屈計寧，張建良
（污染控制與資源化研究國家重點實驗室，同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092） 摘 要：應(yīng)用懸浮填料生物反應(yīng)器對受污染河水進(jìn)行短時生物處理，將溶解性有機物轉(zhuǎn)變成生物絮體，再用化學(xué)沉淀法加以去除，充分發(fā)揮了生物和化學(xué)法各自的優(yōu)點。中試研究結(jié)果表明，當(dāng)生物反應(yīng)器進(jìn)水COD超過110mg/L時，單獨生物反應(yīng)出水很難達(dá)到50mg/L的要求：而化學(xué)處理只有在進(jìn)水COD小于80mg/L的情況下才能達(dá)標(biāo)；在用生物與化學(xué)的組合工藝時，既可縮短處理時間，又可達(dá)到一定的水質(zhì)要求。
關(guān)鍵詞：受污染河水 懸浮填料 生物處理 化學(xué)處理 Pollutcd River Water Purifying Process Analysis
QuJining ZhangJianliang
(State Key Laboratory of Pollution Control and Resourcd Reuse,
School of Environmental Science and Engineering Tongji University, Shanghai 200092) Abstract: After a short time biological treatment in a Suspended Carrier Biological Reactor(SCBR), the dissolved organic pollutants in polluted river water were changed to biological flocculating which were removed using chemical precipitation. The combination of biological and chemical treatment takes advantage of their individual strong points. The results of the pilot study shown that if the influent CODcr concentration were more than 110mg/L, the effluent CODcr concentration limit(50mg/L) could not be ensured with biological treatment only, it was not possible to ensure the effluent CODcr concentration limit when influent CODcr, concentration were more than 80mg/L with chemical treatment only. In the combination process of biological and chemical treatment, if the Hydraulic Retention time (HRT) was 1 hr in SCBR and influent concentration CODcr were less than 130mg/L, the effluent concentration limit of CODcr and BOD5 can be ensured with l0mg/L of PAC. When influent CODcr concentration were more than 130mg/L, thae of PAC will varied in a range of l5～30mg/L.
Keywords: polluted river water suspended carrier biological treatment chemical treatment 1 前言 長期以來，河水一直是廣大居民的生活用水水源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的不斷增加，河水（尤其是城市周邊和農(nóng)村地區(qū)的河流）受污染的程度日益加劇，使其不能成為自來水廠的合格水源。在沒有其它水源可供選擇時，對受到較嚴(yán)重污染的河水必須進(jìn)行必要的預(yù)處理，確保己建成的自來水廠正常穩(wěn)定運行，出水水質(zhì)合格。本研究針對以上問題，著重探討受污染河水在進(jìn)入自來水廠之前的預(yù)處理方法。 2 支流河水就地凈化方案選擇 作為生活用水水源的受污染河水一般具有以下特點：
·污染主要由周邊居民等的生活污水等引起，大部分為有機污染，有毒有害物質(zhì)濃度較低。
·需要處理的水量大，一般無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，而采用就地凈化方式。
