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西安建筑科技大学硕士学位论文 微污染源水生物接触氧化处理技术 专业：市政工程 研究生：缪晶广 导师：黄廷林教授 摘要 随着经济发展，我国工农业用水量不断增加，排放的污水量也不断增加，水环境不断恶化， 缺水城市数目越来越多。强化水处理技术发展，保障供水安全，对于国民经济健康发展，提高 人民生活水平具有重要意义。 本文从安全饮用水角度，提出以生物接触氧化与扬水曝气器联合技术对我国北方地区微污 染源水进行改善。较全面地论述了生物接触氧化技术。通过分析主要水质指标的变化规律，论 证了天津市饮用水源水进行生物接触氧化处理的可行性。设计并建立了一套完善的生物接触氧 化试验工艺流程并进行了试验研究。 试验研究表明，在温度为1 8 2 3 。c 条件下采用接种挂膜启动，一周时间后挂膜成功，n h 3 - n 去除率基本上能够稳定在5 0 - - 8 0 ：c o d 去除率稳定在1 0 ，1 5 。 针对天津市水源水质进行了水处理试验研究。试验结果表明，在温度为1 0 2 5 。c 条件下各项 水质指标均有良好的去除率，c o d 去除率为l 1 5 左右；氨氮去除率为4 0 - 7 0 ；浊度去 除率为1 0 - , 2 5 ；藻类在高藻期去除率为1 5 3 0 ；总铁去除率为2 0 8 0 ；生物接触氧化处理 后出水p h 值略有降低。 实验数据表明，各项水质指标去除率随有效停留时间的增加呈上升趋势，最佳有效停留时 间建议采用1 1 5 h 。 试验中拍摄了填料表面生物膜不同放大倍数显微图片并对有关微生物进行了分析。 论文总结分析了实验研究结论，为后续试验研究和生物接触氧化与扬水曝气器联合技术研 究提出了有益的建议。 关键词：扬水曝气器生物接触氧化安全饮用水微污染源水 论文类型：应用技术 基金资助：国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目( 2 0 0 2 a a 6 0 1 1 4 0 0 2 ) “北方地区安全饮用水保障技术” ( 分项课题2 原水蓄水池污染控制技术) 西安建筑科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm a t m e n to f m i c r o p o l l u t e ds o u r c e 鼢f e r b yb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o n s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g m e c a u d i d a t e ：m i a n j i n g g u a n g s u p e r v i s o r ：h u a n gt i n g - l i n p r o g r e a t q u a n t i t yw a t e r i su s e di ni n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r et og e tp r o d u c t s ，ap a r to f i tb e c o m e st h e i n g r e d i e n to f t h ef i n i s h e dp r o d u c t s ，a n dt h em a j o r i t yb e c o m e ss e w a g e h a v i n gg o t t e nm u c hm o n e y , p e o p l ef o u n dt h a tt h e yh a v e 1 1 0w a t e rf o rd r i n k i n g f o rt h ed e v e l o p m e n to fc i v i le c o n o m ya n dt h e i m p r o v e m e n to f l i v i n gc o n d i t i o n s ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t os t r e n g t h e nw a t e r 恤a t m e n t t e c h n o l o g ya n d t o e n s u r e s u p p l y w a t e rs a f e g u a r d t h ep r e t r e a t m e n to fm i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e rb yb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nc o m b i n e d w i t ht h em u l t i f u n c t i o n a ld e v i c ef o r l i f t i n gw a t e ra n da e r a t i o nw e r ea d v i s e da st e c h n o l o g yo f d