微污染水源水的给水处理技术 30页

微污染水源的生态修复技术\n什么是微污染水源微污染水源水饮用水中能够测得的微量污染物质微污染水源污染物质有机物、氨氮、藻类分泌物、酚、氰化物、重金属、农药污染源工业废水、生活污水、农业农药和化肥使用、养殖废水、未达标的处理水。\n污染物质1234微污染水源的水质特点受工业废水和生活污水影响水中溶解性有机物大量增加一些有害微生物较难去除内分泌干扰物质去除率不高\n为污染水源的处理的目的和意义微污染水源水中可能含有致癌物的前体，经加氯消毒后会三氯甲烷、二氯乙酸等“三致”物。微污染水源水含有较高氨氮，导致供水管亚硝化细菌过量繁殖，影响供水管通畅。残留有机物引起管道中异养菌滋生。低浓度毒物直接危害人体健康\n常见的处理技术物理技术化学技术生物预处理技术\n物理技术吹脱吹脱是利用水中溶解化合物的实际浓度与平衡浓度之间的差异，将挥发性组分不断由液相扩散到气相中，达到去除挥发性有机物的目的。吸附吸附处理技术是指利用物质强大的吸附性能来去除水中污染物的技术。目前用于水源水处理的吸附剂有活性炭（AC）、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸石、离子交换树脂，其中用得最多的是对水中有机污染物和臭味有较强吸附作用的疏水性物质—活性炭。膜过滤膜分离法是新兴的高分离、浓缩、提纯、净化技术，是用天然或人工合成高分子薄膜做介质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶液进行过滤分离、分级提纯和富集的物理处理方法。\n化学技术预氧化技术预氧化技术是指向原水中加入强氧化剂，利用强氧化剂的氧化能力，去除水中的有机污染物，提高混凝沉淀效果。常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等。光化学氧化法光化学氧化法是在化学氧化和光辐射的共同作用下，使氧化反应在速率和氧化能力上比单独的化学氧化、辐射有明显提高的一种水处理技术。\n生物理技术水源水生物处理技术的本质是水体天然净化的人工化，通过微生物的降解，去除水源水中包括腐殖酸在内的可生物降解的有机物及可能在加氯后致突变物质的前驱物和NH3—N，NO2—N等污染物，再通过改进的传统工艺的处理，使水源水水质大幅度提高。常用方法有生物滤池、生物转盘、生物流化床，生物接触氧化池和生物活性炭滤池。这些处理技术可有效去除有机碳及消毒副产物的前体物，并可大幅度的降低NH3—N，对铁、锰、酚、浊度、色、嗅、味均有较好的去除效果，费用较低，可完全代替预氯化。1水生植被修复2生物操纵修复3生物试剂添加修复（微生物）\n水生植被修复各种水生植物是水生生态系统的重要组成部分，它们在湖泊水体生物生产中占有及其重要的地位，是湖泊生态系统中物质与能量流的主要传递者，其种群数量变动对湖泊生态及水域环境有着重大影响。许多常见的水生植物都能够有效的吸收水中的氮磷等污染物质，如芦苇、凤眼莲、满江红、水葫芦、水花生等。这些水生植物一方面可直接吸收水中的营养物质，降低水中营养盐的含量，其根茎还可截留过滤一些污染物质；另方面因为水生植物与藻类存在着生态竞争，所以对藻类的繁殖有一定的抑制作用。通过水生植物的收割可在减少二次污染输出营养盐的同时得到有价值的水生植物，可用作动物饲料、鱼饵料、能量来源(如产沼气)、堆肥作为土壤调节剂肥料添加剂等，另外，还可以将绿化环境和景观治理与水生植物修复结合起来。\n1水生植物滤床水生植物滤床(AquaticPlantFilterBed,简称APFB)是一种新型人工湿地系统,其特征是:¹不填充砾石、土壤或其他介质,采用水培法栽种植物;º床体和水深浅。该系统首先通过水生植物的立体网状根系滤层将悬浮物和藻类过滤去除,然后由微生物对滤后堆积物(积泥)中的氮、磷和有机物进行降解,同时通过植物吸收除去水中及积泥中的部分氮、磷,形成一个由水生植物、水生动物及微生物构成的高效生态净化系统,实现了物理过滤和生物处理的结合。\n工艺流程如图1所示。