（市政工程专业论文）气浮—生物接触氧化集成技术处理受污染水源水研究.pdf

摘要 摘要 近年来，水资源污染日益严重，传统净水工艺已明显不能适应受污染源水 的处理要求。在各种水处理方法中，生物接触氧化技术因其对氨氮和有机物等 污染物的去除效果好而倍受关注。但该工艺在水温低于1 0 c 时，除污染效果有 较大的影响。因此，将生物接触氧化技术与其他水处理技术联合应用是提高生 物预处理效果的方法之一。而气浮工艺能够高效除藻、除氨氮、降低c o d 含量， 在国内已建成的生物接触氧化与气浮串联的净水工艺中各自发挥着除污染作 用。 本试验采用先气浮后生化的工艺，将气浮工艺与生物接触氧化池集成为一 体，利用气浮工艺去除原水中的浊度、氨氮、c o d m 、藻类、u v 2 5 4 等物质， 同时还能为后续的生化工艺提供必需的溶解氧和一定的屏障作用，从而达到利 用生物氧化方法进一步去除污染物质，减轻后续工艺负担和改善出水水质的目 的。 试验通过实验室烧杯混凝试验和现场中试试验确定气浮段的基本运行参 数；分析自然挂膜条件下的工艺启动过程；考察气浮、生化及气浮一生化集成 工艺全流程对原水中各项污染物质的去除效果，分析影响各过程去除效果的工 艺因素；对于试验运行中遇到的一些问题进行探讨并取得了一些有实际应用意 义的结果。 试验结果表明：气浮段采用1 0 的溶气水回流比，聚合氯化铝投加量为 1 5 m g l ，气浮表面负荷为3 4 m 3 m 2 h ；受污染原水的生物接触氧化处理，采 用动态培养自然挂膜法是可行的，在水温适宜( 2 5 3 0 ，平均2 7 ) 和供氧 充分( 水中d o 保持在6 m g l 左右) 的条件下，经过三周生物膜即可成熟；气 浮一生化集成技术能较好的去除受污染水源水中的浊度、氨氮、c o d u n 、u v 2 5 4 和藻类等污染物；温度是影响试验装置除污染效果的主要因素，为了保证低温 条件下的去除效果，本试验采取适当增大生化阶段的供氧量及延长有效水力停 留时间；在低温和高氨氮负荷运行条件下，中试装置有亚硝酸盐积累现象；装 置在停泵3 天后重启动，需要一周才能恢复去除能力，停泵4 0 天需要2 0 天左 右恢复正常：椎实螺出现并大量生长于试验现场原有生化池的填料上，试验发 摘要 现，通过气浮处理，避免椎实螺进入池内是防止其过量生长的可靠办法，此外 试验装置采用的新型填料哪型网片式自旋生物填料通过自旋，使椎实螺不 易于固着。 与现有生化一气浮串联工艺比较，处理受污染原水，气浮一生化集成技术 能取得更好的处理效果。而且具有占地小、能耗低等优点。该工艺具有较好的 应用前景。 关键词：受污染水源水，气浮，生物接触氧化，集成技术 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e s e n ty e a r s t h ep o l l u t i o no fu r a t e rr e g o u r c 2i si n c r e a s i n g l ys e r i o u s t h e t r a d i t i o n a lw a t e rp u r i f i c a t i o nt e c h n i q u ec a l ln o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fp o l l u t e d r a ww a t e rt r e a t m e n t a m o n gt h ev a r i o u sm e t h o d so fp o l l u t e dr a ww a t e rt r e a t m e n t , m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ob i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nt e c h n i q u eb e c a u s ei tc a l l e f f i c i e n t l yr e m o v ep o l l u t a n t ss u c ha sa m m o n i an i t r o g e n ，o r g a n i cm a t t e re t c h o w e v e r ， t h ep o l l u t a n t sr e m o v a lo ft h i sm e t h o di si n f l u e n c e dw h e nt h et e m p e r a t u r eo fw a t e ri s l o w e rt h a nio * c t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n a t i o nw i t ht h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n t e c h n i q u ea n do t h e rm e t h o d sw i l lb eo n eo ft h em e t h o d st h a ti n c r e a s et h ee f f i c i e