全流程生物氧化法處理微污染原水研究

1、全流程生物氧化法處理微污染原水研究            摘要：許多水廠已經(jīng)或正在準(zhǔn)備采用生物接觸氧化預(yù)處理(BCO)技術(shù)來(lái)提高水質(zhì)，由于對(duì)生化處理缺乏深入了解及受傳統(tǒng)預(yù)加氯處理的限制，現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行的生化處理工藝并不能有效地去除有機(jī)污染物。在對(duì)預(yù)加氯與否所測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了全流程生物氧化(EPBO)的處理工藝。 關(guān)鍵詞：生物接觸氧化 預(yù)加氯 全流程生物氧化 微污染原水  Study on the Use of Entire Process Biol

2、ogical Oxidation for Micropolluted Raw Water Treatment Abstract： In lot of water treatment plants,biological contact oxidation process has been o r is to be adopted for water pretreatment,so as to improve water quality.Due to lack of full knowledge of biochemical treatment and the limitation in

3、 traditiona l prechlorination conception,the operated biochemical process fails to efficient ly remove the organic pollutants.Analysis was made for the experimental data mea sured under the conditions whether chlorination was adopted.Based on the analysi s,the entire process biological oxidation (EP

4、BO) has been proposed.Keywords:biological contact oxidation; pre-chlorination; entire process biological oxid ation; micropolluted raw water 目前，對(duì)微污染原水的處理主要是在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增設(shè)生物接觸氧化工藝(BCO)、臭氧氧化和生物活性炭濾池等，但采用BCO技術(shù)的水廠為防止藻類在后續(xù)處理構(gòu)筑物內(nèi)大量繁殖，往往在生物預(yù)處理出水中預(yù)加氯，從而使后續(xù)沉淀、過(guò)濾工藝的生物作用難以發(fā)揮。為驗(yàn)證在含BCO工藝的后續(xù)凈水系統(tǒng)中混凝沉淀池與濾池所具的生化

5、作用，筆者于1999 年9月25日1999年11月1日進(jìn)行了在混凝沉淀前預(yù)加氯的試驗(yàn)，并將所測(cè)得參數(shù)與參比的C、Z兩水廠的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了比較。試驗(yàn)中所投加的漂粉精量為24mg/L(漂粉精含有效氯約為60%)，沉淀池出水余氯保持在0.61.0mg/L。1 預(yù)加氯對(duì)氨氮去除效果的影響)預(yù)加氯去除氨氮的效果見(jiàn)表1。從表1可知，對(duì)于各工藝單元而言，在未投加漂粉精以前，除砂濾池受進(jìn)水氨氮濃度影響較大外，其余各單元均相對(duì)較穩(wěn)定。表1預(yù)加氯對(duì)氨氮去除效果的影響處理單元未加漂粉精預(yù)加漂粉精氨氮濃度(mg/L)去除率(%)氨氮濃度(mg/L)去除率(%)原水0.855.301.105.70生化池0.211.24

6、75760.221.726980沉淀池0.130.8233380.161.381927砂濾池0.020.3656840.101.141744注：表中數(shù)據(jù)是以原水氨氮濃度的變化范圍為基準(zhǔn)，將其所對(duì)應(yīng)的該日的生化池、沉淀池、砂濾池的出水氮氨濃度相應(yīng)列入表中，而去除率則是相對(duì)于該工藝單元進(jìn)水的去除率的計(jì)算值，沉淀池為斜管沉淀池，其水流上升流速為2.14mm/s，HRT為0.94h。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，原水經(jīng)BCO工藝處理后，出水中細(xì)菌、硝酸細(xì)菌或氨化細(xì)菌的含量增多，這些細(xì)菌在后續(xù)凈水單元的載體上附著后繼續(xù)發(fā)揮生物降解作用，此時(shí)的砂濾池已是 一種具有較強(qiáng)生物活性的生物砂濾池。預(yù)加氯后，由于氯對(duì)水中的

