（市政工程专业论文）低浓度臭氧—生物活性炭对污水深度处理试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 低浓度臭氧生物活性炭对污水深度处理试验研究+ 专业：市政工程 研究生：侯方东 导师：王晓昌教授 王宝泉教授 摘要 本研究采用臭氧一生物活性炭( 0 3 - - b a c ) 工艺在西安市北石桥污水净化中心进行了以污 水再生回用为目的的城市污水深度处理中试试验。试验以二沉池出水为原水，臭氧投量1 o 1 5 m g l ，接触时间1 6 m n ，原水经臭氧氧化反应后，导入生物活性炭滤柱。活性炭层高度为1 6 矾， 滤速为3 6 m h 。 工艺具有良好的深度处理效果：色度去除率为9 2 3 ，浊度去除率为8 0 5 ；反映有机物 总量的指标u v 撙、t o c 、c o d c 。的去除率分别为7 8 5 ，4 7 o 和6 4 o ；滤后水无异昧，浊 度小于0 6 n t u , 色度在4 c u 以下，t o c 与c o d e 分别在4 9 m g l 和8 r a g z , 左右。水质优良， 可满足各种回用要求。 在低浓度臭氧化条件下，臭氧的除色效果显著，但不能有效去除有杌物，主要是将大分子 有机物转化为小分子有机物，并大幅度提高水中有机物的生化降解性。臭氧化前后有机喾唠孑 量测定结果和u v f f o c 比值的变化充分证明了这效果。 b a c 可以进一步有效去除水的色度、浊删中有机物；同时对n h 3 - n 有较高的去除( 平 均去除率为5 3 ) ，但去除效果受原水n h 3 一n 浓度影响较大；有机物和n h 3 一n 的去除主要 在b a c 上层4 0 c m 内完成。 b a c 各层的生物量测定结果表明，生物量沿炭层深度呈递减关系，在生物膜成熟期，炭柱 上层的生物量可以达3 1 5 9 n m o l l 勿i d - p g 艚髭旋面最下层仅为3 5 9 n m o l l i p i d - p g 癌跫芝豢上 层充足的溶解氧和底物供应为生物膜成长提供了有利条件。活性炭柱上层l o c m 生物量随时间 呈s 型趋势增长，其增长过程与悬浮微生物的增长过程相似，主要经历适应期、对数增长期、 稳定期等阶段。 通过生化反应动力学分析建立了b a c 去除有机物的三段拟一级反应动力学模型。由于生 物量沿炭层深度递减，一级反应速率常数也沿炭层深度相应递减 关键词：污水回用、污水再生、臭氧、生物活性炭、动力学模型 论文类型：应用基础 陕西省自然科学基金资助项目，国家自然科学基金重点资助项目 i 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d i e so nt h e t e r t i a r y t r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e r b y l o wc o n c e n t r a t i o n - o z o n a t i o na n db a cf i l t r 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 a u t h o r h o u f a n g - d o n g s u p e r v i s o r p r o fw a n gx i a o - c h a n g p r o f w a n gb a o - q u a n t e r t i a r y t r e a m a e r ao fd o m e s t i cw a s t e w 种e r1 sc o n d u c e df o rw a t e rr e c l a m a t i o na t b e i s h i q m o w a s t e w a m e rp u r i f i c a l i o nc e n t e x i a l lm u n i c 币a l i t y , w i t hap l d c e 墨o fl o w - c c n c e r l r a l i o n - o z o n a f i o n f o l l o w e db ym o g h la e l i v a t e dc m b o n ( 0 3 - - b a c ) f i l t e ri np i l o ts c a b t h es e c m d a r ye f l l u e r aw a s i n t r o d u c e d i n t oa v e r t i c a l f l o w o z o n er e a c t o r w i t h a n a v e r a g e c o n t a c t i n h e o f l 6 m n a t a n o z o n e d o s e o f l 1 5m g l a n d t h e n l e d i n t o a1 6 - m e t e r - i f i g h b a c f i l t e r a t a r a 圭e o f 3 6 m h n 峙p l d c e 墨a c h i e v e dar e n - a