（市政工程专业论文）臭氧生物沸石去除微污染原水中铁、锰的试验研究.pdf

s t u d yo nr e m o v a lo f i r o na n dm a n g a n e s ei n m i c r o - p o l l u t e dr a ww a t e rb y0 3 b i o l o g i c a lz e o l i t e b y i a nz _ n g k e b e ( h e i b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m u n i c i p a le n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r t a nw a n c h u n m a y ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 潞莎棒 日期：扣j j 年r 月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 渗多椒 许济 日期：扣r 年岁月万日 日期：力年乡月才1 7 1 摘要 在充分综述国内外相关文献和试验研究成果的基础上，针对我国自来水厂水 源水水质下降，常规处理工艺难以保证饮用水的安全卫生要求的现状，在新的水 污染形势下，研究微污染原水的处理技术是重要而迫切的；开展微污染原水中铁、 锰的去除研究与加深对生物除铁除锰的认识很有必要。本文以沸石为填料，分别 研究了天然沸石静态吸附、生物沸石和臭氧生物沸石对模拟微污染原水中铁、锰 的去除效果，并探讨了相关因素对除铁除锰的影响。并对影响因素的作用规律进 行了探讨；最后在最优工艺参数下检验了整体运行效果。得到的主要结论有： 静态吸附试验：沸石的吸附具有“快速吸附，缓慢平衡 的特点；铁或锰的 存在能使对方单一被沸石吸附的吸附量下降，存在竞争吸附；其他因素都有一定 的影响； 生物沸石试验：本试验挂膜启动采用接种挂膜，经过2 2 天的运行，c o d m n 的去除率基本稳定在2 5 左右，同时镜检沸石表面生物相良好并稳定，据此认为 本次挂膜成功；挂膜期间铁、锰的去除率稳定在4 0 左右；水力负荷对除铁的影 响比锰大；铁、锰高去除率温度范围为1 0 1 5 ；亚铁离子参与了锰的去除反应， 但锰的去除率不随亚铁离子浓度的增加而增长，亚铁离子浓度存在一个临界值。 反冲洗周期为4 天。反冲洗时间为1 0 m i n ，冲洗强度为1 0 l ( s m 2 ) 。铁的去除主要 集中在滤层厚度3 0 c m 以上的范围内，而锰的去除是沿着滤层厚度逐级去除的。 臭氧生物沸石试验：本试验的臭氧最佳投加量为2 0 4 m g l ，臭氧最佳接触时 间为1 0 r a i n ；在最佳工艺参数下整体运行臭氧生物沸石工艺对铁的去除率最大提高 了2 6 。对锰的去除率最大提高了3 0 。该工艺在反冲洗后去除能力恢复较快， 且耐进水浓度变化能力强。 关键词：臭氧；生物沸石；微污染原水；铁；锰 a b s t r a c t o nt h eb a s i so f r e v i e wo fr e l e v a n tl i t e r a t u r ei nf u l la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s f o r o u rw a t e rp l a n ts o u r c ew a t e rq u a l i t yd e c l i n ea n dc o n v e n t i o n a ld r i n k i n gw a t e r t r e a n n e n t p r o c e s si sd i f f i c u l tt og u a r a n t e et h er e q u i r e m e n t so f s a f e t ya n dh e a l t hi nt h en e ws t a t u s o ft h ew a t e rp o l l u t i o ns i t u a t i o n ，s t u d y i n gt e c h n o l o g yo f s l i g h t l yp o l l u t e dr a ww a t e ri s 1 m p o r t a n ta n du r g e n t ；c a r r y i n go u tr e s e a r c hr e m o v a lo fi r o na n d m a n g a n e s ei n m i c r o p o l l u t e dr a ww a t e ra n dd e e p e nu n d e r s t a n d i n gr e m o v a lo fi r o na n dm a n g a n e s eb v b i o l o g i c a lt e c h n o l o g yi sn e c e s s a r y t h i sp a p e rs t u d i e dr e m o v a lo fi r o na n dm a n g a n e s e 1 nm i c r o 。