给水厂生物活性炭滤池中甲壳类生物控制技术研究_图文

1、硕士学位论文给水厂生物活性炭滤池中甲壳类生物 控制技术研究RESEARCH ON THE CONTROL TECHNOLOGY OF CRUSTACEANS IN BIOLOGICAL ACTIVATED CARBON FILTER OF WATER PLANT赵岩哈尔滨工业大学2011年 12月国内图书分类号:X172 学校代码:10213 国际图书分类号:606 密级:公开工学硕士学位论文给水厂生物活性炭滤池中甲壳类生物 控制技术研究硕 士 研 究 生 :赵 岩导 师 :朱 荣淑 副教授申 请 学 位 :工 学硕士学 科 :市 政工程所 在 单 位 :深 圳研究生院答 辩 日 期 :201

2、1年 12月授予学位单位 :哈 尔滨工业大学Classified Index: X172Thesis for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON THE CONTROL TECHNOLOGY OF CRUSTACEANS IN BIOLOGICAL ACTIVATED CARBON FILTER OF WATER PLANTCandidate:Yan ZhaoSupervisor:Associate Prof.Rongshu Zhu Academic Degree Applied for:Master of Engineering Speci

3、ality:Municipal EngineeringAffiliation: Shenzhen Graduate SchoolDate of Defence:December, 2011Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology摘 要针对甲壳类生物在生物活性炭滤池中大量孳生,穿透活性炭层所带来生物安 全性问题,本课题根据砂滤对甲壳类生物具有明显的拦截效果,提出“活性炭 -石 英砂双层滤料生物活性炭滤池” 、 “生物活性炭滤池加接快滤池”和“将生物活性 炭滤池和砂滤池倒置”三种工艺改进方案,并对工艺出水中的理化指标和

4、生物指 标进行为期一年的监测,研究其对甲壳类生物的拦截效果;同时,前期试验研究 结果表明,二氧化碳对甲壳类生物具有明显的灭活效果,本课题研究了中试试验 条件下,二氧化碳对生物活性炭池中甲壳类生物的去除效果。通过对无砂垫层生物活性炭滤柱出水中生物数据分析可知,甲壳类生物穿透 炭层风险与种类和体型有关。体型最小的无节幼体穿透次数多,峰值高;体型居 中的猛水蚤,穿透次数少,峰值高;体型最大的剑水蚤穿透次数少,峰值小。 对比砂垫层高度为 200mm 、 300mm 和 500mm 的滤柱出水中甲壳类生物,表 明砂垫层对出水中甲壳类生物具有明显拦截效果,出现峰值时, 200mm 砂垫滤柱 出水中猛水蚤丰

5、度比无砂垫的减少 3204ind./m3,并且拦截效果随着砂垫层厚度的 增加而提高, 500mm 砂垫层能够将各种甲壳类生物全年丰度控制在 50ind./m3以下。 生物活性炭柱后加接快滤柱,出水中体长在 200 m 以上的甲壳类生物的丰度全年 被控制在 50ind./m3附近,由于滤速快,体型较小的甲壳类生物仍会出现泄漏。炭 砂倒置工艺中,砂滤池对甲壳类生物有明显的拦截效果,出水中甲壳类生物全年 保持在低水平,但是炭滤柱进水浊度高,易堵塞,反冲周期短。三种工艺改进方 案对出水的浊度和颗粒数的去除效果均有所提高。试验利用水射器投加二氧化碳气体对生物活性炭滤柱进行反冲。试验结果表 明,当气水比为

6、 3.3:1时,反冲水中的甲壳类生物总量是单独水冲的 43倍,是气 水联合冲的 16倍,中试条件下,二氧化碳对甲壳类生物仍具有显著去除效果,活 性炭对二氧化碳有一定的吸附,反冲前后滤柱出水 pH 降低了 2.08, 4h 后恢复到 反冲前水平。当气水比为 1:3时,气体流量减少 10倍,反冲水中的甲壳类生物总 量减少一半, 对甲壳类生物仍有明显的去除效果, 反冲前后滤柱出水 pH 没有变化, 后续试验采用气水比为 1:3。与投氯反冲进行对比,反冲水中的甲壳类生物总量是 加氯反冲的 13倍,投加二氧化碳反冲具有更好的去除效果。炭层中甲壳类生物被 大量去除,出水中甲壳类生物得到控制。比较气水比为

7、1:3、 1:1、 3:1和 5:1时与 投加时间为 2.5min 和 4.0min 时的反冲效果,试验结果表明,增加药剂投加量没有 明显提高对甲壳类生物去除效果,延长投加时间可以明显提高对甲壳类生物的去除效果,因此,推荐气水比为 1:3和投加时间为 4min 作为最适宜参数。 关键词 :甲壳类;生物活性炭滤池;砂垫层;二氧化碳灭活AbstractBased on the significant effect that sand filter intercepts the crustaceans, three programs are studied, including “ carbon-s

8、and dual media BAC filter ” “ BAC filter followed by rapid filter” and “ sand filter and BAC filter in reverse order” . Meanwhile, preliminary test results show that carbon dioxide has obvious inactivation on crustaceans. The effect that carbon dioxide removes the crustaceans is studied in pilot con

