（环境科学专业论文）新型生物膜反应器修复城市地表水的研究.pdf

上海师范人学硕十学位论文 s t u d yo nb i o r e m e d i a t i o no fu r b a ns u r f a c ew a t e rb yn o v e lb i o f i l mr e a c t o r a b s t r a c t a i m i n gp o l l u t e ds u r f a c ew a t e r , p e o p l eh a v et a k e nm a n ym e t h o d st or e m e d yi t ，t h e b i o f i l mh a sh i g he f f i c i e n c yf o rr e m e d i a t i o no fs u r f a c ew a t e ra m o n gt h e m n eb i o f i l mc a r d e r i su s u a l l yr e l a t i v et oi t sa c t i v i t y c e r a m i cp a r t i c l ew a sm a i n l yu s e df o rb i o f i l mc a r d e ra n d r e m e d i a t i o no fs u r f a c ew a t e r , h o w e v e r , t h e r ea r es o m ep r o b l e m so fi t ，s u c ha sf l o ws i t u a t i o n ， w a s h i n gb a c ka n dt h ec o m p l e xs t r u c t u r e ，i n c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ak i n do f c e r a m i ch o n e y c o m bc a r d e rw a su s e df o rb i o f i l mc a r r i e ra n dn o v e lr e a c t o rw a sd e s i g n e db a s e d o nc a r r i e r , w h i c hw a su s e df o rr e m e d i a t i o no f p o l l u t e du r b a ns u r f a c ew a t e ri nt h i sp r o j c o t p r o p e r t i e so fb i o f i l mf o r m e da n dg r o w t ho nc e r a m i cc a r r i e rw e r ed i s c u s s e du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc e r a m i ch o n e y c o m bc a r r i e rw a s p r o p i t i o u st ob i o f i l m sf o r m i n ga n dg r o w i n g i n f l u e n c eo fh y d r a u l i cr e s i d e n tt i m e ( h r t ) o n n h 4 + - nr e m o v a lr a t ew a ss t u d i e da tf i r s t ，t h e nt h eb e s th r tw a sd e t e r m i n e db a s e do nt h e e x p e r i m e n t s t h er e m o v a lr a t eo f n h 4 。l _ n 、t p 、c o d c f 、t o c 、n 0 2 - - na n dt u r b i d i t yw e r e 8 2 8 - 9 5 8 ，2 11 4 5 6 ，4 3 5 6 7 ，6 6 3 7 7 ，2 6 1 6 0 3 a n d8 2 8 - 9 5 8 r e s p e c t i v e l y u n d e rh r to f5 0m i n f u r t h e r m o r e t h er e m o v a lr a t eo fu 2 5 4w e r e3 7 - 3 5 7 t h er e a c t o r w a sc o n n e c t e dw i t ha n a e r o b i cc e r a m i cf i l t e rt a n ka n du s e df o rt r e a t m e n to fs u r f a c ew a t e ra n d t h et nc a nb er e m o v e d e 俄c to fs e v e r a lf a c t o r so na m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lw