n 去除率分别为：8 8 6 、9 3 2 、9 5 、9 2 。 g o n c a l v e s 等【1 6 禾l j 用b a f 对生活污水进行二级处理，不但降低了整个系统的污泥 产量，还提高了系统的处理效能，对s s 、b o d 5 和c o d 的平均去除率分别为9 4 、 9 6 和9 1 ，出水的s s 、b o d 5 和c o d 分别为l o m g l 、9 m 酊和3 8 m g 1 。g o n c a l v e s 等【1 7 , 1 8 1 人还利用一套由一个厌氧生物滤池和一个好氧生物滤池串联运行组成的 两级固定膜装置进行除磷的试验，结果表明厌氧条件下的有机负荷是释磷效果的 关键影响因素。 gp a s t o r e l l i 等【1 9 】利用中试规模的移动床序批式生物膜反应器处理城市废 水，当反应器只有两个反应阶段( 厌氧好氧) 时，在好氧段发生同步硝化反硝 化以及吸磷现象。 李汝琪等【2 0 1 使用粒状填料，利用曝气生物滤池处理生活污水，在0 5 3 m h 的 水力负荷下，b o d 5 ，c o d ，s s ，n h 4 n 和t n 的平均去除率分别是9 5 3 ，9 2 6 ， 9 6 7 ，9 1 8 5 ，8 5 1 。 张可方等【2 1 】采用序批式生物膜工艺进行了处理城市污水的脱氮除磷试验研 究，在碳量偏低的情况下，达到了既去除有机物又能脱氮除磷的效果，出水b o d 5 、 c o d 分别为6 0 9 8 、1 2 7 - 3 5 5 m g 1 ，而t n 、n h 4 + - n 、t p 分别在1 4 8 、4 0 、o 5 m g l 以下。 韶山市污水处理厂【冽采用折流淹没式生物膜法工艺，有效降解有机污染物， 除磷脱氮效果良好，其出水能达到一级排放标准。 大连马栏河污水处理厂【2 3 】采用的是法国得利满公司生物滤池工艺技术。占 地面积小、处理效率高、抗冲击负荷能力强、出水水质较高，可直接进行工业回 用。 1 2 2 水生植物；争化原理及研究进展 1 2 2 1 水生植物净化原理 水体污染物污染类型主要分为金属污染、农药污染、有机物污染、非金属污 染及放射性元素污染。这些污染类型中的污染成分，有的是植物生长所必须的元 素，有的则能被植物的体表吸附。水生植物对这些污染物的净化包括附着、吸收、 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 积累和降解几个环节。植物可通过根系吸收，也可直接通过茎、叶等器官的体表 吸收。水体中的离子通过扩散而进入植物体内，并不同程度地积累于植物体中， 从而减少水体中污染物的量 2 4 1 。 目前，水体富营养化已成为全球性的环境问题，利用水生植物净化富营养化 水体具有广阔的发展前景。水生植物在净化富营养化水体时，是利用许多水生植 物大量吸收营养物质，或降解转化有毒有害物质为无毒物质。同时，通过水生植 物的光合作用释放出氧气，增加水中溶解氧含量，从而改善水质，减轻或消除水 污染。 氮是植物生长不可缺少的一种元素，污水中的无机氮通常包括n - n 和n o - n ， 它们均可以被植物吸收，最终通过植物的收割得以去除。其去除机制包括：植物 和其他生物的吸收、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、氨的挥发作用、n i - 1 4 + 的阳离子交换作用等。其中，附着在植物根系上的微生物主要以硝化和反硝化作 用去除污水中的氮。另一方面，污水处理过程中水生植物的重要功能之一就是将 氧气从上部输送至植物根部，从而在植物根区附近形成一个好氧环境。而随着离 根系距离的逐渐增大，反应器中依次出现缺氧、厌氧状态，这样的条件有利于硝 化菌和反硝化菌的生长，为硝化反应和反硝化反应的进行提供了条件【2 5 1 。 污水中磷的存在形态，最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。