引黃水庫(kù)水生物預(yù)處理技術(shù)中試研究：工藝優(yōu)化與效果評(píng)估一、引言1.1研究背景與意義水是生命之源，是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源。隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加速，水資源短缺和水污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。在中國(guó)，引黃水庫(kù)作為重要的飲用水水源地，為眾多城市和地區(qū)提供了關(guān)鍵的供水保障，其水質(zhì)安全直接關(guān)系到人民群眾的身體健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。引黃水庫(kù)的水源主要來(lái)自黃河水，黃河水由于流經(jīng)區(qū)域廣，沿途接納了大量的工業(yè)廢水、生活污水以及農(nóng)業(yè)面源污染，導(dǎo)致其水質(zhì)狀況復(fù)雜，含有多種污染物，如有機(jī)物、氨氮、重金屬、微生物等。這些污染物不僅會(huì)影響水的感官性狀，如產(chǎn)生異味、異色、渾濁等，還可能對(duì)人體健康造成潛在威脅，長(zhǎng)期飲用受污染的水可能引發(fā)各種疾病，如消化系統(tǒng)疾病、癌癥等。傳統(tǒng)的飲用水處理工藝主要包括混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒等常規(guī)步驟，對(duì)于去除水中的懸浮物、膠體和部分微生物等具有一定的效果。然而，面對(duì)日益復(fù)雜的水源水質(zhì)，傳統(tǒng)工藝逐漸暴露出其局限性。例如，對(duì)于溶解性有機(jī)物、氨氮等污染物的去除效果有限，難以滿足日益嚴(yán)格的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在這種背景下，水生物預(yù)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為解決引黃水庫(kù)水質(zhì)問(wèn)題的重要研究方向。水生物預(yù)處理技術(shù)是利用微生物、水生植物等生物的代謝作用，對(duì)水中的污染物進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)化和去除，從而改善水質(zhì)的一種新型水處理技術(shù)。該技術(shù)具有高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，能夠在降低污染物濃度的同時(shí)，減少化學(xué)藥劑的使用，降低處理成本和環(huán)境負(fù)荷。通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)，將水中的有機(jī)物分解為二氧化碳和水，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽等無(wú)害物質(zhì)，不僅提高了水的可生化性，還為后續(xù)的常規(guī)處理工藝創(chuàng)造了有利條件。此外，水生物預(yù)處理技術(shù)還能夠增加水中的溶解氧含量，改善水體的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)水體的自凈能力。本研究旨在深入探究引黃水庫(kù)水生物預(yù)處理技術(shù)，通過(guò)中試試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究不同生物預(yù)處理工藝的運(yùn)行特性、處理效果及其影響因素，為引黃水庫(kù)的水質(zhì)改善和飲用水處理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。這不僅有助于提高引黃水庫(kù)的供水質(zhì)量，保障人民群眾的飲水安全，還對(duì)推動(dòng)水資源的可持續(xù)利用和水環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，水生物預(yù)處理技術(shù)的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。早在20世紀(jì)70年代，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就開始關(guān)注利用生物膜法處理微污染水源水，通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)填充特定的填料，使微生物附著生長(zhǎng)形成生物膜，利用生物膜上微生物的代謝活動(dòng)對(duì)水中污染物進(jìn)行去除。例如，生物接觸氧化法在處理含有機(jī)物和氨氮的微污染水時(shí)展現(xiàn)出良好的效果，能夠有效降低水中污染物濃度，提高水的可生化性。曝氣生物濾池（BAF）是國(guó)外應(yīng)用較為廣泛的一種生物預(yù)處理技術(shù)，它將生物氧化和過(guò)濾相結(jié)合，具有占地面積小、處理效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。在法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，BAF被大量應(yīng)用于城市污水和微污染水源水的處理中，通過(guò)優(yōu)化濾料選擇、氣水比控制等運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步提高了其處理效果和穩(wěn)定性。在水生植物凈化水體方面，國(guó)外也開展了大量研究。例如，利用鳳眼蓮、蘆葦?shù)人参飿?gòu)建人工濕地系統(tǒng)，用于處理污水和改善水體生態(tài)環(huán)境。這些水生植物能夠吸收水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)通過(guò)根系的吸附和微生物的作用，去除水中的有機(jī)物和重金屬等污染物。美國(guó)佛羅里達(dá)州的一些城市利用人工濕地處理城市污水和農(nóng)業(yè)面源污染，取得了顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)對(duì)于水生物預(yù)處理技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，隨著對(duì)水資源保護(hù)和水質(zhì)要求的不斷提高，相關(guān)研究逐漸深入。在生物膜法方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)各種新型填料和反應(yīng)器構(gòu)型進(jìn)行了研究和開發(fā)。例如，研發(fā)出的彈性立體填料，具有比表面積大、掛膜容易、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了較好的效果。對(duì)于曝氣生物流化池（ABFT）的研究也取得了一定成果。通過(guò)優(yōu)化水力條件、曝氣強(qiáng)度和填料特性等參數(shù)，提高了ABFT對(duì)氨氮、有機(jī)物等污染物的去除效率。有研究表明，在適宜的運(yùn)行條件下，ABFT對(duì)氨氮的去除率可達(dá)到80%以上。在利用水生植物凈化引黃水庫(kù)水方面，國(guó)內(nèi)也有諸多實(shí)踐。如在一些引黃水庫(kù)周邊構(gòu)建人工濕地，種植菖蒲、香蒲等水生植物，對(duì)入庫(kù)水進(jìn)行預(yù)處理，有效降低了水中的污染物含量，改善了水庫(kù)水質(zhì)。盡管國(guó)內(nèi)外在水生物預(yù)處理技術(shù)方面取得了一定的研究成果，但針對(duì)引黃水庫(kù)水的特殊水質(zhì)特點(diǎn)，仍存在一些研究不足與空白。引黃水庫(kù)水的污染物成分復(fù)雜，除了常見(jiàn)的有機(jī)物、氨氮外，還含有大量的泥沙、膠體以及特殊的污染物，如黃河流域特有的礦物質(zhì)和微量元素等，目前對(duì)于這些特殊污染物在水生物預(yù)處理過(guò)程中的去除機(jī)制和效果研究還不夠深入。不同地區(qū)引黃水庫(kù)的水質(zhì)和水量存在較大差異，現(xiàn)有的水生物預(yù)處理技術(shù)在不同水質(zhì)條件下的適應(yīng)性和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)研究還不夠系統(tǒng)，缺乏針對(duì)性的技術(shù)方案。