9、ditions.The biological data of non-sand cushion BAC filter showed that, the risk of crustaceans penetrating activated carbon layer was relevant to the type and size. The smallest copepod nauplius had more leaks and high peak. Nitocra of middle type had less leaks but high peak. The biggest thermocyc

10、lopoides had less leaks and low peak. The crustaceans in the effluent of the BAC filter with 200mm, 300mm, 500mm sand cushion were compared. The result showed that the intercepting effect of living things by sand cushion is significant. When the leak appeared, the abundance of the Nitocra could be r

11、educed by 3204ind./m3through the 200mm sand cushion. The intercepting effect was improved with the height of sand cushion. The abundance of crustaceans in the effluent could be controlled under 50ind./m3in the BAC filter with 500mm sand cushion. In “ BAC filter followed by rapid filter ” , The abund

12、ance of crustaceans (size>200 m could be controlled under 50ind./m3 throughout the year. Due to rapid rate of filtration, the small crustaceans still had the penetrating risk. In “ sand filter and BAC filter in reverse order” , the sand filter could intercept the crustaceans and the abundance wer

13、e controlled in low level throughout the year. However, due to the high turbidity of the influent, BAC filter could clog and the backwashed cycle was shorten. The removal effect of turbidity and particle in effluent could be improved in the three programs.The ejector was applied to dose the carbon d

14、ioxides gas into the water and backwashed the BAC filter. The result showed that when the gas-water ratio was 3.3, in the backwashed water, the total amount of the crustaceans by carbon dioxide backwashing was 43 times of only water backwashing, 16 times of air-water backwashing. In pilot conditions

15、, carbon dioxide still had significant removal effect of the crustaceans. As a part of carbon dioxide absorbed by the activated carbon, after backwashing, pH in the effluent was reduced by 2.08 and restored to the normal level in 4 hours. When the gas-water ratio was 0.33, the flow of carbon dioxide

16、 was reduced to 1/10 and the total amount was reduced by one half. In the low concentration, carbon dioxide backwashing still had significant removal effect for the crustaceans and pH inthe effluent hadn t changed after backwashing. The gas-water ratio of 0.33 was applied in follow-up experiments. C

17、ompared with the chlorination backwashing, the total amount of the crustaceans by carbon dioxide backwashing was 13 times and carbon dioxide backwashing had more significant removal effect for the crustaceans. Because a great deal of the crustaceans in the activated carbon layer was removed, the cru

18、staceans in the effluent were controlled in low level. The removal effect was compared under the gas-water ratio of 0.33, 1, 3, 5 and the dosing time of 2.5min, 4min. The result showed that increased dosage did not significantly improve the removal effect of crustaceans but extended dosing time coul

19、d improve the removal effect of crustaceans. Considered from the technology and economy, the gas-water ratio of 0.33 and the dosing time of 4min were considered to be the optimum parameters for the carbon dioxide backwashing.Keywords: crustacean, biological activated carbon filter, sand cushion, car

20、bon dioxide inactivation目 录第 1章 绪 论1.1 课题背景近年来,随着水源水受到的工业、农业污染日益严重,使这些水体越来越难 以满足作为生活饮用水源的要求,形成进一步的“水质性缺水” 1。同时,人民对 饮用水及工业用水水质的要求越来越高。所以,经济发展与饮用水安全的矛盾随 着社会的进步逐渐加深。目前,在我国每年有大量以氨氮和有机物为主要成分的生活污水和工业废水 被排入水体中,致使大范围地表水和地下水被污染。水体富营养化严重,藻类大 量繁殖。 藻类不仅会影响各水处理工艺单元的正常运行, 更重要的是许多藻类 (如 蓝 -绿藻会释放出藻毒素,对人体产生很大的危害。传统常规

21、水处理工艺仅仅对 去除了部分藻细胞体内的藻毒素,去除率低。另外,对水源的主要污染也包括有 机物。根据我国针对微量有机物对水体污染的初步调查结果可以看出:有机氯农 药对我国一些近海海域污染情况较严重,主要污染物为常见农药,如六六六等。 常规水处理工艺对氨氮、有机物和病原微生物的去除率均不高。从而,导致一部 分微生物进入管网系统中,在适宜的条件下可能会重新繁殖,再次污染饮用水, 甚至会导致传播疾病的大规模爆发 2。 随着饮用水安全问题日益突出, 经过常规处 理的饮用水水质已经无法满足人民的要求,对饮用水进行深度处理势在必行。 目前,较为成熟的深度处理技术包括预氧化、活性炭吸附等技术,以及臭氧 活性

22、炭联用工艺、超滤膜 -活性炭联用工艺等物理、化学和生物净化技术结合应用 3。其中臭氧活性炭工艺可以很好地去除水中有机物,并且在应用中更加经济,成 为国内外普遍应用的深度处理技术。国外如美国、德国、英国以及日本等地,国 内如北京和深圳等地,均有水厂引入臭氧活性炭工艺,进行深度处理,提高水厂 出水水质 4。 臭氧活性炭工艺利用臭氧对有机物的强氧化性, 为生物膜提供了丰富 食物,并且生物活性炭池中的溶解氧升高,为生物膜提供了良好的生存环境,生 物膜中的微生物将有机碳吸收并转化为二氧化碳,因此,臭氧活性炭工艺对有机 物有很好的去除率 5。此工艺对氨氮和总有机碳(TOC 也具有很高的去除率,并 且对嗅味