r i n k i n gw a t e rs a f e g u a r d f o rn o r t h e m c h i n a b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n i sd i s c u s s e dt e c h n o l o g y i n t e g r a l i t y 觚a l y z a n gt h er e g u l a r i t yo f w a t e rp a r a m e t e r s ，i tc o m e st oac o n c l u s i o nt h a tb i o l o g i c a l c o n t a c to x i d a t i o ni sa na p p r o p r i a t et e c h n o l o g yi nt i a n j i n b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nd e v i c ea n d t h e m u l t i f u n c t i o n a l d e v i c e f o r l i f t i n g w a t e r a n d a e r a t i o n w e r e b u i l t i n t a n j i n w a t e r c o m p a n y b i o l o g i c a lo r g a n i s m w a sc u l t u r e di ns e v e nd a y s ；t h er e m o v a lr a t e so fa m m o n i a - na n d c o d l 咖 w e f e5 0 - - 8 0 , 4a n d l 0 1 5 d u r i n g t h e p r o c e s s , i t w a s l 8 - 2 3 n e a r l yh a l fo n ey e a r s r e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ep r o c e s sh a da g o o dp u r i f i c a t i o n e f f e c to n m i c r o - p o l l u t e ds o l l r o ：ew a t e r r e m o v a lr a t e so fa m m o n i a - n ，c 0 】h bt u r b i d i t y , t o t a lf ea n da l g a e w e r e4 0 - - 7 0 0 , 4 ，1 0 1 5 ，1 0 2 5 ，2 0 8 0 a n d1 5 3 0 a si tw a s 1 0 2 5 o ho fw a t e rf e l l a p p r e c i a b l y w h e ni tp a s s e d t h r o u 曲t h eb i o l o g i c a l c o n t a c to x i d a t i o nd e v i c e t h ee x p e r i m e n t a t i o ns h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t e so fw a t e rp a r a m e t e r sw e n tu pw h e nh r t a s c e n d e d h r tw a ss u g g e s t e d1 0 1 5 hb ya n a l y z m gt h er e g u l a r i t yo ft h er e m o v a lr a t e so fw a t e r p a r a m e t e r s a n dh r t t h e p i c t u r eo f b i o l o g i c a lo r g a n i z a t i o n t a k e n b ym i c r o s c o p em a d t h en u r u e r a lc a m e r as h o w e dt h a t t h em e d i a e n w r a p p e db yg e r m ，t r u eb a c t e r i a , p r o t o z o a , m e t a z o a n ，a n da l g a e 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h es p e c i f i cc o n c l u s i o nw a sb m u g h tf o r w a r di nd i s s e r t a t i o n i tg a v es o m eh e l p f u lp r o p o s e sf o r o t h e rr e s e a r c h e r s k e y w o r d s ：a m u l t i f t m c t i o n a ld e