水源水質(zhì)原位生物接觸氧化預(yù)處理試驗(yàn)研究

黃廷林1 周真明1 從海兵1 何文杰2 陰沛軍2
（1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 陜西 西安 710055 　 2.天津自來(lái)水集團(tuán)公司 天津 300040）

　　摘要：在水源地現(xiàn)場(chǎng)條件下采用生物接觸氧化技術(shù)對(duì)灤河水源水預(yù)處理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析測(cè)定其處理效果，研究了生物填料懸掛于水體表面不同水深、不同水力停留時(shí)間對(duì)生物預(yù)處理效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：原位生物預(yù)處理技術(shù)對(duì)水中CODMn、氨氮、葉綠素a、真實(shí)色度、TOC、UV254、鐵和錳平均的去除率分別可達(dá)10.1%、64.1%、42.4%、48.6%、12.5%、9.5%、48.9%和41.9%；生物填料可懸掛在水體表面0～3m水深區(qū)，停留時(shí)間應(yīng)大于2～3h。
　　關(guān)鍵詞：水源水；生物接觸氧化；預(yù)處理；灤河水

The onsite experiment study of biological contact oxidation process for pretreatment of Luanhe River water
HUANG Ting-lin1 ZHOU Zhen-ming1 CONG Hai-bing1 HE Wen-jie2 YIN Pei-jun2
（1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology，Xi’an 710055,China?
2. The group of Tianjin water company, Tianjin 300040，China ）

Abstract: The onsite experiment was made on the use of biological contact oxidation process for pretreatment of Luanhe River water to remove CODMn、Ammonia-nitrogen、Chlorophyll-a、True color、TOC、UV254、Iron and Manganese. Experimental results showed that removal of CODMn、Ammonia-nitrogen、Chlorophyll-a、real color、TOC、UV254、Iron and Manganese were 10.1%、64.1%、42.4%、48.6%、12.5%、9.5%、48.9% and 41.9% respectively. Biological medium can be suspend under the water surface 0~3m, the residence time should be controlled more than 2~3h.
Key word: source water; biological contact oxidation; pre-treatment; Luanhe River water