磷和 氮一样，都是植物的必需元素，污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下，被 合成a t p 等有机成分，通过收割而从系统中去除。微生物对磷的去除作用，包 括微生物对磷的正常吸收和过量积累。系统中好氧和厌氧情况交替出现，使磷的 过量释放和过量积累得顺利完成。 1 2 2 2 水生植物净化研究进展 利用水生植物净化污水，具有明显的优越性，如出水稳定、水质好、处理强， 建造和运行费用便宜、易维护、技术含量低等，并对环境无副作用【2 睨引。通过大 量的试验研究【2 ”1 1 ，发现了许多水生植物可以对富营养化水体起到很好的净化作 用。水生植物通常分为浮水植物、沉水植物和挺水植物。浮水植物的叶片飘浮在 水面。细胞间隙较大，其中充满气体。叶面上有蜡膜，气孔位于叶片上面，有发 育良好的通气组织。例如浮萍、水浮莲和风眼莲等。沉水植物是指植物体全部位 于水层下面。它们的根不发达或退化，植物体的各部分都可吸收水分和养料，通 气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。例如金鱼藻、 狐尾藻、黑藻等。挺水植物即植物的根、根茎生长在水的底泥之中，茎、叶挺出 水面，常分布于0 1 5 米的浅水处。这类植物在空气中的部分，具有陆生植物的 特征；生长在水中的部分( 根或地下茎) ，具有水生植物的特征。常见有芦苇、 水芹菜、石菖蒲等。 第l 荦绪论 b r i x 3 2 】的研究发现：挺水植物的吸收能力为2 0 0 0 - 2 5 0 0 k g n h a 年， 3 0 5 0 0 k g p h a 年，浮水植物有较大的吸收量，约2 0 0 0 k g n h a 年和3 5 0 k g p h a - 年；而沉水植物较低，仅为7 0 0 k g n h a 年和 1 0 0 k g p h a 年。 s h a r m a 等【3 3 】认为凤眼莲在生长期由于高密度、高叶面系数和吸收营养物质 速度快，从而抑制藻类的生长；在衰败期，根系能够分泌某些特定有毒化合物抑 制藻类的生长。s o l t a n 等【3 4 】也证实了风眼莲对浮游植物的抑制作用。 z i m m e l s 等【3 3 】应用凤眼莲和水浮莲处理城市污水时，发现尽管在进水和处理 水质有相当大的波动，但植物可以取得良好去除效果：b o d - 5 - 7 m e ；l ，c o d - 4 0 - 5 0 m g a ，t s s 3 - 5 m g l ，浊度：1 - 2 n t u 。 张鸿等【3 6 】研究了凤眼莲、水芹菜人工湿地对东湖污水中n 、p 净化率与有关 嗜p 、n 细菌的关系，结果发现：人工湿地中，植物除本身可以直接吸收n 、p 化合物外，其根系分泌物也可促进某些嗜n 、p 细菌的生长，促进n 、p 释放、 转化，从而间接提高净化率。 王旭明等【3 刀利用水芹菜净化污水，发现3 天内水芹菜对污水中的n 、p 、c o d 具有明显的去除效果，能明显改善污水水质。t n 、t p 的吸收率分别达到6 6 7 和7 3 7 ，而且去除率随温度的升高还会增加。 洪瑞川等【3 8 l 通过实验证明，石菖蒲对富营养化水体的净化能力很强。在4 0 多天的时间里，水体总氮去除率达8 4 7 ，总磷去除率达7 7 8 ，氯化物去除率 达8 9 5 ，b o d 5 降低率达9 3 7 ，c o d 降低率达4 3 9 ，溶解氧增加2 6 6 。 说明石菖蒲对富营养化水体具有良好的净化效应。 王国祥等【3 9 】采用覆膜和改变生态位的越冬技术，使喜旱莲子草、水葫芦等漂 浮植物能安全越冬，并有效地改善了水体透明度，为沉水植物的生长提供了保障。 吴振斌等h o 对沉水植物的水质净化作用作了现场实验，研究发现沉水植物可 以显著改善水质，水体透明度显著提高，水色降低。以沉水植物为主的水生植被 可以有效地改善富营养湖泊水质和重建生态系统。 