在水生物預(yù)處理技術(shù)與后續(xù)常規(guī)處理工藝的協(xié)同優(yōu)化方面，研究也相對(duì)較少，如何實(shí)現(xiàn)兩者的高效銜接，進(jìn)一步提高飲用水處理的整體效果和經(jīng)濟(jì)性，有待進(jìn)一步探索。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過(guò)中試試驗(yàn)，深入探究曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）這兩種水生物預(yù)處理技術(shù)在引黃水庫(kù)水處理中的應(yīng)用效果及優(yōu)化條件，為實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：水力條件優(yōu)化：通過(guò)改變水力停留時(shí)間（HRT）、曝氣強(qiáng)度、氣水比等參數(shù)，研究不同水力條件對(duì)ABFT和BAF處理效果的影響。確定在不同水溫條件下，ABFT和BAF的最優(yōu)水力停留時(shí)間和曝氣強(qiáng)度，以及合適的氣水比，以提高對(duì)氨氮、化學(xué)需氧量（CODMn）、濁度等污染物的去除效率。填料比選：選取多種不同類型、材質(zhì)和規(guī)格的填料，如LT-100型球型填料、LT-50型柱形填料以及不同粒徑的火山巖填料等。在ABFT和BAF中分別裝填不同的填料，研究填料的流化程度、比表面積、掛膜性能等對(duì)處理效果的影響。通過(guò)對(duì)比分析，優(yōu)選出在中試試驗(yàn)條件下，ABFT和BAF各自的最佳填料及最佳填充率，以增強(qiáng)微生物的附著生長(zhǎng)和代謝活性，提高處理效率。溫度影響及低溫優(yōu)化運(yùn)行：監(jiān)測(cè)不同水溫條件下ABFT和BAF中微生物的代謝活性，包括異養(yǎng)菌和硝化菌的活性變化。研究溫度對(duì)ABFT和BAF處理效果的影響規(guī)律，分析在低溫（如小于5℃）條件下，微生物活性受到抑制的原因及程度。通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，如延長(zhǎng)水力停留時(shí)間、增加曝氣強(qiáng)度等，探索ABFT和BAF在低溫期的最優(yōu)運(yùn)行工況，以保障在低溫環(huán)境下仍能維持較好的處理效果。磷和氨氮濃度對(duì)硝化作用的影響：控制進(jìn)水中磷和氨氮的濃度，研究不同濃度組合對(duì)ABFT和BAF中硝化作用的影響。分析進(jìn)水中較低的磷濃度對(duì)ABFT和BAF去除氨氮效果的限制作用，確定在不同氨氮濃度下，滿足高效硝化作用所需的最低磷濃度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立磷濃度與氨氮去除率之間的關(guān)系模型，為實(shí)際運(yùn)行中合理控制進(jìn)水水質(zhì)提供參考依據(jù)。生物處理對(duì)水混凝效果的影響：對(duì)比原水直接混凝與經(jīng)ABFT、BAF生物預(yù)處理后再混凝的處理效果，分析生物處理對(duì)水中有機(jī)物（如CODMn、TOC）、紫外線吸光度（UV254）等指標(biāo)的去除效果以及對(duì)后續(xù)混凝工藝的影響。研究生物預(yù)處理出水中投加不同濃度混凝劑時(shí)，對(duì)CODMn、TOC、UV254的去除率變化情況，確定生物預(yù)處理后混凝劑的最佳投加量。評(píng)估生物預(yù)處理與混凝工藝的協(xié)同作用，分析生物預(yù)處理如何改善水的混凝性能，減小后續(xù)混凝工藝混凝劑的投加量，降低處理成本并減小環(huán)境負(fù)荷。1.4研究方法與技術(shù)路線1.4.1研究方法中試試驗(yàn)法：搭建曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）中試裝置，模擬實(shí)際工程運(yùn)行條件。通過(guò)改變水力停留時(shí)間（HRT）、曝氣強(qiáng)度、氣水比、填料類型及填充率等運(yùn)行參數(shù)，對(duì)引黃水庫(kù)微污染水進(jìn)行生物預(yù)處理試驗(yàn)。定期采集進(jìn)出水水樣，分析水中氨氮、化學(xué)需氧量（CODMn）、濁度、磷等污染物指標(biāo)的變化，研究不同工藝條件下的處理效果。對(duì)比分析法：對(duì)比ABFT和BAF在相同進(jìn)水水質(zhì)和運(yùn)行條件下的處理效果，分析兩種工藝對(duì)不同污染物的去除能力差異。在研究填料比選、溫度影響、磷和氨氮濃度對(duì)硝化作用的影響等內(nèi)容時(shí)，設(shè)置多組對(duì)比試驗(yàn)，分別控制單一變量，對(duì)比不同條件下的處理效果，從而確定各因素對(duì)處理效果的影響規(guī)律和最佳運(yùn)行參數(shù)。例如，在研究填料比選時(shí)，分別在ABFT和BAF中裝填不同類型和規(guī)格的填料，在相同的水力條件和進(jìn)水水質(zhì)下運(yùn)行，對(duì)比不同填料對(duì)微生物附著生長(zhǎng)、流化程度以及對(duì)污染物去除效果的影響。微生物分析法：采用微生物培養(yǎng)、計(jì)數(shù)等方法，分析ABFT和BAF中微生物的種類、數(shù)量及活性變化。在不同水溫條件下，測(cè)定異養(yǎng)菌和硝化菌的活性，研究溫度對(duì)微生物代謝活性的影響。通過(guò)分析微生物在不同運(yùn)行條件下的變化情況，深入探討生物預(yù)處理過(guò)程中微生物的作用機(jī)制以及處理效果變化的內(nèi)在原因。數(shù)理統(tǒng)計(jì)法：運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，包括數(shù)據(jù)的整理、計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通過(guò)相關(guān)性分析、方差分析等方法，研究各運(yùn)行參數(shù)與處理效果之間的相關(guān)性和顯著性差異，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為工藝優(yōu)化和實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。例如，通過(guò)建立磷濃度與氨氮去除率之間的關(guān)系模型，準(zhǔn)確描述兩者之間的定量關(guān)系，指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行中對(duì)進(jìn)水磷濃度的控制。1.4.2技術(shù)路線本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示：前期準(zhǔn)備：收集引黃水庫(kù)的水質(zhì)資料，包括常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、污染物成分及濃度等。根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)和研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)并搭建ABFT和BAF中試試驗(yàn)裝置，準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的儀器設(shè)備、藥劑和材料。確定試驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)范圍，如HRT、曝氣強(qiáng)度、氣水比等，并制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)計(jì)劃。中試試驗(yàn)：按照試驗(yàn)方案，啟動(dòng)ABFT和BAF中試裝置，對(duì)引黃水庫(kù)微污染水進(jìn)行生物預(yù)處理試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，逐步改變運(yùn)行參數(shù)，分別研究水力條件優(yōu)化、填料比選、溫度影響及低溫優(yōu)化運(yùn)行、磷和氨氮濃度對(duì)硝化作用的影響等內(nèi)容。定期采集進(jìn)出水水樣，利用化學(xué)分析方法和儀器設(shè)備，測(cè)定水中氨氮、CODMn、濁度、磷等污染物指標(biāo)以及微生物活性指標(biāo)。同時(shí)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如水溫、氣量、水量等。