e r e d i s c u s s e d ， a b u n d a n tm i c r o b i o l o g yf o r m e do nt h ec a r r i e rd u et ot h es p e c i a ls t r u c t u r eo fc e r a m i c c a r d e ra n dt h es u r f a c ew a t e ra c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t s t h em i c r o o r g a n i s ma t t a c h e do nt h e c a r d e re a s i l y , a n dh o n e y c o m bs h a p ep r o m o t eo x y g e nt r a n s f e r , w h i c hi sm a i nr e a s o nw h y a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lw i t hh i g he f f i c i e n c ya c c o r d i n gt oa n a l y s i s b a s e do nb e n c hs c a l e ，t h er e a c t o rw a se n l a r g e do np i o n e e rs c a l ei no r d e rt os u p p l yt h e d a d af o rp r a c t i c e 1 1 诧r e a c t o rw a sa l s oc o m p a r e dw i t hf l u i d i z e db e dr e a c t o rf o rt h e i rb i o f i l m f o r i na n da m m o n i a cn i t r o g e nr e m o v a l t h er e s u l t si n d i c t e dt h a tt h en o v e ir e a c t o rh a st h e p r o p e r t yo f b e t t e rw a t e rq u a l i f ya n dl o w e rd r i v ep o w e r 1 1 圮r e a c t o rw a sa l s oe x t e n d e dt ot r e a tt h ew a s t e w a t e rw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o no f a m m o n i an i t r o g e na n dt h ee f f l u e n tf r o mm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tr e s p e c t i v e l y a n di t sr e m o v a le f f i c i e n c yo na m m o n i an i t r o g e ni sr e l a t i v e l yh j 【g h t h en o v e lr e a c t o rh a sw i d ea p p l i c a t i o ni nt h eb i o r e m e d i a t i o no fs u r f a c ew a t e ra c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：s u r f a c ew a t e rr e m e d i a t i o n ；c e r a m i ch o n e y c o m bc a r r i e r ；b i o f i l mr e a c t o r 论文独创性声明 本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。论 文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中 做了明确的声明并表示了谢意。 储躲悄嘲加疋， 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、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、缩印或其它手段保存论文。保密的 论文在解密后遵守此规定。 作者签名：寻奄导师签名：私永如日期：2 。n 主 上海师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 水是生命之源，没有水也就没有人类和人类社会，它是经济和社会可持续发展的基 础，然而随着科学技术的飞速发展，工农业的不断进步，人口的持续增加，人类社会正 面临着严重的水危机，具体表现为水资源的短缺和水环境的污染。 