（环境工程专业论文）引滦水生物预处理工艺及有机物降解机理研究.pdf

搁蜚 摘要 近几年来天津市的主要水源引滦水，各项重要水质指标急剧恶化，并时有 、 阵发性高污染，给水厂的水处理造成了很火的难度，使制水成本提高，常规净 化工艺出水水质指标受到严重的威胁。控制滦河水资源的污染，改进水厂净水 工艺，去除水中有害污染物，提高供水水质，是关系国计民生的重大研究课题。 本论文研究的课题属于天津市自然基金重点支持项目中的主要研究内容， 从2 0 0 0 年到2 0 0 1 年分两阶段进行了现场试验研究。取得的主要研究成果为：) 分析了引滦水和引黄水这两种原水的微污染特征；采用生物接触氧化法占 除原水中藻类和有机物等污染物的可行性；探讨不同运行条件对处理效果的影 响。试验装置为生物接触氧化池和生物陶粒滤池。试验结果表明，与生物接触 氧化池相比，生物陶粒滤池对水中c o d 、藻类、氨氮、亚硝酸盐氮有更好更稳 ， 定的处理效果。生物陶粒滤池对原水水质变化具有较强的适应性，即使在低温 l 条件下也能维持较好的去除率。生物陶粒滤池运行维护管理简单，水力停留时 间短，当处理溶解氧在6 m g l 以上的引滦水时，无须曝气则仍可使出水保持较 n 高的溶解氧。在生物预处理的降解机理研究过程中，采用色谱质谱联用技术分 别对原水、生物陶粒滤池处理水和水厂常规工艺出水中微量有机物进行检测， 确认了这三种水中含有的微量有机污染物的种类。检测结果初步显示，经常规 工艺处理后的水中仍然会含有不少的对人体有害的微量有机污染物，而生物陶 粒滤池则可以去除相当种类的有机污染物。通过使用不同截留分子量的超滤膜， 分析了原水和生物陶粒滤池处理水中的分子量分和，研究生物处理工艺能够上 除的污染物分子量分布特征，有助于了解生物处理过程机理。根据试验条件和 理论分析推导了分别适用于两种反应器的数学模型，并求证出模型参数。 关键词：微污染引滦水生物陶粒滤池生物接触氧化池 盔鲨叁堂竺! ：生兰! ! 堡兰皇! ! ! ! t _ a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eq u a l i t yo fy i n l u a nw a t e r ，t h em a i ns o u r c ew a t e ro ft i a n j i n ， e x a c e r b a t e sq u i c k l ya c c o m p a n i e db ys e v e r ep o l l u t i o ns o m e t i m e s t h e r e f o r ew a t e r p l a n t s f a c en e wd i f f i c u l t i e s ：t h ei n c r e a s i n gc o s to ft r e a t m e n ta n dt h eu n s a t i s f i e d q u a l i t yo ft a pw a t e r i ti sv e r yi m p o r t a n tt o c o n t r o lt h ep o l l u t i o no fy i n l u a nw a t e r , i m p r o v et r a d i t i o n a ld r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n ts y s t e m ，r e m o v et h ep o l l u t a n t si ns o u r c e w a t e ra n d i m p r o v e t h eq u a l i t yo f d r i n k i n gw a t e r t h i sr e s e a r c hb e l o n g st ot h em a i nc o n t e n to fap r o j e c tf i n a n c e db yt i a n j i nn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o na n di sd i v i d e di n t ot w op a r t sf r o m2 0 0 0t o2 0 0 1 t h es l i g h t p o l l u t e dc h a r a c t e r i s t i c s o fy i n l u a nw a t e ra n dy i n h u a n gw a t e rw e r ea n a l y z e d ，t h e a d a p t a b i l i t yo fr e m o v i n gt h ep o l l u t a n t ss u c ha sa l g a ea n do r g a n i cm a t t e ri n s o u r c e w a t e rb yt h em e a n so fb i o c o n t a c to x i d a t i o nw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so