　　彈性填料生物接觸氧化技術(shù)用于微污染水源水預(yù)處理的研究已有不少成果[1]。在寧波梅林水廠、嘉興石臼漾水廠、深圳東深水廠和上海惠南水廠的應(yīng)用表明，該技術(shù)在去除水源水中CODMn、NH3-N、藻類(lèi)、濁度、色度、鐵和錳等方面有較好的效果[2-5]。但在這些應(yīng)用中，整個(gè)預(yù)處理過(guò)程都是在生物接觸氧化池中完成的，這樣勢(shì)必要在已建水廠增建處理構(gòu)筑物，往往要受到場(chǎng)地等因素的限制。直接在水源水中運(yùn)用生物接觸氧化技術(shù)對(duì)水源水進(jìn)行生物處理，目前國(guó)內(nèi)在這方面研究甚少。本文就是針對(duì)這種情況探索采用原位生物接觸氧化技術(shù)進(jìn)行水源水質(zhì)預(yù)處理的可行性。試驗(yàn)選取在天津市自來(lái)水公司某水廠的水源地進(jìn)行。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法
　　 水源水的原位生物接觸氧化預(yù)處理是否可行，其關(guān)鍵是生物填料表面能否在該條件下形成活性生物膜。為此，將不同編號(hào)生物填料懸掛在水體表面0～3m水深區(qū)（1^#放置在0～0.5m、2.5～3m水深區(qū)，2^#放置在0.5～1m、2～2.5m水深區(qū)，3^#放置在1～1.5m、1.5～2m水深區(qū)），使其在自然環(huán)境條件下掛膜。測(cè)試其水處理效果時(shí)，將生物填料移入測(cè)試槽中，其中出水1、出水2分別是表層0～1.5m填料、下層1.5～3m填料處理后的水。不同編號(hào)填料輪流放入測(cè)試槽，填料一次在測(cè)試槽中停留時(shí)間為3～6天，其余時(shí)間放回原位，保證其原位自然生長(zhǎng)條件。采用連續(xù)通水，試驗(yàn)期間，COD_Mn、氨氮、葉綠素 a每天測(cè)一次，真實(shí)色度、UV₂₅₄、TOC、Fe、Mn數(shù)天測(cè)一次。
1.2 試驗(yàn)裝置和材料
　　 試驗(yàn)測(cè)試槽是一個(gè)帶有進(jìn)出水裝置的水槽，見(jiàn)圖1，測(cè)試槽體分兩格：每格設(shè)計(jì)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：80cm×20cm×50cm，有效尺寸：80cm×20cm×45cm，有效體積為0.072m³，池體為PVC塑料材料；生物填料為YDT彈性波紋立體填料，高度為50cm，其技術(shù)參數(shù)如下：直徑為200mm，絲條直徑為0.3～0.5mm，比表面積為50～300m²/m³,孔隙率為98％，成品質(zhì)量為3～15kg/m³，掛膜后質(zhì)量為55～110kg/m³。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 生物掛膜
　　自2004年4月下旬開(kāi)始，在水溫為20～23℃的條件下，經(jīng)25天自然掛膜，COD_Mn去除率達(dá)到7%～10％，氨氮去除率達(dá)50%以上，認(rèn)為掛膜成功，處理系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)間從5月中旬到10月中旬。
2.2 試驗(yàn)期間水源水質(zhì)
　　試驗(yàn)期間水源水質(zhì)見(jiàn)表1。灤河水的主要污染物是藻類(lèi)和有機(jī)物，其中藻類(lèi)污染更為突出，在7～9月份期間，水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，藻類(lèi)計(jì)數(shù)高達(dá)4000萬(wàn)個(gè)/L。藻類(lèi)在5～6月份期間主要以綠藻、硅藻為主，在7～9月份期間主要以藍(lán)藻、綠藻為主，10月中旬后主要以硅藻為主。其它藻類(lèi)有黃藻、褐藻、金藻等。5～8月份期間，水源水中COD_Mn基本上都在5mg/L以上，最高達(dá)8mg/L。另外，水源水中氨氮含量不高，僅在7～8月份可測(cè)得，最高值達(dá)0.37mg/L，其它月份氨氮在0.04mg/L以下。

試驗(yàn)期間水源水質(zhì) 表1

2.3 去除效果分析
2.3.1 COD_Mn去除效果
　　COD_Mn去除效果見(jiàn)表2。由表中可見(jiàn)：⑴進(jìn)水COD_Mn為3.96～8mg/L，出水COD_Mn為3.45～6.79mg/L ，COD_Mn去除率為5%～25%，平均去除率為10.1%。⑵當(dāng)停留時(shí)間分別為4h、3h、2.4h、2h時(shí)，COD_Mn平均去除率分別為10.4%、10.3%、9.9%、9.8%，本試驗(yàn)在2～4h內(nèi)改變水力停留時(shí)間對(duì)COD_Mn去除效果影響不是很明顯。⑶當(dāng)水力停留時(shí)間相同時(shí)，表層0～1.5m填料、下層1.5～3m填料對(duì) COD_Mn平均去除率分別為10.3%、9.9%， 表層0～1.5m填料對(duì)COD_Mn去除率略高于下層1.5～3m填料，這是由于表層溶解氧、光照充足，生物相豐富，好氧菌團(tuán)多且活性強(qiáng)的緣故。

COD_Mn去除效果 表2

2.3.3 氨氮去除效果
　　氨氮去除效果見(jiàn)圖2、圖3。由圖2可見(jiàn)：⑴當(dāng)水溫為27～30℃， 停留時(shí)間為3h時(shí)，進(jìn)水氨氮為0.06～0.25mg/L，出水氨氮為0.007～0.11mg/L，去除率為38.9%～91.8%，平均去除率為65.7%。⑵當(dāng)停留時(shí)間為3h時(shí)，表層0～1.5m填料、下層1.5～3m填料對(duì)氨氮平均去除率分別為64.7%、66.6%，表層0～1.5m填料對(duì)氨氮去除率略低于下層1.5～3m填料。
　　由圖3可見(jiàn)：⑴當(dāng)水溫為25～30℃，停留時(shí)間為2h 時(shí)，進(jìn)水氨氮為0.04～0.37mg/L，出水氨氮為0.009～0.21mg/L，去除率為33.3%～88.3%，平均去除率為62.5%。⑵當(dāng)停留時(shí)間為2h時(shí)，表面0～1.5m填料、上層1.5～3填料對(duì)氨氮平均去除率略分別為54%、71%。表層0～1.5m填料對(duì)氨氮去除率低于下層1.5～3m填料。