1 1 水资源现状 1 1 1 水资源短缺 地球上1 3 亿k m a 的水资源中9 7 5 的是海水，这部分水即不能饮用也不能用于灌 溉，另外占2 5 的淡水资源绝大部分以冰的形式存在于南北极、格陵兰，或者在很深 的地下储水层，至今人类还不能直接加以利用。这些淡水资源中只有0 8 的淡水存在 于河流和湖泊中，总量约占1 0 万k m 3 。只有这部分水才是目前人类社会赖以生存的根 本。我国是世界上1 3 个贫水国家之一，水资源长期处于紧缺状况1 1 】。我国水资源总量2 】 为2 8 1 2 4 亿m 3 ，然而由于人口众多，我国人均占有水资源仅2 3 4 0 m 3 ，不足世界人均占 有水量的l 4 。又由于我国水资源在地区分布上很不均匀，总格局是南方多，北方少， 东南多，西北少。在时间分布上也不平衡。随着我国经济的快速发展、人民生活水平的 不断提高，生活用水量和工业用水量迅速增加，许多地区的缺水闯题越来越严重。联合 国警告，到2 0 2 5 年，全世界将有近一半人口生活在缺水地区，水危机已经严重制约了 人类的可持续发展【3 1 。 1 1 2 水环境污染 人们生活用水、生产用水主要来自于地下水和地表水，其中地表水分布较为广泛， 来源丰富且利用较为方便，加之地下水的过量使用，水位急剧下降，因而各种地表水源 已成为人们用水的主要来源。近几年来世界经济的持续发展，尤其是有机化工、石油化 工、医药、农药、杀虫剂、除草剂等生产工业的迅速发展，相应产生越来越多的城市生 活污水、工业废水，如造纸废水、焦化废水、制药废水、炼油厂废水、石油化工废水、 印染废水等。各种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接进入水体，造成水源水的 严重污染，符合地面水i 、i i 类标准的源水越来越少，许多源水的水质仅相当于i i i 、 类水体标准，甚至更差，城市可利用的水量减少。形成所谓“水质型”缺水。 在国外，特别是近几十年来，由于工业的迅速发展和人1 3 的高度集中，水体也受到 上海师范大学硕士学位论文 不同程度的污染。在法国，塞纳河、瓦兹河和马思河都不同程度的受到工业废水、生活 污水和农业废水的污染；德国的鲁尔河自2 0 世纪7 0 年代以来水质严重恶化1 4 1 ：美国8 0 年代初对7 个地面水源的调查发现，它们也不同程度的受到污染吼 随着我国人口增长、社会经济发展和城乡的开发建设，大量含有各种有毒有害物质 的工业废水、生活污水未经处理或只经部分处理便排入天然水体，致使许多水域受污染， 饮用水源水质日益恶化，水污染加剧了我国的水资源危机，威胁到人民的身体健康并影 响了经济的持续发展。氮、磷和有机物含量超标以及由此造成的水质富营养化是目前我 国水污染的主要问题 6 1 。 ( 2 0 0 4 年中国环境状况公报显示，2 0 0 4 年全国七大水系( 海河、辽河、淮河、黄 河、松花江、长江、珠江1 均受到不同程度的污染( 污染程度由重到轻) ，主要污染指标 为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。其中海河水系属重度污染，劣v 类 水质的断面比例为5 6 7 【7 】。有监测部门报告，全国5 3 2 条河流中8 2 受到不同程度的 污染，流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中9 3 被污染，其中严重污染的占7 9 ，全 国9 7 的大中城市地下水受到严重污染，水库、湖泊由于富营养化导致藻类滋生严重【8 l 。 目前，全国已有一半的水体不符合渔业水质，四分之一的水体不能作农业灌溉，在 人们普遍比较关注的饮用水方面，水资源的质量面临着严重不足，我国因污染不能作为 饮用水源的地表水占监测水体的4 0 ，并且5 0 的地下水受到污染，6 4 的人正在使用 不合格的水源【叭。水环境的污染不仅影响了农业和渔业生产，而且严重威胁着人体健康， 并成为制约2 1 世纪中国社会经济、工农业发展的主要因素【1 0 l 。 1 1 3 上海河道水污染状况 上海可利用的水资源资源总量富足，但河道水质污染状况十分严重，饮用水源紧缺， 是典型的水质性缺水城市。自六十年代以来，随着城市建设步伐的加快，上海城市河道 污染范围不断扩大，污染程度日趋严重，河流淤积堵塞状况日益加深，对暴雨泄洪、环 境卫生、生态环境、资源利用、市容等都产生非常不利的影响，对人们的日常生活也造 成了影响。在上海地区，很难找到符合地面水2 类标准的水源，水源水经传统工艺处理 后，自来水耗氧量、氨氮、有机卤代化合物等指标偏高，致突变实验亦被列在不合格项 目中( 1 i j 。 目前，上海市河道水质的基本概况是：黄浦江上游水源保护区功能要求是i i i i i 类 水，现在只能维持在i i i 类水的水平。黄浦江市区段的一些主要支流，水质大多劣于 2 上海师范大学硕七学位论文 v 类。郊区( 县) 河流，除个别河流外，一般只能达到v 类或劣于v 类。 上海城市河道受到严重污染的原因，主要有三个方面：1 生活污水和工农业污水的 直接排入和渗入是主要方面。2 雨水径流污染，通过降雨，特别是暴雨，进入河道；3 污水中污染物沉积以及垃圾倾倒，导致河道淤积堵塞不畅通。 