微污水的处理和-前景.doc

毕业论文木材工业学院目录1前言41.1课题提出的研究背景41.2目前国内外微污染水处理的状况61.3利用生物改性竹炭达到与处理水的目的81.4竹炭的特点及应用现状122确定研究试验方法、技术路线及工艺192.1试验研究方法202.2工艺流程222.3技术路线223实验原水背景简介223.1实验区域自然环境特征223.2实验区域水环境特征233.3实验区域水源变化的原因44实验设计水质、水量194.1设计水量204.2设计进水水质225工艺的选择225.1工艺的选择背景225.2碳层选择235.3工艺的流程设计126确定研究试验方法、技术路线及工艺192.1试验研究方法202.2工艺流程222.3技术路线223实验原水背景简介223.1实验区域自然环境特征224.2实验区域水环境特征23摘要 微污染水源水是指受到有机物污染，部分水质指标超过地表水环境质量标准(GB383822002) 类水体标准的水体，但与一般污水相比，污染物的含量很低。20 世纪60 年代以来，我国不少地区饮用水水源水质日益恶化。许多水厂不得不面临着使用更多的水质不符合要求的受污染水源原水作为生活饮用水水源。水污染主要是有机物和氨氮污染，常规净水工艺系统难以将这些污染物有效除去,降低了饮用水水质，对人体健康构成潜在威胁。本课题采用生物改性竹炭作为填料，研究其对微污染水的处理效果。关键词 微污染水 生物改性竹炭 处理效果的研究1、 前 言1、 1课题的提出的研究背景目前，我国城市饮用水水源主要来自地下水和地表水，但随着社会经济的发展，我国地表水体污染日益严重，有害物质逐年增多，水中污染物成分也不断发生变化。、2007年中国环境状况公报中指出：水污染形势依然严峻，监测的197条河流的407个断面中，类、类和类水质的断面比例分别为49.9%、26.5%和23.6%。七大水系中，只有珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。我国河流污染相当严重1。随着工业的发展和农用化学品的增加，越来越多的有机污染物被排入水源水体，使饮用水源受到严重污染，并呈发展趋势，城市供水水质也日趋下降，我国现在大多数城市都面临不同类型的缺水，大部分南方城市都面临严重的水污染问题，已经或即将造成水质型缺水，这表明城市供水水源已经面临着巨大的压力2。常规净水工艺系统难以将水中污染物有效除去,较低水质的饮用水，对人体健康构成潜在威胁。然而，经济的发展、人民生活水平的提高、人们对自身身体健康状况的日益关注，促使社会对水质尤其是与人类自身身体健康直接相关的水源水的要求日益提高。因此一直受到各国政府和公众的高度重视。水源水中难处理的微量有机物的增多使得人类饮用水安全受到威胁，迄今为止在饮用水中检出的有机污染物已多达1200 余种2。寻找最佳的水源水处理技术已成为当前水处理研究领域的热点。目前活性炭在国内外水源水处理工艺中应用广泛，但存在成本高、再生困难等问题，在现今“以竹代木”、“以竹胜木”的发展趋势下，竹炭作为活性炭的一种因来源广泛、成本较低、吸附性能良好逐渐受到关注，但在微污染水源的除污技术的研究与实际应用中却很少见。1、2目前国内外微污染水处理的状况目前，微污染水源水处理新技术的思路归结起来主要集中在两方面：一是改善预处理技术，二是加强深度处理效果。国内水厂普遍采用混凝沉淀过滤加氯消毒的常规处理工艺。其主要目的是除浊、杀菌。但是随着近年来水源水质的变化，饮用水水源污染加剧，有机物、致病菌、有毒有害物质和微量污染物的浓度逐年增大，饮用水处理的难度将随之增加，而现有水厂处理设施陈旧，技术落后，常规处理工艺的出水往往达不到饮用水水质标准的要求，已无法满足人们对安全饮用水的需要。1、3利用生物改性竹炭达到预处理水的目的1、预处理通常是指在常规处理工艺前面，采用适当物理、化学或生物的处理方法，将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，改善和提高饮用水水质。