i a t b l ee f f e c to f t e r a a r y t r e a t n e n to fd o m e s l i cw a 曲啊抛i tr e m o v e d 9 2 3 o f c o l o ra n d 8 0 5 o f t u r b i d i t y t h ea v e x a g e r e m o v a l so f o r g a n i cs u b s t a n c e si nt e m l so f u v z 5 4 ， t o ca n dc o d c rw e l e u p t o7 8 5 4 7 0 a n d 6 4 0 m s p e c f i w 虹t h e f i l t e r e dw a t e rw a s c o m p l e t e l y f l e e f r o m o f f e n s i v e o d o r w i f l a t u r b i d i t y l o w e r t h a n 0 6 n t u ) c o l o r b e l o w 4 c “t o ca n d c o d o a b o u t 4 g m g la n d8 m g lr e s p e c t i v e 取q u a h t y o f t h ei m a l e dw a t e ri sg o o d e n o u g h t om e e t t h en e e d so f w a m r l - e t l s ef o rv a r i o u s p u r p o s e s h ls p i i eo ft h el o wc o n e e r a r a t i o no fo z o i 世a p p l i e d , ar e n k a b l ec o l o rr e m o v a lw a sa c h i e v e e d o z o n a t i o nc o u l d n tr e a t l ti nas u b s l m a i a lr e m o v a l o f o r g a n i cs u b s t a n c e sb u ta c e c c d i r 培t o t h e c h a n g eo f l i a em o l e c u l a rw e i g h td i s m i b u f i o n 缸du o cr a t i oh e , r ea n da f t e ro z o n a l i o n , i tw a sf o u n dt h a t o i 础m a t t e r sw i t hl a r g e rm o l e c u l e sw e r eb r o k e nk a t os m a l l e rm o l e c u l e s , w h i c hi m p r o v e dt h e b i o c h e m i c a ld e g r a d a b i l i t y o f o r g a n i cs u b s t a n c e s i n t h e w a t e r c o l o r , a 】r b i d i t y 缸no r g a r 五c 嗣出吲【a n c e sw e r e 矗础e r r e m o v e da f t e r 廿a eo z o n a t e dw a 口e rf l o w e d t h r o u 曲t h eb a c f i l t e r m e a n w h i l e 5 3 9 o fn h r nw a sr e r o o v e db u tt h er e m o v a le f f e c tw a sn o t s m d y u n d e rt h ei n f l u e m e do fn h 3 - nc c q a c e r 血a f i o no ff f ml a ww a l e r t h e0 r 印面cs u b s t a m e sa n d n h 3 - n w e r er e r n o v c d m a i n l y i nt h e u p p e r 4 0 e r ao f t h eb a cf i l t e r t h eb i o m a s sw a sf o u n dt od e x c a s ca l o n gt h ed e p t ho ft h eb a cf i l t e r a f b e rt h eb i o f i l mw a s 西安建筑科技大学硕士学位论文 m a l l 】u r a 把dt h eb i o m a s si nt h eu p p e rl o c mw a s 3 1 5 9n m d l i , v i d p ga c t i v a t e d c a r b o n , b u to n l y3 5 9 n m o l l i p i d - p ga c t i v a t e dc 口b o ni nt h el o w e s tp a