根据2 0 0 6 徐汇区环境状况公报，2 0 0 5 年对全区九条河流的总共十五个监测断面进 行评价，污染级断面有十四个，重污染级断面有一个。以漕河泾河道为例，水中c o d 达到5 0 1 5 0 m g l ，河道几乎变成了排污沟。 漕河泾处于上海市西南部，流经徐汇、闵行两区，河流水系系统地交叉，其水文、 水质受黄浦江主流的影响很大。它全长约5 公里，水面最宽处约2 1 米，最窄处约5 5 m ， 平均宽约1 2 m 左右。上海市的河湖以雨水、地下水为主要补给，尤其以雨水为主，地表 径流量月际和年际变化变化率大。河流受潮汐影响，潮汛因素复杂。上海市主要河流大 约在每2 4 小时4 8 分钟内，都有涨潮、落潮过程两次，属河水流向不稳定的往复流。漕 河泾同样如此，但感潮强度弱，潮差一般在o 3 m 左右。漕河泾水位主要取决于降雨量 和上游水量，水深约2 8 m ，涨潮时龙华港段的水进入漕河泾，落潮时渚河泾水及上游水 由龙华港进入黄浦江，涨潮时水位最高约3 1 m 左右。 上个世纪后期，政府部门意识到河道污染的严重性，对上海市的一些大型河道采取 了整治措施，至今已取得了显著的效果，如黄埔江、苏州河。虽然对一些中小型河道也 采取了整治，但效果不佳，水质仍不尽如人意。 漕河泾水质仍不能完全达到v 类水要求，原因有几点：第一，没有彻底断绝污染源， 沿河岸的老式居民住宅的生活污水没有接入龙华污水处理厂，而是进入雨水泵站打入河 道。第二，沿河个别工厂的生产废水有偷排的现象。第三，河道内本身的微生物量太少， 污染物降解速度太慢，污染物降解速度低于输入速度。第四，漕河泾上游段一张家塘港 的河道还未进行清淤和堤岸整治，水质相对较差。 这种受污染的水体普遍呈现有机物与氨氮明显升高的特征，且碳氮比值较低，处理 比较困难，本实验旨在探索采用新型生物膜反应器作为地表水的生物处理技术，以直接 或间接应用于微污染给水源水，受污染河道水、景观水处理以及城市生活污水二级处理 出水的再生回用水处理。 上海师范大学硕士学位论文 1 2 地表水处理技术 1 2 1 常规处理技术 给水处理的主要任务和目的是通过必要的处理方法去除水中杂质，以价格合理、水 质优良安全的水供人们使用，并提供符合质量要求的水用于工业【2 l 。给水处理的方法应 根据水源水质和用水对象对水质的要求而确定。到本世纪初饮用水净化技术已基本形成 了现在被人们普遍称之常规处理工艺的处理方法。这种处理工艺至今仍被世界大多数国 家所采用，成为目前饮用水处理的主要工艺。饮用水常规处理工艺的主要通过混凝和絮 凝、沉淀和澄清、过滤和消毒去除水源水中的悬浮物、胶体物质、细菌。 但是近几十年来随着工业现代化的迅猛发展，城市化和人口增长尤其是化学工业的 突飞猛进，使得人工合成的化学物质总数己超过4 万种，而且每年有上千种新的物质被 合成。这些物质有相当大一部分通过人类的活动进入水体，使饮用水水源水质受到严重 的污染，这种水源水质采用常规的水处理工艺流程亦很难满足饮用水质要求，常规水处 理技术己显得力不从心。预氯化产生的卤代物在混凝、沉淀及过滤过程中不能得到有效 去除；虽然常规工艺能部分去除水中致突变物质，但对水中氯化致突变物前体物不仅不 能去除，反而因混凝剂的作用在处理过程中产生了部分移码突变物前体物和碱基置换突 变物前体物，使出水氯化后的致突变性有所增加1 1 2 】，并且地面水源中普遍存在的氨氮问 题常规处理也不能解决。 1 2 2 深度处理技术 深度处理技术是指在常规处理工艺之后采用适当的处理方法【1 3 】，将常规处理工艺无 法去除的污染物及消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水质。目前应用较广 泛的深度处理技术有：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性碳、光催化氧化、膜技术等。 深度处理技术也不能完全解决水质污染【1 4 】，并且深度处理费用较高，所以考虑采用 一些预处理技术来弥补常规处理和深度处理的不足已成为目前人们关心的问题。 1 2 3 预处理技术 预处理【2 通常是指在常规处理工艺前面采用适当物理、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可以使常规处理更好的发挥作用，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。 预处理技术按对污染物去除途径不同可分为吸附法和氧化法。吸附预处理技术包括 4 上海师范大学硕士学位论文 粉末活性炭吸附和粘土吸附法，氧化法又可分为化学氧化法和生物法。 1 2 3 1 吸附预处理技术 粉末活性炭可去除水中色和嗅味物质，但投加后无法回收再生利用，费用相对较高。 粘土对有机物有较好去除效果，并可提高后续混凝沉淀效果。但粘土吸附对氨氮无明显 去除作用，并增加沉淀池的排泥量，给生产运行带来了一定困难。 1 2 3 2 化学氧化预处理技术 化学氧化预处理指采用氧化剂分解破坏水中污染物的结构，以转化或分解污染物。 包括氯气预氧化、高锰酸钾、臭氧、紫外光、c 1 0 2 、i - 1 2 0 2 氧化法。 