n c y o fb i o l o g i c a lp r e t r e a t m e n t t h et e c h n o l o g yo fd i s s o l v e da i rf l o t a t i o nc a l lr e m o v e a l g a ea n da m m o n i an i t r o g e n ，a n dr e d u c ec o d a n de a c ho fb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s sa n dd i s s o l v e da i rf l o t a t i o np r o c e s si ns e r i e sh a si t se f f i c i e n c yo f p o l l u t a n tr e m o v a l ，w h i c hh a sb e e nc o n s t r u c t e di no u rc o u n t r y t h i ss t u d yi n t r o d u c e dap r o c e s so ff l o t a t i o ni na d v a n c ea n db i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s sa f t e r , w h i c hi san e wm e t h o do fi n t e g r a t e df l o t a t i o na n db i o l o g i c a l c o n t a c to x i d a t i o n f l o t a t i o nc a i ln o to n l ye x e r tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sp r o c e s si n e f f i c i e n t l yr e m o v i n gt h et u r b i d i t y , a m m o n i an i t r o g e n ，c o d m i l ，a l g a e ，u v 2 5 4e t c ，b u t a l s op r o v i d en e c e s s a r yd i s s o l v e do x y g e na n dac e r t a i nk i n do fb u f f e rf o rt h el a t t e r p r o c e s s e s ，t h u su t i l i z et h eb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nt o r e m o v ep o l l u t a n t si n f u r t h e r ，f o rl i g h t e n i n gt h eb u r d e no fl a t t e rp r o c e s s e sa n di n c r e a s i n gt h ee f f l u e n tw a t e r q u a l i t y t h ee x p e r i m e n tp r i m a r i l ye s t a b l i s h e dt h ep a r a m e t e r so ff l o t a t i o np r o c e s st h r o u g h t h ec o a g u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t hb e a k e r si nt h e l a ba n dt h ep i l o t s c a l ee x p e r i m e n t ；a n d t h e na n a l y z e ds t a r t u pp r o c e s so ft h et e c h n i q u ei nt h ec o n d i t i o no fn a t u r a l b i o m e m b r a n c ec u l t u r i n g f u r t h e rm o r e ，i tr e s p e c t i v e l yi n v e s t i g a t e dt h ee f f i c i e n c yo f p o l l u t a n tr e m o v a li nf l o t a t i o np r o c e s s ，b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nt e c h n i q u ea n dt h e o v e r a l lf l o wo fi n t e g r a t i o n ，a n da n a l y z e dt h ee f f e c t i v ea c t o r si np o l l u t a n tr e m o v a l a t l a s t ，s o m ep