·河流水系一般承擔(dān)該區(qū)域的泄洪等任務(wù)，故無法利用河道本身建設(shè)處理構(gòu)筑物。
·一般河岸邊土地資源緊張，因而不可能采用處理時間長，流程復(fù)雜的工藝來處理受污染河水。
·由于水量大，不能采用處理成本高的工藝，同時必須考慮處理工藝帶來的二次污染物問題。
·水質(zhì)波動較大。
由于對水質(zhì)的處理要求高，河水的水質(zhì)波動又非常大，當(dāng)采用單純的生物法進(jìn)行處理時，若按照一般水平設(shè)計處理裝置，則難以保證水質(zhì)較差時處理后水質(zhì)達(dá)標(biāo)；若能夠保證水質(zhì)較差時出水也達(dá)標(biāo)，則處理裝置平時負(fù)荷過低，造成工程投資過高。因而不采用占地面積很大、停留時間很長的處理工藝，即放棄單純的生物處理法。
由于化學(xué)法可以通過調(diào)節(jié)加藥量來適應(yīng)水質(zhì)水量的變化，因而嘗試采用化學(xué)法，即投加混凝劑進(jìn)行混凝沉淀處理水質(zhì)變化很大的支流河水。但混凝沉淀這一處理方法僅對水中的懸浮性污染物有較好的去除效果，對溶解性污染物的作用不大。經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)因水中的溶解性有機物濃度較高，占總有機物量的50％～82％，大多數(shù)化學(xué)處理的出水不能達(dá)到處理要求，且耗用的混凝劑量大，造成運行費用高。即直接采用化學(xué)法處理支流河水無法達(dá)到處理要求。
對若干河水的采樣分析表明，一般河水的可生化性較好，可通過生物處理將溶解性有機物吸附于生物體上，或轉(zhuǎn)化為非溶解性的生物絮體，再通過加藥混凝將生物絮體從水中分離，達(dá)到凈化水的目的。
通過以上的試驗分析，結(jié)合以往的工程實踐，決定采用“短時三段式好氧生物處理法＋高效化學(xué)藥劑混凝處理法”工藝就地凈化支流河水。對某河流的受污染河水進(jìn)行就地凈化研究，由于污染程度嚴(yán)重，根據(jù)當(dāng)?shù)卣凸芾聿块T的要求，凈化后水質(zhì)確定為：BOD5≤12mg/l，CODcr≤50mg/l，NH3-N≤10mg/l，DO≤2.0mg/l?，F(xiàn)場中試如下述。 3 試驗與討論 3.1 試驗裝置
生物處理裝置 
生化反應(yīng)池長3.0m，寬1.0m，高1.5m，有效水深1.2m，有效容積3.6m3，沿水流方向均勻分為三段，呈現(xiàn)串聯(lián)狀態(tài)。反應(yīng)池中投加高效懸浮填料，采用空氣壓縮機進(jìn)行穿孔管曝氣。
化學(xué)反應(yīng)設(shè)備
化學(xué)反應(yīng)在實驗室和現(xiàn)場進(jìn)行。將上述生化出水置于1升的高型燒杯中，先后加入高效混凝劑和助凝劑，利用電動六聯(lián)攪拌器進(jìn)行攪拌，沉淀后的上清液為整個處理流程的最終出水。
3.2 生化反應(yīng)時間的確定
分別在生化反應(yīng)池的不同區(qū)域取樣，測試反應(yīng)結(jié)果，詳見表1、表2和圖2、圖3。 表1 生化反應(yīng)池主要運行參數(shù)| 反應(yīng)池區(qū)域 | 生化反應(yīng)時間(hr) | 微生物量(g/l) | 污泥負(fù)荷（本池）
(g/gMLSS.d) | 溶解氧(mg/l) | 水溫
(℃) | | | 本池 | 總體 | 本池 | 溶解性
CODcr | 溶解性
BOD5 | NH3-N | | | | 第1池 | 0.5 | 0.5 | 3.45 | 0.51 | 0.15 | 0.14 | 1～2 | 6～15 | | 第2池 | 0.5 | 1.0 | 3.58 | 0.38 | 0.11 | 0.13 | 2.5～3 | 6～15 | | 第3池 | 0.5 | 1.5 | 3.27 | 0.25 | 0.07 | 0.13 | 3.5～4 | 6～15 | 表2 運行結(jié)果| 反應(yīng)池區(qū)域 | 溶解性CODcr
(mg/l) | NH3-N
(mg/l) | 溶解性BOD5
(mg/l) | | | 進(jìn)水 | 出水 | 總?cè)コ?/TD> | 進(jìn)水 | 出水 | 總?cè)コ?/TD> | 進(jìn)水 | 出水 | 總?cè)コ?/TD> | | 第1池 | 72.8 | 56.7 | 22.1％ | 20.7 | 19.6 | 5.3％ | 21.8 | 16.7 | 23.4％ | | 第2池 | 56.7 | 34.7 | 52.3％ | 19.6 | 17.5 | 15.5％ | 16.7 | 9.1 | 58.3％ | | 第3池 | 34.7 | 30.70 | 57.8％ | 17.5 | 15.3 | 26.1％ | 9.1 | 7.3 | 66.5％ | | 注：均采用24小時平均樣 | 
圖2表明，當(dāng)生化反應(yīng)時間達(dá)到1.0小時，即使水溫較低（日平均6～15℃），溶解性COD、BOD去除率己相當(dāng)高，再延長反應(yīng)時間，去除率曲線變緩，溶解性COD、BOD的去除速率下降，同時從生化反應(yīng)的目的考慮，決定采用生化反應(yīng)時間1hr，不再延長。
