屈計寧，張建良
（污染控制與資源化研究國家重點實驗室，同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

　　摘　要：應用懸浮填料生物反應器對受污染河水進行短時生物處理，將溶解性有機物轉變成生物絮體，再用化學沉淀法加以去除，充分發揮了生物和化學法各自的優點。中試研究結果表明，當生物反應器進水COD超過110mg/L時，單獨生物反應出水很難達到50mg/L的要求：而化學處理只有在進水COD小于80mg/L的情況下才能達標；在用生物與化學的組合工藝時，既可縮短處理時間，又可達到一定的水質要求。
　　關鍵詞：受污染河水 懸浮填料 生物處理 化學處理

Pollutcd River Water Purifying Process Analysis
QuJining ZhangJianliang
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resourcd Reuse,
School of Environmental Science and Engineering Tongji University, Shanghai 200092)

　　Abstract: After a short time biological treatment in a Suspended Carrier Biological Reactor(SCBR), the dissolved organic pollutants in polluted river water were changed to biological flocculating which were removed using chemical precipitation. The combination of biological and chemical treatment takes advantage of their individual strong points. The results of the pilot study shown that if the influent COD_cr concentration were more than 110mg/L, the effluent COD_cr concentration limit(50mg/L) could not be ensured with biological treatment only, it was not possible to ensure the effluent COD_cr concentration limit when influent COD_cr, concentration were more than 80mg/L with chemical treatment only. In the combination process of biological and chemical treatment, if the Hydraulic Retention time (HRT) was 1 hr in SCBR and influent concentration COD_cr were less than 130mg/L, the effluent concentration limit of COD_cr and BOD₅ can be ensured with l0mg/L of PAC. When influent COD_cr concentration were more than 130mg/L, thae of PAC will varied in a range of l5～30mg/L.
　　Keywords: polluted river water　　suspended carrier　　biological treatment　　chemical treatment

1 前言

　　長期以來，河水一直是廣大居民的生活用水水源。隨著經濟的發展和人口的不斷增加，河水（尤其是城市周邊和農村地區的河流）受污染的程度日益加劇，使其不能成為自來水廠的合格水源。在沒有其它水源可供選擇時，對受到較嚴重污染的河水必須進行必要的預處理，確保己建成的自來水廠正常穩定運行，出水水質合格。本研究針對以上問題，著重探討受污染河水在進入自來水廠之前的預處理方法。

2 支流河水就地凈化方案選擇

　　作為生活用水水源的受污染河水一般具有以下特點：
　　·污染主要由周邊居民等的生活污水等引起，大部分為有機污染，有毒有害物質濃度較低。
　　·需要處理的水量大，一般無法進行遠距離輸送，而采用就地凈化方式。
　　·河流水系一般承擔該區域的泄洪等任務，故無法利用河道本身建設處理構筑物。
　　·一般河岸邊土地資源緊張，因而不可能采用處理時間長，流程復雜的工藝來處理受污染河水。
　　·由于水量大，不能采用處理成本高的工藝，同時必須考慮處理工藝帶來的二次污染物問題。
　　·水質波動較大。
　　由于對水質的處理要求高，河水的水質波動又非常大，當采用單純的生物法進行處理時，若按照一般水平設計處理裝置，則難以保證水質較差時處理后水質達標；若能夠保證水質較差時出水也達標，則處理裝置平時負荷過低，造成工程投資過高。因而不采用占地面積很大、停留時間很長的處理工藝，即放棄單純的生物處理法。
　　由于化學法可以通過調節加藥量來適應水質水量的變化，因而嘗試采用化學法，即投加混凝劑進行混凝沉淀處理水質變化很大的支流河水。但混凝沉淀這一處理方法僅對水中的懸浮性污染物有較好的去除效果，對溶解性污染物的作用不大。經過多次試驗，發現因水中的溶解性有機物濃度較高，占總有機物量的50％～82％，大多數化學處理的出水不能達到處理要求，且耗用的混凝劑量大，造成運行費用高。即直接采用化學法處理支流河水無法達到處理要求。
　　對若干河水的采樣分析表明，一般河水的可生化性較好，可通過生物處理將溶解性有機物吸附于生物體上，或轉化為非溶解性的生物絮體，再通過加藥混凝將生物絮體從水中分離，達到凈化水的目的。
　　通過以上的試驗分析，結合以往的工程實踐，決定采用“短時三段式好氧生物處理法＋高效化學藥劑混凝處理法”工藝就地凈化支流河水。對某河流的受污染河水進行就地凈化研究，由于污染程度嚴重，根據當地政府和管理部門的要求，凈化后水質確定為：BOD₅≤12mg/l，COD_cr≤50mg/l，NH₃-N≤10mg/l，DO≤2.0mg/l。現場中試如下述。