nt r e a t m e n tw e r ef o u n d t h et r e a t m e n te q u i p m e n ti s b i o c o n t a c to x i d a t i o nt a n ka n dc e r a m s i t eb i o f i l t e r , r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h er e s u l t s o f t w o y e a r se x p e r i m e n t s ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r e r e a c h e d c o m p a r e d w i t hb i o c o n t a c to x i d a t i o nt a n k c e r a m s i t eb i o f i l t e rh a sm o r es t e a d ya n d b e t t e rr e m o v a lr a t eo fc o d ，a l g a e ，n l - n ，a n dn 0 2 。i ns o u r c ew a t e r , h a sb e t t e r a d a p t a b i l i t yt ot h ec h a n g eo f s o u r c ew a t e rq u a l i t y , a n dc a nr e m a i ng o o de f f e c te v e ni n l o wt e m p e r a t u r e c e r a m s i t eb i o - f i l t e ri se a s yt oo p e r a t ea n dm a n a g e ，a n da l s oh a sa s h o r t e rh r t w h e nt r e a t i n gy i n l u a nw a t e rw h o s ed oi sa b o v e6m g l ，a e r a t i o ni s n e e d l e s s ，w h i c hc a nd e c r e a s et h eo p e r a t i n gc o s tc o n s i d e r a b l y t h eo r g a n i cm i c r o p o l l u t a n t si ns o u r c ew a t e r , e f f l u e n tw a t e ro f c e r a m s i t eb i o - f i l t e ra n dt a pw a t e rb yt h e m e a n so fg c m sw e r em o n i t o r e d ，a n dt h es p e c i e so fo r g a n i cm i c r o p o l l u t a n t sw e r e d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t ot h em o n i t o r i n gr e s u l t s ，w a t e rt r e a t e db yt r a d i t i o n a lm e t h o d s s t i l lc o n t a i n ss o m e o r g a n i cm i c r o p o l l u t a n t s h a r m f u lt o p e o p l e sh e a l t h ，w h i l e c e r a m s i t eb i o f i l t e ri sa b l et or e m o v ec o n s i d e r a b l e o r g a n i cp o l l u t a n t s u s i n g t h e 人7 i 人学倾f 叫：毕p 论义 a b s t r a c t u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e ，t h em o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n so fo r g a n i cm a t t e ri n s o u r c ew a t e ra n de f f l u e n tw a t e ro fb i o f i l t e rw e r e a n a l y z e d ，w h i c h b e n e f i t s u n d e r s t a n d i n gp r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fb i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n t m e a n t i m e ，b a s e d o nt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，w e f o u n dt h e a p p r o p r i a t e m a t h e m a t i c sm o d e l sa d a p t a b l et ob i o c o n t a c to x i d a t i o nt a n ka n dc e r a m s i t eb i o f i l t e r , a n dr e a s o n e dt h ea p p r o p r i a t em o d e l p a r a m e t e r s k e y w o r d s ：s l i g h tp o l l u t i o n ，y i n l u a nw a t e r , b i o c o n t a c to x i d a t i o nt a n k ， e e r a m s i t eb i o f i l t e r 丛鲨叁堂堡! 兰堡堡兰皇l 二望：一一 第一章微污染原水预处理技术研究进展 第一一节水源微污染与传统水处理方法的不足 、水源微污染现状及危害 饮川水+ j 人们生活和身体健康息息相关，是公众关注的热点。我国近2 0 年 来在经济高速发展，生活水平提高的同时，也给水环境带来较大的污染。全国 人部分地表水源水质呈恶化趋势，局部地区还比较严重。据1 9 9 7 年中国环境状 况公报公布，我国七大水系，湖泊，水库，部分地下水和近岸海域受到不同程 度的污染。北方干旱，半干旱地区和许多城市严重缺水。水资源的缺乏和水域 的污染已成为我国经济与社会发展的制约因素。同时社会饮用水水质的要求在 不断提高，目前许多发达国家都提出了更为严格的水质新标准。 水源水中的污染物质的分散相情况复杂，一般同时存在于胶体颗粒，无机离 子，藻类个体，溶解性有机物，不溶有机物等，而且它们之间并不是一个完全 独立的子系统，而是一个相互联系，密不可分的一个污染物复杂体系。了解各 种污染物质的性质及其相互作用和相互影响，对于了解水体的综合性质和选择 合适的水处理工艺都是至关重要的。当水体未受污染时，水中的胶体主要为无 机粘土及其它无机成分，当水体受到污染时，无机胶粒将吸附水中的有机物质， 使无机胶粒的带电特性发生变化，从而增加了胶体的稳定性。有机污染物则可 分为天然有机物( n o m ) 和人工合成有机物( s o c ) 。天然有机物一般指有机腐 殖质，是自然环境的代谢物，种类较少，不过1 0 - 2 0 种，这些有机物大部分呈 胶体微粒状，部分呈真溶液状或悬浮物状。人工合成的有机物中大部分都是有 毒污染物，且具有难降解，生物富集，三致作用和毒性。相对于天然有机物， 它们对公众的健康危害更大。 自8 0 年代以来，全国大部分湖泊、水库等地表水存在着不同程度的富营 养化问题，水中有机物含量增加，成分同益复杂。富营养化给饮用水生产带来 的问题主要由藻类和有机物引起。由于水中营养成分浓度较高，在一定的阳光 和温度条件下，藻类过量繁殖，严重影响水源水质和水处理效果，其危害主要 如下： 1 对水质的不利影响 水体富营养化对水质的不利影响主要表现在水的感官性状和饮用水安 全性两个方面。 ( 1 ) 藻类致臭 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 1 i 婴怒放线菌、藻类和真菌。在藻类大量繁贿的水体中，藻类般是生婴的 敛臭微生物。藻类产生的臭味用常规净水工艺很难去除，常使城市供水中出 现小愉快气昧引起用户对水质感官上的不满。 ( 2 ) 藻类产生毒素 某些藻类在一定的环境下会产生毒素，这些毒素对健康有害。能产生毒 索的藻类多为蓝藻，最主要的是铜绿微囊藻、水华鱼腥藻和水华束丝藻。 ( 3 ) 藻类和有机物是消毒副产物的前体物 水中有机物是产生消毒副产物的母体物质，在氯消毒过程中不但会产，j i 抨发性较强的二j 卤甲烷，而且会产生危害更大、沸点较高的卤乙酸等三致性 第章 更强的卤代有机物，使饮用水致突变性提高，饮水安全性下降口l 。 随着现代分析技术和污染毒理学的发展，人们对饮水中消毒副产物的含 量制定了越来越严格的标准，只采用常规水处理工艺已很难达到这些要求， 必须寻找新的净水工艺才能生产安全可靠的饮水。 2对水厂运行的不利影响 ( 1 ) 藻类堵塞滤池 一般说来，饮用水生产方面关心的多是微小藻类( 几微米到几十微米) 。 由于水中微小藻类的密度小，因而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时，常常会造成滤池较早堵塞，使滤池 运行周期缩短口】，反冲水量增加，严重时可能引起水厂被迫停产。据镜检观 察，常见的引起滤池堵塞的藻类主要包括：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。 ( 2 ) 药耗增加 水中大量藻类、有机物和氨氮的存在，使得混凝剂和消毒剂用量大大增 加【4 l 。同时，有机物和氨氮与氯反应，增加了水中消毒副产物的含量。这样， 不仅使制水成本提高，更降低了饮水安全性。 综上所述，水体富营养化给饮水生产带来的问题主要表现在水厂运行及饮 水水质两个方面。