v i c ef o r l i f t i n gw a t e r a n da e r a t i o n b i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o n t e c h n o l o g y ， d r i n k i n g w a t e rs a f e t y ，m i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e r t h 髑i s ： a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y f o u n d a t i o ns u p p o r t e db y ：h i g h - t e e hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m s ( 8 6 3 ) ：t e c h n o l o g yo f d r i n k i n g w a t e r s e c u r i t y f o r n o r t h e r n c h i n a ( 2 0 0 2 a a 6 0 1 1 4 0 0 2 ) 声明 y6 1 6 7 3 6 本人郑重声明我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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 关于论文使用授权的说明 日期：d 砂啊4 二，多 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 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、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在 论文作者签名 注：请将此页附在论文首页。 ：妒4 占，易 i， 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 国内地表水源水质现状 1 绪论 我国是水资源较丰富的国家之一，水资源总量为2 8 1 2 4 亿立- ；b - 米，位居世界第六。但由于 人口众多，按人均计算只有世界人均占有量的约1 4 。我国水资源主要来源于降水，受大气环 流、海陆位置以及地形、地势等因素的影响。在地区分布上很不均匀，总体格局是南方多、北 方少、东南多、西北少。在时间分布方面也很不平衡，大多数降水集中于夏季7 、8 、9 三个月。 其中西北，华北以及沿海缺水地区受水资源匮乏的影响，地区国民经济发展受到严重制约。 从全国供水水源情况看，近年我国利用的地表水源约占全部水厂综合生产能力的7 0 。不 同省份因水资源特征差异和供水水源类型不同有较大差异。长江沿岸及以南省市主要以地表水 为主；而华北、磋北城市则以地下水为主。我国是世界上水资源最为匮乏的1 3 个国家之一， 在全国6 4 0 个大中城市中，有3 0 0 个城市缺水，其中1 0 0 个严重缺水。尽管我国水资源紧缺， 但水资源的浪费仍十分严重。1 9 9 7 年，全国仅有1 2 3 个城市建成3 0 7 座不同处理等级的污水处 理厂，日处理能力仅在1 2 9 2 万m 3 ，污水处理率仅为1 3 a ：我国目前5 万多个小城镇、3 7 0 多万个乡村，9 亿多人口居住地基本没有污水处理实施，从而直接导致了地表水的广泛污染， 使水资源匮乏的矛盾更加尖锐。1 9 8 9 年对全国4 9 个环境保护重点城市主要饮用水地表水源和 地下水源保护情况进行调查，结果发现有4 8 的地表水源、2 0 的地下水源达不到饮用水标准； 两1 9 9 6 年对全国2 0 4 个地级以上城市调查结果表明，这一数字已分别上升至约8 3 和2 7 。 对其中可比的2 0 个重点城市进行的全面调查表明：1 9 8 9 1 9 9 6 年间，尽管经过多方努力，但 饮用水源地水质仍呈恶化趋势，如所有水源地的c o d 指标均有不同程度的上升。日趋严重的 水污染又进一步加剧了水资源缺乏或不合理利用的矛盾。特别象辽河流域、海河流域、淮河流 域内的广大地区，严重的水污染使当地缺水矛盾尖锐化，给工农业生产造成严重损失【l 】。 富营养化是指湖泊等水体接纳过多的氮，磷等营养元素，使藻类以及其他水生生物过量繁 殖，水体透明度下降，溶解氧降低，造成湖泊水质恶化，从而使湖泊生态环境受到损害和破坏。 严重的甚至发生水华，给水资源利用带来巨大损失。我国湖泊、水库的总储水量约为6 2 1 0 亿立 方米，占水资源总量的2 3 ，在国民经济中占有重要地位。然而，近年来工农业的迅速发展大 大增加了氮、磷等营养物向水体中的排放量，加速了湖泊营养化进程，严重影响了湖泊的使用 功能。 1 9 7 8 1 9 8 0 年，对我国3 4 个主要湖泊，水库营养状态的调查评价结果表明：3 4 个湖泊中， 贫一中营养湖泊7 个，占总评价数的2 0 ，6 ：中营养湖8 个，占总评价数的2 3 5 ；中富营 养湖泊1 1 个，占总评价数的3 2 3 ；富营养湖5 个，占总评价数的1 4 7 ；重富营养湖3 个， 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = 日_ ! 