1 2 3 臭氧一生物活性炭深度处理原理及国内外研究现状 1 2 3 1 臭氧一生物活性炭深度处理原理 水是一种可再生资源，发达国家在2 0 世纪已开始将处理水再利用，收到了 可观的社会效益和经济效益。随着水污染的日益加剧以及人们对水质要求的提 高，污水回用必须进行深度处理。将二级处理出水再进一步进行物理化学和生物 处理，以便有效地去除污水中不同性质的杂质。由于某些污染物的难降解特性， 或者形成不能进一步氧化的消毒副产物，促进了高级氧化技术( a d v a n c e d o x i d a t i o np r o c e s s ，简称a o p ) 的长足发展，出现了臭氧( 0 3 ) 氧化工艺、f e n t o n 试 北京t 业大学t 学硕l 学位论文 剂氧化法，过氧化氢( h 2 0 2 ) 氧化工艺、紫外( u 叻辐射工艺、超声氧化工艺、超临 界水氧化法掣4 。但是，单独使用这些氧化工艺来分解难降解有机污染物的效 果往往不够理想。更有效的方法是将这些单独工艺组合起来联合使用，加速有机 污染物的分解反应。其中一种方法就是臭氧生物活性炭( 0 3 b a c ) i 艺，目前它 已在实践过程中得到较好的应用。 臭氧生物活性炭是以臭氧对水中有机物的氧化作用作为预处理，然后利用 以活性炭为载体的固定化生物膜的生物降解作用将有机物较为彻底地去除。主要 包括臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解三个过程【4 2 删。利用臭氧强氧化作用，初 步氧化分解水中的有机物及其他还原性物质，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，从而降低生物活性炭的有机负 荷；再利用活性炭良好的吸附能力将其吸附，进行生物降解；臭氧分解后产生的 氧，起到充氧作用，促进好氧微生物在活性炭表面繁殖，为活性炭处理中的生物 降解提供必要条件，同时也使活性炭表面得以再生，从而具有继续吸附有机物的 能力。生物活性炭处理水的过程，如图1 2 所示。 b 微生物 a 污染物质 b 和c 叠加作用 保护并促进b 的牛长 活性炭颗粒 e 图1 - 2b a c 水处理过程示意图删 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti nb a c c 从图1 2 中可以看出，在生物活性炭处理水的过程中，温度是影响处理效果 的因素之一。适宜的温度可以提高微生物的活性，有效地进行生物降解，从而保 证出水效果。 8 第1 帝绪论 1 2 3 2 臭氧一生物活性炭工艺国内外研究现状 在二级处理出水进行深度处理的过程中，臭氧主要起到了去除污水中残存的 有机物、脱除污水的着色和杀菌消毒的目的。虽然臭氧能够氧化污水中的有机物， 但很难氧化形成c 0 2 和h 2 0 ，只能形成中间产物【4 5 1 。活性炭的吸附能力，在所 有吸附剂中是最强的。其表面布满了微细的小孔，可以有效地吸附污水中的中、 小分子的有机物。但是活性炭的价格比较高，且不易再生，使用寿命短。因此， 虽然臭氧和活性炭在深度处理中各有所长，但都有其不足，将两种技术进行联用 便应运而生。臭氧生物活性炭工艺的第一次联合使用是1 9 6 1 年在德国杜塞尔多 夫市a m s t a a d 水厂。它的成功引起了德国以及西欧水处理工程界的重视1 4 6 。德 国的成功经验逐步在邻国传播和发展起来，并得到不断完善。其中有代表性的是 瑞士的l e n g g 水厂f 4 7 】和法国的r o u e n l ac h a p e l l a 水厂【4 8 1 。 法国巴黎市c h o i s yl er o i 水厂【4 9 1 1 9 8 5 年采用臭氧生物活性炭工艺，以塞纳 河水为水源，水厂供水能力为8 0 万m 3 d ，供给约3 0 0 万居民使用，最大限度地 减少水中有机物含量。 美国俄亥俄州w e s t e r l y 污水处理厂【删的原水中生活污水占5 5 ，工业废水占 4 5 ，采用臭氧生物活性炭工艺，活性炭床连续运行1 7 个月没有进行热再生， c o d 吸附容量7 0 0 9 k g 炭。