预氯化是应用最早且目前仍被广泛使用的预处理技术，投加一定量氯气进行预氧 化，可控制微生物、藻类在管道内或构筑物中的生长，对亚硝酸盐氮的氧化能力较强， 同时可以氧化一些有机物和提高混凝效果并减少混凝剂使用量，但由于预氯化导致大量 卤化有机污染物的生成，且不易被后续常规处理工艺去除，造成水的毒理学安全性下降。 臭氧是氧化能力很强的氧化剂，投量高对能将很多有机物和无机还原性物质进行彻 底氧化降解，投量低时，一般能使大分子有机物变为小分子有机物，起到预氧化的作用。 它对n 0 2 - n 有很强的氧化能力，但对n h 3 - n 却影响不大，对水中移码突变物有部分去 除效果，但对碱基置换突变物没有明显的处理能力，而且部分氧化产物不易被常规处理 去除，出水氯化后的致突变活性与原水相比有较高的上升。 k m n 0 4 预氧化对移码突变物前体物有较好的去除效果，但有机物经k m n 0 4 氧化后 的氧化产物中，有些是碱基置换突变物，不易被后续常规工艺去除，k m n 0 4 对n 0 2 - - n 只有微弱的氧化能力，而且经k m n 0 4 预氧化后，水的色度大幅升高，混凝沉淀出水中 锰含量也会增加。 c 1 0 2 对n h 3 n 、n o z - - n 去除效果不明显，对有机物和色度几乎没有去除效果，对 藻类有较好的杀灭效果，但使用c 1 0 2 做消毒剂或氧化剂时，将有9 0 - - - 9 5 的c 1 0 2 转化 为亚氯酸根离子。亚氯酸根也会对人体产生健康危害。 h z 0 2 预氧化与0 3 相似，随着h 2 0 2 投加量的增加，出水氨氮浓度也随之增加。紫 外光预氧化处理虽能有效减少水中有机物数量，但对水中毒性物质无明显去除能力，不 但能降低水的致突变活性，而且光解作用还产生了一些移码突变物与碱基置换突变物前 体物，而这些前体物在常规处理工艺中不易去除。 1 2 - 3 3 生物氧化预处理技术 生物处理技术最早用于生活污水和工业废水的处理，随着经济的发展，水资源紧缺 上海师范大学硕七学位论文 问题越来越严重，一些国家和地区将污永作为“第二水源”，同时由于作为饮用水水源 的水质都在不同程度上受到各类污染物的污染，而这些污染物用常规的饮用水处理工艺 是不能完全解决问题的，因此生物接触氧化法逐渐由在废水上的应用转到饮用水处理上 来，并越来越得到青睐口5 】。生物处理法与物理法、化学法相比，具有经济高效的优点， 并可实现无害化、资源化，所以长期以来一直占主导地位。包括生物过滤反应器、生物 塔滤、生物接触氧化法、生物转盘反应器、生物流化床反应器、土地处理系统等。 生物预处理对源水中污染物的去除性能，与化学氧化预处理相比，生物预处理在微 污染水源水的除藻、除色、除臭、除浊、除氮方面有很大的优势，其主要目的是去除不 能用常规处理方法去除的污染物，如可生物降解的有机物，人工合成有机物和氮氮，亚 硝酸盐氮，且具有经济、有效、简单易行的特点。其在饮用水处理中主要具有以下特点： ( 1 ) 能有效去除原水中可生物降解有机物； ( 2 ) 对低浓度有机物有较好的去除效果； ( 3 ) 能去除氨氮、铁、锰等污染物； ( 4 ) 使整个处理工艺出水更安全可靠，且对后继常规处理无不利影响。 1 2 3 4 生物接触氧化法 生物接触氧化法属于生物膜法【埔】，生物接触氧化法具有如下特点： ( 1 ) 填料比表面积大，提供了巨大的生物栖息空间，馒大量的生物得以附着生长，生 物膜比较稳定，延长生物停留时间，有利于一些生长较慢的微生物如硝化细菌等自养菌 的不断积累： ( 2 ) 填料对气泡起到切割、阻挡和吸附的作用，馊气泡的停留时卿和气液接触表面积 增加，加快氧的转移速率，提高了传质效果和对氧的吸收能力，减少曝气量； ( 3 ) 曝气强度大，池内空气、水流扰动剧烈，生物膜不断更新保证其活性，代谢物质 的流动和更新速度快，浓度梯度大，加快了传质速度。由于以上特点，生物接触氧化法 具有处理水量大，处理时间短，容积负荷高，对冲击负荷有较强的适应性，出水水质较 稳定，污泥产率低，运行费用低，占地面积小，运行灵活，操作管理方便等优点。 1 3 7 j 1 2 时为5 m g t l ，水温1 2 时为8 m g l 的。并且根据城市污水再利用标 准g b t t 8 9 2 1 2 0 0 2 ，观赏往及娱乐健景观环境用水氨氰水质标准要小于5 r a g l ，本实验 结果完全达标。 污水的深度处理还需要多种污水处理技术的合理组合，这不仅与污水的水质特征、 处理后水的用途有关，还与各处理工艺的互容性及经济的可行性有关。 8 ，3 小结 该新型生物反应器不仅可以用于地表水的修复，还可以用于其他废水的处理。对高 氨氮浓度的地表水体，水力负荷最高可达到6 2 7 m 3 r n z ，d ，载体的氮负荷可达到 3 7 6 k g m 3 d ，反应器可以填充率很低的情况下。快速有效的处理氨氮浓度较高的地表水， 能达到很高的氮负荷； 本反应器对污水处理厂出水中的氨氮能进行有效的处理，出水符合作为回用水对氮 的要求，并可满足城市污水再利用标准中的观赏性及娱乐性景观环境用水要求。 上海师范大学硕士学位论文 第九章结论和建议 9 1 软体动物的影响及控制 室外大型型反应器在实验期间出现软体动物椎实螺的生长，在东深源水生物预处理 工艺试验期间，池内填料也见到这种椎实螺，曾多次大量生长，对生物处理效果产生影 响；宁波梅林水厂生物预处理池所出现的“蜗牛”也可能是这类软体动物。 