基于改性濾料對微污染水的生物處理技術(shù)研究與探討

呂 昱 禹麗娥 劉京都 夏建杰 張俊才 魯浩南

(長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410114)

截至目前，國內(nèi)外水環(huán)境污染仍以有機(jī)污染為主，并由此引發(fā)消毒副產(chǎn)物污染及水體藻類污染，為人類生活與生態(tài)健康帶來嚴(yán)重危害。污水處理技術(shù)研究，其中對微污染水源水的治理技術(shù)研究是當(dāng)前污水治理研究重點(diǎn)之一。實(shí)踐證明，隨著全球水環(huán)境污染的加重，采用混凝、沉淀、過濾、消毒的常規(guī)處理工藝治理污水后出水水質(zhì)常常未能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，常規(guī)處理已顯得力不從心。過濾是常規(guī)處理工藝中的重要工序，通過對過濾工序進(jìn)行工藝改進(jìn)，可有效改善凈水效果。其中，對合適濾料的確定是增強(qiáng)處理效果的技術(shù)關(guān)鍵，可將濾料進(jìn)行改性處理，能有效增強(qiáng)濾料吸附性能，提高對濁度低、有機(jī)物含量高的微污染水源水的處理效果。相較于常規(guī)的物理、化學(xué)處理技術(shù)，采用生物處理技術(shù)處理微污染水源水，具有處理高效、操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低、污染程度低、運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，更適應(yīng)于國內(nèi)外的污水處理現(xiàn)狀。因此，對改性濾料過濾與生物處理技術(shù)聯(lián)合工藝的研究成為了當(dāng)前一新型研究熱點(diǎn)。

1 微污染水源水

1.1 概述

微污染水源水指由于排入的生活及工農(nóng)業(yè)污廢水中含有的污染物對水體造成污染，使水中部分水質(zhì)指標(biāo)(即有機(jī)污染物含量、氨氮、濁度等指標(biāo))超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求的水體。

1.2 成因

造成微污染水體的主要成因有：a.受到生活及工農(nóng)業(yè)污廢水污染，使水中TN、TP及有機(jī)污染物等指標(biāo)超標(biāo)，引發(fā)水體富營養(yǎng)化污染等；b.由于地表徑流中攜帶的土壤中污染物、降水?dāng)y帶的大氣污染物、及未經(jīng)處理的養(yǎng)殖業(yè)排水等排至自然水體中引發(fā)水體污染；c.受到嚴(yán)重的有機(jī)污染，包括腐殖酸等天然有機(jī)化合物，以及藥品、個(gè)人護(hù)理品等人工合成有機(jī)物；d.受到包括亞硝酸鹽氮、重金屬離子、氨氮及硝酸鹽氮等污染[1-4]。

1.3 水質(zhì)特性

微污染水源水的水質(zhì)特性主要表現(xiàn)為氨氮含量較高、濁度較低、異味明顯、有機(jī)物綜合指標(biāo)較高，具體表現(xiàn)為：a.水中可溶性有機(jī)物質(zhì)含量大幅增加，有異味產(chǎn)生；b.對于江河水源，水中有機(jī)污染物、NH3-N、TP等含量超標(biāo)；對于湖泊、水庫水源，會造成水體富營養(yǎng)化污染，藻類腐爛時(shí)會引起水體腥臭，并釋放一定量藻毒素，使水質(zhì)惡化；c.水中部分有害微生物指標(biāo)(如隱孢子蟲、賈第氏鞭毛蟲、病毒等)超標(biāo)。

