1、沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究0学校代码：6155学 号：0710081018HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计（论文）题 目 沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究 学生姓名 郭俊俊 专业班级 07 级环境工程 1班 学 号 0710081018 系 （部） 资源与环境工程系 指导教师(职称)刘帅霞（教授） 完成时间 2011 年 05月 14日 沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究1目 录中文摘要 英文摘要 1 引言 11.1 研究背景 .11.1.1 黄河水污染状况 .11.1.2 有机废水的特性及危害 .11.2 本文的研究目的和内容 .22 预处理 22.1
2、 沉降与气浮分离技术 .22.2 分离过程 .22.3 重力固液分离 .32.3.1 沉降法 .32.3.2 离心分离法 .32.4 凝聚与絮凝 .42.4.1 絮凝与凝聚概述 .42.4.2 无机絮凝剂和高分子絮凝剂 .52.5 渗滤分离技术 .63 移动床生物膜反应器和陶粒生物滤池预处理受污染黄河水的比较研究 63.1 研究背景和目的 .63.2 试验设备和方法 .73.3 试验结果与讨论 .83.3.1 两种生物膜反应器对 CODMn和 TOC的去除 .8沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究23.3.2 两种生物膜反应器对 UV254和三氯甲烷前体物的去除 .103.3.4 两种生物膜反应器
3、对 AOC和 BDOC的去除 .123.3.5 不同水温时 MBBR内填料上的生物膜活性变化 .133.4 小结 144 生物活性炭滤池和新鲜活性炭滤池深度处理有机物研究 .154.1 研究背景和目的 154.2 试验装置和运行参数 154.3 活性炭滤池对有机物的去除 154.3.1 活性炭滤池对 CODMn的去除 154.3.2 活性炭滤池对 UV254的去除 .174.3.3 活性炭滤池对消毒副产物前体物的去除 184.4 小结 215 多种不同类型的组合工艺处理受污染黄河水的研究 .215.1 研究背景和目的 .215.2 全流程组合工艺 I型处理受污染黄河水的研究 225.2.1 试
4、验装置和运行条件 225.2.2 全流程组合工艺 I型对污染物的去除 235.3 全流程组合工艺 II型处理受污染黄河水的研究 .265.3.1 试验装置和运行条件 275.3.2 全流程组合工艺 I I型对污染物的去除 275.4 全流程组合工艺 III型处理受污染黄河水的研究 345.4.1 试验装置和运行条件 345.4.2 全流程组合工艺 III型对污染物的去除 355.5 全流程组合工艺 IV型处理受污染黄河水的研究 .375.5.1 试验装置和运行条件 375.5.2 全流程组合工艺 IV型对污染物的去除 .375.6 小结 406 结论 .416.1 主要研究结论 41沿黄城市饮
5、用水有机物去除工艺研究36.2 建议 43致谢 .43参考文献 .44沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究4沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究摘 要本文简要地介绍了有机物去除工艺的背景，介绍了沿黄城市有机物去除工艺的现用工艺及发展方向；阐述了常用工艺的基本原理和运行方式，对预处理、微处理及深度处理的基本方法做了分析说明，详细总结分析了当前最新的生物处理技术，如作为预处理的移动床生物膜反应器(MBBR) 和陶粒生物滤池，以及作为深度处理的生物活性炭滤池和新鲜活性炭滤池。通过对不同去除工艺进行了综合分析比较，提出了采用分级分类处理的方法提高其效率，比较了不同生物处理水中有机物的利弊、处理程度，进一步分析
6、论证饮用水中有机物去除形式。并总结出了不同组合工艺的处理对象。关 键 词 ： 有 机 物 /分 类 分 级 /组 合 工 艺沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究0Urban drinking along the yellow organicremove technology researchABSTRACTThis paper briefly introduced the background, removal process organic along the yellow city introduced the removal process organic currently in use