圖3反映出硝化效率不高，當(dāng)反應(yīng)時間為1.5hr時，NH3-N的去除率不到30％。造成硝化效果差的原因是，所有的試驗數(shù)據(jù)均在冬季取得，大部分時間的日平均水溫在8～12℃，影響了生物硝化，造成出水氨氮較難達(dá)標(biāo)。表2中的數(shù)據(jù)說明，將生化反應(yīng)池沿程分為三段，可將高的平均負(fù)荷改變成階梯負(fù)荷，以降低后段的有機負(fù)荷，為生物硝化創(chuàng)造條件，在第2池中溶解性CODcr和BOD5的負(fù)荷分別降至0.38和0.11kg/kgMLSS.d在第3池中溶解性CODcr和BOD5的負(fù)荷分別降至0.25和0.07kg/kgMLSS.d，可滿足硝化的要求。
圖表數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過0.5hr的生物處理，總CODcr、溶解性CODcr和溶解性BOD5的去除率都不高，出水的溶解性CODcr和溶解性BOD5仍有56.7mg/l和16.7mg/l，后續(xù)化學(xué)處理無法保證最終出水CODcr≤50mg/l、BOD5≤12mg/l；但溶解性有機物的去除率高于總有機物的去除率。當(dāng)生化時間不小于1hr時溶解性有機物去除率相當(dāng)高，生物處理出水的溶解性CODcr低于34.7mg/l，溶解性BOD5低于9.1mg/l，后續(xù)化學(xué)處理完全可以保證最終出水達(dá)標(biāo)。因此確定主要處理流程為“生物|化學(xué)”；生化反應(yīng)時間取1hr。
由于投加填料作為生物載體，有利于泥齡較長的硝化菌的生長，當(dāng)氣溫較高時，氨氮的去除率隨即上升，這在氣溫回升的四月份的試驗數(shù)據(jù)中己得到反映：同時因含碳有機物降解速度的加快，可進(jìn)一步降低生化反應(yīng)池末端的負(fù)荷，為生物硝化創(chuàng)造條件。當(dāng)水溫滿足生物硝化要求，即穩(wěn)定在不低于12℃時，可將NH3-N不高于30mg/l的河水處理至低于10mg/l，做到達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)冬季水溫低于硝化細(xì)菌的要求時，由水體中NH3-N消耗的溶解氧量很有限，危害水體的主要因素并不在于NH3-N。
考慮到冬、夏生化反應(yīng)的差別、水質(zhì)波動情況和河水凈化設(shè)施占地等因素，決定放棄長時間的生物處理工藝，而采用“短時（1hr）生物處理＋高效化學(xué)處理”，即通過生物處理將溶解性的有機污染物轉(zhuǎn)化為生物絮體，然后利用化學(xué)沉淀去除。氣溫較高的可利用生物硝化作用在生化反應(yīng)過程中降解氨氮。
3.3 混凝劑選擇及投加量確定
許多研究表明，一般的無機混凝劑產(chǎn)生的污泥量大。為了減少污泥量，降低污泥處理的投資和費用，本研究的混凝劑和助凝劑均采用高分子聚合物。
當(dāng)助凝劑相同，分別以聚鐵和聚鋁為混凝劑進(jìn)行對比試驗，發(fā)現(xiàn)兩者的去除效率接近，但聚鐵更好，形成的礬花較密較易沉淀；然而聚鐵造成出水帶黃色，影響了出水的感官指標(biāo)，所以最終選定用聚鋁（PAC）作為混凝劑。
采用效果好、成本低的陰離子聚丙烯酰胺（PAM）為助凝劑。
以經(jīng)生物處理1hr的出水為主要對象，多次試驗證實，相對于最初的河水，生物處理出水易進(jìn)行化學(xué)處理，混凝沉淀效果好，可保證最終出水達(dá)標(biāo)，且處理費用不高。表3中列出了生物處理1hr出水的化學(xué)處理結(jié)果，可以得到混凝劑用量與去除率的關(guān)系。
近5個月的數(shù)據(jù)表明，如果進(jìn)水的CODcr值不超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量在10mg/l左右即可保證出水CODcr和BOD5等達(dá)標(biāo)；如果進(jìn)水的CODcr值超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量應(yīng)相應(yīng)增加，約為15mg/l～30mg/l可保證出水達(dá)標(biāo)。助凝劑的用量
均為0.3mg/l。
產(chǎn)生的化學(xué)污泥量為0.09～0.11kg干污泥/m3水，較少的污泥量可降低后續(xù)污泥處理的投資和費用。 表3 生物處理1hr出水經(jīng)化學(xué)處理后的CODcr值| 試驗序號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | | 原河水水質(zhì) | 232.2 | 90.2
（36.1） | 125.4 | 114.1
（48.2） | 137.1 | | 生物處理出水 | 181.2 | 74.2
（25.8） | 109.9 | 115.0