圖2 停留時(shí)間為3h 時(shí)氨氮去除效果	圖3 停留時(shí)間為2h 時(shí)氨氮去除效

　　比較圖2、圖3可見(jiàn)：⑴進(jìn)水氨氮為0.04～0.37mg/L，出水氨氮為0.007～0.21mg/L，氨氮去除率為33.3%～91.8%，平均去除率為64.1%。⑵當(dāng)停留時(shí)間分別為3h、2h時(shí)，氨氮的平均去除率分別為65.7%、62.5%。⑶下層1.5～3m填料去除氨氮效果好于表層0～1.5m填料，主要是因?yàn)橄聦犹盍仙锬ど献责B(yǎng)型硝化細(xì)菌多于表層填料，硝化作用比較明顯。
2.3.3 葉綠素a去除效果
　　去除藻類(lèi)的機(jī)理主要包括生物膜的吸附附著、微生物的氧化分解、填料間的生物絮凝和機(jī)械截留、異氧菌和原生動(dòng)物等捕食作用、脫落生物膜對(duì)藻類(lèi)的生物絮凝和沉淀等。
　　葉綠素a去除效果見(jiàn)表3。

葉綠素a去除效果 表3

　　由表3可見(jiàn)：⑴進(jìn)水葉綠素a為5.6～61.8μg/L，出水葉綠素a為3.2～28.7μg/L ，葉綠素a去除率為20.9%～81.4%，平均去除率為42.4%；⑵當(dāng)停留時(shí)間分別為4h、3h、2.4h、2h時(shí)，葉綠素a平均去除率分別為49.1%、44%、30.9%、45.8%。在2～4h內(nèi)改變水力停留時(shí)間對(duì)葉綠素a去除效果影響不大，在本試驗(yàn)中影響葉綠素a去除效的主要因素不是停留時(shí)間而是藻種，因?yàn)椴煌瑫r(shí)期水體中藻種不同，生物接觸氧化對(duì)不同藻種去除效果不一樣，一般情況下藍(lán)藻最好，硅藻其次，綠藻最差^[6]。⑶當(dāng)水力停留時(shí)間相同時(shí)，表層0～1.5m填料、下層1.5～3填料對(duì)葉綠素a平均去除率分別為43.1%、41.8%。表層0～1.5m填料對(duì)葉綠素a去除率略高于下層1.5～3m填料。
2.3.4 TOC和UV₂₅₄的去除效果
　　TOC是以碳含量表示水體中有機(jī)物質(zhì)總量的綜合指標(biāo)，比COD更能直接表示有機(jī)物的總量。UV₂₅₄是水體中含有共軛雙鍵或者苯環(huán)的有機(jī)物，它可作為消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷T(mén)HMs前體物的代用參數(shù)。UV₂₅₄測(cè)試是將水樣經(jīng)0.45µm濾膜過(guò)濾，采用紫外分光光度計(jì)，測(cè)定波長(zhǎng)254nm處的吸光度值，比色皿厚度為1cm。
　　當(dāng)水溫為19～27℃，停留時(shí)間為2.4～4h 時(shí)，進(jìn)水TOC為4.19～6.19mg/L，出水TOC為3.67～5.4mg/L，TOC去除率5.8％～23.3％，平均去除率為12.5％；當(dāng)水溫為16～29℃，停留時(shí)間為2.4～3h 時(shí)，進(jìn)水UV₂₅₄為0.054～0.069cm^-1，出水UV₂₅₄為0.048～0.062cm^-1 ，UV₂₅₄去除率5.4％～14.3％，平均去除率為9.5％。下層1.5～3.0m填料對(duì)UV₂₅₄的去除率高于表層0～1.5m填料。可見(jiàn)，原位生物接觸氧化對(duì)TOC、UV₂₅₄都有一定的去除效果。
2.3.5 真實(shí)色度的去除效果