m i nt h et l l 3 p e rl o c mt h en l e a 双l r 日b i o m a s sg r o w t h e l r y es h o w e d a n s s h a p e w i t h t i m e ，w h i c h i s s i m i l a r t o t h e g r o w t h p r o c e s s o f s u s p e n d e d m i c r o o r g a n i m l , c h a r a c t e r i z e d b y a l l a c c l i m a t i z a t i o n p e r i o d , a l o g a r i t h m i c g r o w t l a 渺d a n d f i n a l l y a s t e a d y p e r i o d b a s e do nt h e a n a l y s i so fb i o r e a c t i o nk i n e t i c s , at h r e e - s t a g e k i n e t i cm o d e lw a sp r o p o s e dt o c h a r a c t e r i z e t o cr e n v a l i n t h e b a c f l l t e b q c a l t l s e t h e b i o m a 罄d e c r e a s e s w i t h t h e d e p t h o f t h e b a c f i l t e r , t h er a t ec o e f f i c i e n to f t h e f i r s t - o r d e rl e a c t i o r ld e c r e a s e sw i t ht h ef i l t e rd e p t ha sw e l l k e y w o r d s ：w a t e rr e u s e ，w a s t e w u t e rr e c l a m a t i o n , o z o n e , b i o l o g i c a l a c t i v a t e dc a r b o n , k i n e t i c sm o d e l p a p e r t y p e ：f u n d m - a e n t a ls t u d y f o r e n g i n e 醯n _ g a p p l i c a t i o n 声明 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 申请学位或力共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己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：俪糸日期：加占- 罗 关于论文使用授权的说明 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：学校有权保臣送交论文的复印件，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。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：俪量s 师签名：之玄永日期：撕弓占夕 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 尽管中国淡水年均总贮量达2 8 0 0 0 亿，居世界第6 位。但1 2 亿多的人口总数使其人均 年贮水量仅为2 4 0 0 m 3 ，约为世界人均值的1 ，4 ，属1 2 个贫水国家之一。a t 汐1 - ，中国有限的淡水 资源的分布随地域和季节有很大的差别：南方水资源丰富，而北方缺水；在北方6 - 9 月份降水 量占年总降水量的7 0 8 0 。 在中国北部以及一些沿海城市，随着城市建设的扩大，人口的增多和经济的发展，缺水问 题愈益严峻，8 0 年代中裁有2 3 6 座城市缺水，其日缺水总量达1 2 0 0 万，而到2 0 0 0 年，在 中国的6 4 4 座城市中有4 5 0 座城市面临缺水问题【1 】。 解决水资源问题的途径一般说来有三剩2 l ：一是水资源开发，即通过开发新的水资源来满 足用水需求；二是水资源合理调配，即在不增加现有水资源总量的前提下，合理调配农业、工 业、环境、生活用水的比例，抓住主要矛盾，用有限的水资源保证最大限度的经济发展；三是 水资源再生，即在各种可能的范围内将使用过的水资源直接或间接地进行重复利用，以从整体 上减少对水资源总量的需求。 对于西北贫水的城市，从丰水地区跨流域调水投资犬，影响面广，必须在国家的统筹计划 和安排下作为大规模工程项目来考虑。相比之下，城市污水回用更为经济，其基建投资只相当 于从3 0 公里外引水。报批的污水回用规范中已规定远距离引水之前必须做污水回用可行性研 究。可见，污水资源的再乖4 用已成为当今发展的必然趋势，而且人们也进一步意识到合理利用 污水资源，不仅可以缓解全球性的供水不足，还可以改善生态环境，造福子孙后代，从而保证 国民经济的可持续发展【5 j 。 