专利名称：去除低浓度有机物的水处理方法
技术领域：
本发明属于给水及污水处理领域，是一种去除水中低浓度可生物降解有机物的处理方法，用于水源受到污染的给水处理系统和出水水质要求高的污水处理系统，例如出水排放至水质要求严格的水体或需要回用的污水处理系统。
本发明是生物活性炭法的发展与改进。
活性炭是用煤、木材、果壳或兽骨等含碳物质经干馏并用过热蒸汽在高温下处理而得的粉状或粒状的无定形碳。制造过程中，活性炭颗粒内部形成极多的孔洞，具有巨大的比表面积，表面生成许多官能团，构成活性中心;巨大的比表面积和活性中心使活性炭具有很强的物理和化学吸附能力，能够去除水中多种污染物。为了便于使用、回收和再生，水处理中一般采用粒状活性炭。
活性炭用于给水处理已有约60年的历史。到六十年代末，西欧各国已在给水处理中较普遍地使用活性炭，处理流程一般为水源水→预氯化→常规处理→活性炭吸附→消毒，可称之为预氯化活性炭法。这种方法的缺点是，水中有机物和氯生成分子极性较强的有机氯化物，不易为活性炭吸附，致使出水中有机氯化物浓度较高，而其中的某些物质，如三氯甲烷，已被确认有致癌作用。同时，活性炭的再生周期仅有几个月。
为了避免产生大量的有机氯化物，六十年代开始了用臭氧代替氯气的试验和实际应用。与预氯化相比，预臭氧化使出水水质明显改善，炭的再生周期大为延长。研究表明，预臭氧化可以提高水中有机物的可生物降解性，臭氧化气体中含有的氧气以及臭氧分解生成的氧气增加了水中溶解氧，充足的养料和氧气使微生物在活性炭上大量繁殖起来。预臭氧化产生的溶解氧量不够时，可以向进入活性炭床前的水中充氧以维持微生物正常活动所需的好氧条件。正是活性炭上微生物的存在和活动，去除了水中有机污染物，才使活性炭能够运行数年而不需再生，始终保持良好的出水水质。随着微生物的繁殖和死亡，活性炭上逐渐增厚的生物膜会堵塞活性炭床内的水流通道，因此每隔一段时间，一般为数天或数周，需要对活性炭床进行反冲洗，促使活性炭上的生物膜脱落和更新。由于这种活性炭上生长着大量微生物，除具有物理化学活性外还具有生物活性，因此可称之为生物活性炭，使用生物活性炭的水处理方法称为生物活性炭法。七十年代以来，使用预臭氧化加生物活性炭进行给水处理得到了肯定和大量应用。国内外的应用实例可分别参见“饮用水深度处理研究”(《中国给水排水》，p16～21，No.4，Vol3，1987)和“缪海姆流程(TheMülheimprocess)”(《J.AWWA》，p393，No.7，Vol70，1978)。
在污水处理中，生物活性炭法也得到了广泛的研究和应用。与在给水处理中一样，活性炭在污水处理中的应用也经历了从单纯利用其物理化学吸附作用到逐步认识和利用其做为生物载体、发挥微生物生物降解作用的发展过程，运行方式也大致相同。有所不同的是，污水中污染物浓度较高，预臭氧化投量大、费用高，在污水处理中不得已时才用;微生物活动所需溶解氧一般由向水中投加的含氧气体供给，含氧气体除可投加于进入活性炭床前的水中外，还可从活性炭床底部鼓入;微生物增殖较快，反冲洗间隔时间较短。生物活性炭法可用于污水二级处理，但更多用于污水高级处理，即位于二级生物处理之后，进一步降低水中有机污染物含量。
综上所述，生物活性炭法可描述如下(1)利用活性炭物理化学吸附作用去除水中污染物;
(2)利用活性炭上生长的微生物的生物降解作用去除水中可生物降解的有机污染物;
(3)活性炭再生周期很长(一般一年以上乃至数年)，(2)中所述作用为主要作用;
(4)每隔一段时间对活性炭床反冲洗，使其上生长的生物膜脱落更新、避免活性炭床堵塞;
(5)微生物所需溶解氧的供给方式可以是向进入活性炭床前的水中投加含氧和/或臭氧的气体，也可以是从活性炭床底部鼓入含氧气体，还可是两者并用;
