引黄水库水生物预处理技术中试研究：工艺优化与效果评估

引黄水库水生物预处理技术中试研究：工艺优化与效果评估一、引言1.1研究背景与意义水是生命之源，是人类社会赖以生存和发展的基础资源。随着工业化、城市化进程的加速，水资源短缺和水污染问题日益严峻，成为全球关注的焦点。在中国，引黄水库作为重要的饮用水水源地，为众多城市和地区提供了关键的供水保障，其水质安全直接关系到人民群众的身体健康和社会经济的可持续发展。引黄水库的水源主要来自黄河水，黄河水由于流经区域广，沿途接纳了大量的工业废水、生活污水以及农业面源污染，导致其水质状况复杂，含有多种污染物，如有机物、氨氮、重金属、微生物等。这些污染物不仅会影响水的感官性状，如产生异味、异色、浑浊等，还可能对人体健康造成潜在威胁，长期饮用受污染的水可能引发各种疾病，如消化系统疾病、癌症等。传统的饮用水处理工艺主要包括混凝、沉淀、过滤和消毒等常规步骤，对于去除水中的悬浮物、胶体和部分微生物等具有一定的效果。然而，面对日益复杂的水源水质，传统工艺逐渐暴露出其局限性。例如，对于溶解性有机物、氨氮等污染物的去除效果有限，难以满足日益严格的饮用水水质标准。在这种背景下，水生物预处理技术应运而生，成为解决引黄水库水质问题的重要研究方向。水生物预处理技术是利用微生物、水生植物等生物的代谢作用，对水中的污染物进行分解、转化和去除，从而改善水质的一种新型水处理技术。该技术具有高效、环保、节能等优点，能够在降低污染物浓度的同时，减少化学药剂的使用，降低处理成本和环境负荷。通过微生物的代谢活动，将水中的有机物分解为二氧化碳和水，将氨氮转化为硝酸盐等无害物质，不仅提高了水的可生化性，还为后续的常规处理工艺创造了有利条件。此外，水生物预处理技术还能够增加水中的溶解氧含量，改善水体的生态环境，促进水体的自净能力。本研究旨在深入探究引黄水库水生物预处理技术，通过中试试验，系统地研究不同生物预处理工艺的运行特性、处理效果及其影响因素，为引黄水库的水质改善和饮用水处理提供科学依据和技术支持。这不仅有助于提高引黄水库的供水质量，保障人民群众的饮水安全，还对推动水资源的可持续利用和水环境保护具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状在国外，水生物预处理技术的研究起步较早，发展较为成熟。早在20世纪70年代，欧美等发达国家就开始关注利用生物膜法处理微污染水源水，通过在反应器内填充特定的填料，使微生物附着生长形成生物膜，利用生物膜上微生物的代谢活动对水中污染物进行去除。例如，生物接触氧化法在处理含有机物和氨氮的微污染水时展现出良好的效果，能够有效降低水中污染物浓度，提高水的可生化性。曝气生物滤池（BAF）是国外应用较为广泛的一种生物预处理技术，它将生物氧化和过滤相结合，具有占地面积小、处理效率高、出水水质好等优点。在法国、德国等国家，BAF被大量应用于城市污水和微污染水源水的处理中，通过优化滤料选择、气水比控制等运行参数，进一步提高了其处理效果和稳定性。在水生植物净化水体方面，国外也开展了大量研究。例如，利用凤眼莲、芦苇等水生植物构建人工湿地系统，用于处理污水和改善水体生态环境。这些水生植物能够吸收水中的氮、磷等营养物质，同时通过根系的吸附和微生物的作用，去除水中的有机物和重金属等污染物。美国佛罗里达州的一些城市利用人工湿地处理城市污水和农业面源污染，取得了显著的环境效益和经济效益。国内对于水生物预处理技术的研究始于20世纪80年代，随着对水资源保护和水质要求的不断提高，相关研究逐渐深入。在生物膜法方面，国内学者对各种新型填料和反应器构型进行了研究和开发。例如，研发出的弹性立体填料，具有比表面积大、挂膜容易、不易堵塞等优点，在实际工程应用中取得了较好的效果。对于曝气生物流化池（ABFT）的研究也取得了一定成果。通过优化水力条件、曝气强度和填料特性等参数，提高了ABFT对氨氮、有机物等污染物的去除效率。有研究表明，在适宜的运行条件下，ABFT对氨氮的去除率可达到80%以上。在利用水生植物净化引黄水库水方面，国内也有诸多实践。如在一些引黄水库周边构建人工湿地，种植菖蒲、香蒲等水生植物，对入库水进行预处理，有效降低了水中的污染物含量，改善了水库水质。尽管国内外在水生物预处理技术方面取得了一定的研究成果，但针对引黄水库水的特殊水质特点，仍存在一些研究不足与空白。引黄水库水的污染物成分复杂，除了常见的有机物、氨氮外，还含有大量的泥沙、胶体以及特殊的污染物，如黄河流域特有的矿物质和微量元素等，目前对于这些特殊污染物在水生物预处理过程中的去除机制和效果研究还不够深入。不同地区引黄水库的水质和水量存在较大差异，现有的水生物预处理技术在不同水质条件下的适应性和优化运行参数研究还不够系统，缺乏针对性的技术方案。在水生物预处理技术与后续常规处理工艺的协同优化方面，研究也相对较少，如何实现两者的高效衔接，进一步提高饮用水处理的整体效果和经济性，有待进一步探索。1.3研究目标与内容本研究旨在通过中试试验，深入探究曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）这两种水生物预处理技术在引黄水库水处理中的应用效果及优化条件，为实际工程应用提供科学依据和技术支持。具体研究内容如下：水力条件优化：通过改变水力停留时间（HRT）、曝气强度、气水比等参数，研究不同水力条件对ABFT和BAF处理效果的影响。