1 1 污水回用现状 水资源短缺是2 1 世纪人类面临的最为严峻的资源问题之一。全世界只有1 4 人口得到合乎 水质标准的饮用水，l b 人口得不到安全用水，缺水的形势日趋严峻。面对日益严峻的水资源 短缺问题，全世界都在积极地探索新途径以获取足够的淡水资源。跨流域调水、海水淡化、污 水回用和雨水蓄用是目前普遍受到重视的开源措施，它们在一定程度匕都能缓解水资源供需矛 盾。美国曾经拿城市污水和海水作比较，前者含有o 1 的污染物，而后者则含有3 5 的溶解 盐，还有大量的有机物质，为污水二级处理出水所含杂质的3 5 倍以上，因而采用海水淡化获取 水源的基建费和单位成本都超过污水回用的费用【3 】。 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 由于污水就i 斤可得、水量稳定、不会受到地域与气候的影响，所以污水回用经常被作为解 决水资源缺乏的首选方案 4 1 。 1 1 1 国外污水回用现状及发展水平 城市污水回用已经成为世界不少国家解决水资源刁浞的战略性对策。g y r o s 7 7 回用技术在 国外已有了丰富的经验，通过污水回用部分满足由于水资源不足限制城市和工业发展的需要， 收到了相当好的社会效益和经济效益阁。下面简单地介绍国外一些国家污水回用的发展状况【4 。 1 美国城镇污水处理设施已经非常完善，城市二级污水处理厂已得到1 0 0 普及，城镇 污水回用已进入大规模生产应用阶段，尤其是在气候干旱的中西部地区。 2 0 0 0 年，加利福尼亚州的污水回用量8 6 4 亿，占污水处理总量的1 0 ，占平水年全州 城镇年用水总量的7 左右。 佛罗里达州s t p c 乜w s b u r g 城被认为是美国城市污水回用的先驱。该城三面环海，年降水量 1 4 0 0 r a m ，其中5 0 集中在夏季，蒸发量很大( 1 0 0 西删) ；地势平坦，无法建库贮水，余下4 0 0 r a m 的降水变成径流汇八大西洋。该城建成了世界上最大的城市污水回用系统：将二级污水处理厂 改造成三级处理厂，建成回用水管网，将净化后的再生水用于工业冷却、草地浇灌、建筑中水 和消防，剩余的回用水通过深井注入地下含盐水层。 佛罗里达州的圣彼得堡，是美国唯一完全实现污水循环的大城市，它利用了自己产生的全 部污水，不向周围河湖排放任何污水，这个城市有两套配水系统，套系统输送新鲜淡水供饮 用和家庭用水，另套系统输送中水用于灌溉公园、绿地、草坪以及清洗车辆等其它用水标准 较低的地方。 美国污水回用最典型的城市是洛杉矶，当地水资源贫乏，历来依靠外调水以满足不断增长 的用水需求，由于昂贵的建设费用与环境压力，扩建新水源异常困难，污水回用成为弥补水资 源供需缺口的重要方法。 2 日本早在1 9 6 2 年开始回用污水，7 0 年代初见规模。9 0 年代初，日本在全国范围内对 污水回用的可行性进行了深入研究，在严重缺水地区大力推广污水回用技术。在1 9 9 1 年日本的 “造水计划”中，明确将污水回用技术作为最主要的研究内容加以资助，开发了很多污水深度处 理工艺，在新型脱氮除磷技术、膜分离技术、膜生物反应器技术等方面取得了很大进展，建立 起以赖沪内海地区为首的许爹水再生工_ r 。日本的污水回用对象主要有两个：一是河道景观 用水，二是工业用水。 3 突尼斯北非发展污水回用最积极的国家，8 0 年代初期，制定了污水回用政策。污水回 用的主要对象是农业。为了提高回用率，突尼斯采用蓄水池或地下蓄水层对再生水进行贮存。 4 南非南非的约翰内斯堡每天有9 4 万饮用水来自再生水工厂，由于处理得当，没有 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 发生卫生问题。 5 。纳米比亚纳米比亚的温得霍克市将污水深度处理后，直接作为生活饮用水水源，水质 达到世界卫生组织和美国环保局公布的标准。 6 ，巴_ 西在将城市污水回用于绿化、冲厕、冲洗道路、洗车等方面做了大量的研究和实践。 综上所述，国外污水回用的技术研究应用较早，发展也已经比波成熟，收到了良好的效果。 1 1 2 我国污水回用的发展状况 从国内污水回用的发展状况来看，污水回用现已受到比较普遍的重视，许多缺水地区已经 建立了一批技术可靠、管理科学、运行稳定的回用工程。2 0 0 1 年初，中华人民共和国“国民经 济和社会发展第十个五年计划纲要”首次将污水回用写入其中嘲。国内许多城市的污水处理厂建 设了回用处理设旌，下面就北京、天津和太原等q 个比较有代表性的城市污水回用的发展状况 进行简要介绍 4 1 。 1 北京市北京的高碑店污水处理厂建成了我国最大的污水回用工程，回用规模为3 0 万 ，力汀，回用对象主要是河湖补水、城市绿化、喷洒道路和热电厂冷却用水。 2 天津市天津纪庄子污水处理厂厂内回用工程规模2 0 0 0 m g a , 该厂采用a 2 o 工艺先进 行脱氮脱磷处理，再经过纤维球滤料过滤、消毒，然后回用。天津东郊污水处理厂回用工程将 二级出水过滤、消毒后回用，规模7 万，砌。 3 长春市长春市在建的两个污水厂都考虑了污水回用。北郊污水厂回用规模1 0 万州切。 西郊污水厂计划一期回用5 万挣砌，二期回用1 0 万肌。 4 大连市大连市春柳河污水处理厂规模l 万胁的污水回用示范工程已运行十年，效果 良好。