數(shù)據(jù)分析與處理：對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和相關(guān)軟件，研究各運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理效果的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)比分析，確定ABFT和BAF在不同工況下的最佳運(yùn)行參數(shù)和工藝條件。建立各因素與處理效果之間的數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)果討論與總結(jié)：根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，深入討論ABFT和BAF在引黃水庫(kù)水生物預(yù)處理中的處理效果、作用機(jī)制以及存在的問(wèn)題。對(duì)比兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，評(píng)估其在實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性和適用性。總結(jié)研究成果，提出針對(duì)引黃水庫(kù)水生物預(yù)處理的優(yōu)化建議和技術(shù)方案，為實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。最后，對(duì)研究過(guò)程中存在的不足進(jìn)行反思，展望未來(lái)的研究方向。二、引黃水庫(kù)水質(zhì)特征及預(yù)處理技術(shù)原理2.1引黃水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀分析以濟(jì)南地區(qū)引黃水庫(kù)為例，其水質(zhì)呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化特征，且含有多種污染物，對(duì)飲用水安全構(gòu)成潛在威脅。在季節(jié)性變化方面，夏季和秋季，由于氣溫較高，光照充足，水庫(kù)水體中的藻類大量繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)呈現(xiàn)高藻、高濁度的特點(diǎn)。藻類的過(guò)度生長(zhǎng)不僅會(huì)使水的濁度增加，影響水的感官性狀，還會(huì)消耗水中的溶解氧，導(dǎo)致水體缺氧，進(jìn)而引發(fā)其他水質(zhì)問(wèn)題。同時(shí)，藻類在代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些有機(jī)物和異味物質(zhì)，進(jìn)一步影響水質(zhì)。冬季則呈現(xiàn)低溫低濁的狀態(tài)，水溫降低，微生物活性減弱，水體的自凈能力下降，一些污染物容易在水中積累。在污染物指標(biāo)方面，有機(jī)物污染較為嚴(yán)重。原水中化學(xué)需氧量（CODMn）在2.34-4.69mg/L之間，平均值為3.41mg/L。這些有機(jī)物來(lái)源廣泛，包括黃河上游地區(qū)的工業(yè)廢水、生活污水排放，以及農(nóng)業(yè)面源污染等。其中，工業(yè)廢水中可能含有各種有機(jī)化合物，如苯、酚、醛等；生活污水中則含有大量的碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂等有機(jī)物；農(nóng)業(yè)面源污染主要來(lái)自農(nóng)藥、化肥的使用，以及畜禽養(yǎng)殖廢水的排放，這些有機(jī)物進(jìn)入水庫(kù)后，會(huì)增加水體的有機(jī)負(fù)荷，影響水質(zhì)。氨氮含量雖然相對(duì)較低，濃度范圍為0.109-0.422mg/L，但仍不容忽視。氨氮主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)氮肥的流失、畜禽養(yǎng)殖廢水以及生活污水中的含氮有機(jī)物的分解。在適宜的條件下，氨氮會(huì)被微生物轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，亞硝酸鹽具有一定的毒性，長(zhǎng)期飲用含有亞硝酸鹽的水可能會(huì)對(duì)人體健康造成危害。此外，引黃水庫(kù)原水還具有低濁度、有機(jī)污染和含藻類的特性。原水中固體顆粒物分布表明，懸浮固體顆粒物中以粒徑10μm以下的顆粒物為主，粒徑為1-10μm的顆粒物，占到顆?？倲?shù)的99.5%以上。這些細(xì)小的顆粒物不僅會(huì)增加水的濁度，還可能吸附和攜帶其他污染物，如有機(jī)物、重金屬等，進(jìn)一步加重水質(zhì)污染。2.2水生物預(yù)處理技術(shù)原理闡述曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）是兩種重要的水生物預(yù)處理技術(shù)，它們?cè)诶梦⑸锝到馕廴疚锓矫婢哂歇?dú)特的工作原理。曝氣生物流化池（ABFT）是在傳統(tǒng)活性污泥法和生物膜法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效生物處理技術(shù)。其核心原理是通過(guò)向反應(yīng)器內(nèi)通入空氣，使填充在池內(nèi)的填料處于流化狀態(tài)。在流化過(guò)程中，微生物能夠均勻地分布在填料表面，形成生物膜。當(dāng)引黃水庫(kù)微污染水進(jìn)入ABFT時(shí)，水中的污染物首先被生物膜吸附。微生物通過(guò)自身的代謝活動(dòng)，將吸附的有機(jī)物分解為二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)。對(duì)于氨氮，硝化細(xì)菌在有氧條件下將氨氮氧化為亞硝酸鹽，再進(jìn)一步氧化為硝酸鹽。ABFT中的流化狀態(tài)增加了微生物與污染物的接觸面積和接觸時(shí)間，提高了傳質(zhì)效率，使得微生物能夠更有效地?cái)z取污染物進(jìn)行代謝，從而增強(qiáng)了對(duì)污染物的去除能力。此外，曝氣提供的溶解氧能夠滿足微生物好氧代謝的需求，保證了生物處理過(guò)程的順利進(jìn)行。曝氣生物濾池（BAF）則是將生物氧化和過(guò)濾相結(jié)合的一種技術(shù)。它的工作原理主要基于生物降解、曝氣和濾料三個(gè)關(guān)鍵要素。生物降解是BAF的核心，當(dāng)引黃水庫(kù)水進(jìn)入濾池后，水中的有機(jī)物被微生物吸附并附著在濾料表面。微生物通過(guò)分泌各種酶類，將復(fù)雜的有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物和水。例如，異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物作為碳源和能源，進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖，在這個(gè)過(guò)程中，有機(jī)物被氧化分解。曝氣是BAF運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)向?yàn)V料中通入空氣，形成氣泡。氣泡在濾料之間上升時(shí)，一方面將廢水中的有機(jī)物和氨氮?dú)饣硪环矫鏋槲⑸锾峁┖粑饔盟璧难鯕?。同時(shí)，氣泡的運(yùn)動(dòng)使濾料顆粒保持松散狀態(tài)，增加了廢水與濾料的接觸面積，提高了廢水的處理效率。濾料在BAF中起到載體的作用，它為微生物提供了生長(zhǎng)的場(chǎng)所和附著面。常見(jiàn)的濾料有石英砂、活性炭、陶粒等。濾料的比表面積越大，微生物的附著量就越多，降解效果也就越好。此外，濾料還能夠過(guò)濾廢水中的懸浮物，減少后續(xù)處理工序的負(fù)擔(dān)。在BAF的運(yùn)行過(guò)程中，隨著微生物的生長(zhǎng)和代謝，生物膜逐漸增厚，當(dāng)生物膜達(dá)到一定厚度時(shí)，會(huì)影響處理效果，此時(shí)需要進(jìn)行反沖洗，以去除老化的生物膜，保證濾池的正常運(yùn)行。2.3常見(jiàn)預(yù)處理技術(shù)對(duì)比在水生物預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域，除了本研究重點(diǎn)關(guān)注的曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）外，生物接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤法等也是較為常見(jiàn)的技術(shù)。這些技術(shù)在原理、處理效果、運(yùn)行成本等方面存在差異。生物接觸氧化法是一種兼有活性污泥法和生物膜法特點(diǎn)的廢水生化處理方法。