7、細(xì)菌及微生物有較強(qiáng)的殺滅作用，因而沉淀出水中細(xì)菌及微生物的含量較低。若進(jìn)入砂濾池的水中也含有較高的余氯，同樣會(huì)對(duì)濾料表面的細(xì)菌及微生物起著殺滅作用，因而預(yù)加氯后砂濾池的生物活性一般較差。常規(guī)工藝對(duì)氨氮的去除主要是氯和氨氮進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，集中在混凝、沉淀兩工藝中，同時(shí)還可能包括一些雜質(zhì)膠體及吸附了氨氮的雜質(zhì)顆粒的去除作用。無(wú)預(yù)加氯的常規(guī)工藝中，除了上述沉淀作用外，氨氮的去除是靠沉淀池中斜管管壁生長(zhǎng)的和濾池濾 料表面附著的氨化細(xì)菌等的生物硝化作用。在設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)觀察到斜管管壁表面生長(zhǎng)著一層褐色的生物膜，取管壁表面的生物膜與生物接觸氧化池中填料表面的生物膜進(jìn)行鏡檢比較發(fā)現(xiàn)這層生物膜疏松且較厚(

8、厚度約為0.30.45mm，是YDT填料上部生物膜厚的23倍)，其表面的生物群落以苔蘚蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)群落為主，其中在苔蘚蟲(chóng)的表面還附著有其他小型動(dòng)物，管壁外部有黑褐色污物。同期對(duì)C、Z兩水廠內(nèi)的斜管取樣鏡檢，發(fā)現(xiàn)在上部管壁有一些綠色藻類和苔蘚蟲(chóng)群落，下部以一層較薄的淤泥為主，整個(gè)管壁顯得較為干凈。這些現(xiàn)象有力地解釋了一般常規(guī)混凝沉淀作用對(duì)氨氮幾乎無(wú)去除效果、但無(wú)預(yù)加氯的混凝沉淀池出水氨氮卻可以有效降低的事實(shí)，究其原因是生化池出水中大量的氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的存在及斜管壁上生長(zhǎng)的生物膜硝化作用所致。分別對(duì)EPBO試驗(yàn)系統(tǒng)各工藝單元、C與Z水廠砂濾池中石英砂表面的氨化細(xì)菌進(jìn)行了測(cè)定，其中C、Z兩水廠

9、水源與EPBO試驗(yàn)系統(tǒng)相同，但C水廠未設(shè)生物預(yù)處理工藝，而Z水廠則設(shè)有生物預(yù)處理工藝，這兩座水廠均采用混凝前預(yù)加氯的方式。所測(cè)得的氨化細(xì)菌數(shù)等見(jiàn)表2。表2 異養(yǎng)細(xì)菌和氨化細(xì)菌總數(shù) 采樣點(diǎn)生物接觸氧化池試驗(yàn)砂濾池臭氧生物活性炭池生物活性炭池C水廠砂濾池Z水廠砂濾池氨化細(xì)菌數(shù)(個(gè)/g)3.00×1064.00×1052.50×1049. 50×1041.50×1042.50×105異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)(個(gè)/g)1.80×1082.50×1062.00×1057.50×1054.50×1042.50&

10、#215;106 注： 所測(cè)數(shù)據(jù)為每克填料或石英砂的濕重細(xì)菌數(shù)目。表2試驗(yàn)砂濾池中的氨化細(xì)菌數(shù)是C水廠砂濾池中的26.7倍，是Z水廠的1.6倍，這一數(shù)字與預(yù)加氯試驗(yàn)砂濾池對(duì)氨氮的去除率有40%(注：1/0.61.67)以上的差值有較好的吻合。石英砂濾料較粗糙的表面為微生物的生存提供了良好的附著條件    2007-05-18        1。HJ取這種活性濾料進(jìn)行顯微鏡觀察時(shí)可以看到砂粒呈褐色或黑褐色，而C、Z兩水廠的砂粒在運(yùn)行多年之后仍不變色，這與兩座水廠在混凝

11、前投加大量的氯有關(guān)。    2 預(yù)加氯對(duì)CODMn去除效果的影響生化作用在降解原水中有機(jī)物上的優(yōu)越性見(jiàn)表3、4。表3 常溫下混凝沉淀池對(duì)CODMn的去除效果 表4常溫下濾池對(duì)CODMn的去除效果沉淀池出水CODMn(mg/L)2加PAC(mg/L)未加氯(mg/L)去除率(%)平均值(%)加PAC(mg/L)加氯(mg/L)去除率(%)平均值(%)4510103522.95100.40.693318.24510153625.75100.40.6133621.9注：去除率值系指該單元進(jìn)、出水的高錳酸鹽指數(shù)變化，而非全系統(tǒng)的去除率變化。結(jié)果表明，常

