微污染水源的饮用水处理.ppt

第十一章微污染水源的饮用水处理 第一节水源的污染及其危害 1 1微污染水源的水质特点及危害微污染水源的概念微污染水源是指水的物理 化学和微生物指标已不能达到 地面水环境质量标准 中作为生活饮用水源水的水质要求 水体中污染物单项指标 如浊度 色度 臭味 硫化物 氮氧化物 有害有毒物质 如重金属Hg Mn Cr Pb As等 病原微生物等有超标现象 但多数情况下是受有机物微量污染的水源 微污染水的概念 水中的主要微污染物 有机物 氮 嗅味 三致物质 铁锰等 一般来说 受污染江河水体中主要包括石油烃 挥发酚 氨氮 农药 COD 重金属 砷 氰化物等 这些污染物种类较多 性质较复杂 但浓度比较低微 尤其是那些难于降解 易于生物积累和具有三致作用的优先控制有毒有机污染物 对人体健康毒害很大 由于我国目前的经济实力 无法在较短时间内控制水源污染 改变水源水质低劣的现状 因而人们不得不采用新的处理方法来保证饮用水的安全和人们的健康 经过几十年的研究探索 开发出了许多净化新工艺 1 2 3 4 微污染水源的水质特点 氨氮浓度升高 水中溶解性有机物大量增加 嗅味明显 致突变性的Ames实验结果呈阳性 1 2污染物的种类和各种参数 有机物的水质分析水中有机物种类繁多 成分复杂 目前国内外均采用测定有机物替代参数 以衡量水中的有机物总量的情况 这些替代参数主要有CODcr CODMn和TOC等 CODcr 在强酸性溶液中 以重铬酸钾为氧化剂测得的化学需氧量 采用重铬酸钾与浓硫酸氧化法 能氧化水中绝大部分有机物 CODMn 也称耗氧量 用高锰酸钾作为氧化剂 只能氧化水中部分易氧化的有机物 TOC 总有机碳 它比BOD5或COD更能直接表示有机物的总量 因此常被用来评价水体中有机物污染的程度 采用非分散红外TOC分析仪UV254 254nm波长下水样的紫外吸光度 紫外吸光度对于测量水中天然有机物如腐殖质等具有重要意义 第二节生活饮用水的水质标准 随着经济的发展 人口的增加 不少地区水资源短缺 有的城市饮用水水源污染严重 居民生活饮用水安全受到威胁 1985年发布的 生活饮用水卫生标准 GB5749 85 已不能满足保障人民群众健康的需要 为此 卫生部和国家标准化管理委员会对原有标准进行了修订 联合发布新的强制性国家 生活饮用水卫生标准 GB5749 2006 常规指标感官性状和一般化学指标色度 浑浊度 pH 溶解性总固体 总硬度 耗氧量 铁 锰 氯化物硫酸盐毒理学指标主要有砷 氟化物 氰化物等细菌学指标总大肠菌群 细菌总数 游离余氯放射性指标 第三节有机物的去除 3 1水中有机物的特性溶解性大分子有机物被大分子有机物包围的颗粒生物态颗粒有机物和油的乳浊液3 2常规处理工艺去除有机物的效果 常规处理 混凝 沉淀澄清 过滤 消毒 常规处理的对象主要是水中的悬浮物 胶体杂质和细菌 常规处理去除的有机物主要为相对分子质量大于10000的部分 对低分子量有机物去除作用很小 常规处理对有机碳去除基本在40 以下 一般为30 因此如果希望提高给水处理中对有机物的去除效率 单纯依靠常规处理是不可能实现的 传统水处理技术及问题 典型工艺 絮凝 沉淀 过滤 消毒 感官指标差有机物去除率低采用氯消毒时 易形成三致物对内分泌干扰物质的去除率低管网水质稳定性差 易变化 存在问题 色度高 嗅觉差 TOC COD去除率一般只为20 40 致畸形 致突变 致癌症 微污染水源水处理对策分析 根据水源水水质和出水水质要求 针对微污染水源水的现状 主要可行的处理对策有 1 强化传统水处理工艺的处理效果 如强化混凝 强化沉淀 强化过滤等 2 在原有常规处理工艺前增加预处理工艺 3 在原有常规处理工艺后增加深度处理工艺 4 超声波降解技术 5 寻求新型微污染水源水处理工艺等 6 常规处理 生物处理和深度处理工艺组合工艺 改进新处理流程 处理流程 预处理 常规处理 深度处理 第四节强化常规水处理技术 强化传统水处理工艺的处理效果包括强化混凝强化沉淀强化过滤4 