3 試驗與討論

　　3.1 試驗裝置
　　生物處理裝置

　　生化反應池長3.0m，寬1.0m，高1.5m，有效水深1.2m，有效容積3.6m³，沿水流方向均勻分為三段，呈現串聯狀態。反應池中投加高效懸浮填料，采用空氣壓縮機進行穿孔管曝氣。
　　化學反應設備
　　化學反應在實驗室和現場進行。將上述生化出水置于1升的高型燒杯中，先后加入高效混凝劑和助凝劑，利用電動六聯攪拌器進行攪拌，沉淀后的上清液為整個處理流程的最終出水。
　　3.2 生化反應時間的確定
　　分別在生化反應池的不同區域取樣，測試反應結果，詳見表1、表2和圖2、圖3。

　　圖2表明，當生化反應時間達到1.0小時，即使水溫較低（日平均6～15℃），溶解性COD、BOD去除率己相當高，再延長反應時間，去除率曲線變緩，溶解性COD、BOD的去除速率下降，同時從生化反應的目的考慮，決定采用生化反應時間1hr，不再延長。
　　圖3反映出硝化效率不高，當反應時間為1.5hr時，NH₃-N的去除率不到30％。造成硝化效果差的原因是，所有的試驗數據均在冬季取得，大部分時間的日平均水溫在8～12℃，影響了生物硝化，造成出水氨氮較難達標。表2中的數據說明，將生化反應池沿程分為三段，可將高的平均負荷改變成階梯負荷，以降低后段的有機負荷，為生物硝化創造條件，在第2池中溶解性COD_cr和BOD₅的負荷分別降至0.38和0.11kg/kgMLSS.d在第3池中溶解性COD_cr和BOD₅的負荷分別降至0.25和0.07kg/kgMLSS.d，可滿足硝化的要求。
　　圖表數據表明，經過0.5hr的生物處理，總COD_cr、溶解性COD_cr和溶解性BOD₅的去除率都不高，出水的溶解性COD_cr和溶解性BOD₅仍有56.7mg/l和16.7mg/l，后續化學處理無法保證最終出水COD_cr≤50mg/l、BOD₅≤12mg/l；但溶解性有機物的去除率高于總有機物的去除率。當生化時間不小于1hr時溶解性有機物去除率相當高，生物處理出水的溶解性COD_cr低于34.7mg/l，溶解性BOD₅低于9.1mg/l，后續化學處理完全可以保證最終出水達標。因此確定主要處理流程為“生物|化學”；生化反應時間取1hr。
　　由于投加填料作為生物載體，有利于泥齡較長的硝化菌的生長，當氣溫較高時，氨氮的去除率隨即上升，這在氣溫回升的四月份的試驗數據中己得到反映：同時因含碳有機物降解速度的加快，可進一步降低生化反應池末端的負荷，為生物硝化創造條件。當水溫滿足生物硝化要求，即穩定在不低于12℃時，可將NH₃-N不高于30mg/l的河水處理至低于10mg/l，做到達標排放。當冬季水溫低于硝化細菌的要求時，由水體中NH₃-N消耗的溶解氧量很有限，危害水體的主要因素并不在于NH₃-N。
　　考慮到冬、夏生化反應的差別、水質波動情況和河水凈化設施占地等因素，決定放棄長時間的生物處理工藝，而采用“短時（1hr）生物處理＋高效化學處理”，即通過生物處理將溶解性的有機污染物轉化為生物絮體，然后利用化學沉淀去除。氣溫較高的可利用生物硝化作用在生化反應過程中降解氨氮。
　　3.3 混凝劑選擇及投加量確定
　　許多研究表明，一般的無機混凝劑產生的污泥量大。為了減少污泥量，降低污泥處理的投資和費用，本研究的混凝劑和助凝劑均采用高分子聚合物。
　　當助凝劑相同，分別以聚鐵和聚鋁為混凝劑進行對比試驗，發現兩者的去除效率接近，但聚鐵更好，形成的礬花較密較易沉淀；然而聚鐵造成出水帶黃色，影響了出水的感官指標，所以最終選定用聚鋁（PAC）作為混凝劑。
　　采用效果好、成本低的陰離子聚丙烯酰胺（PAM）為助凝劑。
　　以經生物處理1hr的出水為主要對象，多次試驗證實，相對于最初的河水，生物處理出水易進行化學處理，混凝沉淀效果好，可保證最終出水達標，且處理費用不高。表3中列出了生物處理1hr出水的化學處理結果，可以得到混凝劑用量與去除率的關系。
　　近5個月的數據表明，如果進水的COD_cr值不超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量在10mg/l左右即可保證出水COD_cr和BOD₅等達標；如果進水的COD_cr值超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量應相應增加，約為15mg/l～30mg/l可保證出水達標。助凝劑的用量
均為0.3mg/l。
　　產生的化學污泥量為0.09～0.11kg干污泥/m³水，較少的污泥量可降低后續污泥處理的投資和費用。