鼍i i e ! e e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 占总评价数的8 8 。如下表1 1 所示1 3 1 。 表1 11 9 7 8 1 9 8 0 年我国3 4 个湖泊营养状态的分类统计表 湖泊营养类型 贫一中营养 中营养 中一富营养 富营养重富营养 湖泊数( 个) 781 153 占评价数比例( ) 2 0 62 3 53 2 | 31 4 78 8 湖泊面积( k m 2 ) 5 8 7 0 88 9 1 2 59 4 3 4 16 6 9 57 3 1 占评价面积比例( ) 2 4 13 6 73 8 80 ，2 7o 0 3 从上表可以看出，当时我国绝大多数湖泊处于贫一中营养和中一富营养状态，占调查面积 的9 9 7 0 0 ：已经达到富营养和重富营养的湖泊面积只占调查面积的o - 3 ( 多为城市附近的湖 泊) ，说明当时富营养化危害只在少数地区较为严重。 1 9 8 0 年后随着经济的快速发展，我国湖泊富营养化趋势明显加快。1 9 8 4 年3 4 个湖泊中某 些湖泊的营养状况就发生了急剧变化，如：北京密云水库己从贫营养向中一富营养过渡；于桥 水库己从中营养向富营养过渡；巢湖己从富营养向重富营养过渡，并出现严重的水华现象，几 乎涉及全湖面积。 1 9 9 0 年，中国环境科学研究院的赵章元等根据“七五”国家科技攻关课题“全国主要湖泊， 水库富营养化调查研究”的调查资料，对我国2 4 个主要湖泊水库的营养状态进行了评价和预 测调查结果表明，在1 9 9 0 年我国2 4 个主要湖泊中，除洱海和邛海尚处于贫营养状态外，其他 湖泊均己达到中营养状态或富营养状态。而在2 0 0 0 年，富营养化出现进一步加重的趋势，贫 营养及中营养的湖泊将由1 9 9 0 年的8 个减少到2 个，其余全部处于富营养或重富营养状态。 可见我国湖泊污染现状相当严重，发展状况令人担忧p j 。 1 2 富营养化源水对饮用水处理水质影响 富营养化现象是湖泊水库主要的环境问题，改变了生态环境的变迁，进一步危害经济发展 和人民生活，对饮用水生产影响更是引人注目。在许多国家和城市，湖泊水、水库水是重要的 甚至唯一的饮用水水源，更多的河流水与湖泊或水库相互中转输送到城市的自来水厂。富营养 化导致的藻类滋生，及水体中的有机污染物给饮用水生产带来很多不利的影响，主要有以下几 个方面： 1 2 1 对水厂生产运行影响 ( 1 )藻类及其分泌物影响混凝 据文献7 壤明：藻类浓度较低( 溶解性有机炭d o c 2 m g l ) 则对水处理过程有 西安建筑科技大学硕士学位论文 很大的干扰，使出水水质变坏。 ( 2 )藻类对过滤的影响 水中微小藻类密度较小，不易在混凝沉淀过程中去除。大量在混凝沉淀过程中未被去除 的藻类进入滤池后，常常造成滤池运行周期缩短，反冲洗水量增加，严重时甚至使水厂被迫 停产。 常见的引起滤池堵塞的藻类主要包括【1 0 】：硅藻门的直链藻，舟形藻，小环藻，星杆藻，针 杆藻，脆杆藻，桥穹藻，等片藻，平板藻等；绿藻门的小球藻，水绵藻，胶群藻等；蓝藻门的 颤藻，项圈藻，蓝束藻等。 ( 3 ) 增加药耗 水中藻类，有机物和氨氮的大量存在使混凝剂用量明显增加。预氧化与消毒时，有机物和 氨氮与氯反应，为了维持管网中相同的余氯含量则投氯明显增加。不但使制水成本提高，而且 增加了出水中消毒副产物，降低了饮水安全性。 1 2 2 对水厂出水水质影响 ( 1 ) 产生藻毒素 某些藻类在一定的条件下会产生藻毒素，对饮用水的安全性产生威胁。自2 产生毒素的藻类 多为蓝藻，最主要的有铜绿微囊藻，水华鱼腥藻和水华束丝藻。 ( 2 ) 增加消毒副产物 水中的藻类和有机物在消毒过程中与氯作用，产生三卤甲烷c n m s ) 和卤乙酸0 j a l a s ) ，使 饮水致突变性提高。 ( 3 ) 致臭 许多富营养化的湖泊都存在着不同程度的臭味。水中产生臭味的微生物主要是放线菌，藻 类和真菌。在藻类大量繁殖的水体中，藻类一般是主要的致臭微生物。并且藻类产生的臭味用 常规净水工艺很难去除，一些水厂已经引入了生物接触氧化处理，效果较为明显。 1 2 3 对管网和管网水质影响1 1 3 】 由于水厂出水中残留的有机物和氨，使得管网中异养菌和硝化菌滋生，造成管网水质恶化， 如浊度和色度升高，细菌总数增加。 穿透滤池进入管网的藻类以及残留的生物可同化有机物( a o c ) 成为微生物繁殖的基质， 促进了细菌生长，甚至在管网中生长较大的有机体，如线虫和海绵动物等，严重时可堵塞水表， 水龙头。 出厂水中的瘸质酸和富里酸与水中的无机离子及金属离子发生交换和络合反应，并与水中 的无机颗粒相结合，在管道流速较小的地方沉积下来形成管垢，在沉积较厚的地方因厌氧而发 西安建筑科技大学硕士学位论文 生腐质酸的腐化和垢下腐蚀，从而影响管网水质和增加动力消耗。 1 3 安全饮用水处理技术 1 3 1 藻类去除技术 ( 1 ) 直接过滤除藻 在水原水质浊度较低的情况下，有时采用直接过滤处理方法。由于过滤条件不同，并且没 有常规处理流程中沉淀所提供的缓冲作用，除藻效果会产生很大的差别，甚至出现水质恶化事 故，应用时必须特别谨慎。 ( 2 ) 微滤机除藻 微滤机主要用于去除水中浮游动物和藻类。