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〖技术资料〗生物处理及相关技术在饮用水水处理中的进展

2009-09-17 16:32:09

生物处理及相关技术在饮用水水处理中的进展

饮用水生物处理进展

1971年日本小岛贞男首次成功的将生物接触氧化法应用于富营养活水源水预处理,可以去除藻类60%~80%,氨氮90%以上,臭味50%~70%,使水厂出水水质得到明显改善,把本来属于污水处理应用范畴的生物法引入了给排水处理领域。此后应用水生物处理技术在欧洲得到普遍应用。饮用水生物处理技术在美国的研究较晚,适于80年代中期,工程上的应用指导近几年才开始。这主要是因为:①美国饮用水水源96%时采用地下水,所受到的污染较小;②随着对消毒副产物独立学研究的进一步深入,对其致癌特性有了充分的认识,对如何控制消毒副产物的前提有较好的去处能力,所以得到深入的研究;③对生物法的引入会不会导致新的三致污染物的产生,出水会不会有生物稳定性,给水界经过长期反复探讨后才对生物予以肯定,这是为什么生物法在美国饮用水处理领域应用的较晚的主要原因。

饮用水生物处理是指借助于微生物群体的新陈代谢活动,对水中的有机污染物以及氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐或铁、锰等无机物质有效去除。生物处理单元可设在传统净水工艺中不同的位置,如果作为预处理,能够有效的改善水的混凝沉淀性能,并减少混凝剂投加量达25%左右;对于富营养化湖泊水,可以完全替代预氯化工艺,并且避免了预氯化引起的卤代有机物的生成,这对于降低水的致突活性,控制三卤甲烷物质的生成时十分有利的;生物处理工艺设置在沉淀出水后,可以减轻后续处理的负荷,延长过滤或活性炭吸附等物化处理工艺的使用周期,大可能的发挥水处理工艺的整体作用,降低水处理费用。

目前在饮用水处理中采用的生物反应器大多数是生物膜类型的,由于生物膜反应其中,吸附在载体上的生物种类和数量较多,形成薄层结构的微生物聚合体,即生物膜,所以生物量的停留和积累大于悬浮生物处理系统,并减少了微生物尤其是生长缓慢、世代周期较长的微生物被冲刷掉的可能性。但是饮用水生物膜法处理与污水生物膜法处理在特性上有明显的不同,首先是有机物相对来说要少的多;其次,微生物生长特性不同,生长在饮用水生物载体上的微生物多数是贫营养菌,如土壤杆菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌、芽菌和纤毛菌等。这些贫营养微生物对可利用基质有较大的亲和力,且呼吸速率低,有较小的大增值速度和Monod半速率常数。所以在营养比较贫乏的饮用水源条件下,能够充分利用水中的有机物。并且,贫营养菌还可以通过二次基质的利用去除浓度基地的为两难降解的有机物。

饮用水生物处理机理研究进展

     给水处理生物膜模型设计要从微生物生长动力学、营养物即可降解物质的传输动力学考虑。近年来模型的建立已经从纯粹经验性模型到以Monod方程和基质的 Fick扩散模型为基础的半经验半理论模型。Futtmann认为生物膜内部基质利用至少要考虑三个过程:液相内物质传输到生物膜,生物膜内部物质的传输和生物膜利用基质的动力学。在此基础上,它提出了生物膜反应器的模型,并一直在完善和发展之中,先后发展了稳态生物反应器中单菌属的反应模型、多菌属反应模型,尤其对多菌属生物反应器中各菌属之间的关系作了定量化的研究,其中对异养菌和自养菌在生物膜中的竞争、共生关系作了非常透彻得描述。这些成果越来越接近生产运行中的生物反应单元,所以有一定的使用价值。Huck研究了在生物反应其中进水AOC浓度或三卤甲烷的浓度与去除率的关系,发现均呈一级反映关系,此模型对于给水处理生物反应器在实际设计中有一定的应用价值。在实际设计中有一定的应用价值。Summers则从微生物活性出发,建立了考察微生物活性与有基质的去除率的模型,她发现量和微生物活性并没有绝对的相关关系,用微生物活性代替微生物量,尤其在DBPS前驱物的去除率模型中相关更高,同时提出了测定微生物活性的方法。