1强化混凝技术强化混凝技术主要是通过改善混凝剂性能和优化混凝工艺条件 提高混凝沉淀工艺对有机污染物的去除效果 强化混凝主要方式有 1 提高混凝剂投加量使水中胶体脱稳 凝聚沉降 2 增加投入絮凝剂或助凝剂 增强吸附和架桥作用 使有机物絮凝下沉 3 投加新型高效的混凝 絮凝药剂 4 改善混凝 絮凝条件 如优化水力学条件 调整工艺pH等 其中 增投助凝剂和采用新型高效处理药剂是强化混凝技术的主要措施和发展方向 以高锰酸钾作助凝剂 铁盐作混凝剂可以强化对微污染水源水的处理效果 采用新型高锰酸盐复合药剂可以强化混凝效果 同时发挥高锰酸盐的氧化作用 有效提高水源水中的有机污染物的去除效率 近年来 新型 高效的混凝 絮凝药剂的研制和应用 在一定程度上促进了强化混凝技术的发展和实践 4 2强化沉淀技术沉淀分离是常规给水处理工艺的重要组成部分 沉淀分离的效果对后续处理工艺和最终出水水质有较大影响 微污染水源水由于有机污染的增加 水中除了含有悬浮物和胶体物质外 还含有大量的可溶性有机物 各种金属离子 盐类 氨氮等有机和无机成分 对常规沉淀去除效果带来了一定的影响 可以通过以下几种方式 1 投加高效新型高分子絮凝剂 提高絮凝体的沉降特性 2 优化改善沉淀池的水力学条件 提高沉淀效率 3 提高絮凝颗粒的有效浓度 当水进入沉淀区后 在水中很快形成悬浮状态的整体网状结构过滤层 进池原水通过该过滤层以自下而上的分离清水和自上而下浓缩絮凝泥渣的过程 实现对原水中有机物进行连续性网捕 扫裹 吸附 共沉等从而提高其沉淀分离效果 4 3强化过滤技术在传统过滤工艺中一般可以通过预加氯来抑制滤料中的微生物生长 提高滤池的过滤周期 此时在滤料中不存在或有较少生物降解作用 强化过滤技术可以通过在不预加氯的条件下 在滤料表面培养繁育微生物 利用微生物的生长繁殖活动去除水中的有机物 也可以通过采用新型 改性滤料等的使用提高过滤工艺对浊度 有机物等的去除效果 前种方式要求具有较高的运行管理条件 即要控制适宜的反冲洗强度保证在滤料反冲洗过程中能冲去沉积污泥而又能保留一定的生物膜 同时要求在运行过程中能够创造有利于微生物生长的微环境 采用新型 改性滤料强化过滤技术近年来受到了较多的研究和关注 在强化过滤技术中取得了一定的进展 第四节微污染水源预处理技术 吸附预处理 化学氧化预处理 生物法预处理 吹脱法 1 2 3 4 强化混凝 吸附预处理主要是利用吸附剂的吸附特性去除微污染水源水中的有机污染物 常用的吸附剂有活性炭 粘土 硅藻土 沸石等 吸附预处理技术目前也存在回收再利用的问题 如果所投加吸附剂不能有效地再生利用 势必会增加工艺的运行费用 同时系统的排泥量也会加大 因此 寻求价廉 可方便再生的吸附剂 研究适宜的吸附剂再生技术是吸附预处理微污染水源水需要研究和解决的主要问题 新工艺 预处理工艺 活性碳吸附 粉末活性炭 颗粒活性炭 柱状活性炭 其他活性炭 分类 粒度小于0 175mm的活性炭 吸附能力强 制备容易 价格较低 但再生困难 一般不能重复使用 粒度大于0 175mm的活性炭 价格较贵 但可再生后重复使用 操作管理方便 成柱状的活性炭 活性炭纤维 活性炭纤维毯 活性炭布等 吸附法 新工艺 预处理工艺 简介 沸石是一族具有连通孔道 呈架状构造的含水铝硅酸盐矿物 特殊的晶体化学结构使沸石拥有离子交换 高效选择性吸附 催化等优异性能和环境属性 从而能有效的治理各种污水 优点 沸石对氨氮 极性有机物有较好的去除能力 价格便宜 沸石 吸附法 新工艺 预处理工艺 沸石对氨氮 极性有机物有较好的去除能力 而非极性吸附剂活性炭对大部分有机物有良好的去除效果 两者的吸附性能具有互补性 可组合使用对微污染原水进行深度处理 利用沸石 活性炭联合吸附工艺处理原水 其工艺流程为 原水 沸石吸附柱 活性炭吸附柱 出水沸石为用NaCl活化后 粒径0 5 1 0mm的沸石颗粒 试验表明 该工艺对COD Mn 浊度 氨氮 三氯甲烷的去除率分别在10 60 95 和40 以上 对水中苯酚 阴离子洗涤剂 LAS 和三氯甲烷的去除率分别在60 89 99 以上 除此以外 