复合生物活性滤料滤池处理成都市沙河原水的研究
论文作者：丽娟 朱明章 李伟 古玉兵 姚雨霖 赵友石
摘要：对复合了惰性滤料和活性滤料，活性滤料又由极性和非极性滤料复合构成的新型生物活性滤料滤池进行过滤试验， 研究 表明，该滤池能够去除氨氮90%以上，CODMn40%以上，降低Ames试验致突变性约l/3左右，出水水质满足国家生活饮用水水质标准，具有较好处理效果。
关键词：滤料 极性 非极性 复合生物活性 充气
成都市自来水公司以沙河为水源的制水能力约占公司总制水能力的40%。随着城市的 发展 ，城市范围逐步外延，沙河取水口已经陷于城郊结合部较密集的居民生活圈包围中，因基础设施配套建设较差，沙河原水受到生活废水、工业废水、农田排灌废水及垃圾等污染的程度呈加重趋势，特别在暴雨时污染更为明显，根据1997—2000年的监测，原水色度一般12—45度，少数时间超过40度，高锰酸盐指数(CODMn)最高10.28mg/l，化学需氧量最高达27.35mg/l，氨氮(NH3-N)一般在0.5mg/l左右，暴雨时曾出现过2.56mg/l，在短时间内给水厂生产造成了一定困难。为了解决短时间的原水污染 问题 ，并作好技术储备，在以后可能出现连续污染时保证供水的安全可*性，成都市自来水公司于1999年12月一2000年12月与重庆大学(原重庆建筑大学)合作进行了复合生物活性滤料滤池过滤技术的研究。
复合生物活性滤料滤池是由活性和惰性滤料复合构成滤床，在保持滤池去除悬浮物功能的基础上强化滤池去除有机物的能力，活性滤料由极性和非极性两类复合构成，用以提高滤池全面吸附去除有机物的能力[1]，该滤池还采用空气充氧，是一种生物滤池。
2. 研究目标和试验流程
2.l 研究目标。
本研究要求复合生物活性滤料滤池对CODMn的去除率为15--20%，对NH3—N的去除率不小于50%，滤后水消毒后达到国家生活饮用水卫生标准，Ames试验比水厂工艺有明显改善。
2.2 试验流程
试验在以沙河为水源的水五厂进行，复合生物活性滤料滤池的待滤水来自该厂的机械加速澄清池，滤后水进入生产移动罩滤池的清水渠，整体流程如下。水厂生产中才用了预氯化抑制藻类的生长，因预氯投投加量很低，约0.3mg/l，试验滤池进水的余氯一般为零，不会 影响 滤池的微生物作用。
复合生物活性滤料是一座过滤面积1.44m2的小型气水反冲洗滤池，采用V1/2长柄滤头配水配气，气源是一台SL80罗茨鼓风机，装填三种滤料，分别是ZJ-15型颗粒活性炭(GAC，d=1.0-2.0mm)、活性氧化铝(AA滤料，d=1.5-2.0m)和石英砂(d10=0.81,k80=1.18)。为保持生物活性滤料滤池中生物的活性，充分发挥生物氧化作用对有机物的去除能力，宜尽量提高水中溶解氧的含量，采用空压机通过分布在滤床以上的布气头向待滤水中充氧。
该滤池采用三段式气水反冲洗，强度及时间如下：
第一阶段：单气冲洗，q气=8l/s.m2，t=5min;
第二阶段：气水同时冲洗，q气=8l/s.m2，q水=8l/s.m2，t=8min;
第三阶段：单水冲洗，q水=8l/s.m2，t=5min。
2.3 研究 内容
主要研究该滤池的挂膜情况、正常运行情况下对CODMn和NH3-N等指标的去除情况和滤后水消毒后的总体水质是否能够满足国家生活饮用水卫生标准、Ames试验是否比水厂工艺有明显改善。
3、研究结果与 分析 讨论
3.1 挂膜
挂膜从6月19日开始，挂膜条件是：过滤的空床接触时间EBCT=22.5min，水温t=19-21℃，充气量约1.6l/s.m2。挂膜其间的滤池进水浊度1.72-7.12NTU，色度6-22度，出水浊度0.13-0.73NTU，除浊率79.7%——96.4%，出水色度0--8度，氨氮和CODMn去除变化情况见图1。
挂膜开始滤池虽装填了大量活性滤料，但对NH3-N的去除率在20%左右，9天之后，滤池对NH3—N的去除有了较明显的提高，逐渐上升到50%以上，说明在这个过程中，滤料上在逐渐生长形成生物膜。17天后滤池的CODMn去除率稳定在20%以上，NH3—N去除率达50%以上，可以认为已经完成挂膜，滤池进入稳定运行阶段。
3.2 稳定运行期的过滤效果分析
稳定运行自7月5日至9月4日，期间进行了不同滤速滤池过滤效果试验。
3.2.1 对氨氮的去除
研究期间沙河原水中氨氮含量为0.32—1.19mg/1，滤池进水氨氮为0.11—0.74mg/l。如表3所示。在不同的EBCT下(分别为18min，12min，9min)复合生物活性滤料滤池对NH3—N的去除率均大于50%(如图2)，随着EBCT的缩短，滤池对NH3-N的去除率略呈下降趋势，EBCT=18min，NH3-N去除率平均96%，E8CT=12min时，去除率平均为95%，EBCT=9min时，NH3—N去除率降至89%，但总体上该滤池对NH3—N的去除效率很高，已经远远超过了课题的研究目标。
3.2.2 对CODMn的去除