2、利用生物改性竹炭的优点：生物改性竹炭作为一种特殊的综合吸附与生物活性功能的新型材料，将在饮用水嗅味去除工艺中具有良好的应用前景。竹炭是竹材热解炭化后的产品，具有特殊结构和良好的物理化学性能与机械性能。竹炭作为一种新型吸附材料，由于其具有特殊的微孔结构和一定的比表面积，因而有较高的吸附能力和其它优良的官能基结合功能。与传统水处理工艺中的活性碳单一物理吸附功能相比，生物竹炭利用特种竹炭的多孔性能够为微生物菌群提供巨大而适宜的附着比表面积，在通过发酵等工艺将多种工程菌种混合培养后，能在竹炭的多孔生物载体内形成一个结构稳定、功能广泛的具有多样微生物群落的生物菌群，从而在生物量、生物多样性等方面大大加强系统降解有机污染物的能力和效率。目前，经多次实践应用表明，生物竹炭在水处理过程中有效微生物能协同作用，发挥整体优势，通过复杂的吸附、生化过程，将各种污染物分解成CO2、水及无害物质，使水质得到净化，对水体嗅味物质去除尤其有明显效果。另外，与木制活性炭相比，竹炭具有更好的资源优势。活性炭的规模应用需耗费大量的木材，目前，由于人口的增长，木制活性炭的原料即森林资源锐减。而我国竹炭的原料竹材开发潜力极高，目前竹炭是竹材工业化利用的重要方向之一，竹类植物具有生长快、产量高、一次成林后，辅以科学经营即可年年择伐，永续利用而不破坏生态环境的特点。我国是世界上竹类资源最丰富的国家，无论是面积或产量均居世界第一位。生物竹炭具备大规模应用于饮用水预处理工艺的材料条件。2、确定研究试验方法、技术路线及工艺流程本实验研究内容及实际情况，经过反复研究对比，确定了研究试验内容、技术路线及工艺流程。具体如下：2.1试验研究方法采用试验设计、优化、数据处理等方法，从探索性试验开始，对多种材料和处理方法筛选、优化，寻求科学、经济、可行的生产工艺，最终达到研究和设计目标。22工艺流程高位水塔+混凝沉淀臭氧深度处理生物接触氧化沙层过滤+消毒进 水出 水竹炭孔径选择竹炭烧制工艺选择竹炭生物改性2.3技术路线3、实验原水背景简介：3.1、实验区域自然环境特征白马镇白龙村位于南京市溧水县城东南，村域总面积30平方公里，人口约4000多人，农业家庭1000多户，白马镇白龙村水系，隶属于太湖流域范围。白马镇白龙村境内山林、生态林面积6000亩，苏南地区典型的低丘陵岗地面积1.5万亩，耕地面积1.2余万亩，土质以壤土、沙壤土为主，土层深厚，土壤有机质含量高；海拔70190米；气候温和湿润、雨量充沛、光照充足、无霜期长、雨热同季，多年平均降雨量1087.4毫米；白龙村区域内水源充沛、水质良好，有东方水库、上庄水库、四清水库，为溧水县饮用水源地白马湖的上游，水资源丰富。3.2、实验区域水环境特征白马镇河川水系隶属于太湖流域范围，2007年，太湖流域111个国控断面中，12个断面达类，占10.8；29个断面达类，占26.1；70个断面为类和劣类，占63.1。90个河流断面中64的断面氨氮指标为类和劣类，21个湖泊监测点总氮指标全部为类和劣类。氨氮、总氮是太湖流域的主要污染指标。近年来，太湖流域交界断面和入湖河流水质总体有所改善，总磷指标达标率分别达到98%和96%，高锰酸盐指数指标达标率分别达到54%和73%，氨氮指标达标情况较差，达标率仅为48和42（见表1）。表1 交界断面、入湖河流“十五”计划规定水质目标完成情况考核类别总磷高锰酸盐指数氨氮达标个数达标率达标个数达标率达标个数达标率交界断面4798%2654%2348%环湖断面2596%1973%1142%水质污染物的主要来源包括：城镇工业废水、生活污水、农业面源、底泥等，其水质污染与上游工农业及生活污染物等大量排放有直接关系。本实验区在南京溧水县城东南16公里处，水质污染源以农业面源与农村生活污水为主，被污染水体为溧水饮用水源水之一上庄水库。随着“江苏农业硅谷”、企业扩展等区域社会经济的快速发展，湖库周边来水和污染负荷的压力都在不断增加，使得饮用水源水上庄水库的污染形势越来越呈现复合污染的特征，增加区域污染治理的难度。