23、的去除有一定的效果 6。 正是因为活性炭滤池为甲壳类生物提供了良好的 生存环境,在适宜的条件下甲壳类生物大量孳生繁殖并产生穿透,将对饮用水水 质产生严重的安全隐患,而在高温高湿地区,这类生物问题尤其突出。珠江下游地区位于亚热带,全年气候湿润炎热,年平均气温保持在较高温度,高温高湿的环境条件使甲壳类生物在生物活性炭滤池中大量繁殖。珠江下游地区 以河流、水库等地表水为城市水源,水源水质介于水体之间。根据对深圳 的水源水库为期 1周年的调查结果,在水库中发现的微型水生动物多达五十多种 (属 ,轮虫、枝角类水生动物、桡足类水生动物等占绝大多数。目前已经运行的 几个水厂都不同程度存在水生生物安全风险问题

24、,其中在深圳的活性炭滤池中发 现的微型水生动物多达四十多种,尤其以甲壳类生物居多,随着活性炭滤池运行 时间的增加,在其中形成了从微生物 原生动物 大型无脊椎动物的完整生物链。 当活性炭滤池中甲壳类生物过量繁殖,会发生穿透和泄漏,进入饮用水中,造成 很大的饮用水安全隐患。因此,本课题根据“十一五”水专项子课题 3-1(臭氧 -活性炭工艺的生物安全性控制技术 , 任务 4(O 3/BAC工艺甲壳类生物风险分析与 控制技术研究 及任务 6(生物活性炭滤池有害生物灭活与去除技术 的相关要求, 确定研究题目为“给水厂生物活性炭滤池中甲壳类生物控制技术研究” 。1.2 国内外针对饮用水中甲壳类生物的研究现

25、状(1甲壳类生物在水源和饮用水系统中的分布情况 淡水甲壳类生物主要 分布在湖泊、江河以及地下水中,具有种类繁多、分布广泛的特点。在我国,水源中甲壳类生物随地域而具有不同的分布特点。在黑龙江水系中 的 64个属种的浮游动物中,枝角类和桡足类分别占 12.5%和 9.3%, 分别有 8种和 6种 7。 在二龙湖水库中的 80个属种的浮游生物中, 枝角类和桡足类分别占 8.75%和 10%,分别有 7种和 8种 8。在汤河水库中,浮游动物种类随季节变化,春季和 夏初以枝角类为主, 8、 9月份以桡足类在种群中占主要优势 9。在晋江流域中的 286个属种的浮游动物中,枝角类和桡足类分别占 13.6%和

26、 8.7%,分别有 39种和 25种 10。在四川沱江口,一年的采集中,枝角类和桡足类分别得到 41种和 26种 11。在广东省大中型水库中,无论是枯水期,还是丰水期,桡足类都在种群中占 绝大多数 12。从北到南,淡水中的甲壳类生物随温度的升高而加快生长繁殖,种 类增多。水温是影响湖泊和水库中甲壳类生物生长的重要环境因子,是影响甲壳 类生物分布的重要因子 13。尤其在南方湿热地区,温度适宜,食物充足,甲壳类 生物在水体中大量繁殖,并随着水厂对水源的取用而进入水处理流程中,导致水 处理构筑物中甲壳类生物出现暴发和泄漏现象。自从 Malloch 首次在美国爱荷华州某市的饮用水系统中发现大型无脊椎动

27、物 后 14,人们陆续在各地的管网系统中发现有无脊椎动物,英国在上世纪六七十年代在所有管网中发现包括枝角类和桡足类甲壳类生物在内的 150种无脊椎动物 15, 荷兰在上世纪九十年代在对管网的调查中发现,管网中共有 15类无脊椎动物,主 要以枝角类和桡足类甲壳类生物为主 16,我国哈尔滨市某县和吉林省舒兰市均在 自来水中发现大量剑水蚤存在 17。说明出现在观望中的无脊椎动物主要以甲壳类 生物为主,在管道中发生孳生繁殖,其原因除了管道粗糙的内壁和附着在上面的 有机物质为生物提供了孳生的场所和营养等有利条件外,更重要的原因是甲壳类 生物能够穿透水处理构筑物进入管网系统。 pH 对管网系统中无脊椎动物

28、的生长具 有重要的作用,中性 pH 值下,甲壳类数量会增多 18,在酸性条件下,甲壳类生物 的数量会减少, 说明甲壳类生物对低 pH 值的敏感度高 19, 这也是本研究中二氧化 碳去除甲壳类生物的原理之一。甲壳类生物随原水进入水处理构筑物中,经过混凝、沉淀及过滤等工艺后可 以被去除绝大部分,但是,由于甲壳类生物体型较小,具有较强的运动能力,所 以,还是会有一部分穿透水处理系统进入管网系统中。在石家庄某水厂的滤池中 发现桡足类甲壳类生物大量暴发 20。在水处理工艺中,甲壳类生物的生长会受到 物理、化学、微生物等环境条件的影响。在水处理构筑物中,环境条件可以直接 影响甲壳类生物的生长,也可以通过影

