生物陶粒在污水處理中的應(yīng)用及對(duì)微污染水的去除效果

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，水中的有害物質(zhì)逐年增多，尤其是上世紀(jì)60年代以來(lái)，不少地區(qū)的飲用水水源日益惡化，同時(shí)，隨著水質(zhì)分析技術(shù)的進(jìn)步，水源水和飲用水中的微量污染物又不斷的被檢測(cè)出來(lái)，這些，都對(duì)飲用水的處理提出了新的、更高的要求。

1.微污染水水源的特點(diǎn)
  目前飲用水被污染的特點(diǎn)有，有機(jī)物的含量高，氨氮的含量高，而水中的氨氮等耗氧物質(zhì)大量消耗水中的溶解氧，直接影響了自來(lái)水的色度、濁度等。
  目前，按對(duì)污染物的去除途徑的不同，預(yù)處理微污染水可以分為氧化法和吸附法，氧化法又可以分為化學(xué)氧化法和生物氧化法。生物陶粒作為生物氧化法的一種，由于其對(duì)微污染水的優(yōu)良的處理效果，近年來(lái)，受到了廣泛的重視。
2.陶粒特點(diǎn)
  以葉巖陶粒為例，陶粒以葉巖礦土為原料，經(jīng)破碎后，在1200℃左右的高溫下熔化，膨脹成5～40mm的球狀陶粒，再經(jīng)破碎后篩選而成。葉巖陶粒外殼呈暗紅色，表皮堅(jiān)硬，內(nèi)部為鉛灰色，多孔質(zhì)輕。陶粒表面粗糙，不規(guī)則，有很多孔徑較大的孔洞，相互之間不連通，由于這種陶粒表面主要是一些開孔大于0.5μm的孔洞，而細(xì)菌的直徑為0.5～1.0μm。因而，陶粒的這種結(jié)構(gòu)對(duì)于微生物而言是非常有利的。
3.生物陶粒對(duì)微污染水的去除效果
3.1對(duì)有機(jī)物的去除效果
3.11溫度對(duì)有機(jī)物的去除效果的影響
  在生物陶粒反應(yīng)器中，溫度對(duì)有機(jī)物去除效果有一定的影響。一般來(lái)講，冬天比夏天的去除率低10%～20%左右。
  水溫接近10℃時(shí)，CODMn的去除率上升為18%左右，已經(jīng)同常溫下的去除效果相差不大。這是因?yàn)椋阂环矫嫠疁亟档褪刮⑸锏幕钚韵陆?，另一方面生物陶粒反?yīng)器中的微生物處于貧營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中，相對(duì)于水中的有機(jī)物而言，生物陶粒仍然可以提供足夠的微生物量，從而在一定的低溫范圍內(nèi)，可以抵消由于水溫降低使微生物活性降低而帶來(lái)的負(fù)面影響。
  在低溫條件下，溫度對(duì)去除效果有明顯的影響。有實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)水溫在5℃～10℃時(shí)，CODMn的去除率在11%～23%之間，水溫低于5℃時(shí)，CODMn的去除率在5%～12%之間；在接近0℃時(shí)，CODMn的去除率僅在6%左右。這也是為什么在氣溫最低的兩個(gè)月——12月和1月中，生物陶粒的去除效果顯著降低的原因。在1月份和12月份，大部分時(shí)間水溫都低于2℃，在此溫度下，微生物的活性進(jìn)一步降低，而且生物陶粒系統(tǒng)中微生物量也有所下降。
  因此，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該注意后續(xù)工藝的運(yùn)行與管理，以保證出水水質(zhì)。
3.12生物陶粒對(duì)不同分子量有機(jī)物的去除效果
  生物陶粒濾池對(duì)不同分子量的有機(jī)物，有著不相同的去除效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：生物陶粒濾池對(duì)分子量大于10000的有機(jī)物去除效果最好，可達(dá)到60%以上；對(duì)分子量在1000～4000之間的有機(jī)物，生物過濾的去除效果也達(dá)到了50%；對(duì)分子量小于1000的有機(jī)物也有一定去除，其去除率在10%左右；而對(duì)于分子量在4000～10000之間的有機(jī)物，其含量不但沒有減少，反而有部分的增加。
  在生物陶粒濾池中，雖然水力停留時(shí)間短，但生物膜的比表面積較大，胞外聚合物中含有多聚糖等粘性物質(zhì)，可形成類似化學(xué)絮凝的作用，對(duì)水中大分子有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附凝聚能力，使其在反應(yīng)器中被填料上的生物膜吸附截留，從而對(duì)分子量較大的有機(jī)物形成較好的去除效果．而在生物處理過程中，微生物胞外酶能將較大分子有機(jī)物分解成較小分子有機(jī)物，并為維持微生物自身生長(zhǎng)代謝中的物質(zhì)和能量需要，將部分低分子有機(jī)物分解成二氧化碳和水，因此，中小分子量（在1000～4000范圍的分子量）有機(jī)物也有較好的去除率．對(duì)于分子量在4000～10000之間的有機(jī)物含量有部分的增長(zhǎng)的現(xiàn)象，這并不表示生物陶粒濾池對(duì)該區(qū)間的有機(jī)物沒有去除效果，可能是由于微生物把部分分子量大于1000有機(jī)物分解成為此區(qū)間的有機(jī)物，從而造成了此部分有機(jī)物含量的增加．因此生物過濾能去除親水性中小分子以及膠體和大分子有機(jī)物。
3.13曝氣時(shí)間的影響

