水源水质原位生物接触氧化预处理试验研究

水源水质原位生物接触氧化预处理试验研究

黄廷林1 周真明1 从海兵1 何文杰2 阴沛军2
（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院 陕西 西安 710055 　 2.天津自来水集团公司 天津 300040）

　　摘要：在水源地现场条件下采用生物接触氧化技术对滦河水源水预处理进行了试验研究，分析测定其处理效果，研究了生物填料悬挂于水体表面不同水深、不同水力停留时间对生物预处理效果的影响。试验结果表明：原位生物预处理技术对水中CODMn、氨氮、叶绿素a、真实色度、TOC、UV254、铁和锰平均的去除率分别可达10.1%、64.1%、42.4%、48.6%、12.5%、9.5%、48.9%和41.9%；生物填料可悬挂在水体表面0～3m水深区，停留时间应大于2～3h。
　　关键词：水源水；生物接触氧化；预处理；滦河水

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

　　弹性填料生物接触氧化技术用于微污染水源水预处理的研究已有不少成果[1]。在宁波梅林水厂、嘉兴石臼漾水厂、深圳东深水厂和上海惠南水厂的应用表明，该技术在去除水源水中CODMn、NH3-N、藻类、浊度、色度、铁和锰等方面有较好的效果[2-5]。但在这些应用中，整个预处理过程都是在生物接触氧化池中完成的，这样势必要在已建水厂增建处理构筑物，往往要受到场地等因素的限制。直接在水源水中运用生物接触氧化技术对水源水进行生物处理，目前国内在这方面研究甚少。本文就是针对这种情况探索采用原位生物接触氧化技术进行水源水质预处理的可行性。试验选取在天津市自来水公司某水厂的水源地进行。

1 试验材料与方法

1.1 试验方法
　　 水源水的原位生物接触氧化预处理是否可行，其关键是生物填料表面能否在该条件下形成活性生物膜。为此，将不同编号生物填料悬挂在水体表面0～3m水深区（1^#放置在0～0.5m、2.5～3m水深区，2^#放置在0.5～1m、2～2.5m水深区，3^#放置在1～1.5m、1.5～2m水深区），使其在自然环境条件下挂膜。测试其水处理效果时，将生物填料移入测试槽中，其中出水1、出水2分别是表层0～1.5m填料、下层1.5～3m填料处理后的水。不同编号填料轮流放入测试槽，填料一次在测试槽中停留时间为3～6天，其余时间放回原位，保证其原位自然生长条件。采用连续通水，试验期间，COD_Mn、氨氮、叶绿素 a每天测一次，真实色度、UV₂₅₄、TOC、Fe、Mn数天测一次。
1.2 试验装置和材料
　　 试验测试槽是一个带有进出水装置的水槽，见图1，测试槽体分两格：每格设计尺寸（长×宽×高）：80cm×20cm×50cm，有效尺寸：80cm×20cm×45cm，有效体积为0.072m³，池体为PVC塑料材料；生物填料为YDT弹性波纹立体填料，高度为50cm，其技术参数如下：直径为200mm，丝条直径为0.3～0.5mm，比表面积为50～300m²/m³,孔隙率为98％，成品质量为3～15kg/m³，挂膜后质量为55～110kg/m³。

2 试验结果与讨论

2.1 生物挂膜
　　自2004年4月下旬开始，在水温为20～23℃的条件下，经25天自然挂膜，COD_Mn去除率达到7%～10％，氨氮去除率达50%以上，认为挂膜成功，处理系统进入正常运行测试。测试时间从5月中旬到10月中旬。
2.2 试验期间水源水质
　　试验期间水源水质见表1。滦河水的主要污染物是藻类和有机物，其中藻类污染更为突出，在7～9月份期间，水体富营养化现象比较严重，藻类计数高达4000万个/L。藻类在5～6月份期间主要以绿藻、硅藻为主，在7～9月份期间主要以蓝藻、绿藻为主，10月中旬后主要以硅藻为主。其它藻类有黄藻、褐藻、金藻等。5～8月份期间，水源水中COD_Mn基本上都在5mg/L以上，最高达8mg/L。另外，水源水中氨氮含量不高，仅在7～8月份可测得，最高值达0.37mg/L，其它月份氨氮在0.04mg/L以下。