29、响甲壳类生物的食物源间接地影响甲壳类 生物的生长。 Maria 21的研究表明,平流沉淀池容易孳生摇蚊幼虫的重要原因是, 沉淀池水流平稳、水面平静,摇蚊幼虫能够在上面进行孳生繁殖。贺诗水等 22的 研究表明,温度能够影响枝角类的生殖,溶氧对枝角类数量基本没有影响。崔福 义等 23研究表明,温度、光线和溶解氧都能够影响剑水蚤生长。剑水蚤有趋避光 线的特性。崔福义等 24指出对摇蚊幼虫的孳生受到多因素的影响。 John 25指出不 同污染程度的水体中,摇蚊幼虫种类不相同,因此,摇蚊幼虫在水体中的种类情 况可以指示水体污染情况。王俊才等 26指出在摇蚊幼虫的作用下,水体底泥中氨 氮和磷酸盐得到释放,

30、氮、磷含量增加,间接地加快了水体富营养化进程。 Felder 等 27研究表明,水生植物控制食源和水质、食料控制生长和天敌抑制其生长,三 者共为影响摇蚊幼虫孽生场所的生物因素。(2 甲壳类生物的特点 饮用水深度处理工艺中的甲壳类生物主要分为桡 足类甲壳类生物和枝角类甲壳类生物。桡足类为体型较小的甲壳类动物,一般不大于 2mm 。体型窄长,有分节。虫 体较宽部分称为头胸部,较窄部分称为腹部。头部有眼点、触角和口器,个数分 别为 1个、 2对和 3对;胸部有成对胸足;腹部无腹肢。哲水蚤触角长度最长,剑 水蚤触角长度适中,猛水蚤触角长度最短,根据这一区别将桡足类分为此三类。 枝角类也是体型较小的甲壳

31、类动物,体长与桡足类基本相同。身体左右不对称,两片甲壳将躯干包于其中。头部有复眼,运动主要靠呈枝角状的第二触角 28。 桡足类甲壳类生物中,哲水蚤主要为滤食性动物,剑水蚤为三种取食方式均 有型动物,猛水蚤主要为从底层刮食性动物。枝角类主要是滤食性。三种桡足类 甲壳类生物哲水蚤、剑水蚤和猛水蚤的运动方式分别为浮荡、游泳和蠕行。哲 水蚤的运动能力最强,活动水域最广,剑水蚤和猛水蚤相比较差,既可以在宽敞 的水域运动,也可以在狭窄的空间活动 29。当饮用水中出现甲壳类生物时,会影响饮用水的感官、味觉及生物安全性等 30,因此,世界卫生组织规定饮用水中不允许出现无脊椎动物 31。可能产生的危 害有:1一

32、些体型较大的肉眼可见的甲壳类生物会让让人感觉到不适,感官不好 32。人眼能够识别两点间的最小距离约为 0.1mm ,有前面可以知道,桡足类和枝 角类的体长均长于最小距离,也就是说,当饮用水中出现一定数量的甲壳类生物 时,让用户有不适感。 2一些体型较大的甲壳类生物,如剑水蚤等,由于体壁坚 硬,对消毒药剂有一定的抵抗能力,对寄生于其体内的某些病原性微生物起到保 护作用,经过消毒工艺以后,病原性微生物会释放出来,进入管网系统中,对用 户的健康造成威胁 33。有研究表明,一个甲壳类生物成体能够携带的细菌总数可 以在 104000个的范围内 34。 Lupi 等 35发现在原水、水处理工艺及管网中的线

33、虫 体内包含有肠道细菌。 Czeczuga 36对甲壳类生物死体进行研究,发现有二十九种 真菌在其尸体上孳生。 Schallenberg 等 37研究在模拟的条件下,水蚤对一种人类病 原菌 -空肠弯曲杆菌有一定的摄食率。 Chang 等 38-40针对饮用水提取出的线虫进行 研究,发现线虫耐氯,经过氯消毒后,体内仍能检测出 100多种微生物能够存活。 充分说明了无脊椎动物帮助体内细菌躲过氯消毒的过程,起到明显的保护作用。随着湖泊、水库等水体中富营养化情况日益严重,水源中如剑水蚤、摇蚊幼 虫、两虫等无脊椎动物过度孳生,并且淘汰水体中其他生物,发展为优势种群。 这些无脊椎动物具有较强抗氧化能力,常

34、规水处理工艺(如预氧化、混凝、沉淀 和过滤等并不能有效地将其去除,并且经过水处理工艺后进入管网系统中时能 够再次生长繁殖 41。这些体形较大的肉眼可见的无脊椎动物穿透水处理构筑物泄 漏到管网系统中后,首先让用户产生了不良的感官感受,其次这些无脊椎动物可 能携带病原性微生物,如果微生物被释放出来,可能会引发突发疾病等事故 42。 目前,药剂氧化灭杀技术是国内外采用的较为普遍的除水蚤技术。常用的氧化剂有各自的优缺点:氯气因其经济、来源广泛等特点得到了广泛的应用,但是 易产生有机卤代物等副产物;臭氧因其强氧化性,能够有效去除有机物和嗅味等, 但是成本高,并且也易产生有毒副产物;高锰酸钾便于应用,但是