r o b l e m sm e td u r i n gt h ee x p e r i m e n tw e r ed i s c u s s e da n ds o m em e a n i n g f u l i i i a b s t r a c t r e s u l t sa b o u tp r a c t i c a lp r o c e s sh a v e b e e no b t a i n e d t h et e s ts h o w st h a t ：t h ea d o p t i o no f10 c i r c u m f l u e n c er a t eo fd i s s o l v e da i r w a t e r , 15 m g ld o s a g eo fp o l y - a l u m i n i u mc h l o r i d ea n d3 4 m 3 m z hs u r f a c el o a d i n g i nf l o t a t i o ni sf e a s i b l e i ta l s oc o n f i r m e dt h a td y n a m i cn a t u r a lb i o m e m b r a n c e c u l t u r i n gi se f f e c t i v ef o rt h i sd e v i c ef o rp o l l u t e dr a ww a t e rt r e a t m e n t w h e nt h e t e m p e r a t u r eo fw a t e ri sc o n d i g n ( 2 5 , - - - 3 0 c ，t h ea v e r a g ei s2 7 ) a n do x y g e n p r o v i d e di se n o u g h ( d oi nw a t e rk e e p sa b o u t6 m g d ，3w e e k si sn e e d e dt om a t u r e b i o m e m b r a n c e t h i si n t e g r a t e dp r o c e s sc a ne f f i c i e n t l yr e m o v et h et u r b i d i t y , a m m o n i a n i t r o g e n ，c o d m n ，u v 2 5 4a n da l g a ee t c o fp o l l u t e dr a ww a t e r t h et e m p e r a t u r eo f w a t e ri st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o ro fe f f i c i e n c yo fp o l l u t a n tr e m o v a l i no r d e rt ok e e p t h ee f f i c i e n c yw h e nt h et e m p e r a t u r ew a sl o w , t h ee x p e r i m e n ta u g m e n t e dt h eq u a n t i t y o fo x y g e np r o v i d e da n dp r o l o n g st h ee f f e c t i v eh r to ft h eb i o l o g i c a lc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s sp r o p e r l y w o r k i n gw i t l lal o wt e m p e r a t u r e ，a n dh i g hl o a d i n go f a m m o n i an i t r o g e n ，t h ee q u i p m e n tw o u l da c c u m u l a t et h en i t r i t e i ft h i se q u i p m e n ti s t u m e do f ff o r3d a y s ，i tm a yn e e daw e e kt or e a c ht h ee l i m i n a t i o ne f f e c t ，w h i l et u r n e d o f ff o r4 0d a y s ，2 0d a y si sn e e d e d l y m n a e as t a y n a l i sa p p e a r e da n dg r e wl a r g e l yo n t h ef i l l e r so fb i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o nt a n k t h er e s u l ts h o w e dt h a tf l o t a t i o ni n a d v a n c et oa v o i dl y m n a