7、process and development direction; Expounds the basic principle and common process of different operation mode, the removal process comprehensive analysis and comparison, the paper introduces the processing method of classified increasing its efficiency, further analysis in drinking water removal or
8、ganics form. KEY WORDS： Organic/classification grading/ Combination process 沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究11 引言1.1 研究背景1.1.1 黄河水污染状况黄河是中华民族的摇篮，在人类历史的进化发展中发挥了重要的作用。被称为“母亲河 ”的黄河水量远不如长江等水量丰沛，却以占全国河川径流 2.4% 的有限水资源，滋养着全国 12% 的人口，灌溉着 15% 的耕地。建国以来，引黄灌溉、供水累计直接经济效益已达 6000 亿元。近年来，随着经济发展，黄河流域废污水排放量比上个世纪 80 年代多了一倍，达 44 亿立方米。
9、黄河水污染源主要有工业废水河城市废水造成的点源及沿岸农田中使用的化肥、农药等造成的面源污染。特别是 随着工业的发展和人口的增加，流入黄河的工业废水和生活污水越来越多，使黄河污染程度越来越严重。2000 年有关环保部门选择黄河干流、一级支流和重要的二级支流共 22 条河流的 69 个代表性河段（评价河长 7247 km）进行黄河流域水质评价结果表明，II、III 类水质河长 2807 km, 占评价总河长的 38.7%， IV 类水质河长 1456 km，占 20.1，V 类、劣 V 类水质河长 2984 km，占 41.2%。 由于除受上游来水水质影响外，黄河中下游干流还受境内支流水质影响，因
10、此黄河中下游水质尤为恶化。从 90 年代开始，三门峡水库周围的水变黑，人们称之为“酱油 ”水；并且由于洗涤剂的随意排放，水面经常飘着一层泡沫。黄河干流的水质监测资料表明，黄河干流潼关花园口河段均受到严重污染，已不能满足生活饮用水水源地水质要求。目前，黄河水中存在着溶解性有机物增多、氨氮浓度高、水体有异味、色度增高、藻类大量繁殖等问题。黄河是河南省的重要水源，其水质状况直接影响着沿途人民的身体健康。黄河水系重点河段河水有机污染物致突变性研究结果表明，黄河支流汾河和洛河， “三致” 毒物污染严重。黄河干流郑州段河水中“三致” 毒物硝基氯苯和多环芳香烃类污染物已检出。1.1.2 有机废水的特性及危害
11、目前造成环境污染的化学物质有数十万种，其中大量存在着种类繁多的有机物。沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究2随着工业技术，特别是有机合成工业如农药、石油化工、燃料、塑料等的发展，人工合成有机物不断出现。他们除了具有一般有机物的共同特性外，也具有一些不同于一般有机物的特性。人类癌症 80%90%与环境因素有关， ，而在已发现的致癌化学物质中，有80%以上的为有机物。有机污染物对人体毒性的作用是多种多样的，人们已经认识到的大概有以下几种：干扰人类机体的代谢功能，影响机体免疫功能，对细胞组织结构的损伤作用，对集机体酶体系的干扰，抑制有机体对氧的吸收、输运和利用，以及直接对机体的物理刺激和化学损伤作用等。
12、1.2 本文的研究目的和内容以黄河水为源水的自来水厂，通常采用常规工艺(混凝沉淀过滤消毒城市管网)进行处理,其水质不甚理想，这是由于黄河水水源的污染日益严重，尤其是有机物污染,通过常规工艺处理虽然可以去除水中许多有毒有害物质，但对水体中有机物的去除效果却不太理想，过滤后的出水仍含有较多的有机污染物，致使饮用水中有时含有一定的嗅味，这也正是造成饮用水水质二次污染的主要原因。目前黄河流域的用水量超过黄河的供水能力，断流趋势明显，部分河段生态流量偏少，水污染加重。黄河中下游汾河、涑水河、渭河和伊洛河等入黄支流污染物排放量大，直接影响黄河中下游郑州等大中城市饮用水水源水质，特别在冬季黄河水质尤为恶化。