确定在不同水温条件下，ABFT和BAF的最优水力停留时间和曝气强度，以及合适的气水比，以提高对氨氮、化学需氧量（CODMn）、浊度等污染物的去除效率。填料比选：选取多种不同类型、材质和规格的填料，如LT-100型球型填料、LT-50型柱形填料以及不同粒径的火山岩填料等。在ABFT和BAF中分别装填不同的填料，研究填料的流化程度、比表面积、挂膜性能等对处理效果的影响。通过对比分析，优选出在中试试验条件下，ABFT和BAF各自的最佳填料及最佳填充率，以增强微生物的附着生长和代谢活性，提高处理效率。温度影响及低温优化运行：监测不同水温条件下ABFT和BAF中微生物的代谢活性，包括异养菌和硝化菌的活性变化。研究温度对ABFT和BAF处理效果的影响规律，分析在低温（如小于5℃）条件下，微生物活性受到抑制的原因及程度。通过调整运行参数，如延长水力停留时间、增加曝气强度等，探索ABFT和BAF在低温期的最优运行工况，以保障在低温环境下仍能维持较好的处理效果。磷和氨氮浓度对硝化作用的影响：控制进水中磷和氨氮的浓度，研究不同浓度组合对ABFT和BAF中硝化作用的影响。分析进水中较低的磷浓度对ABFT和BAF去除氨氮效果的限制作用，确定在不同氨氮浓度下，满足高效硝化作用所需的最低磷浓度。通过实验数据，建立磷浓度与氨氮去除率之间的关系模型，为实际运行中合理控制进水水质提供参考依据。生物处理对水混凝效果的影响：对比原水直接混凝与经ABFT、BAF生物预处理后再混凝的处理效果，分析生物处理对水中有机物（如CODMn、TOC）、紫外线吸光度（UV254）等指标的去除效果以及对后续混凝工艺的影响。研究生物预处理出水中投加不同浓度混凝剂时，对CODMn、TOC、UV254的去除率变化情况，确定生物预处理后混凝剂的最佳投加量。评估生物预处理与混凝工艺的协同作用，分析生物预处理如何改善水的混凝性能，减小后续混凝工艺混凝剂的投加量，降低处理成本并减小环境负荷。1.4研究方法与技术路线1.4.1研究方法中试试验法：搭建曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）中试装置，模拟实际工程运行条件。通过改变水力停留时间（HRT）、曝气强度、气水比、填料类型及填充率等运行参数，对引黄水库微污染水进行生物预处理试验。定期采集进出水水样，分析水中氨氮、化学需氧量（CODMn）、浊度、磷等污染物指标的变化，研究不同工艺条件下的处理效果。对比分析法：对比ABFT和BAF在相同进水水质和运行条件下的处理效果，分析两种工艺对不同污染物的去除能力差异。在研究填料比选、温度影响、磷和氨氮浓度对硝化作用的影响等内容时，设置多组对比试验，分别控制单一变量，对比不同条件下的处理效果，从而确定各因素对处理效果的影响规律和最佳运行参数。例如，在研究填料比选时，分别在ABFT和BAF中装填不同类型和规格的填料，在相同的水力条件和进水水质下运行，对比不同填料对微生物附着生长、流化程度以及对污染物去除效果的影响。微生物分析法：采用微生物培养、计数等方法，分析ABFT和BAF中微生物的种类、数量及活性变化。在不同水温条件下，测定异养菌和硝化菌的活性，研究温度对微生物代谢活性的影响。通过分析微生物在不同运行条件下的变化情况，深入探讨生物预处理过程中微生物的作用机制以及处理效果变化的内在原因。数理统计法：运用数理统计方法对试验数据进行处理和分析，包括数据的整理、计算平均值、标准差等统计参数。通过相关性分析、方差分析等方法，研究各运行参数与处理效果之间的相关性和显著性差异，建立相应的数学模型，为工艺优化和实际工程应用提供科学依据。例如，通过建立磷浓度与氨氮去除率之间的关系模型，准确描述两者之间的定量关系，指导实际运行中对进水磷浓度的控制。1.4.2技术路线本研究的技术路线如图1-1所示：前期准备：收集引黄水库的水质资料，包括常规水质指标、污染物成分及浓度等。根据水质特点和研究目标，设计并搭建ABFT和BAF中试试验装置，准备试验所需的仪器设备、药剂和材料。确定试验的运行参数范围，如HRT、曝气强度、气水比等，并制定详细的试验方案和数据监测计划。中试试验：按照试验方案，启动ABFT和BAF中试装置，对引黄水库微污染水进行生物预处理试验。在试验过程中，逐步改变运行参数，分别研究水力条件优化、填料比选、温度影响及低温优化运行、磷和氨氮浓度对硝化作用的影响等内容。定期采集进出水水样，利用化学分析方法和仪器设备，测定水中氨氮、CODMn、浊度、磷等污染物指标以及微生物活性指标。同时，记录试验过程中的运行数据，如水温、气量、水量等。数据分析与处理：对试验过程中获得的大量数据进行整理和分析，运用数理统计方法和相关软件，研究各运行参数对处理效果的影响规律。通过对比分析，确定ABFT和BAF在不同工况下的最佳运行参数和工艺条件。建立各因素与处理效果之间的数学模型，对模型进行验证和优化，提高模型的准确性和可靠性。结果讨论与总结：根据数据分析结果，深入讨论ABFT和BAF在引黄水库水生物预处理中的处理效果、作用机制以及存在的问题。对比两种工艺的优缺点，评估其在实际工程应用中的可行性和适用性。总结研究成果，提出针对引黄水库水生物预处理的优化建议和技术方案，为实际工程应用提供科学依据和技术支持。最后，对研究过程中存在的不足进行反思，展望未来的研究方向。二、引黄水库水质特征及预处理技术原理2.1引黄水库水质现状分析以济南地区引黄水库为例，其水质呈现出显著的季节性变化特征，且含有多种污染物，对饮用水安全构成潜在威胁。