(6)主要用于给水处理污水高级处理、污水再用处理等水中有机物浓度较低的场合。
生物活性炭法的缺点是活性炭价格很高;潮湿的活性炭有很强的腐蚀性，与之相接触的设备需做防腐处理或用不锈钢制造，活性炭强度较低，反冲洗时破损量大，随水流失较多;所以，生物活性炭法基建投资和运行费用很高。
本发明的目的在于提供一种保持与生物活性炭法大致相同的水中有机物去除效果，但可显著降低基建投资和运行费用，适合我国目前生产力发展水平的，去除低浓度有机物的水处理方法。
本发明采用粒状惰性介质代替粒状活性炭做为微生物载体，选用价格低、无腐蚀性、强度高的惰性介质就可克服价格高、腐蚀性强、强度低的活性炭所带来的缺点。
所谓粒状惰性介质，是指不具有活性炭那样的物理化学吸附能力的颗粒状物质。它们的颗粒内部很少孔洞，如石英砂;或仅有大孔而很少微孔(直径小于40A)，如沸石;或虽有微孔却与外表面不连通，如陶粒。此外可供选择的粒状惰性介质还有高炉炉渣、焦炭、麦饭石等。它们与活性炭的性能参数比较见下表。值得指出的是，表中所列数字随产地不同会有所变化，甚至较大的变化，但无论如何，粒状惰性介质和活性炭的差别始终是显著的。
价格堆积容重筒压强度比表面积(元/米3) (×103公斤 (公斤/厘米2) (×106米2//米3) 米3)活性炭17000.452.1405石英砂3001.6012.11.2陶粒2100.6815.50.3沸石3000.699.70.3高炉炉渣100.808.21.0焦炭5000.505.50.8麦饭石5001.207.41.1生物活性炭的作用机理，特别是活性炭特有的物理化学吸附作用与其上所载微生物的生物降解作用之间的关系，尚不清楚。普遍承认的假说认为活性炭吸附有机物和溶解氧，使之在炭粒表面上和孔洞中富集，有利于提高微生物的生物降解速率;微生物的生物降解作用使活性炭的吸附能力得以再生;两者互相促进，形成协同作用而不仅仅是简单的加合。然而，在对生物活性炭法机理的研究过程中，发明人逐渐认识到，事实并非如此，现简述如下协同作用假说的核心和根据是胞外酶再生说。因为微生物个体远大于活性炭内部孔洞直径，仅能存在于炭粒外表面，只有通过分泌的胞外酶才可能与主要吸附于炭粒孔洞内的有机物发生反应，活性炭吸附作用和微生物降解作用之间才可能发生联系，进而互相促进。但是，由于多方面的原因，胞外酶再生说迄今未能得到严格的实验验证。发明人对胞外酶分子和活性炭内部孔洞直径的大小，以及对酚类和芳香烃类化合物的微生物降解途径的研究表明酚类和芳香烃类化合物的生物降解反应主要是胞内酶反应，胞外酶再生说不能适用;而且，理论推算指出胞外酶分子大于活性炭微孔直径，因此无法进入，也就无法与活性炭主要吸附区-微孔内被吸附的物质进行反应。另外，活性炭对溶解氧的吸附主要是化学吸附，不会起到提高微生物生物降解速率的作用。因此，活性炭的吸附作用和其上所载微生物的生物降解作用基本上是互相独立的，是简单的加合而非协同作用，这一理论得到了实验的支持，多次实验总结出的规律如图一所示。图一中横座标T为运行时间，纵座标E为有机物去除率，以活性炭和粒状惰性介质为微生物载体，在相同条件下的处理效果分别由曲线1、2给出。从图一中可以看出(1)随着活性炭吸附容量逐渐饱和，去除率逐渐下降，至t2时已退化为单纯的微生物载体，达到稳定状态;
(2)随着微生物在惰性材料颗粒物上逐渐增殖，去除率逐渐上升，至t1时达到稳定状态;
(3)活性炭和惰性材料颗粒物均达到稳定状态时，具有同样的去除率;
(4)曲线1、2与T轴间的面积分别代表以活性炭和粒状惰性介质为微生物载体的方法的有机物去除总量，两者有机物去除总量的差值由曲线1、2间的面积所代表，前者的有机物去除总量较大是因为具有后者不具有的吸附能力;