2 改性濾料的概念及應(yīng)用

2.1 概述

改性濾料指通過化學(xué)反應(yīng)使以天然濾料為載體(常用普通石英砂)的表面上覆蓋一層氫氧化物或金屬氧化物等改性劑，以改變?yōu)V料顆粒表層的物理化學(xué)性質(zhì)，使其比表面積，及其對有機(jī)污染物質(zhì)與懸浮物質(zhì)的吸附容量增加，提高濾料的吸附能力與截污能力，從而改善出水水質(zhì)[5]。實(shí)驗(yàn)證明，濾料經(jīng)改性后呈現(xiàn)多孔狀，其孔徑變小、微孔增多、比表面積與表面活性吸附作用點(diǎn)增多，大大強(qiáng)化了對水中含有的污染物顆粒的物理化學(xué)吸附能力，從而使改性濾料對水中有機(jī)污染物的去除能力得到提升。另外，改性濾料還可氧化和吸附水中小分子可溶性有機(jī)污染物及少量重金屬離子，使最終出水各項(xiàng)污染物指標(biāo)得到大幅度降低[6]。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年來，國內(nèi)專家與學(xué)者較多地從實(shí)際工程應(yīng)用中遇到的幾類污染物去除問題展開對改性濾料的研究。研究采用金屬氧化物或氫氧化物涂層技術(shù)等對普通石英砂、陶瓷等多種天然濾料進(jìn)行表面改性處理，制得改性濾料處理污水，并取得了良好的運(yùn)行數(shù)據(jù)和研究成果。國外專家與學(xué)者則較多從吸附容量、吸附模型的建立等原理上展開對改性濾料的研究，側(cè)重于研究改性濾料對原水中幾類難降解物質(zhì)(微生物、藻類、有毒有害物質(zhì)等)的去除效果，并通過實(shí)驗(yàn)分析對比改性前后濾料的吸附性能、吸附容量、吸附影響因素等。但目前國內(nèi)外已有研究中對部分小分子可溶性有機(jī)微污染物等難去除污染物仍不能有較好的去除，另外對于改性濾料的反沖洗過程，也因?yàn)V料種類與特性的不同而受到不同的條件限制，缺乏完善的系統(tǒng)性研究。因此，對改性濾料及其反沖洗過程的研究與應(yīng)用仍有著廣闊的探索空間[7-11]。

2.3 改性濾料的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外大多采用以改性劑通過化學(xué)反應(yīng)覆蓋于多種天然濾料上獲得改性濾料的制備工藝，常用改性劑包括氫氧化鐵、氧化鐵、氫氧化鋁、氧化鋁等，常用天然濾料包括普通石英砂、沸石等。近幾年，國內(nèi)外有專家學(xué)者考慮以新型環(huán)保材料(如竹炭等)為介質(zhì)制得改性濾料處理微污染水，也取得了良好的研究成果。大量研究證明，濾料經(jīng)改性后的吸附性能、可重復(fù)利用率、及生物掛膜量等指標(biāo)均高于未改性濾料，且對原水中有毒有害物質(zhì)、重金屬離子、藻類等難降解物質(zhì)有較好的去除率。

2.3.1 有機(jī)污染水處理應(yīng)用

含有有機(jī)污染物的水處理研究方法多種，國內(nèi)外有許多專家學(xué)者也從不同的研究方法和機(jī)理上得出了很多研究成果。如方宏偉[12]采用高溫加熱制備法，即利用氧化鐵作為改性劑對新型環(huán)保陶瓷濾料進(jìn)行改性處理制得氧化鐵/改性陶瓷改性濾料，其對微污染水源水進(jìn)行預(yù)處理后可有效地降低水中有機(jī)污染物含量，減輕對后續(xù)工藝運(yùn)行時(shí)的有機(jī)負(fù)荷，提高最終出水水質(zhì)。

也有其它的預(yù)處理方式，如趙玉華等[13]分別使用高溫加熱制備法、泥涂層法、反復(fù)沉積法3類方法對普通石英砂進(jìn)行改性處理。通過靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)證明，普通石英砂經(jīng)改性處理后對有機(jī)污染物的去除率從1.3%～5%提高至18%～50%，其吸附容量約為未改性普通石英砂的5～30倍；從動態(tài)試驗(yàn)上看也出現(xiàn)相同結(jié)果，這說明了經(jīng)改性處理后的石英砂濾料可有效提升對有機(jī)物的去除能力。高乃云等人[14]的研究中使用了由3類不同的氧化物涂層得到的改性砂濾料及未涂層濾料進(jìn)行了去除水中NOM的性能對比試驗(yàn)，試驗(yàn)表明涂鋁砂改性濾料和通過高溫制備的涂鐵砂濾料對去除水中NOM的效果優(yōu)于采用堿性沉淀法制得的涂鐵砂改性濾料。同時(shí)，3類涂層砂改性濾料均優(yōu)于未涂層砂，且3類不同改性濾料在反沖洗前后的處理效果沒有區(qū)別。