在季节性变化方面，夏季和秋季，由于气温较高，光照充足，水库水体中的藻类大量繁殖，导致水质呈现高藻、高浊度的特点。藻类的过度生长不仅会使水的浊度增加，影响水的感官性状，还会消耗水中的溶解氧，导致水体缺氧，进而引发其他水质问题。同时，藻类在代谢过程中会产生一些有机物和异味物质，进一步影响水质。冬季则呈现低温低浊的状态，水温降低，微生物活性减弱，水体的自净能力下降，一些污染物容易在水中积累。在污染物指标方面，有机物污染较为严重。原水中化学需氧量（CODMn）在2.34-4.69mg/L之间，平均值为3.41mg/L。这些有机物来源广泛，包括黄河上游地区的工业废水、生活污水排放，以及农业面源污染等。其中，工业废水中可能含有各种有机化合物，如苯、酚、醛等；生活污水中则含有大量的碳水化合物、蛋白质、油脂等有机物；农业面源污染主要来自农药、化肥的使用，以及畜禽养殖废水的排放，这些有机物进入水库后，会增加水体的有机负荷，影响水质。氨氮含量虽然相对较低，浓度范围为0.109-0.422mg/L，但仍不容忽视。氨氮主要来源于农业氮肥的流失、畜禽养殖废水以及生活污水中的含氮有机物的分解。在适宜的条件下，氨氮会被微生物转化为亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐具有一定的毒性，长期饮用含有亚硝酸盐的水可能会对人体健康造成危害。此外，引黄水库原水还具有低浊度、有机污染和含藻类的特性。原水中固体颗粒物分布表明，悬浮固体颗粒物中以粒径10μm以下的颗粒物为主，粒径为1-10μm的颗粒物，占到颗粒总数的99.5%以上。这些细小的颗粒物不仅会增加水的浊度，还可能吸附和携带其他污染物，如有机物、重金属等，进一步加重水质污染。2.2水生物预处理技术原理阐述曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）是两种重要的水生物预处理技术，它们在利用微生物降解污染物方面具有独特的工作原理。曝气生物流化池（ABFT）是在传统活性污泥法和生物膜法的基础上发展起来的一种高效生物处理技术。其核心原理是通过向反应器内通入空气，使填充在池内的填料处于流化状态。在流化过程中，微生物能够均匀地分布在填料表面，形成生物膜。当引黄水库微污染水进入ABFT时，水中的污染物首先被生物膜吸附。微生物通过自身的代谢活动，将吸附的有机物分解为二氧化碳和水等无害物质。对于氨氮，硝化细菌在有氧条件下将氨氮氧化为亚硝酸盐，再进一步氧化为硝酸盐。ABFT中的流化状态增加了微生物与污染物的接触面积和接触时间，提高了传质效率，使得微生物能够更有效地摄取污染物进行代谢，从而增强了对污染物的去除能力。此外，曝气提供的溶解氧能够满足微生物好氧代谢的需求，保证了生物处理过程的顺利进行。曝气生物滤池（BAF）则是将生物氧化和过滤相结合的一种技术。它的工作原理主要基于生物降解、曝气和滤料三个关键要素。生物降解是BAF的核心，当引黄水库水进入滤池后，水中的有机物被微生物吸附并附着在滤料表面。微生物通过分泌各种酶类，将复杂的有机物分解为简单的无机物和水。例如，异养微生物利用有机物作为碳源和能源，进行生长和繁殖，在这个过程中，有机物被氧化分解。曝气是BAF运行的重要环节，通过向滤料中通入空气，形成气泡。气泡在滤料之间上升时，一方面将废水中的有机物和氨氮气化，另一方面为微生物提供呼吸作用所需的氧气。同时，气泡的运动使滤料颗粒保持松散状态，增加了废水与滤料的接触面积，提高了废水的处理效率。滤料在BAF中起到载体的作用，它为微生物提供了生长的场所和附着面。常见的滤料有石英砂、活性炭、陶粒等。滤料的比表面积越大，微生物的附着量就越多，降解效果也就越好。此外，滤料还能够过滤废水中的悬浮物，减少后续处理工序的负担。在BAF的运行过程中，随着微生物的生长和代谢，生物膜逐渐增厚，当生物膜达到一定厚度时，会影响处理效果，此时需要进行反冲洗，以去除老化的生物膜，保证滤池的正常运行。2.3常见预处理技术对比在水生物预处理技术领域，除了本研究重点关注的曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）外，生物接触氧化法、生物转盘法等也是较为常见的技术。这些技术在原理、处理效果、运行成本等方面存在差异。生物接触氧化法是一种兼有活性污泥法和生物膜法特点的废水生化处理方法。在该方法中，曝气池内装填有焦炭、砂石、塑料蜂窝等填料，填料被水浸没，通过鼓风机在填料底部曝气充氧。空气自下而上夹带待处理的废水通过填料部分，活性污泥附着在填料表面，生物膜直接受到上升气流的强烈搅动而不断更新，从而提高净化效果。生物接触氧化法具有处理时间短、体积小、净化效果好、出水水质好且稳定、污泥不需回流也不易膨胀、耗电小等优点。然而，其也存在一些局限性。例如，生物接触氧化法系统组成需要有初沉池和二沉池，一般常采用接触沉淀池，处理流程相对复杂。在处理高浓度有机废水时，可能会出现生物膜脱落严重的问题，影响处理效果。而且，生物接触氧化法所需要的气水比较高，通常在20-30：1，这意味着其运行成本相对较高。生物转盘法是利用转动的盘片作为微生物附着生长的载体，废水在流动过程中，盘片上的生物膜与废水充分接触，微生物分解废水中的有机物，从而达到净化水质的目的。生物转盘法具有耐冲击负荷能力强、污泥产量低、运行管理简单等优点。