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 生物陶粒在污水處理中的應(yīng)用及對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，不少地區(qū)的飲用水水源日益惡化，同時，隨著水質(zhì)分析技術(shù)的進步，水源水和飲用水中的微量污染物又不斷的被檢測出來，這些，都對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
  目前飲用水被污染的特點有，有機物的含量高，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，直接影響了自來水的色度、濁度等。
  目前，按對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，由于其對微污染水的優(yōu)良的處理效果，近年來，受到了廣泛的重視。
2.陶粒特點
  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)對于微生物而言是非常有利的。
3.生物陶粒對微污染水的去除效果
3.1對有機物的去除效果
3.11溫度對有機物的去除效果的影響
  在生物陶粒反應(yīng)器中，溫度對有機物去除效果有一定的影響。一般來講，冬天比夏天的去除率低10%～20%左右。
  水溫接近10℃時，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。這是因為：一方面水溫降低使微生物的活性下降，另一方面生物陶粒反應(yīng)器中的微生物處于貧營養(yǎng)的環(huán)境中，相對于水中的有機物而言，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的負(fù)面影響。
  在低溫條件下，溫度對去除效果有明顯的影響。有實驗表明：當(dāng)水溫在5℃～10℃時，CODMn的去除率在11%～23%之間，水溫低于5℃時，CODMn的去除率在5%～12%之間；在接近0℃時，CODMn的去除率僅在6%左右。這也是為什么在氣溫最低的兩個月——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，大部分時間水溫都低于2℃，在此溫度下，微生物的活性進一步降低，而且生物陶粒系統(tǒng)中微生物量也有所下降。
  因此，在實際運行時，應(yīng)該注意后續(xù)工藝的運行與管理，以保證出水水質(zhì)。
3.12生物陶粒對不同分子量有機物的去除效果
  生物陶粒濾池對不同分子量的有機物，有著不相同的去除效果，實驗結(jié)果表明：生物陶粒濾池對分子量大于10000的有機物去除效果最好，可達到60%以上；對分子量在1000～4000之間的有機物，生物過濾的去除效果也達到了50%；對分子量小于1000的有機物也有一定去除，其去除率在10%左右；而對于分子量在4000～10000之間的有機物，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，對水中大分子有機物具有較強的吸附凝聚能力，使其在反應(yīng)器中被填料上的生物膜吸附截留，從而對分子量較大的有機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物分解成較小分子有機物，并為維持微生物自身生長代謝中的物質(zhì)和能量需要，將部分低分子有機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）有機物也有較好的去除率．對于分子量在4000～10000之間的有機物含量有部分的增長的現(xiàn)象，這并不表示生物陶粒濾池對該區(qū)間的有機物沒有去除效果，可能是由于微生物把部分分子量大于1000有機物分解成為此區(qū)間的有機物，從而造成了此部分有機物含量的增加．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物。
3.13曝氣時間的影響

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

對氨氮的去除，生物陶粒濾池作為飲用水源水的預(yù)處理是非常出色的，常溫下對氨氮的去除率可以達到80%以上，即使在低溫條件下（0～14℃）時，也有較高的去除率。在正常運行時，生物陶粒對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)器對于進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，試驗期間生物陶粒反應(yīng)器出水氨氮低于0.5mg/L。

  4.1 對低溫條件下，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，硝化桿菌也適合在5～40℃范圍內(nèi)生長，因此，對溫度有一定的適應(yīng)性，而在低溫條件下（<5℃）生物陶粒濾池中分離出來的優(yōu)勢菌種中，假單胞菌占絕對優(yōu)勢，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，也能在營養(yǎng)物質(zhì)貧乏的環(huán)境中生長繁殖。因此，保證了低溫條件下微生物對氨氮的去除效果。

    (2)由莫諾得公式可見，在溫度下降時，盡管硝化細(xì)菌對氨氮的最大基質(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)菌對氨氮的親和力得到了加強，硝化細(xì)菌對基質(zhì)的利用速率μ能保持一定的水平。同時，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行生長和繁殖。

    (3)根據(jù)MaCarty等人的研究，要維持生物膜的穩(wěn)態(tài)運行，則必須保持水中的有機物有一個最小濃度Smin，在溫度最低時，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物都可以產(chǎn)生濁度。生物陶粒濾池對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。

生物陶粒濾池對于濁度的降低源于兩個方面的因素。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，濾料層成壓實狀態(tài)，對進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，孔隙率更小，發(fā)揮了良好的吸附、凝聚作用，達到了良好的物理截留作用。同時，有調(diào)查顯示，在不曝氣的情況下，生物陶粒濾池對濁度的去除率比曝氣情況大得多。這是因為不曝氣時填料處于壓實狀態(tài)，孔隙率小，能有效截留顆粒狀物質(zhì)的緣故。

  6.對其他一些指標(biāo)的去除效果

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

生物陶粒濾池對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(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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