p o l l u t e dr a ww a t e rb yn a t u r a l z e o l i t e ，b i o z e o l i t e ，a n do z o n e b i o l o g i c a l z e o l i t er e s p e c t i v e l y ，a n de x p l o r e dt h er e l a t e d f a c t o r so nt h ei m p a c to f r e m o v i n gi r o n a n dm a n g a n e s e l a wa n dt h er o l eo ff a c t o r sw e r ed i s c u s s e d ；u n d e rt h ec o n d i t i o no f t h e o p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r s ，e f f e c to ft h eo v e r a l lo p e r a t i o nw a se x a m i n e df i n a l l y t h e m a i nc o n c l u s i o n sa r e ： s t a t i ca d s o r p t i o nt e s t ：t h ea d s o r p t i o no fz e o l i t eh a s a ”r a p i da b s o r p t i o n s l o w b a l a n c e ”f e a t u r e ；t h ep r e s e n c eo fi r o no rm a n g a n e s ec a nm a k et h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y o ft h eo t h e ro n eb yz e o l i t ed e c r e a s e d ，t h e r ei s c o m p e t i t i v ea d s o r p t i o n ；o t h e rf a c t o r s h a v es o m ei m p a c t ； b i o l o g i c a lz e o l i t et e s t ：t h eb i o m e m b r a n c eo ft h i s t e s ti s i n o c u l a t e d b i o m e m b r a n c e ，a f t e r2 2d a y so fo p e r a t i o n ，t h er e m o v a lr a t eo fc o d m n b a s i c a l l ys t a b l e a t2 5 ，w h i l et h e r ei sag o o db i o l o g i c a ls t a b i l i t yo ns u r f a c eo f z e o l i t eb ym i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n ，t h u sb e l i e v et h a tt h eb i o m e m b r a n c ei ss u c c e s s f u l ；t h er e m o v a lr a t eo f i r o n a n dm a n g a n e s ei sa b o u t4 0 ；h y d r a u l i cl o a d i n go nt h e i m p a c to fi r o ni sl a r g et h 雅 m a n g a n e s e ；t h et e m p e r a t u r er a n g eo ft h eh i g hr e m o v a lr a t eo