新建的几个污水厂都有深度处理设施，大部分二级处理后的水回用。 5 青岛市青岛市污水回用工作开展较早，海泊河污水厂已建成处理能力4 万, d a 的深度 处理设施。 6 太原市太原北郊污水处理厂向太钢供水，年供水量为1 8 0 万肌3 ，作为太钢循环冷却水 的补充水。太原化工集团公司水厂回用分厂利用太化南堰污水处理厂二级出水为水源，采用生 物陶粒接触氧化+ 混凝沉淀+ 过滤的深度处理工艺进行处理，出水供化工厂及化肥厂使用。 污水回用发展到今天，人们已经认识到污水作为水源的重要意义。实际上，污水回用系统 是通过工程工艺来模拟自然界的水循环。水循环系统中包括了有计划的污水再生、循环和回用， 这是社会进步、技术发展、对公共卫生危险认识提高的反映。由于污水、再生水和水回用之间 的关系链得到了人们越来越正确的认识，越来越小的循环圈是可能的，这意味着污水回用有着 广阔的发展前景。 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 3 西北干旱缺水地区污水资源化的前景 处于黄河上游流域的西北地区水资源极其贫乏同。按照降雨量在全国范围的分布回，年降雨 量小于4 0 叻聊的地区基本上都处于这一区域。在西部大开发战略中，水资源问题是制约这些地 区经济发展的一个主要因素，然而进一步开发水资源的潜力己不大，跨流域调水和水资源再生 利用被认为是解决水资源不足问题的主要对剩6 j 。住在这里的人们，穷尽了种种找水的办法： 打井取水、挖窑蓄雨、直到远距离调水，今天他们又将目光投向了技术体系最为复杂但却永远 不会枯竭的污水回用上来。城市污水就近可得，水量和水质相对稳定，经适当处理后可用于农 林业灌溉等。实现城市污水资源化是解决西北干旱地区水资源短缺的一项良荆q 。 1 2 污水回用新技术 预处理一级处理 二级处理 深度处理 图1 1 常规污水处理流程和污水回用单元研 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 早期的城市污水回用主要用于农业灌溉，由于对水质要求不高，一般就直接将污水厂二级 出水加以利用。随着城市污水回用领域的扩大，对回用水的水质也有了不同的要求，并针对不 同的用途和要求制定了水质标准，但是这些标准的要求都高于污水处理厂二级出水水质，因此 污水回用技术多对二级出水进行深度处理( a d v a n c e db e , a l m e n t 也称作高级处理或三级处理) 。 污水处理后回用，是项系统工程，它包括城市污水的收集系统、污水再生系统、输配水 系统、用水技术和监测系统等，污水再生系统是污水回用的关键所在。污水回用的目的不同， 水质标准和污水深度处理的工艺也不同。图1 1 是对常规污水处理流程和污水回用单元的简单 归纳。针对不同的回用目的，可以选择不同的深度处理工艺。 深度处理一般是污水回用必需的处理工艺。它是将二级处理出水再进一步进行物理、化学 和生物处理，以便更有效地去除污水中各种不同性质的杂质，从而满足用户x c g 质的要求。 随着污水资源化的发展，污水深度处理的新技术也不断地涌现出来，并日趋成熟，通常由 以下单元技术优化组合而成：捏凝、沉淀( 澄清、气浮) 、过滤、活性炭吸附、脱氨、离子交换、 微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、臭氧氧化、消毒等。表1 1 是针对某类污染物的去除可 采取的单元技术。 表1 1 深度处理单元技术i 习 水中污染物质可选择的水处理方法( 操作单元) c o d ( t o c ) 生物氧化、活性炭吸附、化学氧化、离子交换、反 有机物 渗透、微电解 溶亚甲蓝活性物质泡沫分离、活性炭吸附、生物氧化、反渗透 解有毒物质化学氧化、活性炭吸附 性 吹脱、生物氧化、化学氧化、离子交换、反渗透、 物 氨氮 电渗析 质 无机物磷酸盐混凝、沉淀、生物氧化 硝酸盐生物脱氮、离子交换、反渗透、电渗折 总溶解性固体离子交换、反渗透、电渗析、蒸馏 c o d混凝气浮沉淀、过滤馓电解 悬 ( 氮、磷、碳)厌氧生物处理与好氧生物处理 浮有机物 性 病毒、 混凝气浮一沉淀、过滤 物 病原体寄生虫化学氧化、生物氧化 矿物质混凝、沉淀、过滤 质 无机物 金属化学氧化、混凝沉淀、过滤 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 臭氧一生物活性炭( 0 3 - - b a c ) 技术概况 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。前者属于深度氧化技术，后者属于 生物技术。 1 3 1 臭氧氧化技术概述 随着水污染的日益加剧和对水质要求的提高，促进了水处理技术的发展，出现了许多新的 物理、化学和生物处理方法。在这些方法中，对于那些难于生物降解的或对生物有毒有害的物 质的前处理、处理和后处理，化学方法显出了独特的优判1 0 1 。 众多研究表明，难生物降解的污染物通常具有化学结构稳定眭，难于被常用氧化剂完全矿 化，这就要求所采用的化学氧化剂必须具有足够的氧化能力以彻底破坏有机物的结构，这趋 势促使了以产生氢氧自由基( _ o h ) 为主要特点的高级氧化技术( a d v a n c e d o x i d a t i o n t e c h n o l o g y ， 亦称深度氧化技术) 的迅速发展，出现了臭氧氧化法，臭氧和紫外线联用( 0 3 u v ) ，f e r m n 试剂氧化法，及其它各种化学催化氧化法等。