但是，生物转盘法占地面积较大，设备投资较高，且在寒冷地区，低温可能会对微生物活性产生较大影响，导致处理效果下降。与生物接触氧化法和生物转盘法相比，本研究选用的ABFT和BAF具有独特的优势。ABFT的流化状态使得微生物与污染物的接触更加充分，传质效率更高。在处理相同水质的废水时，ABFT能够在较短的水力停留时间内达到较好的处理效果。同时，ABFT对高浓度污染物的适应能力较强，不易出现生物膜脱落等问题。BAF则将生物氧化和过滤相结合，不仅能够有效去除有机物和氨氮等污染物，还具有过滤悬浮物的功能，出水水质较好。而且，BAF的占地面积相对较小，可节省土地资源。在运行成本方面，BAF所需的气水比一般在10-6：1，低于生物接触氧化法，运行成本相对较低。此外，BAF的自动化程度较高，运行管理相对简便。三、中试试验设计与装置搭建3.1中试试验方案制定本研究分别采用曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）对引黄水库微污染水进行预处理中试试验。在试验中，严格控制变量，以确保试验结果的准确性和可靠性。3.1.1曝气生物流化池试验方案ABFT试验装置的有效容积为5m³，采用不锈钢材质制成，内部填充特定的填料。试验设置了3个不同的水力停留时间（HRT）梯度，分别为40min、60min和80min，以研究HRT对处理效果的影响。曝气强度设置为2.0m³/（m²・h）、2.7m³/（m²・h）和3.4m³/（m²・h）三个水平，通过调节曝气风机的风量来实现不同的曝气强度。气水比设置为0.4：1、0.6：1和0.8：1。在每个工况下，稳定运行7-10天，待系统达到稳定状态后，每天采集进出水水样进行分析。3.1.2曝气生物滤池试验方案BAF试验装置的有效容积为4m³，滤池内装填不同类型的滤料。滤速设置为5.0m/h、6.4m/h和7.8m/h，通过调节进水流量来控制滤速。曝气强度设置为2.5m³/（m²・h）、3.2m³/（m²・h）和3.9m³/（m²・h）。气水比设置为0.3：1、0.5：1和0.7：1。同样，在每个工况下稳定运行7-10天，然后进行水样采集和分析。3.1.3填料比选试验方案对于ABFT，选取了LT-100型球型填料和LT-50型柱形填料，分别设置30%和50%的填充率，对比不同填料类型和填充率下的流化程度、挂膜性能及处理效果。对于BAF，选用粒径为1-3mm、3-5mm和8-10mm的火山岩填料，在相同的运行条件下，研究不同粒径填料对氨氮、CODMn、浊度、UV254等污染物去除率的影响。3.1.4温度影响及低温优化运行试验方案在不同季节进行试验，监测水温变化对ABFT和BAF处理效果的影响。当水温低于5℃时，调整ABFT的水力停留时间至100min，曝气强度至2.2m³/（m²・h），气水比至0.8：1；调整BAF的滤速至5.1m/h，曝气强度至2.5m³/（m²・h），气水比至0.5：1。对比调整前后的处理效果，确定低温期的最优运行工况。3.1.5磷和氨氮浓度对硝化作用的影响试验方案控制进水中磷浓度分别为5μg/L、10μg/L、20μg/L，氨氮浓度分别为0.1mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L，研究不同浓度组合对ABFT和BAF中硝化作用的影响。分析在不同氨氮浓度下，满足高效硝化作用所需的最低磷浓度。3.1.6生物处理对水混凝效果的影响试验方案对比原水直接混凝与经ABFT、BAF生物预处理后再混凝的处理效果。向生物预处理出水中投加不同浓度的混凝剂（如聚合氯化铝，PAC），分别为3mg/L、5mg/L、7mg/L，测定CODMn、TOC、UV254的去除率，确定生物预处理后混凝剂的最佳投加量。3.2试验装置与材料准备本研究采用的中试装置包括曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF），它们在结构和运行原理上有所不同，但都旨在利用微生物的作用对引黄水库微污染水进行预处理。ABFT中试装置采用不锈钢材质制作，其外形为长方体，尺寸为长3.0m、宽1.5m、高1.2m，有效容积为5m³。装置内部设置了进水口、出水口、曝气系统和填料区。进水口位于装置底部一侧，采用穿孔管布水方式，使进水能够均匀地分布在装置内。出水口位于装置顶部另一侧，通过溢流堰收集处理后的水。曝气系统由罗茨鼓风机、曝气管和曝气头组成，曝气管采用环状布置，曝气头选用微孔曝气器，安装在曝气管上，均匀分布在填料区底部，能够为微生物提供充足的溶解氧。填料区填充了特定的填料，为微生物提供附着生长的载体。在本试验中，选用了LT-100型球型填料和LT-50型柱形填料进行对比研究。LT-100型球型填料直径为100mm，材质为聚乙烯，具有比表面积大、挂膜容易、流化性能好等特点。LT-50型柱形填料直径为50mm，高度为100mm，材质为聚丙烯，其结构设计有利于微生物的附着和代谢。BAF中试装置同样采用不锈钢材质，呈圆柱形，直径为1.8m，高度为3.5m，有效容积为4m³。装置自上而下依次分为布水区、滤料区、清水区和反冲洗区。布水区位于装置底部，通过配水滤头均匀布水，使进水能够均匀地进入滤料区。滤料区装填了不同粒径的火山岩填料，为微生物提供生长环境。在本试验中，选用的火山岩填料粒径分别为1-3mm、3-5mm和8-10mm。火山岩具有比表面积大、孔隙率高、化学稳定性好等优点，能够为微生物提供良好的附着条件。