　　構(gòu)成色度的主要物質(zhì)是腐殖質(zhì)（腐殖酸、富里酸等），腐殖質(zhì)目前被認(rèn)為是三鹵甲烷T(mén)HMs前體物。真實(shí)色度的去除主要是通過(guò)對(duì)構(gòu)成色度的有機(jī)物的生物降解作用、生物膜吸附作用、微生物的生物絮凝作用和沉淀作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。真實(shí)色度測(cè)試是將水樣經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后，采用鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)色列，在420nm波長(zhǎng)下測(cè)定。
　　當(dāng)水溫為16～24℃，停留時(shí)間為2.4～3h 時(shí)，進(jìn)水真實(shí)色度為5～15度，出水真實(shí)色度為2～9度，真實(shí)色度去除率為21.5％～84.3％，平均去除率為48.6％。下層1.5～3.0m填料對(duì)真實(shí)色度的去除率高于表層0～1.5m填料。可見(jiàn)，原位生物接觸氧化對(duì)真實(shí)色度的去除效果比較好。
2.3.6 鐵和錳的去除效果
　　由于灤河水pH值為7.2～8.6，平均值8.1，偏堿性；溶解氧為4～10mg/L,平均值為7.65，處于好氧狀態(tài)；使得水體中Fe、Mn主要是以Fe³⁺、Mn⁴⁺形式存在，這樣原位生物接觸氧化去除Fe、Mn的機(jī)理主要依靠生物絮凝沉淀和直接沉淀去除Fe、Mn。
　　當(dāng)水溫為17～24℃，停留時(shí)間為2.4～3h 時(shí)，進(jìn)水Fe含量為0.29～0.63 mg/L，出水Fe含量為0.13～0.41mg/L，F(xiàn)e去除率為13.2％～69.2％，平均去除率為48.9％；當(dāng)水溫為16～24℃，停留時(shí)間為2.4～3h 時(shí)，進(jìn)水Mn含量為0.36～1.15mg/L，出水Mn含量為0.16～0.75mg/L，Mn去除率為21.3％～70.9％，平均去除率為41.9％。可見(jiàn)原位生物接觸氧化對(duì)Fe、Mn的去除效果還是比較明顯的。

3 結(jié)論與建議

　　（1）原位生物接觸氧化對(duì)COD_Mn、氨氮、葉綠素a、真實(shí)色度、TOC、UV₂₅₄、鐵、錳平均去除率分別為10.1%、64.1%、42.4%、48.6%、12.5%、9.5%、48.9%、41.9%。表明在水體原位條件下用生物接觸氧化技術(shù)預(yù)處理灤河水是可行的。
　　（2）可在水源水取水口附近安裝原位生物接觸氧化裝置，水力停留時(shí)間為2～3h ,填料可以懸掛于水體表面0～3m水深區(qū)。
　　（3）試驗(yàn)后期處理效果有一定下降，主要是因?yàn)樗此魑蓜?dòng)程度不夠強(qiáng)烈，不能創(chuàng)造出生物膜生長(zhǎng)更新所需的水力條件，由此造成①由于水流平緩，泥沙等懸浮顆粒在填料表面沉積，覆蓋了活性生物膜，阻礙了生物膜與水體的物質(zhì)交換，妨礙了生物膜的生長(zhǎng)及其對(duì)污染物的吸附降解作用。②因缺少輔助脫膜措施，老化生物膜不能及時(shí)脫落，阻礙了生物膜的更新，使得實(shí)驗(yàn)后期生物膜老化，活性下降，處理效果變差。因此，在該技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮采用必要的輔助水力攪動(dòng)措施，防止泥沙在填料表面沉積，并輔助脫膜。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2002AA601140)