这种椎实螺属于软体动物门腹足纲椎实螺科。根据其形态学特征，初步判断是小土 蜗。本种椎实螺分布十分广泛，在我国南方各地的淡水环境均有生长 6 0 。当其个体小 ( 1 - 3 r a m 大小) 、数量稀少时，对生物膜的危害小，有一定的促进生物预处理作用，可以 捕食低等动物，防止膜上动物的过度生长；吞食藻类和脱落生物膜；促进生物膜的更新。 成熟个体( 5 。1 1 r a m 大小) 则会啃食生物膜。椎实螺在池内的大量生长使源水生物预处理效 果下降，其数量很多时，生物反应器的处理效果降低，本实验中当i - i r t 为0 8 h 时，去除 率降n 5 0 7 0 左右。 解决方法有三种：1 】避免椎实螺迸入池内是防止其过量生长的最可靠办法【州。可 在生物预处理池前设置砂滤池或采用孔径小于0 8 r n m 的滤网，但存在堵塞和反冲洗频繁 的难题。在处理池之前增加预沉淀装置，能够减少进入生物处理池的小螺数量，延长静 置水力清除的周期。2 ) 静置水力清除法：利用椎实螺需氧生活的特点可将其从池内去除。 当池内小螺大量生长时，可采用以下清除措施；生物处理池停水、停气1 2 - j , 时，小螺浮 出水面后在水面无障碍物的前提下向池内正常进水，小螺随水流向出水端，再迸一步流 出池外或被捞除。静置水力消除法简单可行，在工程上易于实施。3 ) 生物方法：椎实螺 的天敌是杂食性鱼类，青鱼、卿鱼等喜食壳薄体小的椎实螺，运行时，如果出现小螺的 大量生长，可投加青鱼等杂食性鱼类，以捕食小螺，在一定程度上防止其大量生长。但 食螺鱼类的投加种类、投加量、尺寸、以及在池内对生物处理效果有何影响等均待深入 的研究f 5 3 】。 本实验中因处理低浓度的水所以生物膜较薄，室外大型反应器去除率低一方面是因 椎实螺对生物膜的啃食，另一方面由于室外反应器的蜂窝孔较小，这些小螺对孔造成了 堵塞，不利于曝气，所以以后设计蜂窝陶瓷反应器在不影响处理效率前提下要加工成大 孔薄壁型蜂窝陶瓷。 上海师范大学硕士学位论文 9 2 生物反应器优点、缺点和开发的前景 通过本次实验发现该生物反应器用来处理地表水存在着一定的优缺点，由于该反应 器尚处于开发初期，对于优点。我们将继续的研究和发展，但是对于反应器一些缺点也 将进一步改进，包括反应器本身的结构和一些工艺流程等。 9 2 1i a l 七h s 生物反应器优点 其一，该生物反应器作为生物膜反应器，载体固定化细胞、增加生物相浓度以提高 生物反应的速率；特别是在处理地表水时对于生长周期长、生长速率慢、又喜欢附着生 长的硝化等菌种的生长和富集有良好的作用；提高生物硝化的速率和减少构筑物的面 积，减少经济费用，所以在生物脱氨氮领域将有很实际的应用价值：而且当水力负荷一 定时，不管迸水氨氮浓度高低，都可保持出水氨氮在一个较为稳定的范围浮动，说明该 生物反应器在脱氨氮方面十分的稳定，能承受一定的冲击负荷。 其二，该生物反应器的内循环管及内部的蜂窝孔使反应体系内形成无数个内循环， 这不但增加了其中气、水在其中有效的混合和流动，增加了传质效果，提高了生物降解 效果，这是反应器能高效去除氮氮的直接原因。并且内循环起到静态混合器的作用，以 提高气液传递速率，强化流体流动，减少反应器内的流动死区【鲫。 1 ) 内循环使得底部进水因气体的提升作用从蜂窝陶瓷的各个小孔中上升，到膨胀区 后，只有少部分水排出，大部分水又在重力作用下而下沉到底部被再次提升。内循环使 反应器顶部富含氧的水重新回到反应器底部，被再次提升，使水中的氧重新被微生物所 利用。这样的话可以减少曝气量，从而减少了部分能源消耗。 2 ) 可以在不增加反应器的容积负荷的基础上而相应的增加了反应器的水力负荷，当 水力负荷增加的情况下，可以对蜂窝陶瓷载体表面老化的生物膜进行一定的冲刷作用促 使生物膜的及时更新和增加传质效果，保持了较薄和活性较强的生物膜，很好的保证了 生物膜内的微生物都处于好氧状态。 3 ) 减少了系统内的短流、沟流和死区，有效的提高了系统的有效容积；另外，受污 染的水因被反复的提升，增加了污水中污染物与生物膜的接触频率、时间和面积，从而 大大的提高了系统的生化降解的能力。 其三，该生物反应器对进水的预处理要求较低，只要通过格栅去除一些大的悬浮物， 可不经过初次沉淀池即可直接的进入生物反应器进行生物处理。 上海师范大学硕士学位论文 其四，该生物反应器在运行过程中运行管理简单，而且反冲洗较为简单和方便，由 于陶瓷载体机械强度较好，只要略加大曝气量即可进行，而生物膜的恢复期较短仅1 天 或小于l 天，这主要因为蜂窝陶瓷载体是一种具有大量微孔隙的填科载体，比表面积大， 非常适合微生物的生长和富集，冲洗后陶瓷内部微孔隙的微生物并不会被冲洗掉，可保 留处理能力强的菌种如硝化菌种在其中，而硝化细菌生长速率低，生长缓慢，所以此反 应器恢复起来比别的接触氧化法反应器快，因反应器不易堵塞，反冲洗周期较长为1 0 天 左右，具体根据进水的水质来决定。 9 2 2i a l c h s 生物反应器的缺点 当然该i a l - c h s 生物反应器在许多优点的同时，像一些新生事物一样也存在一些 缺点，因为该生物反应器正处在开发的过程，这些缺点是不可避免的，不过，研发人员 将对此生物反应器作进一步的研究。 