（市政工程专业论文）几种载体对微污染水的生物净化效果比较研究.pdf

摘要 几种载体对微污染水的生物净化效果比较研究 东南大学木木工程学院 硕士研究生：孙红梅导师：王世和教授杨小丽讲师 摘要 饮用水水源污染日趋严重的局面，正在向传统给水处理技术提出挑战。以混凝、沉淀、过滤和 消毒为主的传统水处理工艺在处理当前微污染源水时存在诸多不足，因此针对目前水源地严重污染 的水质现状，本文深入探讨微污染源水的生物预处理技术。生物预处理中载体是微生物赖以栖息的 场所，影响微生物的生长、繁殖、脱落和形态。载体不仅与污染物的去除效果有关，而且还与工程 造价、运行费用密切相关 在受污染水源地水体中设置微生物载体，对水体中的土著微生物进行有效富集，使之在载体表 面形成生物膜，通过微生物的降解作用可以改善水体水质。本文主要基于实验室研究，从四种微生 物载体( 组合填料、弹性填料、生态滤布、阿科蔓) 中筛选出对微污染水净化效果最好的载体，并 从水力停留时间和填充密度两方面确定其最佳运行工况；同时就优选的载体在最佳工况下对微量有 毒有机物( 二氯甲烷、苯、苯乙烯、对二氯苯、硝基苯、邻苯二甲酸二丁酯) 的降解效果进行了研 究通过试验研究和理论分析得出以下结论： ( 1 ) 在组合填料、弹性填料、生态滤布、阿科蔓这四种载体中，弹性填料对c o d 、n h 3 - n 和t p 的平均去除率最高，阿科蔓对u v 2 5 4 的平均去除率最高。综合考虑，确定弹性填料是改善微 污染水源水水质应用较为理想的载体 ( 2 ) 弹性填料的水力停留时间从o 5 d 增加到5 d 时，c o i ：h 和u v 笛4 的平均去除率在h r t = 3 d 时取得最大值，n h 3 - n 的平均去除率依次增大，t p 的平均去除率依次减小综合考虑，确定弹性填 料的最佳水力停留时间为3 d ( 3 ) 弹性填料的填充密度从5 0 o 增加到1 0 0 o 时，c o d u 的平均去除率依次增大，u v 2 5 4 、 n h 3 - n 和t p 的平均去除率均在密度为8 3 3 时取得最大值在研究的这四种填充密度中，综合考 虑，确定弹性填料的最佳填充密度为8 3 3 。 ( 4 ) 在水力停留时间为3 d ，填充密度为8 3 3 的工况下，弹性填料对苯、苯乙烯、对二氯苯 和硝基苯均有一定的去除效果，其中对苯的去除效果最好 关键词：微生物载体；微污染水；水力停留时间；填充密度：微量有机物 本论文受江苏省科学技术厅社会公益项目( 江苏省饮用水源环境安全保障体系研究与示范) ， 编号b m 2 0 0 6 7 1 6 ) 基金资助 s t u d y o ne f f e c t so f b i o l o g i c a l l yp u r i f y i n gm i c r o - p o l l u t e d w a t e rw i t hd i f f e r e n tc a r r i e r s s g h o o lo fc i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y p o s t g r a d u a t e ：s u nh o n g - m e is u p o r v i s o r ：w a n gs h i - h cy a n gx i a o - l i a b s t r a c t t h cp o l l u t i o no fd r i n k i n gw a t e r 嘲明i 代吧h a sb e o m cm o r ea a dm o l es e r i o u s ，a n dt h i si so h a l l e n g i n g t ow a t e r - s u p p l yt r e a t m e n tt l m o l o g y t h 鼬c = f i s tl o t so fs h o f t c c n n i n g si nw a t e rt r c a h n c s t tp r o c c s st r c a t i n g w i t hm i a r o - p o l l u t c d0 明h w a t e rn o w a d a y s c o n s i d e r i n gt h el l c f l o t l s l yp o l l u t e dw a t e r0 a l “冷m e a , i ti i v e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h cb i o - 舭e a tt e o h n o l o g yo fm i o r o - p o l l u t c di i o u i v 冶w a t e r t h co a r r l 。