（36.8） | 117.0 | PAC=5mg/l，
PAM=0.3mg/l | - | 68.3 | 58.3 | 63.0 | 48.7 | PAC=10mg/l，
PAM=0.3mg/l | - | 41.0
（9.9） | 46.2 | 47.2
（7.9） | 33.9 | PAC=15mg/l，
PAM=0.3mg/l | 158.7 | 33.2 | 43.0 | 45.3 | 43.2 | PAC=20mg/l，
PAM=0.3mg/l | 86.1 | 25.4 | 27.8 | 41.7 | 44.4 | PAC=25mg/l，
PAM=0.3mg/l | 54.1 | 27.3 | 40.7 | 39.2 | - | PAC=30mg/l，
PAM=0.3mg/l | 31.6 | - | - | - | - | | 注：PAC投加量以有效成分Al2O3計。括號中為BOD5之值。 | 另外，PAC和PAM對水中的重金屬離子有很好的去除作用。當(dāng)PAC投加25mg/l，PAM投加0.3mg/l時，對水中鋅、汞、鉛、鎘的去除率分別達(dá)到92.6％、90.0％、70.2％和50.0％。并且對磷也有很好的去除，達(dá)90％以上。
3.4 推薦工藝及經(jīng)濟指標(biāo)
根據(jù)以上研究結(jié)果，推薦工藝為： 
以上述河流為例，當(dāng)處理水量Qs=0.25m3/s，閘后500m范圍內(nèi)河道水質(zhì)達(dá)到凈化要求時，單位投資成本795元/m3，運行費用0.28元/m3；當(dāng)處理水量Qs=0.50m3/s，閘后1000m范圍內(nèi)河道水質(zhì)達(dá)到凈化要求時，單位投資成本720元/m3，運行費用0.25元/m3?？梢娺h(yuǎn)遠(yuǎn)低于建設(shè)一般的污水處理廠的費用，且不需要大量投資用于管道建設(shè)。 4 結(jié)論 1）利用“生物十化學(xué)”處理工藝，可以實現(xiàn)受污染河水的就地凈化。該工藝成熟，效果穩(wěn)定，結(jié)合了生物法和化學(xué)法各自的優(yōu)點，可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)調(diào)整化學(xué)藥劑的用量，具有很強的運行靈活性，能很好地適應(yīng)各種河水水質(zhì)，
2）化反應(yīng)時間為1hr時，52.8％的溶解性CODcr、58.3％的溶解性BOD5得到轉(zhuǎn)化，后續(xù)化學(xué)處理即可保證出水的CODcr≤50mg/l、CODcr、BOD5≤12mg/l、DO≥2.0mg/l。生化反應(yīng)時間過短，溶解性CODcr未能充分轉(zhuǎn)化，無法保證出水達(dá)標(biāo)；生化反應(yīng)時間過長，處理裝置的占地面積大，運行費用高。建議生化反應(yīng)時間采用1hr。
3）用聚鋁為混凝劑，聚丙烯酸胺為助凝劑，對生化反應(yīng)出水的處理效果顯著穩(wěn)定。如果進(jìn)水的CODcr值不超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量在10mg/l左右，助凝劑投加量在0.3mg/l即可保證出水達(dá)標(biāo)；如果進(jìn)水的CODcr值超過130mg/l，則混凝劑PAC的投加量應(yīng)相應(yīng)增加，約為15mg/l～30mg/l，助凝劑投加量仍為0.3mg/l可保證出水達(dá)標(biāo)。產(chǎn)生的化學(xué)污泥量為0.09～0.11kg干污泥/m3水。
4）寒冷季節(jié)5個月的連續(xù)試驗證實，河水受到嚴(yán)重污染時（CODcr=100～130mg/l，NH3-N=20mg/l左右），上述工藝可保證凈化后河水的平均值達(dá)到目標(biāo)，即BOD5≤12mg/l，CODcr≤50mg/l，NH3-N≤10mg/l，DO≥2.0mg/l。 參考文獻(xiàn)：
[1]φdegaard H,Rusten B and Westen T.A new moving bed biofilm reactor-Application and Results. Wat Sci Tech,1994,29:157-165
[2]U Welander T Henrysson and T Welander, Biological nitrogenremoval from municipal landfill leachate in a pilot scale suspended carrier biofilm process．Wat Sci Tech, 1998,32(5)：1564-1570
[3]夏四清，高廷耀，周培炎，王學(xué)江. 懸浮填料生物反應(yīng)器去除有機污染物和氨氮的中試研究. 給水排水，2000，26(2)：42-45
作者簡介：
屈計寧：1965年生，同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，副教授，主要從事水處理理論與技術(shù)研究。 | 