fi r o na n dm a n g a n e s ei s 10 15 c ；f e r r o u si o n sh a dar o l ei nt h er e m o v a lr e a c t i o no f m a n g a n e s e ，b u tn o tw i t h g r o w t ho fc o n c e n t r a t i o no ff e r r o u si o n s ，t h er e m o v a lo fm a n g a n e s ei n c r e a s e d t h e c o n c e n t r a t i o no ff e r r o u si o n se x i s t sac r i t i c a lv a l u e b a c k w a s hc y c l e ：4d a y s b a c k w a s h t i m ew a s10 r a i n ，r i n s es t r e n g t h ：1 0 l ( s m 2 ) t h er e m o v a lo fi r o nm a i n l yh a p p e n e di n t h ef i l t e rl a y e ra b o v et h er a n g eo f3 0 c m ，w h i l et h em a n g a n e s ew a sr e m o v e ds t e pb y s t e pa l o n gt h ef i l t e rl a y e r o z o n e b i o l o g i c a lz e o l i t et e s t ：t h eo p t i m a ld o s a g eo fo z o n ew a s2 0 4 m g l ，t h e b e s tc o n t a c tt i m eo fo z o n ei s 10 m i n ；u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h e o p t i m u mp r o c e s s p a r a m e t e r s ，t h em a x i m u mr e m o v a lo fi r o nr a t eb yo z o n e b i o l o g i c a lz e o l i t ei n c r e a s e d b y2 6 t h a nb i o l o g i c a lz e o l i t e t h em a x i m u mr e m o v a lr a t eo fm a n g a n e s ei n c r e a s e db y 3 0 a f t e rt h eb a c k w a s h i n g ，t h er e c o v e r yo f r e m o v a la b i l i t yi sf a s t ，a n dt h e r ei ss t r o n g r e s i s t a n c et oc h a n g e si ni n f l u e n tc o n c e n t r a t i o n k e yw o r d s ：o z o n e ，b i o l o g i c a lz e o l i t e ，m i c r o p o l l u t e dr a ww a t e r , i r o n ，m a n g a n e s e i i i 目录 摘j 耍i j l j i i s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景l 1 2 微污染原水的处理技术现状3 1 2 1 常规处理工艺的强化3 1 2 2 预处理技术4 1 2 3 深度处理技术6 1 3 除铁除锰技术概述7 1 3 1 除铁技术的研究概况7 1 3 2 除锰技术的研究概况9 1 4 沸石用于饮用水水处理研究概况1 1 1 4 1 天然沸石在水处理中的应用1 1 1 4 2 改性沸石在水处理中的应用1 2 1 4 3 人工合成沸石在水处理中的应用1 3 1 4 4 生物沸石在水处理中的应用1 3 1 5 课题的提出和主要内容一1 4 第二章试验材料与方法 2 1 试验期间进水水质。