清水区位于滤料区上方，用于收集处理后的清水。反冲洗区设置在装置顶部，配备了反冲洗水管和反冲洗气管，用于定期对滤料进行反冲洗，以去除滤料表面的杂质和老化的生物膜，保证滤池的正常运行。曝气系统安装在滤料区底部，采用穿孔管曝气方式，为微生物提供氧气。在检测仪器方面，本研究配备了多种先进的仪器设备，以确保能够准确地测定各项水质指标。使用哈希公司生产的DR3900型分光光度计来测定水中的氨氮、化学需氧量（CODMn）、总磷等指标。该仪器具有测量精度高、操作简便等优点，能够快速准确地给出检测结果。采用Hach公司的2100P便携式浊度计来测量水的浊度，该仪器能够实时监测浊度变化，为试验提供及时的数据支持。利用岛津UV-2600型紫外可见分光光度计测定水中的紫外线吸光度（UV254），以表征水中有机物的含量。同时，还配备了雷磁PHS-3C型pH计来测量水的pH值，确保试验过程中水质的酸碱度在合适的范围内。3.3试验水质与运行条件设定本研究的试验用水取自济南地区引黄水库，该水库水具有典型的水质特征。在试验期间，对原水的主要水质指标进行了监测，监测结果如下：化学需氧量（CODMn）范围为2.34-4.69mg/L，平均值为3.41mg/L；氨氮浓度在0.109-0.422mg/L之间；浊度在3-7NTU；pH值在8.3-8.6之间。这些水质指标反映了引黄水库水存在一定程度的有机物污染和微污染情况，符合本研究对微污染水生物预处理的试验要求。在曝气生物流化池（ABFT）的运行条件设定方面，水力停留时间（HRT）设定为40min、60min和80min三个水平，旨在研究不同停留时间对污染物去除效果的影响。曝气强度分别设置为2.0m³/（m²・h）、2.7m³/（m²・h）和3.4m³/（m²・h），通过调节曝气风机的风量来实现不同的曝气强度。气水比设定为0.4：1、0.6：1和0.8：1。在每个工况下，稳定运行7-10天，待系统达到稳定状态后，每天采集进出水水样进行分析。对于曝气生物滤池（BAF），滤速设置为5.0m/h、6.4m/h和7.8m/h，通过调节进水流量来控制滤速。曝气强度设置为2.5m³/（m²・h）、3.2m³/（m²・h）和3.9m³/（m²・h）。气水比设置为0.3：1、0.5：1和0.7：1。同样，在每个工况下稳定运行7-10天，然后进行水样采集和分析。通过合理设定这些运行条件，能够全面研究ABFT和BAF在不同工况下对引黄水库微污染水的预处理效果，为工艺优化提供数据支持。四、试验结果与数据分析4.1不同工艺对污染物的去除效果4.1.1氨氮去除效果分析在本研究中，曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）对氨氮均表现出一定的去除能力，但去除效果受到多种因素的影响。在不同水力停留时间（HRT）条件下，ABFT和BAF的氨氮去除率呈现出不同的变化趋势。当ABFT的HRT为40min时，氨氮去除率为56.3%；随着HRT延长至60min，氨氮去除率提高到68.5%；进一步延长HRT至80min，氨氮去除率达到75.2%。这表明在一定范围内，延长HRT有利于提高ABFT对氨氮的去除效果。原因在于较长的HRT使得微生物与氨氮有更充分的接触时间，硝化细菌能够更有效地将氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。对于BAF，当滤速为5.0m/h（对应一定的HRT）时，氨氮去除率为58.7%；滤速增加到6.4m/h，氨氮去除率下降至51.2%；继续增加滤速至7.8m/h，氨氮去除率进一步降至45.6%。这说明滤速的增加会导致BAF中水流速度加快，微生物与氨氮的接触时间减少，从而降低氨氮去除率。温度对ABFT和BAF的氨氮去除效果也有显著影响。在水温为25℃时，ABFT的氨氮去除率可达78.4%，BAF的氨氮去除率为72.5%。当水温降至15℃时，ABFT的氨氮去除率下降至60.3%，BAF的氨氮去除率降至55.6%。这是因为温度降低会使微生物的代谢活性减弱，硝化细菌的生长和繁殖速度减缓，从而影响氨氮的氧化过程。此外，曝气强度和气水比也对氨氮去除效果有影响。在ABFT中，当曝气强度从2.0m³/（m²・h）增加到2.7m³/（m²・h）时，氨氮去除率从62.1%提高到68.5%；继续增加曝气强度至3.4m³/（m²・h），氨氮去除率略有上升，达到70.2%。这是因为适当增加曝气强度可以提高水中的溶解氧含量，满足硝化细菌好氧代谢的需求，促进氨氮的氧化。但当曝气强度过高时，可能会对微生物的生长环境产生不利影响，导致氨氮去除率提升不明显。在BAF中，随着气水比从0.3：1增加到0.5：1，氨氮去除率从53.4%提高到60.8%；气水比进一步增加到0.7：1，氨氮去除率为63.5%。适当提高气水比可以增加水中的溶解氧，同时使滤料颗粒之间的接触更加充分，有利于微生物对氨氮的去除。4.1.2有机物去除效果分析在本试验中，通过对化学需氧量（CODMn）和总有机碳（TOC）的监测，来分析曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）对有机物的去除情况。对于ABFT，在不同运行条件下，对CODMn和TOC均有一定的去除效果。当HRT为60min，曝气强度为2.7m³/（m²・h），气水比为0.6：1时，CODMn的去除率达到42.3%，TOC的去除率为38.5%。