c t i nt h c b i o - p r e t r e a t m e a ti | t h cr e s tp l a o eo f = i o r o b i a l , a a di ta f f c o t st h eg t o w 也p r o p a g a t i o n , a b s o i s s i o na n d m o r p h o l o g yo f t h em i c r o b e t h c 翻i i t i c ri sr e l e v a n tn o to n l yt ot h cp o l l u t a n t jr e m o v i n gc 蝈f a d 乜，b u ta l s ot o t h cc 锄b 缸u o 血go o s ta n do p c 勰t i n g 仪刚： t h ci n d i g e n o u sm i c r o o r g a n i s m s 湖b ee f f t i v e l yc o n c e n t r a t e db ys e t t i n gm i o r o b i a lo 秭c nm 。 p o l l u t e dw 慨羽l dt h ew a t e rq u a l 姆锄b ei m p r o v e db yt h ed e g r a d a t i o ne f f e 斌o fb i o f d mf o r m e do nt h e s u r f a o eo ft h eo i i f r l 茁, as m a l le x p e r i m e a t t 啊r 越c a r r i e di nt h el a b o r a t o r y f i r s t l y , t h em i o r o b i a lo a r r i c rt h a t h a db c i tc f f c o to nw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n tw a l ls c l e o t c df r o mf o u rc d i i t l c i 湛( c o m t ，i n c df i l l e r , e l u t i ef d l e r , e o o l o g i c a lf d t = r c l o t ha a da q u a m a t s ) , m a dt h cb tr u n n i n ge r u d i t i o no ft h ee h m e nc 蜘o c rw a 8r h e a e e a f o n n e do o m i d e r i n gh r tm a d p a c k i n gd c - m i t y s e c o n d l y , t h ee f f e c t so nt h r e eo f g 锄i ( d i e h l o m m e t h m a e , b c n z a l c ，s t y r e a e , p - d i o h l o t o b e n z e n e , n i t r o b e n z e a cm a dd i - n - b u t y lp h t h a t a t c ) d c 掣1 僦b yt h co h o s c n a l r l i g l w g i os t u d i c dt h ee r a c f u s i o nf r o m 怯p a i m e n t a lr e s e a r c hm i dt h e o r e t i c a la n a l y s i s 躺- 。f o l l o w i n g ： ( 1 ) d u r i n gt h ef o u rg a l t i 。c i si a o l u d i n go o m b i n e df d l e r , c l a s t i of i l l e r , e c o l o g i c a lf i l t e ro l o t ha n d a q u a m a t a ，e h u t i of i l l e rh a st h eh i g h e tr e m o v a lr a t eo fc o d u 、n h 3 - na n dt p , s a da q u a m a t sh a st h e h i g h e s tr e m o v a lr a t eo fi 捌c j n n p r e h c m i v co o m i d c r a t i o ns u g g e s t st h a tc l a s t i of i l l e ri 。1 5 越i d e a l 耐盯i n 删越硼t oi m p m v m gm i a r o - p o l l u t c dw a t c rq u a l i t y ( 2 ) w h c nt h ch r to fe l m t i of d l e rm 。6 斑- e 4 1 s c l $ f r o mo 5 dt o5 d , t h er e m o v a lr a t eo fc o i x , , m du v 2 5 r e a o h e sh i 。