3.3、实验区域水源变化的原因（1）区域经济的快速发展和人口高度集聚造成流域污染负荷不断增加，加快了流域水环境恶化和湖泊富营养化。（2）上游入湖河川水质持续下降直接导致白马湖入湖污染物总量不断增加。（3）流域河网湖荡生态系统功能退化，尤以湖滨河岸带退化为重，对污染物净化和拦截能力下降。（4）湖泊饮用水源水质下降，存在严重的环境安全隐患。4、实验设计水量、水质及处理目标4.1设计水量 基地长期居住员工为15人，农忙时员工为100人左右，因此本工程设计处理水量为3t/d,通过蓄水池进行调配使用。42设计进水水质其具体的指标如下：表 1 原水水质Table 1 Quality of feed常规指标臭味物质pHCODmn(mg/L)TN(mg/L)TP(mg/L)NH3-N(mg/L)色度NTU2-MIB（ug/L）土臭素（ug/L）7.0-7.74-51.3-2.00.05-0.080.1-0598-1007-162102105工艺的选择5.1工艺选择背景结合项目所在地的地理环境与水源水污染情况，需要选择一种管理方便、占地少的水处理工艺。而生物接触氧化法结合了生物滤池和活性污泥法，具有以下特点：（1）处理效率高。不仅兼有活性污泥法的特点，而且其单位体积生物的数量比活性污泥泥法多，生物活性高；此外，底物和产物的传质速度快。 (2)工艺适用范围广泛。无论是污染物的浓度高或浓度低，生物接触氧化法都能适用。尤其是对微污染的饮用水水源，生物接触氧化法能有效地去除水中的氨氮和微量有机物。(3)没有污泥膨胀和污泥回流，管理简便。操作比较简便的生物接触氧化法止是人们乐意接受的方法之一。(4)耐冲击，适应性较强。由于在填料上生长着大量生物膜，对负荷的变化适应性较强，尤其是采用多级或多段的工艺流程，可保障有稳定的出水水质。(5)挂膜简单，启动快。 (6)节能效果明显。5.2炭层选择（1）炭层分为上下两层，上层炭层的颗粒粒径比较大，可附着大量的微生物，因其空隙率大，基质的进入和代谢产物的移出，以及生物膜自身更新脱落，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。此炭层的微生物主要以异养菌为主，能有效的去除水中的有机物，降低水中的耗氧量。同时因其颗粒物粒径比较大，故该层无截留悬浮物的效能。（2）下层竹炭的选择，选用粒径较小的竹炭，除了附着微生物的吸附作用外，还能发挥竹炭的吸附和拦截功能，在改成中主要生长的是自养型菌类为主，主要进行的氨氮的硝化作用，同时拦截上级竹炭的代谢物和水中的悬浮物质。因此，该层要注意炭层的反冲洗。 5.3工艺流程设计 目前城市供水广泛采用的饮用水处理工艺为：原水经格栅初步拦截后，便进入加药池，经过聚合氯化铝和聚丙烯酰胺的絮凝沉淀作用去除大部分的污染物后，进入过滤池，经过沙层的过滤后，进入清水池，投加液氯消毒，沉淀后进入管网。 偏远农村地区饮水源水的质量无法得到保证，从而也无法保证处理出水的质量，因此，在处理设备的最开始采用生物接触氧化的方法对水源水进行预处理，经加药、过滤后出水，另一方面为进一步提高出水质量，采用臭氧的方法在出水末端对水进行深度处理，因此本设备的工艺流程可以归纳如下：工艺流程及设计说明：设备装置如图1所示。（1） 高位水箱设备的运行采用自流式，因此高位水箱的主要作用便是提供设备运行所需的水源水，水箱内设有液位开关，自动控制水箱内水位，另外，高位水箱的另一作用时充当沉淀池，水源水经泵提升进入水箱，同时启动药物自动投加装置在水箱内进行投加药物，水源水和药物充分混合沉淀后，才可进入下一步的处理，为保证沉淀效果，水源水在水箱内的停留时间定为2小时。高位水箱采用聚四氟乙烯水桶，容积为2m3。图1 处理设备装置图（2） 生物接触氧化罐生物竹炭接触氧化反应器中分布有两个生物竹炭层，竹炭中接种对该水源水中污染物质有较好分解能力的微生物，综合和竹炭的吸附功能和生物处理功能，能够降解水体中的大部分污染物，有效较低耗氧量等指标，水力停留时间（HRT）为30min。