35、灭活效果比其 他药剂都差;二氧化氯杀灭甲壳类生物能力强,并且无有机卤代物等副产物生成, 但是成本高,需现场制备。因此,为达到灭活剑水蚤的目的,国内水厂主要采用 氯、二氧化氯预氧化 43。崔福义等 44将四种氧化剂进行了比较,得出在纯水介质 中,四种药剂灭活剑水蚤的能力为:二氧化氯最强,臭氧次之,氯较弱,高锰酸 钾。石家庄市某水厂在春季出现剑水蚤大量爆发问题,预氯氧化被改为预二氧化 氯氧化,与其他常规工艺相结合,有效低去除了水中剑水蚤,控制了剑水蚤的暴 发。同时,预投二氧化氯后,有机卤代物的种类和含量显著减少了,降低了副产 物对水质的影响,有效地提高了饮用水的安全性 45。一些研究人员也对使用二

36、氧 化氯去除无脊椎动物进行了广泛的研究。赵志伟等 46针对剑水蚤的杀灭效果,将 氯气和二氧化氯进行对比,二氧化氯比氯气灭活速率更快,并且预在混凝沉淀前 增加二氧化氯预氧化,可以将剑水蚤全部灭活。吴明松等 47利用二氧化氯来杀灭 隐孢子虫卵囊,利用二氧化氯可以在低投加量下,很短时间内将其完全灭活,并 且,二氧化氯能够穿透卵囊外壳,进入卵囊内部将其杀死。虽然,氯的灭活效果 不如二氧化氯,但是由于其经济、来源广泛等特点,仍为国内水厂的主要氧化剂。 苏洪涛等 48研究表明,充分利用水泵站与水厂之间的距离,保证接触时间,低量 投加氯仍能起到灭活剑水蚤的效果。国外公司为控制甲壳类生物的孳生,采用向 输水管

37、道中连续投加氯气的方法 49。有前面的研究可以知道,低量投加氯气不能 保证过高的剑水蚤的灭活率,而且增加投加量即提高了药耗,更重要的是产生了 有毒副产物。种种结论表明使用氯气氧化还不是最安全有效的灭蚤方法。综上分 析,传统工艺中用氯作为氧化剂无法达到有效灭除无脊椎动物的目的,同时还会 产生副产物,所以,我们应该致力于研究开发灭除效率高、经济、安全的新型氧 化剂来替代氯或者和氯连用。在本课题的前期研究中,在纯水介质中,二氧化碳 对甲壳类生物有明显的灭活效果,并且二氧化碳具有高效性、低残留、无副产物 等优点。除了药剂氧化灭杀技术,国内外的水厂通过对常规水处理工艺的进行改进来 去除无脊椎动物或者防止

38、无脊椎动物泄漏。原水中的无脊椎动物进入水处理系统 后,混凝、沉淀、过滤等工艺对无脊椎动物具有不同程度的去除效果,去除效果 与水处理设施的运行效果密切相关 50,同时也取决于无脊椎动物的的形状、大小 和运动能力 51。目前,通过工艺改进去除甲壳类生物的适宜方法有:1降低滤料 的粒径; 2调整滤料来降低滤料的间隙并形成表面过滤; 3使浮游动物失去活性,即投加化学药剂灭活甲壳类生物,降低活体率 52。其他的控制技术有物理控制技术和生物操控技术等。目前国内外常采用紫外 线、超声波、气浮等技术灭活或者去除甲壳类生物, French 等 53认为在同样条件 下,相比于沉淀,气浮对隐孢子虫的去除效果更好。邝

39、璐等 54在研究过程中发现, 超滤膜能够将反冲洗中的“两虫”完全拦截住,由此可以知道,膜技术对比两虫 体型更大的甲壳类生物会有更好的拦截效果,但是膜的成本较高,使用时仍需进 行经济比较。也有研究表明,封闭缺氧法对生长在输水管道中的淡水贝类有很好 的去除 55。林涛等 56研究表明,通过滤食性鱼类对桡足类甲壳类生物的摄食,能 够有效地控制甲壳类生物的孳生,为甲壳类生物大量孳生的问题开创了新的思路。 利用生物控制无脊椎动物的方法较化学防治更环保,对饮用水水质的影响小,受 到研究人员的青睐。但生物间相互作用的关系复杂,实际使用效果通常不理想, 易受外界环境的影响,还需要深入研究。1.3 研究的目的和

40、意义结合以上所阐述的臭氧活性炭工艺相关的生物安全问题,本课题确定主要研 究的目的如下:(1根据前期调研和研究结果,提出增加砂垫层、加接快砂滤池和炭砂倒置 三种工艺改进方案,研究工艺改进对甲壳类生物的拦截效果,以及三种工艺最佳 运行参数。(2在前期研究的基础上,研究二氧化碳在中试条件下对甲壳类生物的灭活 效果,确定二氧化碳灭活技术在实际生产中的可行性,以及最佳运行参数。 由于国内对 O 3/BAC工艺的生物安全问题的研究不多, 本研究加深了国内在该 领域的研究内容, 提高研究人员对 O 3/BAC工艺生物安全问题的重视, 同时本研究 也对甲壳类生物泄露的控制方法进行研究,使其能应用于水厂实际生产