g h c s ta tt h cp o m to f3 & t h cr e m o v a lr a t eo fn h 3 - nf i b 锚a n dt h a to ft pd c a 喝锄翻s 啪s i v c l y c o m p r c h c n s i v ce o m i d c r a t k ms u g g c s t st h a to 5 di st h cb e s ti - i r t ( 3 ) w h e at h cp a c k i n gd e u i t yo fe l a s t i cf i l l c rh 滟越锚f r o m5 0 0 t o1 0 0 0 lt h cr c m o v a lr a t eo f c o d u 棚o s 蝴s s i v c l y , m dt h 吐o fu v 2 n h 3 - na n dt pr c h 翻t h et o pa tt h ep o i n to f8 3 3 s a c o m p r 妇i v co o m i d a r a t i o as u g g c s t st h a t8 3 3 i st h cb e s tp a c k i n gd s i t y ( 4 ) u n d e rt h cr u n n i n go o n d i t i o at h a th r ti i3 da n dp a o k i n gd e n s i t y 纽8 3 3 t h e r e 玳o e r t a i n r e m o v a le f f c o t ao fb a i z c ，s t y r e n e , p - d i c h l o r o b e n z e n em s dn i t r o b c n z c n cu s i n gc l a b t i of i l l e r , a n dt h c r e m o v a lc f f e c to fb c 血z c i l cr e a c h c bt h cb e s t k e yw o r d s ：m i c r o b i a lo a r r i c r s ；m i e r o - p o l l u t e dw a t e r , h r t ；p a c k i n gd e n s i t y ；t r a o eo r g a n i o a 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： 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： 型：坠? 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 江苏省水源地水质现状 近年来，由于工业的发展、城市的扩大及化学物质种类和数量的增加，大量工业废水和城镇生 活污水未达到捧放标准就直接排入水体，以及农田化肥和农药的流失，致使进入水环境的化合物数 量惊人，由此造成严重的水源污染。 集中供水水源有2 种类型，即地表水( 包括河流、湖泊、水库) 和地下水n 】。江苏省饮用水以 地表水为主，主要取自长江、淮河、太湖等。长江作为江苏省最大的饮用水源，其江苏段干流水质 主要指标目前虽保持在类，但入江主要支流污染严重，城市排污口下游已形成岸边污染带；无锡、 苏州地区的饮用水源地太湖的富营养化指标长年处于v 类；淮河干流水质还不能稳定达到国家 规定的类标准，污染事故隐患尚未根本消除。 若干年来江苏省1 3 个省辖市一直对饮用水源地水质进行每月一次的例行监测，开展监测的饮用 水源地取水量通常占各市自来水供水总量的8 0 以上，采用 ( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 类标准进行评价，评价项目为水温、p h 值等2 8 项。据多年来的监测结果，超标项目多为高锰酸 盐指数、总磷、总氮、氨氮、五日生化需氧量、溶解氧等，表明有机污染和富营养化污染是主要污 染因素。根据监测结果，2 1 7 种确定检出物中，有3 7 种为e p a 优先污染物黑名单上的物质，2 3 种 为我国6 8 种优先污染物名单上的物质，对人类有。三致”( 致癌、致畸、致突变) 作用。