生物陶粒在水處理中的應(yīng)用

1、生物陶粒在水處理中的應(yīng)用摘要： 闡述了陶粒的物化組成, 介紹了生物陶粒在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀,總結(jié)了生物陶粒和一些工藝組合對(duì)的有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽、濁度、色度的去除效果,以及在應(yīng)用中存在的問(wèn)題和今后研究重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：生物陶粒; 去除效果; 應(yīng)用前景; 水處理混凝、沉淀、過(guò)濾等處理工藝對(duì)水中的有機(jī)污染物具有一定的去除作用，但常規(guī)水處理工藝對(duì)有機(jī)物的去除率一般在20% 30%，且由于溶解性有機(jī)物存在，不利于破壞膠體的穩(wěn)定性而使常規(guī)工藝的去除效果也明顯下降。常規(guī)工藝對(duì)水中微量有機(jī)污染物沒(méi)有明顯的去除效果，水中有機(jī)物數(shù)量，尤其是毒性污染物的數(shù)量，在處理前后變化不大。針對(duì)飲用水水質(zhì)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研

2、究和實(shí)踐，開(kāi)發(fā)了一些微污染水的凈化處理技術(shù)。生物陶粒過(guò)濾技術(shù)作為單元技術(shù)在原水預(yù)處理、常規(guī)處理工藝改造和深度處理的組合工藝中有著廣闊的發(fā)展前景。 生物陶粒在物理微觀結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)為表面粗糙多微孔，這些特點(diǎn)使生物陶粒特別適合于微生物在其表面生長(zhǎng)、繁殖?，F(xiàn)代水處理工藝充分利用了這些特性，使其成為水處理特別是污水、微污染水源水生物預(yù)處理以及給水過(guò)濾技術(shù)的理想濾料，再加上其密度適中、強(qiáng)度高、耐摩擦、物化性能穩(wěn)定、不向水體釋放有毒有害物等特性，成為了水處理工程的首選濾料。 1 生物陶粒的物理性質(zhì) 飲用水處理中的陶粒填料多為頁(yè)巖陶粒，頁(yè)巖陶粒以頁(yè)巖礦石為原料，經(jīng)破碎后，在1200左右的高溫下熔燒，膨脹成54

3、0mm的球狀陶粒，再經(jīng)破碎后篩選而成。頁(yè)巖陶粒外殼呈暗灰色，表皮堅(jiān)硬，內(nèi)部為鉛灰色，多孔質(zhì)輕。陶粒表面較粗糙，不規(guī)則，有很多孔徑較大的孔洞，相互之間不連通。 由于陶粒表面粗糙不規(guī)則，比表面積較大，故而陶粒表面有利于微生物附著生長(zhǎng)，陶粒表面主要是一些開(kāi)孔大于0.5m以上的孔洞，而細(xì)菌直徑為0.51.0m，因此有利于微生物附著生長(zhǎng)。微生物生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解，降低水中的高錳酸鹽指數(shù)、氨氮。同時(shí)由于工藝的不同，陶粒表面多為大孔，所以可使更多的微生物進(jìn)入陶粒內(nèi)部，從而被截留、吸附的有機(jī)物可以有更長(zhǎng)的時(shí)間被微生物降解。 國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖陶粒粒徑多為25mm，且化學(xué)組成不含對(duì)生物有害重金屬及其他有害物

4、質(zhì)。生物陶粒具有較大的表面積，顆粒粗糙易掛膜，氧的傳質(zhì)效果好、生物膜易更新等優(yōu)點(diǎn)。 2 生物陶粒過(guò)濾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來(lái)，以生物陶粒作為載體的過(guò)濾技術(shù)，對(duì)水中有機(jī)物、藻類、氨氮、鐵、錳、色度、濁度、嗅味等都有較好的去除效果。生物陶粒預(yù)處理與其他物理化學(xué)預(yù)處理相比，有較好的處理效果。作為生物載體，陶粒與活性炭相比具有強(qiáng)度大，耐沖擊，可反復(fù)使用，價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)生物固定技術(shù)處理的生物陶粒過(guò)濾技術(shù)是一種很有前途的水處理技術(shù)。 2.1 生物陶粒預(yù)處理 生物預(yù)處理是對(duì)傳統(tǒng)給水處理工藝的突破與革新，一般采用生物膜法，主要包括生物接觸氧化、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、生物流化床等。附著生長(zhǎng)在填料表面的生物膜吸