试验期间水源水质 表1

2.3 去除效果分析
2.3.1 COD_Mn去除效果
　　COD_Mn去除效果见表2。由表中可见：⑴进水COD_Mn为3.96～8mg/L，出水COD_Mn为3.45～6.79mg/L ，COD_Mn去除率为5%～25%，平均去除率为10.1%。⑵当停留时间分别为4h、3h、2.4h、2h时，COD_Mn平均去除率分别为10.4%、10.3%、9.9%、9.8%，本试验在2～4h内改变水力停留时间对COD_Mn去除效果影响不是很明显。⑶当水力停留时间相同时，表层0～1.5m填料、下层1.5～3m填料对 COD_Mn平均去除率分别为10.3%、9.9%， 表层0～1.5m填料对COD_Mn去除率略高于下层1.5～3m填料，这是由于表层溶解氧、光照充足，生物相丰富，好氧菌团多且活性强的缘故。

COD_Mn去除效果 表2

2.3.3 氨氮去除效果
　　氨氮去除效果见图2、图3。由图2可见：⑴当水温为27～30℃， 停留时间为3h时，进水氨氮为0.06～0.25mg/L，出水氨氮为0.007～0.11mg/L，去除率为38.9%～91.8%，平均去除率为65.7%。⑵当停留时间为3h时，表层0～1.5m填料、下层1.5～3m填料对氨氮平均去除率分别为64.7%、66.6%，表层0～1.5m填料对氨氮去除率略低于下层1.5～3m填料。
　　由图3可见：⑴当水温为25～30℃，停留时间为2h 时，进水氨氮为0.04～0.37mg/L，出水氨氮为0.009～0.21mg/L，去除率为33.3%～88.3%，平均去除率为62.5%。⑵当停留时间为2h时，表面0～1.5m填料、上层1.5～3填料对氨氮平均去除率略分别为54%、71%。表层0～1.5m填料对氨氮去除率低于下层1.5～3m填料。

图2 停留时间为3h 时氨氮去除效果	图3 停留时间为2h 时氨氮去除效

　　比较图2、图3可见：⑴进水氨氮为0.04～0.37mg/L，出水氨氮为0.007～0.21mg/L，氨氮去除率为33.3%～91.8%，平均去除率为64.1%。⑵当停留时间分别为3h、2h时，氨氮的平均去除率分别为65.7%、62.5%。⑶下层1.5～3m填料去除氨氮效果好于表层0～1.5m填料，主要是因为下层填料生物膜上自养型硝化细菌多于表层填料，硝化作用比较明显。
2.3.3 叶绿素a去除效果
　　去除藻类的机理主要包括生物膜的吸附附着、微生物的氧化分解、填料间的生物絮凝和机械截留、异氧菌和原生动物等捕食作用、脱落生物膜对藻类的生物絮凝和沉淀等。
　　叶绿素a去除效果见表3。