它们分别 为卤代脂肪烃类、苯系物类、单环类芳香烃化合物、多环芳烃、酯类、酚类、醛类、呋喃类、酮类、 醚类等检出率大于5 0 的有机污染物有2 4 种，主要为二氯甲烷、氯仿、二氯丙烷、溴仿等卤代 烃类6 种；苯、甲苯等苯系物类1 0 种；氯苯类3 种；萘、甲基萘等多环芳烃类3 种：邻苯二甲酸酯 类1 种：酚类1 种挥发性有机化合物的浓度范围主要在i t g l 级：0 0 0 1 1 7 7 t t g l ，半挥发性有机 化合物浓度范围主要在n e , l 级：1 4 6 n g l 2 1 研究表明，江苏省饮用水源水及出厂水中存在浓度低、成分复杂的有机污染物，绝大多数污染 物尚未有国家标准来控制它们，它们在环境中的来源、迁移、转化以及对人体的潜在危害值得深入 研究 1 1 2 微污染水源水处理方法 饮用水水源污染日趋严重的局面，正在向传统给水处理技术提出挑战微污染即水体受到有机 物污染，部分指标超过卫生标准，受到污染的水源水正是属于微污染水范畴这类水中所含的污染 物种类较多且性质复杂，但浓度比较低微污染源水中主要是有机污染物，一部分是天然有机化合 物，另一部分是人工合成有机物 以混凝、沉淀、过滤和消毒为主的传统水处理工艺，其主要功能为去除水中悬浮固体和胶体 因此在处理当前微污染源水时存在诸多不足：无法去除水中存在的氮磷和大量溶解性有机污染物； 对富营养化水源水中有毒藻类及藻毒素也不能有效去除；氯化消毒过程中，还导致了消毒副产物的 形成，使水厂出水的致突变性增加。针对目前水源地严重污染的水质现状，微污染源水处理技术的 研究已成为刻不容缓的工作 微污染水处理技术按照作用原理，可以分为物理、化学、生物净水处理：按照处理工艺的流程， 可以分为预处理、常规处理、深度处理；按照工艺特点，可以分为传统工艺强化技术、新型组合工 艺处理技术。以下就处理工艺流程的分类对三种方法进行详细介绍，以期得到一种当前最合适的微 污染水处理工艺。 1 1 2 1 增加预处理工艺，即预处理+ 常规工艺 预处理通常指在常规处理工艺前采用适当物理、化学或生物的方法将水中的污染物进行初级去 除的过程。预处理可使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理及深度处理负担，改善和提高饮用 水水质。按污染物的去除途径，预处理技术可分为氧化法和吸附法，氧化法又可分为化学氧化法和 东南大学硕士学位论文 生物氧化法1 3 1 。 ( 1 ) 化学氧化法 该处理技术是依靠化学氧化剂的氧化能力，破坏水中污染物的结构，转化或分解污染物，有效降 低水中的有机物含量，提高有机物的可生化降解性，杀灭影响给水处理工艺的藻类，改善混凝效果，降 低混凝剂的用量，去除水中三卤甲烷前体物，有利于后续处理 3 1 。 氯化预氧化是应用最早的和目前应用最广泛的方法。此法可以控制因水源污染生成的微生物和 藻类在管道或构筑物内的生长，同时还可氧化一些有机物、提高混凝效果并减少混凝剂使用量；高锰 酸钾氧化预处理的组合工艺能有效地降低水的致突变活性，对移码突变物前体物也有较好的去除效 果；紫外光氧化预处理的组合工艺能有效减少水中的有机物数量；臭氧预处理对水中的移码突变物 有部分去除效果1 4 1 ( 2 ) 生物氧化法 该技术是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助微生物群体的新陈代谢活动，去除水 中的污染物。就现代净水技术而言，生物预处理已成物理化学处理工艺的必要补充。与物化处理工艺 相比，生物预处理技术可以有效改善混凝沉淀性能，减少混凝剂用量，能去除传统工艺不能去除的污 染物，同时能使后续工艺简单易行，减少了水处理中氯的消耗量，出水水质明显改善 ( 3 )吸附法 利用物质强大的吸附性能、交换作用或改善混凝沉淀效果来去除水中污染物，主要有粉末活性炭 吸附和沸石吸附等。粉末活性炭吸附法是将粉末活性炭制成炭浆，投加在常规净水工艺之前，与受污 染的原水混合后，在絮凝沉淀池中吸附污染物，并附着在絮状物上一起沉淀去除，少量未沉淀物在滤 池中去除，从而达到脱除污染物质的目的沸石作为一种极性很强的吸附剂，对氨氮、氯化消毒副产 物、极性小分子有机物均具有较强的去除能力，将沸石和活性炭吸附工艺联合使用，可使饮用水源中 的各种有机物得到更彻底的去除1 3 j 1 1 2 2 增加深度处理工艺，即常规处理+ 深度处理 深度处理工艺通常是指在常规处理之后用于将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产 物的前体物加以去除，以提高和保证饮用水质的处理工艺 ( 1 )臭氧氧化法 臭氧是一种强氧化剂，在给水处理中有着很长的历史最初用作消毒剂，控制色度或嗅味，现 又用来去除水中有机物。由于投量的限制，臭氧不能将水中有机物全部无机化，但可将大分子有机 物氧化成成分子较小的中间产物。臭氧预处理的水再经氯化消毒，水中“三致”物质可能低于未预 处理的水，也可能更高，其效果视水质而定，这是因为臭氧副产物，如醛、酮、醇、过氧化物氯化 会产生三卤甲烷( m ) ( 2 )活性炭吸附法 活性炭具有巨大的比表面积和发达的孔隙，是一种良好的吸附剂，用于给水处理，主要可去除 溶解性有机物、嗅味、微污染物质等。活性炭可使a m 塌试验阳性的水变为阴性水但活性炭吸附 性能受其本身特性和吸附质性质的影响，且随炭使用时间的延长，吸附效果也会发生变化活性炭 对一些有机氯化物的去除效果比较差，虽对水中氯化产生的致突物质有去除作用，但并不能有效去 除氯化致突物质的前体物 ( 3 ) 生物活性炭法 该法利用生长在活性炭上的微生物氧化作用，从而达到去除有机污染物的目的。活性炭是微生 物生长的良好载体，只要合理运作，活性炭上的微生物对提高水处理效果，特别是延长活性炭使用 周期都会起到积极的作用。