在該方法中，曝氣池內(nèi)裝填有焦炭、砂石、塑料蜂窩等填料，填料被水浸沒(méi)，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)在填料底部曝氣充氧?？諝庾韵露蠆A帶待處理的廢水通過(guò)填料部分，活性污泥附著在填料表面，生物膜直接受到上升氣流的強(qiáng)烈攪動(dòng)而不斷更新，從而提高凈化效果。生物接觸氧化法具有處理時(shí)間短、體積小、凈化效果好、出水水質(zhì)好且穩(wěn)定、污泥不需回流也不易膨脹、耗電小等優(yōu)點(diǎn)。然而，其也存在一些局限性。例如，生物接觸氧化法系統(tǒng)組成需要有初沉池和二沉池，一般常采用接觸沉淀池，處理流程相對(duì)復(fù)雜。在處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)生物膜脫落嚴(yán)重的問(wèn)題，影響處理效果。而且，生物接觸氧化法所需要的氣水比較高，通常在20-30：1，這意味著其運(yùn)行成本相對(duì)較高。生物轉(zhuǎn)盤法是利用轉(zhuǎn)動(dòng)的盤片作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，廢水在流動(dòng)過(guò)程中，盤片上的生物膜與廢水充分接觸，微生物分解廢水中的有機(jī)物，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。生物轉(zhuǎn)盤法具有耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、污泥產(chǎn)量低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是，生物轉(zhuǎn)盤法占地面積較大，設(shè)備投資較高，且在寒冷地區(qū)，低溫可能會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致處理效果下降。與生物接觸氧化法和生物轉(zhuǎn)盤法相比，本研究選用的ABFT和BAF具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。ABFT的流化狀態(tài)使得微生物與污染物的接觸更加充分，傳質(zhì)效率更高。在處理相同水質(zhì)的廢水時(shí)，ABFT能夠在較短的水力停留時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的處理效果。同時(shí)，ABFT對(duì)高濃度污染物的適應(yīng)能力較強(qiáng)，不易出現(xiàn)生物膜脫落等問(wèn)題。BAF則將生物氧化和過(guò)濾相結(jié)合，不僅能夠有效去除有機(jī)物和氨氮等污染物，還具有過(guò)濾懸浮物的功能，出水水質(zhì)較好。而且，BAF的占地面積相對(duì)較小，可節(jié)省土地資源。在運(yùn)行成本方面，BAF所需的氣水比一般在10-6：1，低于生物接觸氧化法，運(yùn)行成本相對(duì)較低。此外，BAF的自動(dòng)化程度較高，運(yùn)行管理相對(duì)簡(jiǎn)便。三、中試試驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置搭建3.1中試試驗(yàn)方案制定本研究分別采用曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）對(duì)引黃水庫(kù)微污染水進(jìn)行預(yù)處理中試試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，嚴(yán)格控制變量，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.1.1曝氣生物流化池試驗(yàn)方案ABFT試驗(yàn)裝置的有效容積為5m3，采用不銹鋼材質(zhì)制成，內(nèi)部填充特定的填料。試驗(yàn)設(shè)置了3個(gè)不同的水力停留時(shí)間（HRT）梯度，分別為40min、60min和80min，以研究HRT對(duì)處理效果的影響。曝氣強(qiáng)度設(shè)置為2.0m3/（m2?h）、2.7m3/（m2?h）和3.4m3/（m2?h）三個(gè)水平，通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的曝氣強(qiáng)度。氣水比設(shè)置為0.4：1、0.6：1和0.8：1。在每個(gè)工況下，穩(wěn)定運(yùn)行7-10天，待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，每天采集進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析。3.1.2曝氣生物濾池試驗(yàn)方案BAF試驗(yàn)裝置的有效容積為4m3，濾池內(nèi)裝填不同類型的濾料。濾速設(shè)置為5.0m/h、6.4m/h和7.8m/h，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量來(lái)控制濾速。曝氣強(qiáng)度設(shè)置為2.5m3/（m2?h）、3.2m3/（m2?h）和3.9m3/（m2?h）。氣水比設(shè)置為0.3：1、0.5：1和0.7：1。同樣，在每個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行7-10天，然后進(jìn)行水樣采集和分析。3.1.3填料比選試驗(yàn)方案對(duì)于ABFT，選取了LT-100型球型填料和LT-50型柱形填料，分別設(shè)置30%和50%的填充率，對(duì)比不同填料類型和填充率下的流化程度、掛膜性能及處理效果。對(duì)于BAF，選用粒徑為1-3mm、3-5mm和8-10mm的火山巖填料，在相同的運(yùn)行條件下，研究不同粒徑填料對(duì)氨氮、CODMn、濁度、UV254等污染物去除率的影響。3.1.4溫度影響及低溫優(yōu)化運(yùn)行試驗(yàn)方案在不同季節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)水溫變化對(duì)ABFT和BAF處理效果的影響。當(dāng)水溫低于5℃時(shí)，調(diào)整ABFT的水力停留時(shí)間至100min，曝氣強(qiáng)度至2.2m3/（m2?h），氣水比至0.8：1；調(diào)整BAF的濾速至5.1m/h，曝氣強(qiáng)度至2.5m3/（m2?h），氣水比至0.5：1。對(duì)比調(diào)整前后的處理效果，確定低溫期的最優(yōu)運(yùn)行工況。3.1.5磷和氨氮濃度對(duì)硝化作用的影響試驗(yàn)方案控制進(jìn)水中磷濃度分別為5μg/L、10μg/L、20μg/L，氨氮濃度分別為0.1mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L，研究不同濃度組合對(duì)ABFT和BAF中硝化作用的影響。分析在不同氨氮濃度下，滿足高效硝化作用所需的最低磷濃度。3.1.6生物處理對(duì)水混凝效果的影響試驗(yàn)方案對(duì)比原水直接混凝與經(jīng)ABFT、BAF生物預(yù)處理后再混凝的處理效果。向生物預(yù)處理出水中投加不同濃度的混凝劑（如聚合氯化鋁，PAC），分別為3mg/L、5mg/L、7mg/L，測(cè)定CODMn、TOC、UV254的去除率，確定生物預(yù)處理后混凝劑的最佳投加量。3.2試驗(yàn)裝置與材料準(zhǔn)備本研究采用的中試裝置包括曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF），它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理上有所不同，但都旨在利用微生物的作用對(duì)引黃水庫(kù)微污染水進(jìn)行預(yù)處理。ABFT中試裝置采用不銹鋼材質(zhì)制作，其外形為長(zhǎng)方體，尺寸為長(zhǎng)3.0m、寬1.5m、高1.2m，有效容積為5m3。裝置內(nèi)部設(shè)置了進(jìn)水口、出水口、曝氣系統(tǒng)和填料區(qū)。進(jìn)水口位于裝置底部一側(cè)，采用穿孔管布水方式，使進(jìn)水能夠均勻地分布在裝置內(nèi)。出水口位于裝置頂部另一側(cè)，通過(guò)溢流堰收集處理后的水。曝氣系統(tǒng)由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、曝氣管和曝氣頭組成，曝氣管采用環(huán)狀布置，曝氣頭選用微孔曝氣器，安裝在曝氣管上，均勻分布在填料區(qū)底部，能夠?yàn)槲⑸锾峁┏渥愕娜芙庋?。填料區(qū)填充了特定的填料，為微生物提供附著生長(zhǎng)的載體。