    在中国,张晓健博士研究了生物活性碳对有机污染物的作用机理,结论表明是物理吸附和生物的简单组合。吸附饱和生物碳在不需要再生的情况下,可利用其生物降解能力,继续发挥控制污染物的作用,这是的生物碳与惰性填料的生物反应器的原理是一致的,为生物陶粒反应器的实际应用打下了理论基础。方振东博士建立了的一个生物套了反应器动力学模型,对于深化陶粒反应器的研究有一定的开拓性的意义,但是模型中假定生物膜一致的密度、一致的厚度与现实不相符合,另外,该模型为能动氯生物膜内部物质传输的过程,所以尚需要进一步完善。刘文均研究了生物预处理对手有机污染水源水中交替的Zeta电位的影响,认为水中有机物的存在能够增加无机胶粒的Zeta电位值,使胶体更趋稳定,而生物与处理工艺则能够有效的降低受有机物污染源水胶粒的Zeta电位值,主要原因是微生物对水源水中的有机物的降解、对ph值得影响和微生物微絮凝作用使胶粒更易于脱稳,从而减少了混凝剂的投加量。贺北平博士在对水中有机物形成消毒副产物的能力进行研究过程中,发现卤乙酸的生成能力(GAAFP)和三卤甲烷的生成能力(THMFP)的主要前驱物是亲水酸和憎水有机物,这两部分的贡献对GAAFP达 90%以上,对THMFP为75%左右,通过分子量的测定,确定它们的分子量均小余500,属于较易生物降解的有机物,从而为用生物处理来降低消毒副产物的前体找到理论根据,该结论与Owen的研究结果相符合。

 饮用水生物处理监测、分析方面的进展

    AOC、BDOC是给水生物处理的重要指标。AOC使指生物可同化的有机碳,是微生物极易利用的基质。尽管AOC仅为饮用水中溶解性有机体碳(DOC)的 0.1%~9%,但是踏实细菌获得酶活性进而对有机物进行共代谢为重要的基质,因此AOC的浓度与细菌的繁殖有着密切的关系。BDOC指生物可降解的溶解性有机碳,是生物反应器运行的直观指标。

    AOC测定的方法早由荷兰KIWA实验室Van der kooij博士于1982年提出,所采用的菌种是从水中分离出来的荧光假单细胞P17和螺旋菌NOX,这两个菌种不同的基质,P17不能利用草酸类基质,而NOX可利用草酸类基质,所以AOC为AOC-P17和AOC-NOX之和,AOC方法就有明确的可比性,所以日益为大家所接受。

    BDOC的测定方法主要集中在培养周期上的改进。早提出方法是悬浮生长法,培养28天,后来相继提出了改善方法,Mogren把待测水样引入生物反应其中进行循环,同时供氧,每天排出测定水样容积的1/5,培养到第五天,BDOC就定义为开始的DOC与第五天的DOC之差。

    ATP(三磷酸腺苷)是生物体内的一种高能磷酸化合物,参与许多代谢反应,并处于不断的被消耗和生成的动态平衡中,同时ATP作为生物体内的一种重要辅酶,对分解和合成反应速度进行调节和控制,因此ATP的含量在一定程度上可以用于反应生物体的能量水平和新陈代谢情况。ATP存在于获得细胞中,细胞希望后随即水解小时,正常的生物体细胞内的ATP含量是相对稳定的,所以ATP可以代表生物絮体重活性物质的多少和微生物的活力,折椅参数在污水处理领域越来越受到关注,方振东博士则把ATP的测定引入到给水生物它陶粒反应器的研究之中,发现ATP的汉联与反应气馁有机物的去除率之间存在良好的相关关系,目前这一研究正在深入之中。

    与ATP测定的思想一致,生物膜磷脂分析技术也是对生物活性的另一种测定方法。以前这种方法主要应用于海洋微生物、土壤微生物的测定,Whiie把这种技术引入给水生物处理领域,其主要优点是不需要把生物膜从填料上分离出来,Findlay在Whiie的基础上进行了改进使这项技术易于使用。 Suninlers成功的使用该法测定了生物膜活性与有机物去除率的关系。