15 2 2 试验沸石填料介绍1 5 2 3 试验工艺装置流程1 5 2 4 主要实验方法1 7 2 5 分析项目和检测方法1 7 2 5 1 铁的测定17 2 5 2 锰的测定一l8 2 5 3 高锰酸盐指数的测定一1 8 2 5 4 臭氧浓度的测定1 8 2 6 主要试剂和仪器一1 9 2 6 1 主要试验试剂1 9 2 6 2 试验仪器与设备一2 0 第三章天然沸石静态吸附试验研究 3 1 试验方法2 2 3 2 实验结果与分析2 2 3 2 1 搅拌时间对吸附的影响2 2 3 2 2 铁锰共存对吸附的影响2 3 3 2 3 沸石粒径对吸附的影响2 4 3 2 4 溶液p h 值对吸附的影响2 4 3 2 5 沸石用量对吸附的影响2 5 3 2 6 铁锰浓度对吸附的影响2 5 3 2 7 沸石改性对吸附的影响2 6 3 3 本章小结2 7 第四章生物沸石去除微污染原水铁锰试验研究 4 1 生物沸石的挂膜启动2 9 4 1 1 挂膜启动的影响因素2 9 4 1 2 挂膜启动期间处理效果3 1 4 2 生物沸石除铁除锰影响因素研究3 3 4 2 1 水力负荷对生物除铁除锰的影响3 3 4 2 2 水温对生物除铁除锰的影响3 4 4 2 3 亚铁离子对生物除锰的影响3 5 4 2 4 反冲洗对生物除铁除锰的影响3 5 4 2 5 滤层厚度对生物除铁除锰的影响3 6 4 3 本章小结3 7 第五章臭氧生物沸石去除微污染原水铁锰试验研究 5 1 臭氧驯化3 8 5 2 臭氧投加量3 8 5 3 臭氧接触时间4 0 5 4 臭氧生物沸石去除微污染原水铁锰效果一4 1 5 5 本章小结一：4 2 第六章结论和建议 6 1 主要结论4 3 6 2 建议一4 4 参考文献4 5 致谢一5 0 i i | ：寸录一51 第一章绪论 1 1 研究背景 饮用水一直是人们关注的焦点，因其密切关系着人们的生活水平和身体健康。 近几十年来，随着工业的迅猛发展和城市人口的膨胀，在生活水平显著提高的同 时，加剧的水污染形势对水资源构成严重的威胁。大量生活污水及工业废水未经 适当处理直接排入水体，普遍使地表水源和地下水源遭受污染。所面临的水环境 污染问题是历史以来最为严重的1 1 】。因此，对水体环境恶化的防治和对水资源的保 护依然不能松懈。 地球的水量总量约为1 4 x 1 0 1 暑m 3 ，但能被使用的淡水资源仅占其总量的 0 0 3 t 2 1 。我国水资源总量居世界第六位，但人均占有量仅为世界人均水平的1 4 ， 名列世界第八十八位，是世界1 3 个贫水国家之一1 3 5 1 。加之我国水资源时空分布不 均，许多城市和地区严重缺水。有资料显示1 6 】：我国被统计的6 6 6 个城市当中，将 近一半有不同程度缺水，其中严重缺水的城市超过一百个。据最新调查【7 1 ，我国城 市河段口超过7 8 不适合作为饮用水水源，同时超过废水总量8 0 的污废水未经 适当处理就直接排入自然水体，超过一半的的城镇饮用水水质不能够达到饮用水 水质标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 1 8 - n 1 ，水污染已经严重制约我国经济的高速发展【1 2 i 。因 此，应对水资源紧张短缺和水污染加剧状况，我国必须必须合理利用有限的水资 源和加强水资源的保护。 根据( ( 2 0 0 8 年中国环境状况公报，全国地表水污染状况依然严重【1 3 1 。2 0 0 8 年，全国废水排放总量为5 7 2 亿吨，其中工业废水排放总量为2 4 1 9 亿吨，生活污 水排放总量为3 3 0 1 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 2 0 7 万吨，其中工业废水排放 总量为4 5 7 6 亿吨，生活污水排放总量为8 6 3 1 亿吨。氨氮排放量为1 2 7 0 万吨， 其中工业废水排放总量为2 9 7 亿吨，生活污水排放总量为9 7 3 亿吨。 2 0 0 8 年，七大水系总体水质为中度污染。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、 海河和辽河七大水系水质总体与上年持平。其中，珠江、长江水质总体良好，松 花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染；2 0 0 条河流 4 0 9 个监测断面中，四类至五类和劣五类水质的断面比例分别为2 4 2 和2 0 8 。 