41、中,因此, 本研究具有一定的理论意义和实际意义。1.4 技术路线本课题的技术路线如图 1-1所示。 图 1-1 技术路线图第 2章 试验材料与方法2.1 试验材料二氧化碳灭活甲壳类生物中试试验中,制备二氧化碳溶液有两种选择:利用 两种药剂反应生成二氧化碳和直接投加二氧化碳气体。两种方式都能够在水中形 成二氧化碳溶液,达到二氧化碳灭活甲壳类生物的目的。两种药剂具有各自的优 缺点,具体见表 2-1。考虑到药剂反应生成二氧化碳方式存在投加流程复杂、对投 加装置要求高、操作麻烦等缺点,选择二氧化碳气体作为中试试验投加药剂。表 2-1 药剂反应与投加气体两种方式优缺点比较优点 缺点药剂反 应生成 二氧化

42、 碳 酸、 碱药剂接触反应, 能够制备高浓度二氧化碳溶液,直接作用于生物表面,降低活性炭对二氧化碳的吸附, 具有高效灭活效果。1. 流程复杂, 操作麻烦, 对水厂原有投 加设备改动大; 2. 投加酸不当, 会降低 出水 pH ; 3. 药剂费用高; 4. 酸药剂储 藏不便,存在安全隐患。直接投 加二氧 化碳气 体 1. 流程简单,操作方便,对水厂原有投加设备改动小; 2. 气罐储气,储藏方便。二氧化碳气体在投加过程中会被活性 炭大量吸附,制备二氧化碳浓度低,不 能直接作用于生物表面,浪费二氧化碳 气体(1 工艺改进中试装置进水 方案一和方案二的装置进水均采用 B 水厂砂 滤池出水经主臭氧氧化后

43、水,由于臭氧氧化后分解为氧气,原水中溶解氧含量高, 方案三的装置进水采用 863中试基地中沉淀池出水, 进水水质如表 2-2和表 2-3所 示。(2 二氧化碳灭活甲壳类生物中试装置进水 试验装置进水为 B 水厂经主 臭氧氧化后水,与方案一和方案二水源一致,进水水质见表 2-2。表 2-2 方案一和方案二进水水质参数 水温 ( pH 浊度(NTU 溶解氧 (mg/L COD Mn(mg O2/L 余氯(mg/L 范围 13.9-31.3 7.41-9.56 0.11-0.79 4.7-11.0 0.72-2.31 0.07-0.80 平均值25.38.480.27.641.270.27表 2-3

44、 方案三进水水质参数 水温( pH 浊度(NTU 溶解氧 (mg/L COD Mn (mgO 2/L 范围 11.1-31.4 7.05-9.31 0.81-3.08 4.9-10.98 0.63-2.51 平均值26.17.451.766.411.512.2 试验装置及方法(1 工艺改进方案流程图 三种方案针对生物活性炭滤池进行一定改进, 其中方案一是“采用双层滤料的生物活性炭滤池工艺”,在生物活性炭滤池中, 在炭层下增加石英砂垫层,方案二是“生物活性炭滤池加接快滤池工艺”,在生 物活性炭滤池后增加一个石英砂滤池,作为快砂滤池,方案三是“将生物活性炭 滤池和砂滤池倒置工艺”,调整工艺流程,将

45、生物活性炭滤池与砂滤池进行倒置, 具体改进流程图如图 2-1、图 2-2和图 2-3所示。 图 2-1 采用双层滤料的生物活性炭滤池工艺 图 2-2 生物活性炭滤池加接快滤池工艺 图 2-3 将生物活性炭滤池和砂滤池倒置工艺(2 滤柱参数 三种工艺改进方案中试装置是材质为有机玻璃的圆柱形滤 柱,具体参数如表 2-4、表 2-5和表 2-6所示。表 2-4 采用双层滤料的生物活性炭滤池工艺滤柱参数装置参数 1# 2# 3# 4# 5# 颗粒炭粒径(mm 0.9-1.1颗粒炭形状 破碎炭试验柱直径(m 0.2柱高(m 2.6炭层厚度(m 1.5砂垫层高度(mm 0 200 300 500 500

46、石英砂级配(mm - 0.6-1.0 0.9-1.2 承托层高度(mm 100承托层粒径(mm 3-12表 2-5 生物活性炭滤池加接快滤池工艺装置参数 8#、 9# 10#颗粒炭粒径 (mm 0.9-1.1颗粒炭形状 破碎炭试验柱直径 (m 0.2柱高 (m 2.6炭层厚度 (m 1.5 -砂垫层高度 (mm 0 700石英砂级配 (mm 0.6-1.0承托层高度 (mm 100承托层粒径 (mm 3-12表 2-6 将生物活性炭滤池和砂滤池倒置工艺滤柱参数装置参数 11# 12#颗粒炭粒径(mm 0.9-1.1颗粒炭形状 破碎炭试验柱直径(m 0.2柱高(m 2.6炭层厚度(m 1.5 -