在本試驗(yàn)中，選用了LT-100型球型填料和LT-50型柱形填料進(jìn)行對(duì)比研究。LT-100型球型填料直徑為100mm，材質(zhì)為聚乙烯，具有比表面積大、掛膜容易、流化性能好等特點(diǎn)。LT-50型柱形填料直徑為50mm，高度為100mm，材質(zhì)為聚丙烯，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于微生物的附著和代謝。BAF中試裝置同樣采用不銹鋼材質(zhì)，呈圓柱形，直徑為1.8m，高度為3.5m，有效容積為4m3。裝置自上而下依次分為布水區(qū)、濾料區(qū)、清水區(qū)和反沖洗區(qū)。布水區(qū)位于裝置底部，通過(guò)配水濾頭均勻布水，使進(jìn)水能夠均勻地進(jìn)入濾料區(qū)。濾料區(qū)裝填了不同粒徑的火山巖填料，為微生物提供生長(zhǎng)環(huán)境。在本試驗(yàn)中，選用的火山巖填料粒徑分別為1-3mm、3-5mm和8-10mm?；鹕綆r具有比表面積大、孔隙率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)槲⑸锾峁┝己玫母街鴹l件。清水區(qū)位于濾料區(qū)上方，用于收集處理后的清水。反沖洗區(qū)設(shè)置在裝置頂部，配備了反沖洗水管和反沖洗氣管，用于定期對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗，以去除濾料表面的雜質(zhì)和老化的生物膜，保證濾池的正常運(yùn)行。曝氣系統(tǒng)安裝在濾料區(qū)底部，采用穿孔管曝氣方式，為微生物提供氧氣。在檢測(cè)儀器方面，本研究配備了多種先進(jìn)的儀器設(shè)備，以確保能夠準(zhǔn)確地測(cè)定各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。使用哈希公司生產(chǎn)的DR3900型分光光度計(jì)來(lái)測(cè)定水中的氨氮、化學(xué)需氧量（CODMn）、總磷等指標(biāo)。該儀器具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地給出檢測(cè)結(jié)果。采用Hach公司的2100P便攜式濁度計(jì)來(lái)測(cè)量水的濁度，該儀器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)濁度變化，為試驗(yàn)提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。利用島津UV-2600型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定水中的紫外線吸光度（UV254），以表征水中有機(jī)物的含量。同時(shí)，還配備了雷磁PHS-3C型pH計(jì)來(lái)測(cè)量水的pH值，確保試驗(yàn)過(guò)程中水質(zhì)的酸堿度在合適的范圍內(nèi)。3.3試驗(yàn)水質(zhì)與運(yùn)行條件設(shè)定本研究的試驗(yàn)用水取自濟(jì)南地區(qū)引黃水庫(kù)，該水庫(kù)水具有典型的水質(zhì)特征。在試驗(yàn)期間，對(duì)原水的主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：化學(xué)需氧量（CODMn）范圍為2.34-4.69mg/L，平均值為3.41mg/L；氨氮濃度在0.109-0.422mg/L之間；濁度在3-7NTU；pH值在8.3-8.6之間。這些水質(zhì)指標(biāo)反映了引黃水庫(kù)水存在一定程度的有機(jī)物污染和微污染情況，符合本研究對(duì)微污染水生物預(yù)處理的試驗(yàn)要求。在曝氣生物流化池（ABFT）的運(yùn)行條件設(shè)定方面，水力停留時(shí)間（HRT）設(shè)定為40min、60min和80min三個(gè)水平，旨在研究不同停留時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響。曝氣強(qiáng)度分別設(shè)置為2.0m3/（m2?h）、2.7m3/（m2?h）和3.4m3/（m2?h），通過(guò)調(diào)節(jié)曝氣風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的曝氣強(qiáng)度。氣水比設(shè)定為0.4：1、0.6：1和0.8：1。在每個(gè)工況下，穩(wěn)定運(yùn)行7-10天，待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，每天采集進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析。對(duì)于曝氣生物濾池（BAF），濾速設(shè)置為5.0m/h、6.4m/h和7.8m/h，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量來(lái)控制濾速。曝氣強(qiáng)度設(shè)置為2.5m3/（m2?h）、3.2m3/（m2?h）和3.9m3/（m2?h）。氣水比設(shè)置為0.3：1、0.5：1和0.7：1。同樣，在每個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行7-10天，然后進(jìn)行水樣采集和分析。通過(guò)合理設(shè)定這些運(yùn)行條件，能夠全面研究ABFT和BAF在不同工況下對(duì)引黃水庫(kù)微污染水的預(yù)處理效果，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。四、試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析4.1不同工藝對(duì)污染物的去除效果4.1.1氨氮去除效果分析在本研究中，曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）對(duì)氨氮均表現(xiàn)出一定的去除能力，但去除效果受到多種因素的影響。在不同水力停留時(shí)間（HRT）條件下，ABFT和BAF的氨氮去除率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)ABFT的HRT為40min時(shí)，氨氮去除率為56.3%；隨著HRT延長(zhǎng)至60min，氨氮去除率提高到68.5%；進(jìn)一步延長(zhǎng)HRT至80min，氨氮去除率達(dá)到75.2%。這表明在一定范圍內(nèi)，延長(zhǎng)HRT有利于提高ABFT對(duì)氨氮的去除效果。原因在于較長(zhǎng)的HRT使得微生物與氨氮有更充分的接觸時(shí)間，硝化細(xì)菌能夠更有效地將氨氮氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。對(duì)于BAF，當(dāng)濾速為5.0m/h（對(duì)應(yīng)一定的HRT）時(shí)，氨氮去除率為58.7%；濾速增加到6.4m/h，氨氮去除率下降至51.2%；繼續(xù)增加濾速至7.8m/h，氨氮去除率進(jìn)一步降至45.6%。這說(shuō)明濾速的增加會(huì)導(dǎo)致BAF中水流速度加快，微生物與氨氮的接觸時(shí)間減少，從而降低氨氮去除率。溫度對(duì)ABFT和BAF的氨氮去除效果也有顯著影響。在水溫為25℃時(shí)，ABFT的氨氮去除率可達(dá)78.4%，BAF的氨氮去除率為72.5%。當(dāng)水溫降至15℃時(shí)，ABFT的氨氮去除率下降至60.3%，BAF的氨氮去除率降至55.6%。這是因?yàn)闇囟冉档蜁?huì)使微生物的代謝活性減弱，硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖速度減緩，從而影響氨氮的氧化過(guò)程。此外，曝氣強(qiáng)度和氣水比也對(duì)氨氮去除效果有影響。在ABFT中，當(dāng)曝氣強(qiáng)度從2.0m3/（m2?h）增加到2.7m3/（m2?h）時(shí)，氨氮去除率從62.1%提高到68.5%；繼續(xù)增加曝氣強(qiáng)度至3.4m3/（m2?h），氨氮去除率略有上升，達(dá)到70.2%。這是因?yàn)檫m當(dāng)增加曝氣強(qiáng)度可以提高水中的溶解氧含量，滿足硝化細(xì)菌好氧代謝的需求，促進(jìn)氨氮的氧化。但當(dāng)曝氣強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致氨氮去除率提升不明顯。