其中，长江水系1 0 4 个地表水国控监测断面中，类、v 类和劣v 类水质的断面 比例分别为6 7 、1 9 和5 8 ；黄河水系4 4 个地表水国控监测断面中类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 5 、6 8 和2 0 5 ；珠江水系3 3 个地表水国 控监测断面中，类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为9 1 、3 o 和3 o ； 淮河水系8 6 个断面中，类、v 类和劣v 类水质断面比例分别为3 3 7 、5 8 和 2 2 1 ；海河水系6 3 个断面中，类水质断面占1 4 3 、v 类水质断面占6 3 ； 劣v 类水质断面占5 0 8 ；辽河水系3 7 个地表水国控监测断面中，类、v 类和 劣v 类水质的断面比例分别为1 3 5 、1 8 9 和3 2 5 。 湖泊( 水库) 一半以上属于五类和劣五类水质，其中劣五类水质占3 9 3 ，在 2 8 个国控重点湖( 库) 中没有一个达到一类水质的，其中三湖( 三湖是指太湖、 滇池和巢湖) 全为五类和劣五类水质。湖泊富营养化问题突出。 虽然近几年国家加大了对水污染治理的投资和监管力度，但全国大部分地表 水源水的污染依然严重，局部地区恶化趋势明显。主要污染指标是有机物和氨氮， 还含有铁、锰等重金属。以湘江水源为例( 2 0 0 1 年1 ) ，经检测其中含铁量最高接近 1 m g l ，含锰量约在0 4m g l 1 1 4 l 。 地下水受到有机物、氨氮的污染较地表水轻外，还较为普遍的受到铁和锰的 污染1 1 5 1 。铁和锰对地下水的污染是地下水经过富含铁和锰的地层时发生的自然污 染。含铁含锰地下水在我国分布很广，主要集中在松花江流域和长江中、下游地 区，含铁量一般小于5 l o m g l ，含锰量约为o 5 - 2 m g l 。如表1 1 【1 7 】所示。地下水 中铁锰的形式主要是以溶解的二价离子态存在【1 6 】。 表1 1 我国部分地下水铁、锰含量 水中铁锰所引起的危害大致有以下几点 1 8 - 2 2 j ： ( 1 ) 在生活方面，产生铁腥味，在白色织物上留下黄斑、染黄卫生用具，严 重时会出现自来水变“红水 现象。 ( 2 ) 在工业上，水作为生产原料时会使产品的光泽及颜色等质量降低。 ( 3 ) 在管道里，铁锰会在管壁上逐渐吸附氧化，进而形成铁锰沉淀物而降低 输水能力，剥落的沉淀物会使自来水水质出现短期内恶化，出现“红水 或“黑 水 现象，甚至造成水表和用水设备的堵塞。使管道的使用寿命缩短。 ( 4 ) 在水处理过程中，在滤料上形成一层铁锰沉淀物会设备的正常运行受到 影响。 ( 5 ) 过量摄入对人体可能有慢性毒害。 2 因此，水中铁锰的含量过高是有百害而无一利的，其含量越少越好。有日本 学者经过研究建议工业用水中铁锰含量限值如表1 2 t 2 3 1 所示： 表1 2 工业用水中的铁锰限值( m g l ) 地下水中铁锰的存在往往共生，一般来讲铁、锰含量比例约为1 0 ：l ，一个多 世纪的探索，人们积累了去除铁锰的大量经验。有研究和资料表明：地下水铁的 去除己得到妥善的解决，而如何高效、稳定、经济地将水中锰去除成为重点研究 方向。同步较理想的去除铁锰依然是难点【2 4 1 。 综上所述，我国无论是地表水源还是地下水源，均不同程度地受到有机物、 氨氮、铁和锰等物质的污染。其中铁、锰的危害要引起足够的重视，在新的水资 源状况条件下研究其控制技术和开展深入研究有着重要的意义。 1 2 微污染原水的处理技术现状 微污染原水是指原水收到污染后经过特殊工艺的处理后还可以作为饮用水水 源【z 引。目前自来水厂常规处理工艺主要采用混凝、澄清、过滤和消毒【2 6 3 0 1 。该工 艺在水源水污染状况加剧的情况下，已经难以使出厂水水质达标，同时我国提高 了对饮用水水质安全卫生要求，绝大多数的自来水厂正面临着如何使出厂水水质 满足新的饮用水水质安全卫生要求的难题。有研究表明：常规工艺的改造、强化 和新工艺的采用是一条可行之路。 水处理工作者在这方面进行了大量的研究和实验，并取得了许多成果。主要 采用以下几种方法【3 1 l ： ( 1 ) 常规处理工艺的强化，有强化混凝、强化沉淀、强化过滤等； ( 2 ) 预处理技术的采用，有化学预氧化和生物预处理等； ( 3 ) 深度处理技术的采用，有臭氧活性炭、生物活性碳等。 1 2 1 常规处理工艺的强化 常规处理工艺的强化是指以不增加处理构筑物为前提，通过对常规处理工艺 进行改造，使现有工艺和设备的处理效果最大化，或使其产生某种新的处理效果， 来达到提高出厂水水质的目的。其经济性和时效性是目前控制手段最好的【3 2 】。 3 ( 1 ) 强化混凝1 3 3 弼j 强化混凝是指利用现有构筑的条件下，对混凝条件最优化，来提高对水中浊 度的去除率，同时使其能取出更多的有机物。混凝过程由四步组成：投药、混合、 凝聚和絮凝。强化混凝就是针对上述四步在运行中存在的不足加以改进来净化水 质的。主要方法有：改善絮凝药剂的性能、投加助凝剂、最优化絮凝流程、新设备 的研制。有资料显示：强化混凝比常规混凝对有机物的去除范围扩大。