飲用水的生物預(yù)處理

一、采用生物預(yù)處理的必要性

我們用CODCr表示水中有機(jī)物的生物耗氧量，而用CODmn作為衡量水中有機(jī)物相對(duì)含量的綜合指標(biāo)；水中CODMmn常大于5-7mg/L， 2001年衛(wèi)生部規(guī)定飲用水CODmn不超過(guò)3mg/L，氨氮不超過(guò)0.5mg/L，要達(dá)到這個(gè)要求，常規(guī)處理是難以達(dá)到的。
在絮凝、沉淀、過(guò)濾等常規(guī)處理工藝前，采用生物方法直接處理原水則稱為生物預(yù)處理。它借助微生物的生命活動(dòng)對(duì)水中的有機(jī)污染物及氨氮、亞硝酸鹽或鐵鹽等無(wú)機(jī)物進(jìn)行初步去除，從而改善水的混凝沉淀性能，使后續(xù)傳統(tǒng)工藝更好地發(fā)揮作用。微污染原水中的有機(jī)基質(zhì)、氨氮和亞硝酸氮等濃度，相對(duì)于污水而言都是很低的，去除的項(xiàng)目不是以BOD為主，而是以氨氮、鐵錳、藻類為主。生物預(yù)處理工藝適用于氨氮、鐵錳濃度高而濁度不高的水源，用生物預(yù)處理的方法來(lái)處理微污染原水，一般均用生物膜法培養(yǎng)以亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌等貧營(yíng)養(yǎng)性微生物為主的生物處理技術(shù)。常用的構(gòu)筑物主要有生物接觸氧化池、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤等。

二、生物膜法的性能及特點(diǎn)

生物膜法是指在好氧條件下利用附著在載體上的生物膜對(duì)水中生物可降解物質(zhì)進(jìn)行去除的一種方法。生物膜中對(duì)有機(jī)物起分解作用的微生物主要是細(xì)菌，原生物只起輔助作用。生物膜具有比表面積大，軟化能力強(qiáng)，管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是處理水中有機(jī)污染物的有效方法。
與其他技術(shù)相比，生物膜法還具有節(jié)省動(dòng)力消耗、水力停留時(shí)間短等特點(diǎn)，尤其適用于低有機(jī)物含量。

三、立體彈性填料生物接觸氧化池

1. 簡(jiǎn)介
   由于立體彈性填料為生物載體的生物接觸氧化池其有經(jīng)濟(jì)高效、不會(huì)堵塞、管理方便和運(yùn)行穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在多處水廠或工程中推廣應(yīng)用。1996年6月，在寧波市梅林水廠建成了第一座彈性填料的生物接觸氧化預(yù)處理池，設(shè)計(jì)水量規(guī)模Q=40000m3/d，顯著去除受污染的姚江原水的氨氮、CODmn等污染物。在氣水比為((0.5-0.7):1、池水停留時(shí)間為1.4-2.0h的條件下，常溫情況下一般能去除原水中氨氮70%-90%，亞硝酸氮60%-80%，CODmn20%-30%，總有機(jī)碳20%左右。
   彈性填料是由許多根富有彈性的、直徑0.5mm左右的聚烯烴類塑料短絲串接在中心繩上而成，各條填料單元的上下端分別平行地垂直固定在生化池中的吊索或吊桿上。各填料單元在平面上通常呈梅花形組裝布置，如圖11-2。彈性填料下方設(shè)曝氣管系統(tǒng)和排泥系統(tǒng)，生物接觸氧化池布置見(jiàn)圖11-3。
   立體彈性填料生化池技術(shù)在浙江省嘉興市、上海市、廣東省、深圳市等地的多處水廠或工程中使用，取得了良好效果。
   