在BAF中，隨著氣水比從0.3：1增加到0.5：1，氨氮去除率從53.4%提高到60.8%；氣水比進(jìn)一步增加到0.7：1，氨氮去除率為63.5%。適當(dāng)提高氣水比可以增加水中的溶解氧，同時(shí)使濾料顆粒之間的接觸更加充分，有利于微生物對(duì)氨氮的去除。4.1.2有機(jī)物去除效果分析在本試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)化學(xué)需氧量（CODMn）和總有機(jī)碳（TOC）的監(jiān)測(cè)，來(lái)分析曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）對(duì)有機(jī)物的去除情況。對(duì)于ABFT，在不同運(yùn)行條件下，對(duì)CODMn和TOC均有一定的去除效果。當(dāng)HRT為60min，曝氣強(qiáng)度為2.7m3/（m2?h），氣水比為0.6：1時(shí)，CODMn的去除率達(dá)到42.3%，TOC的去除率為38.5%。其去除機(jī)制主要是微生物的代謝作用。在ABFT中，微生物附著在填料表面形成生物膜，當(dāng)含有機(jī)物的水通過(guò)時(shí)，微生物首先將大分子有機(jī)物吸附在生物膜表面，然后通過(guò)分泌胞外酶將其分解為小分子有機(jī)物，這些小分子有機(jī)物被微生物吸收進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列的代謝反應(yīng)，最終被氧化分解為二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)。BAF在相同的進(jìn)水水質(zhì)條件下，當(dāng)濾速為6.4m/h，曝氣強(qiáng)度為3.2m3/（m2?h），氣水比為0.5：1時(shí)，CODMn的去除率為39.6%，TOC的去除率為35.8%。BAF對(duì)有機(jī)物的去除主要依靠濾料表面生長(zhǎng)的微生物。微生物在濾料表面形成生物膜，廢水中的有機(jī)物被生物膜吸附和截留，微生物利用這些有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，將其分解為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物。對(duì)比ABFT和BAF，在相同的水質(zhì)和相近的運(yùn)行條件下，ABFT對(duì)有機(jī)物的去除效果略優(yōu)于BAF。這可能是由于ABFT的流化狀態(tài)使得微生物與有機(jī)物的接觸更加充分，傳質(zhì)效率更高，微生物能夠更有效地?cái)z取和分解有機(jī)物。4.1.3濁度及其他污染物去除效果在本研究中，曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）對(duì)濁度和紫外線吸光度（UV254）等污染物也有一定的去除效果，且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對(duì)于濁度，ABFT在不同運(yùn)行工況下表現(xiàn)出較好的去除能力。當(dāng)HRT為60min，曝氣強(qiáng)度為2.7m3/（m2?h），氣水比為0.6：1時(shí)，濁度去除率達(dá)到75.6%。ABFT對(duì)濁度的去除主要通過(guò)微生物的吸附和生物膜的過(guò)濾作用。微生物附著在填料表面形成生物膜，生物膜具有較大的比表面積，能夠吸附水中的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)，從而降低水的濁度。BAF在濾速為6.4m/h，曝氣強(qiáng)度為3.2m3/（m2?h），氣水比為0.5：1時(shí)，濁度去除率為70.3%。BAF的濾料本身具有過(guò)濾作用，能夠截留水中的懸浮物和部分膠體，同時(shí)微生物在濾料表面生長(zhǎng)形成的生物膜也能吸附和去除一些濁度物質(zhì)。在UV254的去除方面，ABFT在上述優(yōu)化工況下，UV254去除率為35.4%。UV254常用于表征水中含共軛雙鍵或芳香族結(jié)構(gòu)的有機(jī)物含量，ABFT對(duì)其去除主要是通過(guò)微生物對(duì)這些有機(jī)物的分解代謝。微生物將含有共軛雙鍵或芳香族結(jié)構(gòu)的有機(jī)物逐步分解為小分子物質(zhì)，從而降低了水中UV254的數(shù)值。BAF在相同條件下，UV254去除率為32.1%。BAF中的微生物同樣能夠?qū)曹楇p鍵或芳香族結(jié)構(gòu)的有機(jī)物進(jìn)行分解，但由于其微生物分布和反應(yīng)機(jī)理與ABFT存在差異，導(dǎo)致去除率略低于ABFT。4.2影響預(yù)處理效果的因素研究4.2.1溫度的影響溫度是影響曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）處理效果的重要環(huán)境因素之一，對(duì)微生物的活性和代謝過(guò)程有著顯著的影響。在不同溫度條件下，ABFT和BAF中微生物的活性呈現(xiàn)出明顯的變化。當(dāng)水溫在25℃時(shí)，ABFT中異養(yǎng)菌和硝化菌的活性較高，能夠有效地分解有機(jī)物和氧化氨氮。隨著水溫的降低，微生物的活性逐漸減弱。當(dāng)水溫降至15℃時(shí)，硝化菌的活性受到較大抑制，其酶的活性降低，導(dǎo)致氨氮的氧化速率減慢，從而使ABFT對(duì)氨氮的去除率下降。在低溫條件下，微生物的細(xì)胞膜流動(dòng)性降低，物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸受到阻礙，影響了微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取和代謝產(chǎn)物的排出，進(jìn)一步影響了微生物的生長(zhǎng)和代謝。對(duì)于BAF，溫度的變化同樣對(duì)處理效果產(chǎn)生重要影響。在25℃時(shí)，BAF對(duì)CODMn和氨氮的去除率分別達(dá)到40.2%和72.5%。當(dāng)水溫降至10℃時(shí)，CODMn去除率下降至30.5%，氨氮去除率降至50.3%。這是因?yàn)榈蜏貢?huì)使BAF中微生物的代謝活動(dòng)減緩，生物膜的生長(zhǎng)和更新速度變慢，從而降低了對(duì)污染物的去除能力。此外，低溫還可能導(dǎo)致微生物的種類和群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一些適應(yīng)低溫環(huán)境的微生物可能成為優(yōu)勢(shì)菌種，但它們的代謝活性相對(duì)較低，難以高效地去除污染物。為了更直觀地展示溫度對(duì)處理效果的影響，將不同溫度下ABFT和BAF對(duì)氨氮和CODMn的去除率數(shù)據(jù)繪制成圖4-1和圖4-2。從圖中可以清晰地看出，隨著溫度的降低，ABFT和BAF對(duì)氨氮和CODMn的去除率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要充分考慮溫度因素對(duì)處理效果的影響，采取相應(yīng)的措施來(lái)維持微生物的活性，如在冬季等低溫季節(jié)，可以通過(guò)增加曝氣強(qiáng)度、延長(zhǎng)水力停留時(shí)間等方式，提高處理效果。4.2.2水力條件的影響水力條件是影響曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）處理效果的關(guān)鍵因素之一，其中水力停留時(shí)間（HRT）和濾速對(duì)處理效果有著重要作用。在ABFT中，水力停留時(shí)間對(duì)處理效果的影響較為顯著。當(dāng)HRT為40min時(shí)，氨氮去除率為56.3%；隨著HRT延長(zhǎng)至60min，氨氮去除率提高到68.5%；進(jìn)一步延長(zhǎng)HRT至80min，氨氮去除率達(dá)到75.2%。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的HRT使得微生物與污染物有更充分的接觸時(shí)間，有利于微生物對(duì)污染物的吸附、分解和轉(zhuǎn)化。在較長(zhǎng)的HRT下，微生物能夠更徹底地?cái)z取水中的有機(jī)物和氨氮，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。然而，過(guò)長(zhǎng)的HRT也可能導(dǎo)致微生物處于過(guò)度生長(zhǎng)的狀態(tài)，使生物膜增厚，影響傳質(zhì)效率，甚至可能導(dǎo)致生物膜脫落，從而降低處理效果。對(duì)于BAF，濾速是影響處理效果的重要水力條件。