所以，活性炭用于水处理不单纯是作为吸附剂，还可利用活性炭吸附与 微生物降解的协同作用，以取得经济上的良好效果，这种协同技术被称为生物活性炭技术( b a c ) 生物活性炭法的前提要避免预氯化，否则微生物就不能在活性炭上生长。该技术利用了微生物的氧 化作用，能提高有机物的去除率，延长活性炭的运行周期，降低运行费用，但活性炭上的微生物在 水流冲刷作用下会脱落，影响出水水质 2 第一章绪论 ( 4 )臭氧一生物活性炭联用技术 臭氧活性炭联用深度处理技术采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化的方 法，扬长避短，这一工艺可使活性炭充分发挥吸附作用。在炭层中投加臭氧，可使水中的大分子转化为 小分子，改变其分子结构形态，提供了有机物进入较小孔隙的可能性，使大孔内与炭表面的有机物得 到氧化分解，使活性炭可以充分吸附未被氧化的有机物，从而达到水质深度净化的目的。当然臭氧活 性炭联用技术也有其局限性，例如臭氧在破坏一些有机物结构的同时也可能产生一些带污染性质的 中间产物。研究结果表明，水源经臭氧活性炭吸附深度处理，氯化后出水水质仍具有致突变性 ( 5 ) 膜处理技术 在膜处理技术中反渗透( r o ) 、超滤( u f ) 、微滤( m f ) 、纳滤( n f ) 都能有效地去除水中 的臭味、色度、消毒副产物前体及其他有机物和微生物，去除污染物范围广，且不需要投加药剂， 设备紧凑，容易自动控制。近年来，膜法在美国受到高度重视，特别是其对消毒副产物的良好控制 性，被e p a 推荐为最佳工艺之一。但膜处理要求对原水进行严格的各种预处理和常规处理及定期的 化学清洗，所以膜滤的基建投资和运转费用高，并且仍然存在着膜堵塞和膜污染以及反渗透和纳滤 浓缩物处理问题。然而随着清洗方式的改进，膜堵塞和膜污染问题的改善以及各种膜价格的下降， 膜滤作为一种去除水中有机物和微生物的新工艺，将会对水处理产生重要的影响 ( 6 ) 光催化氧化法 光催化氧化是通过光催化剂催化，利用光源的能量氧化水中的有机物( 包括细菌等) 的方法。 其特点是氧化能力极强，对水中多种微量有机物，自来水中常见的多种氯化有机物，包括难被臭氧 氧化的六六六、六氯苯等均有良好的去除效果。经光催化氧化处理后，有机氯化物已大量脱氢，毒 性大大降低，使水质大为提高i 钉。 1 1 2 2 1 不增加预处理和深度处理，在现有工艺基础上改造和强化 改进和强化传统净水处理工艺是目前控制水厂出水有机物含量最经济最具实效的手段对传统 净化工艺进行改造、强化，可以进一步提高处理效率，降低出水浊度，提高水质 ( 1 ) 强化混凝 强化混凝的目的，在于合理投加新型有机及无机高分子助凝剂，改善混凝条件，提高混凝效果。 包括无机或有机絮凝药剂性能的改善；强化颗粒碰撞、吸附和絮凝长大设备的研制和改进；絮凝工 艺流程的强化，如优化混凝搅拌强度、确定最佳反应p h 值等。 有机物去除率的大小主要受混凝剂的种类和性质、混凝剂的投加量以及p h 值等因素的影响。 过量的混凝剂会引起处理费用和污泥量的增加，所以寻求安全可靠的混凝剂和适当p h 值是关键【卯 ( 2 ) 强化沉淀 针对改善沉淀水流流态，减小沉降距离，在传统的沉淀分离水处理工艺的基础上采用新的强化 沉淀技术，从而大幅度提高沉淀效率。当水进入沉淀区后，通过自上而下浓缩絮凝泥渣的过程，实 现对原水有机物连续性网捕、卷扫、吸附、共沉等系列的综合净化，达到以强化沉淀工艺处理微污 染水的目的 ( 3 ) 强化过滤 是在不预加氯的情况下，在滤料表面培养繁殖微生物，利用生物作用去除水中有机物。强化过 滤就是让滤料既能去浊，又能降解有机物、氨氮、亚硝酸盐氮等。常见方法是采用活性滤池，它是 在不增加任何设施的情况下在普通滤池石英砂表面培养附着生物膜，用以处理微污染水源水。该工 艺是解决微污染水源水质的一条新途径 1 1 2 4 组合工艺 以上这些工艺去除有机物的原理，无非是吸附、氧化、生物降解、膜滤。若能将以上几种工艺 组合起来，综合起到多种去除作用，一定效果更好。组合工艺1 6 1 便是以上几种工艺的组合，例如生 物接触氧化+ 砂滤池+ 活性炭吸附、连续中孔膜微滤+ 活性炭吸附1 7 1 等。这些组合工艺能充分发挥每种 工艺的优势，互相取长补短，宛如一道道屏障将水中的有机污染物去除，使出水水质达到更优。 3 东南大学硕士学位论文 1 1 3 微污染水处理方法的综合评价 综合比较这几种微污染水处理技术：强化混凝、强化沉淀、强化过滤是目前最经济有效的方法， 但是需要在原有基础上增加运行费用；活性炭吸附法单独使用时，对一些有机氯化物的去除效果不 好，而与其它方法联用时，效果较好，且能延长活性炭的使用周期，但是也可能产生一些带污染性 质的中间产物；光催化氧化法、膜法处理效果很好，但是费用较高。生物预处理技术能降解水中有 机物，有效地减少水中“三致物质”的生成量，运行费用低，具有明显的经济效益，相信生物预处 理+ 常规处理的工艺将在饮用水净化领域有着广泛的应用前景。 生物预处理中载体是微生物赖以栖息的场所，影响微生物的生长、繁殖、脱落和形态。