专利名称：一种用于饮用水生物处理的复合基质及其使用方法
技术领域：
本发明涉及水处理方法及用于水处理的药剂，更具体的说是用于饮用水生物处理的复合基质及其使用方法。
背景技术：
近年来，我国地表水污染普遍，流经城市的河段有机污染严重，湖泊富营养化问题突出，至少有半数以上的城镇的饮用水源不符合国家规定的水质标准，很多水厂受到水源水“微污染”问题的困扰，这些水源水中出了含有腐殖质等天然有机物外，还可能由于受到生活和工业废水的污染而含有包括内分泌干扰物、持久性有机污染物、致突变物质等人工合成有机物，它们在水体中的含量一般在微量或痕量(μg/L或ng/L)的水平，常规水处理工艺对它们处理效果非常不理想，但是对人体健康的危害却很大。例如，内分泌干扰物能够造成人的生殖缺陷，致突变物质提高了长期饮用的致癌风险等，因此饮用水中这些微量或痕量外来有机物已经引起学术界和企业界的广泛关注，相关的去除技术最近几年来一直是研发的热点问题。
目前应用的饮用水源有机物去除与控制技术主要有强化混凝技术，活性炭吸附技术、膜过滤技术和生物处理技术(包括生物预处理，生物活性滤池和O3-生物活性炭滤池等)等。
强化混凝技术是通过采用超大剂量的混凝剂(常用的为铝盐和铁盐)或添加聚丙烯酰胺(PAM)，硅藻土，KMnO4等助凝剂等方法提高常规混凝工艺对有机物的去除率，一般情况下，可以在一定程度上提高对水源水的有机物，特别是以腐殖质为主的天然有机物(NOM)的去除作用，但是对含量极低，成分复杂的痕(微)量难降解有机物去除的促进作用极为有限。
活性炭吸附工艺是利用活性炭表面具有的丰富的化学基团，对饮用水源的有机物进行吸附，在工程上可以采用颗粒活性炭或粉末活性炭吸附的不同形式，前者可以作为永久性处理工艺，后者经常作为临时性处置突发有机污染事故的工艺，它们对多数水源水中的外来有机物，特别是分子量在1000～3000左右的污染物质又比较好的去除作用，能够在一定程度上去除痕(微)量难降解有机物，有报道说，活性炭吸附可以将饮用水中的致突变活性由阳性降为阴性。但活性炭吸附存在吸附剂饱和的问题，除了吸附痕(微)量难降解有机物，活性炭还要吸附其它有机物，一般几个月～两三年就要更换新碳，成本较高。
膜过滤技术是一种新兴的技术，依据膜的孔径可以分为微滤、超滤、纳滤、反渗透等，可以分别去除μm级，几十个nm级，nm级和无机离子等尺度的物质，例如纳滤膜出水的有机物总量(TOC)会得到明显的降低，对痕(微)量难降解有机物难降解有机物的去除也由较好的效果。膜过滤在法国、日本、美国等发达国家目前已经有了比较多的应用，最大的应用规模为30万吨/天。但是由于膜组件价格相对我国的经济发展水平而言过于昂贵，因此在经济发展水平不高，水资源短缺的我国，短时期内膜过滤还很难大面积推广使用。
另外，在我国的受污染水源水中，NH4+-N往往是除了有机物之外的最重要的污染物质。而上述工艺都是只对有机物有一定的处理效果，但对NH4+-N却是处理效果很不理想或是根本没有处理效果。因此，对于典型的受污染水源水，单纯采用上述工艺往往得到令人满意的饮用水水质。
饮用水生物处理工艺的净水原理是通过反应器中生物膜中的异养细菌去除可生物降解有机物(BOM)，通过硝化细菌氧化去除NH4+-N。目前国内外经常采用的工艺有生物陶粒滤池预处理，弹性填料和悬浮填料生物接触氧化法，生物活性滤池和生物活性炭等。这些工艺具有运行成本低，管理简单等特点，对NH4+-N去除效果特别理想(可以高于90％)，对BOM去除效果比较理想，作为常规工艺的补充和强化，已经在国内外很多水厂中得到应用。但由于饮用水原水处于贫营养状态，可生化性也比较差，一般情况下BOM不但绝对量低，其占总有机物的比例也不高(一般不超过30％)，所以总的说来，如果生物处理工艺不与其它工艺联用的话，处理效果比较有限，去除率可能只有20％左右，甚至更低，因此目前生物处理工艺的应用在国内更多是关注其处理NH4+-N的效果，其在有机物，特别是痕量难降解有机物去除上的潜力并没有完全开发出来。造成结果的原因之一是目前的研究人员大多从调整工艺运行参数等工程手段出发试图提高生物处理工艺的处理效率，但是忽略了生物处理工艺的主体是生物膜微生物，没有从微生物的新陈代谢角度，从微生物自身生长繁殖的需要出发来开发新技术提高生物处理的效率。
发明内容
1、要解决的技术问题目前饮用水原水中的有机物种类繁多，常规的生物处理工艺对原水中的痕量难降解有机物，特别是对人类健康又很大影响的持久性有机物，内分泌干扰物等去除效果不好，本发明的目的在于提供一种用于饮用水生物处理的复合基质及其使用方法，通过人工干预改变微生物代谢条件，调节微生物共代谢活性，提高饮用水生物处理反应器对进水中痕量难降解有机物的去除效率，以提高饮用水生物处理工艺对痕量难降解有机物的去除效率。
2、技术方案一种用于饮用水生物处理的复合基质，含有葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐，根据要处理的饮用水的最主要限制性营养元素是有机物还是磷酸盐确定葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐的质量组成比例，其关系如下表表1复合基质配方
葡萄糖，乙酸盐的质量以C的含量计算，磷酸盐可选用H2PO4-盐或HPO42-盐，质量以P的含量计算(乙酸盐、磷酸盐指可溶性乙酸盐、磷酸盐，常用钠、钾盐)，如100g葡萄糖(C6H12O6)中的C的含量是100×[(12×6)/(12×6+1×12+16×6)]＝40g；100g乙酸钠(CH3COONa)中C的含量是100×[(12×2)/(12×2+1×3+16×2+23)]＝29.3g；100g KH2PO4中P的含量是100×[31/(39+1×2+31+16×4)]＝22.8g表中数据表示各组分的质量比例关系，这些比例关系要求不严格，可以根据处理结果按照括号内的范围适当调整，原则上BDOC(可生物降解溶解性有机碳)∶DOC(溶解性有机碳)的值越大，基质中乙酸盐的比例越低。例如当P为主要限制因子，且BDOC∶DOC＜0.1时，葡萄糖∶乙酸盐∶磷酸盐＝1～15∶40～60∶5～15，表示葡萄糖的变化范围是1～15，乙酸盐的变化范围是40～60，磷酸盐的变化范围是5～15，BDOC∶DOC越接近0.1，葡萄糖的比例越高，乙酸盐的比例越低。