六大因素加剧地表水环境污染

    监测资料表明,我国的地表水环境质量情况仍然是普遍受到污染,全国已监测断面中, 62%的断面水质处于Ⅳ类以上,其中有近30%的断面水质处于劣Ⅴ类,水污染状况仍然没有得到根本的改善。河南省环境监测中心站的专家徐晓力认为,加剧地表水环境污染的因素主要来自六个方面。

    一是废水排放量大,水环境不堪重负。全国地表水资源总量约28000亿立方米,而2003年污废水排放总量近460亿吨,COD(化学需氧量)排放量达 1333.6万吨。特别是6个缺水相对严重的北方省份,污废水排放量占地表水资源总量的比例高达38.9%,若使用全省地表水稀释,COD浓度6个省超 Ⅲ类水,其中3个省超Ⅴ类水。

    二是废水排放标准不够严。我国现行的废水排放标准较松,限值远远高于《地表水环境质量标准》,例如《污水综合排放标准》中11项主要污染因子,排放标准限值是Ⅴ类地表水标准的2.5-50倍,行业废水排放标准更高,造纸废水排放标准是Ⅴ类地表水标准的11.25倍。徐晓力认为,污废水的排放标准应该根据水资源情况及地表水的自然净化能力制订,水资源丰富、地表水的自然净化能力较强的地区可以将污废水排放标准定的高一些,对于贫水地区,地表水的自然净化能力脆弱,污废水排放标准则不能过高,甚至不能高于地表水环境质量标准。

    三是企业超标排放和偷排现象严重。统计资料显示,2003年河南省就有近9%的工业废水超标排放,城市生活污水处理率尚不足35%,由此估算,排放的污废水总量中有40%是超标排放的。遏制超标排放和偷排,是当前急需解决的问题。

    四是环境意识淡漠,地方保护主义削弱了环境执法力度。当前,仍有一些企业甚至政府领导认为环境保护与经济效益是矛盾的,认为环境治理花钱多,使企业不堪重负,甚至认为环境治理使得企业亏损,没钱可赚,一些企业就以此作为其超标排放或偷排污染物的理由。

    另一方面,我国相关的环境保护法律法规不能说不健全,对污染环境的处罚规定也相当严厉,但是,由于环境管理体制在行政上是完全地方性的,环境管理行政领导完全受地方政府制约,地方环境管理部门在工作当中顾虑很多,在来自各方面的压力下很难落实环保执法。在地方保护主义的影响下,环境执法力度明显不够,一些企业屡罚屡犯,法律法规起不到应有的威慑力,污染事故屡屡发生。

    五是环境管理被动。目前我国对工业企业污染源的管理,主要是围绕着环境影响评价制度、“三同时”制度、排污许可证制度、污染限期治理制度、排污收费制度及污染物总量控制等管理制度的落实和执行进行的,这些制度的实质是控制并要求污染源按要求达标排放一定总量的污染物。徐晓力认为,只要允许污染源排,不管排多少,企业就有空子可钻,管理若再不到位,企业在排污上就处于主动位置,而环境管理部门却忙于督促落实、验收、检查等,处于被动局面。因此,对污染源的管理不能一个政策到底,要区别对待,对于那些能够做到零排放的行业,就实行零排放量管理,只要有废水排出就属于违规,予以严厉处罚。把污染物堵在企业内,企业就会自己主动想办法治理,环境管理才能变被动为主动。

    六是污废水治理仍处于较低水平。引起地表水污染的主要原因是工业废水和城镇生活污水,其中城镇生活污水占54%,全国仍有10%的工业废水超标排放,城市生活污水处理率不到30%,大多数的县城和近乎所有的乡镇污水未经处理,污废水的处理率较低。另外,除大型企业和城市污水处理厂的处理工艺较为先进外,大量的中小企业废水处理设施工艺还处于较为落后的水平,难以保证废水长期稳定的处理效果。

经典案例介绍