其一，该生物反应器由于自身结构的一些问题，存在三种不同的微环境，即完全好 氧蜂窝孔、缺氧蜂窝孔、完全厌氧蜂窝孔，c o d 负荷过高会造成某些孔的缺氧，使丝 状菌过量的繁殖，虽然丝状菌的繁殖有利于菌胶团的附着，为菌胶团的支撑的骨架，但 是其过量繁殖使处理效率明显的下降，该生物反应器不适合处理有机物浓度较高的废 水，而是较为适合有机底物低的氨氮浓度较高的废水，地表水有机物浓度低而氨氮较高， 比较适合此反应器进行处理。 其二，如曝气不均匀的话将会造成部分蜂窝孔出气不好，不能充分有效利用蜂窝孔 的内循环，影响反应器的传质效果，当采用微孔曝气器曝气时，可以发现部分气泡在上 升的过程中，由小的气泡不断的结合变成大的气泡，减少了气泡的可利用性。 其三，该反应器的生物填科蜂窝陶瓷笨重，容易破碎，这给运输和运用到实际过程 中带来了一定的不便。 该生物反应器作为一种新型的生物膜反应器具有一定的开发前景，从长远的观点 看，它可以满足只益严格的水质要求，特别是在氮元素的脱除效果，可以实现较为完全 的生物脱氮效果，可以克服目前一些工艺脱氮效果差，脱氮不完全等缺点和不足，而且 脱除氨氮和总氮的能力较强，这可以节省反应器的容积和运行处理费用。 9 3 对生物反应器的开发的建议 其一，该生物反应器最好作为生物预处理工艺与其它生物反应工艺联用，或用两级 上海师范大学硕士学位论文 反应器，用于地表水生物预处理的氨氮去除和总氮去除，后接常规诤水工艺，或另一生 物反应器如陶粒滤池，可减少后续工艺的负担，使出水效果更有保障。这样的工艺组合 处理不仅可以满足现在水质指标的要求，还可以在今后很长的一段时间满足水质指标的 要求，包括硝态氮和总氮要求。 其二，目前许多工艺存在对c o d 的去除能力好，而氨氮的去除效果差等现象，该 生物反应器可以用于污水的深层处3 1 ( - - - 级处理) 过程，该生物反应器可以用在传统的污 水处理厂的改造上，解决传统的污水处理厂的氨氮、总氮不达标等问题，实现的途径是： 将该生物反应器直接的串联在传统的二级生物处理的后面，这样的话既可以避免高浓度 的有机污染物还可以进一步提高反应器内的硝化菌数量和质量。 其三，为充分利用蜂窝陶瓷的蜂窝孔，应研究开发出质量更轻，薄壁的反应器。至 于该生物反应器在生物除磷方面能否有很好的效果，这点需要做进一步的研究。 9 4 结论 本论文论述了一种新型的生物膜反应器i a l - c h s ，并将其用于城市河道水的修复。 实验发现蜂窝陶瓷反应器比普通的气升式反应器更有利于氧的传质，提高氧转移效率。 实验研究了不周条件下蜂窝陶瓷反应器的启动挂膜特性，如连续运行自然挂膜、间歇运 行低温挂膜、接种挂膜等挂膜情况。发现连续运行方式有利于蜂窝陶瓷反应器的挂膜和 出水的稳定。实验结果表明，蜂窝陶瓷易于形成生物膜。 1 通过该新型生物膜反应器处理受污染的地表水，不仅能够有效去除地表水中的氨 氮、浊度、有机物、亚硝酸盐氮、总磷，对难于生物降解的有机物u v 2 ，4 也有一定的去 除效果。实验考查了瑚珂与n h 4 + - n 去除率之间的关系，并确定了最佳h r t ，为以后工程 实际应用提供了依据。h r t 约为5 0 r a i n 时，反应器对n i - h + - n 、t p 、c o d c r 、t o c 、n 0 2 - n 的去除率分别为8 2 8 9 5 8 ，2 1 4 5 6 ，4 3 5 6 7 ，6 乱3 7 7 ，2 6 1 6 0 3 ，对浊度、 u v 2 5 4 的去除率分别为1 0 9 - 8 0 8 和3 7 - - 3 5 7 。此反应器能承受较强的冲击负荷，具 有很大潜力。仅经过单个蜂窝陶瓷反应器处理，对劣v 类水体，当h r t 为3 小时，氨氮 出水浓度满足国家地表水环境质量标准g b 3 8 3 8 2 0 0 2 i i 类水体标准，h r t 分别为2 h 、l h 、 5 0 m i n 、4 0 m i n 时，氨氮出水浓度仍能满足i i i 类水体标准；h r t 5 0 m i n 时，c o d 水浓度 能满足i v 类水体标准，溶解氧可达g , j l l i 类水体标准。并且此反应器与厌氧陶粒滤池组合 连用，可最终去除水中总氮。 7 1 上海师范大学硕士学位论文 2 考察了各种环境因素对氨氮去除的影响，发现河水的天然碱度足以满足硝化反应 的需要：氨氮去除率随h r t 的减少与氨氮质量浓度的升高而降低；间歇运行温度在 5 扣1 6 7 ，氨氮浓度8 2 3 8 8 5 m g , r l ，氨氮去除率与温度成直线关系，温度的升高对间 歇运行氨氮去除率影响很大；连续运行时，温度在8 o 2 1 5 c 范围内，氨氮去除率与温 度为正相关的，温度对反应器影响不大；曝气量对氨氮去除影响很大，在水温2 7 4 - 3 0 ，h r t 为l h ，氨氮质量浓度5 1 3 8 1 4 m g l 时，溶解氧达到3 1 6 m g l 就能达到良好的效 果，在工程实践中可根据原水水质和氨氮等指标的去除效果来控制气水比。载体的结构 的改进发现蜂窝状孔传质效果最好，传质效果比比表面积对反应器的效果影响作用更 大。 3 微污染物质的降解可以用二级基质利用的原理来解释。通过实验还发现，蜂窝陶 瓷载体的特殊结构和天然水体的来源导致其生物相极其丰富。