在选择净水工艺处理污染原水时，必须对这些方面进行综合 考虑。 二、传统水处理方法的不足 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，以合理 的价格、优良的水质水供人们使用。给水处理的方法应根据水源水质和用水对 象对水质的要求确定。饮用水常规处理工艺为混凝，沉淀和澄清，过滤和消毒。 但是，随着工业的发展，水中有害物质日益增多，不少地区饮用水源水日益恶 化。同时，随着水质分析技术逐渐改进，水中能够测得的微量污染物质的种类 不断增多，使人们在饮用水的水质净化中碰到了新的问题。主要体现在两个方 面：一方面是水处理成本的提高，另一方面是处理水水质安全性的下降。 首先，由于藻类及有机物的存在，使混凝效果大大下降。国内外的试验研 究和实际生产结果表明，受污染水源水经常规工艺只能去除水中有机物的2 0 3 0 ，且由于溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性，而使常规工艺 对原水浊度去除效果也明显下降( 仅为5 0 6 0 ) 。为改善处理效果，保证出水 水质达到要求，势必要加大混凝剂的投加量。这样，不仅使水处理成本提高， 而且可能使水中金属离子浓度增加，不利于居民的身体健康。 此外，传统水处理工艺的消毒过程主要采用加氯方法。受污染水源水中含 有诸如腐殖酸、富里酸等三致物质的前体物。许多国内外水质检测报告证实： 受污染的原水经水厂加氯消毒后，出厂水中氯仿等三卤甲烷类( t h m s ) 可疑 致癌物含量常达原水中含量的三四十倍之多口1 。国内外一些回顾性流行病学调 a 研究，发现饮用水水质情况与人类肝癌、食道癌和胃癌等发病率呈正相关。 可见，饮用水水质直接关系着人们的健康和生命，而传统的水处理工艺在处理 水水质的安全性方面有相当的难度。 综一k 所述，面对水源水质变化，常规的水处理工艺已经显得力不从心，不 仅不能有效去除微污染原水中的有机污染物和三卤甲烷先质，而且氯化过程本 身还导敛了水巾对人体健康危害很大的大量三卤甲烷等三致物质的形成，严蕈 天津人学硕十学位论文 第一章 威胁着人们的饮用安全，并且制水成本也大大增加。因此，常规的饮用水处理 工艺不能与现有的水资源和水质标准相结合，必须开发新的水处理技术。 第二节微污染水原水生物预处理的发展概况 一、净水技术的改进 f j - i 年代初丌始，西欧采用粒状活性炭处理一些地表水源水以去除嗅、味。 随着水源水污染的加剧，六十年代末开始，西欧各国普遍采用活性炭进行饮用 水的深度处理，以提高饮用水水质。自七十年代末开始，为了更好地去除饮用 水中的有机污染物，西欧、f i 本等丌始重点研究和使用生物处理技术。目前， 研究生物处理技术在饮用水处理中的应用已是世界范围内的热点。 二、预处理技术概述 预处理通常是指在常规处理工艺前面，采用适当的物理、化学和生物处理 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地发挥作用， 减轻常规处理和深度处理的负担，发挥水处理工艺的整体作用，提高对污染物 的去除效果，改善和提高饮用水水质。 常用的预处理方法有化学氧化法、活性炭吸附法以及生物预处理法。化学 氧化预处理技术是指依靠氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构达到 转化或分解污染物的目的。目前采用的氧化剂有氯气、高锰酸钾、紫外光氧化 和臭氧等。对于利用粉末活性炭去除水源水中色和嗅味物质，国外已取得成功 的经验和较好的去除效果。国内利用粉末活性炭去除污染物正处在研究之中， 目前实际工程应用较少。清华大学在对山西省大同市册阳水库中污染物去除的 研究中发现，当粉末活性炭投加5 0 m l 时，水库水有机物( c o d 。) 的去除率 在6 0 一7 0 之间1 5 j 。由于粉末活性炭投加后，将参与混凝沉淀过程，因此将混 在混凝沉淀污泥中。鉴于目前无很好的回收再生利用方法，只能作一次性使用， 所以粉末活性炭作为预处理的费用相对较高，目前还难推广应用。 生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群 体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污 染物进行初步去除，这样既改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理更好 地发挥作用，也减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷，延长过滤或活性 炭吸附等物化处理工艺的使用周期和使用容量，最大可能地发挥水处理j l 艺整 体作用，降低水处理费用，更好地控制水的污染。另外，通过可生物降解有机 物的去除，不仅减少了水中“三致”物前体物的含量，改善出水水质，也减少 了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺， 不仅起到了与预氯化作用相同的效果，而且避免了由预氯化引起的卤代有机物 的生成，这对降低水的致突变活性，控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。 