这些方法在许多有机废水处理中均有应用。 臭氧的分子式为0 3 ，是氧的同素异形体，在室温下为无色气体，具有特异的臭味，能够刺 激口、鼻等器官的粘膜。臭氧的氧化能力很强，在天然元素中仅次于氟( 见表1 2 ) ，采用臭氧 氧化技术作用于有机废水、城市生活污水具有以下显著特点：反应速度决；处理设备简单；脱 色效果显著；可以处理水溶性高分子等生物难以分解的物质；可杀菌及除臭。 表1 2 常见氧化剂的羁化还碌电位 氧化剂种类标准电极电位计矿 f 2 2 8 7 0 h2 8 0 o s 2 0 7 h 2 0 2 1 7 7 k m n 0 4l 6 8 h c l 0 1 6 3 c 1 0 l 1 5 0 c h 1 3 6 c r 2 q 2 。 1 , 3 3 0 ，1 2 3 近些年，随着臭氧生产技术的飞速发展，其成本大大降低，在废水处理中、污水的深度处 理以及钦用水消毒等方面都有着较为广泛应用，以废水处理为例”1 】： 臭氧氧化法处理印染废水，能将染料的不饱和键打开，最后生成有机酸和醛类等分子较小 的物质，使之失去显色能力，而达到脱色的目的。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 臭氧用于含氰废水处理，不需加入其他化学物质，处理后的水质好，操作简单。尽管由于 臭氧发生器的电耗较高，设备投资较大，但从总体的综合经济效益讲。臭氧氧化法优于碱陛 氯化法。 本课题是将臭氧氧化技术引入到污水的深度处理中。考虑到工艺运行中操作简便可行以及 节约成本等因素，采取了低浓度臭氧氧化方式，并且没有和其它氧化技术联用。尽管单纯的臭 氧氧化方式的臭氧利用率较低( 源自气液反应的传质局限) 且会生成许多中间产物，但在试验 中只作为生物活性炭的预处理技术，已经起到了重要的作用。王晓昌等在水中天然有机物臭氧 化特性研究中发现【嘲：臭氧并不能将以腐殖酸为代表的天然有机物彻底转化为无机物，各腐殖 酸的总有机炭( t o c ) 浓度在整个臭氧化过程中基本不发生变化。但臭氧化对l 2 5 4 的去除效 果很明显，反映了在臭氧化过程中有机物的结构发生了显著改变，部分非跑和构造的有机物( 紫 外光吸收有机物) 转化为饱和构造( 紫外光不吸收有机物) 的有机物，大分子的有机物已基本 没有，这一部分有机物转化为小分子有机物。并且还有研究表明0 3 1 ，臭氧化可以改善水的可生 化降姆j 生，增加水中可生物利用的有机营养基质的含量，具体表现为水中生物可同化有机碳 ( a o c ) 和可生物降解的溶解性有机碳饵d o c ) 浓度升高。另外在反应中产生了大量的溶解氧。这 些都为后期的生物活性炭处理单元提供了良好的条件。 1 3 2 真氧生物活性炭联用技术发展现状 臭氧氧化生物活性炭的第一次联合使用是1 9 6 1 年在德国d u s s e l d o r f 市a m s t a 棚g f 中开 始的，它的成功引起了德国以及西欧水处理工程界的重视【1 4 1 。在1 9 6 7 年p a f l l h m s t 等人首次肯 定了微生物在活性炭上生长的有利性【1 习【1 6 1 ，大大地延长了颗粒活性炭( g r a m d a r a c t i v a t e d c a d ) 0 n 简称g a c ) 的使用寿命，最终确立了臭氧一生物活性炭技术。从7 0 年代初开始，臭氧氧化一 生物活性炭水处理工艺得到了大规模研究和应用，例如西德b m n m 市的a u f d e mw e r d e r 的半 生产性【刀和m u l h e i m 市d o h n e 水厂的中试及生产性规模的应用 旧。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林格( l e n g g ) 水厂【1 9 】和法国的 卢昂拉夏佩勒( r o u e n l ac h a p e l l a ) 水厂刚 2 1 。1 9 7 8 年由美国学者米勒( g w m i l l e r ) 和瑞士学 者i l g r i c e 首次采用了“生物话性炭( b i o l o g i e a l a c t i v a t e d c a r b o n 缩写为b a c ) 这一术语p “。 近年来，附着生物膜的活性炭水处理的实例逐渐多起来。可以总结生物活性炭( b a c ) 技术是 以具有巨大比表面积及发达空隙结构的活性炭作为微生物集聚、繁殖生长的载体，在适当的温 度及营养条件下，同时发挥微生物生物降解作用的水处理技术，或称为生物活性炭法。 臭氧氧化生物活性炭联用技术在7 0 年代传 我国，并从8 0 年代开始得到应用。无论是 在给水处理中，还是城市污水、工业废水的深度处理中都有着广泛的运用。哈尔滨工业大学王 宝贞教授等在哈尔滨的江北月亮弯开发区，采用臭氧和生物活性炭联用法设计并建成一座小规 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 模的饮用水深度净化厂，处理能力为2 0 0 t d 。