装置主体为水泥砂浆墙面砖砌浅池,其前端是配水渠(38m@0.6m),末端是出水集水渠,中间是植物种植区(38m@15m),池底坡度为0.5%。为使流态接近理想推流,池内每隔1.5m用砖砌一道隔墙,形成21条植物种(见图1),单元槽尺寸为15m@1.5m@0.4m(长@宽@深)。河水由泵提升,经PVC管以重力流方式进入各单元槽。PVC管上装有球阀,可根据需流量。出水通过活动溢流堰进入集水渠后返入河中。\n研究角度不同水力负荷下的运行效果水深的影响污染物浓度的沿程变化\nAPFB具有工艺简单、运行管理方便、生态环境效益显著等特点,而且不填充任何基质,因此水力负荷更高(为一般湿地的5~6倍)、不易堵塞,使该工艺应用于给水预处理成为可能。APFB的另一重要特点是既能取得良好的除藻效果,又不破坏藻细胞。高藻含量是富营养化水源水的一个重要特征。藻类表面一般带负电荷,而且具有一层水化膜,使藻细胞很难混凝沉降,而且藻类还是典型的氯化消毒副产物前体物。更需重视的是,藻细胞一旦被破坏,就会释放出藻毒素,因此对于高藻原水,最好是在常规工艺的滤池及消毒前,将藻细胞以不被破坏的形式去除,以保证后续处理工艺的高效性和出水水质的安全性。由于APFB的除藻途径主要是根系的机械截留、生物膜对藻类的絮凝沉淀以及原生动物、后生动物对藻类的捕食等作用,所以采用此系统处理微污染水源水的过程中不会破坏藻细胞。\n建于宜兴市大浦镇,靠近太湖陈东港入口的工程为例：1应用APFB进行微污染水源水的预处理在技术上是可行的,能较好地改善原水水质。2水力负荷对污染物去除效果的影响是非线性的,最佳水力负荷为2.5~3.0m3/(m2#d)。3水深对污染物的去除效果影响较大,较小的水深有利于提高污染物去除率,适宜水深为10~20cm。4有机物浓度在床体前段降低较快,氨氮则在床体后半部分得到有效去除,而Chl-a和浊度沿水流方向基本呈直线下降。5在最佳运行条件下,APFB对CODMn、NH+4-N、Chl-a和浊度的去除率分别可达30%、25%、80%和90%以上。\n2人工湿地人工湿地具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等优点。该方法早期主要用于处理生活污水，由于其出水水质可达到或超过二级污水处理标准，适用面广\n针对微污染水体污染物浓度低的特点，常规处理方法存在处理难大、处理成本高的弊端。采用人工湿地技术，可有效对微污染水进行净化，且投入、运行成本低。表1，表2列举了人工湿地对自然水体、校园混合污水、污水处理厂尾水、养殖废水等水体处理的运行参数和净化效果数据，并进行对比分析。\n生物操纵修复生物操纵就是利用生态系统食物链摄取原理和生物的相生相克关系，通过改变水体的生物群落结构来达到改善水质、恢复生态平衡的目的。经典的生物操纵理论是调整鱼群结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而控制藻类的过量生长。美国、加拿大和欧洲一些国家在这方面都进行了一定的研究。其主要途径是通过人为去除浮游生物食性鱼类，或投放肉食性的鱼类除去浮游生物食性的鱼类，从而促进大型浮游动物的发展，借以抑制藻类生长。事实证明该项技术在改善湖泊水质方面是行之有效的。\n目前，对于生物操纵法应用于水体修复还存在着争议，虽然有人对生物操纵法持怀疑态度，认为鱼类的生长、代谢会加重水环境的污染并不能对水环境的改善起着促进作用，但多数人还是认为它是湖泊管理的一条重要途径。我国在沧州的大浪淀水库、无锡太湖等地都进行了类似的水环境生态修复方面的研究。\n二：微生物处理1塔式生物滤池轻质滤料的开发与采用，为塔式生物滤池的应用创造了条件。生物塔滤增加了滤池高度，分层放置填料，通风良好克服了普通生物滤池（非曝气）溶解氧不足的缺陷。国外广泛采用塑料材质大孔径波纹孔板滤料，我国常采用环氧树脂固化玻璃钢蜂窝填料。塔式生物滤池的净化作用也是通过填料表面的生物膜的新陈代谢活动来实现的。塔式滤池的优点是负荷高、产水量大、占地面积小，对冲击负荷水量和水质的突变适应性较强。