e as t a y n a l i se n t e r i n gi n t ot h et a n ki st h ec r e d i b l em e t h o dt o p r e v e n ti tf r o mg r o w i n gl a r g e l y f u r t h e r m o r e ，t h en e wf i l l e ru s e db yt h ee q u i p m e n t ， t y p et fm e s hs c r e e ns p i nb i o - f i l l e r , m a k e sa g a i n s tc l i n g i n go fl y m n a e as t a y n a l i s t h r o u g hr o t a t i n gi t s e l f c o m p a r i n g w i t ht h e e x i s t i n gp r o c e s so fb i o l o g i c a l c o n t a c to x i d a t i o na n d f l o t a t i o ni ns e r i e s ，t h ei n t e g r a t e dt e c h n i q u ei sm o r ee f f i c i e n ti nt h et r e a t m e n to f p o l l u t e dr a ww a t e r a n di ti sat e c h n i q u e 、析t l lt h ea d v a n t a g e so fl e s so c c u p y i n gl a n d a n dl e s se n e r g yc o s t t h i st e c h n i q u eh a sag o o df u t u r ef o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p o l l u t e dr a ww a t e r , f l o t a t i o n , b i o l o g i c a lc o n t a c to x i d a t i o n ，i n t e g r a t e d t e c h n i q u e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：同萄罚 沙p 7 年】月9 e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：川互型岂学位论文作者签名：目莉谗 7 伙年2 月孕日 2 。7 年2 月夕e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：同莉1 谚 2 - o 7 年1 月净 日 第1 章绪论 1 1 水资源现状 1 1 1 水资源短缺 第1 章绪论 水是人类生产和生活中不可代替的自然资源，是人类赖以生存的基本物质。 随着经济发展、人口增长和人们物质文化生活水平的提高，人类对于饮用水和 淡水的需求量逐年增加，但是人类可利用的水资源由于污染和得不到合理的保 护而面临逐年短缺的威胁，水资源己成为人类社会可持续发展的制约因素。 据专家估计全球水资源总量约为1 3 8 万亿立方米，其中的9 7 5 是海洋的 咸水。2 5 的淡水中绝大部分又以冰雪冰川集中在南北极，或者在很深的地下 储水层，至今人类仍难以开发利用，适宜人类享用的仅为o 0 1 。2 0 世纪，世 界人口增加了两倍，而人类用水增加了5 倍。世界上许多国家正面临水资源危 机：1 2 亿人用水短缺，3 0 亿人缺乏用水卫生设施，每年有3 0 0 万到4 0 0 万人死 于和水有关的疾病。到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家，3 5 亿人为水所困。 我国是一个水资源严重缺乏的国家，淡水资源非常短缺，平均年降水总量 约为6 x 1 0 4 亿m 3 ，其中约有5 6 的水量为植物蒸腾或地表水份蒸发所消耗，只有 4 4 形成径流。全国河川年均径流量约为2 6 x 1 0 4 亿m 3 ，加上冰川融需和地下水 补给，初步估算全国水资源总量约为2 7 x 1 0 4 亿i n 3 。占全球水资源的6 ，仅次于 巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位。但人均只有2 3 0 0 m 3 ，仅为世界平均水 平的l 4 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。目 前，全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重 的缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿立方米。水利部预测，2 0 3 0 年中 国人口将达到1 6 亿，届时人均水资源量仅有1 7 5 0 立方米。