一般来说微滤机对藻类的去除率能够达到5 0 以上，效果优于混凝沉淀；但对浊度、色度和c o d 的去除率都很低，比不上混凝沉淀。 ( 3 ) 强化混凝沉淀除藻 混凝沉淀通常对藻类的去除率较低，为了提高藻类去除率，通常采用强化混凝的方法来实 现。常用的强化混凝方法有：在使用混凝剂( 如硫酸铝) 的同时，调节p h 或再加入一定量的 活性硅酸，聚丙烯酰胺等有机高分子助凝剂。有试验表明嘲，采用强化混凝方法可以将混凝沉 淀的藻类去除率提高到9 0 以上。 ( 4 ) 气浮除藻 藻类的密度较小，絮体不易沉淀，所以采用气浮可以取得较好的除藻效果。我国昆明，苏 州，无锡等多个城市均采用气浮除藻。藻类去除率可以达到6 0 9 0 。气浮除藻的主要问题是 藻渣难以处理，气浮池附近臭味较大，操作环境差。 ( 5 ) 化学药剂除藻 化学药剂法是目前使用较为广泛的一种藻类控制方法，常用的化学杀藻剂有硫酸铜、氯、 二氧化氯、高锰酸钾、过氧化氢等。目前预氯化水处理中使用最为普遍，其目的是杀死藻类， 使其在后续水处理中易于去除。但实践表明，预氯化使出水中的消毒副产物明显增加，使饮用 水安全性下降。 ( 6 ) 生物处理除藻【1 4 1 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内外对生物接触氧化在给水中的应用进行了广泛深入的研究。 试验结果表明，生物接触氧化对微污染水处理具有综合性的处理功能。对氨氮的去除率通常能 够达到7 0 , - - 9 0 ，浊度降低5 0 - - - 8 0 ，色度去除率达到3 0 6 0 ，c o d 去除率为1 0 3 0 。 1 9 8 9 1 9 9 1 年武汉东湖水厂进行生物接触氧化处理试验中藻类的去除率为7 0 , - 0 0 。日本仙台 的生物处理试验表明，在停留时闻为1 h 时，对绿藻的去除率为4 0 左右，对硅藻的去除率为 8 0 左右。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 2 有机物去除技术 随着工业技术的不断发展，水源水质中的有机物每天都有新的种类出现，性质千差万别。 仅靠常规水处理工艺已经难以获得合格，安全和生物稳定性的饮用水。同时每一种单元净水工 艺都有其特定的处理对象，采用单一的工艺很难获褥安全可靠的饮用水，这时可以将各神单元 工艺串联起来，发挥各自的优势用以去除水中不同性质的有机物。从国内外目前的研究来看， 当前处理受污染水源水质的基本对策就是将生物处理，各种预氧化处理，活性炭吸附与常规水 处理工艺联合起来，优化组合新的净水工艺。 ( 1 ) 活性炭吸附 活性炭吸附主要用于深度处理，能有效去除水中致突变物，但其对水中有机物的去除受到 活性炭本身特性和水中有机物性质的影响，对于t o c 等综合性有机物指标的去除率随运行时 间的变化较大。活性炭对三氯甲烷的控制周期一般在半年左右。 ( 2 ) 臭氧氧化 臭氧具有较强的氧化性，臭氧的氧化作用使得有机物由大分子结构变成小分子，产物较原 来的物质毒性降低并且更易被生物降解，通常将臭氧与其他工艺结合使用，比如生物处理，活 性炭吸附等，这时臭氧的优势也会得到更好的发挥，出水效果会更好。 ( 3 ) 生物处理 生物处理是利用微生物的作用去除水中有机物，对可溶性，可生物降解的有机物效果显著， 而这部分通常是微生物营养基质在目前的常规水处理工艺中根本无法去除，所以能与常规工艺 形成互於作用。近几年从欧洲，美国，日本，韩国和我国等国家相继对此进行了相应的研究和 运用。 生物接触氧化技术利用生长在载体填料上的生物膜新陈代谢作用，不断地利用处理水体中 的污染物作为营养，对水体形成净化作用。实践表明，生物接触氧化对污水和给水水源水中的 各项指标均有良好的去除效果。 ( 1 ) 对氨氮的去除 生物接触氧化对氨氮的去除效果比较明显，在温度 1 5 。c ，溶解氧充足，停留时间在1 h 左 右，氨氮的去除率通常能够达到7 0 以上。有效减少后续工艺的氯气消耗量，节约制水成本。 ( 2 ) 对有机物的去除 生物接触氧化对有机物的去除可以分为：可降解有机物的去除和低浓度有机物的去除。 可生物降解有机物主要是低分子量有机物( 分子量 1 0 0 0 0 ) 有机物，而对低分子量有机物去除率低，特别对分子量 低于5 0 0 的有机物几乎没有去除能力。这部分低分子量有机物是形成消毒副产物卤乙酸的主要 西安建筑科技大学硕士学位论文 前身物，又是自来水管网中细菌生长的主要营养基质。在水质较好的水库水中，低分子量有机 物在总有机物重约占4 0 5 0 。因此，生物接触氧化能有效去除这部分有机物意义重大。 饮用水水源水质生物接触氧化处理生物膜中包含着大量的贫营养微生物( 如土壤杆菌、假 单细胞菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌、芽胞杆菌和纤毛菌) ，这些贫营养菌在天然水体条件下对 营养物的竞争具有较大优势，而且能利用二级基质作为营养物，降解浓度较低的微量污染物。 ( 3 ) 对铁、锰等无机盐的去除 由于生物接触氧化生物膜是一个复杂的生物菌群组成的有机体，试验表明，其对铁，锰等 无机盐的降解效果同样比较好。本课题试验中以黄河水为水源水质进行了试验，其去除率均为 5 0 以上。 ( 4 ) 除藻效果 生物接触氧化对藻类有一定的去除效果，但去除率依藻类种类的不同有很大的差异，对绿 藻门藻类去除率较低，只有4 0 左右：对硅藻门藻类的去除率在4 5 , 一7 5 之间；蓝藻门藻类的 去除率则可高达9 0 以上。由此可见，针对不同的水质，生物接触氧化对其中藻类的去除率将 随优势藻的变化而变化。 ( 5 ) 除臭作用 有资料显示，生物接触氧化对臭味去除效果显著，一般在5 0 - - - 7 0 之间，即使在水温较低 的情况下，其去除率同样较高。 另外，生物接触氧化对浊度、色度、z e t a 电位、t o c 、亚硝酸盐氮、挥发性有机物、挥发 酚、及石油类污染物均有一定的去除效果，达到全面净化水质目的。同时可以减少混凝剂和消 毒剂投加量，有效地减少了出水中所含消毒副产物浓，增加了水质安全陛。 1 5 本课题研究内容 1 5 1 生物接触氧化与扬水曝气器联合技术 ( 1 ) 扬水曝气器 扬水曝气器是在“扬水筒”的基础上进行改进的种具有提水和曝气功能装置，扬水筒主 要在日本、韩国等国家使用，用于混合水库、湖泊上下水层，以控制藻类的生长，去除色度、 嗅味等。改进后的扬水曝气器经小实验证明，具有良好的充氧性能，提水性能。能有效掺合上 下水层，提高了底部水层的溶解氧。详细情况见课题相关资料。 ( 2 ) 生物接触氧化技术 1 ) 填料的选择 包括载体填料的材质、结构、尺寸、体积、比表面积、挂膜后重量、固定方式。 2 ) 填料布置方式 载体填料是采用固定式还是悬浮式，填料的单体采用垂直式布置还是水平式布置。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 ) 辅助脱膜装置 由试验观察生物膜的积泥和生物膜老化后的脱落情况，决定试验中是否需要采用辅助方法 促使老化生物膜脱落。并决定生产性生物接触氧化系统是否布置相应的装置。 4 ) 设计确定生产性试验生物填料 包括载体填料的材质、结构、尺寸、体积、比表面积、安装方式、平面和空间布置。 1 5 2 扬水曝气条件下生物接触氧化对微污染源水水质改善效果 ( 1 )对有机物降解效果( u v 2 5 4 ，c 0 ，) ； ( 2 ) 对氨氮去除效果： ( 3 ) 对藻类、浊度、铁、锰去除效果； ( 4 )脱落生物膜特性及其对水处理效果影响 考虑生物膜老化脱落后，并不通过相应的功能设施排出蓄水池，故动态试验中将老化脱落 生物膜可能对生物接触氧化系统的整体水处理效果影响进行测试和评估。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 生物接触氧化技术 2 1 生物接触氧化技术发展概况m l 2 1 1 国乡h 生物接触氧化法是生物膜水处理法的一种形式，开始于污水处理研究和运用。早在1 9 世 纪末w a r i n g , d i t t e r 等人就开始了生物接触氧化污水处理实验研究。1 9 1 2 年c l o s s 获得了德国专 利登记。1 9 3 8 年日本也开始了相关的研究。其中德国的b a c h 和美国的b u s w e l l 最先把生物接 触氧化法运用于工程实践中，分别建立了e m s c h e r 和a l b a n a 污水处理厂。 最初的接触氧化法处理污水池是在不透水的槽中放入填料，然后从下侧曝气。这种方法集 中了生物滤池的生物膜固定方式与活性污泥的人工曝气两个方面的优点。在德国的相关处理系 统设计中采用的是江河分段自净作用原理，将生物氧化池分为2 3 段，即高污染带一中污染带 一寡污染带，每段停留时间为o 5 1 o h 。在整个处理工艺中，污水中所含的复杂有机物在每个 处理段不断地分解成简单的有机物，并被不同处理段的生物吸收和利用，不断地转化为无机物。 在2 0 世纪2 0 3 0 年代基本上形成了正规的接触氧化污水处理方法，但并没有得到及时的 推广应用，主要原因有： 1 ) 停留时间短，一般设计值为0 5 h 左右。所以污水中的有机物分解不彻底，出水各项指标去 除率较低。 2 ) 填料表面积过小，附着生物量少，相应的处理负荷过高。 3 ) 填料构造不够合理，易于堵塞，运行管理不方便。 美国新泽西州的部分污水处理厂采用了二级生物接触氧化处理法。设计中选用的填料为石 棉水泥板，平行排列在2 4 m 深处，板间隔3 8 c m ，厚0 6 4 c m ，底部设曝气管，设计中采用了与 其它生物污水处理相同的计算方法，b o d 选择了低负荷值。据w f l f o r d , c o n l o n 调查，处理效果 如下表2 1 所示。 表2 1 美国新泽西州1 1 个污水处理厂b o d 负荷值与去除率 b o d 负荷b o d 去除率b o d 负荷b o d 去除率 处理厂处理厂 g ( m 2 d ) l( )f 趴m 2 d ) ( 曲 l6 49 873 5 37 4 21 6 28 383 8 78 2 32 0 19 094 5 69 3 42 2 58 2l o6 5 2 9 0 52 4 o9 81 16 9 68 9 62 4 o8 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 从表中可以看出，生物接触氧化池水处理效果良好。b o d 平均去除率为8 7 5 。其缺点是： 填料表面积小，b o d 负荷值过低，增大了氧化池体积，经济上不合理。 