2. 去除污染物的效果
   生物接觸氧化預(yù)處理工藝能去除飲用水中那些用常規(guī)方法不能有效去除的污染物，對(duì)污染原水中可生物降解的有機(jī)物、合成有機(jī)化合物、氨氮、硝酸鹽、色度、嗅味、濁度、藻類以及鐵、錳等均有良好的去除效果。
   生物接觸氧化作為一種預(yù)處理工藝，既改善了原水的混凝沉淀性能，能使后續(xù)工藝順利進(jìn)行，又減少了水中“三致”物前體物的量。降低了致突變物活性，改善了出水水質(zhì)；還減少了細(xì)菌在配水管網(wǎng)中重新孳生的可能性。
   (1)氨氮和亞硝酸氮的去除；生物接觸氧化池內(nèi)同時(shí)存在著兩種主要的生物作用：一是生物硝化作用，二是有機(jī)物的生物氧化作用。進(jìn)行生物硝化作用的主要是硝化細(xì)菌。硝化細(xì)菌是一種自養(yǎng)型細(xì)菌，它以二氧化碳作為碳源，以氨氮或亞硝酸氮作為氮源，在好氧條件下，通過(guò)硝化作用，被氧化為硝酸氮。
   在污染原水中，氨氮濃度一般較高。當(dāng)氨氮濃度超過(guò)0.5mg/L時(shí)，水廠運(yùn)行即產(chǎn)生困難，超過(guò)1mg/L時(shí)，不僅運(yùn)行困難，而且出水的安全性受到威脅。飲用水中建議上限濃度為0.5mg/L。
   生物接觸氧化對(duì)氨氮的去除效果很好。在內(nèi)徑35mm的蜂窩斜管填料，在水溫11.5-24℃、水在填料中停留時(shí)間1.3-1.83h的條件下，氨氮去除率為67.9%-81.8%。
   (2)有機(jī)物與色度、嗅味的去除；生物接觸氧化法可去除原水中大部分可生物降解的有機(jī)物以及色度和嗅味。采用填料高2m的生物陶粒接觸氧化工藝處理原水，在氣水比(1:1)-(1:2)、水力停留時(shí)間42-85min，濾速1.42-2.86m/h的條件下，CODmn平均去除率為28.5%，最高去除率達(dá)55.8%。色度平均去除率47.7%，嗅閾值平均去除率61.1%。
   (3)濁度的去除；對(duì)于顆粒狀填料(如陶粒)生物接觸氧化池，濁度的去除主要靠陶粒的機(jī)械截留作用和接觸絮凝作用；對(duì)于彈性填料和蜂窩斜管填料生物接觸氧化池，濁度的去除主要靠生物膜對(duì)懸浮物的絮凝吸附作用，使之成為較大顆粒而沉淀于池底。
   生物接觸氧化工藝能有效降低有機(jī)物污染原水中膠粒的ζ電位值，降低幅度達(dá)14.4%-37.2%，從而使膠粒易于脫穩(wěn)而凝聚。經(jīng)過(guò)生物接觸氧化預(yù)處理，原水濁度平均可去除60%左右，后續(xù)工藝中原水混凝所需混凝劑聚合氯化鋁可節(jié)約30%左右，在投加同樣混凝劑條件下，經(jīng)過(guò)生物預(yù)處理絮凝體形成和生長(zhǎng)速度較快，絮體粒徑較大，提高了傳統(tǒng)處理工藝的水質(zhì)。
   (4)藻類的去除；生物接觸氧化預(yù)處理可有效去除富營(yíng)養(yǎng)水體中的藻類。在氣水比(1:1)-(2:1)，水力負(fù)荷10m3/(m2·h)、水溫5-20℃條件下，除藻率達(dá)60%-92%。
   (5)鐵錳的去除；生物接觸氧化對(duì)鐵、錳的去除機(jī)理可能是由于生物池中的水經(jīng)曝氣后含有較高的溶解氧，部分低價(jià)鐵、錳被氧化成高價(jià)鐵、錳而去除，其余部分被微生物吸收利用。污染原水中通常含有較高濃度的鐵和錳。
   