生物相分析结果表明了陶 瓷载体表面易于微生物附着，蜂窝增加了传质效果，这是该反应器能高效去除氨氮的主 要原因。 4 在实验室研究的基础上，将反应器进行放大研究，为工程实际应用提供了运行数 据和参数。此外还将该新型生物膜反应器与流化床反应器在挂膜和去除氨氮效果方面做 了比较研究，证明该新型生物膜反应器在进行水体修复方面，具有动力消耗低、出水水 质稳定的特点。 5 将该新型生物膜反应器扩展应用于较高氨氮浓度水体的处理和城市污水处理厂出 水的深度处理，均取得了较好的效果。对于高浓度氨氮废水的处理，可以达到较高的氨 氮去除率。面对城市污水处理厂出水进行深度处理中，在停留对阅1 h 内，可以去除氨 氮9 0 以上，优于回用水及城市污水再利用标准中的观赏性及娱乐性景观环境用水对氨 氮的标准。 实验证明，该生物反应器能商效去除氮氮，在生物脱氨氮领域将有很实际的应用价 值；在脱除氨氮方面十分稳定，能承受一定的冲击负荷，运行管理简单，作为修复地表 水的一番申新型生物膜反应器具有广阔的应用前景。通过本课题的研究将有助于在生物膜 载体、生物膜反应器和受污染地表水的生物修复等研究领域开辟一种新的思路和方法， 这将对生物膜技术的推广和应用以及控制水体的富营养化都具有十分重要科学技术价 值和意义。 上海师范大学硕士学位论文 参考文献 1 李圭白饮用水水质及处理技术面向2 l 世纪的水科学与水环境工程技术高级研 修班论文集 m 】哈尔滨，1 9 9 9 ：3 - 4 【2 】王占生，刘文君微污染水源饮用水处理咖中国建筑工业出版社，1 9 9 9 3 】郭培章，宋群，主编冲外节水技术与政策案例研究 m 】北京：中国计划出版社， 2 0 0 3 【4 h s o n t h i r n e r e x p e r i e n c ew i t hr i v e r b a n kf i l t r a f i o na l o n gt h er h i l 2 0r i v e r j 】 a w w a 1 9 8 0 ，7 2 ( 7 ) ：3 8 6 - 3 9 0 【5 p a c h a d i k r e m o v i n gt r i h a l o m e t h a n ep r e c u r s o r sf r o mv a r i o u sn a t u r a l - w a t e r sb y m e t a lc o a g u l a n t s j j a w w a 1 9 8 3 7 5 ( 1 0 ) ：5 3 2 5 3 6 【6 】李凤彬弹河水库富营养化及其渔业利用明给水排水，2 0 0 1 ，2 7 ( 1 0 ) ：3 0 3 3 【7 】国家环境保护总局， 2 0 0 4 年中国环境状况公报，w w w x i n h u a n e t c o m 8 】周云，何义亮微污染水源净水技术及工程实例【m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 3 9 】刘兆荣，等环境化学教程f m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 3 【1 0 】沈旭顺二十一世纪中国面临的挑战论水资源与环境【j 】黑龙江科技信息， 2 0 0 3 ( 4 ) ：2 2 2 2 【1 1 】陈国光，等论上海自来水水质 j 】城市公用事业，2 0 0 0 ，1 4 ( 2 ) ：1 7 1 9 ，1 4 ( 3 ) ： 2 1 2 2 f 1 2 e c a r r m o ，e h b u g f i s ie r e b i o l o g i c a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw i t h s p e c i a lr e f e r e n c et om u t a g e n i c i t y j w a t r e s 2 0 0 0 ，3 4 ( 1 1 ) ：3 ( n 2 - 3 0 5 4 1 3 s j j u d d ，p h i l l s o p t i m i s a t i o no fc o m b i n e dc o a g u l a t i o na n dm i c r of i l t r a t i o nf o r w a t e rt r e a t m e n t j w a t r e s 2 0 0 1 ，3 5 ( 1 2 ) ：2 8 9 5 2 9 0 4 【1 4 s o k a b e ，t k o k a z le r e b i o f i l mf o r m a t i o np o t e n t i a l si nd r i n k i n gw a t e r st r e a t e db y d i f f e r e n ta d v a n c e dt r e a t m e n t p r o c e s s e s j w a t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ：w a t e r s u p p l y 2 0 0 2 ，2 ( 4 ) ：9