5、收水中的有機(jī)物、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行新陳代謝，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。自20 世紀(jì)80 年代初期，飲用水處理領(lǐng)域開(kāi)始引入生物處理方法。曝氣生物濾池是20世紀(jì)80年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的一種新型水處理技術(shù)。王占生等人在國(guó)內(nèi)率先將曝氣生物濾池用于受污染水源水的預(yù)處理。作為預(yù)處理單元，前面沒(méi)有混凝處理，生物陶粒的過(guò)濾機(jī)理與普通快濾池有所不同，過(guò)濾作用主要基于機(jī)械截留作用、微生物新陳代謝產(chǎn)生的粘性物質(zhì)起吸附架橋作用和降低水中膠體顆粒的Zeta電位作用，使部分膠粒脫穩(wěn)形成較大顆粒而被去除。 2.1.1 生物預(yù)處理+常規(guī)水處理工藝 現(xiàn)代水處理工藝充分利用了陶粒的特性, 使其成為水處理特別是污水、微污染水源水生物預(yù)

6、處理以及給水過(guò)濾技術(shù)的理想濾料, 由于其密度適中、強(qiáng)度高、耐摩擦、物化性能穩(wěn)定、不向水體釋放有毒有害物等特性, 成為了水處理工程的首選濾料。清華大學(xué)環(huán)境工程系和蚌埠自來(lái)水公司合作, 利用陶粒進(jìn)行了第一座生產(chǎn)規(guī)模的生物接觸氧化預(yù)處理工程應(yīng)用, 取得了預(yù)期的效果,邯鄲自來(lái)水公司和清華大學(xué)聯(lián)合對(duì)滏陽(yáng)河水進(jìn)行了生物處理中試研究等。 2.1.2 臭氧+生物陶粒預(yù)處理 1992年, 清華大學(xué)聯(lián)合城子水廠采用臭氧+生物陶粒預(yù)處理對(duì)永定河水進(jìn)行預(yù)處理小試研究, 充分利用臭氧的強(qiáng)氧化性, 將大分子的有機(jī)物氧化成中、小分子的有機(jī)物, 改善水質(zhì)的可生化性。另一方面, 臭氧的存在, 為后續(xù)的生物陶粒提供了充足的氧氣,

7、 有利于微生物的生長(zhǎng)與繁殖, 從而進(jìn)一步提高生物處理的效果, 采用聯(lián)合預(yù)處理同單獨(dú)采用生物陶粒預(yù)處理相比, 對(duì)COD 的去除率由20.03%提高到41.59%。 2.1.3 臭氧陶粒一元化預(yù)處理系統(tǒng) 在臭氧/生物炭水處理工藝中, 臭氧氧化后出水中含有大量的生物可降解的有機(jī)物, 并保留了一定的色度、濁度, 增加了后續(xù)生物活性炭的處理負(fù)荷,影響生物炭的使用壽命。在臭氧化反應(yīng)柱中添加陶粒, 在臭氧投加前陶粒通水運(yùn)行一周, 陶粒表面形成穩(wěn)定的生物膜, 試驗(yàn)結(jié)果表明,陶粒的添加能夠增大氣水接觸面積, 提高臭氧的利用率, 一元化反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)COD、濁度和色度的去除效果均好于臭氧化系統(tǒng), 降低濁度的能力明顯優(yōu)