表1 2 总结了臭氧一生物活性炭技术用于纺织印染 废水的实例。 表1 2 生物活性炭用于纺织印染废水实例吲 工程名称规模及处理工艺处理效果投运时间 北京市 进水出水 清河毛纺厂 q = 1 6 0 0 m 3 dc o d ( 2 0 0 2 5 0 2 0 4 0 1 9 8 1 年建成 毛纺印染废 生物接触氧化+ 两 b o d ( m f l 1 5 0 1 0 01 0 左右 连续运转5a 级g b a c色度( c ) 5 0 1 5 05 1 5 水治理工程 s s ( m g l ) 1 0 0 2 0 0 1 0 2 0 中山市 进水出水 德宝整染厂 q = 5 0 0 0 m s dc o d ( m g , z ) 1 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 2 0 世纪9 0 年 印染废水 中和+ 酸化+ 生物 b o d ( m g l ) 3 0 0 5 0 0 3 0 代中期设计 接触氧化+ g b a c色度( c “)1 0 0 0 5 0 治理工程 s s ( m g l ) 3 5 o 5 深圳市进水出水 联合胶丝花 q = 2 0 0 m s d 厂废水 接触氧化啦滤+ c o d ( r a g l ) 1 2 55 02 0 世纪9 0 年 g b a c b o d ( m g l ) 5 01 8代末期 治理工程色度( c “) 9 43 8 注：表1 2 中指标为平均数 国内外科学家对臭氧生物活性炭系统的研究和该工艺越来越多的工程实践应用无不表明它 所受到的关注与重视。因此水处理专家预言：“随着饮用水源污染的日益加剧，以及饮用水质标 准的提高，二十一世纪臭氧生物活性炭技术将成为饮用水净化厂普遍采用的常规处理方法”口”， 同时也将在污水深度处理中得到广泛的应用。 1 3 3 生物膜的固定化方法 生物活性炭中生物的t n - 养实际上是个生物固定化的过程，以下列举了几种比较典型的固 定化方法。 1 工程菌的固定化方法王宝贞、马放等脚1 人在臭氧生物活性炭对饮用水深度处理的试验 中，检测出自来水中仍有一定量的细菌存在。这些细菌种群对氧化作用具有_ 定的抵抗性，对 其进行分离纯化，得到1 3 株菌，进行细菌形态和菌落形态的观察，以及生理生化指标测定到属， 舍弃两种病原菌埃希氏菌属和葡萄球菌属，最后筛选出1 1 株菌作为微生物固定化所用的菌种， 即称其为工程菌。 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 由于原水属贫营养状况，所以将1 1 株菌混合，并依次培养于含有全营养到贫营养的培养基 中，最后在贫营养培养基中细菌数量稳定在1 0 9 卿踟( 即大肠杆菌最大估计数为1 0 9q , 硼 左右后，进行细菌的固定化。 将菌液桶置于高处，利用虹吸使菌液从e 到下扫五入活性炭柱，柱下放另水桶接住残余的 菌液，然后再将菌液倒回高处桶内，这样反复循环几次直到流出水的菌数不再降低，这时可认 为活性炭柱对细菌吸附和截留已达饱和。为检测细菌吸附情况，紧接着对炭柱通自来水，测定 出水菌数。结果拍后出水菌数为1 泸俨 e 当连续运行1 2 h 后，出水中菌数已达5 0 0 m p n m l ， 此时可认为细菌已被活性炭吸附。 5 0 d 的连续试验证明，采用筛选、驯化、培养的菌种进行 工固定化后形成的固定化微生 物对浊度、高锰酸盐指数、色度都有较好且稳定的去除率，具有比普通活性炭更高的活眭，大 大提高了活性炭的使用寿命。 2 沉淀法生物接种挂膜首先将接种液引入到滤柱中浸泡滤料，使微生物附着到滤料表 面，然后放空接种液直接引入营养物，让其生长成熟，这种滤池挂膜的方法称为沉淀法嗍。在 生物膜挂膜生长过程中，载体表面生物膜的成熟不是靠接种液中悬浮微生物的沉积，而主要是 靠载体表面已经附着了的微生物同化水中底物后生长成熟。 王晟等同人在城市污水深度处理试验中采取了沉淀法进行生物接种挂膜，将氧化沟活性污 泥打碎，与二沉池出水以一定比例混合制成菌液倒入g a c 滤池中浸泡，然后放空滤池倒入新 的菌液，如此几次后，直接通入臭氧化后的原水进行过滤。 沉淀法操作比较简单易行、挂膜快并且挂膜效率高。 3 生物的自然挂膜由于考虑至峋隔矧生炭柱t 自然挂膜的规律，在本次试验中并没有 采取其它接种挂膜的措施，而是直接运行设备。臭氧化后水中的微生物在经过活性炭柱时，在 炭颗粒表面附着、固定，其过程可以划分为以下几个步骤删： 液相中悬浮微生物 4 微生物向载体表面运送一没有附着的微生物 i 可逆附着( 附着与脱析的双向动态过程) 4 不可逆附着( 可逆过程的延续，有生物聚合物参与细菌与载体表面间的相互作用) l 固定微生物增长、形成生物膜 试验中，由于臭氧具有消毒的功效，故臭氧化后水中微生物的数量较少，所以在炭颗粒e 形成第一层生物膜是相当困难的，这也就决定了生物膜的启动时间较长，这也是自然挂膜的缺 点。但在生物膜形成以后，其中的生物相都应该具有抗臭氧性，运行就比较稳定，受外界的影 响较小。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究概要 1 4 1 课题来源及研究目的 本课题是陕西省自然科学基金资助项目，以西安市北石桥污水净化中心的出水为处理对象， 研究低浓度臭氧化一生物活性炭法在污水深度处理中的应用。