常规工艺 主要对分子量量大于3 0 0 0 d 的有机物有去除效果，而强化混凝对分子量介于 5 0 0 - 3 0 0 0 d 的有机物也有去除效果。中国市政工程西北设计研究院采用新型组合絮 凝剂和改善絮凝水利条件的强化工艺对黄河高浊度原水处理实验表明：c o d 的去 除率达到9 5 ，同时对水中溶解性氨氮等明显的净化效果。 ( 2 ) 强化沉淀1 3 “3 9 l 常规给水处理工艺中的沉淀分离机理，是基于絮凝剂的碰撞形成比表面积很 大的胶体来吸附水中的悬浮物，经历自由沉降达到去除效果的。但随着水源水污 染成分越发复杂，浓度也有所提高，絮凝剂的碰撞几率下降，架桥的吸附效果下 降，就很难保证合格的水质。在沉淀分离方面的新研究有：新型高效高分子絮凝 剂的开发和研制、气浮工艺在沉淀强化的应用研究、沉淀池水力状况和水力条件 的改善研究。新强化沉淀工艺技术主要是基于以下两点：一是水力条件的改善来 减小沉降深度，达到提高效率的目的；二是提高絮凝剂的有效浓度，促进絮凝剂 胶体的快速形成，从而提高沉淀分离效果。据介绍，新的强化沉淀工艺在国外已 有应用，我国鲜有报道。 ( 3 ) 强化过滤【4 2 1 过滤这一工艺过程是由水力的运动、扩散、吸附以及拦截等环节组成。强化 过滤是保证常规去除效果的同时，使其具有更多的功能。比如对有机物的去除能 力。一般的做法是将普通滤池改造成具有生物活性的快速滤池。攻克该技术的难 点在于：选择理想的滤料、滤池生物性的快速成熟、处理后出水的卫生保证等等。 近年来。我国科技工作者先后开展了大量研究，成功开发一些改性滤料。严子春 等研究了生物沸石滤池来强化过滤对有机污染物的去除效果，结果表明，沸石不 仅保持了对水中浊度的高去除率，而且对氨氮和部分有机物有明显的去除作用。 1 2 2 预处理技术 预处理是指在传统工艺前面，通过采用化学、生物方法使影响常规工艺整体 作用的污染物去除的技术。该技术主要包括化学氧化和生物氧化预处理两种。 ( 1 ) 化学氧化预处理1 4 3 l 化学氧化预处理是基于强氧化剂的氧化能力能破坏有机污染物的结构，通过 转化或分解来去除污染物的。目前用于预处理采用较多的氧化剂有臭氧、k m n 0 4 4 等。臭氧作为氧化剂用于预处理的优点有： 1 ) 对水体中病毒的灭活彻底； 2 ) 能将诸如酚等难处理有害有机污染物无害化； 3 ) 能将水中的铁锰氧化成高价沉淀物得以去除； 4 ) 能将生物难降解的大分子物质氧化成小分子物质，使有机污染物的可生化 性提高。 5 ) 其分解产物为0 2 ，可以提高水中溶解氧，满足后续工艺对氧的需求。 6 ) 不会产生诸如氯气氧化处理过程中形成的有害三致物质。 但臭氧处理有机氮较多的水时，经过臭氧的氧化反而会使氨氮含量提高。 k m n 0 4 氧化预处理的优势在于去除水中色度的同时能抑制藻类生长。有研究 表明，在预氧化的同时，k m n 0 4 还能作为助凝剂来增强后续混凝的效果。其缺点 在于容易使处理的水着色，同时处理过程当中产生的m n 0 2 使污泥量增大，均限 制其应用。 ( 2 ) 生物氧化预处理 生物氧化预处理技术是基于在传统工艺前增设生物处理环节，利用其中微生 物的新陈代谢，初步去除可生化低分子有机污染物以及铁锰等1 4 4 1 。该技术主要包 括生物接触氧化、生物滤池等。 生物接触氧化预处理技术是将填料完全置于水中，在气、液、固三相中进行 传质作用，微污染原水中污染物与填料上附着的生物膜接触充分，微生物通过本 身的新陈代谢活动将污染物进行降解，达到去除污染物的效果。在本质上，它和 生物滤池类似，因其特有的曝气器，故又形象地称作“曝气生物滤床 。适用范围 特别广，一般置于处理工艺的前面。其工艺的主要特点是：生物膜极易附着，成 熟速度快，且不易堵塞；特有的微孔曝气系统使氧气利用率高；反应方式为推流 式，处理效果好【4 扣4 6 1 。因而在微污染原水的预处理等方面应用前景广阔。 生物过滤是一种能将饮用水中的有机物、氨氮等污染物质和浊度去除的综合 过滤方式。生物过滤所采用的滤料粒径一般较细或采用粗细搭配的双层滤料。它 是一种利用优质高效的颗粒滤料和生长于其上的生物膜去除饮用水源中的污染物 的新型过滤方式，是常规过滤与生物膜技术相结合的产物。滤料应用较多的有活 性炭、无烟煤、石英砂等【4 7 1 。 概而言之，生物滤池工艺的发展大体上经历了两个阶段： 2 0 世纪6 0 一8 0 年代成为第一阶段，这一阶段以西欧国家的实践应用与研究为 主。这一阶段的研究成果主要表现在： ( 1 ) 提出贫营养菌的概念。认为饮用水源中的微量有机物适合于贫营养菌的 生长，这些微生物具有较大的表面积，对微量有机物有较大的亲和力，且呼吸率 低，有较小的最大增殖速度可以对水中微量有机物有高效的去除作用； 5 ( 2 ) 提出最小基质浓度概念。