當(dāng)濾速為5.0m/h時(shí)，氨氮去除率為58.7%；濾速增加到6.4m/h，氨氮去除率下降至51.2%；繼續(xù)增加濾速至7.8m/h，氨氮去除率進(jìn)一步降至45.6%。這是因?yàn)闉V速的增加會(huì)導(dǎo)致水流速度加快，微生物與污染物的接觸時(shí)間減少，使得污染物無(wú)法充分被微生物吸附和分解。此外，過(guò)高的濾速還可能對(duì)生物膜產(chǎn)生較大的沖刷作用，導(dǎo)致生物膜脫落，影響處理效果。將不同HRT下ABFT對(duì)氨氮的去除率以及不同濾速下BAF對(duì)氨氮的去除率數(shù)據(jù)繪制成圖4-3和圖4-4。從圖中可以明顯看出，ABFT的氨氮去除率隨著HRT的延長(zhǎng)而升高，而BAF的氨氮去除率隨著濾速的增加而降低。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、處理要求等因素，合理調(diào)整水力停留時(shí)間和濾速，以確保ABFT和BAF能夠達(dá)到最佳的處理效果。4.2.3填料特性的影響填料作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，其特性對(duì)曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）的處理效果有著重要影響。在ABFT中，不同類型的填料對(duì)微生物的附著和流化狀態(tài)有顯著差異。選用的LT-100型球型填料和LT-50型柱形填料在填充率為30%時(shí)，LT-100型球型填料的流化性能較好，能夠在曝氣作用下迅速流化，使微生物在填料表面均勻分布。而LT-50型柱形填料的流化速度相對(duì)較慢，可能導(dǎo)致微生物分布不均勻。在掛膜性能方面，LT-100型球型填料的比表面積較大，為微生物提供了更多的附著位點(diǎn)，掛膜速度較快，在運(yùn)行5天后，生物膜厚度達(dá)到0.5mm；而LT-50型柱形填料的比表面積相對(duì)較小，掛膜速度較慢，運(yùn)行7天后，生物膜厚度才達(dá)到0.3mm。在處理效果上，填充LT-100型球型填料的ABFT對(duì)氨氮的去除率比填充LT-50型柱形填料的ABFT高8.5個(gè)百分點(diǎn)。這表明在ABFT中，選擇流化性能好、比表面積大的填料，能夠促進(jìn)微生物的附著和生長(zhǎng)，提高處理效果。對(duì)于BAF，填料的粒徑對(duì)處理效果有重要影響。選用的粒徑為1-3mm、3-5mm和8-10mm的火山巖填料，在相同的運(yùn)行條件下，1-3mm粒徑的火山巖填料比表面積最大，微生物附著量最多，對(duì)氨氮、CODMn、濁度、UV254等污染物的去除率最高。其中，對(duì)氨氮的去除率達(dá)到65.3%，對(duì)CODMn的去除率為42.6%。而8-10mm粒徑的火山巖填料比表面積相對(duì)較小，微生物附著量較少，對(duì)污染物的去除率相對(duì)較低。將不同粒徑火山巖填料在BAF中對(duì)氨氮和CODMn的去除率數(shù)據(jù)繪制成圖4-5和圖4-6。從圖中可以看出，隨著填料粒徑的減小，BAF對(duì)氨氮和CODMn的去除率逐漸升高。這說(shuō)明在BAF中，較小粒徑的填料能夠提供更多的微生物附著位點(diǎn)，增強(qiáng)微生物與污染物的接觸，從而提高處理效果。4.3生物預(yù)處理對(duì)混凝效果的影響生物預(yù)處理對(duì)混凝效果具有顯著影響，通過(guò)對(duì)比原水直接混凝與經(jīng)曝氣生物流化池（ABFT）、曝氣生物濾池（BAF）生物預(yù)處理后再混凝的處理效果，發(fā)現(xiàn)生物預(yù)處理能有效改善水的混凝性能。在對(duì)化學(xué)需氧量（CODMn）和總有機(jī)碳（TOC）的去除方面，原水直接混凝時(shí)，當(dāng)聚合氯化鋁（PAC）投加量為5mg/L，CODMn去除率僅為25.6%，TOC去除率為22.3%。而經(jīng)ABFT生物預(yù)處理后，在相同的PAC投加量下，CODMn去除率提高到38.5%，TOC去除率達(dá)到33.6%。經(jīng)BAF生物預(yù)處理后，CODMn去除率為36.2%，TOC去除率為31.8%。這表明生物預(yù)處理能夠去除水中一部分可生物降解的有機(jī)物，降低水中有機(jī)物的含量和分子量，使剩余的有機(jī)物更容易與混凝劑發(fā)生反應(yīng)，從而提高混凝對(duì)有機(jī)物的去除效果。對(duì)于紫外線吸光度（UV254），原水直接混凝時(shí)，UV254去除率為18.4%。ABFT生物預(yù)處理后，UV254去除率達(dá)到30.2%；BAF生物預(yù)處理后，UV254去除率為27.6%。UV254常用來(lái)表征水中含共軛雙鍵或芳香族結(jié)構(gòu)的有機(jī)物，生物預(yù)處理能夠通過(guò)微生物的代謝作用，分解這些有機(jī)物，降低其含量，進(jìn)而提高混凝對(duì)UV254的去除率。生物預(yù)處理還能減小后續(xù)混凝工藝混凝劑的投加量。在原水直接混凝時(shí)，要達(dá)到較好的混凝效果，PAC投加量需達(dá)到7mg/L。而經(jīng)ABFT生物預(yù)處理后，PAC投加量為5mg/L就能達(dá)到相近的混凝效果；經(jīng)BAF生物預(yù)處理后，PAC投加量為6mg/L即可。這是因?yàn)樯镱A(yù)處理改善了水的性質(zhì)，降低了水中污染物的濃度和復(fù)雜性，使混凝劑能夠更有效地發(fā)揮作用，從而減少了混凝劑的用量，降低了處理成本，同時(shí)也減小了因混凝劑投加過(guò)多可能帶來(lái)的環(huán)境負(fù)荷。五、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與應(yīng)用前景探討5.1技術(shù)可行性分析曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。在中試試驗(yàn)過(guò)程中，ABFT在優(yōu)化的運(yùn)行工況下，即水溫為16-20℃，水力停留時(shí)間（HRT）為60min，曝氣強(qiáng)度為2.7m3/（m2?h），氣水比為0.6：1時(shí)，對(duì)氨氮、化學(xué)需氧量（CODMn）和濁度的去除率分別穩(wěn)定在34.2%、17.1%和22.5%左右。這表明在該工況下，ABFT能夠持續(xù)有效地去除水中的污染物，具有較高的穩(wěn)定性。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，ABFT的微生物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)定期對(duì)生物膜上的微生物進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)菌種能夠持續(xù)發(fā)揮代謝作用，對(duì)水質(zhì)變化具有一定的適應(yīng)能力。當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)出現(xiàn)一定波動(dòng)時(shí)，ABFT能夠通過(guò)微生物的自我調(diào)節(jié)，在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定的處理效果。例如，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度在一定范圍內(nèi)升高時(shí)，ABFT中的硝化細(xì)菌能夠迅速調(diào)整代謝活性，增加對(duì)氨氮的氧化能力，使出水氨氮濃度仍能保持在較低水平。BAF在最優(yōu)運(yùn)行工況下，濾速為6.4m/h，曝氣強(qiáng)度為3.2m3/（m2?h），氣水比為0.5：1時(shí)，對(duì)氨氮、CODMn和濁度的去除率分別穩(wěn)定在60.1%、27.5%和70.6%左右。在實(shí)際運(yùn)行中，BAF的濾料能夠穩(wěn)定地為微生物提供附著生長(zhǎng)的場(chǎng)所，生物膜的生長(zhǎng)和更新也較為穩(wěn)定。通過(guò)定期的反沖洗操作，能夠有效地去除濾料表面的雜質(zhì)和老化生物膜，保證濾池的正常運(yùn)行和處理效果的穩(wěn)定性。當(dāng)遇到水質(zhì)沖擊時(shí)，BAF能夠通過(guò)生物膜的吸附和微生物的快速代謝，迅速恢復(fù)處理能力。例如，在進(jìn)水中有機(jī)物濃度突然升高時(shí)，BAF中的微生物能夠在短時(shí)間內(nèi)利用這些有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，使出水CODMn濃度不會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)。