2.3.2 重金屬污染水處理應(yīng)用

國內(nèi)外許多專家學(xué)者對含有重金屬污染物的水處理研究也在研究方法和機(jī)理上得出了很多研究成果。如徐迪民等人[15]使用氧化鋁涂層砂改性濾料去除Zn2+的研究中，發(fā)現(xiàn)金屬離子去除率大小與pH值密切相關(guān)。當(dāng)出水pH值<4時(shí)，涂鋁砂濾料對鋅的去除效果比普通石英砂略差；當(dāng)出水pH值>4時(shí)，Zn2+的去除率隨pH值的增大而增大；pH值>9時(shí)，Zn2+的去除率可達(dá)100%。

不同種類重金屬污染物的去除機(jī)理研究還有很多，如Edwards等人[16]的研究中利用鐵氧化物覆蓋砂粒柱對Cu2+、Cd2+、Pb2+和Cr3+進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，得出在pH=8.5的條件下，幾乎可全部去除水中Cu2+、Cd2+、Pb2+和Cr3+等溶解態(tài)重金屬離子，而采用普通天然砂粒處理得到的去除率非常低。同時(shí)，普通天然砂粒幾乎不能去除絡(luò)合態(tài)重金屬離子，而采用鐵氧化物進(jìn)行改性處理制得的改性砂粒柱在處理40倍濾床體積的水時(shí)，幾乎可實(shí)現(xiàn)水中絡(luò)合態(tài)重金屬離子的全部去除。

2.3.3 藻類污染水處理應(yīng)用

含有藻類污染物的水處理研究方法多種，國內(nèi)外有許多專家學(xué)者也從不同的研究方法和機(jī)理上得出了很多研究成果。如馬軍等人[17]使用改性濾料對藻類的去除研究中，發(fā)現(xiàn)從對含藻水的直接過濾效果上看，改性濾料略好于普通石英砂，并對經(jīng)混凝沉淀處理后的含藻水的過濾效果大大優(yōu)于普通石英砂，特別是其過濾截留容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通石英砂。另外，研究中還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)混凝沉淀處理過后的含藻水中存有的殘余鋁可促進(jìn)對水中藻類的去除。

雷國元等人[18]利用涂氧化鈦制備改性濾料，進(jìn)行了對微污染水源水的強(qiáng)化過濾治理，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，其對有機(jī)污染物、濁度、藻細(xì)胞等的去除能力明顯優(yōu)于普通石英砂。結(jié)果顯示，采用改性濾料可有效提高對前期經(jīng)混凝沉淀處理后的含藻水的除藻量。

2.3.4 微生物的去除應(yīng)用

在微生物的去除過程中，國內(nèi)外專家學(xué)者也從不同的研究方法和機(jī)理上得出了很多研究成果。如Lukasik等人[19]的研究中，采用Fe(OH)3、A1(OH)3作為改性劑對濾料進(jìn)行改性處理，通過將lkg改性濾料放入0.7 L柱體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對水中99%以上的霍亂弧菌、大腸桿菌、大腸噬菌體MS-2、脊髓灰質(zhì)炎病毒1的去除率。由連續(xù)30 d處理120 L水的試驗(yàn)結(jié)果表明，可持續(xù)維持該去除率。在處理192 L水后，仍可實(shí)現(xiàn)對水中99.9%大腸噬菌體MS-2、80%大腸桿菌及90%脊髓灰質(zhì)炎病毒1的去除率。另外，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的改性濾料還可去除原水中含有的部分大腸噬菌體與腸形細(xì)菌。在室溫下，實(shí)驗(yàn)對水中大腸噬菌體MS-2、腸形細(xì)菌及大腸桿菌等微生物的去除率均大于99%，而原普通砂粒濾料幾乎不能去除水中微生物。最后，在實(shí)驗(yàn)出水中未能檢測出與改性濾料表層改性劑相關(guān)的成分,說明濾料表層的覆蓋物具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2.3.5 有毒有害物質(zhì)的去除應(yīng)用