沸石与活性炭组合使用可减少活性炭滤层反冲洗和活化次数 延长活性炭使用寿命 降低制水成本 沸石与活性碳联用 吸附法 生物法 化学氧化法 吹脱法 新工艺 预处理工艺 简介 吸附法 生物法 化学氧化法 吹脱法 化学氧化预处理是指在原水中加入强氧化剂 利用强氧化剂的氧化能力 去除水中的有机污染物 提高混凝沉淀效果 常用的氧化剂有氯气 臭氧 高锰酸钾 过氧化氢等 化学氧化法 常用的氧化剂有氯气 二氧化氯 次氯酸钠 臭氧 双氧水 高锰酸钾等 氯气由于能和水中的有机污染物反应生成消毒副产物如三卤甲烷 THMs 采用二氧化氯 次氯酸钠等代替氯气进行预氧化可以在很大程度上控制 减少消毒副产物的产生 新工艺 预处理工艺 生物法预处理是在常规的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 去除水中的有机污染物 氨氮 亚硝酸盐及铁 锰等无机污染物 由于微污染水中的有机物含量低 只能采用生物膜式反应器 目前应用的生物预处理工艺主要有生物接触氧化法 生物陶粒滤料滤池 生物膨化床与流化床等 简介 吸附法 生物法 化学氧化法 吹脱法 生物法 生物处理对有机物的去除机理微生物对小分子有机物的降解微生物胞外酶对大分子有机物的分解作用生物吸附絮凝作用 新工艺 预处理工艺 新工艺 预处理工艺 吸附法 生物法 化学氧化法 吹脱法 吹脱法指直接向水中曝气以去除水源水中大部分挥发性物质 其中有挥发性有机物质 NH3和H2S等还原剂 通过曝气水中溶解氧含量增加 可氧化分解水中部分有机物 还使得水中胶体脱稳 有助于水厂的后续处理 曝气还可降低水中的藻类和有机污染物产生的异臭和色度 曝气方式可根据后续处理进行选择 采用单纯的曝气吹脱预处理方式 投资少 管理运行简单 对于后续处理有一定的作用 但是其有难挥发机物和氨氮去除率较低 所以一般把曝气和其他工艺进行组合 简介 吹脱法 第六节生物预处理 6 1生物预处理法目的 去除那些常规处理方法不能有效去除的污染物 如可生物降解的有机物 人工合成的有机物和氨氮 亚硝酸盐氮及铁 锰等无机污染物 由于在低营养条件下生存的贫营养微生物通常是以生物膜的形式存在的 所以微污染水源水的生物预处理方法主要是生物膜法 由于微污染水中的有机物含量低 只能采用生物膜式反应器 目前应用的生物预处理构筑物主要有生物接触氧化池生物陶粒滤料滤池生物转盘 预处理 生物法 1 原水箱 2 进水泵 3 液位控制器 4 膜 生物反应器 5 出水泵 6 鼓风机 7 膜组件 8 时间控制器 9 压差计膜 生物反应器工艺流程图 6 2生物接触氧化法生物接触氧化法属于好氧生物膜法的一种 是在生物滤池基础上 从接触曝气法改良 演变而来的 因此又称为 浸没式滤池法 接触曝气法 和 淹没式生物膜法 等 生物接触氧化池内内设置填料 填料淹没在污水中 填料上长满生物膜 污水与生物膜接触的过程中 水中的有机物被微生物吸附 氧化分解和转化为新的生物膜 从填料上脱落的生物膜 随后流入二沉池后被去除 污水得到净化 生物接触氧化池的曝气空气通过设在池底的布气装置进入水流 随气泡上升时向微生物提供氧气 生物接触氧化池的构造 生物接触氧化池平面形状一般采用矩形 进水端应有防止短流措施 出水一般为堰式出水 图1为生物接触氧化池的构造示意图 预处理 生物法 生物接触氧化反应器 进气口 出水口 出水渠 填料 进水口 生物接触氧化法的基本原理是在曝气池中填充填料 经曝气的污水流经填料层 使填料颗粒表面长满生物膜 污水和生物膜相接触 在生物膜中微生物的作用下 污水得到净化 生物接触氧化法的主要特征是 采用浸没在水中高孔隙率 大比表面积的填料 在其表面为微生物附着生长提供好氧生物膜 因其表面积大 可附着的生物量大 同时因其孔隙率大 基质的进入和代谢产物的移出 以及生物膜自身更新脱落 均较为通畅 使得生物膜能保持高的活性和较高的生化反应速率 由于接触氧化法需要像活性污泥法那样不断向水中曝气供氧 以及在高负荷时丝状菌密集 形成垂丝状 如同活性污泥一样 在水中呈立体结构 处于漂浮状态 并且 