研究工作同时也包括国家自然科 学基金重点资助项目( 5 0 1 3 8 0 2 0 ) 西部干旱缺水地区水资源再生利用研究的部分内容。 常规的给水和污水处理技术主要包括物理化学法和生物化学法两大类，给水处理以物化法 为主，污水处理( 尤其是城市污水处理) 以生化法为主。近年来，随着水污染问题的加剧，人 们对水质要求的提高，物化法和生化法相结合进行水处理的技术越来越受到环境工程界的重视。 尤其是对于受污染比饺严重的水源水的处理和以水资源再利用为目的的污水深度处理，单一方 法往往不能有效去除水中有毒有害物质，必须运用新技术来强化水处理流程。本项目所研究的 低浓度臭氧化一生物活性炭技术就是达到这一目的的水处理新技术。 按照国外近年来根据可处理性将污染物进行的分类，水中污染物包括可混凝性、生物可降 解性、生物难降解性三大类。常规物化法的处理对象属于第种，污水二级处理的对象属于第 二种，而第三种则是当今水处理的难题。一股来说，能有效去除生物难降解物质的方法是活l 生 炭吸附，但当水中污染物浓度较高时，活性炭很快会达到吸附饱和，必须频繁地进行再生或更 换新炭，实际运用比较困难。合理的构思应该是，运用化学的方法将水中的生物难降解性4 匆质 最大限良地转化为生物可降解性物质，然后通过生化法处理较为彻底的去除水中的有机物。即 以臭氧对水中有机物的氧化作用作为预处理，利用活性炭上生物膜的生物陴解作用将有机物去 除，并且以活性炭为载体的生物膜具有稳定，高效，不易脱落等特点。由于臭氧投加量低，而 活性炭又长期不用更换，处理的成本比较低。该特征充分地表明臭氧一生物活性炭技术是种 具有广阔运用前景的工艺脚】。 1 4 2 主要研究内容 试验内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 臭氧化反应条件及反应机理的研究：考察臭氧对水中有机物及其它有害物质的去除效 果以及影响因素，如臭氧投加量、反应时间、温度等。 ( 2 ) 考察臭氧一生物活性炭联用对城市污水深度处理的效果；分析影响工艺的因素。 ( 3 ) 考察生物活性炭床操作条件；其过滤作用以及生物降解作用对水中有机物去除的机理； 重点考察活性炭的生物挂膜过程中生物膜的增长趋势及分布规律；原水水质、溶解氧、流速、 反冲洗的强度与频率等对生物膜的影响。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 参考文献 1 王宝贞：中国缺水城市污水回收与再用探讨田，2 1 世纪中国城市水管理国际研t 寸a ，2 0 0 i 年1 0 月1 1 日。 2 王晓昌：西部干旱缺水地区水资源再生利用研究，国家自然科学基金申请书 d ，2 0 0 1 。 3 张智，阳春：城糯水回用技术【j 】，重庆建筑大学学报，2 0 0 0 年8 月，第2 2 卷，第4 期。 4 1 张雅玲等：国内外污水回用的发展状况及发展方向 f l ，2 0 0 2 年中国环境工程损域回顾与展望研讨会，2 0 0 2 。 【s 雷乐成等：污水回用新技术及工程设计 m 】，北京：化学工业出版社，2 0 0 2 。 【印王晟：低浓度预臭氧生物j 立滤用于城市污水深度处理的中试研究p ， 西安：申请西安建筑科技大学硕 士学位论文，2 0 0 1 。 刀武吉华：中国北方资源开发与环境研究咖，北京：海洋出版社1 9 9 2 。 8 1 水春雨，完颜华：匿北干旱地区城市污水资源化扔# 觏，甘肃环境研究与监溅，2 0 0 2 ，6 ，第1 5 卷，第2 期，1 4 1 1 4 3 。 9 r a f a e l m u j e d e g o a n d t a k a d t ia s a n o t h er o l eo f a d v a m e d t r e a l m e n ti nw a s t e w a t e rr e c k r o a f i o na n d r e u s e 田 w a t e r s c i e n c e t a c h n o l o g y , 1 9 9 9 4 0 ( 4 - 5 ) ：1 - 9 1 0 】王琳，王宝贞：饮用水深度处理技术【m 】，北京：化学工业出版社，2 0 0 2 。 【n 张自杰，顾夏声：排水工程下册( 第四版) e m ，中国建筑工业出版社，2 0 0 0 ，6 ， 1 2 金鹏康，王晓昌：水中腐植酸臭氧化特性研翘j 】，西安建筑科技大学学报2 0 0 0 ，4 。 1 3 】孙昕张盘松：饮用水预臭氧化技术的进展啊，给水排水2 0 0 2 年，第2 8 卷第4 期。 【1 4 w e i s s e n h o mf j t h e b e h a v i o r o f o z o n e m t h e s y s t e ma n d i t s t r a n s f i ：n m 血o n 叨a m k - b e r l i t t , 1 9 7 7 ，( 2 ) ：5 1 - 5 7 【1 5 p a r k h u m , j pg t a l p o m o n a a c t i v a t e d c a r b o n p i l o t p l a n t j j w p c f , 1 9 7 6 , 3 7 ( 1 l 【1 6 李伟光，马