8、于單獨(dú)臭氧化反應(yīng)體系, 該系統(tǒng)出水中的溶解氧含量明顯增加, 可以為后續(xù)生物活性炭處理段提供富氧環(huán)境, 并有效減少生物炭的處理負(fù)荷, 在一元化系統(tǒng)的上部微生物降解作用比較明顯。一元化系統(tǒng)小試的成功, 在一定程度上降低了臭氧+生物陶粒預(yù)處理的基建費(fèi)用, 減少空間布局, 更有助于預(yù)處理在水處理中的推廣與應(yīng)用。 2.2 生物陶粒強(qiáng)化常規(guī)處理 為提高水質(zhì)，我國(guó)大多數(shù)水廠必須改進(jìn)現(xiàn)有的處理工藝或增設(shè)新的深度處理工藝，而改進(jìn)現(xiàn)有的水處理工藝是對(duì)大多數(shù)水廠來(lái)說(shuō)最可行的做法。將常規(guī)過(guò)濾改造成生物過(guò)濾，是對(duì)過(guò)濾技術(shù)的一種強(qiáng)化，無(wú)需增加建設(shè)用地，且投資較少，是較有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)措施。 采用生物濾池-微絮凝活性濾池工藝

9、處理微污染水，則組合工藝對(duì)濁度的平均去除率達(dá)93%,而水廠常規(guī)工藝由于有機(jī)污染物的存在,使得膠體不易脫穩(wěn),濁度的去除率下降,通常僅為50%60% ,因此必須增加混凝劑的投藥量。而本組合工藝在生物預(yù)處理后濁度大為降低,投藥量?jī)H為同期水廠投藥量的1/ 7 ,并且省掉了沉淀池,其經(jīng)濟(jì)性大大提高。 組合工藝對(duì)氨氮的去除彌補(bǔ)了常規(guī)工藝不能去除氨氮的缺陷。同時(shí)水中氨氮的降低有助于降低消毒工藝的加氯量,通過(guò)加氯消毒試驗(yàn)證實(shí),組合工藝加氯量?jī)H為水廠常規(guī)工藝的60% ,從而也就減少了大量消毒副產(chǎn)物生成的可能性。 生物濾池-微絮凝活性濾池工藝與常規(guī)工藝相比,不僅處理效果得到提高,而且操作運(yùn)行中的投藥量大大降低,表

10、現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)有效性,是一種具有良好發(fā)展前景的新型凈水工藝。 2.3 生物陶粒深度處理 氨氮是我國(guó)地表水體中出現(xiàn)頻率相當(dāng)高的超標(biāo)污染物之一,為保證飲用水安全,必須采取相應(yīng)的處理措施。國(guó)內(nèi)對(duì)飲用水的深度處理多采用生物活性炭處理技術(shù)，顆粒狀活性炭盡管吸附性能較佳，但其價(jià)格較貴，使用壽命短。以天然頁(yè)巖礦石為原料的頁(yè)巖陶粒因具有比表面積的大、空隙率高、微生物生長(zhǎng)好、價(jià)格低廉的特點(diǎn)而日受青睞。 用生物陶粒柱和粉末活性炭作淹沒(méi)式中空纖維膜過(guò)濾裝置的預(yù)處理工藝處理飲用水的實(shí)驗(yàn)研究表明生物陶粒柱-PAC膜過(guò)濾裝置系統(tǒng)的組合工藝處理飲用水可達(dá)到很好的效果。 生物陶粒柱對(duì)濁度和細(xì)菌的有效去除,減輕了膜過(guò)濾裝置的負(fù)

11、荷，生物陶粒柱和粉末活性炭聯(lián)合作為預(yù)處理,可較大幅度地增加淹沒(méi)式中空纖維膜過(guò)濾裝置去除有機(jī)物的能力, 生物陶粒柱對(duì)去除含氮污染物質(zhì)起著最為關(guān)鍵的作用,生物陶粒柱氨氮和亞硝酸鹽氮平均去除率分別為91.51 %和98.12 %。生物陶粒柱屬于生物膜水處理方法,生物固體平均停留時(shí)間與水力停留時(shí)間無(wú)關(guān),適于世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌繁衍、增殖。而作為填料的陶粒具有粗糙的表面和大量大于0.5m的不規(guī)則的孔洞,有利于硝化菌在陶粒上固定生長(zhǎng),不易被水沖刷,從而保持較高濃度。 3 生物陶粒的應(yīng)用前景 生物陶粒過(guò)濾技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，經(jīng)過(guò)多年的研究，已取得多項(xiàng)成果，但仍有很多方面有待進(jìn)一步研究。近幾