12、溫下生化凈水系統(tǒng)在混凝沉淀前預(yù)加氯與否對(duì)有機(jī)物的去除效果差別并不明顯，但從飲水安全的角度考慮，預(yù)加氯應(yīng)當(dāng)盡量避免，這樣不但會(huì)減少大量鹵化有機(jī)污染物的生成，還會(huì)提高處理水的毒理學(xué)安全性，同時(shí)還減少了氯耗，降低了水處理成本。3 EPBO與常規(guī)工藝去除NO2-N的比較3.1 水廠常規(guī)工藝對(duì)NO2-N的去除 較低加氯量預(yù)加氯為23mg/L，澄清池出水余氯為0.61.0mg/L，砂濾池出水余氯為0.30.75mg/L ，出廠水余氯為0.51.0mg/L，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為1.65.0mg/L，出水的濃度為0.140.60mg/L；當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為0.61.15mg/L，出水的NO2-N濃度為

13、0.010.08mg/L。這說(shuō)明當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為1.65.0mg/L，后加氯量為12mg/L已不能使出水NO2-N的含量達(dá)到低于0.1 mg/L的要求。另外，砂濾池出水NO2-N濃度一般較澄清池出水濃度高一些，尤其當(dāng)澄清池出 水NO2-N0.1mg/L時(shí)，砂濾池出水NO2-N濃度升高的幅度更明顯。當(dāng)澄清池出水為0.0040.088mg/L，砂濾出水的NO2-N濃度升至0.0900.45mg/L，這表明澄清池出水的余氯量已不能完全抑制砂濾池中砂上的微生物生長(zhǎng)繁殖，此時(shí)亞硝化作用開(kāi)始加劇。砂濾池微生物檢測(cè)結(jié)果如表5所示。表5 C水廠砂濾池細(xì)菌檢測(cè)結(jié)果名稱異養(yǎng)細(xì)菌亞硝酸細(xì)菌硝酸細(xì)菌數(shù)量(個(gè)/g樣品)

14、2.5×1051.4×10530表5可知，砂濾池中異養(yǎng)細(xì)菌、氨化細(xì)菌及亞硝酸細(xì)菌數(shù)目較多，而硝酸細(xì)菌只有30個(gè)/g(樣品濕重)，這可能是因?yàn)檫M(jìn)入砂濾池的NO2-N濃度比氨氮濃度低得多，再加余氯的抑制作用使得硝酸細(xì)菌難以在砂濾池中生長(zhǎng)繁殖，而亞硝酸細(xì)菌的大量生長(zhǎng)繁殖導(dǎo)致了砂濾池中明顯的生物亞硝化作用，使得NO2-N濃度升高。 較高加氯量預(yù)加氯為46 mg/L，后加氯為12mg/L。澄清池出水余氯量為1.22.0mg/L，砂濾池出水余氯量為1.01.75mg/L，出廠水余氯量為0.751.25mg/L，試驗(yàn)結(jié)果表明，在預(yù)加氯為46mg/L時(shí)澄清池對(duì)NO2-N去除率80%，這時(shí)進(jìn)

15、砂濾池的余氯量為1.22.0mg/L，砂濾池出水NO2-N濃度仍有升高的可能，表明1.22.0mg/L的余氯量仍不足以完全抑制砂濾池的亞硝化作用，但NO2-N濃度升高的幅度與加氯量較低時(shí)相比則較小。C水廠常規(guī)工藝砂濾池中存在著明顯的亞硝化作用，NO2-N濃度的變化是由加氯 量和濾池亞硝化作用共同決定的，最后砂濾池出水NO2-N濃度的升高或降低取決于這兩種作用的強(qiáng)弱。當(dāng)澄清池出水余氯量較低時(shí)，砂濾池出水的NO2-N濃度大幅上升，后加氯量 為12mg/L已不足使出水NO2-N濃度0.1mg/L；當(dāng)澄清池出水余氯量較高時(shí)，砂濾池出水的NO2-N濃度有可能升高，但升幅不大，后加氯為12mg/L可使出廠