　　另外，PAC和PAM對水中的重金屬離子有很好的去除作用。當PAC投加25mg/l，PAM投加0.3mg/l時，對水中鋅、汞、鉛、鎘的去除率分別達到92.6％、90.0％、70.2％和50.0％。并且對磷也有很好的去除，達90％以上。
　　3.4 推薦工藝及經濟指標
　　根據以上研究結果，推薦工藝為：

　　以上述河流為例，當處理水量Qs=0.25m³/s，閘后500m范圍內河道水質達到凈化要求時，單位投資成本795元/m³，運行費用0.28元/m³；當處理水量Qs=0.50m³/s，閘后1000m范圍內河道水質達到凈化要求時，單位投資成本720元/m³，運行費用0.25元/m³。可見遠遠低于建設一般的污水處理廠的費用，且不需要大量投資用于管道建設。

4 結論

　　1）利用“生物十化學”處理工藝，可以實現受污染河水的就地凈化。該工藝成熟，效果穩定，結合了生物法和化學法各自的優點，可根據進水水質調整化學藥劑的用量，具有很強的運行靈活性，能很好地適應各種河水水質，
　　2）化反應時間為1hr時，52.8％的溶解性COD_cr、58.3％的溶解性BOD₅得到轉化，后續化學處理即可保證出水的COD_cr≤50mg/l、COD_cr、BOD₅≤12mg/l、DO≥2.0mg/l。生化反應時間過短，溶解性COD_cr未能充分轉化，無法保證出水達標；生化反應時間過長，處理裝置的占地面積大，運行費用高。建議生化反應時間采用1hr。
　　3）用聚鋁為混凝劑，聚丙烯酸胺為助凝劑，對生化反應出水的處理效果顯著穩定。如果進水的COD_cr值不超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量在10mg/l左右，助凝劑投加量在0.3mg/l即可保證出水達標；如果進水的COD_cr值超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量應相應增加，約為15mg/l～30mg/l，助凝劑投加量仍為0.3mg/l可保證出水達標。產生的化學污泥量為0.09～0.11kg干污泥/m³水。
　　4）寒冷季節5個月的連續試驗證實，河水受到嚴重污染時（COD_cr=100～130mg/l，NH₃-N=20mg/l左右），上述工藝可保證凈化后河水的平均值達到目標，即BOD₅≤12mg/l，COD_cr≤50mg/l，NH₃-N≤10mg/l，DO≥2.0mg/l。

參考文獻：
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　　[3]夏四清，高廷耀，周培炎，王學江. 懸浮填料生物反應器去除有機污染物和氨氮的中試研究. 給水排水，2000，26(2)：42-45

作者簡介：
屈計寧：1965年生，同濟大學環境科學與工程學院，副教授，主要從事水處理理論與技術研究。