在氧化池的流态及反应动力学方面 接触氧化法与完全混合的活性污泥法相同 因而它兼活性污泥法的特点 生物接触氧化池对填料的要求生物接触氧化池填料要求对微生物无毒害 易挂膜 质轻 高强度 抗老化 比表面积大和孔隙率高 目前采用的填料主要有聚氢乙烯塑料 聚丙烯塑料 环氧玻璃钢等做成的蜂窝状和波纹板状填料 纤维组合填料 立体弹性填料等 下图为常见的三种填料 纤维组合填料 立体弹性填料 蜂窝状填料 4 2弹性立体填料生物接触氧化池 弹性填料生物接触氧化工艺 弹性立体填料是由许多根富有弹性的 直径0 5mm左右的聚烯烃类塑料短丝串接在中心绳上而成 各条填料单元的上下端分别平行的垂直固定在生化池中的吊索或吊杆上 各填料单元在平面上通常呈梅花形组装布置 4 3曝气生物滤池曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式 也可看成是生物接触氧化法的一种特殊形式 即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料 以提供微生物膜生长的载体 并根据污水流向不同分为下向流或上向流 污水由上向下或由下向上流过滤料层 在滤料层下部鼓风曝气 使空气与污水逆向或同向接触 使污水中的有机物与填料表面生物膜通过生化反应得到降解 填料同时起到物理过滤作用 该技术的基本特点 具有去除SS COD BOD5 硝化 脱氮的作用 其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体 节省了后续二次沉淀池 在保证处理效果的前提使处理工艺简化 此外 曝气生物滤池工艺有机物容积负荷高 水力负荷大 水力停留时间短 所需基建投资少 能耗及运行成本低 同时该工艺出水水质高 结构概述 曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式 也可看成是生物接触氧化法的一种特殊形式 即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料 以提供微生物膜生长的载体 并根据污水流向不同分为下向流或上向流 污水由上向下或由下向上流过滤料层 在滤料层下部鼓风曝气 使空气与污水逆向或同向接触 使污水中的有机物与填料表面生物膜通过生化反应得到降解 填料同时起到物理过滤作用 曝气生物滤池 曝气生物滤池用作受污染水源水的预处理工艺 滤料选用合适的净水用陶粒 生物陶粒作为填料 它的空隙率高 比表面积可达3 99m g 粒径一般为2 5mm 原料的来源广 乙烯类研究和应用表明 以生物陶粒作为填料的生物接触氧化床处理多种原水都有较好的效果 生物陶粒滤池 简介 采用陶粒为填料的曝气式生物滤池 陶粒比表面积大 具有一定的吸附性能 微生物附着力强 特点 池内能够保持大量的生物量 再由于截留作用 污水处理效果好 勿需污泥回流 也无污泥膨胀之虑 如反冲洗全班自动化 则维护管理也非常方便 4 4生物转盘生物转盘 RotatingBiologicalContactor简称RBC 是一种生物膜法废水处理技术 开创于20世纪五六十年代 生物转盘主要由盘片 接触反应槽 转轴及驱动装置所组成其整个处理过程为 转盘浸入或部分浸入充满废水的接触反应槽内 在驱动装置的驱动下 转轴带动转盘一起以一定的线速度不停地转动 转盘交替的与废水和空气接触 经过一段时间的转动后 盘片上将附着一层生物膜 在转入废水中时 生物膜吸附废水中的有机污染物 并吸收生物膜外水膜中的溶解氧 分解有机物 微生物在这一过程中以有机物为营养进行自身繁殖 转盘转出废水时 空气不断的溶解到水膜中去 增加其溶解氧 生物膜交替的与废水和空气接触 变成一个连续的吸氧 吸附 氧化分解过程 生物转盘法常采用多级串联处理方式 以取得更好的效果 第七节微污染水源深度处理技术 微污染水源水深度处理技术是指在常规处理工艺之后 增加能够将常规工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物进行有效去除的工艺技术 