16、水NO2-N濃度0.1mg/L，所以在水源水氨氮濃度常年較高的凈水廠，為了使出廠水濃度降到0.1mg/L或更低，關(guān)鍵在于抑制砂濾池的亞硝化作用，而這就必須提高加氯量。3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)NO2-N的去除 3/h、有效水力停留時(shí)間為1.12h、混凝劑PAC投加量為510mg/L時(shí)的試 驗(yàn)結(jié)果表明，砂濾池對(duì)降低NO2-N濃度起到了決定性作用，出水NO2-N最高不超過(guò)0.05mg/L，一般為0.002mg/L(分析方法的檢測(cè)限值)，砂濾池NO2-N去除率幾乎達(dá)到100%。 這是由于該系統(tǒng)生化池出水沒(méi)有進(jìn)行預(yù)加氯，微生物容易在砂上生長(zhǎng)繁殖，形成了生物快濾池。盡管生化池對(duì)氨氮有很好的去除效果，但由于原水氨

17、氮濃度較高，進(jìn)入砂濾池的氨氮濃度降低不多，再有生化池出水的溶解氧較高也為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖提供了良好的條件，因此砂 濾池中有很好的生物硝化作用。還對(duì)原水及試驗(yàn)系統(tǒng)各單元出水的溶解氧濃度進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)沉淀池和砂濾池出水溶解氧逐漸降低，表明此處有微生物耗氧作用發(fā)生。砂濾池溶解氧的降幅比沉淀池大得多，即砂濾池中微生物代謝活動(dòng)更加旺盛，消耗的溶解氧也更多。4 對(duì)EPBO的探討從前面的討論可知，BCO工藝中的生物作用十分顯著，其填料上粘附的菌膠團(tuán)細(xì)菌為了取得更多的食物可能進(jìn)入水中，胞外酶也會(huì)游離于水中。在上升水流或前進(jìn)水流的作用下，這部分呈游離態(tài)的細(xì)菌和胞外酶會(huì)被挾帶進(jìn)入沉淀池、濾池，并在其中繼續(xù)發(fā)揮

18、生物作用，這就為全流程生物氧化的實(shí)現(xiàn)提供了有力條件?；诖耍P者提出了水廠全流程生物氧化的凈水工藝系統(tǒng)，即原水經(jīng)BCO工藝預(yù)處理后，取消常規(guī)處理工藝中的預(yù)加氯工藝，在自然狀態(tài)下使常規(guī)處理設(shè)備生物化，然后通過(guò)生物活性炭濾池進(jìn)行吸附與過(guò)濾(這一工藝單元對(duì)沒(méi)有條件實(shí)施的水廠可以暫時(shí)不設(shè)，同樣具有良好的除污染效果)，最后再加氯消毒送入市政管網(wǎng)。4.1 生物氧化處理效果各工藝及組合工藝對(duì)水中有機(jī)物的去除效果見(jiàn)表6。表6 各工藝對(duì)去除水中主要污染物的貢獻(xiàn) 工藝 平均去除率(%) 加氯后增加倍數(shù) 氨氮 CODMn UV254 TOC CHCl    2007-05-1

19、8        3 CCl4 BCO 75.2 11.6 -3015 9 基本未變 基本未變 BT 91.3 43.5 39.9 13.3 未測(cè) 未測(cè) ClT47.9 33.1 30.6 10.6 4.9714.6 813.7 BClT 82.146.634.514.13.4317 2.415 BTOC 95 59.849.615.6未測(cè) 未測(cè) BTC 9861.448.516.0未測(cè) 未測(cè) 注： 表中的去除率是在常溫下、水質(zhì)較差時(shí)各工藝的平均值。 a.BCO生物接觸氧化預(yù)處理系統(tǒng) b.BT常規(guī)凈水工藝 c.Cl