2 0 世纪7 0 年代初，日本的小岛贞男选择蜂窝管式生物填料，以河流自净原理为基础，在 东京都玉川给水水源处理中运用了生物接触氧化处理法。由于填料的比表面积和孔隙率较大、 重量轻、强度大、脱膜容易，整体上处理效果较好。夏季停留时间为1 ，o 屯o h ，b o d 去除率为 7 5 - 9 1 ，氨氮去除率为9 7 1 0 0 ：冬季停留时间为2 3 o h ，b o d 去除率为6 4 7 9 ，氨氮去 除率为5 0 7 0 。如下表2 2 所示。 表2 2日本东京都玉川给水厂受污染水源水接触氧化处理效果 停留时间 氨氨去除率( )b o d 去除率c )a b s 去除率( )c o d 去除率c ) 夏季冬季夏季 冬季夏季冬季夏季冬季 0 7 59 26 l2 9 1 09 77 56 22 1 2 01 0 05 09 16 47 96 03 84 0 3 o7 07 96 84 4 4 ，08 06 87 84 5 注：夏季水温2 6 - 一3 0 1 2 ；冬季水温扣1 0 同时从上面表2 2 中可以看出，影响生物接触氧化池水处理效果的主要因素有：停留时间， 水温，壤料的比表面积和孔隙率等。 从2 0 世纪8 0 年代起，生物接触氧化技术在日本得到了迅速的发展和运用。首先，在使用 范围上，生物接触氧化技术广泛运用于水体富营养化处理，生活污水处理，生活杂排水和食品 加工，水果蔬菜罐头加工，鱼肉制品加工，酿造等工业废水处理中。1 9 8 0 年，日本政府建设省 发表通告中将生物接触氧化技术推荐在小型污水处理中首先采用的处理工艺。公布了构造准 则，使生物接触氧化技术更加通用化，规范化和系列化。据调查显示，1 9 8 1 1 9 8 5 年的5 年间， 日本新建设的小型污水处理槽为1 5 4 万台左在，而生物接触氧化法处理槽为8 1 万余台，占全 部装置的5 2 5 。由此可见，生物接触氧化技术在日本水处理领域中运用的广泛性和普遍性。 其处理效果调查结果如下表2 3 所示。 表2 3日本7 0 台污水生物接触氧化装置处理水水质分析结果 项目单位最小值最大值平均值标准偏差 p h 4 98 17 o0 7 3 透明度度 23 01 9 29 9 b o d m g l 46 7 56 09 8 c o d 】m g l 1 72 1 96 33 9 悬浮物m g l 13 0 04 l5 8 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 氨氮m g l 1 1 81 4 6 25 3 02 7 5 亚硝酸盐 m g l n d1 1 9 21 3 61 8 8 硝酸盐 m g l n d9 2 t 31 7 92 2 5 总帮 m g l 4 2 01 6 1 69 8 43 9 8 总磷。m g m 7 82 701 6 25 8 氯化物m g l 3 5 2 1 21 0 53 9 大肠菌群种( m l ) o2 2 0 04 9 06 4 0 注：上 铲衷示根据1 3 台设备分析结果。 2 0 世纪7 0 年代中期以后，在生物接触曝气池的基础上，欧洲和苏联也进行了相应的研究。 苏联研究以砂为填料的接触氧化池，用于污水的深度处理。由于采用了颗粒填料，所以有较大 的接触面积和表面生物活性，促进了生物吸附过程。出水水质较好，b o d 去除率为7 5 8 0 ， c o d m 。去除率为3 0 - - 4 0 ，悬浮物去除率为8 0 9 0 。 2 1 2 国内 在国内，1 9 7 5 年北京市环境保护科学研究所首先进行了生物接触氧化法处理城市污水试验 研究。之后，生物接触氧化技术在我国得到了较好的发展，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 应用的范围更加广泛 除了用于生活污水处理外，更多地应用于工业废水处理，主要有石油化工，农药，棉纺印 染，毛纺针织染色，丝绸，绢纺，轻工造纸，食品加工，发酵酿造等工业废水处理中。处理的 水质，从c o i k 。为数百m g ，l 的一般进水水质到数千m g l 高浓度废水。9 0 年代后，生物接触 氧化技术逐渐运用于给水水源处理，国内多家研究机构：清华大学，同济大学，上海市政工程设 计研究院，上海自来水公司，北京自来水公司，中国市政中南设计院开始了其系统研究，并建 立了几个较大的示范工程：东江深圳供水渠原水生物处理工程，上海南汇县惠南水厂生物预 处理工程，宁波姚江生物氧化预处理工程等。 ( 2 ) 氧化池池型设计有所创新 随着处理水量的增大和要求处理程度的提高，生物接触氧化池由原来的单格完全混合型逐 渐发展为多格完全混合式与推流式相结合。将生物氧化池分成数格，每格既相互独立，又通过 进水廊道相互连通。在每格中是完全混合型，而对整个氧化来说又属于推流型。池的进口至出 口负荷呈现高负荷中负荷低负荷，而每格中的生物种群与其负荷相适应，有效地提高了生 物接触氧化池总体处理效果。 本课题中将利用流场模拟软件f l o u t ，模拟计算原水蓄水池流场，优化生物接触氧化生物载 体填料布置，提高生物接触氧化与扬水曝气器总体水处理效果。 ( 3 )填料的研究和开发工作十分活跃1 目1 2 2 1 1f 1 3 1 0 话安建筑科技大学硕士学位论文 生物填料作为生物膜的载体是生物接触氧化技术的关键，其性能直接影响系统的水处理效 能和经济上的合理性。