47、砂垫层高度(mm 200 1500石英砂级配(mm 0.6-1.0承托层高度(mm 100承托层粒径(mm 3-12(1 中试试验装置图 二氧化碳灭活甲壳类生物中试试验装置如图 2-4所 示。二氧化碳气体由气瓶 1提供,减压阀 2控制气瓶输出二氧化碳气体的压力, 气体流量计 3能够调节二氧化碳气体的流量,砂滤后水 6经由反冲泵 5提升,为 滤柱 14提供反冲水和为水射器 8提供高压水, 7为压力表,显示进入水射器的高 压水的压力,滤柱进水 9的水源为 B 水厂主臭氧后水,经液体流量计 10控制进水流量, 11为滤柱的反冲气管,气源为空压机提供的空气, 12为滤柱出水,由球阀 控制出水流量, 1

48、3为滤柱的溢流管,主要作用为溢流及反冲过程中收集反冲水中 的甲壳类生物。7141312116851043211. 二氧化碳瓶; 2. 减压阀; 3. 气体流量计; 4. 液体流量计; 5. 反冲泵; 6. 砂滤后水; 7. 压力表;8. 水射器; 9. 滤柱进水; 10. 液体流量计; 11. 反冲气管; 12. 滤柱出水; 13. 溢流管; 14. 滤柱图 2-4 二氧化碳灭活甲壳类生物装置图(2 试验装置规格及运行参数 二氧化碳灭活甲壳类生物中试试验装置为 4根臭氧 -生物活性炭滤柱,编号分别为 1#4#。每根滤柱柱高 2.5m ,内径 0.15m , 其中编号为 1#3#的滤柱中装填活性

49、炭,填充活性炭粒径与 B 水厂所用破碎炭相 同,炭层厚度均为 1.2m ,为生物膜和甲壳类生物的生长营造与水厂相同的环境条 件,编号为 4#的滤柱中不装填活性炭,为空柱,用于空柱投加二氧化碳气体的试 验,确定二氧化碳气体的投加量。承托层分大小粒径两层,目的布水均匀。其中 小粒径为石英砂, 层高为 200mm , 粒径为 36mm, 大粒径为鹅卵石, 层高为 100mm , 粒径为 612mm。滤柱炭层部分设 6个炭取样口,每个取炭口之间间隔 20cm ,用于反冲过程中 对各炭层中水样及炭样的取样。 4根滤柱在距离滤柱顶端 10cm 处均设置了溢流管, 用于控制滤柱中水位,及反冲过程中排除反冲水

50、、收集甲壳类生物等作用。滤柱 设置有 1根气反冲洗管和 2个水反冲洗管,气反冲洗管用于连通来自空压机的空气,对滤柱进行气冲, 1个水反冲洗管直接连接反冲洗泵,用于对滤柱进行水冲, 另 1个水冲洗管连接水射器,用于投加二氧化碳气体,模拟水厂实际运行工艺情 况研究投药、反冲对甲壳类生物的影响。4根臭氧 -生物活性炭滤柱的滤速为 10m/h, 模拟水厂实际运行工艺参数, 目的 是在炭层中为生物膜、甲壳类生物营造和水厂相近的生长环境。(3 确定二氧化碳气体投加装置 B 水厂是深圳市的一座重要的水厂,其 26万 m 3/d的“臭氧氧化 -生物活性炭过滤”深度处理工艺于 2006年建成并投产运 行。运行结

51、果表明,该工艺对水厂的供水水质起到了显著的改善作用,如浊度的 控制有所加强、色嗅味去除效果显著、有机物去除效率大大提高等。但随着深度处理工艺运行时间的延长,净水系统中甲壳类生物孳生和污染风 险逐渐开始显露,特别是生物活性炭滤池,由于溶解氧浓度相对较高,炭床内部 生物膜丰富,为甲壳类生物的大量孳生提供了条件。根据长期监测数据显示,每 年 7月到 10月,水厂生物活性炭滤池均出现甲壳类生物大量爆发的现象,因此, B 水厂采用加氯反冲的方法灭活甲壳类生物。 B 水厂在反冲水管上安装了水射器投 加装置,具体投加流程见图 2-5,利用水射器将液氯溶于反冲水中,在反冲的过程 中,使氯与炭层中甲壳类生物进行

52、充分的接触,达到杀死并驱赶甲壳类生物的目 的,同时,增加反冲次数,将甲壳类生物的死体带出滤池,达到降低生物活性炭 滤池中甲壳类生物数量的目的。考虑二氧化碳灭活甲壳类生物技术将应用在实际水厂运行中,所以,计划在 水厂原有的投加氯的水射器基础上,对装置进行改装,利用水射器将二氧化碳气 体投加到反冲水中,从而完成加二氧化碳反冲洗的过程。本装置中,二氧化碳的 投加方式确定为在反冲洗水管上安装水射器,利用高速的流体产生的负压将二氧 化碳吸入到水流管段,达到溶解二氧化碳的目的。实验中所使用的药剂投加装置为水射器,是由北京春秋鼎盛环保科技有限公 司生产的型号为 SSQ-0.05小水射器,具体参数见表 2-7

