CN1513777A

CN1513777A - 高锰酸盐预氧化与生物活性炭联用除污染工艺

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Publication number: CN1513777A
Application number: CNA031078141A
Authority: CN
Inventors: 军马; 马军
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: CN1257117C

Abstract

一种处理受污染饮用水源水新工艺，也可作为污水深度处理方法，用于污水的回用。其特征是高锰酸盐预氧化与生物活性炭的有机组合。利用高锰酸盐或高锰酸盐复合药剂对受污染原水进行预氧化处理，降低一部分有机物负荷，并改变有机物的分子量分布，提高有机物的可生化性，使之易于被活性炭吸附，易于被生物活性炭上的微生物降解，同时提高微生物的活性，从而显著地提高对有机物、氨氮与亚硝酸盐等污染物的综合去除效率。生物活性炭为细颗粒活性炭，活性炭表面经过了一定的改性处理，使之易于吸附水中的细菌和微生物。生物活性炭的使用可以有多种方式，可用生物接触氧化、生物过滤、曝气生物滤池等多种方式实现。

Description

高锰酸盐预氧化与生物活性炭联用除污染工艺

本发明涉及一种受污染饮用水源水处理方法。本发明也可作为污水深度处理方法，用于污水的回用。

受污水排放的影响，饮用水源的水质不断恶化，水中除了含有天然有机与无机成分外，还含有多种污染物。其中，有机污染物是最难去除的成分，对人体健康危害很大，对水质构成严重影响。此外，水中氨氮等成分在一定条件下会转化成亚硝酸盐，影响饮用水水质，也是主要污染成分。

前人针对于饮用水中有机污染物的去除发展了一系列方法，主要可分为吸附法、氧化法、膜法、生物法等几大类方法。

活性炭吸附是一种较早地被应用于生产的除微污染技术，其原理是利用活性炭巨大的比表面积吸附水中的有机污染物。活性炭可分为粒状炭与粉状炭两种形式。粒状活性炭的使用是通过活性炭滤床实现，将其置于砂滤后或者取代现有的砂滤床。受污染的水经过活性炭滤床后，有机污染物被截留在活性炭滤床中。但由于水源污染较重，活性炭使用不久便饱和、失效，水体污染严重时活性炭只能运行几周时间。活性炭的吸附性能可以通过再生得到恢复，但更换活性炭频繁、再生费用很高。粉末活性炭在应用中基建与设备投资较低，使用灵活方便。但活性炭难以回收，使用过程中运行费用较高，仅在污染严重时期使用。近些年来，人们将粉末活性炭预涂到某些载体上，提高了粉末活性炭利用率，也提高了有机污染物的去除效率。

活性炭在运行过程中可逐渐地形成生物活性炭，微生物不断对吸附在活性炭表面的有机污染物进行生物降解，从而可以有效地延长活性炭的使用周期。

氧化工艺一般除污染效果好、适应面广，应用得相对较多。氧化除污染方法是利用强氧化剂分解水中的有机污染物，目前能够用于给水处理的氧化剂主要有氯、二氧化氯、高锰酸钾、过氧化氢和臭氧，它们在标准状态下的氧化还原电位分别为1.36V、1.50V、1.69V、1.77V和2.07V。显然，臭氧在可用于给水处理的几种氧化剂中具有最高的氧化还原电位(氧化电位E°＝+2.07V)，因而具有最强的氧化性，对水质的适应能力强，目前已被发达国家较多地应用于给水处理中。臭氧能使水中多种有机污染物氧化破坏，但即使氧化能力很强的臭氧也仅仅能使水中含有不饱和键或者芳香类的有机污染物氧化分解，相当多的稳定性有机污染物(如农药、卤代有机物和硝基化合物等)难以被氧化分解。由于投资很大、运行费用很高。过氧化氢除污染能力很低，但与二价铁联用在酸性条件下有较强的氧化能力，由于在给水处理中难以进行pH调整，因而过氧化氢一直没有用于饮用水除微污染中。二氧化氯具有很强的消毒能力，但与有机物氧化时被还原成亚氯酸根，后者对红血球有破坏作用。氯对有机物具有一定的氧化作用，长期以来被用做给水处理的预氧化剂，但由于氯与原水中多种有机污染物作用，生成一系列对人体危害较大的卤代有机物，因而预氯化逐渐地受到各国的限制。

膜技术是近些年来发展起来的给水处理工艺。膜在除污染中的作用是通过膜的很小孔径将水中有机物分子截留到膜的一侧，从而由水相中去除。具有除污染作用的膜主要有纳滤膜和反渗透膜。膜处理技术设备投资很大，膜更换费用较高，一般只用于很小规模的净水设施，难以应用于大规模水厂。此外，膜过滤在去除水中有害成分(微污染物)的同时，还将水中无机离子去除，长期饮用高纯水不利于身体健康。

生物处理技术是在常规给水处理工艺流程之前或在处理过程中，利用微生物对水中有机污染物进行代谢分解，使之无机化。对于某些原水水质，如含可生化性强的有机物水，在温度较高地区生物处理能够明显地去除水中有机物和氨氮。