炭层内硫化氢异味消失，处理出水水质稳定，而且 后消毒剂用量也很稳定。 n i s h i j i m a 等【5 1 】长时间考察臭氧生物活性炭工艺对溶解有机碳( d o c ) 和三卤 甲烷生成势( t h m f p ) 处理效果时，证明了附着在活性炭表面的微生物起到非常重 要的作用，d o c 和t h m f p 去除率维持在3 6 和5 7 左右，并且去除率不随水 温变化。 于秀娟等【5 2 】将陶粒装入臭氧反应柱后，水中有机微污染物、浊度和色度大大 降低。并且原水中有机物由5 8 种降至3 0 种，潜在有毒有害物质由1 3 种减少到 4 种。 浙江省桐乡市果园桥水厂【5 3 1 ，在水厂原有常规处理基础上，增加原水生物 预处理工艺和臭氧生物活性炭深度处理工艺。深度处理稳定运行后，剩余氨氮 去除率达7 0 ，c o d m n 去除率在4 0 左右，减轻后续处理流程的负担。 中国石油前郭石化分公司水厂【矧采用臭氧生物活性炭的先进水处理工艺， 对松花江水进行处理。出水水质完全达到国家饮用水标准，c o d 去除率高达 9 0 3 ，出水c o d 远远低于2 5 m g l 。同时各种重金属离子含量也远远低于国家饮 用水标准。 吴红伟等【5 5 】人的研究结果表明，由于预臭氧对有机物的氧化，减小了有机物 的分子量，增加了可生物降解的有机物，从而强化了后续的生物处理和活性炭对 有机物的去除。整个工艺对有机物的控制能力很好。 北京t 业人学丁学硕 j 学位论文 1 3 研究目的与研究内容 1 3 1 研究目的 随着北京城市的飞速发展，人口的迅速增加，城市用水量和排污量也与日俱 增，郊区河道内接纳了沿途大量未经处理或处理不够彻底的工业废水、生活污水 和养殖业污水，使得郊区的河渠污染越来越严重。还清北京郊区河渠水质，进行 水污染控制与深度处理，一直受到北京市市委、市政府的高度重视。 温榆河是北京最主要的排污河，其水质的治理和再利用，对缓解北京水资源 危机，促进城市水循环有重要意义。温榆河曾作为奥运会观光印象工程，政府对 其水环境提出了更高的要求。2 0 0 2 年6 月，北京市政府批复了温榆河绿色走 廊规划【5 6 】，提出对温榆河各支流进行水质处理【5 7 1 。2 0 0 5 年，水务局完成了温 榆河水质还清规划与水资源利用方案，温榆河水质改善工程还被列为北京市 2 0 0 6 年重点建设工程，并在北京市“十一五”水务发展规划中提出：“实施 温榆河水质还清工程，建设分散点源污水处理，河口水质改善，生态湿地净化等 工程 。 温榆河有众多排污口，其中二排干是一条位于昌平区城乡结合部的排水沟， 在沙河闸至鲁疃闸区间汇入温榆河。河道全长8 7 公里，是温榆河上游较脏的一 条排水沟渠，排污口水量大、污染重，又远离污水厂。所以在二排干入温榆河口 处，建立了综合式生物膜污水处理示范工程，进行污水生物处理工艺研究。自工 程建成、运行以来，二排干的污水得到净化，并经受了冬季考验，达到了设计要 求。但是，目前二排干生化处理系统是一个处于自然河道末端入河口地段的暴露 系统，受外界因素的影响较大。河道上游两岸的水土保持设施不完善( 没有进行 河道护砌或绿化处理) ，加之定泗桥段的水位落差较大，河流污水在进入二排干 处理系统前，虽在上游天然河道以及二排干系统的滚石坝挡墙( 折流和拦截) 的共 同作用下，河流污水中的非有机推移质( 泥沙) 已去除大部分，但仍有部分非有 机推移质( 泥沙) 进入反应器内，造成泥沙淤积及填料堵塞的现象，从而影响后 续的生物处理效果。 综上所述，本论文针对二排干目前存在的问题，进行中试试验研究。考察其 处理生产生活混合污水的能力，并确定反应器的最佳运行参数；通过试验研究， 探讨选用的几种水生植物运用于治理水体富营养化的可能性，使水污染控制与周 边环境和景观相协调。探讨污水回用问题，主要采用的是臭氧催化剂的方法， 臭氧催化剂方法的关键就是催化剂的选择。根据已有仪器设备，讨论采用臭氧 生物活性炭深度