53、。表 2-7 水射器性能表型号冲射水进水压力冲射水流量溶液提升流量混合液流量混合液输出压力孔口比值(R 进口出 口 直径SSQ-0.05 0.25MPa 0.114L/s 0.05L/s 0.164L/s 0.10MPa 0.46 25图 2-5 B水厂利用水射器投加氯反冲工艺流程图2.3 检测方法本试验采用的检测方法均按照水和废水分析检测方法(第四版 进行,主 要检测指标及方法如表 2-8所示。表 2-8 检测指标及方法编号 检测指标 检测方法 编号 检测指标 检测方法1 COD Mn 酸性法 7 DO 便携式溶氧仪法2 NO 3-N 紫外分光光度法 8 浊度 便携式浊度计法3 NH 3-N

54、 纳氏试剂光度法 9 余氯 便携式余氯仪法4 TN 紫外分光光度法 10 游离二氧化碳 酚酞指示剂滴定法5 pH 便携式 pH 计法 11 甲壳类生物总量 光学显微镜法6 温度 水温计法 12 甲壳类生物密度 光学显微镜法 第 3章 工艺改进对甲壳类生物试验效果的研究 3.1 引言在 “ 原水及饮用水中甲壳类生物污染防治技术 ” 的研究中, 对甲壳类动物在水处 理系统中的迁移和去除情况的调查和分析数据显示:经过常规处理后,绝大多数 的甲壳类生物被去除掉,砂滤后水中检出甲壳类生物成体的几率很小,与砂滤池 相比,以梅林水厂为例,炭滤后水中甲壳类生物总密度和活体数量均显著上升, 尤其是轮虫的数量增长

55、了 23倍,且无节幼体和猛水蚤的种群优势更突出。另外, 滤砂粒径对甲壳类成体的去除效果分析结果显示, 粒径为 0.4mm1.2mm的石英砂 滤料可以很好的去除甲壳类生物成体,且随着滤料粒径的减小,截留率层略微上 升趋势。研究表明,生物活性炭滤池出水甲壳类生物的总数比砂滤池有明显的提高, 一方面证明了活性炭滤池是甲壳类生物再次孳生的有利场所,另一方面可以看出 砂滤可以很好的拦截甲壳类生物。所以为了有效地控制出水中甲壳类生物数量, 一方面要采取有效的措施抑制甲壳类生物在活性炭滤池中的大量孳生,另一方面 可以考虑借助砂滤的拦截,来控制出厂水中的甲壳类生物数量。考虑到现有臭氧 生物活性炭水厂运行情况及

56、常规处理工艺水厂的升级改造,现提出炭层下增加砂 垫层、炭池后加接快砂滤池和炭砂池倒置三种方案进行实验研究,以期望对生物 活性炭池出水中甲壳类生物具有更好的去除效果,保障饮用水水质的生物安全性。3.2 工艺改进对甲壳类生物控制效果的研究在一年的时间内,砂垫层高度分别为 0mm 、 200mm 、 300mm 和 500mm 的滤 柱出水中桡足类无节幼体丰度随时间的变化如图 3-1所示。由图 3-1可以看出, 以一年为周期, 随着温度等环境因素的变化, 无砂垫层的 滤柱出水中, 桡足类无节幼体的丰度出现过两次较大峰值 , 最高可以达到 1000ind./m3,出现几次小峰值,超过 100ind./

57、m3; 200mm 砂垫层的滤柱出水中,桡 足类无节幼体的丰度出现过一次较大的高峰,达到 1677ind./m3, 出现几次小峰值, 超过 100ind./m3; 300mm 砂垫层的滤柱出水中,桡足类无节幼体的丰度没有出现 较 大 的 峰 值 , 仅 出 现 几 次 较 小 峰 值 , 最 高 达 到 272ind./m3, 峰 值 在100ind./m3200ind./m3之间波动; 500mm 砂垫层的滤柱出水中, 桡足类无节幼体的 丰度没有出现峰值,一年的丰度值均保持在 50ind./m3以下。桡足类无节幼体的体 长一般为 180220 m ,体型较小,当在适宜的环境下,炭池中桡足类无

58、节幼体出 现大量滋生时,体型小的桡足类无节幼体会随着水流穿透炭层,进入清水池,发 生泄漏。由上面的数据可以看出,随着砂垫层厚度的增加,滤柱出水中桡足类无 节幼体的丰度出现峰值的次数减少,并且峰值也随之减小,说明砂垫层可以对滤 柱出水中桡足类无节幼体起到拦截的作用,并且砂垫层的厚度越高,拦截效果越 明显。相比于 200mm 和 300mm 砂垫层, 500mm 砂垫层的滤柱出水中,桡足类无 节幼体的丰度全年都被控制在 50ind./m3以下,说明,对于体型较小的桡足类无节 幼体, 500mm 的砂垫层能完全地起到拦截作用。 丰 度 (i n d /m 3时 间(天图 3-1 不同砂垫层高度下,滤柱出水中桡足类无节幼体丰度随时间的变化在一年的时间内,砂垫层高度分别为 0mm 、 200mm 、 300mm 和 500mm 的滤 柱出水中猛水蚤丰