在充分考虑节水情况 下，预计用水总量为7 0 0 0 亿至8 0 0 0 亿立方米，要求供水能力比现在增长1 3 0 0 亿 至2 3 0 0 亿立方米，全国实际可利用水资源量接近合理利用水量上限，水资源开 发难度极大。 第l 章绪论 1 1 2 水源污染 在国外，特别是近几十年来，由于工业的迅速发展和人口的高度集中，水 体受到不同程度的污染。在法国，塞纳河、瓦兹河和马恩河都不同程度的受到 工业废水、生活污水和农业废水的污染。德国的鲁尔河自2 0 世纪7 0 年代以来水 质严重恶化i l l ；美国8 0 年代初对7 个地面水源的调查发现，它们也不同程度的受 到污染【2 1 。 我国城市也普遍存在着水污染的严重问题。氮、磷和有机物含量超标以及 由此造成的水质富营养化是目前我国水污染的主要问题1 3 。在水源污染问题中， 有机污染最为严重。以现有的检测技术，在水体中已发现有机物2 2 2 1 种，在饮 用水中发现有7 5 6 种，其中2 0 种致癌物、2 3 种可疑致癌物、1 8 种促癌物和5 6 种致 突变物。 目前，我国7 大水系和内陆河流1 1 0 个重点河段符合水环境质量标准i 类和i i 类占3 2 ，i i i 类占2 9 ，i v 、v 类占3 9 。我国废水污染事故每年有1 6 0 0 起，每 年经济损失达3 7 7 亿元，2 0 0 5 年1 1 月2 2 日，哈尔滨全市因松花江水源水受污染而 停水四天，造成巨大经济损失；黄河从1 9 7 2 年开始断流，1 9 9 6 年断流达1 3 6 天； 淮河污染严重，一半支流无法利用；珠江河道发黑发臭，广州市区河段水质已 劣于v 类标准；长江流域污水排放量达1 4 2 亿m 3 年；海河是水污染最严重的；辽 河枯水期水质极差；松花江汞严重超标。 造成我国水污染的原因很多，其中最主要的是工业废水和城市污水未能得 到有效处理。自1 9 8 5 年以来，我国废水年排放总量一直维持在3 5 0 亿至4 0 0 亿吨 左右，1 9 9 7 年废水排放量达到最高值4 1 6 亿吨，其中工业废水排放量2 2 7 亿吨， 市政污水排放量1 8 9 亿吨。废水中化学需氧量( c o d ) 排放量达1 7 5 7 万吨，其中 工业废水c o d f l 放量1 0 7 3 万吨，市政污水c o d f l 放量6 8 4 万吨。但我国的废水处 理率一直很低，城市污水处理率一直小于1 5 ，工业废水处理达标率也在7 0 以 下，大部分废水未经任何处理或处理不达标就排放到江河湖泊等受纳水体。 日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水资源短缺 的矛盾，对我国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严重威胁 到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。 2 第1 章绪论 1 2 受污染源水净化的意义 从目前的状况来看，水源污染日益严重，受污染的水源范围日益扩大。近 年来，虽然我国在水污染防治方面做了许多工作，但不少江河湖泊的水质仍在 逐渐变差，并呈发展势头，工业发达地区水域的污染尤为严重。在这种情况下， 随着人口的快速增长和工农业生产的迅速发展，要想使受到污染水源的水质在 短期内恢复是不可能的。在我国淡水资源本就十分紧缺的前提下，完全不使用 受到污染的淡水水源越来越不可能。也就是说，我国自来水厂不得不面临着使 用更多的水质不符合要求的受污染原水作为生活饮用水和其它用途的水源。 1 3 常规净水工艺的局限性 传统的常规净水工艺对于受污染的原水显得力不从心。由混凝、沉淀、过 滤和消毒等组成的常规净水工艺系统，只能去除水中的悬浮物和胶体物质，相 对于受污染水源中的溶解性有机物的去除能力明显不足。按常规净水处理工艺 处理受污染原水时，主要产生如下几方面问题： ( 1 ) 水中有机污染物大多是带负电荷的化合物，它们的存在使水的z e t a 电 位升高，增加了水处理的难度，导致出水水质下降。为保证一定的出水水质， 需投加过量的混凝剂和加氯，从而增加了水处理成本。 ( 2 ) 常规净水工艺无法完全去除某些有机污染物，对总有机碳t o c ( t o t a l o r g a n i cc o m p o u n d s ) 的去除率一般为2 0 - - - 5 0 ，对氨氮的去除率为1 5 左右， 出水有机物含量仍然很高。而且在预加氯过程中，水中的天然有机物等经卤化 作用还会生成卤代消毒副产物三卤甲烷等“三致物质 ，对人体健康造成很大 的危害。 ( 3 ) 出水中存在可生物降解有机物b d o m ( b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o no r g a n i c m a t t e r ) 成为输水管网中细菌生长繁殖的营养基质，细菌利用该营养基质生长丽 生成生物膜，生物膜老化后脱落，恶化饮用水水质，腐蚀管道，并增加二级泵 站动力消耗。 由此可见，常规净水工艺已不能达到有效去除水中污染物、提供安全饮用 出厂水的目的，必须对原有工艺进行改进以适用于水源污染不断加剧的状况。 第l 章绪论 1 4 受污染源水处理技术研究现状 1 4 1 深度处理技术 深度处理技术是指在常规处理工艺之后采用适当的处理方法【4 】，将常规处 理工艺无法去除的污染物及消毒副产物的前体物加以去除，提高和保证饮用水 质。