叶绿素a去除效果 表3

　　由表3可见：⑴进水叶绿素a为5.6～61.8μg/L，出水叶绿素a为3.2～28.7μg/L ，叶绿素a去除率为20.9%～81.4%，平均去除率为42.4%；⑵当停留时间分别为4h、3h、2.4h、2h时，叶绿素a平均去除率分别为49.1%、44%、30.9%、45.8%。在2～4h内改变水力停留时间对叶绿素a去除效果影响不大，在本试验中影响叶绿素a去除效的主要因素不是停留时间而是藻种，因为不同时期水体中藻种不同，生物接触氧化对不同藻种去除效果不一样，一般情况下蓝藻最好，硅藻其次，绿藻最差^[6]。⑶当水力停留时间相同时，表层0～1.5m填料、下层1.5～3填料对叶绿素a平均去除率分别为43.1%、41.8%。表层0～1.5m填料对叶绿素a去除率略高于下层1.5～3m填料。
2.3.4 TOC和UV₂₅₄的去除效果
　　TOC是以碳含量表示水体中有机物质总量的综合指标，比COD更能直接表示有机物的总量。UV₂₅₄是水体中含有共轭双键或者苯环的有机物，它可作为消毒副产物三卤甲烷THMs前体物的代用参数。UV₂₅₄测试是将水样经0.45µm滤膜过滤，采用紫外分光光度计，测定波长254nm处的吸光度值，比色皿厚度为1cm。
　　当水温为19～27℃，停留时间为2.4～4h 时，进水TOC为4.19～6.19mg/L，出水TOC为3.67～5.4mg/L，TOC去除率5.8％～23.3％，平均去除率为12.5％；当水温为16～29℃，停留时间为2.4～3h 时，进水UV₂₅₄为0.054～0.069cm^-1，出水UV₂₅₄为0.048～0.062cm^-1 ，UV₂₅₄去除率5.4％～14.3％，平均去除率为9.5％。下层1.5～3.0m填料对UV₂₅₄的去除率高于表层0～1.5m填料。可见，原位生物接触氧化对TOC、UV₂₅₄都有一定的去除效果。
2.3.5 真实色度的去除效果
　　构成色度的主要物质是腐殖质（腐殖酸、富里酸等），腐殖质目前被认为是三卤甲烷THMs前体物。真实色度的去除主要是通过对构成色度的有机物的生物降解作用、生物膜吸附作用、微生物的生物絮凝作用和沉淀作用来实现。真实色度测试是将水样经0.45μm滤膜过滤后，采用铂钴标准色列，在420nm波长下测定。
　　当水温为16～24℃，停留时间为2.4～3h 时，进水真实色度为5～15度，出水真实色度为2～9度，真实色度去除率为21.5％～84.3％，平均去除率为48.6％。下层1.5～3.0m填料对真实色度的去除率高于表层0～1.5m填料。可见，原位生物接触氧化对真实色度的去除效果比较好。
2.3.6 铁和锰的去除效果
　　由于滦河水pH值为7.2～8.6，平均值8.1，偏碱性；溶解氧为4～10mg/L,平均值为7.65，处于好氧状态；使得水体中Fe、Mn主要是以Fe³⁺、Mn⁴⁺形式存在，这样原位生物接触氧化去除Fe、Mn的机理主要依靠生物絮凝沉淀和直接沉淀去除Fe、Mn。
　　当水温为17～24℃，停留时间为2.4～3h 时，进水Fe含量为0.29～0.63 mg/L，出水Fe含量为0.13～0.41mg/L，Fe去除率为13.2％～69.2％，平均去除率为48.9％；当水温为16～24℃，停留时间为2.4～3h 时，进水Mn含量为0.36～1.15mg/L，出水Mn含量为0.16～0.75mg/L，Mn去除率为21.3％～70.9％，平均去除率为41.9％。可见原位生物接触氧化对Fe、Mn的去除效果还是比较明显的。

3 结论与建议

　　（1）原位生物接触氧化对COD_Mn、氨氮、叶绿素a、真实色度、TOC、UV₂₅₄、铁、锰平均去除率分别为10.1%、64.1%、42.4%、48.6%、12.5%、9.5%、48.9%、41.9%。表明在水体原位条件下用生物接触氧化技术预处理滦河水是可行的。
　　（2）可在水源水取水口附近安装原位生物接触氧化装置，水力停留时间为2～3h ,填料可以悬挂于水体表面0～3m水深区。
　　（3）试验后期处理效果有一定下降，主要是因为水源水水流紊动程度不够强烈，不能创造出生物膜生长更新所需的水力条件，由此造成①由于水流平缓，泥沙等悬浮颗粒在填料表面沉积，覆盖了活性生物膜，阻碍了生物膜与水体的物质交换，妨碍了生物膜的生长及其对污染物的吸附降解作用。②因缺少辅助脱膜措施，老化生物膜不能及时脱落，阻碍了生物膜的更新，使得实验后期生物膜老化，活性下降，处理效果变差。因此，在该技术应用时应考虑采用必要的辅助水力搅动措施，防止泥沙在填料表面沉积，并辅助脱膜。

参考文献：

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基金项目：国家863计划项目(2002AA601140)