3. 生物填料
   生物接觸氧化處理的填料有兩類：一是粒狀填料，作為生物膜的載體時(shí)所用的反應(yīng)器類似于生物濾池，但曝氣使反應(yīng)器的充氧效率和傳質(zhì)效果更好，對(duì)污染物的去除能力更強(qiáng)，又稱曝氣生物濾床；二是管狀、柱狀或刷狀填料，作為微生物的附著基質(zhì)時(shí)，可建成推流式生
   物處理池或完全混合式接觸氧化池，具有生物膜法和活性污泥法的優(yōu)點(diǎn)，適用范圍十分廣泛，又稱生物接觸氧化預(yù)處理工藝。
   (1)粒狀填料生物接觸氧化預(yù)處理；生物陶粒作為填料，它的空隙率高，比衷面積可達(dá)3.99m2/g，粒徑一般為2-5mm，原料的來(lái)源廣。一系列研究與應(yīng)用表明，以生物陶粒作為填料的生物接觸氧化床處理多種原水都有較好的效果。
   陶粒填料生物反應(yīng)器在不同的處理規(guī)模條件下對(duì)污染物的去除效果都不錯(cuò)，能適應(yīng)不同的水質(zhì)。
   粒狀填料生物接觸氧化預(yù)處理技術(shù)發(fā)展十分迅速，目前已進(jìn)入工程應(yīng)用階段。
   (2)管狀、纖維狀半軟性填料生物接觸氧化預(yù)處理；國(guó)內(nèi)對(duì)半軟性填料預(yù)處理原水的研究證實(shí)其對(duì)不同類型的原水均有很好的去除效果。在水溫約25℃，水力停留時(shí)間60-90min的條件下，進(jìn)水氨氮0.25-9mg/L，去除率70%-95%，進(jìn)水CODmn6-8mg/L，去除率20%-30%，濁度去除50%-80%。
   
4. 工程應(yīng)用
   1996年在寧波建成我國(guó)第一座日處理4*10^4m3水的生物接觸氧化預(yù)處理池，后續(xù)凈水過(guò)程節(jié)約礬30%-50%、液氯80%-85%。1998年在深圳水庫(kù)建成日處理400*10^4m3的生物接觸氧化處理工程，運(yùn)行以來(lái)，氨氮的去除率超過(guò)75%，其他污染物也有良好的去除效率。
   

四、曝氣生物濾池

曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)是近年國(guó)外發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)廢水好氧生物處理的新工藝。曝氣生物濾池將生物氧化過(guò)程與固液分離集于一體，使碳源去除、固體過(guò)濾和硝化過(guò)程在同一個(gè)單元反應(yīng)器中完成，池結(jié)構(gòu)改進(jìn)后增加了厭氧區(qū)的曝氣生物濾池還可以進(jìn)行反硝化脫氮及除磷。曝氣生物濾池具有處理效率高、占地面積小、基建及運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1. 原理和形式
   曝氣生物濾池的基本原理在于在一級(jí)強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，以顆粒狀填料及其附著生長(zhǎng)的生物膜為主要處理介質(zhì)，充分發(fā)揮生物代謝作用、物理過(guò)濾作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反應(yīng)器內(nèi)食物鏈的分級(jí)捕食作用，實(shí)現(xiàn)污染物在同一單元反應(yīng)器內(nèi)去除。曝氣生物濾池
   借鑒了生物接觸氧化反應(yīng)器和深床過(guò)濾器的設(shè)計(jì)原理，省卻了二次沉淀設(shè)備。反應(yīng)器內(nèi)存在著不同的好氧、缺氧區(qū)域，可同步實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化，在去除有機(jī)物的同時(shí)達(dá)到脫氮的目的。
   曝氣生物濾池的形式在進(jìn)水方式、填料選擇和使用功能上各有所不同，即上向流曝氣生物濾池和下向流曝氣生物濾池，懸浮填料曝氣生物濾池和沉沒(méi)填料生物濾池；去碳曝氣生物濾池、硝化曝氣生物濾池、反硝化生物濾他、水源水預(yù)處理曝氣生物濾池和組合曝氣生物濾
   池等。
   