两层生物竹炭层两高度、填料相同，粒径不同；反应器上部设溢流口，在保持与大气相通的同时，还可在反冲洗时放出飞溅过高的污水；连接水箱的原水进口设在溢流口下端、一级生物氧化区上端，并与溢流口位置相对，采用打孔配水板；生物氧化反应器的一端设有充氧口（两氧化区之间）、反冲洗进气口（两氧化区间和二级氧化区底部各一）、反冲洗进水口（两氧化区间和二级氧化区底部各一），另一相对端设有反冲洗水出水口（一级氧化区上部、两氧化区之间、二级氧化区底部各一）和与接触过滤池入口相接的处理水出口（二级氧化区底部）。反冲气水采用圆盘或棒管式扩散装置，保证气水均匀扩散。（3） 臭氧深度处理罐臭氧深度处理罐的主要作用是对水质进行深度处理，对水中的有机质和无机质以及大分子物质进行进一步的吹脱和分解，水中氨氮可以被生物转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量。水利停留时间为1小时。臭氧接触罐的设计采用有机玻璃结构，直观性好，塔高2m，底面直径为30cm，塔体底部设有臭氧曝气头，臭氧产生量为5mg/h，气水接触采用逆流方式，上部进水，下部出水。（4） 沙层过滤罐沙层过滤罐的主要作用拦截水中的微小悬浮物和胶体物质，保证出水质，塔中填充标准自来水厂用滤料，其结构是一个柱状的石英海砂填料吸附区，填料区上端设打孔圆板配水板；反应器处理水进水端设有高位置的水流进水口，在填料区下部还设有反冲洗进水口、进气口各一个；反应器出水端与进水端相对，该端有反冲洗水出口（配水板上端与污水进水口之间、反应器底部各一）和处理水出口（反应器底部，高于反冲洗水出口）。6设备运行特性6.1竹炭材烧制工艺的预试验竹炭材的构造特征包含竹炭的表观形貌、微观结构、孔隙构造。本研究中对竹炭的微观结构，包括炭化前后的整体形貌特征、竹炭外表面形貌特征、竹炭薄壁组织构造、竹炭维管束构造进行了测定；并且对四种竹材制备的竹炭微观构造特征进行了比较。结果表明竹材炭化过程是典型的固相炭化过程，炭化后竹材的外表面仍然保留着竹材表皮粗糙不平的颗粒状态，继承了竹材的多孔状和各向异性构造特征，但是竹炭基本组织细胞的细胞壁间隙消失，细胞壁变薄；四种竹炭在构造上表现出一定的差异性。得到孔径分布率分别为5%（100m以上）、46%（100-20m）、18%（20-5m）、21%（5-0.1m）、10%（0.1m以下）的竹炭基材，作为填料的备选材料。实验室材料的制备：将M1、T、M2及L四种竹材的一定部位和不同年数的50g重块状竹材放入电炉中，在氮气条件下开始升温，工艺参数如下：厌氧条件：的氮气气氛保护。一次升温速率：度/分钟氮气流量：8ml/分钟当温度升到120度时，恒温0.5小时，二次升温速率：度/分钟，升至设定炭化温度炭化温度：分别为300、400、500至1000保温冷却时间：90分钟冷却速度：在氮气保护下，无热源自然冷却。炭化装置主要由三部分组成：加热系统、控温系统和保护性气体控制系统。加热系统所用设备为高温电阻炉，型号为北京试验电炉厂SGZ-8-13，额定功率为8kw，额定温度为1300度。控温系统所用的控温仪器为KWD201温度自动控制装置，保护性气体控制系统可以提供气体同时还可以控制气体的流量和速度。竹炭材料的微观构造表征和性能测试A微观构造表征竹炭微观构造的观测采用场发射环境扫描电子显微镜（XI30 ESEM FEG，美国FEI公司）直接观测其新鲜断口形貌。测试条件：电压为20KV，电流为80A，倾斜为0，信号接收为200S。竹炭整体形貌特征竹炭作为植物类炭材料的一种，其炭化是典型的固相炭化过程，表现为竹材炭化后形成的竹炭在构造上既有继承也有变化，图-1为M1竹炭扫描电镜照片，从图中可以发现竹炭保持了竹材微观构造的基本特征，能够清晰的确定出竹材微观构造的薄壁组织和维管束组成部分，并且继承了竹材构造的各项异性构造特性和多孔状结构。