滤池进水CODMn含量为1.07—2.66mg/l，在不同EBCT值时，复合生物活性滤料滤池对CODMn的去除率有所不同，如图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时，复合生物活性滤料滤池对CODMn的平均去除率分别为在42%、44%，47.8%。该结果与在内江进行的试验的去除率略有增高，其原因是本复合生物活性滤料滤池中活性滤料占的比例较大的缘故。
3.2.3 对色度的去除
试验期间，沙河原水色度最高达45度，最低0度，平均为12.5度。上述水质经机械加速澄清池处理后进入复合生物活性滤料滤池的水色度一般为0—22度，平均7.3度。复合生物活性滤料滤池的进、出水色度变化如图4所示，滤池平均出水色度<1度。
3.2.4 新型复合生物活性滤料滤池处理系统水质分析
对新型复合生物活性滤料滤地处理系统的出水按照GB5749—85进行了全分析，分析结果表明滤池出水模拟消毒后的水完全满足GB5749—85所规定的水质要求。
3.2.5 Ames试验
委托华西医科大学公共卫生学院对沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、水厂出厂水(3#)、复合生物活性滤料滤池出水(4#)及其出水的模拟消毒水(5#)、取消预氯化的复合生物活性滤料滤池出水模拟消毒水(6#)共6个水样各富集1501采用平板掺入法进行了Ames致突变试验。六组水样对TA98、TAl00两种菌株在不同剂量下的致突变数如图5、6。
由图可知，
①l#沙河原水、2#澄清池出水和40新型复合生物活性滤料滤池过滤出水(末加氯消毒时)不具有致突变性：
②3个消毒后的水样在一定的剂量范围内致突变数MR大于2，具有剂量反应关系且有重现性，具有致突变性。
③新型复合生物活性滤料滤池处理工艺的消毒出水对TA98和TAl00的最低致突变水样量为3.01/皿，致突变剂量较水厂现有工艺出厂降低约1/3左右，可以认为本过滤工艺对Ames试验具有较明显的改善效果。
④虽预氯化的氯量非常小，但可以看出6#预氯化的复合生物活性滤料滤池出水消毒水比5#未预氯化的水在相同剂量下的MR值略高，这证明预氯化使水中的致突变物增加了，从水质安全角度考虑，应该选用其他更加安全的杀藻方式。
3.2.6 色质联机(GC/MS/DS) 分析
委托 中国 科学 院成都分院的化学分析检测中心对沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、复合生物活性滤料滤池出水(3#)及其消毒水(4#)进行了色质联机分析。对四组水样中检出的有机物进行分类，结果如表1。
①原水。共检出84种有机物，其中主要是芳香烃、直链烷烃、杂环化合物和酯类;原水中强极性的有机物11种，中强极性的14种，共占原水中有机物总种数的约30%，这证明了试验的复合生物活性滤料滤池选用非极性的GAC和极性的AA两种滤料有其合理性。
原水检出的84种有机物中有10种是属于美国129种优先控制污染物之列，5种属于中国的69种水中优先控制污染物黑名单3(如表2)，其中主要是苯类、酯类和多环芳烃，还有一种卤代烃。这些重点污染物主要来自一些塑料、化工 工业 的污染。
原水中直链烷烃的大量存在主要是因为水源上游及周围有许多加油站和洗车场，其废水直接排放入沙河;大量杂环化合物的存在，一方面可能是天然动植物代谢的产物，一方面也可能存在一定的人为污染。综合分析，沙河原水的主要污染是油类污染、工业污染，环保工作应主要对该类污染源加以重点治理。
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序号
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类别
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极性
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饱和性
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种数
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|||
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1#
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2#
|
3#
|
4#
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||||
|
1
|
直链烷烃
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无或弱极性
|
饱和
|
16
|
22
|
11
|
20
|
|
2
|
酮类
|
强
|
主要为不饱和
|
2
|
4
|
1
|
0
|
|
3
|
环烷烃
|
无
|
饱和
|
4
|
0
|
0
|
1
|
|
4
|
烯类
|
无或弱极性
|
不饱和
|
3
|
1
|
1
|
1
|
|
5
|
酯类
|
中
|
饱和、不饱和各半
|