缺点是动力消耗较大，基建投资高，运行管理不便。\n在生物滤池的基础上，参照化学工业中的填料塔方式，建造了直径与高度比为1:6～1:8，高达8～24米的滤池。由于它的直径小、高度大、形状如塔，因此称为塔式生物滤池，简称为“塔滤”biotower。塔式生物滤池也是利用好氧微生物处理污水的一种构筑物，是生物膜法处理生活污水和有机工业污水的一种基本方法，目前已在石油化工、焦化、化纤、造纸、冶金等行业的污水处理方面得到了应用。通过近几年的实践表明，塔式滤池对处理含氰、酚、腈、醛等有毒污水效果较好，处理出水能符合要求。由于它具有一系列优点，故而得到了比较广泛的应用。\n塔式生物滤池是以加大滤层高度来提高处理能力的一种生物膜法优点：（1）塔身高8～24m，占地小，构造主要部分包括塔体，滤料、布水设备、通风装置、回流及排水系统。（2）滤料一般选用环氧玻璃布料制成的蜂窝结构（或尼龙花瓣型软性滤料），其单位体积表面可达80～220。可排列组合成多层结构，这种蜂窝结构，空气畅通，可按气水比2～5：1(生活类废水）的要求选择风机。（3）是属于高负荷生物滤池，水力负荷高达80～200；有机负荷可达2000～3000g；（普通滤池0.8～1.2kg）。（4）高的落差，使用旋转布水器，废水淋洗的冲力使老化的生物膜脱落更新快。（5）塔的高度使塔内生长不同种的微生物群。缺点：（1）废水在塔内停留时间短，降解效率低。（2）供氧不如曝气池充足，易产生厌氧。\n2生物转盘反应器生物转盘在污水处理中已广泛采用，目前在给水处理领域，对某些污染程度较为严重的微污染水进行了一些研究。日本、我国台湾地区以及国内学者的试验研究表明，采用生物转盘预处理在适宜水力负荷下改善微污染水水质是有效的。生物转盘的特点表现为，生物膜能够周期的运行于空气与水相两者之中，微生物能直接从大气中吸收需要的氧气（减少了溶液中氧传质的困难性），使生物过程更为有利的进行。转盘上生物膜生长面积大，生物量丰富，不存在类似于生物滤池的堵塞情况，有较好的耐冲击负荷的能力，脱落膜易于清理处置。但存在的不足是生物氧化接触时间较长，构筑物占地面积大，盘片价格较贵，基建投资高。\n生物转盘工艺是生物膜法污水生物处理技术的一种，是污水灌溉和土地处理的人工强化，这种处理法使细菌和菌类的微生物、原生动物一类的微型动物在生物转盘填料载体上生长繁育，形成膜状生物性污泥－－－生物膜。污水经沉淀池初级处理后与生物膜接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，使污水得到净化。在气动生物转盘中，微生物代谢所需的溶解氧通过设在生物转盘下侧的曝气管供给。转盘表面覆有空气罩，从曝气管中释放出的压缩空气驱动空气罩使转盘转动，当转盘离开污水时，转盘表面上形成一层薄薄的水层，水层也从空气中吸收溶解氧。\n3生物膨胀床与流化床生物膨胀床是介于固定床和流化床之间的一种过渡状态，流化床中的填料随水、气流的上升流速的增加而逐渐由固定床经膨胀床最后成为流化床。生物膨胀床与流化床通过选用适度规格粒径（约为0.2~1.0mm）的生物载体，如砂、焦碳、活性炭、陶粒等，采用气、水同向混合自下而上，使载体保持适度膨胀或流化的运转状态。与固定床相比，从两个方面强化了生物处理过程：一方面，载体粒径变小，比表面积增大，单位溶剂的比表面积可达到2000~3000m2/m3，这大大提高了单位生物池的生物量。另一方面，由于颗粒在反应器中处于自由运动（膨胀或流化）状态，避免了生物滤池的堵塞现象，提高了水与生物颗粒的接触机会；同时可采用控制膨胀率的办法来控制水流紊动对生物颗粒表面的剪力水平，进而控制填料上生物膜的厚度，有利于形成均匀、致密、厚度较薄且活性较高的生物膜。这些都大大的强化了水中可生物降解基质向生物膜内的传递过程，使生物膨胀床、流化床的单位容积的基质降解速率得到提高。生物膨胀床、流化床含有活性高的较大生物量，处理水力负荷增大，并保证出水水质良好。
