復(fù)合生物活性濾料濾池處理成都市沙河原水的研究

摘要：對復(fù)合了惰性濾料和活性濾料，活性濾料又由極性和非極性濾料復(fù)合構(gòu)成的新型生物活性濾料濾池進(jìn)行過濾試驗(yàn)，研究表明，該濾池能夠去除氨氮90％以上，CODMn40％以上，降低Ames試驗(yàn)致突變性約l/3左右，出水水質(zhì)滿足國家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好處理效果。

關(guān)鍵字：濾料極性非極性復(fù)合生物活性充氣成都市自來水公司以沙河為水源的制水能力約占公司總制水能力的40％。隨著城市的發(fā)展，城市范圍逐步外延，沙河取水口已經(jīng)陷于城郊結(jié)合部較密集的居民生活圈包圍中，因基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)較差，沙河原水受到生活廢水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排灌廢水及垃圾等污染的程度呈加重趨勢，特別在暴雨時污染更為明顯，根據(jù)1997—2000年的監(jiān)測，原水色度一般12—45度，少數(shù)時間超過40度，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)最高10.28mg/l，化學(xué)需氧量最高達(dá)27.35mg/l，氨氮(NH3-N)一般在0.5mg/l左右，暴雨時曾出現(xiàn)過2.56mg/l，在短時間內(nèi)給水廠生產(chǎn)造成了一定困難。為了解決短時間的原水污染問題，并作好技術(shù)儲備，在以后可能出現(xiàn)連續(xù)污染時保證供水的安全可*性，成都市自來水公司于1999年12月一2000年12月與重慶大學(xué)(原重慶建筑大學(xué))合作進(jìn)行了復(fù)合生物活性濾料濾池過濾技術(shù)的研究。復(fù)合生物活性濾料濾池是由活性和惰性濾料復(fù)合構(gòu)成濾床，在保持濾池去除懸浮物功能的基礎(chǔ)上強(qiáng)化濾池去除有機(jī)物的能力，活性濾料由極性和非極性兩類復(fù)合構(gòu)成，用以提高濾池全面吸附去除有機(jī)物的能力[1]，該濾池還采用空氣充氧，是一種生物濾池。2.研究目標(biāo)和試驗(yàn)流程2.l研究目標(biāo)。本研究要求復(fù)合生物活性濾料濾池對CODMn的去除率為15--20％，對NH3—N的去除率不小于50％，濾后水消毒后達(dá)到國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，Ames試驗(yàn)比水廠工藝有明顯改善。2.2試驗(yàn)流程試驗(yàn)在以沙河為水源的水五廠進(jìn)行，復(fù)合生物活性濾料濾池的待濾水來自該廠的機(jī)械加速澄清池，濾后水進(jìn)入生產(chǎn)移動罩濾池的清水渠，整體流程如下。水廠生產(chǎn)中才用了預(yù)氯化抑制藻類的生長，因預(yù)氯投投加量很低，約0.3mg/l，試驗(yàn)濾池進(jìn)水的余氯一般為零，不會影響濾池的微生物作用。復(fù)合生物活性濾料是一座過濾面積1.44m2的小型氣水反沖洗濾池，采用V1/2長柄濾頭配水配氣，氣源是一臺SL80羅茨鼓風(fēng)機(jī)，裝填三種濾料，分別是ZJ-15型顆?；钚蕴浚℅AC，d=1.0-2.0mm）、活性氧化鋁（AA濾料，d=1.5-2.0m）和石英砂（d10=0.81,k80=1.18）。為保持生物活性濾料濾池中生物的活性，充分發(fā)揮生物氧化作用對有機(jī)物的去除能力，宜盡量提高水中溶解氧的含量，采用空壓機(jī)通過分布在濾床以上的布?xì)忸^向待濾水中充氧。該濾池采用三段式氣水反沖洗，強(qiáng)度及時間如下：第一階段：單氣沖洗，q氣=8l/s.m2，t=5min；第二階段：氣水同時沖洗，q氣=8l/s.m2，q水=8l/s.m2，t=8min；第三階段：單水沖洗，q水=8l/s.m2，t=5min。2.3研究內(nèi)容主要研究該濾池的掛膜情況、正常運(yùn)行情況下對CODMn和NH3-N等指標(biāo)的去除情況和濾后水消毒后的總體水質(zhì)是否能夠滿足國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、Ames試驗(yàn)是否比水廠工藝有明顯改善。3、研究結(jié)果與分析討論3.1掛膜掛膜從6月19日開始，掛膜條件是：過濾的空床接觸時間EBCT=22.5min，水溫t=19-21℃，充氣量約1.6l/s.m2。掛膜其間的濾池進(jìn)水濁度1.72-7.12NTU，色度6-22度，出水濁度0.13-0.73NTU，除濁率79.7%——96.4%，出水色度0--8度，氨氮和CODMn去除變化情況見圖1。掛膜開始濾池雖裝填了大量活性濾料，但對NH3-N的去除率在20%左右，9天之后，濾池對NH3—N的去除有了較明顯的提高，逐漸上升到50％以上，說明在這個過程中，濾料上在逐漸生長形成生物膜。17天后濾池的CODMn去除率穩(wěn)定在20％以上，NH3—N去除率達(dá)50％以上，可以認(rèn)為已經(jīng)完成掛膜，濾池進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。3.2穩(wěn)定運(yùn)行期的過濾效果分析穩(wěn)定運(yùn)行自7月5日至9月4日，期間進(jìn)行了不同濾速濾池過濾效果試驗(yàn)。3.2.1對氨氮的去除研究期間沙河原水中氨氮含量為0.32—1.19mg/1，濾池進(jìn)水氨氮為0.11—0.74mg/l。