与物化处理工艺相比，生物预处理具有经济、有效且简单易行的特点，因此， 近 i 米，受到了普遍重视。 三、生物法预处理微污染原水的应用与发展概况 为弥补传统水处理工艺的不足，出现了各种预处理及深度处理技术和方法， j 中生物预处理工艺得到了广泛关注。生物处理在给水中的应用研究最先在欧 洲发展，其中法国的研究和使用代表着当今世界生物处理的先进水平。美国在 欧洲成功经验的鼓舞下，也正在进行生物预处理的技术研究，并取得了一定成 第审 果。近年来，日本、韩国和我国等亚洲国家也十分重视生物预处理的研究和应 用。目前用于水厂处理的生物工艺主要有生物滤池、生物流化床、生物活性炭、 生物转盘以及生物接触氧化法。 对于生物预处理，国内大多研究集中在生物接触氧化池和生物陶粒反应器 上。刘文君等在国内首次采用生产规模的生物陶粒滤池处理原水【5 1 。试验结果 表明在气水比1 ：1 、空床滤速3 , 6 6 0 m h 时，对原水中有机物和氨氮的去除 率分别为1 3 6 一2 0 5 和7 0 一9 0 ，减少了d b p s 的形成。徐元勤等也对生物 滤池进行了研究，结论基本一致。并且认为，采用生物滤池作为预处理，可减 少水厂混凝剂投量6 0 以上。 目前，国内已进行研究并投入运行的生物预处理方法种类较多，较有代表性的 主要是：生物滤池法、生物接触氧化法、生物流化床法。上海自来水公司从八 十年代初期开始，采用聚氯乙烯为原料制成的“立波一i i i ”型滤料，以生物滤池 法对黄浦江原水进行研究【6 l 。发现挂膜成熟时，氨氮去除率可高达7 5 9 一9 0 7 ， 氯仿去除率达7 0 1 0 0 ，四氯化碳去除率达9 1 9 1 0 0 ，挥发性酚可低于 0 0 0 2 m g l 。中国市政工程中南设计院也应用该法，采用塑料蜂窝直管式填料， 对武汉东湖水进行了一年多的研究，结果表明该法效果明显且稳定。在h r t l 3 h 内，c o d 去除率可达1 8 - 2 8 ，氨氮去除率8 1 9 9 ，色度去除率3 0 6 0 ， 藻类去除率6 0 一9 2 ，浊度去除率4 0 一6 0 。上海市政工程院采用生物流化床 法对黄浦江源水进行研究1 6 1 ，当砂层厚度为8 0 0 m m ，砂粉径d = 0 3 0 5 m m ，水力 负荷为4 0 m 3 m 2 - h 时，平均去除率氨氮为8 0 ，b o d 。为2 7 一4 8 ，c o d e r 为 2 4 - 3 l ，t o c 为1 2 - 2 2 。同济大学环境工程学院采用浸没式生物接触氧化 法，对浙江宁波姚江源水进行研究1 7 1 ，氨氮和亚硝酸盐氮的去除率为8 0 9 0 ， c o d 去除率为2 0 2 5 ，浊度去除率为5 0 一8 0 ，藻类去除率为5 0 ，8 0 ， 色度去除率为1 5 一3 0 。清华大学环境工程系采用生物陶粒法【9 1 ，对安徽巢湖 源水和浙江绍兴青甸湖水进行研究，对于巢湖源水，氨氮的平均去除率为6 5 ， 亚硝酸盐氮平均去除率为7 0 4 ，浊度为4 2 ，色度为4 7 7 ：对于青甸湖源 水，氨氮去除率为8 0 ，浊度去除率为6 7 7 ，c o d 去除率为2 5 ，藻类去除 率为5 0 ，色度去除率为3 3 7 。 由以上生物预处理的应用状况中不难看出，生物预处理是去除微污染水源 水中氨氮和有机污染物的种行之有效的方法，在环境温度适宜的条件下，氨 氮去除率呵达8 0 以上，这对于减轻后续处理工艺的负担具有实际的意义，也 可以减少水处理中氯的消耗量以及矾耗，降低运行成本0 l 。同时由于生物预处 理能够有效去除水中有机污染物，并减少加氯量，因而抑制了有机卤化物的形 成，对减少水中“三致”毒物有明显作用，出水的a m e s 实验阳性机率显著降 低，从而提高了饮用水的安全性1 l i 2 1 1 1 3 1 。 对于去除源水中的有机污染物和藻类，生物预处理是一种有效的方法，以 其对有机物去除的经济实用性，得到了广泛关注。本课题研究针对天津引滦水 以及后来的引黄水的水质特征，通过在天津通用水务有限公司用实际源水进行 小型试验，探讨生物接触氧化法( 包括弹性立体填料生物接触氧化法和颗粒填 料生物接触氧化法) 对源水中污染物( 主要是藻类和有机物) 的预处理可行性。 第一章 第二章引滦水和引黄水水质微污染特征分析 第一节引滦水水质特征分析 一、污染物浓度变化趋势 滦河水按其水温、浊度及藻类的生长情况大致可划分为低温低浊期、常温 常浊期、高温高浊期、高温常浊期。其中以低温低浊期和藻类高发期是很难处 理的两个水质期。1 9 9 6 年前，滦河水水质较好且相对稳定。部分时候出现一些 阵发性轻度污染，属轻度微污染水源，低温低浊期和藻类高发期时水较难处理， 但对出厂水质没有太大影响。1 9 9 0 1 9 9 1 年，由于源水藻类异常繁殖，使得水厂 出水水质不稳定，从而引起人们的关注。1 9 9 7 年的数据表明，浊度、叶绿素、 耗氧量、p h 、碱度等各项重要水质指标急剧恶化，并伴有阵发性高污染，严重 威胁到水厂的水处理。随着天津于桥水库的富营养化问题的加剧，已使藻类高 发期的时间延长，藻类数量增加，给水处理带来了更大的困难。