载体不 仅与污染物的去除效果有关，而且还与工程造价、运行费用密切相关，价格昂贵的载体将增加工程 投资。载体种类及密度对挂膜也很重要v o i c e _ 1 等的研究表明，具有吸附能力的活性炭表面比不具 有吸附能力的活性炭表面更容易形成生物膜；蔡建安1 9 】等的试验表明，焦炭的挂膜速度大于石英砂； 周平【l o 以为，相对于大粒径载体而言，小粒径载体之间的相互摩擦小，比表面积大，因而更容易形 成生物膜；w a g n c l j l t 在用气提式反应器处理难降解物质2 n s 时发现，在载体密度很低的情况下，即 使生物膜厚度达z 9 5 p m ，还是不能达到稳定的去除率，但是，载体密度为2 0 - - 3 0 9 i , 时，即使只有 2 0 的载体上有7 5 p r o 厚的生物膜，反应器依然能达到稳定的9 8 的去除率，最高c o d 负荷可达 5 8 k g ( m 3 d ) 。下文将详述一些用于微污染水生物预处理的载体填料，以便在比较各类载体的基础上 选择适用于本课题试验研究的载体 1 2 载体填料的分类 载体填料的种类及分类方法繁多，较常见的是按填料安装方法分类填料按其安装方法大致可 分为固定式、悬挂式、分散型和新型生物填料等几种类型【l “4 】。 固定式填料多为硬性填料，包括蜂窝状填料【l 研、波纹板状p 4 、填置式等硬性填料 悬挂式填料包括软性填料、半软性填料、组合填料和弹性填料 分散型填料包括堆积式和悬浮型填料堆积式填料以陶粒、活性炭等滤池填料为多；悬浮型填 料处于发展中，类型繁多，主要有无纺布填料【m 1 7 1 、多面空心球填料【堋、内置式悬浮球填料、k a n l n c s 悬浮填料【l 明、n a u j x 悬浮填料刚、s n p 悬浮型填料【2 1 1 、s q c 型丝状球型悬浮填料阎和r 1 n g l a c e 塑料纤维填料p 晒1 等 新型生物填料主要有固定化微生物型填料和仿生式填料等固定化微生物就是将微生物用一定 的方法进行固定，作为固体催化剂利用，而对微生物有良好固定作用的载体即称为固定化微生物填 料。固定化微生物型填料包含大孔载体流离球网、3 - t 高效微生物载体和微生物密集型载体陟侧等 几种；仿生式填料就是一些模拟天然水草形态加工而成的填料，其密度与水接近，悬浮于水中，是 一种新型的悬浮填料 1 3 载体填料在微污染水处理中的应用研究 1 3 1 固定式填料的应用 日本小岛贞男最先于2 0 世纪7 0 年代研制了管式蜂窝填料l ”l ，并最早应用于微污染水源水的处 理，研究的“蜂窝管式接触氧化”装置在玉川水厂的富营养化微污染水的处理应用中，取得了较好 的效果。 1 , 3 2 悬挂式填料的应用 悬挂式填料包括软性填料、半软性填料、组合填料和弹性填料。各种悬挂式填料在微污染水处 理中的应用见表1 1 。可见，各式悬挂填料中y d t 弹性立体填料应用最为广泛。对各种水源水中 i n t i - 1 3 - n 的去除率基本达到4 0 以上，最高可达9 5 ；对c o d 的去除率基本达到1 0 以上，最高 可达5 4 ；对浊度、色度和藻类也有相当高的去除率。 第一章绪论 主要指标皇；除率( ) 研究者源水规模所用填料 。 一 一。_ _ 一 n h 3 - n c o d 地 浊度色度藻类 组合填料 3 3 o1 8 7 纪荣平刚太湖水中试 弹性填料 4 3 91 3 8| 无纺布填料 2 8 81 7 6 东江 y d t 填料 4 7 0 1 2 5 梅翔1 3 1 1 等中试p w t 填料 4 0 61 2 9|l| 引水渠 t a 填料 4 2 8 1 2 9 深圳 李树苑p 刁等中试f w t 填料 7 5 - 9 012 ，也34 4 - 7 43 7 4 58 4 8 9 水库水 范次樵d 3 l 等珠江水中试 戳卜9 5 1 6 - 5 4 1 0 - - 8 5 |6 9 李家就m 等东湖水中试 8 0 9 01 8 2 74 8 8 23 l 6 07 m 圆日 杨再高p 习梅梁湖小试 3 0 - 4 05 0 8 04 0 5 05 2 ，8 6 肖羽堂 3 6 1 等 姚江水生产性y d t 弹性 譬盼母52 0 0 05 p u 8 0 |7 8 梅翔鲫等某供水渠半生产性 立体填料7 5l m 0 02 3 7 9|5 4 一刀2 查人光p 町等新塍塘水：生产性 5 8 06 53 1 25 8 | 丁原红1 3 明等 巴望 ! 中试 1 05 l o5 m o| 6 0 水库水 。” 1 3 3 堆积式填料的应用 1 3 3 1 生物陶粒的应用 清华大学在生物接触氧化处理水源水的研究中筛选出一种性能突出的载体一生物陶粒。这种 载体的表面粗糙，空隙率高，比表面积可达3 9 9 m 2 g ，粒径一般为2 5 m m 。水源水处理中的陶粒填 料多为页岩陶粒，页岩陶粒以页岩矿石为原料，经破碎后，在1 2 0 0 1 2 左右的高温下熔烧，膨胀成 5 - - 4 0 r a m 的球状陶粒，再经破碎后筛选而成。页岩陶粒外壳呈暗灰色，表皮坚硬，内部为铅灰色， 多孔质轻。