据研究炭化后，竹炭同竹材相比也发生了较大的变化，表现为炭化后竹炭横切面变得光滑平整，轮廓清晰，部分表皮细胞和胞间层细胞被烧掉，构成维管束的纤维帽、维管束鞘、木质部和韧皮部全部被炭化形成光滑的整体表面，其纤维帽、维管束鞘、木质部和韧皮部的界限轮廓完全消失，从图-1中可以发现炭化后毛竹竹炭变得非常规整，维管束系统均匀的分布在薄壁组织系统内，维管束鞘部分变的很密实，维管束纤维鞘部分占到整体面积的41.56%，导管的平均直径在49.63m，其面积占到整体面积的38%。孔径分布率分别为5%（100m以上）、46%（100-20m）、18%（20-5m）、21%（5-0.1m）、10%（0.1m以下）的竹炭基材，作为填料的备选材料。图-1 竹炭扫描电镜照片B碳化终温对竹炭的灰分的影响竹炭中的灰分是竹炭的无机组成部分，竹炭在高温下烧完以后成为白色或浅红色的物质。从表1中可以看出，竹炭的灰分含量随着炭化温度的升高而增加(2.93%一4.69%)(图-2)。竹炭中的灰分元素组成较复杂，竹材中含有的无机成分都留中灰分中，其中含量相对较多的有硅、钾、镁、钠、钙、镁、锰等。烧结灰分含量的增加可以保证填料的强度，保持填料的构造，提高使用寿命。表-1 图-2 表-2C碳化终温对充填密度的影响充填密度P。指在规定的条件下，单位体粒间的空隙在内的质量。碳化终温与填充密度的关系。数据表明竹材充填密度随着炭化温度的升高而逐渐增加，这种变化在600700表现最显著。实验数据显示，充填材的充填密度对本实验装备的构造重量影响较小。6.2大规模生产竹炭烧制工艺的选择竹炭因为有良好的吸附性能和合理的孔径分布，逐渐在水环境治理方面得到广泛的应用。主要的大规模竹炭烧制生产工艺方法有两种：干馏热解法和砖窑烧制法。(1) 干馏热解法: 其设备从目前看主要是外热式立式干馏釜, 这种干馏釜在烧制竹炭时, 既可使用预干至含水率为20%25%的竹材, 也可使用未经预干的竹材, 但以使用经预干的竹材为佳。由于在烧制过程中基本不存在竹炭氧化问题, 因此竹炭得率较高, 一般为25%左右,高者可达35% , 烧制周期一般在4872小时。 (2) 砖窑烧制法: 它是采用燃料(木材) 直接加热方式, 即窑口由燃料燃烧产生的热量上升到窑顶后, 向窑内扩散，热气流循环流动于窑内部，热量向四周辐射, 由上往下缓慢干燥并达到预炭化；燃烧窑内部分竹材使窑内温度继续升高, 除去挥发性物质, 随着窑内烟气循环流动, 各点热量和温度基本均匀, 完成炭化和精炼阶段, 得到结构致密的竹炭。本项目所用竹炭的烧制工艺采用砖窑烧制法。该方法的具体工艺流程如下：6.3烧制步骤（1）材料的选择，优质的原料是保证竹炭质量的基础。该项目炭用竹材选用向阳、5年生以上、在秋季或无雨干燥时期采伐的新鲜毛竹及其加工剩余物。并结合毛竹的竹龄、所处的立地条件和竹材的上、中、下部位等进行分类。选择科学的堆放场所，适宜的原料堆放时间，选择有一定坡度、排水良好、离加工地较近的硬地作为堆放场所，并在采伐后15天以内按分类装窑，控制好竹材的含水率，以免影响竹炭质量。(2)装窑:采用横装法。先按烧制要求把原料剖截规格,烧片炭要用竹铲将竹节铲净,并把竹片截成一定规格长度,用铁丝按一定数量捆扎成捆,烧筒炭按一定长度截好就可。装到离窑门45-60 cm即可,留下空间装部分杂木材料,多二层,以便于拦住火力,杂木以8-12 cm为好,靠着窑门,顶着窑顶装好,其余空间,可随意装些柴禾至装满为止。在装窑完成后,窑门砌成人字形拱门封窑,并留好两个进风口。(3)炭化升温阶段:点火:打开人字形砖以下部分,连续烧2-3天。到第3-4天时,拆开窑门,装满柴禾,让其燃烧,并及时添满柴禾加温、封窑,留好进风口(大小与进烟口相近)。放火:烧至7-8天,窑内温度加高到至毛竹自燃止,窑内温度200度以上。放火不能过多或过少,以毛竹能自燃即可。毛竹自燃时,窑背比平常稍烫,烟囱里冒出的烟为灰黄色,气味辛辣,并带有汗臭味,此时应及时封窑,封窑时须好2个进风口。控温:把烟囱和进风口堵塞掉一半左右,控制7-8天,至烟囱冒出的烟由原来的辛辣味变成烧过后有一种清香的气味,这时就可以把烟囱和进出口的堵塞物拿掉,当等到看不到烟时进入精炼阶段。精炼：当毛竹全部烧成炭后，再慢慢地从窑门口增氧，使窑里的炭重新红起来，窑内温度达到800度。