根据检测数据， 1 9 9 7 年滦河水浊度最高时为3 5 n t u ( 6 - 1 0 月) ；藻类高发期的叶绿素一a 最高达 6 0 u g l ，比9 1 年同期增加了一倍。一般情况下，叶绿素a 超过3 0u g l ，水处 理就相当困难。1 9 9 7 年c o d 为2 2 8 4 m g l ，其中大于6 0m g l ( 二类水体) 】 超过6 。氨氮最高达0 8 m g l ，亚硝酸盐氮达o 6 8m g l 。滦河水已接近国内 受到严重污染的其他湖泊水水质，给水厂的水处理造成了很大的难度。 不容忽视的是，滦河水水质仍有继续恶化的趋势。图2 1 2 3 为2 0 0 0 年5 月至9 月滦河水的浊度，耗氧量，氨氮和亚硝酸盐氮的变化趋势。由图中可以 看出，各项污染物浓度变化有着很强的规律性。每年5 月至7 月，各项污染物 浓度变化不大，浊度基本在2 0n t u 以下，耗氧量基本在5m l 以下，氨氮基 本在0 0 7m g l 以下，亚硝酸盐氮基本在0 0 1m g l 以下。这个阶段滦河水水质 还是比较理想的。从7 月开始，浊度和耗氧量有了上升的趋势，在7 月至8 月 直保持着较高的水平。其中浊度基本都在2 0n t u 以上，8 月底至9 月初最高 达到1 0 0 n t u 左右。耗氧量基本都在5m g l 以上，8 月底至9 月初最高达到1 0 m g l 左右。氨氮和亚硝酸盐氮则一直到8 月才有了明显的上升趋势，分别在8 月中旬达到最高，此后逐渐下降。藻类变化也有较强的规律性，从每年6 月初起， 藻类丌始逐渐上升，7 月至9 月是藻类高发期，这个阶段叶绿素一a 都在2 0 u g l 以f ：，最高可达到7 0u g l 以上。由以上分析可见，2 0 0 0 年滦河水的浊度和耗 瓴量的最高值比1 9 9 7 年均有定的提高，很显然滦河水水质j 下在继续恶化，而 藻类是滦河水中的主要污染物口】。 藻类种类是影响生物处理去除藻效率的重要因素。由于不同的藻类具有不同 的物理、化学性质以及藻细胞的表面性质不同，影响生物膜对藻体的吸附作用， 从而使得生物膜对不同的藻类表现出不同的去除率。对生物接触氧化池进出水 的藻类计数镜检发现，蓝藻易于分解氧化，去除效果最好，而绿藻和硅藻不易 去除。例如在6 月5 同的镜检发现进水出现了大量星杆藻( 硅藻) 、盘星藻( 绿 藻) 、尖细栅列藻( 绿藻) 和四尾栅列藻( 绿藻) ，镜检时发现出水中这些藻类 并未得到明显的去除，而出水中的蓝藻( 如铜色微囊藻) 则有明显减少。 5 月至6 月期问，通过镜检观察藻类的种类及优势种类的变化，观察结果 列f - 卜表。这一时期的优势藻类为蓝藻，尤以铜色微囊藻居多。随着水温的升 高，鱼腥藻、星杆藻、会藻大量出现，铜色微囊藻虽仍占多数，但已有所减少。 大津人学硕士学位论文第一章 这些藻类均会发出臭味，影响絮凝。试验发现，藻类个数与叶绿素一a 浓度并无 直接联系，这主要是因为藻的种类不同、个体大小不同，叶绿素含量也不同。 表2 一l 藻类种类及优势种类观察结果 运行5 2 2 5 2 9 5 3 1 6 16 26 56 6 6 7 天数 5 2 65 3 0 铜色微铜色微铜色微囊铜色微铜色微囊铜色铜色微 囊藻( 蓝囊藻、藻、盘星囊藻、藻、盘星微囊囊藻、 藻) 、盘盘星藻、小黄盘星藻、尖细藻、浮游鱼 星藻、藻、直丝藻( 黄藻、小栅列藻、盘星腥藻( 蓝 种类栅藻( 绿链藻、藻) 、弧黄丝四尾栅列藻、藻) 、栅 藻) 、纺舟形藻形四棘鼓藻、金藻( 绿星杆列藻( 绿 锤硅藻(硅藻( 绿藻藻) 、星藻、藻) 、金 藻)藻)杆藻( 硅金藻藻，盘 藻)星藻 优势 铜色微囊藻，盘星藻，( 6 月5 日盘星藻、星杆藻较多，铜色微囊藻减少) 种类 目前，为保证出厂水质达到标准要求，通常采用加大混凝剂和消毒剂投加量 的方法i ”。在藻类高发期，水厂预沉池中需投加化学杀藻剂，使制水成本提高， 而且水中引入了大量金属离子，在处理过程中难以去除。常规净水工艺适于去 除水中的固体杂质、胶体和细菌等，但不能有效地去除源水中的溶解性有机污 染物，如果加大加氯量，会形成更多的三卤甲烷，使出厂水的安全性受到威胁【i “。 因此，控制滦河水资源的污染，改进常规的净水工艺，有效去除源水中的有机 污染物和藻类，提高饮用水水质，是关系国计民生的重大研究课题。 1 2 0 j 0 0 耋6 8 0 0 蔫： 0 暑号哥苫窖号昂之等婶g 导_ c o8 耳等耳 岫们 c o t o卜卜oo l 嗍 1 2 9 6 3 0 3 e d o u 图2 - 12 0 0 0 年5 月至l o 月引滦水浊度和c o d 变化趋势 ? 4 p 3 谪2 蟥 碱0 1 晡0 暑_ t d 葺五富雩卑i - - t i - - 母2 导军昂耳等耳 t o 呐1 0t o卜t -c o 西oo 期 f 一 幽2 - 22 0 0 0 年5 月至1 0 月引滦水氨氮和亚硝酸盐氮变化趋势 一矗邑酶姐豁鬻崮慧。篙 第一章 毫。7 。5 34 5 鳃 0 图2 32 0 0 0 年5 月至1 0 月引滦水叶绿素变化趋势 二一、不同污染物指标变化趋势的相关性 各项污染物浓度的高峰期基本都在7 - 8 月它们的变化规律有一定的相似。t q - 。 图2 4 2 6 用于考察它们之间是否具有一定的相关性。