所述的复合基质中葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐的质量组成比例关系如下
一种用于饮用水生物处理的复合基质的使用方法，包括步骤(1)用BGP方法确定反应器进水中的最主要的限制性营养元素是有机物还是磷酸盐，测定反应器进水中的DOC和BDOC；(2)根据步骤(1)的结果配制复合基质；(3)投加复合基质，以碳的质量计算，进水中投加的复合基质中有机物的量在进水BDOC浓度的1/20～1/10之间。
步骤(3)中复合基质应以溶液形式投加到反应器进水中，投加量按照体积计算可以控制在150～500L/d(此处d表示为天)之间当一个生物处理反应器的进水流量＜10,000m3/天时，复合基质投加量可控制在150～200L/天之间；当一个生物处理反应器的进水流量在10,000～100,000m3/天之间时，复合基质投加量可控制在200～400L/天之间；当一个生物处理反应器的进水流量在＞100,000m3/天之间时，复合基质投加量可控制在400～500L/天之间。
复合基质的投加和作用方式简单方便，由于所需药量极少，可以采用管道加药或其他与投加混凝剂类似的方式，此类技术已经相当成熟。当药剂与进水完全混合后，进入反应器，被微生物吸收利用，产生作用，不需额外的人工操作。
应用复合基质的饮用水处理工艺流程，仅需要在生物处理工艺前增加一道复合基质投加工艺，其它仍与原工艺相同，参见附图1、2、3。
3、有益效果本发明可以有效地促进饮用水生物处理工艺对有机物的去除作用，使用复合基质，有机物去除率可以提高30％左右，以BGP表示的生物稳定性提高一倍左右，Ames致突变性试验结果也明显好于常规生物处理方法。本发明原料易购，操作简单，具有良好的产业前景。
四
图1为生物陶粒滤池预处理工艺流程2为生物活性滤池工艺流程3为O3氧化池出水处理流程图五具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明实施例1一个生物预处理反应器的进水为50,000m3/天，BDOC浓度为0.5mg/L，BDOCDOC＝0.05，P是其中主要的限制因子，希望投加的有机物的量为BDOC的1/15(0.5/15＝0.033mg/L＝33μg/L)，复合基质投加量控制在300L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝50,000m3/天×33μg/L＝1650g/天。
则，1650g/天＝300L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝1650g/天÷300L/天＝5.5g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C 0g/L；乙酸盐-C，5.5g/L；磷酸盐-P，1.1g/L，根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 0～1.65g/L；乙酸盐-C，4.4～6.6g/L；磷酸盐-P，0.55～1.65g/L。
复合基质按照表1的比例配制出以C浓度计算为5.5g/L左右的溶液，在生物预处理反应器之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，可以将反应器对有机物的去除率提高20％～40％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
实施例2一个生物活性滤池进水流量为5,000m3/天，BDOC浓度为0.6mg/L，BDOCDOC＝0.15，P是其中主要的限制因子，希望投加的有机物的量为BDOC的1/15(0.6/15＝0.04mg/L＝40μg/L)，复合基质投加量控制在200L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝5,000m3/天×40μg/L＝200g/天。
则，200g/天＝200L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝200g/天÷200L/天＝1g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C，0.3g/L；乙酸盐-C，0.7g/L；磷酸盐-P，0.2g/L；根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 0.1～0.5g/L；乙酸盐-C，0.5～0.9g/L；磷酸盐-P，0.1～0.3g/L。
对于这个生物活性滤池，复合基质按照表1的比例配制出以C浓度计算为1g/L的溶液，在生物滤池之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，可以将反应器对有机物的去除率提高30～40％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
实施例3一个生物预处理反应器进水流量为400,000m3/天，BDOC浓度为0.75mg/L，P是其中的主要的限制因子，BDOC∶DOC＝0.25，希望投加的有机物的量为BDOC的1/15(0.75/15＝0.05mg/L＝50μg/L)，复合基质投加量控制在500L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝400,000m3/天×50μg/L＝20,000g/天。