目前应用较广泛的深度处理技术有：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性碳、 膜技术等。 ( 1 ) 活性炭吸附技术 活性碳是一种多孔性物质，内部具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积， 其中微孔构成的内表面积占总表面积的9 5 以上。研究表明【5 】，活性碳对有机物 的去除主要是微孔吸附作用。因而活性碳的孔径特点决定了它对不同分子大小 有机物的去除效果。除了孔隙特征以外，有机物的特性也是影响活性碳吸附能 力的重要因素，主要是有机物的极性和分子的大小。同样大小的有机物，极性 越强，溶解性越大、亲水性越强，活性碳对其的吸附能力就越差；反之就越强。 在研究活性碳去除饮用水三致物质( 如三卤甲烷) 的过程中，研究人员发 现活性碳对三卤甲烷有一定的吸附能力，但使用周期较短。清华大学在研究中 发现，活性碳虽然对水中氯化产生的三致物质有去除作用，但并不能有效去除， 特别是对三卤甲烷前体物( t h m f p ) 和分子量 3 0 0 0 的有机物，去除效果更差。 ( 2 ) 臭氧氧化技术 0 3 能氧化分解水中的大部分有机物，在低剂量和短时间内可使水的紫外吸 光度有较大的降低，且具有很强的杀菌作用，对水体中微生物、病毒的灭活十 分有效。当其浓度达2 m g l 作用l m i m ，可杀死大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、细 菌的芽孢、黑曲霉酶母等微生物及病毒。但0 3 仅是将对紫外光有较强吸收的大 分子氧化成小分子，这些小分子物质在后续过程中易于形成一些有毒有害物质， 不可能完全矿化有机物，使其成为c 0 2 和h 2 0 。另外，0 3 不能去除氨氮，对水中 _ 些常见优先污染物特别是有机卤化物无氧化效果，其本身极易分解，消毒无 持久性，成本高，因此，一般不单独使用0 3 去除水中有机物，多采用0 3 氧化与 其他方法联用技术，如0 3 一活性碳、0 3 h 2 0 2 、0 3 _ 一y 射线辐射等i 引。 ( 3 ) 膜分离技术 4 第1 章绪论 常用的以压力为推动力的膜分离技术，有微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤 ( n f ) 以及反渗透( r 0 ) 等工艺方法i _ 7 1 。膜分离技术能有效去除水中嗅味、色 度、各种离子、消毒副产物前体物、大分子如腐殖酸和灰黄霉酸等多种有机物 和微生物，其中反渗透和超滤是两种最常见的膜分离技术。反渗透对水中有机 物的去除率达9 0 以上，但对不同分子量的有机物去除程度是不同的。反渗透技 术目前己被大量用于制造纯水、浓缩和富集水中有机物质。超滤可以去除水中 高分子量有机物，有机物去除量的界限还与超滤膜的截留分子量有关。由于目 前超滤膜的截留分子量比较高，所以水中低分子量有机物无法用超滤膜进行去 除。膜分离法要求对原水进行严格的各种预处理，要有相应的除浊、调节p h 、 杀菌、防垢、降低有机物浓度等措施，避免膜淤塞及污染。前处理系统完善与 运转的好坏，对反渗透装置有效运转关系极大，这使膜法的投资和运行费用太 高，难以大规模地推广应用。同时，超滤和微滤的浓缩液与常规水处理产生的 废水不同，其处理也是必须考虑的一个棘手问题。 ( 4 ) 生物活性碳技术 生物活性碳技术是随着活性碳在饮用水处理中的大量使用而出现的。最早 应用于德国的慕尼黑市d o h n e 水厂，中试和生产规模的应用分别在19 7 7 年和1 9 7 8 年开始。试验表明，采用预0 3 生物活性碳工艺后的出水，要优于原有的预氯化 活性碳吸附【8 1 。这在欧洲其他一些国家的饮用水处理运行情况中也得到证实。 生物活性碳对有机物的作用机理，可以看作是物理吸附和生物降解的简单 组合。吸附饱和的生物活性碳在不需要再生的情况下，可利用其生物降解能力， 继续发挥控制污染物的作用，这一点正是其它方法所不具备的。 采用生物活性碳技术后，与原先单独使用活性碳吸附工艺相比，出水水质 得到提高，也增加了水中溶解性有机物的去除，从而降低了氯化时的c 1 2 投加量， 降低了三氯甲烷的生成量，而且延长了活性碳的再生周期，减少运行费用。尽 管该工艺具有明显优势，但作为饮用水处理中氯化前的最后一个处理工艺，卫 生安全性应引起了人们的重视，是否采用该工艺，要进行充分的科学论证。 尽管深度处理技术对于控制饮用水污染和提高水质都发挥了较好的作用， 但是活性炭价格比较贵，影响了它在水处理中的推广作用。另外，活性炭不能 保证对所有的有机化合物有稳定的长久的去除效果。臭氧氧化可能产生一些中 间污染物，而且水中的部分有机物是不易氧化的。生长在生物活性炭颗粒中的 细菌在水力冲刷作用下会进入水中造成二次污染。而且就整体净水工艺的运行 5 第1 章绪论 效果而言，为保证臭氧一活性炭深度处理的功能得以发挥，除对工艺参数进行 优化外，还须控制生物活性碳滤池进水的污染物浓度，特别是氨氮浓度。因而， 对污染程度较为严重的水源，常需进行预处理，以削减氨氮和有机物等污染物 的负荷，保证后续常规净水工艺和深度处理工艺的处理效果。因此，由于深度 处理技术均存在的各自的局限性，所以人们着手考虑采用一些新方法来弥补它 们的不足，预处理技术正是在这样的条件下发展起来的。 