由图中可见，c o d 。， 藻类和浊度之间存在着相关的变化趋势。藻类的存在会使水中浊度增加，其细 胞和代谢残渣又构成了c o d 。的一部分，因而c o d 。的浓度会随着藻类的增 加而增加，而水中不溶性有机物的增加则使c o d 。和浊度都会有所增加。这也给 微污染的预防措施提供了新的思路，即对源水中一种污染物进行控制，也会对 其它污染物的减少做出贡献口j 。 ： 占 世 蠖 * 鹫 ： o 艇 强 占 * 臻 = 苗 三 o * 蠖 22 24 26 28 2l o 源水中浊度浓度( n t u ) 图2 - 4引滦水c o d 变化与浊度变化的关系 02 04 06 08 01 0 0 源水浊度( n t u ) 图2 - 5引滦水叶绿素变化与浊度变化的关系 02 04 06 0 源水叶绿素( u g 1 ) 图2 - 6引滦水叶绿素变化与c o d 变化的关系 1 2 0 8 0 第章 第二节引黄水水质变化特征分析 2 0 0 0 年l o 月，黄河水调入天津，成为天津主要饮用水水源。根据9 0 年代 中国环境状况公报的统计，黄河污染状况堪忧并有不断恶化的趋势，同时，氨 氮在地表水体超标污染物中出现的频率非常高。 一、污染物浓度变化趋势 引黄水中的各项污染物浓度变化也有着1 定的规律，但是要准确地描述这 一规律却是比较困难的。这是因为引黄入津的沿线水渠中，人为污染十分严重， 这样就使污染物浓度变化的规律中加入了人为因素，不过将检测数据加以统计 整理后所得到的结果对于研究g i 黄水的污染特征还是有参考作用的。各种污染 物浓度变化如图2 - 7 2 一1 1 所示，从图中可以看出，引黄水的污染特征还是比 较明显的。浊度在1 月初稍高，进入一月底后有所下降，基本都能维持在1 0 n t u 以下，而且比较平稳，这种趋势一直持续到5 月源水切换。引黄水浊度偏低的 主要原因是在长距离输送过程中和北大港水库储存期间，水中的悬浮物得到澄 清。1 月至5 月引黄水的c o d 则有略微上升的趋势，从一开始的4 m g l 左右逐 渐上升到8 m g l ，虽然上升的坡度较平缓，但趋势是明显的。同样的，叶绿素 浓度变化也有着上升的趋势，1 月份还在2 u g 以下，到了4 月份就升到了 2 5 u g l ，不过叶绿素浓度变化不如c o d 那么平缓，虽然总体是在上升，但起伏 较大。氨氮浓度的变化趋势就更明显了，从图2 - 9 中可看到，氨氮浓度在2 月 初突然升高，最高时期达到了i m g l 以上，是平常浓度的几十倍，这种高浓度 持续了几天后以较快的速度下降，到2 月1 2 日就降到了0 5 m g l 以下，到2 月 下旬基本都在0 3 m g l 以下。这种突发性的短期污染有可能与人为因素有关， 因为从上节中可以看到，引滦水中氨氮和亚硝酸盐氮的浓度变化基本是同步的， 有着相同的趋势。而引黄水中氨氮和亚硝酸盐氮的浓度变化很不一样，亚硝酸 赫氮在2 月份上升，然后一直保持着一定的高度，并非象氨氮那样有明显的峰 值。所以有理由认为，引黄水中氨氮浓度在2 月的高峰有可能与人为污染有关 ( 比如引水河道的污染问题) 。 3 卜 z 型 趟 * 瓤 示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 二羔早旱翠孥翼芋早翠王翠= i 早亭莩早 一一一一 nnn n 叫叫寸l f ) 曲 日期 图2 7 2 0 0 1 年1 月至5 月引黄水浊度变化 ，、； 人。、h ：女p f 沦文 图2 - 82 0 0 1 年1 月至5 月引黄水c o d 浓度变化 二王子旱早牵蓦置芋争甲暑翠手辛辛 一一一一 n 卣b 】 n 呻甘砷 图2 - 92 0 0 1 年1 月至5 月引黄水氨氮浓度变化 闩划 图2 1 0 2 0 0 1 年1 月至5 月引黄水亚硝酸盐氮浓度变化 9 一一高山) 世蛏。u*粗示 【i 呻 o n o n山j o n 由r ! 。n o nn n 卜n - in n _ io i - i h k k k k 虻m 2 o 8 6 4 2 0 o o 0 o o 一一誉一 型避酶城*槭鬲 肼弛叭0 一i普)副蛏 酶捌甾普茸*枢示 型：! ：! 婴! 竺! ! 堡壅翌一 创 3 00 0 烂2 50 0 柚靠一2 0 0 0 冀孰厕o o 蠢一8 ：8 8 。，=。!fri、7以b，。!，：。- r 工。 一k 瞳d t ， 。 甲譬=要高高甲= 置 甲霜甲 = 一 上二式山 可 占喜 山 。 c 。 日期 图2 - 1 12 0 0 i 年i 月至5 月引黄水叶绿素浓度变化 根据国家生活饮用水水质标准】，二级源水中的c o d 。和氨氮分别不得高于 6 o m g 1 和1 o m g ，而引黄水中氨氮基本都在0 3 m g 1 以下，亚硝酸盐氮的浓 度也很低，但有时超标，最高时达9 6 5 m g l ，一般情况下，叶绿素不超过3 0 u g 1 。 所以可以得出结论，天津引黄水在污染物高发期，最主要的污染物是c o d 。其 次是氨氮和藻类。 对比去年的引滦水可以看出，引黄水的污染程度比引滦水要严重。以c o d 为 例，引滦水在每年1 月到5 月期间，浓度大多为2 - 3 m g l 左右。