认为维持贫营养菌的生长，底物浓度不能低于 一个下限值，这个值就称为最小基质浓度； ( 3 ) 提出第二级利用的概念。认为当初级基质提供了微生物生长的基本碳源 和能源后，少数痕量有机物也能被微生物利用； ( 4 ) 用稳态生物膜模型揭示了生物过滤对氨氮的去除。 2 0 世纪8 0 年代末至今称为第二阶段，这一阶段以美国的研究为主。第二阶段 的研究成果主要表现在： ( 1 ) 对生物滤池的性能及影响因素展开全方位的研究。影响生物滤池处理效 果的因素主要有：水源水质、进水基质浓度、预氧化程度、滤料组成、反冲洗方 式以及空床接触时间等。 ( 2 ) 对生物膜的数学模型进一步研究。 ( 3 ) 对生物膜的附着与脱附过程进行了研究。研究认为正常的反冲洗不会对 生物滤池造成明显的不利影响。 ( 4 ) 对生物滤池的去浊性能进行了研究。 1 2 3 深度处理技术 深度处理技术是为了保证和提高饮用水出水水质，在传统处理工艺之后增设 的工艺环节，将常规工艺处理效果不明显的污染物以及消毒副产物的前体去除的 技术。现在应用比较广泛的技术有：膜技术和活性炭等。 ( 1 ) 膜技术【4 8 l 膜技术是在渗透压等推动力作用下，凭借膜的透过特性来分离水中离子、分 子和杂质的技术。膜技术按膜的透过性能分为纳滤( n f ) 、微滤( m f ) 、超滤( u f ) 和反渗透( r o ) 。它们对水中色度、细菌、病毒以及其他有机污染物和微生物有 高效的去除效果，具有许多优点：耐原水水质变化强，出水水质稳定；占地面积 小；操作上实现了自动化。被誉为二十一世纪最具前景的水处理技术。但因其要 求进水的水质较高和定期的化学清洗，所应用的推广受以该技术的基建和运转费 用高。它经济状况影响很大，因此，我国大规模的膜滤水处理厂还很少，国外应 用相对较多。 ( 2 ) 活性炭【4 9 1 活性炭技术在给水处理中的应用越发广泛，因活性炭具有巨大的比表面积， 能够有效去除水中色度，臭味以及溶解性有机物的问题。生物活性碳技术是活性 炭技术在生产实践中发展起来的，最早应用该技术的是德国慕尼黑市自来水厂。 生物活性炭技术较单纯活性炭物理吸附的优点有减少了投氯量；降低了消毒副产 物的生成量等。随着研究者的开发研究，臭氧被应用到活性炭技术当中来，产生 了臭氧生物活性炭技术。该技术中臭氧能使污染物的可生化性提高，减轻了活性 6 炭的吸附负荷；同时产生的产物氧气保证水中有充足的溶解氧，为微生物的生命 活动提供了良好条件。因此在保证高去除效率的同时，提高了出水水质。但因其 原料活性炭的价格昂贵，限制了当今阶段在我国的推广使用。另外一点缺点，活 性炭粒细质轻，在水力冲刷作用下，易外流。其表面附着生物膜中的微生物是出 水水质卫生安全的隐患。 综上所述，我国水资源紧张短缺，水污染形势日益严峻，受污染范围扩大使 得我国自来水厂生活饮用水水源水水质下降，沦为微污染原水。加之传统常规处 理工艺难以在新的水污染形势下保证饮用水的安全卫生要求，因此，研究微污染 原水的处理技术是重要而迫切的。 1 3 除铁除锰技术概述 除铁除锰技术的研究和应用领域，我国重视生物除铁除锰，而国外以往多采 用化学氧化法。生物技术虽然研究起步晚，但研究较为深入，成果颇多。我国研 究人员提出1 5 0 l ：生物法是除铁除锰的关键所在，并有除锰必须采用生物法的提法。 法国文献进一步提出1 5 0 1 生物法将替代化学氧化法除铁除锰。因此，这个领域我国 走在世界的前沿。 1 3 1 除铁技术的研究概况 除铁技术的研究已有相当长的历史，从2 0 世纪3 0 年代开始东欧、西欧、日 本就掌握了自然氧化除地下水中铁的技术。我国从5 0 年代初才从苏联引进。5 0 年代末，我国研究人员李圭白教授开展了天然锰砂接触氧化除铁的研究。随着研 究深入和实践经验的积累，逐渐形成了天然锰砂除铁理论。7 0 年代，我国开始了 生物除铁的研究，以研究铁细菌在除铁中的作用为标志。一直至今，我国研究人 员研究生物除铁一步步加深，从而建立了较为完善的生物除铁理论【5 0 l 。 ( 1 ) 自然氧化除铁 自然氧化法基于地表水去除悬浮物的原理，就是亚铁离子在水中氧气的氧化 作用下成为高铁的胶体絮凝物，在机械分离工艺得到去除。包括曝气、氧化反应、 沉淀、过滤四步。水经曝气充氧后，f e 2 + 氧化为f e 3 + 并以f e ( o h ) ，的形式析出，再 经过沉淀、过滤得以去除。但由于水中亚铁离子的氧化反应较慢，因此水力停留 时间较长，势必使沉淀反应池容积过大。同时，出水中通常夹带铁的絮凝物。所 以，该工艺系统复杂，难以控制且出水经常不合格。 ( 2 ) 接触氧化除铁技术 接触氧化除铁是我国李圭白教授创立的。