研究表明，以生物陶粒作为载体的生物接触氧化池处理多种水源水均取得了较好的效果 ( 见表1 2 ) 可见，生物陶粒对各种水源水中n h 3 n 的去除率相当高，最高可达9 8 ；对c o d 妇 的去除率基本在1 5 以上，最高可达；对浊度和色度也有相当高的去除率 表1 2 生物陶粒处理微污染水的效果 主要指标去除率( ) 研究者源水 规模 n i - 1 3 - nc o d 浊度色度 方振东m 1 等 永定河水中试9 53 0 o8 0 o - - 9 0 04 6 4 刘文君i 1 j淮河水生产性 8 m 固o2 9 53 7 92 1 6 薛记中嗍 滏阳河水中试9 2 4 63 0 叫6 05 0 。o ”62 0 4 0 黄显怀m 1 等巢湖小试3 5 8 51 5 5 51 9 o 刀8 39 瑚 吴为中1 等南方某水库水中试 8 争圆1 7 52 0 0 55 7 5 “9 03 5 5 6 0 3 黄晓东附1 等 深圳水中试8 4 。02 1 。46 2 。04 7 0 黄晓东脚1 等珠江水中试9 2 72 9 3 | 罗晓鸿m 等青甸湖小试 8 02 5 06 7 73 3 7 季民【聃】等 天津引滦水小试3 8 o1 5 。64 2 。3 桑军强4 叼等三家店水库水中试 6 5 9 85 1 84 0 - 7 5| 5 东南大学硕士学位论文 1 3 3 2 生物活性炭的应用 活性炭由于具有巨大的比表面积及发达的孔隙结构，不仅可以吸附水中的徼污染物，还可以成 为水中微生物的理想栖息场所，因此将其应用于水处理，可以同时发挥活性炭物理吸附和微生物生 物降解的双重作用，形成生物活性炭工艺瞄】在传统水处理工艺的基础上，以预臭氧化代替预氯化， 就形成了臭氧一生物活性炭工艺。近年来，该工艺在微污染水处理中得到越来越多的应用( 见表1 3 ) 由表可见，臭氧一生物活性炭技术不仅对c o d u 和u v 搿有较好的去除效果，还对消毒副产物前体 物的控制指标三卤甲烷生成潜能( n m p ) 和生物稳定性的控制指标a o c 有良好的去除效果。 表1 3 臭氧生物活性炭技术处理微污染水的效果 主要指标去除率( ) i 研究者源水规模 c o d 地u v 2 5 i珊珏巾 a o c 李璇酬等黄浦江水中试 2 4 3 53 1 6 3 张绍秽1 1 等密云水库水中试 4 0 - 6 0 6 8 5 f| 张可欣p 2 1 黄河水中试1 5 7 0 8 82 4 7 4 9 72 0 6 - - 4 6 6| 1 3 4 悬浮型填料的应用 悬浮型填料挂膜后密度接近于水，在曝气池中以悬浮形式存在，其用量( 以体积计) 约为曝气 池体积的2 0 r 4 0 具有全立体结构、直接投放、无需固定的特点，应用在兼氧好氧工艺中不仅 可取得9 0 以上的c o d 去除率，而且脱氮效果也很好【5 3 - s 5 1 ，剩余污泥少，使用寿命长悬浮填料 生物反应器就是一种新型附着生长型生物膜反应器p ”7 】，其核心部分就是悬浮型填料近年来，悬 浮填料开始被用于水源水预处理。夏四清娜】等采用同济大学专利产品种悬浮式生物载体嗍 对黄浦江原水进行生物接触氧化预处理中试研究，n h 3 n 去除率可达7 0 - 8 0 ，c o d , 去除率可 达1 0 董玉莲1 6 0 1 等采用l t 型球形悬浮填料生物接触法对珠江原水进行预处理，n h 3 - n 去除率可 达8 0 0 。r 9 0 9 ，c o d 去除率可达1 5 6 r 2 3 2 1 3 5 仿生式填料的应用 1 3 5 1 仿沉水植物填料 仿沉水植物填料与沉水植物具有相似的结构形态，采用铁丝网固定沉入水底后像沉水植物一样 浮在水中这种填料的比表面积大，一方面通过改变水流动力条件从而促使较多的泥沙颗粒物发生 沉积、起到改善水质、提高水体透明度的积极作用；另一方面通过附着于填料的微生物降解水体中 的氮磷污染物，改善水体富营养化状况。葛绪广【6 l 】等结合生态修复示范工程的研究表明，仿沉水植 物在截留泥沙颗粒物的同时还可以截留一定的氮磷污染物。 1 3 5 2 生态纤维 生态纤维是一种新型水处理填料，以醛化纤纶为基本材料，模拟天然水草形态加工而成。生态 纤维顶端设置塑料浮子，依靠其在水中产生的浮力将填料拉紧，保持填料悬浮在水中。这种填料具 有比表面积大、去除有机物容积负荷高、生物附着性好、空隙可变、不易堵塞、适应性强、操作管 理简便等优点。张小东1 6 2 5 等采用生态纤维与陶粒构成的人工湿地系统对崇明前卫生态村水体进行处 理，结果表明：经此工艺处理后的水体，c o d 、t p 、t n 、n h 3 - n 等指标都达到或优于地表水环 境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 中类水质标准。 1 3 5 , 3 阿科蔓生态基 阿科蔓生态基是美国微生物学家r o d e r i e kj m o n c 4 1 博士于1 9 9 3 年发明的，是一种用于生态性 水处理的高科技材料，通过发展生态基上的本土微生物群落，使微生物种类和生物量达到最大化， 利用其代谢作用去除水中的污染物。它是菌藻共生的高效微生物载体，能够有效去除水体各种污染 物，加速自然生态系统的建立，促进生物多样性的形成。