如表3所示。在不同的EBCT下(分別為18min，12min，9min)復(fù)合生物活性濾料濾池對NH3—N的去除率均大于50％(如圖2)，隨著EBCT的縮短，濾池對NH3-N的去除率略呈下降趨勢，EBCT＝18min，NH3-N去除率平均96％，E8CT＝12min時，去除率平均為95%，EBCT＝9min時，NH3—N去除率降至89%，但總體上該濾池對NH3—N的去除效率很高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了課題的研究目標(biāo)。3.2.2對CODMn的去除濾池進(jìn)水CODMn含量為1.07—2.66mg/l，在不同EBCT值時，復(fù)合生物活性濾料濾池對CODMn的去除率有所不同，如圖3，EBCT值越高，其去除率也高，EBCT值低其去除率也有所降低。在EBCT=9min、12min、18min時，復(fù)合生物活性濾料濾池對CODMn的平均去除率分別為在42％、44％，47.8％。該結(jié)果與在內(nèi)江進(jìn)行的試驗(yàn)的去除率略有增高，其原因是本復(fù)合生物活性濾料濾池中活性濾料占的比例較大的緣故。3.2.3對色度的去除試驗(yàn)期間，沙河原水色度最高達(dá)45度，最低0度，平均為12.5度。上述水質(zhì)經(jīng)機(jī)械加速澄清池處理后進(jìn)入復(fù)合生物活性濾料濾池的水色度一般為0—22度，平均7.3度。復(fù)合生物活性濾料濾池的進(jìn)、出水色度變化如圖4所示，濾池平均出水色度＜1度。3.2.4新型復(fù)合生物活性濾料濾池處理系統(tǒng)水質(zhì)分析對新型復(fù)合生物活性濾料濾地處理系統(tǒng)的出水按照GB5749—85進(jìn)行了全分析，分析結(jié)果表明濾池出水模擬消毒后的水完全滿足GB5749—85所規(guī)定的水質(zhì)要求。3.2.5Ames試驗(yàn)委托華西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院對沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、水廠出廠水(3#)、復(fù)合生物活性濾料濾池出水(4#)及其出水的模擬消毒水(5#)、取消預(yù)氯化的復(fù)合生物活性濾料濾池出水模擬消毒水(6#)共6個水樣各富集1501采用平板摻入法進(jìn)行了Ames致突變試驗(yàn)。六組水樣對TA98、TAl00兩種菌株在不同劑量下的致突變數(shù)如圖5、6。由圖可知，①l#沙河原水、2#澄清池出水和40新型復(fù)合生物活性濾料濾池過濾出水(末加氯消毒時)不具有致突變性：②3個消毒后的水樣在一定的劑量范圍內(nèi)致突變數(shù)MR大于2，具有劑量反應(yīng)關(guān)系且有重現(xiàn)性，具有致突變性。③新型復(fù)合生物活性濾料濾池處理工藝的消毒出水對TA98和TAl00的最低致突變水樣量為3.01/皿，致突變劑量較水廠現(xiàn)有工藝出廠降低約1/3左右，可以認(rèn)為本過濾工藝對Ames試驗(yàn)具有較明顯的改善效果。④雖預(yù)氯化的氯量非常小，但可以看出6#預(yù)氯化的復(fù)合生物活性濾料濾池出水消毒水比5#未預(yù)氯化的水在相同劑量下的MR值略高，這證明預(yù)氯化使水中的致突變物增加了，從水質(zhì)安全角度考慮，應(yīng)該選用其他更加安全的殺藻方式。3.2.6色質(zhì)聯(lián)機(jī)(GC/MS/DS)分析委托中國科學(xué)院成都分院的化學(xué)分析檢測中心對沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、復(fù)合生物活性濾料濾池出水(3#)及其消毒水(4#)進(jìn)行了色質(zhì)聯(lián)機(jī)分析。對四組水樣中檢出的有機(jī)物進(jìn)行分類，結(jié)果如表1。①原水。共檢出84種有機(jī)物，其中主要是芳香烴、直鏈烷烴、雜環(huán)化合物和酯類；原水中強(qiáng)極性的有機(jī)物11種，中強(qiáng)極性的14種，共占原水中有機(jī)物總種數(shù)的約30％，這證明了試驗(yàn)的復(fù)合生物活性濾料濾池選用非極性的GAC和極性的AA兩種濾料有其合理性。原水檢出的84種有機(jī)物中有10種是屬于美國129種優(yōu)先控制污染物之列，5種屬于中國的69種水中優(yōu)先控制污染物黑名單3(如表2)，其中主要是苯類、酯類和多環(huán)芳烴，還有一種鹵代烴。這些重點(diǎn)污染物主要來自一些塑料、化工工業(yè)的污染。原水中直鏈烷烴的大量存在主要是因?yàn)樗瓷嫌渭爸車性S多加油站和洗車場，其廢水直接排放入沙河；大量雜環(huán)化合物的存在，一方面可能是天然動植物代謝的產(chǎn)物，一方面也可能存在一定的人為污染。綜合分析，沙河原水的主要污染是油類污染、工業(yè)污染，環(huán)保工作應(yīng)主要對該類污染源加以重點(diǎn)治理。水樣有機(jī)物分類表表表1序號類別極性飽和性種數(shù)1#2#3#4#1直鏈烷烴無或弱極性飽和162211202酮類強(qiáng)主要為不飽和24103環(huán)烷烴無飽和40014烯類無或弱極性不飽和31115酯類中飽和、不飽和各半半122446醇類強(qiáng)主要為飽和60157芳香烴弱不飽和223268雜環(huán)化合物弱主要為飽和122559胺類中不飽和114310酚類弱不飽和010011酸類強(qiáng)不飽和3851012炔類弱不飽和100113醚中飽和111114醛類中不飽和004015其他----134316總計(jì)