(5)改善后者的起动技术，使之尽快达到稳定状态，可在一定范围内缩小两者有机物去除总量的差;
(6)两者对有机物去除总量的差与有机物去除总量的比，随运行的延续而减小。
因此，在运行时间很长的情况下，两者不但去除率不相上下，而且去除总量渐趋相等。粒状惰性介质完全可以取代活性炭做为微生物载体而不削弱其上所载微生物的生物降解作用，取得与生物活性炭法大致相同的处理效果，使基建投资和运行费用大为降低。
生物活性炭之溶解氧供给方式可在本发明中使用，但更多地采用从床层底部鼓入空气的方式。多数惰性材料的堆积容重大于活性炭的，所以需要较大的反冲洗强度;为了缩短反冲洗时间、减少反冲洗水量，多采用气水联合反冲洗。于是，反冲洗后利用同一套布气装置供氧就是顺理成章的了。当然，这并不排除在有必要的场合，向进入床层前的水中投加含氧和/或臭氧的气体，做为供氧的补充手段或提高水中有机物的可生物降解性。所说的含氧气体可以是空气、富氧气体或纯氧。除非可以方便而经济地获得后两者，一般都使用空气供氧和反冲洗。总之，本发明中采用最多的供氧方式是微生物所需溶解氧部分或全部由从床层底部鼓入的空气供给。
和过滤中一样，水流通过粒状惰性介质床层的运动可以有从上向下和从下向上两种，分别称为下向流和上向流。在本发明中，两者都可使用，但采用后者，即水流和含氧气体都从床层底部进入，向上通过床层，是更好的选择。尽管关于相间传质的理论分析指出，气液两相相向流动能使气液两相间的传质推动力始终保持在相当的水平上，并可减慢气体上升速度，延长两相接触时间，对传质更为有利;但这里除了要考虑氧从气相到液相的传质问题外，还要考虑微生物对氧的需求和利用。微生物对水中有机物的同化和降解，导致沿水流方向，有机物浓度逐渐降低，微生物数量逐渐减少，对氧的需求和消耗量逐渐减少。水流和含氧气体同方向地通过床层，使水中有机物浓度最高、微生物最多、生物降解作用最强、氧的需求和消耗量最大的地方有最充足的供氧，不致发生因供氧不足限制微生物作用充分发挥的现象，也提高了氧的利用率。
实施本发明的主要技术参数有床层高度、水流速度、水力停留时间、气流速度(气水比)、粒状惰性介质粒径等。其中，床层高度＝水力停留时间×水流速度。各参数值的选取主要与原水中有机物的浓度、种类以及对出水质的要求有关。例如，选用较长的水力停留时间可以得到较好的出水水质，但在水流速度不变时，将需要较厚的床层，这意味着投资增加;又如，选用较小的气流速度能降低能耗和运行费用，但决不可因此而限制了生物降解作用的充分发挥;再如选用较小的粒径有利于增大微生物附着面积，提高生物降解速率，但床层易于塞，反冲洗周期较短。
推荐在如下范围内选用各参数值床层高度2～3米水流速度3～12米/时水力停留时间10～60分气水比(体积比)1∶1～3∶1粒径1.5～4毫米大多数情况下，在此范围内取值即可取得满意的效果。对少数特殊水质和特殊要求的场合，根据上述对参数值影响因素的分析，采用平行试验的方法，本专业一般技术人员不难在上述取值范围以外找到合适的参数值。
本发明所提供的方法，与生物活性炭法相比，水中有机物去除效果大致相同，但因为不用昂贵的、潮湿时腐蚀性很强的活性炭，大大降低了基建投资和运行费用。在我国目前生产力发展水平下，有利于推广给水和污水的深度处理，有益于人民身体健康和改善环境。
图1所示是多次试验中得出的粒状惰性介质和粒状活性炭的去除率随运行时间的变化规律，分别由曲线1和2给出。其余各图均与实施例有关，请参见实施例中对图面的说明。