则，20,000g/天＝500L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝20,000g/天÷500L/天＝40g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C，28g/L；乙酸盐-C，12g/L；磷酸盐-P，8g/L；根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 20～36g/L；乙酸盐-C，4～20g/L；磷酸盐-P，4～12g/L。
对于这个生物预处理反应器，复合基质按照表1的比例配制出以C浓度计算为40g/L左右的溶液，在生物预处理之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，可以将反应器对有机物的去除率提高30％～50％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
实施例4一个与O3化联用的BAC滤池，进水流量为200,000m3/天，BDOC浓度为1.2mg/L，P是其中的主要的限制因子，BDOC∶DOC＝0.4，希望投加的有机物的量为BDOC的1/20(1.2/20＝0.06mg/L＝60μg/L)，复合基质投加量控制在400L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝200,000m3/天×60μg/L＝12,000g/天。
则，12,000g/天＝400L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝12,000g/天÷400L/天＝30g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C，30g/L；乙酸盐-C，0g/L；磷酸盐-P，6g/L；根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 24～36g/L；乙酸盐-C，0～9g/L；磷酸盐-P，3～9g/L。
对于这个BAC滤池，复合基质按照表1的比例配制出以C浓度计算为30g/L的溶液，在BAC之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，可将反应器对有机物的去除率提高30～40％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
实施例5一个生物预处理反应器的进水为50,000m3/天，BDOC浓度为0.2mg/L，BDOC∶DOC＝0.05，C是其中主要的限制因子，希望投加的有机物的量为BDOC的1/10(0.2/20＝0.01mg/L＝10μg/L)，复合基质投加量控制在250L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝50,000m3/天×10μg/L＝500g/天。
则，500g/天＝250L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝500g/天÷250L/天＝2g/L。
根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C 0g/L；乙酸盐-C，2g/L；磷酸盐-P，0.125g/L，根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 0～0.75g/L；乙酸盐-C，1.5～2.25g/L；磷酸盐-P，0～0.25g/L对于这个生物预处理反应器，复合基质应按照表1的比例配制出以C浓度计算为2g/L左右的溶液，在生物预处理反应器之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，预期可以将反应器对有机物的去除率提高15％～30％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性应有统计学意义的下降。
实施例6一个生物活性滤池进水流量为5,000m3/天，BDOC浓度为0.4mg/L，BDOC∶DOC＝0.15，C是其中主要的限制因子，希望投加的有机物的量为BDOC的1/10(0.4/10＝0.04mg/L＝40μg/L)，复合基质投加量控制在200L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝5,000m3/天×40μg/L＝200g/天。
则，200g/天＝200L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝200g/天÷200L/天＝1g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C，0.375g/L；乙酸盐-C，0.625g/L；磷酸盐-P，0.0625g/L；根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 0.25～0.563g/L；乙酸盐-C，0.5～0.812g/L；磷酸盐-P，0～0.125g/L。
对于这个生物活性滤池，复合基质按照表1的比例配制出以C浓度计算为1g/L的溶液，在生物滤池之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，可以将反应器对有机物的去除率提高20～40％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