国内技术人员先后研制了软性填料，半软性填料和以聚丙烯为材料多种 结构的弹性填料。 软性填料具有质轻，比表面积大，易于加工与安装，不易堵塞，价格便宜等优点，国内的 污水处理中广泛采用。但在实际使用中软性填料的纤维易被生物膜粘结在一起，产生结球现象， 使其比表面积大为减少，结球的内部产生厌氧作用，影响处理效果。另外，软性填料中的水流 流态并不理想，在填料中容易产生大气泡，从而影响氧的利用率。 半软性填料由变性聚乙烯塑料为材料，同时具有硬性填料的刚性和软性填料的柔性，水流通 过这种填料时可产生明显的紊流流态，传质效率较高，有机污染物去除能力和充氧效率比蜂窝 填料和软性填料均有所提高，是目前废水处理中使用广泛，性能良好的填料。 从9 0 年代初期，国内的多家研究机构陆续进行了生物接触氧化技术在给水水源处理中的 运用性研究，并开发了以聚乙烯，聚丙烯，聚酰胺类经过一定的亲水性和抗氧化性处理后的材 料为材质，多种结构形式的弹性纤维填料。其结构形式主要有y d t , p w t , t a 几种形式。弹性纤 维填料一般都设计成丝条形的特殊结构，挂膜后比表面积能够成倍增大，对水处理效果有着充 分保证。并且这种结构对挂膜，脱膜都比较容易，挂膜后由于丝条在水流和气流中能够柔陛颤 动，有着良好的传质效率，所以能够维持生物膜的较高活性。对高负荷冲击具有良好的适应性。 挂膜后生物膜不易堵塞和结团，运行管理方便。在安装的过程中，对丝条的粗细和组装形式可 以对生产厂家提出相应的要求，进行调节，运用前景较为广阔。 ( 4 )曝气充氧设备不断得到改进，开发了许多新的曝气充氧设备 为了提高氧的传质效率，节省动力，防止堵塞和短路，降 氐造价。国内一些企业和科研机 构先后研制了多种类型的曝气充氧设备，主要有： 散流式曝气器，其特点是：布气均匀、流态好、氧利用率和动力效率较高、构造简单、安 装方便、具有良好的耐腐蚀性。生物接触氧化处理废水工艺中被广泛采用。 微孔曝气器，其特点是：气孔孔径在2 8 0 l ar f l 以下( 一般为1 5 0 1 a m ) ；出孔气泡直径在2 m m 以下；行程气泡直径在5n l l t l 以下；氧的利用率可达2 0 2 5 ，比其他类型曝气充氧设备节能 3 0 5 0 。但是供给微孔曝气器的空气必须经过除油等预处理，以防微孔堵塞。在此基础上， 上海石化环保器材厂利用微孔曝气的可变孔原理，薄壁原理以及狭缝气孔原理，研制了可变孔 曝气软管。可变孔曝气软管的气孔可随气量的增加而变化，所以曝气更均匀，有效地防止了堵 塞，产品价格也低于其他微孔曝气器。 本课题中设计的扬水曝气器其主要部位包括曝气室、气室、上升筒等，扬水曝气器通过改 进进气方式，使压缩空气从小孔嘴或穿孔管向水体扩散，并将释放口安装于气室下部一定距离， 保证了释放的小气泡在进入气室前有一定的时间和接触面积向水体传输氧。有效地保证了扬水 曝气器充氧功能。在气室体积、水深、扬水器规模等几个变量之间建立精确的量化关系，使气 室中的气体迅速逸出，形成具有高效提水能力的气弹。所以试验中采用的扬水曝气器具有扬水 西安建筑科技大学硕士学位论文 和曝气的双重功能，适用于水深较大、在水底经常性形成厌氧环境的水源。 2 2 生物接触氧化池结构 生物接触氧化处理法通常由氧化池，供气系统，供排水系统组成。氧化池是生物接触氧化 的中心构筑物，由池体、填料及其支架、曝气装置、进出水装置和排泥管道等部分组成。 2 2 1 氧化池池体 池体是容纳被处理水体和围挡填料构筑物。目前，实际运用中有利用现成构筑物安装生物 填料形成生物氧化池的，更多的是投资建设独立规范的生物氧化池。氧化池的平面尺寸要求能 满足所要求的流态，布水布气均匀，填料和其他配套装置安装维护方便，与其他构筑物相匹配。 本课题中生产性试验拟采用原水蓄水池作为氧化池，生物填料和扬水曝气器均安装在原水 蓄水池内，由试验评估试验可能产生的结果，填料所需的数量，工艺操作参数等。选择适当的 平面布置，改善原水蓄水池流态，保证试验处理水效果的稳定性。 生物接触氧化试验装置池体为不锈钢，分为两格，分别采用不同的填料布置方式，进行计 划方案内的各项试验。具体见设计附图。 2 2 2 填料及其支架 生物填料是生物接触氧化的主体，对其材质、比表面积、结构等均有不同程度的要求，具 体见下一节关于“载体填料”的论叙。 填料支架是固定和支撑填料的部件，一般都做成拼装式，也有将支架连同填料一起做成单 元框架式。支架的材料有圆钢，扁钢和塑料管几种，要求支架断面不要太尖锐，以免割裂填料。 同时，使用钢材作支架时应注意防腐，在给水处理中，防腐处理时应选择食品型防腐剂，不应 给水体带来新的污染。 2 2 3 曝气装置 曝气装置是接触氧化池的重要组成部分，对于维持填料上生物膜活性，提供生物膜所需的 养料，保证氧化池的正常运行，提高水处理效率至关重要。 本课题研究中，曝气装置集扬水和提高水中溶解氧功能于一体，与生物接触氧化形成良好 的互补增效作用，作为一个独立单元分别进行了试验和中型试验，具有独特的设计结构，充氧 速率和其他相应功能。详见相关文献。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! = ! = = ! s ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! 一 2 2 4 进出水装置 氧化池