精炼方法：当一窑毛竹烧成炭时，从人字形砖下每隔1-2小时开一个3 cm见方的风洞，切不可短时间内把窑门全部打开。当风洞开到20多小时时，窑内温度已经很高，竹炭通红，且有很多蓝色火焰从烟囱中出，这时就可以把人形砖以下部位全部打开，并清理干净窑灰，再炼1-2小时，看窑内喷出的蓝色火焰时，此时温度已达到900度，炭的钢度、硬度、通电性能良好。一般控制在24小时左右完成精炼。封窑：先准备1细灰沙，一些长短、厚薄与窑门相适应的木板和一块铁板，及木桩等工具。封窑时，先用铁板将窑门打开处闭上，再在窑门外边上打两个木桩，自上而下闸上木板，窑门与木板间隙用细灰沙填上压实。烟囱和窑背也要封死，不使炭窑透气。封窑后，一般经3天3夜就可出炭。炭是否闭黑取决于窑背的温度，手触摸不烫说明炭已闭黑，即可出炭。6.4、炭化温度对竹炭性能的影响炭化温度和时间是烧炭过程中两个重要的参数，窑体中不同位置的温度是有差别。图1 窑温的炭化曲线由图可1知,窑顶温度最高，其次是窑底温度，同窑底相差60-320，烟囱口温度最低。由于存在较大的温差,竹材的炭化不均一,上部竹炭炭化充分,电阻小,有钢音,理化性能指标好；而相反下部的竹炭炭化不充分,未炭化率高,电阻大,没有钢音,理化性能指标差。本系统装置使用的颗粒炭材是窑顶部的钢炭经破碎筛制而成。7、生物接触氧化罐的挂膜一般的挂膜方法有人工挂膜和自然挂膜两种，被设备采用自然挂膜的方式，培养期内若氧化罐内流速过快易对尚未成熟的生物膜产生冲刷，不利于生物膜的形成，挂膜期间，停止设备的运行，定期对挂膜水进行更换。采用PCR-DGGE方法检测竹炭内的生物接种情况。7.1、改性背景：对处理微污染水起作用最大的是废水中原有的自生微生物菌种，因为微污染水中污染物负荷超过了微生物的自净能力，故使水体无法得到净化，若能在填料上大面积的附着该微生物，使污水经过该填料，微生物便会对废水起到最大的净化作用。因此，生物改性竹炭的出发点就是将处理水体中的微生物接种到竹炭上。目前，对竹炭的生物改性主要有人工挂膜和自然挂膜两种方法，结合实际情况，在本项目中对竹炭的生物改性采用人工和自然方式相结合的方法进行。7.2、改性原理：人工挂膜原理为不停的使真空箱内的压力在正负大气压之间变换，在正负压的作用下，装置内的挂膜水会不停的冲击竹炭内空隙，一方面可以排空竹炭空隙间的空气，另一方面，水流的冲击作用会打开竹炭内封闭的空隙，水流会停留在竹炭空隙内一段时间，以便使挂膜水中的微生物能生长在竹炭空隙内。7.3、改性装置：改性装采用密闭有机玻璃结构，80cm80cm80cm的正方体结构，两天留有真空抽气孔和鼓风进气孔。具体装置示意图如下：图1 生物竹炭改性装置7.4、改性步骤：（1）将待改性竹炭颗粒放置于真空接种箱内，同时接种箱内引进待处理原水至竹炭颗粒完全浸没。（2）自然挂膜阶段，打开真空接种箱的空气阀门，使接种装置与大气相通，同时向接种箱内投加适合微生物生长的环境改良剂和一定的营养物质，静止培养7-10天。（3）人工挂膜阶段，抽负压阶段：关闭接种箱空气阀门、阀门1和阀门3，打开阀门2，开启抽真空装置，由限压阀1控制接种箱内真空度为负5个大气压4小时。抽正压阶段：打开阀门1和阀门3，关闭阀门2，向接种箱内压入空气由限压阀2控制接种箱内压力为正5个大气压4小时。如此循环5次，持续人工挂膜时间是5天左右。7.5、挂膜结果监测：采用PCR-DGGE，检测竹炭空隙内是否附着生长所需的微生物，检测见过如下：8、工艺设备运行特性主要通过对臭味物质指标（2-MIB和土臭素）常规指标（TN、TP、NH3-N、SS、NTU、CODmn、色度等）的检测来反映设备的运行特性。测定方法：高锰酸盐指数，酸性法；NH3-N，水杨酸-次氯酸盐光度法；总氮，过硫酸钾消解-紫外分光光度法；总磷，钼酸盐分光光度法；SS、色度、NTU，自动检测仪。8.1炭层对2-MIB的去除效果由图1.1可以发现，随着设备截面流速的变大，土臭素的去除率逐渐降低，其去除率的变化与设备截面流速呈现一定线性相关性，去除率的变化范围较大为66%-80%。