理论认为：利用天然锰砂对亚铁的 强烈催化作用，大大加快亚铁离子的氧化速度。曝气后的含铁水经过天然锰砂滤 层时，氧化作用在滤层中迅速完成的同时将铁质截留在滤层中得以去除。同时指 7 出天然锰砂在p h 大于6 0 的条件下除铁效果显著。而我国地下水的p h 一般介于 5 8 8 之间，曝气的目的只是单纯充氧，无需散除c o ：来提高水的p h 值。因此大 大简化了曝气装置。在推广使用过程中，研究者发现了“活性铁质滤膜 的催化 除铁作用，这为后来接触氧化除铁理论的完整起到了决定性作用。 ( 3 ) 生物除铁 生物除铁是在氧气参与下的生物氧化除铁，与接触氧化氧化不同的是承担催 化氧化任务的是微生物。主要是利用铁细菌的吸附、催化氧化来达到去除效果的。 很多年以前，人们发现在传统除铁滤池中，虽然原水的水质条件不适合铁的 氧化，但是依然有令人满意的除铁效果。通过对这些滤池的反冲洗水进行镜检发 现，在滤池中生长着大量的铁细菌。通过对出现类似现象水厂大量的检测和实验， 表明在生物除铁中参与的微生物种类很多。由此知道，微生物的催化氧化是生物 除铁中一重要环节。 为了了解微生物的生长条件和二价铁离子生物氧化产物的组成，人们对滤池 进行了大量的观测和实验，总结出生物除铁的适宜p h 范围是6 7 5 之间，铁细菌 中嘉利翁氏菌属最适宜生长温度为l o 1 5 。二价铁离子被生物氧化后形成三价铁 离子，发生水解形成羟基氧化铁沉淀物。 最初，人们相信所有的铁细菌都是利用二价铁离子的氧化反应获取能量作为 唯一能源的自养菌，后来的研究显示：只有嘉利翁氏菌属和氧化亚铁硫杆菌两种 铁细菌符合上述情况，少部分是兼性自养，绝大部分是专性异养菌。 基于实践和对多种生物除铁水厂的观察，生物除铁机理认为：1 在生物酶的 作用下，溶解性铁被氧化，在自养菌体内；2 铁细菌分泌的胞外聚合物催化氧化 溶解性铁。在双重氧化作用下，铁的氧化速率很快。 生物除铁技术具有的优点：效率高；出水水质稳定；过滤周期长；对水质适 应性范围广等。 据报道：德国某市一座地下水源水厂进行的一次生物除铁实验研究表明，在 进水水质为铁7 0 m g l ，锰o 1 m g l ，高锰酸盐指数1 3 1 5 m g l ，氨氮o 2m g l ， 溶解氧0 4 0 7 m g l ，p h 5 3 - 6 7 ，采用1 - 3 5 m m 的石英砂做滤料，滤层高度为 1 8 5 m ，滤料经生物培养待膜成熟后，具有生物除铁效果。 哈工大的张杰【5 1 】教授等的研究表明：用锰砂作为滤料，经生物接种培养4 0 d 以上的培养，生物膜成熟。在原水水质含铁7 0m g l 和含锰0 8m g l ，滤料粒径 为o 6 1 2 m m ，滤层厚度1 2 m 的实验条件下，铁的去除率达到9 5 以上。 上海同济大学的汪胜1 5 2 等研究了生物沸石滤池去除微污染水源中铁锰的研 究。结果表明：用6 1 0 目的沸石做滤料，在经过1 4 d 的生物培养成熟后，在温度 2 3 - 2 5 摄氏度，滤层厚度为l m ，滤速1 0 6 m l ，流量2 0 0 l h ，进水含铁量为 0 0 6 6 0 2 9 3m g l 的条件下，铁的去除率最大达到了6 9 2 8 。 8 生物过滤除铁的优点还表现在：滤池的反冲洗周期长，一般在4 8 h 以上；反 冲洗时间短，一般采用8 5 m i n ；反冲洗消耗水量不到产水量的o 2 ；当铁被水中 有机物络合时，异养铁细菌可以降解铁和有机物形成的络合物中的有机部分，将 铁释放出来，紧接着可通过微生物催化氧化得以去除。 1 3 2 除锰技术的研究概况 人们在很早以前就认识到铁的危害，并很快掌握了在实践中曝气充氧的自然 氧化法来除铁的技术。但由于铁锰化学性质很接近，且危害基本相同，加之锰的 含量通常要低很多，所以在早先人们忽视锰的存在，并把危害归之于铁。直到上 世纪中叶才引起人们的普遍重视。早期除锰的方法【5 0 1 有碱化法除锰和强氧化剂除 锰两种，从2 0 世纪5 0 年代末开始，我国水处理工作者在除锰技术方面进行了广 泛的研究和实践，开发了天然锰砂接触氧化除锰工艺并建立了完善的理论。随着 研究的深入和对除锰规律的进一步认识，研究人员提出了锰质滤膜生物化学形成 的观点与锰质滤膜化学理论不符，虽然没有定论那种理论是主导，但是认识水平 已经上升到生物学层面。 ( 1 ) 碱化法除锰【5 0 】 该方法是石灰、烧碱、小苏打等碱性物质投加到含二价锰离子的水中，调整 待处理水的p h 值至9 5 以上，水中二价锰离子在溶解氧的氧化作用下迅速转化为 m n 0 2 析出得以去除的。 ( 2 ) 强氧化剂除锰 此法是利用高锰酸钾、二氧化氯、臭氧等强氧化剂的氧化能力将二价锰离子 氧化为m n 0 2 ，经混凝、沉淀、过滤得以去除。