含有有毒有害污染物的水處理研究方法中，國內(nèi)外有許多專家學(xué)者也從不同的研究方法和機(jī)理上得出了很多研究成果。如高乃云等人[20]采用氫氧化鐵或氧化鐵對天然濾料進(jìn)行涂層改性處理，制得改性濾料在低pH值條件下處理微污染水源水時(shí)，可實(shí)現(xiàn)95%以上的砷去除率。

在吸附機(jī)理運(yùn)用上，Wen-hui kuan[21]采用氧化鋁對天然濾料進(jìn)行涂層改性處理，制得的改性濾料進(jìn)行污水處理時(shí)，去除水中Se(IV)及Se(VI)的效果優(yōu)良，并在合適的吸附劑量、pH值及吸附時(shí)間的條件下，對水中的Se可實(shí)現(xiàn)近100%的去除率。

過濾機(jī)理也是常用的方法。高乃云等人[20]采用氧化鐵制得的改性濾料進(jìn)行處理時(shí)，可在水中pH<5.0的條件下去除水中少量氟，且對氟的去除率大于90%，但氟的去除率會隨水中pH值的升高而下降。

3 生物處理技術(shù)

3.1 生物預(yù)處理技術(shù)

不同生物預(yù)處理技術(shù)對比見表1。

表1 各生物預(yù)處理工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比[22-26]

4 改性濾料及生物技術(shù)的結(jié)合

4.1 改性濾料生物濾池的工藝特點(diǎn)

生物濾池主要利用微生物對水中有機(jī)物、氨氮等物質(zhì)的代謝與吸附作用，降低原水BOD5、NH3-N等值，以改善出水水質(zhì)。濾池一般以天然濾料為填料，在濾料表層產(chǎn)生固定性生物膜，處理時(shí)生物膜不斷與原水接觸，吸收降解水中有機(jī)污染物等，達(dá)到對原水中有機(jī)污染物、氨氮等的定量去除。濾料濾層還可對原水中懸浮物固體進(jìn)行物理截留，降低原水SS值。生物濾池同時(shí)具備生物降解與吸附過濾功能，無需另投任何外源物質(zhì)，相較于實(shí)際工程中采用的物理、化學(xué)法，其處理成本低、處理效果好、且污染程度低[27]。目前，國內(nèi)外大多水廠采用常規(guī)濾料作為生物濾池填料，而實(shí)踐證明采用常規(guī)濾料處理效果普遍較低。對此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已展開對改性濾料作為生物濾池填料的研究與應(yīng)用，并取得了良好的研究成果。常規(guī)濾料經(jīng)改性后可擴(kuò)大濾料孔徑，增加比表面積，從而增強(qiáng)濾料的吸附性能及其與生物膜的粘附穩(wěn)定性，使出水水質(zhì)最終得以有效改善[28-32]。

4.2 改性濾料生物濾池工藝的應(yīng)用

改性濾料的運(yùn)用，給一些特殊水質(zhì)和不同的污染物種類的去除都帶來新的處理方法和好的處理效果。如朱龍龍[33]在使用改性陶粒和改性沸石處理低溫微污染水的研究中，采用以改性前后的陶粒和沸石作為填料的生物濾池處理相同水質(zhì)的微污染水，并進(jìn)行了對比。由靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)改性處理后的陶粒和沸石對水中氨氮由開始吸附至吸附動態(tài)平衡所耗時(shí)長明顯縮短10～20分鐘，對污染物的吸附量也大幅提高，最終出水水質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)陶粒和沸石濾料。