13、因而以黄河为水源而常规工艺为主体处理单元的自来水厂供水水质安全面临着严峻考验。然而目前国内对于以黄河为水源的自来水厂，如何改善出厂水水质和提高饮用水的安全性的研究报道很少，因此本文的最主要研究目的是：探索建立以黄河水为水源的安全饮用水保障技术，系统深入地研究黄河水质及开发出适合黄河水质特点的净化工艺，为将来可能兴建的以黄河为水源的安全供水工程或已有自来水厂的改造提供参考。2. 预处理2.1 沉降与气浮分离技术许多行业排放的工业废水中含有大量有机物的固体、胶体颗粒，如屠宰废水中含有粪便、饲料等固体颗粒，食品与发酵工业废水中含有大量有机营养成分可作为微生物增值的营养源。因此对这类废水的处理离不开机
14、械力分解技术。沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究3机械力分解技术主要有重力固液分离和絮凝沉淀。2.2 分离过程分离过程可分为机械分离和传质分离两大类见:图 2.1图 2.1机械分离的对象都是两相混合物只需要简单地用机械方法就可将两相分离，而相间并无物质传递发生。传质分离过程的特点是相间都有传递质量的现象发生。它可以在均相中进行，也可以在非均相种进行。在通常的常规单元操作中，诸如蒸发、蒸馏、吸收、萃取、吸附、浸取、干燥、结晶等都在非均相中进行。它们利用两相平衡组成不平等原理，常采用平衡级作为处理手段，并把影响参数归纳与效率中，使其更符合实际。所以有时也称它为平衡分离过程。传质分离过程在均相中进行分
15、离时，往往着眼于溶液中微团粒子、离子、分子的迁移速度不同。这一类有热扩散、气体扩散、质量扩散、反渗透、超过滤、电渗析、电泳、液膜分离等，是很有发展潜力的新方法，又称速率控制分离过程。2.3 重力固液分离2.3.1 沉降法悬浮物在净水中沉降可分为自由沉降与拥挤沉降两种。一般来说当废水悬浮物含量极低，如在几十毫克/升以下时，可近似认为接近于自由沉降，而悬浮物含量较高的废水沉降过程都可以属于拥挤沉降。沉降作为预处理，是废水处理的极重要部分可以去除泥渣和悬浮物等。传统沉淀池有平流式沉淀池、立式沉淀池、径流式沉淀池和斜板沉淀池。2.3.2 离心分离法离心沉降是利用固液两相的密度差，将分散在悬浮液中的固相
16、颗粒于离心沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究4场中进行分离的过程。对固液分离而言，离心沉降可根据不同的分离要求分别完成浓缩、澄清和分级等作业。在离心场中进行非均匀物系的离心分离是一种非常有效的分离方法，并在许多工业过程中得到了广泛的应用。虽然离心沉降分离存在上述不同操作方式，但在分离过程中，悬浮液内固相颗粒离心沉降过程的运动学和动力学规律是相同的。在离心场中，固相颗粒沿径向受到的惯性离心力 F0和惯性浮力 FB 可表示为F0=s r2d3/6 （21）FB=r2d3/6 （22）式中 d颗粒直径；流体密度；s颗粒密度；液相的回转角速度；r颗粒所在处的回转半径。典型的离心沉降分离有如下三种方式。(
17、1)装上一定容积的悬浮液后离心机开始工作，在分离过程中不再加料也不排除分离液和沉渣，停车后再分别取出，用这种工作方式的有试管分离机等。(2)在离心分离过程中连续加入悬浮液和排出分离液，但聚集在转鼓壁上的沉渣在停车后排出。采用该工作方式的有间歇式沉降离心机和管式分离机等。(3)在分离过程中连续进料并连续排出分离液和残渣，如水力旋流器和螺旋卸料沉降离心机。2.4 凝聚与絮凝颗粒较大的悬浮物，靠自然沉降或上浮虽然可以除去，但废水中的细微悬浮物和胶体污染物常常用自然沉降法不能完全去除。对于这类废水，必须首先投加化学药剂来破坏胶体和细微悬浮颗在水中形成稳定的分散系，使其聚集成为具有明显沉降功能的絮凝体，
18、然后才能予以分离。尤其是有机胶体物质，以凝聚沉降或上浮，效果更好，可进一步降低 BOD、COD 和色度等，应用相当沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究5广泛。2.4.1 絮凝与凝聚概述凝聚是指使胶体和超胶体脱稳，并聚集为微絮粒的过程，它既包括胶体的脱稳，又包括颗粒的迁移和聚集，是靠电解质对固体悬浮颗粒表面上双电层的消除或压缩，而降低微细粒间的排斥能来达到的。通常只要 -电位降低至20mV 以内，即靠近零电位点或者等电点处，就有可能使胶体或悬浮体不稳定而发生凝聚。一般来说，凝聚对于胶体粒子或悬浮液中的微粒子作用明显，所产生的凝聚体粒度小、密实、易碎，但碎后又可重新凝聚，即凝聚过程属可逆过程。絮凝指微