2. 處理微污染水源水
   曝氣生物濾池用作受污染水源水的預(yù)處理工藝，以去除過(guò)多的SS、有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)，減輕后續(xù)水處理工藝的負(fù)擔(dān)，提高供水水質(zhì)。在處理營(yíng)養(yǎng)化水源時(shí)應(yīng)用曝氣生物濾池進(jìn)行硝化，取得了很高的氨去除率。
   針對(duì)飲用水水源污染問(wèn)題，濾料選用合適的凈水用生物陶粒。采用曝氣生物濾池進(jìn)行預(yù)處理工藝可以有效改善原水水質(zhì)，提高出廠水水質(zhì)。上海某水廠是國(guó)內(nèi)率先采用曝氣生物濾池的工程實(shí)例。
   
3. 某水廠的曝氣生物濾池預(yù)處理
   該廠1999年進(jìn)行了深度處理改造工程，采用黃浦江上游原水，制水能力為10^4m3/d，處理工藝采用兩條處理能力為5000m3/d的平行處理流程，采用曝氣生物濾池預(yù)處理的工藝流程為：曝氣生物濾池→常規(guī)處理→臭氧→活性炭?；钚蕴砍鏊由倭柯?，進(jìn)入清水庫(kù)后由二泵房提升輸入管網(wǎng)。水廠工藝流程如圖11-4所示。
   
   
4. 陶粒濾料的特點(diǎn)
   ①陶粒采用黏土為原料，加入少量輔料，使陶粒表面粗糙、多微孔、不結(jié)釉；
   ②強(qiáng)度高，孔隙率大，比表面積大，化學(xué)和物理穩(wěn)定性好，與PP、PE等規(guī)則填料相比，具有生物附著力強(qiáng)、掛膜性能良好等優(yōu)點(diǎn)；
   ③形狀為球形，密度適中，水流流態(tài)好，反沖洗容易進(jìn)行；
   ④粒徑可根據(jù)需要制作，截污能力強(qiáng)，過(guò)濾周期長(zhǎng)。
   水廠采用的生物陶粒的具體參數(shù)為：球形，粒徑為3-5mm，有效粒徑3.2mm，棕褐色，密度1.7kg/L，堆積密度0.85kg/L，比表面積>1.5*10^4 cm2/g，孔隙率50%左右。綜合設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表11-8。

   BAF濾池生物陶粒參數(shù)指標(biāo)

   項(xiàng)目	設(shè)計(jì)參數(shù)	項(xiàng)目	設(shè)計(jì)參數(shù)
   處理水量/(m3/d)	5000	池總高度/m	5.00
   濾速/(m/h)	5.5	填料高度/m	2.0
   氣水比	(0.7-1):1	空床停留時(shí)間/min	22
   平面尺寸(長(zhǎng)*寬)/m	11.20*7.50	曝氣方式	底部設(shè)微孔擴(kuò)散裝置連續(xù)曝氣
   單格面積/m	分3格，每格面積為14	反沖洗方式	單氣沖2-3min，再單水沖5min
   池頂標(biāo)高/m	9.50	沖洗周期/d	5-7
   池底標(biāo)高/m	4.50	沖洗強(qiáng)度/[L/(m2·s)]	氣、水沖洗強(qiáng)度均為15