石英砂濾料的改性運(yùn)用在生物處理方法也能對微污染水有較好的處理效果。如劉貝等[24]采用以氧化鐵涂層石英砂為填料的生物濾池處理微污染水源水，并對改性前后的石英砂處理相同水質(zhì)原水的處理效果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，氧化鐵改性石英砂掛膜期間對UV254的去除率為42.4%～57.3%，較普通石英砂的處理效果提升了8～11倍；穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)對氨氮的去除率在86%左右，較好解決了普通石英砂對氨氮的處理不穩(wěn)定性問題。

改性濾料在生物技術(shù)中的運(yùn)用，能充分體現(xiàn)兩者的相互結(jié)合形成的合力，處理效果及出水水質(zhì)能得到穩(wěn)步的上升，為我們的水處理技術(shù)提供更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保，更有效的處理途徑和方式[35-37]。

5 問題討論與分析

(1)近年來，隨著工農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展，一些新型微量有機(jī)污染物進(jìn)入水體引發(fā)水體微污染。這類新型微污染物主要為工農(nóng)業(yè)人工有機(jī)合成物，包括藥品、個(gè)人護(hù)理品、內(nèi)分泌干擾化學(xué)物品等，而傳統(tǒng)凈水工藝對有機(jī)合成污染物的降解去除有限。因此，這類微污染物對人類與生態(tài)健康有著非常大的潛在危害，已成為微污染水治理研究關(guān)注的重點(diǎn)[38-40]。

(2)濾料經(jīng)改性后的吸附性能較改性前有大幅的提升，但實(shí)際對部分小分子可溶性有機(jī)物的去除效果較低，目前采用納米技術(shù)制備納米改性濾料或可有效去除該類小分子有機(jī)污染物，已成為可研究的方向之一。

(3)改性濾料反沖洗過程受濾料種類及特性的約束，采用合適的反沖洗系統(tǒng)可盡快地恢復(fù)改性濾料的吸附和過濾性能，并能延長改性濾料的使用壽命。目前，對合適改性濾料反沖洗系統(tǒng)的完善與確定亦值得我們?nèi)ド钊胙芯俊?/p>

(4)研究證明，改性濾料較常規(guī)濾料更適合于作為生物濾池填料處理微污染水，但目前在實(shí)際工程中的投入應(yīng)用較少，缺乏成熟可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。對此，可針對不同微污染水的實(shí)際水質(zhì)，確定采用合適的改性濾料進(jìn)行小試、中試研究，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)改性濾料在實(shí)際工程中的投入應(yīng)用。

(5)目前采用新型環(huán)保材料作為改性濾料制備原料處理微污染水已成為新的研究方向，具有制作成本低、污染程度低、處理效果好、廢物循環(huán)利用、生態(tài)環(huán)保、節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn)。未來在微污染水治理領(lǐng)域中對新型環(huán)保材料的研究與應(yīng)用有待我們?nèi)ミM(jìn)一步考察。

6 結(jié)語

目前，國內(nèi)外已存在較多微污染水源水的治理技術(shù)研究，各研究技術(shù)均各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，強(qiáng)化常規(guī)處理工藝處理是當(dāng)前行之有效、適應(yīng)范圍廣泛的處理技術(shù)，生物處理法是當(dāng)前微污染水源水治理中經(jīng)濟(jì)、安全、有效的處理方法。采用改性濾料生物濾池工藝強(qiáng)化過濾微污染水源水是經(jīng)濟(jì)有效、穩(wěn)定安全的處理方法之一，但在實(shí)際工程運(yùn)行中對微污染水源水中部分難降解物的去除存有一定的局限性。處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)微污染水源水實(shí)際水質(zhì)情況，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇確定制備合適的改性濾料，以達(dá)到理想的處理效果。另外，進(jìn)行對改性濾料制備技術(shù)及其反沖洗技術(shù)的改進(jìn)可有效解決強(qiáng)化過濾存在的局限性問題，值得我們?nèi)ミM(jìn)一步深入探討研究。