19、絮粒通过吸附、卷带和桥连而成为更大的絮凝体的过程，是通过高分子聚合物在分子上吸附多个微粒的桥架作用而使多个微粒形成絮团的过程。絮凝剂在水溶液中应具有伸展性、可挠性。伸展性是指具有一定伸展长度，可以在颗粒间架桥，将微粒桥连起来，股最有效的絮凝剂为水溶性的高分子量（10 6）的聚合物；可绕性使凝聚具有一定的强度，能经受住一定程度的剪切力而不破碎。相对凝聚而言，絮凝产生的凝聚物要大的多。凝聚体的特点是粒度粗、疏松强度较大，但碎后一般不再成团，即过程不可逆。一般化学凝聚剂的加入，主要是中和颗粒所带的电荷，压缩粒子周围离子层的厚度以及脱去粒子的水化层等；而有机高分子凝聚剂，除上述作用外海可以在颗粒间形成
20、架桥，破坏了颗粒在水中的稳定性。不同的凝聚剂，其脱稳原理是不相同的。脱稳的颗粒，就由相互排斥转化为相互吸引的关系，碰撞接触后，即可凝聚并不断增大，形成絮体。絮体表面积很大，还能吸附其他悬浮物、胶体物，甚至溶解物质等，与其同沉淀或上浮，是固液分离，废水得到澄清处理。2.4.2 无机絮凝剂和高分子絮凝剂2.4.2.1 无机絮凝剂混凝过程中投加的主要化学药剂为混凝剂。混凝法处理废水，其效果与凝聚剂的选用又很大关系，混凝剂的作用是通过它或它的水解产物的压缩双电层、电性中和、卷带网捕以及吸附桥连等四个方面的作用完成的除处理效率外，还应考虑它对外界因素影响的敏感性，溶解性能，设备的腐蚀性能，以及经济成沿黄
21、城市饮用水有机物去除工艺研究6本和资源等情况。同时，一种混凝剂对不同废水的处理效果也不一样，所以其选用以及最佳量的决定，必须通过实验综合分析决定。废水处理中常用的无机絮凝剂以铝盐和铁盐为多。铝盐主要有硫酸铝、明矾、碱式氯化铝等，聚合氯化铝为一种较新的无机高分子，又称碱式氯化铝或羟基氯化铝。化学式为Al 2(OH)nCl6n m， 式中方括号内的部分称为链节，n 为15 的任何整数； m=110，为聚合度，即链节的数目。因此，聚合氯化铝实际上是 m 个 Al2(OH)nCl6n 单体的聚合物，简写为 PAC。聚合氯化铝的凝聚效果与其中的 OH 与 Al 的比值对凝聚效果有密切关系，一般要求 40
22、%60%，通常应碱化度表示。常用的铝、铁盐类混凝剂及其使用条件和优缺点列于下表：表 2.1名称 分子式 主要性能精制硫酸铝 Al2（SO4） 318H2O含 Al2（SO 4） 350%60%；使用的适宜水温2040，PH=6.58.0 ；水解缓慢，使用时需加一定量的碱，但腐蚀性小，使用方法简便，卫生条件好粗制硫酸铝 Al2(SO4)318H2O含 Al2（SO4）320%25% ，水不溶物20%30%。 ，故使用中需增设精制工序；使用适宜水温和 PH 值同精制硫酸铝；价格比精制硫酸铝低20%左右明矾 Al2（SO 4）3K2SO424H2O使用条件同硫酸铝，现已大部分被硫酸铝取代聚合氯化铝
23、Al2(OH)nCl6n m碱化度要求在 40%60%；对水温适应范围宽，适宜 PH=59，投加后无需加碱；混凝效果好，耗量少设备简单，操作方便，腐蚀性小硫酸亚铁 FeSO4 7H2O碱化度要求高、浊度高的废水；受水温影响小，适宜 PH=5.58.0；混凝效果好，絮体形成快且稳定，但腐蚀性大三氯化铁 FeCl36H2O不受水温影响，在 6.011.0 分为内均可用；易溶解，渣量小，絮体大，沉降快，但腐蚀性大，且在溶解时生成 HCl 气体污染空气聚合硫酸铁Fe2（OH ） n（ SO4）3n/2 m适宜水温 2040；PH=5.08.5; 耗量少，混凝效果好，腐蚀性和出水残留 Fe 含量比 Fe
24、Cl3小，絮体沉降性比铝好，中和所需碱量少于除聚合铝以外的的所有铝、铁盐，COD 去除率和脱色效果都优于其它所有铝、铁盐2.4.2.2 有机高分子絮凝剂目前应用于水处理中的高分子絮凝剂，为分子量由数万至数百万的高分子水溶性有机聚合物。有机高分子凝聚剂具有在颗粒间形成更大的絮体及由此产沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究7生的巨大表面吸附作用。因而，近年来国内外在研究和应用方面都进展很快。絮凝剂的种类很多，可分为天然和人工合成两大类。2.5 渗滤分离技术在前几节中主要讲述机械分离形态是液体受限、固体颗粒能自由运动的固液分离技术，在下面将讲述机械分离形态是固体颗粒受限、液体能自由通过的固液分离技术。该
25、部分可总称为渗滤脱水技术。渗滤脱水技术大致有分为四个部分。（1）格栅与筛分脱水，本部分为预处理，前面已做介绍；（2）磁分离技术，在有机物处理中应用很少；（3）超滤脱水技术；（4）膜处理技术。渗透脱水技术是将悬浮在液体中的固体颗粒分离出来的一种工艺。其基本原理是在一定的推动力（压力差、电位差、浓度差等）作用下，悬浮液中的流体（气体或液体）透过可渗性介质，固体颗粒则被介质所拦截和滞留，从而实现流体和固体的分离。3 移动床生物膜反应器和陶粒生物滤池预处理受污染黄河水的比较研究3.1 研究背景和目的移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)是近年来颇受国外研究