1 4 2 预处理技术 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眇3 。预处理技术按对 污染物的去除途径可分为吸附法和氧化法。氧化法又可分为化学氧化法和生物 氧化法。 ( 1 ) 吸附预处理技术 常用的吸附剂有活性炭、粘土等。活性炭吸附最能有效去除水中的有机物， 并且可使致突变活性从阳性转为阴性。同济大学的研究表明：当粉末活性炭的 投加量为2 0 m g l 时，可使常规处理工艺的c o d c ，去除率增加2 0 8 - 3 9 6 。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再生利用 方法，所以运行费用高，难以推广应用。粘土类吸附剂虽然货源充足，价格便 宜，但大量粘土投入混凝剂中，势必增加沉淀池的排泥量，给生产运行带来一 定的困难，因此寻找货源充足、便于回收利用的吸附剂势在必行。 ( 2 ) 化学氧化预处理技术 化学氧化是指在向原水中加入强氧化剂，利用强氧化剂的氧化能力，分解 破坏水中污染物的结构，达到转化或分解污染物的目的。目前采用的氧化剂主 要有氯气、高锰酸钾、紫外光氧化和臭氧等。预氯化氧化是应用最早和目前应 用最为广泛的方法。在水源水输送过程中或进入常规处理工艺构筑物之前，投 加一定量氯气，可以氧化因水源污染生成的微生物和藻类，控制其在管道内或 构筑物内的生长，同时也可以氧化一些有机物和提高混凝效果并减少混凝剂使 用量。但是，由于预氯化导致大量卤化有机污染物的生成，且不易被后续的常 规处理工艺去除，因此可能造成处理后水的安全性下降，所以预氯化氧化处理 6 第1 章绪论 应慎重采用。臭氧氧化法不会像预氯化那样产生有害卤代化合物，也不会残留 在水中，由于臭氧具有很强的氧化能力，它可以通过破坏有机污染物的分子结 构以达到改变污染物性质的目的。但近年来发现臭氧可能使水中有机物转化为 致突变的中间产物。而高锰酸钾预处理能够有效地降低消毒副产物的前体物， 从而减少消毒副产物的产生量，采用高锰酸钾预氧化代替预氯化，出厂水三氯 甲烷较预氯化出厂水减少5 0 们。但有机物经高锰酸钾氧化后的氧化产物中， 有些是碱基置换突变物，不易被后续常规工艺所去除。 化学氧化剂对去除水中的污染物有很好的效果，但运行费用昂贵却始终成 了其全面推广的局限性因素。为此，生物氧化预处理技术遂成了当今饮用水预 处理发展的一个主流方向。 ( 3 ) 生物氧化预处理技术 生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群 体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污 染物进行初步去除，这样既改善了水的混凝沉淀性能，使后续的常规处理更好 的发挥作用，也减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷，延长过滤或活性 炭吸附等物化处理工艺的使用周期和使用容量，最大可能的发挥水处理工艺整 体作用，降低水处理费用，更好地控制水的污染。另外，通过可生物降解有机 物的去除，不仅减少了水中“三致”物前体物的含量，改善出水水质，也减少 了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺， 不仅起到了与预氯化作用相同的效果，而且避免了由于氯化引起的卤代有机物 的生成，这对降低水的致突变活性，控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。 在2 0 世纪8 0 年代，我国学者就进行了受污染饮用水源的生物预处理技术研 究。目前，该技术已非常成熟，并在南方的许多城市投入使用。从应用情况来 看，该技术能使水中各种污染物得到满意的去除【l 卜1 4 】，特别是对氨氮的去除效 果尤为明显，一般均能达到7 0 以上，有的甚至达到9 0 以上。其它指标的去除 率为亚硝酸氮8 0 ，c o d 2 0 ，色度3 0 ，藻类6 0 ，浊度4 0 。 目前研究应用的生物预处理工艺主要有生物接触氧化、生物陶粒滤料滤池、 生物流化床等 1 5 - 1 8 。其中，生物接触氧化工艺是利用填料作为生物载体，微生 物在曝气充氧的条w f 生长繁殖，富集在填料表面上形成生物膜，溶解性的有 机污染物与生物膜接触过程中被吸附、分解和氧化，氮氨被氧化或转化成高价 形态的硝氮。反应过程如下： 7 第l 章绪论 有机污染物氧化反应( 有机物以c x h y o z 表示) ： 4 c x h y o z + ( 4 x + y - 2 z ) 0 2 _ 4 x c 0 2 + 2 y h 2 0 + q ( 1 1 ) 氮氨氧化方程式： 2 n h ：+ 3 0 2 一2 n o ；+ 4 h + + 2 h 2 0 + q ( 1 2 ) 2 n 0 2 + 0 2 _ 2 n o ；+ q ( 1 3 ) 生物接触氧化最早是用于污水处理的工艺。当贫营养的水源水处理和饮用 水处理工艺的发展要求采用生物处理工艺时，就将接触氧化法引进作为水源水 的处理工艺。中国市政工程中南设计院【1 9 测、同济大学口1 之7 1 和清华大学2 8 。