实施例7一个生物预处理反应器进水流量为400,000m3/天，BDOC浓度为0.75mg/L，C是其中的主要的限制因子，BDOC∶DOC＝0.25，希望投加的有机物的量为BDOC的1/15(0.75/15＝0.05mg/L＝50μg/L)，复合基质投加量控制在500L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下
每天投加的基质总量以C计算＝400,000m3/天×50μg/L＝20,000g/天。
则，20,000g/天＝500L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝20,000g/天÷500L/天＝40g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C，25g/L；乙酸盐-C，15g/L；磷酸盐-P，5g/L；根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 20～32.5g/L；乙酸盐-C，10～22.5g/L；磷酸盐-P，0～10g/L。
对于这个生物预处理反应器，复合基质应按照表1的比例配制出以C浓度计算为40g/L左右的溶液，在生物预处理之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，可将反应器对有机物的去除率提高20％～40％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
实施例8一个生物活性滤池，进水流量为200,000m3/天，BDOC浓度为1.2mg/L，C是其中的主要的限制因子，BDOC∶DOC＝0.4，希望投加的有机物的量为BDOC的1/20(1.2/20＝0.06mg/L＝60μg/L)，复合基质投加量控制在400L/d，则复合基质溶液配制浓度可以计算如下每天投加的基质总量以C计算＝200,000m3/天×60μg/L＝12,000g/天。
则，12,000g/天＝400L/d×复合基质浓度复合基质浓度＝12,000g/天÷400L/天＝30g/L根据表1，复合基质具体组成葡萄糖-C，30g/L；乙酸盐-C，0g/L；磷酸盐-P，1.88g/L；根据处理效果，可以调节的范围是葡萄糖-C 22.5～33.75g/L；乙酸盐-C，0～11.25g/L；磷酸盐-P，0～3.75g/L。
对于这个BAC滤池，复合基质应按照表1的比例配制出以C浓度计算为30g/L的溶液，在BAC之前，以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器，供微生物利用，预期可以将反应器对有机物的去除率提高20％～35％左右，以BGP表示的生物稳定性可提高一倍左右，Ames致突变活性有统计学意义的下降。
权利要求
1.一种用于饮用水生物处理的复合基质，其特征在于含有葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐，根据要处理的饮用水的最主要限制性营养元素是有机物还是磷酸盐确定葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐的质量组成比例，其关系如下表
表中葡萄糖，乙酸盐的质量以C的含量计算，磷酸盐可选用H2PO4-盐或HPO42-盐，质量以P的含量计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于饮用水生物处理的复合基质，其特征在于所述的复合基质中葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐的质量组成比例关系如下
3.一种用于饮用水生物处理的复合基质的使用方法，包括步骤(1)用BGP方法确定反应器进水中的最主要的限制性营养元素是有机物还是磷酸盐，测定反应器进水中的DOC和BDOC；(2)根据步骤(1)的结果配制复合基质；(3)投加复合基质，以碳的质量计算，进水中投加的复合基质中有机物的量在进水BDOC浓度的1/20～1/10之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(3)中复合基质应以溶液形式投加到反应器进水中，投加量按照体积计算可以控制在150～500L/天之间当一个生物处理反应器的进水流量＜10,000m3/天时，复合基质投加量可控制在150～200L/天之间；当一个生物处理反应器的进水流量在10,000～100,000m3/天之间时，复合基质投加量可控制在200～400L/天之间；当一个生物处理反应器的进水流量在＞100,000m3/天之间时，复合基质投加量可控制在400～500L/天之间。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(3)中复合基质以管道加药，提升泵混合的方式进入反应器。
全文摘要
本发明公开了一种用于饮用水生物处理的复合基质及其使用方法。复合基质中含有葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐，根据要处理的饮用水的最主要限制性营养元素是有机物还是磷酸盐确定葡萄糖、乙酸盐和磷酸盐的质量组成比例。用BGP方法确定反应器进水中的最主要的限制性营养元素是有机物还是磷酸盐，测定反应器进水中的DOC和BDOC；根据测定结果配制复合基质；然后投加复合基质。本发明可以有效地促进饮用水生物处理工艺对有机物的去除作用，有机物去除率可以提高30％左右，以BGP表示的生物稳定性提高一倍左右，Ames致突变性试验结果也明显好于常规生物处理方法。本发明原料易购，操作简单。
文档编号C02F1/52GK1654349SQ200510038159
公开日2005年8月17日 申请日期2005年1月19日 优先权日2005年1月19日
发明者于鑫, 张利民, 孙成, 吴海锁, 齐枝花, 余萍, 夏明芳, 陈振翔, 周凌云 申请人:南京大学