26、者重视的一种革新型生物膜反应器，它是解决流化床需使载体流化和淹没生物滤池需定期反冲洗和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。该工艺对有机物具有良好的去除率，并可用于生活污水脱氮除磷，适合于设计小型污水处理厂或改造已有的超负荷运转的活性污泥系统，很具有发展和应用前景，但国内外关于 MBBR工艺处理受污染源水的研究报道很少。陶粒生物滤池(Bio-ceramic filter， BF)是我国处理受污染源水一种研究较多的生物膜反应器，但尚未见其处理黄河原水的研究报道。黄河中下游汾河、涑水河、渭河和伊洛河等入黄支流污染物排放量大，直接影响黄河中下游郑州等大中城市饮用水水沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究8源水
27、质，但目前国内关于黄河水生物预处理的研究报道很少，特别是尚未见MBBR工艺处理受污染黄河水的研究报道。因此本章的主要研究目的是进行利用MBBR工艺和 BF预处理黄河中下游受污染黄河水的对比试验研究，为将来可能兴建的以黄河为水源的生物预处理工程提供一定参考。3.2 试验设备和方法MBBR 工艺由两个反应器串连组成（如图 3.1 所示） ，每个反应器面积为 1 m2，有效工作容积为 3 m3。所用填料为 LT 型悬浮空心球（直径为 100mm,孔隙率约为 87%） ，其比重接近于 1，比表面积为 360 m2/m3，填料装填体积为 50%。进水流量为 4 m3/h，总气水比为 0.25:1（每个反
28、应器进气量都为 0.5 m3/h） ，每个反应器中的溶解氧浓度维持在 5 mg/L 以上。排泥周期为 5 天。BF 工艺如图3.2 所示，滤柱为有机玻璃加工而成，高 3 m，直径为 0.5m。陶粒粒径为 25 mm，填料层高度为 2 m，进水流量为 1 m3/h，气水比为 0.25:1，反应器出水中的溶解氧浓度维持在 5 mg/L 以上。试验原水为柿园水厂进厂水（黄河河水经过两次沉砂作用通过明渠引入） 。本试验从 2004 年 2 月下旬至 2004 年 9 月中旬，在本研究之前两种生物膜反应器已经挂膜成熟并已稳定运行了约 4 个月。在试验研究期间原水水温为 530oC，pH 为 7.88.3
29、。图 3.1 移动床生物膜反应器(MBBR)结构示意图空气 空气原水 出水原水空气 出水沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究9图 3.2 陶粒生物滤池(BF)结构示意图3.3 试验结果与讨论3.3.1 两种生物膜反应器对 CODMn和 TOC的去除图 3.3 和图 3.4 分别反映了两种生物膜反应器对 CODMn 和 TOC 的去除情况。由图 3.3 可以看出，原水中 CODMn 为 3.284.81 mg/L (平均值为 4.1 mg/L)，MBBR 对 CODMn 的去除率为 5.623.1%（平均去除率为 11.6%） ，而 BF 对CODMn 的去除率为 5.520.8%（平均去除率为 1
30、1.8%） ，因而两种生物膜反应器对 CODMn 的平均去除效果接近。由图 3.4 可以看出，原水中 TOC 为 3.75.9 mg/L （平均值为 4.4 mg/L） ，MBBR 对 TOC 的去除率为 8.128.3%（平均去除率为 17%） ，而 BF 对 TOC 的去除率为 7.837.3% （平均去除率为 20.1%） ，因而 MBBR 对 TOC 的平均去除效果稍低于 BF 对 TOC 的平均去除效果。沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究1022.533.544.552-23 3-23 4-23 5-23 6-23 7-23 8-230510152025日 期CODMn (mg/L)去
31、除率(%)原 水 MBBR出 水 BF出 水 MBBR去 除 率 BF去 除 率图 3.3 两种生物膜反应器对 CODMn的去除沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究1101234562-23 3-23 4-23 5-23 6-23 7-23 8-23日 期TOC (mg/L)510152025303540去除率(%)原 水 MBBR出 水 BF出 水 MBBR 去 除 率 BF去 除 率图 3.4 两种生物膜反应器对 TOC的去除3.3.2 两种生物膜反应器对 UV254和三氯甲烷前体物的去除水和废水中的一些有机物如木质素、腐殖质和各种芳香族有机物都是苯的衍生物，而且是天然水体和污水二级处理出水中