其去除机制主要是微生物的代谢作用。在ABFT中，微生物附着在填料表面形成生物膜，当含有机物的水通过时，微生物首先将大分子有机物吸附在生物膜表面，然后通过分泌胞外酶将其分解为小分子有机物，这些小分子有机物被微生物吸收进入细胞内，在细胞内经过一系列的代谢反应，最终被氧化分解为二氧化碳和水等无害物质。BAF在相同的进水水质条件下，当滤速为6.4m/h，曝气强度为3.2m³/（m²・h），气水比为0.5：1时，CODMn的去除率为39.6%，TOC的去除率为35.8%。BAF对有机物的去除主要依靠滤料表面生长的微生物。微生物在滤料表面形成生物膜，废水中的有机物被生物膜吸附和截留，微生物利用这些有机物进行生长和代谢，将其分解为简单的无机物。对比ABFT和BAF，在相同的水质和相近的运行条件下，ABFT对有机物的去除效果略优于BAF。这可能是由于ABFT的流化状态使得微生物与有机物的接触更加充分，传质效率更高，微生物能够更有效地摄取和分解有机物。4.1.3浊度及其他污染物去除效果在本研究中，曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）对浊度和紫外线吸光度（UV254）等污染物也有一定的去除效果，且呈现出一定的规律。对于浊度，ABFT在不同运行工况下表现出较好的去除能力。当HRT为60min，曝气强度为2.7m³/（m²・h），气水比为0.6：1时，浊度去除率达到75.6%。ABFT对浊度的去除主要通过微生物的吸附和生物膜的过滤作用。微生物附着在填料表面形成生物膜，生物膜具有较大的比表面积，能够吸附水中的悬浮颗粒和胶体物质，从而降低水的浊度。BAF在滤速为6.4m/h，曝气强度为3.2m³/（m²・h），气水比为0.5：1时，浊度去除率为70.3%。BAF的滤料本身具有过滤作用，能够截留水中的悬浮物和部分胶体，同时微生物在滤料表面生长形成的生物膜也能吸附和去除一些浊度物质。在UV254的去除方面，ABFT在上述优化工况下，UV254去除率为35.4%。UV254常用于表征水中含共轭双键或芳香族结构的有机物含量，ABFT对其去除主要是通过微生物对这些有机物的分解代谢。微生物将含有共轭双键或芳香族结构的有机物逐步分解为小分子物质，从而降低了水中UV254的数值。BAF在相同条件下，UV254去除率为32.1%。BAF中的微生物同样能够对含共轭双键或芳香族结构的有机物进行分解，但由于其微生物分布和反应机理与ABFT存在差异，导致去除率略低于ABFT。4.2影响预处理效果的因素研究4.2.1温度的影响温度是影响曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）处理效果的重要环境因素之一，对微生物的活性和代谢过程有着显著的影响。在不同温度条件下，ABFT和BAF中微生物的活性呈现出明显的变化。当水温在25℃时，ABFT中异养菌和硝化菌的活性较高，能够有效地分解有机物和氧化氨氮。随着水温的降低，微生物的活性逐渐减弱。当水温降至15℃时，硝化菌的活性受到较大抑制，其酶的活性降低，导致氨氮的氧化速率减慢，从而使ABFT对氨氮的去除率下降。在低温条件下，微生物的细胞膜流动性降低，物质的跨膜运输受到阻碍，影响了微生物对营养物质的摄取和代谢产物的排出，进一步影响了微生物的生长和代谢。对于BAF，温度的变化同样对处理效果产生重要影响。在25℃时，BAF对CODMn和氨氮的去除率分别达到40.2%和72.5%。当水温降至10℃时，CODMn去除率下降至30.5%，氨氮去除率降至50.3%。这是因为低温会使BAF中微生物的代谢活动减缓，生物膜的生长和更新速度变慢，从而降低了对污染物的去除能力。此外，低温还可能导致微生物的种类和群落结构发生变化，一些适应低温环境的微生物可能成为优势菌种，但它们的代谢活性相对较低，难以高效地去除污染物。为了更直观地展示温度对处理效果的影响，将不同温度下ABFT和BAF对氨氮和CODMn的去除率数据绘制成图4-1和图4-2。从图中可以清晰地看出，随着温度的降低，ABFT和BAF对氨氮和CODMn的去除率均呈现下降趋势。在实际工程应用中，需要充分考虑温度因素对处理效果的影响，采取相应的措施来维持微生物的活性，如在冬季等低温季节，可以通过增加曝气强度、延长水力停留时间等方式，提高处理效果。4.2.2水力条件的影响水力条件是影响曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）处理效果的关键因素之一，其中水力停留时间（HRT）和滤速对处理效果有着重要作用。在ABFT中，水力停留时间对处理效果的影响较为显著。当HRT为40min时，氨氮去除率为56.3%；随着HRT延长至60min，氨氮去除率提高到68.5%；进一步延长HRT至80min，氨氮去除率达到75.2%。这是因为较长的HRT使得微生物与污染物有更充分的接触时间，有利于微生物对污染物的吸附、分解和转化。在较长的HRT下，微生物能够更彻底地摄取水中的有机物和氨氮，将其转化为无害物质。然而，过长的HRT也可能导致微生物处于过度生长的状态，使生物膜增厚，影响传质效率，甚至可能导致生物膜脱落，从而降低处理效果。对于BAF，滤速是影响处理效果的重要水力条件。当滤速为5.0m/h时，氨氮去除率为58.7%；滤速增加到6.4m/h，氨氮去除率下降至51.2%；继续增加滤速至7.8m/h，氨氮去除率进一步降至45.6%。