20、ClTBCO工藝出水加氯后進(jìn)入常規(guī)凈水工藝 e.BTOCBCO工藝后續(xù)常規(guī)處理及臭氧生物活性炭處理 f.BTCBCO工藝后續(xù)常規(guī)處理及生物活性炭處理由表6可見(jiàn)，除UV254值外，BT、BTOC與BTC工藝對(duì)去除水中有機(jī)物的貢獻(xiàn)是十分顯著的，可見(jiàn)生物處理作用較為明顯。在去除水中TOC、CODMn兩個(gè)指標(biāo)方面，BTOC和BTC工藝大體相同，BClT和BT工藝大體相同，前者較后者略高一些；在降低UV254值方面，BTOC和BTC比BT、BCO、ClT和BClT貢獻(xiàn)要大；在去除氨氮方面，BTC與BTOC工藝去除效果最好，BT次之，ClT最差。針對(duì)試驗(yàn)原水，經(jīng)過(guò)相同預(yù)處理的各組合工藝處理效果的優(yōu)劣依次是

21、：BTC、BTOC、BT、BClT、BT、ClT(這里均不考慮后加氯)。這里要強(qiáng)調(diào)是BCO的特點(diǎn)，它在去除水中有機(jī)物的同時(shí)，一是能有效去除氨氮，降低其后續(xù)工藝(生物活性炭濾池)的負(fù)荷及其需氧量；二是能使BCO工藝出水溶解氧接近飽和，為后續(xù)工藝的生物處理創(chuàng)造了良好的條件；三是BCO工藝出水中微生物含量會(huì)大量增加，有助于后續(xù)處理工藝中生物膜的形成及修復(fù)。在常規(guī)工藝前采用BCO工藝對(duì)原水進(jìn)行生物預(yù)處理，在BCO工藝之后不投加氯，使生物接觸氧化作用在常規(guī)水處理工藝得以延續(xù)，這樣做強(qiáng)化了常規(guī)處理系統(tǒng)，使之具有一定的生物活性 。在BT之后輔以生物活性炭濾池或其他生物處理即可滿足深度處理的要求。BT系統(tǒng)中加

22、氯點(diǎn) 應(yīng)設(shè)在砂濾池出水處，而在BTC或BTOC中的加氯點(diǎn)應(yīng)設(shè)在生物活性炭池或臭氧生物活性炭池出水之后。對(duì)沒(méi)有條件設(shè)生物活性炭池或臭氧生物活性炭池的水廠，在水源水受到氨氮和有機(jī)物的污染 時(shí)通過(guò)增設(shè)BCO工藝，取消預(yù)加氯工藝也可能使整個(gè)凈水工藝取得較滿意的效果。4.2 實(shí)現(xiàn)EPBO的措施3/(m2·h)左右，采用微孔膜曝氣器或穿孔曝氣管，氣水比為(0.50.7)1，曝氣要求出水DO達(dá)到80%90%飽和率，以保證后續(xù)處理的需氧要求。其他形式的生物預(yù)處理設(shè)施還有生物轉(zhuǎn)盤(pán)、塔式生物濾池、生物流化床及陶粒生物濾池等。 反應(yīng)池改進(jìn)反應(yīng)池可采用回流式、折流式和折板式，保持原有過(guò)水?dāng)嗝媪魉倩虮３衷蠫

23、T值，用斜板或立板將其分隔，可作為附著生物的填料，間距為5cm左右，以利于形成生物膜，其停留時(shí)間可維持原值。 沉淀池和各類澄清池在沉淀池和各類澄清池加斜板或斜管以附著生物膜。若不按出水濁度控制時(shí)，上升流速可取較大值以利于斜板或斜管壁上生物膜的更新，可適當(dāng)縮短停留時(shí)間即加大負(fù)荷，防止生物生長(zhǎng)造成斜板或斜管的堵塞，以使生物反應(yīng)作用可持續(xù)進(jìn)行。沉淀池或澄清池出水要設(shè)2030cm的跌水曝氣以保證后續(xù)濾池的需氧，必要時(shí)可在沉淀池或澄清池出水處設(shè)曝氣設(shè)備。氣浮池中也可加斜板或柔性填料，使之成為具有生化作用的氣浮池。 濾池適當(dāng)加厚濾層，采用深層均質(zhì)粗濾料，將濾速降低至8m/h以下，最好能有氣水反沖洗裝置(為保持生物膜的活性，反沖洗周期可適當(dāng)縮短)。 生物活性炭濾池生物活性炭濾池視需要而定，其濾料層厚度2m，濾速為8m/h左右為宜。 采用氯氣或二氧化氯消毒最后一道工序是加氯或二氧化氯消毒。在以上組合凈水工藝中，共形成了5級(jí)生物處理和1