而引黄水的c o d 浓度则高达4 - 8 m g l ，其中大于6 o m g 1 ( 二类水体) 超过7 0 。此外，引黄水 的氨氮，浊度和叶绿素浓度也高于引滦水，其中以氨氮最为明显。就引滦水而 言在污染物高发期，主要的污染物为藻类、浊度和c o d ，氨氮和亚硝酸捕氮 的污染则并不严重。由于藻类和浊度、c o d 浓度都有着很好的相关性，因此除 藻是解决引滦水微污染的主要问题。 叁：! ! 叁竺婴! 尘! ! 堡兰 笙：! 一 第三章生物接触氧化池处理微污染原水的试验研究 第一节实验装置及方法 试验装置流程图 试验装置流程如下图所示 群木l 提日采 恒位木藉 一蛊蠼；一 抽硅魁氯化池 持无 图3 1生物接触氧化池试验装置流程图 空气最 沉淀迪 捧先 二、弹性立体填料生物接触氧化池 1 弹性立体填料 t a 弹性立体填料是在克服以往软性填料基础上开发出的一种新型填料， 以中心绳和以聚烯烃塑料制成的弹性丝条组成，丝条以绳索为中心在水中呈均 匀辐射状伸展，有一定的柔韧性、刚性。其结构既重视填料的比表面积( 决定 生物膜量的大小) 对去除效率的影响，又考虑水流在填料中的流态。微生物附 着空l l 自j 较大，对水中大、中型气泡有较好的切割性能，具有定的重新布水、 白气能力，生物池内i l 隙率高，水流阻力小，但难以得到均一的流速吲 】。 2 、生物接触氧化池 生物接触氧化池有效容积4 8 l ，有效尺寸为长x 宽高：4 0 1 5 8 0 c m ， 气水同向流。池内装设t a i 型弹性立体填料三根，每根填料有1 5 i 0 根弹性丝 条，总表面积为0 ，1 7 m 2 ，故三根填料总表面积为0 5 1 m 2 。填料区高度为5 0 c m 。 生物接触氧化池中填料的比表面积为l o 6 3 m 2 一。实际填料区体积3 0 l ，填料区 比表面积1 7 m 2 m 3 。池底设微孔曝气管两根。 一分析项目和实验方法 本试验分析的常规测试项目及分析方法如下： 1 p h 值：用p h s 3 c 型酸度计测定。 2浊度：用h a c h2 1 0 0 n 浊度仪测定。 3温度和溶解氧：用y s im o d e l 5 7 溶解氧测定仪进行测定。 4 化学需氧量( c o d 。) ：高锰酸钾法，依据生活饮用水标准g b 5 7 5 0 8 5 ”一 ! ! ，p 叁尘蟹：堕竺堕鉴旦二三一 进行测定。 5 溶解性化学需氧量( d c o d 。, ) ：用0 4 5 p m 的滤膜过滤后测得的c o d m 。 6 氨氮：依据生活饮用水标准g b 5 7 5 0 8 5 进行测定。 7 亚硝酸盐氮：依据生活饮用水标准g b 5 7 5 0 8 57 ) 进行测定。 8 悬浮物( s s ) 1 1 8 1 ：滤膜法，依据国家环保局水和废水监测分析方法第 三版进行测定。 9 藻类计数：鲁哥氏碘液稳定，光学显微镜计数检测。 1 0 叶绿素m 1 ( c h l ) ：9 0 丙酮萃取，7 2 2 分光光度计测定。具体方法为：取5 0 0 m l 水样，用o 6 5 9 m 滤膜过滤，将滤膜放入组织研磨器内，加2 m 1 9 0 丙酮研 磨数分钟，至研为匀浆，将匀浆倒入离1 1 , 管中。用9 0 丙酮将研磨器中残 留匀浆洗入离，i i , 管中。在4 0 0 0 转分的转速下离，1 1 , 1 0 分钟。将上清液倒入 刻度离- 1 1 , 管中，记下体积v 。用纯丙酮稀释上清液至清澈，记下体积v ：。 以9 0 丙酮作参比，用7 2 2 分光光度计测7 5 0n m 、6 6 3 n m 、6 4 5 n m 、6 3 0 r i m 处的吸光度，要求7 5 0 n m 处的吸光度小于o 0 0 5 ，否则继续用纯丙酮稀释直 至达到要求为止。 计算公式为：c h l = ( a v 1 0 0 0 ) 5 0 0g t g l 式中，a = 2 1 7 ( 0 d 6 f ；s - 0 d 7 5 0 ) 十4 x ( 0 d 8 4 f ，- - 0 d 7 洲) + 5 0 6 6 ( 0 d 6 s i i - 0 d 7 钏) v = v l + ( v 2 - v 1 ) 9 0 11 细菌总数测定：平板计数法，依据生活饮用水标准g b 5 7 5 0 8 5 进行测定。 1 2 生物相观察：光学显微镜观察。 1 3 弹性填料生物膜量测定：滤膜法，剪取两根填料，蒸馏水冲洗填料上的生 物膜，过滤烘干称重，求得每根填料上的生物膜量，再乘以填料总根数，求得 填料上的总生物膜量( m g ) ，最后除以反应器有效容积，得到反应器生物膜浓 度的测定结果( m g l ) 。 1 4 陶粒填料生物膜量测定：滤膜法，取一定量的陶粒填料，用蒸馏水冲洗填 料上的生物膜，过滤烘干称重，求得该体积填料的生物膜量，再转化为整个反 应器的有效体积上的生物膜量即可。 第二节生物接触氧化池第一阶段实验 ( 2 0 0 0 年4 月2 0 0 0 年1 1 月) 一、挂膜 1 启动与挂膜方法 挂膜方法分为两种：自然挂膜和接种挂膜。当水温较高，进水水质中可生 物降解成分较高时，可采用自然挂膜。即以小流量进水( 停留时间以8 h 开始) ， 使微生物逐渐接种在填料上，附着生长，逐渐减少停留时间，直至达到设计要 求。当水温较低或水源水中可生物降解成分较少时，应采用接种挂膜，以强化