當(dāng)負(fù)荷基本不變時(shí)，曝氣時(shí)間較長(zhǎng)，相應(yīng)的去除率也很高，當(dāng)停留時(shí)間很短，也即濾速很高時(shí)，基本上只能起到過濾作用，對(duì)有機(jī)物的去除率不明顯。而停留時(shí)間超過1h時(shí)，COD去除率并沒有較大提高，由此可知，曝氣區(qū)停留時(shí)間1h為宜。
4.對(duì)氨氮的去除效果

對(duì)氨氮的去除，生物陶粒濾池作為飲用水源水的預(yù)處理是非常出色的，常溫下對(duì)氨氮的去除率可以達(dá)到80%以上，即使在低溫條件下（0～14℃）時(shí)，也有較高的去除率。在正常運(yùn)行時(shí)，生物陶粒對(duì)氨氮有較好的去除率。生物陶粒預(yù)處理工藝是去除微污染水源水中氨氮的一種行之有效的方法。

在低溫條件下，生物陶粒反應(yīng)器對(duì)于進(jìn)水中氨氮仍然有較好的去除效果，即使在接近0℃的極低水溫下仍然具有65%以上的去除率，試驗(yàn)期間生物陶粒反應(yīng)器出水氨氮低于0.5mg/L。

  4.1 對(duì)低溫條件下，生物陶粒濾池仍然具有較高去除效果的分析。

   (1)化能自養(yǎng)硝化菌中，亞硝化桿菌（Nitrosomonas）和亞硝化球菌(Nitrosococcus)均適合在2～40℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)，硝化桿菌也適合在5～40℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)，因此，對(duì)溫度有一定的適應(yīng)性，而在低溫條件下（<5℃）生物陶粒濾池中分離出來(lái)的優(yōu)勢(shì)菌種中，假單胞菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其中29種有詳細(xì)描述的假單細(xì)胞菌種，發(fā)現(xiàn)有5種可以在4℃或是4℃以下生長(zhǎng)，也能在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)貧乏的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖。因此，保證了低溫條件下微生物對(duì)氨氮的去除效果。

    (2)由莫諾得公式可見，在溫度下降時(shí)，盡管硝化細(xì)菌對(duì)氨氮的最大基質(zhì)降解速度隨溫度的下降而減小，即公式中的μmax減小，但其飽和系數(shù)Ks也隨溫度的下降而下降。因此，硝化細(xì)菌對(duì)氨氮的親和力得到了加強(qiáng)，硝化細(xì)菌對(duì)基質(zhì)的利用速率μ能保持一定的水平。同時(shí)，硝化細(xì)菌的自身氧化分解的速率隨溫度的降低而減小，表明能在較底的水溫條件下利用較小的能量進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖。

    (3)根據(jù)MaCarty等人的研究，要維持生物膜的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則必須保持水中的有機(jī)物有一個(gè)最小濃度Smin，在溫度最低時(shí)，出水氨氮的最低濃度也較低，而在溫度上升后，出水氨氮的最低濃度也隨之上升。因此，在低溫條件下，生物陶粒濾池也能保持較高的去除率。

5.對(duì)濁度的處理效果

水中形成濁度的因素較多，泥沙、懸浮物、管道等的二次污染、膠體、微生物群落以及一部分有機(jī)物都可以產(chǎn)生濁度。生物陶粒濾池對(duì)濁度有良好的去除效果，去除率基本維持在70%～90%之間，受水溫的影響較小。

生物陶粒濾池對(duì)于濁度的降低源于兩個(gè)方面的因素。一方面生物陶粒濾池是一種以陶粒為固定填料的生物濾池，所采用的濾料的粒徑為2～5mm，濾料層成壓實(shí)狀態(tài)，對(duì)進(jìn)水中粒徑較大的懸浮物具有械截留作用;另一方面微生物生長(zhǎng)在陶粒的表面，這些微生物通過自身的生物絮凝作用，可以吸附截留一部分膠體物質(zhì)，同時(shí)可以降低水中膠體的Zeta電位，有利于水中膠體顆粒的凝聚；截留在陶粒表面生長(zhǎng)著生物膜，生物膜之間存在生物絮體，使得陶粒濾池內(nèi)濾料充填更加密實(shí)，孔隙率更小，發(fā)揮了良好的吸附、凝聚作用，達(dá)到了良好的物理截留作用。同時(shí)，有調(diào)查顯示，在不曝氣的情況下，生物陶粒濾池對(duì)濁度的去除率比曝氣情況大得多。這是因?yàn)椴黄貧鈺r(shí)填料處于壓實(shí)狀態(tài)，孔隙率小，能有效截留顆粒狀物質(zhì)的緣故。

  6.對(duì)其他一些指標(biāo)的去除效果

在溫度0～5℃時(shí)，可以去除25%～66%的SS。在溫度為6～19℃時(shí)，50%～85%的SS，以及能夠截流70%～92%的細(xì)菌。

生物陶粒濾池對(duì)Fe和Mn的去除率較高，去除率在50%～90%之間，它們主要通過生物氧化而不是化學(xué)氧化起作用，微生物把低價(jià)的可溶性的鐵離子和錳離子氧化為不溶性的氫氧化鐵和氫氧化錳。

生物陶粒對(duì)色度的去除率不高，去除率約20%～40%，在尤其是當(dāng)原水色度較高時(shí)(50NTU～70NTU)，去除率僅有20%～30%，需通過改善后續(xù)傳統(tǒng)工藝去除水中的色度。

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