②澄清池出水。共檢出有機(jī)物48種，其中直鏈烷烴占了近半數(shù)的比例，其次是酸類、酮類等，與原水相比，澄清池出水中的芳香烴、雜環(huán)化合物、酯類明顯減少，而直鏈烷烴種數(shù)占據(jù)了更明顯的優(yōu)勢，這說明機(jī)械攪拌澄清池對去除芳香烴、雜環(huán)化合物等具有明顯的作用，而對直鏈烷烴效果較差。③復(fù)合生物活性濾料濾地出水。共檢測出有機(jī)物43種，仍以直鏈烷烴為主，但其數(shù)量已較原水和澄清池出水有了較大的減少，而酸類、雜環(huán)化合物、醛類、胺類、酯類所占的比例較澄清池出水(即試驗(yàn)濾池進(jìn)水)有較大提高，這應(yīng)是濾池中微生物新陳代謝作用的反映。④復(fù)合生物活性濾料濾池出水消毒后的水。檢測出有機(jī)物60種，其中的醇類、酸類、芳香烴種類有所增加，直鏈烷烴所占的比例明顯增大。加氯消毒的該水中只檢出了三種鹵代烴，分析其原因可能主要是生成的各種鹵代烴含量非常少(全分析結(jié)果是：氯仿11μg/l，四氯化碳＜0.2μg/l)，在色譜圖上出現(xiàn)的峰非常低所致。原水中的有害有機(jī)機(jī)物表2序號屬于USEPA1299種優(yōu)先控制制的有機(jī)物屬于中國68種水水中優(yōu)先控制制污染物黑名名單的有機(jī)物物1四氯乙烯四氯乙烯2二乙基鄰苯二甲酸酸酯甲苯3蒽乙苯4二丁基鄰苯二甲酸酸酯對二甲苯5甲苯熒蒽6乙苯

7二甲基鄰苯二甲酸酸酯

8熒蒽

9芘

4.經(jīng)濟(jì)性分析新型復(fù)合生物活性濾料濾池達(dá)到了預(yù)定的研究目標(biāo)，較明顯地提高了水質(zhì)的衛(wèi)生安全性，但若采用該種過濾工藝，投資情況如何?4.1與傳統(tǒng)工藝相比。以某新建的10萬噸/d現(xiàn)代化的供水工程為例(該水廠的主要構(gòu)筑物為取水泵站、斜管預(yù)沉池、格網(wǎng)反應(yīng)斜管沉淀池、V型濾池、清水池、二泵站)，經(jīng)計(jì)算，其中V型濾池采用新型復(fù)合生物活性濾料濾池過濾工藝與采用均質(zhì)石英砂過濾工藝相比，濾池投資增加約22.3％，水廠總體投資增加約2.3％。4.2與采用臭氧活性炭工藝的水廠相比。經(jīng)計(jì)算，使用新型生物活性復(fù)合濾料濾池比采用臭氧——活性炭法可降低水廠基建投資15％，節(jié)約年電耗574.5萬度，價值2