　　采用生物膨胀床与流化床，可解决固定填料床中常出现的堵塞问题，进一步提高净化效率，且占地面积少。但由于保持膨胀或流化状态，消耗的动力费用较高，且维护管理复杂，尤其是当池体比较大的情况，如一旦停止运行，再启动很困难，运行中水力学条件难以控制等。在运行过程中还存在流化介质跑料现象，其工程应用还很少见。\n4生物接触氧化法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件下生长繁殖，富集在填料表面上形成生物膜，其生物膜上的生物相丰富，有细菌、真菌、丝状菌、原生动物、后生动物等组成比较稳定的生态系统，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，氨氮被氧化或转化成高价形态的硝态氮。反应过程如下：有机污染物氧化反应:4CxHyOz+(4x+y-2z)O2——4xCO2+2yH2O+Q（1）氨氮氧化方程式：2NH4++3O2——2NO2—+4H++2H2O+Q（2）2NO2—+O2——2NO3—+Q（3）\n生物接触氧化法的主要优点是处理能力大，对冲击负荷有较强的适应性，污泥生成量少；缺点是填料间水流缓慢，水力冲刷小，如果不另外采取工程措施，生物膜只能自行脱落，更新速度慢，膜活性受到影响，某些填料，如蜂窝管式填料还易引起堵塞，布水布气不易达到均匀。另外填料价格较贵，加上填料的支撑结构，投资费用较高。现有生物接触氧化法在曝气充氧方式、生物填料上都有所改进。国内填料已从最初的蜂窝管式填料，经软性填料、半软性填料，发展到近几年的YDT弹性立体填料；曝气充氧方式也从最初的单一穿孔管式，发展到现在的微孔曝气头直接充氧以及穿孔管中心导流筒曝气循环式。在一定程度上，促进了膜的更新，改善了传质效果\n5膜生物反应器膜生物反应器是指以超滤膜组件作为取代二沉池的泥水分离单元设备，并与生物反应器组合构成的一种新型生物处理装置，英文称之为MembraneBioreactor。由于超滤膜能够很好的截留来自生物反应器混合液中的微生物絮体、分子量较大的有机物及其他固体悬浮物质，并使之重新返回生化反应器中，这就使反应器内的活性污泥浓度得以大大提高，从而能够有效的提高有机物的去除率。\n6电生物反应器将电极装置与生物反应器组合起来就构成了所谓电生物反应器（英文名称为Electro-Bioreactor）。Mellor等的研究表明，在外加电流的条件下，由于电子的产生，生物膜和固定化酶的反硝化作用得以强化，其反应方程为：2H++2e—H2（1）2H2O+2e—H2+2OH—（2）2NO3—+5H2+2H+—N2+6H2O（3）显然，通过对水的电解，阴极提供电子，产生氢，而氢作为电子供体与硝酸盐发生了方程（3）所示的反应，使生化反应速率及去除率得以提高，从而减少了水中硝酸盐的含量。从原理上讲，这种方法除了可以实现反硝化处理外，还可以去除水体中的有机物，但目前对电生物反应器尚处于基础理论和动力学研究阶段，离实际应用还有相当一段距离。\n结论生物预处理是一种经济有效且在毒理学上安全的方法，它通过降解BOM来降低甚至消除了输水管网中菌群生长的可能性，从而减少了消毒剂的消耗，并进而降低THMs的形成；通过降低Zeta电位减少对混凝剂的消耗；其对NH3—N和其它有机污染物有良好的处理效果，尤其在与传统工艺（混凝—沉淀—过滤—消毒）联用后，对降低饮用水致突变活性效果也很好。而且，该方法投入少，见效快，适合我国国情，因此，生物预处理与传统工艺的组合是目前国内水厂改善出水水质的首选方法。\n缺点：生物预处理对微量难生物降解的优先污染物（指经过优先选择的污染物，其特点是：难以降解、在环境中有一定残留水平、出现频率较高、具有生物积累性、三致性、毒性较大或潜在危害性较大以及现代已有检出方法的物质）无效；对THMS只有少量去除效果；Ames试验不能由阳变阴；运行效果受到许多因素的影响，特别是原水水质、水温、水量的变化和操作管理水平的高低都直接影响处理效果；与常规工艺相比，需较长的成熟期，并进行生物驯化；由于生物处理是借助于微生物新陈代谢去吸收利用水中的污染物，因此会有各种代谢产物以及微生物本身进入水中，其中大多数物质的特性及对人体健康的可能影响还所知甚少。