3 1 】等 单位对微污染水源水生物接触氧化预处理工艺作了大量的研究工作，取得了丰 硕的成果。 综上所述，生物预处理对于减轻后续处理工艺负担有着实际意义，也是保 证饮用水水质达标的一种有效方法。生物预处理与传统工艺相结合的处理工艺 在饮用水净化领域具有广阔的应用前景。 1 5 气浮一生物接触氧化集成技术概述 1 5 1 气浮工艺 1 5 1 1 气浮工艺的基本原理 气浮法是固液分离或液液分离的一种技术。它通过向水中通入大量的微细 气泡，使其与水中密度接近于水的固体或液体污染物微粒粘附，形成比重小于 水的浮体，在浮力的作用下，上浮至水面形成浮渣，从而完成固液或液液分离。 气泡与絮粒的粘附主要是以下四种因素的综合作用的结果：气泡与絮粒的 碰撞粘附作用；絮粒的网捕、包卷和架桥作用；微气泡和微絮粒的共聚作用( 微 气泡和微絮粒在上浮过程中碰撞粘附并合并增大的过程称为共聚作用) ；表面 活性剂的参与作用。这四种作用在大多数情况下会同时存在，但在饮用水处理 中最主要的机理是碰撞粘附机理。 另外，气泡吸附于颗粒表面的难易程度往往区别于不同的界面性质，当固 体表面完全被润湿时，颗粒已经不能与气泡相粘附；当颗粒为亲水性物质时， 固体与气泡的吸附不太牢固，容易在水流的作用下脱落；当颗粒为疏水性物质 8 第l 章绪论 时，固体与气泡则容易发生吸附。对于亲水性物质，一般需加气浮剂，如松香 油、煤油产品、脂肪酸及其盐类等，使其易与气泡吸附。为降低水的表面张力， 有时还加入一定数量的表面活性剂，使水中形成稳定的微小气泡，但是应该避 免水中表面活性剂过多而促进乳化使气浮效果明显降低。 1 5 1 2 气浮技术的分类及其应用 气浮技术按产生气泡的方式不同有多种类型，如电解( 凝聚) 气浮、布气 气浮和溶气气浮。电解( 凝聚) 气浮主要应用于污泥浓缩和产水量较小的处理 厂( 1 0 - - - 2 0 m 3 h ) ；布气气浮主要用于选矿过程，并且因其缺点而不适用于水处 理过程；真空气浮仅用于造纸工业中的纤维回收方面，并且正被溶气气浮所代 替；微气浮迄今只用于一些具有少量污水和废水的处理过程中。而溶气气浮又 有微气浮、真空气浮和压力溶气气浮之分【3 引。 压力溶气气浮是水处理领域应用最为广泛的一种形式。全流式和分流式压 力溶气气浮由于其所有的絮体形成于空气释放设备前，从而在压力降低释放气 泡时会产生较大的剪切力而打碎絮体，因此也不适合于水处理系统：部分回流 式压力溶气气浮是将全部水流直接导入絮凝池或气浮池，部分气浮出水或过滤 出水在加压情况下溶入空气至饱和，再将其循环回流至气浮池反应区时，利用 气泡释放装置瞬时减压，从而形成许多微气泡，粘附絮体上浮至水面，它在某 些方面可以作为替代沉淀的新技术。部分回流式压力溶气气浮是最适合在水处 理过程中应用的工艺，也是我国目前应用和研究最为广泛的气浮技术。 1 5 1 3 气浮技术的研究和应用现状 作为一种快速的分离技术，气浮技术不仅广泛应用于各类污废水的处理， 也越来越多的在世界各国( 特别是北欧国家) 的给水处理厂采用，成为公认的 处理低温低浊、高藻地表水的行之有效的固液分离手段。近年来这种技术的理 论和应用研究引起了越来越多科技工作者的重视。 ( 1 ) 气浮理论的发展概况【3 3 j 气浮技术的理论体系可分为热力学理论、动力学理论、流体力学理论。其 中，热力学理论从接触角和表面自由能等热力学概念入手，研究絮体颗粒与微 气泡之间的粘附机制问题；动力学理论从粘附行为的微观过程入手，研究絮体 颗粒与微气泡的粘附速度问题；流体力学理论则从气浮池的水力学特征入手， 9 第1 章绪论 研究如何创造既能保证接触区气泡与絮体颗粒快速、充分粘附，又能保证分离 区泡絮结合体迅速、完全上浮的水力学条件。有关气浮净水技术的理论研究， 初始阶段主要集中于热力学理论，近来则主要集中于动力学理论和流体力学理 论。 ( 2 ) 国内外气浮技术的发展概况 气浮净水技术起源于矿物浮选法，1 9 2 0 年p e c k 就考虑到用气浮分离法来 处理废水。1 9 4 5 年气浮法在美国被应用于给水工程，结论是这种方法值得引起 进一步的重视，因为它比传统的沉淀处理方法所用的时间少。2 0 世纪5 0 年代， 虽已有气浮机械，但气浮净水技术发展缓慢，其主要原因是制造微细气泡的技 术未过关。回流式加压气浮净水技术出现后，气浮净水效果得到较显著的提高。 其方法是将净化水的5 - 1 5 回流，在压力下溶解空气形成溶气水。这种部分 回流气浮分离法在6 0 年代初，首先在工业废水处理上得到了应用和发展，在 6 0 年代中已推广到生活饮用水的净化上了。7 0 年代，气浮净水技术得到迅速发 展，微气泡产生技术得到很大提高。最早的气浮净水系统对释气系装置未作更 多的研究，只是用减压阀将溶气水减压释放进行释气，这样简单释气的装置不 但气泡较大、均匀性差、释气不完全、而且溶气水对原水中絮粒的扰动较大， 因而净水效果较差。后来有很多释放器的专利问世，它们通过特制的装置将溶 气水中的空气在一定的控制条件下释放成微细气泡，使气浮净水效果大为改善。 我国在6 0 年代末始有压力溶气气浮装置用于食盐溶液的净化和石油废水 的处理，但由于当时微气泡产生技术较差，净水效果不理想且能耗较大，故未 能将其推广应用。1 9 7 5 年，同济大学在苏州棉布印染厂废水处理站采用气浮工 艺，通过现场试验发现，利用气浮分离法解决印染废水中絮粒和原水的分离问 题，可取得良好的效果，因