当设备的截面流速为50m/d时，竹炭层对对土臭素的去除率最高为80%左右，分析原因可能为，对土臭素的去除主要是依靠竹炭的吸附作用和生物的分解作用，随着截面流速的变大，处理水在竹炭层内的停留时间减少，竹炭和微生物不能充分发挥作用，从而造成去除率的不断降低。图1.18.2炭层对土臭素的去除效果由图1.2可以发现，随着设备截面流速的变大，土臭素的去除率逐渐降低，去除率的变化范围较大为68%-80%。当设备的截面流速为50m/d时，竹炭层对土臭素的去除率最高为85%左右，其去除率的变化与设备截面流速呈现出较2-MIB更高的线性相关性，说明，截面流速对土臭素去除的影响要大于对2MIB去除的影响。分析原因可能为，对土臭素的去除主要是也依靠竹炭的吸附作用和生物的分解作用，随着截面流速的变大，处理水在竹炭层内的停留时间减少，竹炭和微生物不能充分发挥作用，但呈现一定的规律性变化，从而造成去除率的不断降低。图1.29、常规污染物去除效果：9、1工艺设备对总氮的去除效果图2.1 不同工艺阶段的总氮处理效果图2.2 运行期间总氮去除率由图可得，原水的总氮含量范围为1.3-1.9mg/l之间波动，平均浓度为1.59mg/l,进水浓度比较稳定，1号炭层出水的总氮平均含量为0.51mg/L,2号炭层出水的总氮平均含量为0.38mg/l,臭氧段出水的总氮平均含量为0.34mg/l,沙层出水的总氮平均含量为0.26mg/l。总氮的去除率范围在80%-90%之间，平均去除率为83%，可以发现，总氮的含量随着处理的不断深入，浓度不断降低，最后出水浓度接近地表水一类标准。9、2工艺设备对总磷的去除效果图2.3 不同工艺阶段的总磷处理效果图2.4 运行期间总磷去除率 由图可得，原水的总磷浓度波动不是很大，维持在0.05-0.07mg/l的范围内，平均为0.064mg/l，1号炭层出水的总磷浓度波动较大，在0.01-0.485mg/l的范围内波动，平均为0.039mg/l,2号炭层出水的总磷平均浓度为0.031mg/l，臭氧出水的总磷平均浓度为0.021mg/l，沙层出水的总磷平均浓度为0.013mg/l。达到地表饮用水1类标准。可以发现，生物接触氧化阶段对总磷的去除效果不是很明显，去除率仅为48%，进过臭氧和沙层后总磷的去除率可达到84%，由图4可以发现，沙层出水对总磷的去除率在设备运行初期变化比较低，分别为68%和70%，在设备运行稳定后对总磷的去除率可稳定在84%左右。9、3工艺设备对氨氮的去除效果图2.5 不同工艺阶段的氨氮处理效果由图可以发现，原水的氨氮含量在设备运行稳定后变化不大，原水中的氨氮含量很低，平均值为0.18mg/l,已经低于标准所要求的出水含量为0.5的值，因此，经过设备处理后，尤其是臭氧的处理后，出水中氨氮含量已经低于检出下限0.1mg/l,因原水的含量低，所以设备对氨氮的去除率亦比较低，但去除率依然高于44%。9、4工艺设备对浊度的去除效果图2.6 不同工艺阶段的浊度处理效果图2.7 运行期间浊度去除率 原水的浊度范围为7-12，由图可得，1号炭层出水浊度平均值为0.57，2号炭层出水的浊度平均值为0.357，臭氧段出水的浊度值为0.26，沙层出水的浊度平均值为0.21，远低于标准所要求的1，可以发现1号炭层对浊度的去除效果很明显，这说明对浊度的去除主要是依靠竹炭等的物理吸附作用。对浊度的去除率平均值为95%，对浊度有良好的去除效果。9、5工艺设备对SS的去除效果图2.8 不同工艺阶段的SS处理效果图2.9 运行期间SS去除率 由图可得，原水的ss含量平均值为18，1号炭层出水的含量为8,2号炭层出水的含量为7，臭氧段出水的含量为7，沙层出水的含量为6，对ss的去除率在65%-86%的范围内波动，平均值为78%。可以发现，原水进入处理设备后，经过第一次竹炭便可去除含量的75%左右，其后各处理阶段因ss含量低，所以对其的去除率贡献不大。