12
|
2
|
4
|
4
|
|
6
|
醇类
|
强
|
主要为饱和
|
6
|
0
|
1
|
5
|
|
7
|
芳香烃
|
弱
|
不饱和
|
22
|
3
|
2
|
6
|
|
8
|
杂环化合物
|
弱
|
主要为饱和
|
12
|
2
|
5
|
5
|
|
9
|
胺类
|
中
|
不饱和
|
1
|
1
|
4
|
3
|
|
10
|
酚类
|
弱
|
不饱和
|
0
|
1
|
0
|
0
|
|
11
|
酸类
|
强
|
不饱和
|
3
|
8
|
5
|
10
|
|
12
|
炔类
|
弱
|
不饱和
|
1
|
0
|
0
|
1
|
|
13
|
醚
|
中
|
饱和
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
14
|
醛类
|
中
|
不饱和
|
0
|
0
|
4
|
0
|
|
15
|
其他
|
--
|
--
|
1
|
3
|
4
|
3
|
|
16
|
总计
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|
|
|
|
||
②澄清池出水。共检出有机物48种，其中直链烷烃占了近半数的比例，其次是酸类、酮类等，与原水相比，澄清池出水中的芳香烃、杂环化合物、酯类明显减少，而直链烷烃种数占据了更明显的优势，这说明机械搅拌澄清池对去除芳香烃、杂环化合物等具有明显的作用，而对直链烷烃效果较差。
③复合生物活性滤料滤地出水。共检测出有机物43种，仍以直链烷烃为主，但其数量已较原水和澄清池出水有了较大的减少，而酸类、杂环化合物、醛类、胺类、酯类所占的比例较澄清池出水(即试验滤池进水)有较大提高，这应是滤池中微生物新陈代谢作用的反映。
④复合生物活性滤料滤池出水消毒后的水。检测出有机物60种，其中的醇类、酸类、芳香烃种类有所增加，直链烷烃所占的比例明显增大。加氯消毒的该水中只检出了三种卤代烃，分析其原因可能主要是生成的各种卤代烃含量非常少(全分析结果是：氯仿11μg/l，四氯化碳<0.2μg/l)，在色谱图上出现的峰非常低所致。
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序号
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属于USEPA129种优先控制的有机物
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属于中国68种水中优先控制污染物黑名单的有机物
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|
1
|
四氯乙烯
|
四氯乙烯
|
|
2
|
二乙基邻苯二甲酸酯
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甲苯
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|
3
|
蒽
|
乙苯
|
|
4
|
二丁基邻苯二甲酸酯
|
对二甲苯
|
|
5
|
甲苯
|
荧蒽
|
|
6
|
乙苯
|
|
|
7
|
二甲基邻苯二甲酸酯
|
|
|
8
|
荧蒽
|
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9
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芘
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4. 经济 性分析
新型复合生物活性滤料滤池达到了预定的 研究 目标，较明显地提高了水质的卫生安全性，但若采用该种过滤工艺，投资情况如何?
4.1 与传统工艺相比。以某新建的10万吨/d 现代 化的供水工程为例(该水厂的主要构筑物为取水泵站、斜管预沉池、格网反应斜管沉淀池、V型滤池、清水池、二泵站)，经 计算 ，其中V型滤池采用新型复合生物活性滤料滤池过滤工艺与采用均质石英砂过滤工艺相比，滤池投资增加约22.3%，水厂总体投资增加约2.3%。
4.2 与采用臭氧活性炭工艺的水厂相比。经计算，使用新型生物活性复合滤料滤池比采用臭氧——活性炭法可降低水厂基建投资15%，节约年电耗574.5万度，价值219万元。
5.结论
5.1 新型复合生物活性滤料滤池单元构筑物，可去除氨氮90%以上，CODMn40%以上，降低Ames试验致突变性约1/3左右，出水水质满足国家生活饮用水水质标准。具有较好处理效果。
5.2 实际工程中适宜新建滤池或改建V型滤池，用以降低水中有机物和饮用水的致突性，对保障人民身体健康等具有重要的 社会 意义。
5.3 新建或改建新型生物活性滤料滤池简单易行，利用生物能再生比其他 方法 节省能源。其建设总投资由于更换部分滤料为活性炭和活性氧化铝，增加投资接近20%。
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