12、年,美國(guó)和日本等國(guó)家相繼開(kāi)展生物預(yù)處理的各種研究,并取得了較好的成果。陶粒生物預(yù)處理適合我國(guó)南方地區(qū)微污染水源水質(zhì)情況, 也適宜于老水廠改造。生物預(yù)處理既可以充分發(fā)揮微生物對(duì)有機(jī)物去除作用,又可以增加生物處理帶來(lái)的飲用水可靠性,如生物處理后的微生物、顆粒物和微生物的代謝產(chǎn)物等都可以通過(guò)后續(xù)處理加以控制。 3.1 生物陶粒濾池應(yīng)用于污水再生利用工程 污水的再生回用工作,是企業(yè)節(jié)能降耗、減輕市政供水負(fù)擔(dān)的一條有效途徑，生物陶粒濾池應(yīng)用于污水再生利用的工程中，實(shí)踐表明該工藝具有高效節(jié)能、運(yùn)行穩(wěn)定、投資省、占地少、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),是進(jìn)行城市污水再生利用技術(shù)的良好選擇。 3.2 生物陶粒應(yīng)用于廢水處

13、理與回用工程 我國(guó)水體大都被污染,可用水源越來(lái)越少,變廢水為資源是擺在我們面前的一個(gè)急待解決的課題，通過(guò)用生物陶粒工藝處理石油煉制廢水并實(shí)現(xiàn)回用的實(shí)驗(yàn)研究,并經(jīng)幾年的運(yùn)行實(shí)踐表明,該技術(shù)不僅具有操作彈性大,運(yùn)行平穩(wěn),操作簡(jiǎn)單,微生物抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并且該工藝具有高效、低耗,克服了活性污泥法的各種缺點(diǎn),同時(shí)既有環(huán)境效益,又有可觀的經(jīng)濟(jì)效益,是一種值得研究和推廣的技術(shù)。 3.3 生物陶粒應(yīng)用于微污染水的預(yù)處理工程 以去除水中懸浮物和膠體為主的傳統(tǒng)凈水工藝難以將水中的有機(jī)物有效去除，采用生物陶粒濾池對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理，改善后續(xù)常規(guī)工藝進(jìn)水水質(zhì)。生物陶粒預(yù)處理對(duì)原水中的優(yōu)先控制污染物有較好的去除能力

14、，受原水水質(zhì)波動(dòng)影響較小,且促進(jìn)了原水中大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物，有利于后續(xù)常規(guī)工藝的處理。 4 存在問(wèn)題及研究重點(diǎn) 為了發(fā)揮生物陶粒的優(yōu)勢(shì)和克服自身不足，需要今后在以下幾個(gè)方面作重點(diǎn)的研究： ( 1) 后續(xù)工藝對(duì)預(yù)處理代謝產(chǎn)物的控制程度, 目前尚沒(méi)有深一步的研究。生物陶粒出水的微生物活性產(chǎn)物, 如內(nèi)毒素、溶解的微生物產(chǎn)物( SMP) 及未完全降解的有機(jī)化合物等對(duì)健康的影響尚不清楚。 ( 2) 水溫對(duì)生物陶粒中的生物活性影響比較大,特別在連續(xù)低溫( 5 ) 的條件下, 生物陶粒的自然掛膜啟動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng), 對(duì)COD、NH3- N 的處理效果有所下降。 ( 3) 陶粒濾料的再生情況, 目前尚未見(jiàn)報(bào)道, 建議加強(qiáng)研究力度。 參考文獻(xiàn)： 【1】 張玉祥。生物陶粒濾池應(yīng)用于污