实施例1实验装置如图2所示，含低浓度有机物的原水3与空气4一起向上通过活性炭床层5或粒状惰性介质床层6，处理后的水7从装置上部流出。原水为含甲苯的人工配制水，浓度5毫克/升左右，床层高度10厘米，水流速度6.3米/时，气水体积比1∶1，活性炭和惰性介质粒径均为1.75～2.25毫米，实验结果如图3所示。曲线8～11分别为活性炭、沸石、陶粒、高炉炉渣的去除率E随运行时间T的变化情况。
实施例2实验装置与实施例1中相同，如图2所示。原水为含苯酚的人工配制水，浓度约20毫克/升，床层高度20厘米，水流速度10米/时，气水体积比2∶1，活性炭和惰性介质粒径为1.5～2.0毫米。实验结果如图4所示。曲线12～15分别为活性炭、陶粒、石英砂、焦炭的去除率E随运行时间T的变化情况。
实施例3实验装置与实施例1中相同，如图2所示。原水为含苯酚的人工配制水，浓度13～16毫克/升，床层高度20厘米，水流速度3米/时气水体积比3∶1，活性炭和惰性介质粒径均为2.0～4.0毫米。实验结果如图5所示，曲线16～19分别为活性炭、陶粒、沸石、麦饭石的去除率E随运行时间T的变化情况。从下表中可更明了地看出各种介质具有大致相同的去除效果。
进水含酚总量去除总量去除百分比活性炭676.2克276.0克40.8%陶粒670.4克261.7克39.0%沸石679.9克300.0克44.1%麦饭石668.9克261.4克39.1%实施例4实验装置如图6所示。原水3分别与空气4同向和逆向地通过惰性介质床层6，处理后的水7分别从装置上部和下部流出。原水为北京燕山区东沙河水经混凝沉淀处理后的出水，该河流量的大部来自燕山石化总公司排放的生活污水和生产废水(冷却水和冲洗水等)。所用惰性介质为陶粒，粒径2～4毫米，床层高度2米，气水体积比1∶1，上向流和下向流的停留时间分别为10分和40分。54天的实验运行的结果如下表
上向流下向流进水COD平均值(mg/l)57.357.3出水COD平均值(mg/l)37.638.2去除率(%)34.433.3进水浓度平均值(度)10.110.1出水浓度平均值(度)6.26.1去除率(%)38.639.权利要求
1.一种水处理方法(1)以颗粒物为载体，利用其上生长的微生物去除水中有机污染物；(2)微生物活动所需溶解氧的供给方式是向进入颗粒物床层前的水中投加含氧和/或臭氧的气体，或从颗粒物床层底部鼓入含氧气体，或两者并用；(3)每隔一段时间对颗粒床层反冲洗；(4)用于如给水处理、污水回用处理和污水高级处理等，去除水中低浓度有机物的场合；其特征在于所说的颗粒物为惰性材料制成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于微生物所需的溶解氧部分或全部由从颗粒物床层底部鼓入的空气供给。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于水流自下向上通过颗粒物床层。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于主要技术参数在如下范围内取值床层高度 2～3米水流速度 3～12米/时水力停留时间 10～60分气水体积比 1∶1～3∶1惰性介质粒径 1.5～4毫米
全文摘要
本发明属于水处理领域。本发明采用粒状惰性介质，如陶粒、沸石等，代替活性炭作为微生物载体，去除水中低浓度可生物降解的有机物，与生物活性炭法相比，降低了处理设施的基建投资和运行费用而保持大致相同的处理效果。本发明适用于水源受到污染的给水处理系统和出水水质要求高的，如排放标准严格或出水需要回用的污水处理系统。
文档编号C02F3/26GK1035275SQ8810059
公开日1989年9月6日 申请日期1988年2月27日 优先权日1988年2月27日
发明者王占生, 张晓健 申请人:清华大学