材料的主要特性有：高生物附着表面积， 适宜的孔结构，两面、两段结构超级编织技术，仿生水草形态设计，纯惰性食品级材料，表面吸附 6 第一章绪论 性强等。 2 0 0 1 年阿科蔓进入我国，并在国内水资源治理的各个领域取得了一系列的成功f 3 棚武汉塔子 湖采用阿科蔓生态基治理后，水质大大改善，其n h 3 卟kt p 和c o d 的平均去除率分别为9 7 5 、 8 5 1 和1 6 1 ；郑州c b d 景观湖、广州大金钟水库、广州华南新城景观湖等水体的修复治理及生 态维护也取得了良好绩效。 1 3 5 4 科亮生物带 科亮生物带是美国科思国际有限公司研制的专门用于生物膜法污水处理的一种柔性填料。它采 用生物惰性很强的高分子材质，具有很好的物理稳定性和化学稳定性，因此使用寿命长，不低于1 5 年科亮生物带具有巨大的比表面积( 2 5 0 m 2 m 3 ) 和极低的表观密度( o 1 9 加2 0 9 o r e 3 ) ，置于水中 时会产生巨大的浮力采用水草型设计，底部固定和或底部和顶端同时固定。科利尔活性生物接触 氧化污水处理工艺是由湖北科亮生物过程有限公司许榕博士发明的一项新的污水处理技术，该技术 是将自然状态活性污泥中的有益菌分离出来，通过工厂化大规模生产，得到科利尔活性菌，再附着 在专利填料一科亮生物带上，形成高效处理系统。当科利尔活性菌投加到反应池中时，菌粉会很 快吸附在生物带上，菌粉中的休眠细菌在几小时内就迅速复活、运动，通过各种作用起到净化水质 的作用。 孙家珍瞰】等利用科利尔活菌生物净化剂生物接触氧化污水处理工艺对上海苏州河二级支流夏 长浦进行工程性试验治理，取得了良好成效，其c o d 、n h 3 - n 和t p 的去除率分别为5 2 、5 8 和6 1 除此以外，该工艺还取得了多项科技成果，在北京动物园富营养化湖水净化研究、岱山县 长河工程等应用实例中均取得了良好的净水效果 1 3 6 各类载体填料的应用现状小结 由前文的数据可见，传统的载体填料中y d t 弹性立体填料和生物陶粒的应用相对广泛，而新 型的仿生式填料如阿科蔓在近年来也得到了比较广泛的应用阿科蔓对微污染的处理效果相当好， 但由于其经济优势不明显，应用程度也受到了一定制约生物陶粒一般应用于厌氧滤池中，而微污 染水的溶解氧相对充足，无需通过厌氧工艺来净化水质。因此，笔者认为，y d t 弹性立体填料将在 很长一段时间内发挥其性能和经济上的优势，在微污染水处理领域得到更为广泛的应用综上所述， 本文选取包括目前广泛应用于微污染水处理的组合填料和弹性填料以及刚引进国内水处理市场的阿 科蔓生态基 1 4 微污染水处理中载体填料的发展方向 微污染水处理中的“生物接触氧化法”和污水处理中的。生物接触氧化法”，在原理上是完全 一样的，但由于处理水质及主要去除对象的不同，使得这两种工艺的核心部件微生物载体的选 择上有着不同的要求。在污水处理中，气水比较大、水力停留时间较长，生物膜生活在一个相对稳 定的环境中，在长时间的曝气过程中载体表面的生物膜与污水中的污染物接触几率显著增加。然而 在微污染水处理中，由于所需处理的水量较大、气水比小、水力停留时间较短，生物膜生存的环境 相对交叉，较快的水流速度也使得生物膜与污染物的接触几率大大减少因此，在微污染水处理中， 开发适合其水质特征的新型高效载体就显得尤为重要对微污染水生物预处理来说，载体的研究主 要集中在以下几方面： 1 4 1 微生物作用的强化 微生物的强化作用，包括生物量积累、生物活性刺激、专有菌种固定等。这一点在阿科蔓生态 基和科亮生物带中均有体现，阿科蔓生态基以其两段型和两面型编织设计创造了菌藻共生体系，而 科亮生物带辅以科利尔活性菌亦形成高效的微生物处理系统，都实现了上述作用。微生物载体未来 的发展应以微生物的强化作用为着眼点，开发出具有高生物量、强生物活性、高效微生物菌种的新 型载体。 1 4 2 污染物的富集 由于微污染水中污染物浓度低，不利于微生物生长繁殖，因此有必要将污染物富集、浓缩水体 7 东南大学硕士学位论文 中的营养物质，促进微生物生长。如生物活性炭技术，起到了富集污染物的作用。 人工固定化生物活性炭技术 6 0 2 是臭氧一生物活性炭技术的迸一步发展和应用。传统的生物活性 炭是在长期运行中自然形成的，而人工固定化活性炭首先必须筛选和驯化出高活性的工程菌，然后 将工程菌固定在活性炭上，从而使生物活性炭具有长期稳定的有机物去除率。人工固定化生物活性 炭是最近发展起来的的微污染水处理的新技术，在一定程度上代表了当今饮用水处理技术的发展方 向。 1 4 3 填料的改性 填料的改性主要有亲水改性与生物亲和改性两方面。亲水填料比普通填料挂膜快，不易脱落， 对污染物去除效果好；生物亲和性填料不会对生物有任何损坏或副作用，利于微生物生长。近年来， 大量研究【6 删发现，弱磁场可大大提高污水的生物降解效率。张凡刖等还研制出了具有生物亲和性 和亲水性且带有弱磁场的活性磁种生物填料，即同时将生物亲和性物质( 如海藻酸钙、淀粉等) 、亲 水性物质( 如含亲水基团的聚乙烯醇等) 以及经修饰的磁粉、活性炭引入普通高分子材料生物填料 中，适当充磁后成为生物亲和亲水活性磁种填料。这种填料一