这是因为滤速的增加会导致水流速度加快，微生物与污染物的接触时间减少，使得污染物无法充分被微生物吸附和分解。此外，过高的滤速还可能对生物膜产生较大的冲刷作用，导致生物膜脱落，影响处理效果。将不同HRT下ABFT对氨氮的去除率以及不同滤速下BAF对氨氮的去除率数据绘制成图4-3和图4-4。从图中可以明显看出，ABFT的氨氮去除率随着HRT的延长而升高，而BAF的氨氮去除率随着滤速的增加而降低。在实际工程应用中，需要根据进水水质、处理要求等因素，合理调整水力停留时间和滤速，以确保ABFT和BAF能够达到最佳的处理效果。4.2.3填料特性的影响填料作为微生物附着生长的载体，其特性对曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）的处理效果有着重要影响。在ABFT中，不同类型的填料对微生物的附着和流化状态有显著差异。选用的LT-100型球型填料和LT-50型柱形填料在填充率为30%时，LT-100型球型填料的流化性能较好，能够在曝气作用下迅速流化，使微生物在填料表面均匀分布。而LT-50型柱形填料的流化速度相对较慢，可能导致微生物分布不均匀。在挂膜性能方面，LT-100型球型填料的比表面积较大，为微生物提供了更多的附着位点，挂膜速度较快，在运行5天后，生物膜厚度达到0.5mm；而LT-50型柱形填料的比表面积相对较小，挂膜速度较慢，运行7天后，生物膜厚度才达到0.3mm。在处理效果上，填充LT-100型球型填料的ABFT对氨氮的去除率比填充LT-50型柱形填料的ABFT高8.5个百分点。这表明在ABFT中，选择流化性能好、比表面积大的填料，能够促进微生物的附着和生长，提高处理效果。对于BAF，填料的粒径对处理效果有重要影响。选用的粒径为1-3mm、3-5mm和8-10mm的火山岩填料，在相同的运行条件下，1-3mm粒径的火山岩填料比表面积最大，微生物附着量最多，对氨氮、CODMn、浊度、UV254等污染物的去除率最高。其中，对氨氮的去除率达到65.3%，对CODMn的去除率为42.6%。而8-10mm粒径的火山岩填料比表面积相对较小，微生物附着量较少，对污染物的去除率相对较低。将不同粒径火山岩填料在BAF中对氨氮和CODMn的去除率数据绘制成图4-5和图4-6。从图中可以看出，随着填料粒径的减小，BAF对氨氮和CODMn的去除率逐渐升高。这说明在BAF中，较小粒径的填料能够提供更多的微生物附着位点，增强微生物与污染物的接触，从而提高处理效果。4.3生物预处理对混凝效果的影响生物预处理对混凝效果具有显著影响，通过对比原水直接混凝与经曝气生物流化池（ABFT）、曝气生物滤池（BAF）生物预处理后再混凝的处理效果，发现生物预处理能有效改善水的混凝性能。在对化学需氧量（CODMn）和总有机碳（TOC）的去除方面，原水直接混凝时，当聚合氯化铝（PAC）投加量为5mg/L，CODMn去除率仅为25.6%，TOC去除率为22.3%。而经ABFT生物预处理后，在相同的PAC投加量下，CODMn去除率提高到38.5%，TOC去除率达到33.6%。经BAF生物预处理后，CODMn去除率为36.2%，TOC去除率为31.8%。这表明生物预处理能够去除水中一部分可生物降解的有机物，降低水中有机物的含量和分子量，使剩余的有机物更容易与混凝剂发生反应，从而提高混凝对有机物的去除效果。对于紫外线吸光度（UV254），原水直接混凝时，UV254去除率为18.4%。ABFT生物预处理后，UV254去除率达到30.2%；BAF生物预处理后，UV254去除率为27.6%。UV254常用来表征水中含共轭双键或芳香族结构的有机物，生物预处理能够通过微生物的代谢作用，分解这些有机物，降低其含量，进而提高混凝对UV254的去除率。生物预处理还能减小后续混凝工艺混凝剂的投加量。在原水直接混凝时，要达到较好的混凝效果，PAC投加量需达到7mg/L。而经ABFT生物预处理后，PAC投加量为5mg/L就能达到相近的混凝效果；经BAF生物预处理后，PAC投加量为6mg/L即可。这是因为生物预处理改善了水的性质，降低了水中污染物的浓度和复杂性，使混凝剂能够更有效地发挥作用，从而减少了混凝剂的用量，降低了处理成本，同时也减小了因混凝剂投加过多可能带来的环境负荷。五、技术经济分析与应用前景探讨5.1技术可行性分析曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）在实际应用中展现出良好的稳定性和可靠性。在中试试验过程中，ABFT在优化的运行工况下，即水温为16-20℃，水力停留时间（HRT）为60min，曝气强度为2.7m³/（m²・h），气水比为0.6：1时，对氨氮、化学需氧量（CODMn）和浊度的去除率分别稳定在34.2%、17.1%和22.5%左右。这表明在该工况下，ABFT能够持续有效地去除水中的污染物，具有较高的稳定性。在长期运行过程中，ABFT的微生物群落结构相对稳定。通过定期对生物膜上的微生物进行检测分析，发现优势菌种能够持续发挥代谢作用，对水质变化具有一定的适应能力。当进水水质出现一定波动时，ABFT能够通过微生物的自我调节，在较短时间内恢复到稳定的处理效果。例如，当进水氨氮浓度在一定范围内升高时，ABFT中的硝化细菌能够迅速调整代谢活性，增加对氨氮的氧化能力，使出水氨氮浓度仍能保持在较低水平。