9、6工艺设备对色度的去除效果图2.10不同工艺阶段的SS处理效果图2.11 运行期间色度去除率 由图可得，原水的色度平均值为98，1号炭层出水的含量为30,2号炭层出水的含量为12，臭氧段出水的含量为10，沙层出水的含量为10，对ss的去除率在95%-98%的范围内波动，平均值为97%。可以发现，原水进入处理设备后，经过两个竹炭层的吸附处理，可以去大部分的色度，其后各处理阶段因色度含量低，所以对其的去除率贡献不大。色度和ss、浊度一样，对其的处理主要是竹炭层等的物理吸附作用。9、7工艺设备对耗氧量的去除效果由图可得，原水的耗氧量平均值为4.3mg/l，1号炭层出水的含量为1.78mg/l,2号炭层出水的含量为1.56mg/l，臭氧段出水的含量为1.23mg/l，沙层出水的含量为0.95mg/l，对耗氧量的去除率在70%-85%的范围内波动，平均值为78%。可以发现，竹炭层的生物接触氧化、臭氧的分解作用以及沙层的过滤作用均可以对耗氧量的去处起到一定的作用。图2.12不同工艺阶段的SS处理效果图2.13 运行期间耗氧量去除率98水利负荷对常规污染物去除效果的影响9.8.1水利负荷对氨氮的去除效果影响图2.14 水利负荷对氨氮去除效果的影响由图可以发现，氨氮的去除率随水利负荷的增加而先变大后减小，在水利负荷为100m/d时，氨氮的去除率最高，为67%。当水利负荷为120m/d时，去除率最低，仅为17%，水利负荷越大，停留时间就越短，不利于微生物和臭氧对氨氮进行分解处理。但因为，原水中的氨氮含量很低，所以提高水负荷不会影响出水的水质，这样就可以保证设备处理水量的弹性。982水利负荷对耗氧量的去除效果影响图2.15 水利负荷对耗氧量去除效果的影响由图可得，水利负荷对耗氧量的影响趋势与氨氮的类似，都是随着水利负荷的增加，耗氧量的去除率现增加后降低，但变化趋势不明显，水利负荷为100m/d时，耗氧量的去除率最大为80%，水利负荷为120m/d时，耗氧量的去除率最小，但也为70%，因此，水利负荷对耗氧量的影响不大，出水耗氧量基本稳定在1mg/l左右，去除率平均为75%，符合出水标准要求。9.8.3 水利负荷对总磷的去除效果影响图2.16 水利负荷对总磷去除效果的影响 由图可得，水利负荷对总磷去除效果的影响与对氨氮和耗氧量的影响趋势类似，水利负荷为水利负荷为100m/d时，总磷的去除率最大为72%，水利负荷为120m/d时，总磷的去除率最小为50%，当水利负荷为100m/d时，出水总磷含量为0.26mg/l，当水利负荷为120m/d时，出水总磷含量为0.4mg/l，均小于国家地表水二级标准，因此加大水利负荷，不会对出水水质产生影响。9.8.4 水利负荷对总氮的去除效果影响图2.17 水利负荷对总氮去除效果的影响由图可得，水利负荷对总氮去除效果的影响与前面的趋势类似，但变化趋势更为不明显，水利负荷为水利负荷为100m/d时，总氮的去除率最大为782%，水利负荷为120m/d时，总氮的去除率最小，但也为70%，当水利负荷为100m/d时，出水总氮含量为0.26mg/l，当水利负荷为120m/d时，出水总氮含量为0.4mg/l，均小于国家地表水二级标准，因此加大水利负荷，不会对出水水质产生影响。10、实验重点解决的关键技术将筛选好的工程菌种通过一定的方法附着生长在具有特定空隙结构的竹炭中，形成生物改性竹炭，利用生物改性竹炭做填料作为生物接触氧化阶段，结合其他工艺，处理微污染水源水和去除水中的臭味物质。重点解决了以下关键技术问题：（1）采用竹炭对臭味物质进行吸附去除。目前对臭味物质的去除主要采用吸附法，目前常用的是活性炭粉末，但活性炭粉末会参与粉末活性炭的投加量难以控制，并且水环境中腐殖质等有机物质的存在会明显影响其吸附效率，同时由于粉末活性炭参与混凝沉淀，残留于污泥中，目前还没有很好的回收利用方法，所以运行费用高，难以大规模推广应用。而竹炭具有特殊结构和良好的物理化学性能与机械性能。其作为一种新型吸附材料，由于其具有特殊的微孔结构和一定的比表面积，因而有较高的吸附能力和其它优良的官能基结合功能。（2）研究确定了制备特定孔径竹炭颗粒的烧制工艺。因实验所需的竹炭除具有很好的吸附功能外，还需要能够附着生长微生物，