32、的主要有机物，常用 UV254作为它们在水中含量的替代参数。在波长 254 nm 下存在吸光度的物质主要为大分子的芳香族化合物，其分子结构复杂，生物降解性很差，因而微生物主要是通过吸附作用去除它们，而生物氧化作用不高。UV 254不但与水中的有机物含量有关，而且与三卤甲烷的前体物也有好的相关。图 3.5 和图 3.6 反映了两种生物膜反应器对 UV254和三氯甲烷生成势的去除情况。由图 3.5 可以看出，原水中 UV254为 0.0690.229 (平均值为 0.150)，BF 对 UV254 的平均去除效果（平均去除率为 20.3%）远高于 MBBR 对 UV254的平均去除效果（平均去除率
33、为 6.5%） 。陶粒比表面积大，表面粗糙，又具有微孔结构，生物很容易附着生长，滤池单位容积有较高的生物量。此外，陶粒上沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究12的生物膜的生物絮凝作用与陶粒层的截留作用也能去除水中的悬浮和胶状有机物，因而 BF 能发挥较好的生物吸附作用。而 MBBR 内填料处于流化状态，因此生物膜的生物絮凝作用与填料的截留作用较弱，对 UV254的生物吸附作用也较差。由图 3.6 可以看出，原水中三氯甲烷生成势为 24.237.8 g/L (平均值为31.7 g/L)，BF 对三氯甲烷生成势的平均去除效果（平均去除率为 36.2%）也高于 MBBR 对三氯甲烷生成势的平均去除效果（
34、平均去除率为 22.1%） 。00.050.10.150.20.252-23 3-23 4-23 5-23 6-23 7-23 8-23日 期UV25405101520253035去除率(%)原 水 MBBR出 水 BF出 水 MBBR去 除 率 BF去 除 率图 3.5 两种生物膜反应器对 UV254的去除沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究13101520253035404-5 4-19 5-3 5-17 5-31 6-14 6-28 7-12 7-26 8-9 8-23日 期三氯甲烷生成势 (g/L)0102030405060去除率 (%)原 水 MBBR出 水 BF出 水 MBBR去 除
35、率 BF去 除 率图 3.6 两种生物膜反应器对三氯甲烷生成势的去除3.3.4 两种生物膜反应器对 AOC和 BDOC的去除饮用水中的污染物给人类健康带来了两方面的风险：化学毒理性风险和微生物学风险。化学性风险是由于饮用水中含有各种对人体有害有毒的化学物质而造成的；微生物学风险则是由于饮用水中存在的病原微生物引起的。多数水厂的经验表明，并不能完全依靠消毒剂来防止细菌在管网中的再生长，尤其是细菌在管壁上的附着生长。引起给水管网中细菌的重新生长和繁殖的主要诱因是饮用水中残存的异养细菌生长所需有机营养基质，即使保持较高的余氯量，只要水中存在足够的有机营养物，细菌仍可以在配水管网中生长繁殖。生物稳定的
36、饮用水是指在配水管网中不会引起异养细菌等微生物再生长的饮用水，饮用水生物稳定性的提高意味着其微生物学风险的降低。给水管网中细菌的重新生长和繁殖能引起许多不良后果，包括微生物代谢引起的管网腐蚀、致病微生物和非致病微生物、嗅味和颜色的产生等。饮用水中细菌赖以生存的有机营养物的指标主要包括：生物可同化有机碳（assmilable Organic Carbon, AOC）和生物可降解溶解性有机碳（Biodegradable 沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究14Dissolved Organic Carbon, BDOC） 。AOC 是有机物中最易被细菌吸收同化成细胞体的部分，是可生物降解有机物的一部分
37、；BDOC 是水中细菌和其它微生物新陈代谢的物质和能量的来源，包括微生物同化作用和异化作用的消耗 18-19。如果饮用水中 AOC 或 BDOC 含量较高，则水质生物稳定性较差，细菌就容易在配水管网中生长繁殖，致病菌出现的可能性也随之增大。只有降低出厂水中AOC 和 BDOC 的含量并控制在一定的浓度限值之下，才能有效控制细菌在管网中的生长繁殖，达到降低饮用水的微生物风险的目的。生物稳定性能通过多种不同的工艺去除可生物降解的有机物来有效控制。刘文君发现生物活性砂滤池或活性炭滤池能有效地降低 AOC 和 BDOC。吴为中发现 BF 预处理工艺能很有效地去除 AOC 和 BDOC。图 2.10 和