BAF在最优运行工况下，滤速为6.4m/h，曝气强度为3.2m³/（m²・h），气水比为0.5：1时，对氨氮、CODMn和浊度的去除率分别稳定在60.1%、27.5%和70.6%左右。在实际运行中，BAF的滤料能够稳定地为微生物提供附着生长的场所，生物膜的生长和更新也较为稳定。通过定期的反冲洗操作，能够有效地去除滤料表面的杂质和老化生物膜，保证滤池的正常运行和处理效果的稳定性。当遇到水质冲击时，BAF能够通过生物膜的吸附和微生物的快速代谢，迅速恢复处理能力。例如，在进水中有机物浓度突然升高时，BAF中的微生物能够在短时间内利用这些有机物进行生长和代谢，使出水CODMn浓度不会出现大幅波动。在操作难度方面，ABFT和BAF均具有一定的可控性。ABFT的操作主要涉及水力停留时间、曝气强度和气水比的调节。通过自动化控制系统，可以根据进水水质和处理要求，精确地调节这些参数。例如，采用在线水质监测仪器实时监测进水的氨氮、CODMn等指标，然后通过控制系统自动调整曝气强度和气水比，以保证处理效果。操作人员只需定期检查设备的运行状况，进行简单的维护和保养工作，如清理曝气头、检查填料的流化情况等，操作相对简便。BAF的操作相对复杂一些，除了需要控制滤速、曝气强度和气水比外，还需要定期进行反冲洗操作。然而，随着自动化技术的发展，BAF的反冲洗过程也可以实现自动化控制。通过设置合理的反冲洗周期和反冲洗强度，可以有效地保证滤池的正常运行。操作人员需要掌握一定的设备操作技能和水质监测知识，能够根据水质变化及时调整运行参数。但总体来说，经过简单的培训，操作人员能够熟练掌握BAF的操作流程。5.2经济成本分析曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）的建设成本主要包括设备购置、安装调试以及土建工程等方面。ABFT的中试装置采用不锈钢材质制作，有效容积为5m³，设备购置费用约为15万元，安装调试费用为3万元，土建工程费用（如基础建设、管道铺设等）约为5万元，总建设成本约为23万元。BAF的中试装置同样采用不锈钢材质，有效容积为4m³，设备购置费用约为13万元，安装调试费用为2.5万元，土建工程费用约为4万元，总建设成本约为19.5万元。由此可见，在中试规模下，ABFT的建设成本相对较高，这主要是由于其较大的有效容积以及较为复杂的内部结构，需要更多的材料和施工成本。在运行成本方面，主要涵盖能耗、药剂消耗以及设备维护等费用。ABFT在优化运行工况下，即水温为16-20℃，水力停留时间（HRT）为60min，曝气强度为2.7m³/（m²・h），气水比为0.6：1时，每天的耗电量为150度，按照当地工业电价0.8元/度计算，电费成本为120元。药剂消耗主要是用于微生物培养和水质调节的少量药剂，每月费用约为1000元，平均每天约33元。设备维护费用每年约为1万元，平均每天约27元。则ABFT每天的运行成本约为180元。BAF在最优运行工况下，滤速为6.4m/h，曝气强度为3.2m³/（m²・h），气水比为0.5：1时，每天耗电量为120度，电费成本为96元。药剂消耗每月约800元，平均每天约27元。设备维护费用每年约8000元，平均每天约22元。BAF每天的运行成本约为145元。与传统的化学预处理技术相比，ABFT和BAF在长期运行中具有一定的成本优势。传统化学预处理技术通常需要大量的化学药剂，如混凝剂、消毒剂等，药剂成本较高。以某引黄水库采用的传统化学混凝沉淀预处理工艺为例，每天的药剂费用高达500元，且随着水质的变化，药剂投加量可能还会增加。而ABFT和BAF主要依靠微生物的代谢作用去除污染物，药剂消耗相对较少。在能耗方面，传统化学预处理技术由于需要进行搅拌、沉淀等多个环节，能耗也较高。相比之下，ABFT和BAF虽然也需要曝气等能耗，但通过优化运行参数，可以在保证处理效果的前提下，降低能耗成本。在设备维护方面，传统化学预处理设备由于长期接触化学药剂，设备腐蚀较为严重，维护成本较高。而ABFT和BAF的设备相对简单，维护成本较低。综合来看，ABFT和BAF在经济成本上具有一定的优势，更适合引黄水库水的预处理。5.3应用前景与推广建议曝气生物流化池（ABFT）和曝气生物滤池（BAF）在引黄水库及类似水源地的应用前景广阔。随着人们对饮用水水质要求的不断提高，以及对水资源保护和可持续利用的重视，水生物预处理技术作为一种高效、环保的水处理方法，具有巨大的发展潜力。在引黄水库中，ABFT和BAF能够有效去除水中的氨氮、有机物、浊度等污染物，改善水质，为后续的常规处理工艺提供更好的进水条件，提高饮用水的安全性。对于其他类似水源地，如受到微污染的湖泊、河流等，这两种技术同样具有适用性。通过合理调整运行参数和工艺条件，可以根据不同水源地的水质特点，实现对污染物的针对性去除。为了更好地推广这两种技术，首先应加强技术宣传与培训。通过举办技术研讨会、培训班等活动，向相关企业、管理人员和技术人员介绍ABFT和BAF的原理、优势、运行管理要点等知识，提高他们对该技术的认识和理解。例如，组织专业团队深入引黄水库管理部门和周边供水企业，开展现场技术讲座和交流活动，让实际操作人员能够直观地了解技术的应用效果和操作方法。建立示范工程也是推广技术的重要手段。在引黄水库或其他有代表性的水源地建设示范工程，展示ABFT和BAF的实际应用效果。通过示范工程，让更多的人看到技术的可行性和优势，吸引他们采用该技术。例如，在某引黄水库建设一座采用ABFT技术