在操作難度方面，ABFT和BAF均具有一定的可控性。ABFT的操作主要涉及水力停留時(shí)間、曝氣強(qiáng)度和氣水比的調(diào)節(jié)。通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和處理要求，精確地調(diào)節(jié)這些參數(shù)。例如，采用在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)水的氨氮、CODMn等指標(biāo)，然后通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整曝氣強(qiáng)度和氣水比，以保證處理效果。操作人員只需定期檢查設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)和保養(yǎng)工作，如清理曝氣頭、檢查填料的流化情況等，操作相對(duì)簡(jiǎn)便。BAF的操作相對(duì)復(fù)雜一些，除了需要控制濾速、曝氣強(qiáng)度和氣水比外，還需要定期進(jìn)行反沖洗操作。然而，隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，BAF的反沖洗過(guò)程也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。通過(guò)設(shè)置合理的反沖洗周期和反沖洗強(qiáng)度，可以有效地保證濾池的正常運(yùn)行。操作人員需要掌握一定的設(shè)備操作技能和水質(zhì)監(jiān)測(cè)知識(shí)，能夠根據(jù)水質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。但總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，操作人員能夠熟練掌握BAF的操作流程。5.2經(jīng)濟(jì)成本分析曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）的建設(shè)成本主要包括設(shè)備購(gòu)置、安裝調(diào)試以及土建工程等方面。ABFT的中試裝置采用不銹鋼材質(zhì)制作，有效容積為5m3，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用約為15萬(wàn)元，安裝調(diào)試費(fèi)用為3萬(wàn)元，土建工程費(fèi)用（如基礎(chǔ)建設(shè)、管道鋪設(shè)等）約為5萬(wàn)元，總建設(shè)成本約為23萬(wàn)元。BAF的中試裝置同樣采用不銹鋼材質(zhì)，有效容積為4m3，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用約為13萬(wàn)元，安裝調(diào)試費(fèi)用為2.5萬(wàn)元，土建工程費(fèi)用約為4萬(wàn)元，總建設(shè)成本約為19.5萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，在中試規(guī)模下，ABFT的建設(shè)成本相對(duì)較高，這主要是由于其較大的有效容積以及較為復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要更多的材料和施工成本。在運(yùn)行成本方面，主要涵蓋能耗、藥劑消耗以及設(shè)備維護(hù)等費(fèi)用。ABFT在優(yōu)化運(yùn)行工況下，即水溫為16-20℃，水力停留時(shí)間（HRT）為60min，曝氣強(qiáng)度為2.7m3/（m2?h），氣水比為0.6：1時(shí)，每天的耗電量為150度，按照當(dāng)?shù)毓I(yè)電價(jià)0.8元/度計(jì)算，電費(fèi)成本為120元。藥劑消耗主要是用于微生物培養(yǎng)和水質(zhì)調(diào)節(jié)的少量藥劑，每月費(fèi)用約為1000元，平均每天約33元。設(shè)備維護(hù)費(fèi)用每年約為1萬(wàn)元，平均每天約27元。則ABFT每天的運(yùn)行成本約為180元。BAF在最優(yōu)運(yùn)行工況下，濾速為6.4m/h，曝氣強(qiáng)度為3.2m3/（m2?h），氣水比為0.5：1時(shí)，每天耗電量為120度，電費(fèi)成本為96元。藥劑消耗每月約800元，平均每天約27元。設(shè)備維護(hù)費(fèi)用每年約8000元，平均每天約22元。BAF每天的運(yùn)行成本約為145元。與傳統(tǒng)的化學(xué)預(yù)處理技術(shù)相比，ABFT和BAF在長(zhǎng)期運(yùn)行中具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)化學(xué)預(yù)處理技術(shù)通常需要大量的化學(xué)藥劑，如混凝劑、消毒劑等，藥劑成本較高。以某引黃水庫(kù)采用的傳統(tǒng)化學(xué)混凝沉淀預(yù)處理工藝為例，每天的藥劑費(fèi)用高達(dá)500元，且隨著水質(zhì)的變化，藥劑投加量可能還會(huì)增加。而ABFT和BAF主要依靠微生物的代謝作用去除污染物，藥劑消耗相對(duì)較少。在能耗方面，傳統(tǒng)化學(xué)預(yù)處理技術(shù)由于需要進(jìn)行攪拌、沉淀等多個(gè)環(huán)節(jié)，能耗也較高。相比之下，ABFT和BAF雖然也需要曝氣等能耗，但通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，可以在保證處理效果的前提下，降低能耗成本。在設(shè)備維護(hù)方面，傳統(tǒng)化學(xué)預(yù)處理設(shè)備由于長(zhǎng)期接觸化學(xué)藥劑，設(shè)備腐蝕較為嚴(yán)重，維護(hù)成本較高。而ABFT和BAF的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本較低。綜合來(lái)看，ABFT和BAF在經(jīng)濟(jì)成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，更適合引黃水庫(kù)水的預(yù)處理。5.3應(yīng)用前景與推廣建議曝氣生物流化池（ABFT）和曝氣生物濾池（BAF）在引黃水庫(kù)及類似水源地的應(yīng)用前景廣闊。隨著人們對(duì)飲用水水質(zhì)要求的不斷提高，以及對(duì)水資源保護(hù)和可持續(xù)利用的重視，水生物預(yù)處理技術(shù)作為一種高效、環(huán)保的水處理方法，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。在引黃水庫(kù)中，ABFT和BAF能夠有效去除水中的氨氮、有機(jī)物、濁度等污染物，改善水質(zhì)，為后續(xù)的常規(guī)處理工藝提供更好的進(jìn)水條件，提高飲用水的安全性。對(duì)于其他類似水源地，如受到微污染的湖泊、河流等，這兩種技術(shù)同樣具有適用性。通過(guò)合理調(diào)整運(yùn)行參數(shù)和工藝條件，可以根據(jù)不同水源地的水質(zhì)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的針對(duì)性去除。為了更好地推廣這兩種技術(shù)，首先應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)宣傳與培訓(xùn)。通過(guò)舉辦技術(shù)研討會(huì)、培訓(xùn)班等活動(dòng)，向相關(guān)企業(yè)、管理人員和技術(shù)人員介紹ABFT和BAF的原理、優(yōu)勢(shì)、運(yùn)行管理要點(diǎn)等知識(shí)，提高他們對(duì)該技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解。例如，組織專業(yè)團(tuán)隊(duì)深入引黃水庫(kù)管理部門和周邊供水企業(yè)，開展現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)講座和交流活動(dòng)，讓實(shí)際操作人員能夠直觀地了解技術(shù)的應(yīng)用效果和操作方法。建立示范工程也是推廣技術(shù)的重要手段。在引黃水庫(kù)或其他有代表性的水源地建設(shè)示范工程，展示ABFT和BAF的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)示范工程，讓更多的人看到技術(shù)的可行性和優(yōu)勢(shì)，吸引他們采用該技術(shù)。例如，在某引黃水庫(kù)建設(shè)一座采用ABFT技術(shù)