38、图 2.11 分别反映了两种生物膜反应器对 AOC 和 BDOC 的去除效果。原水中 AOC 和 BDOC 的浓度分别是 276g/L 和 1.57 mg/L，MBBR 和 BF 都能够十分有效地降低水中 AOC 和 BDOC 浓度，而 MBBR 对 AOC 和 BDOC 去除率（42.8%和 65.5%）都分别相应远远低于 BF 对 AOC 和 BDOC 去除率（62.3%和86.4%） 。050100150200250300原 水 MBBR出 水 BF出 水AOC (ug/L)图 3.10 两种生物膜反应器对 AOC 的去除沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究1500.20.40.60.811
39、.21.41.61.8原 水 MBBR出 水 BF出 水BDOC (mg/L)图 3.11 两种生物膜反应器对 BDOC的去除3.3.5 不同水温时 MBBR内填料上的生物膜活性变化生物处理中有机物的降解，是在酶参与下实现的，其中脱氢酶(DHA)占有重要的位置。生物膜的活性不仅与负荷、水中可降解基质浓度、温度、pH 值等有关，也与生物反应池的流态、传质条件、供氧条件等因素有关，不同运行方式下的生物反应池的生物膜的活性相差较大 7。因此本试验采用 TTC 还原法测定生物膜的脱氢酶(DHA)活性。取每个反应器内一个悬浮球放置于盛 1L 无菌水的大烧杯中，置于振荡器上 60 min（振幅 20 mm
40、，振荡频率 240 次/min) ，所得生物膜混合液则作为测脱氢酶的试验样品。然后按文献所述的方法制作标准曲线和测定脱氢酶活性，最终结果以填料单位容积计（gTF/m 3填料.h） 。图 3.12 反映了不同水温时 MBBR 内填料上的脱氢酶活性变化，由此可知，随着水温的升高 MBBR 内填料上的脱氢酶活性显著增加。水温为 5oC 时，反应器 A 内悬浮球上生物膜脱氢酶活性为 8 gTF/m3.h，这接近于文献报道的在常温条件下运行的弹性填料生物接触氧化工艺的填料生物膜脱氢酶活性(平均值为10.1 g TF/m3填料.h) ，这也在一定程度上解释了 MBBR 工艺在低温条件下仍对有机物具有较好去
41、除效果的原因。此外，由图 3.12 还可得知，反应器 A 中悬浮球上生物膜脱氢酶活性高于反应器 B 中悬浮球上生物膜脱氢酶活性，这是由于生物膜脱氢酶活性受可生物利用的有机基质浓度的影响，而反应器 A 中有机基质浓度较高，因而悬浮球上生物膜脱氢酶活性也相应较高。沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究1601020304050605 10 15 20水 温 (oC)脱氢酶活性(g TF/m3填料.h)反 应 器 A 反 应 器 B图 3.12 不同水温时 MBBR内填料上的脱氢酶活性变化（注：反应器 A指进水端池子，反应器 B指出水端池子）3.4 小结本章进行了利用 MBBR 工艺和 BF 预处理受污染
42、黄河水的对比试验研究，结果表明：（1）两种生物膜反应器对 CODMn 和 TOC 的平均去除效果接近，其中MBBR 工艺和 BF 对 CODMn 和 TOC 的平均去除率分别为 11.6%和 17% 、11.8%和20.1%；（ 2） BF 对 UV254和三氯甲烷生成势的平均去除效果（平均去除率分别为 20.3%和 36.2%）相应高于 MBBR 对 UV254和三氯甲烷生成势的平均去除效果（平均去除率为 6.5%和 22.1%） ；（3）两种都能够十分有效地降低水中 AOC 和 BDOC 浓度，而 MBBR 对AOC 和 BDOC 去除率（42.8%和 65.5%）都分别相应远远低于 BF
43、 对 AOC 和 BDOC 去除率（ 62.3%和 86.4%） ；（4）两种生物膜反应器都能有效地去除氨氮，但 MBBR 对氨氮的去除效果（平均去除率为 63.1 %）略低于 BF 对氨氮的去除效果（平均去除率为 67.4 %） ；（5）MBBR 内填料上生物膜脱氢酶活性较高；（6）BF 和 MBBR 都能有效去除黄河水中的有机物（特别是易生物降解的沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究17小分子有机物） 、藻类和藻毒素、氨氮。而 MBBR 运行管理简单的优点能使其成为一种具有良好应用前景的生物预处理工艺。4 生物活性炭滤池和新鲜活性炭滤池深度处理有机物研究4.1 研究背景和目的颗粒活性炭表面具有