以提高和保证饮用水的水质 目前 研究和应用较多的深度处理技术主要有 臭氧氧化 活性炭吸附 臭氧 活性炭联用 膜过滤 光催化氧化等 深度处理技术是目前微污染水源水处理领域研究和关注的热点之一 也是提升处理水水质 应对地表水源污染严重的最有效的对策之一 7 1臭氧氧化 活性炭吸附处理技术1 臭氧氧化技术是指利用氧化剂O3不同的氧化能力氧化降解原水中的溶解性有机污染物 氧化法在脱色 除臭 除味 杀灭病菌方面的效果很显著 但只能将水中部分大分子有机物氧化分解成小分子有机物 很难将有机物完全矿化 氧化分解成的小分子有机物在后续过程中易于形成一些有毒有害的副产物 另外 氧化过程需要大量能量 费用较高 臭氧对人工合成有机物的氧化去除作用已有大量的研究 其对苯并萤蒽 苯并芘 苯 二甲苯 苯乙烯 氯苯和艾氏剂等有较强的氧化分解能力 2 活性炭处理技术是利用活性炭所具有巨大的比表面积和发达的空隙 使水中的一种或多种物质被吸附在其表面而去除的方法 在生活饮用水处理时 用以去除水的嗅味以及酚 卤代甲烷 微量有机物 各种有毒有害物质和剩余氯等 高纯水制备时 在离子交换之前预先用活性炭去除水中有机物 微生物 胶体和余氯 活性炭通常分为粉末状炭 PAC 和颗粒状炭 GAC 在水处理中 颗粒活性炭应用较多 处理效果也较稳定 但价格较贵 处理构筑物的基建和运行费用较高 且存在GAC滤池内易滋生细菌 产生亚硝酸盐和对短期或突发性污染适应性差等不足 而PAC价格便宜 基建投资省 不增加特殊设备和构筑物 适用于水质季节性恶化及突发性事故的水源净化处理 PAC不足之处在于炭末飞扬 操作条件差 一次使用后即须丢弃 增加处理费用 带来污泥处置困难 且有时会从滤池中泄漏出来而影响配水系统的水质 3 臭氧 活性炭联用深度处理技术臭氧 活性炭联用深度处理技术是利用臭氧的氧化能力和活性炭的吸附能力去降解长链 大分子的难降解有机物 将其转化为较小且可降解的有机物 改变有机物的可生化性及吸附性 炭床中大量好氧微生物对有机物进行降解 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 臭氧 活性碳法 优缺点 优点 提高处理效率 延长活性炭的使用寿命 原水中所含的高分子腐殖酸和富里酸不易被活性炭吸附 但臭氧氧化后 变成了可吸附的小分子物质 提高了活性炭的吸附效果缺点 近年来的研究表明臭氧化物同样会生成许多有害副产物 当水中含溴离子 Br 时 臭氧可氧化其为亚溴酸盐 BrO2 溴酸盐 BrO3 等 溴酸盐被国际癌症研究机构列为有可能对人体致癌的化合物 7 2膜过滤深度处理技术膜过滤是微污染水源水深度处理领域中另一个重要 高效的深度处理手段 以微滤 超滤 纳滤 反渗透为主的膜过滤技术可以较为有效地去除水中嗅味 色度 消毒副产物前体物及细菌等 膜技术在微污染水处理中具有广阔的应用前景 膜分离技术对颗粒物 胶体物质 溶解性物质甚至离子物质具有高效的去除能力 并且膜法是最有效的去除隐孢子虫卵囊 病原菌和病毒的方法 因此膜技术作为新的水处理技术越来越受到人们的重视 在微污染水源水处理中应用会越来越普遍 膜过滤技术 简介 膜过滤 微滤 MF 超滤 UF 纳滤 NF 反渗透 RO 是新兴的高分离 浓缩 提纯 净化技术 是用高分子薄膜作介质 以附加能量为推动力 对双组分或多组分溶液进行表面过滤分离的物理方法 深度处理 膜处理技术 反渗透膜组件 深度处理 膜处理技术 超滤膜组件 深度处理 膜处理技术 微滤膜组件 纳滤膜组件 主要原因 1 水中氢氧化物 碳酸盐等的沉淀污染 2 腐殖酸等天然有机物在膜表面的吸附染 3 微生物在膜界面上形成的污染 解决方法 常通过反冲洗 化学清洗 膜运行方式来解决膜污染 膜过滤对进水水质要求较高 膜需定期清洗 基建投资 运行费用高 膜的污染问题 7 3光催化氧化深度处理技术光催化氧化深度处理技术是利用太阳光谱中近紫外光部分 300 400nm 将常规处理工艺未能有效处理的有毒有机污染物在N型半导体光催化剂存在时 如TiO2 Zn