5. 結(jié)果與討論
   ①曝氣生物濾池作為預(yù)處理工藝已成功運(yùn)行于上海某水廠，它具有接觸時(shí)間短、占地面積小、排泥方便等優(yōu)點(diǎn)，操作和砂濾基本相同。
   ②系列陶粒濾料具有易掛膜、不易板結(jié)、強(qiáng)度高、不易破碎、水流阻力小、易沖洗等優(yōu)點(diǎn)。
   ③水廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，曝氣生物濾池預(yù)處理可去除濁度40.9%、鐵53.1%、錳36.6%、氨氮39.9%、亞硝酸鹽40.1%、耗氧量CODmn15.4%、可同化有機(jī)碳54%，提高出水水質(zhì)和生物穩(wěn)定性。
   ④試驗(yàn)證明，曝氣生物濾池預(yù)處理可節(jié)約混凝劑10%-20%左右。
   ⑤通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)認(rèn)為，生物預(yù)處理工藝適用于原水氨氮濃度較高的情況，采用生物處理工藝時(shí)，要考慮在預(yù)處理后加氯化消毒劑來(lái)控制沉淀池和砂濾池中的藻類及其他浮游生物過(guò)量生長(zhǎng)而影響運(yùn)行和水質(zhì)的問(wèn)題。
   

五、臭氧-生物活性炭技術(shù)

1. 工藝特征
   臭氧-生物活性炭工藝是將活性炭物理化學(xué)吸附、臭氧化學(xué)氧化、生物氧化降解及臭氧滅菌消毒四種技術(shù)合為一體的工藝。該工藝可以使處理水水質(zhì)明顯提高，主要表現(xiàn)為：
   ①國(guó)內(nèi)常規(guī)加氯工藝處理的自來(lái)水的Ames，致突變?cè)囼?yàn)結(jié)果多為陽(yáng)性，而該工藝處理后為陰性；
   ②有機(jī)物的去除率為50%以上，比常規(guī)處理提高15-20個(gè)百分點(diǎn)；
   ③提高色度和嗅閾值去除率，改善感官性指標(biāo)；
   ④提高對(duì)鐵、錳的去除率；
   ⑤可以去除氨氮達(dá)90%左右，水中氨氮和亞硝酸氮可被生物氧化為硝酸鹽，從而減少了后氯化的投氯量，降低了三鹵甲烷的生成量；
   ⑥有效去除可同化有機(jī)碳、蛋白氨氮，提高處理水的生物穩(wěn)定性，提高了管網(wǎng)水水質(zhì)。
   另外，該工藝還延長(zhǎng)了活性炭的運(yùn)行壽命(約6倍，可達(dá)3年)，減少了運(yùn)行費(fèi)用。
   
2. 臭氧-生物活性炭?jī)羲に嚵鞒痰倪x擇
   在采用生物活性炭?jī)羲に囍?，必須?duì)原水進(jìn)行最好一年以上的抽樣試驗(yàn)和分析。
   目前國(guó)內(nèi)外采用的生物活性炭?jī)羲に嚩鄶?shù)都是在原水被污染，而既有水廠傳統(tǒng)凈水工藝不能滿足出水水質(zhì)的情況下所增設(shè)的深度處理部分。因此就生物活性炭?jī)羲に嚩?，一般?yīng)與傳統(tǒng)的凈水工藝配合使用。
   ①北京某水廠工藝流程
   原水→預(yù)加氯→混凝→澄清→砂濾→臭氧接觸→活性炭過(guò)濾→安全投氯→用戶
   ②蘭州某水廠采用的工藝流程
   原水→混凝→澄清→氣浮→砂濾→臭氧接觸→活性炭過(guò)濾→安全投氯→用戶
   ③哈爾濱某水廠中試采用的工藝流程
   原水→混凝→沉淀→砂濾→臭氧接觸→活性炭過(guò)濾→安全投氯→用戶
   
3. 上海某水廠深度處理工程概況
   某水廠工藝流程見(jiàn)圖11-5。
   水廠臭氧系統(tǒng)流程見(jiàn)圖11-6。
   
   
   
   
4. 臭氧-生物活性炭技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
   臭氧-生物活性炭技術(shù)在處理微污染的原水中有著其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)越性，正在被越來(lái)越多的水廠所接受。作為一種優(yōu)水質(zhì)、低能耗、無(wú)污染的綠色工業(yè)水處理技術(shù)，該法必將獲得更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

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