44、良好的多孔介质，比表面积大，具有良好的吸附性能，因此颗粒活性炭滤池就对有机物有着非常理想的去除效率，活性炭深度处理工艺与常规工艺相结合应是一种理想的净水方式。目前关于黄河水经常规处理后进行活性炭滤池深度处理的研究报道很少，特别是尚未见比较新鲜活性炭滤池和生物活性炭滤池处理效果的研究报道。因此本章的主要目的是：进行比较新鲜活性炭滤池和生物活性炭滤池处理黄河水经常规处理出水中有机物的效果，为将来可能兴建的活性炭深度处理工程和后续运行管理提供参考。4.2 试验装置和运行参数本研究设备为有机玻璃制作的并联的大小不同的两种颗粒活性炭滤池，其中体积较大的活性炭滤池（本章称为活性炭滤池 I）内填装有已经连续
45、运行约1.5 年的旧炭（挂膜成熟的生物炭） ， 而体积较小的活性炭滤池（本章称为活性炭滤池 II）内填装有新炭，两种活性炭滤池的运行参数如表 4.1 所示。试验原水为常规工艺处理出水，原水 pH 约为 7.88.5，水温为 2030oC，整个试验时间为 70 天。表 4.1 活性炭滤池的运行参数名称 尺寸 DH(mm2) 填料高度( m) EBCT(min) 滤速(m/h) 活性炭类型活性炭滤池 I 3503000 1200 6.9 10.4 旧炭活性炭滤池 II 1002000 1000 6.9 8.7 新炭4.3 活性炭滤池对有机物的去除4.3.1 活性炭滤池对 CODMn的去除图 4.1
46、 反映了两种活性炭滤池对 CODMn 的去除效果，可以看出，原水CODMn 经常高于 3 mg/L，但经过活性炭滤池处理后，其出水都能满足 CODMn 低于 3mg/L 的规定。虽然活性炭滤池 I 内活性炭是已经运行约 1.5 年的生物炭，沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究18但活性炭滤池 I 对 CODMn 的去除仍然十分有效，这可能是由于除生物氧化作用去除有机物外，微生物还通过胞外酶降解微孔内吸附的有机物达到对活性炭的生物再生作用，使活性炭在达到饱和容量之后仍可以继续吸附少量有机物。还可以看出，在相同水力停留时间下，活性炭滤池 I 对 CODMn 的去除效果明显低于活性炭滤池 II 对 CO
47、DMn 的去除效果，其中活性炭滤池 I 和活性炭滤池II 对 CODMn 的去除率分别为 12.227.9% （平均值为 20.3%）和 17.952.7% （平均值为 31.1%） 。11.522.533.541 5 12 14 18 25 28 32 35 42 46 49 53 60 70时 间 (天 )CODMn(mg/L)0102030405060去除率(%)原 水 活 性 炭 滤 池 I出 水 活 性 炭 滤 池 II出 水 去 除 率 I 去 除 率 II图 4.1 两种活性炭滤池对 CODMn的去除比较此外，在本试验期间内活性炭滤池 II 对 CODMn 的去除规律随时间变化不
48、明显，即滤池内活性炭上生物膜的发育成熟过程对 CODMn 的影响不明显，主要可能原因是：由于 CODMn 是有机物的综合性指标，其反映的有机物成分十分复杂，而原水水质变化较大，且较短 EBCT 条件下使活性炭的吸附作用和及试验沿黄城市饮用水有机物去除工艺研究19后期可能的生物氧化和过滤作用对 CODMn 的去除作用不完全，因而滤池出水水质波动很大。4.3.2 活性炭滤池对 UV254的去除图 4.2 反映了两种活性炭滤池对 UV254的去除效果，可以看出，在相同水力停留时间下，活性炭滤池 I 对 UV254的去除效果远远低于活性炭滤池 II 对UV254的去除效果，其中活性炭滤池 I 和活性炭
49、滤池 II 对 UV254的去除率分别为338.2% （平均值为 21.9%）和 38.777.6% （平均值为 55.9%） 。在波长 254 nm 下存在吸光度的物质主要为大分子的芳香族化合物，其分子结构复杂，生物降解性很差，因而生物滤池中微生物主要是通过生物吸附作用去除它们，而生物氧化作用不高。对于活性炭滤池 I 内的活性炭来说，其吸附容量已经饱和，因而对大分子芳香族化合物的物化吸附作用较弱。但活性炭比表面积大，表面粗糙，生物很容易附着生长，滤池单位容积有较高的生物量。此外，活性炭上的生物膜的生物絮凝作用与活性炭层的截留作用也能去除水中的悬浮和胶状的大分子有机物，因而生物活性炭滤池仍能发挥较好的生物吸附和过滤作用，对大分子的芳香族化合物仍有较好的去除作用。而对于活性炭滤池 II 内的活性炭来说，在试验初期，大分子的芳香族化合物主要通过新鲜活性炭的物化吸附作用去除；在生物膜的发育成熟过程中吸附容量仍没有达到饱和