活性炭上负载微生物能够降解水中一部分可以被生物同化的有机物，也可以去除水中的氨氮，因此，活性炭在运行一段时期后在活性炭表面形成一层生物活性炭，从而延长活性炭的使用周期，微生物起到再生活性炭的作用。但是，受污染水中的有机物只有一部分易于被微生物降解，还有相当一部分难于被生物降解和不能被微生物降解，因而用生物活性炭只能去除可生物同化的有机物，而且由于生物活性炭中有机物碳源不足，制约微生物的生长，使生物活性炭对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率降低，有时造成亚硝酸盐积累，影响出水水质。

臭氧氧化与生物活性炭联用在国外得到了较快的发展，臭氧预氧化改变了水中有机物的分子量分布，使之有利于被活性炭吸附，并在生物作用下进一步降解。臭氧与生物活性炭联用技术作为一种成熟工艺已经在发达国家得到推广应用。但由于其基建与设备投资巨大，很难在发展中国家推广应用。

现有的除污染方法或者除污染效率不高(如粉末活性炭吸附)或者运行周期短、再生频繁(如粒状活性炭吸附)或者投资很大、运行费用很高(如臭氧-活性炭联用)，因而在大型水厂中一直难以推广使用。

本发明涉及到一种低成本处理受污染饮用水源水的新工艺，其主要特点是利用高锰酸盐或高锰酸盐复合药剂对受污染原水进行预氧化处理，改变水中有机物的分子量分布，使之易于被活性炭吸附，并与生物活性炭联用，利用微生物强化降解水中的微量有机污染物和氨氮。

该工艺与现行的臭氧氧化与活性炭联用工艺相比，不需要大的基建与设备投资，特别是高锰酸盐及其复合氧化剂不需要现场制备，能够节省大量的基建与设备投资，便于水厂采用，易于运行管理，使用灵活方便。可以根据水质变化情况随时调整药剂的投加。

本发明是根据饮用水源污染引起的一系列水质问题而展开的。饮用水源的主要污染问题可以归结为：有机污染物、藻类及其代谢产物、嗅味、色度、铁锰(特别是与有机物络合的稳定性铁锰等)。本发明利用高锰酸盐及其复合药剂对受污染原水进行预氧化处理，强化去除水中的各种污染物，包括有机污染物、藻类、嗅味、色度、浊度、重金属等。高锰酸盐及其复合氧化剂在除污染的同时可调整水中有机物分子量分布，使之更易于被活性炭吸附，从而使有机物的综合去除效率提高。此外，本发明利用高锰酸盐及其复合氧化剂对受污染水进行预处理可提高水中有机物的可生化性，提高后续生物处理工艺的生物活性，从而提高对水中氨氮和有机物的综合去除效率。

在本发明中，高锰酸盐及其氧化剂是投加到混凝工艺前端，可以配置成一定溶液湿法投加，也可利用特制的干投设备直接投加。根据水质污染情况，高锰酸盐的投加量控制在0.2-5mg/L。高锰酸盐及其复合药剂投加到水中后，利用混凝过程强化去除水中的各种污染物，剩余的溶解性有机物被后续的吸附剂与生物活性炭上的生物膜吸收，在生物作用下从水中去除。高猛酸盐及其复合药剂在氧化过程中产生的二氧化锰有利于絮体的形成，可提高混凝效果，所产生的二氧化锰均可被常规给水处理工艺的混凝、沉淀、过滤去除。高锰酸盐及其复合药剂预氧化还具有很强的除铁、除锰作用，地表水中的稳定性铁锰一般与有机物络合，难以被氧化剂氧化，因而很难从水中去除。高锰酸盐及其复合药剂预氧化能够破坏有机物与水中稳定性铁锰的络合，从而强化去除水中铁锰。生产应用结果表明，经过高锰酸盐预氧化处理过的水，出厂水的铁锰浓度显著降低。

在本发明中，利用高锰酸盐复合药剂改善水中有机物的可生化性，使之有利于被后续的生物活性炭吸附，为生物活性炭提供可被生物利用的碳源，这样不但可以提高对有机污染物的去除效率，而且可以将提高生物活性炭的活性，促进生物活性炭上的微生物生长，从而提高对有机物和氨氮的综合去除率。

在本发明中，经过高锰酸盐预氧化处理后的水经过混凝、沉淀、过滤后需要一定的溶解氧，以利于生物活性炭上的生物代谢，水中溶解氧的需要量取决于水中有机物和氨氮的浓度，一般有机物浓度高、氨氮浓度大，则需要较高的溶解氧，但对于污染比较轻的原水，水中的饱和溶解氧就可以满足生物代谢要求。

在本发明中，生物活性炭是细颗粒活性炭，其粒度为10-80目之间，最好是10-60目，活性炭表面经过了一定的改性处理，使之易于吸附水中的细菌和微生物。微生物采用特殊的方法接种培养，生物膜驯化成熟后投入生产使用。

生物活性炭的使用可以有多种方式，可用生物接触氧化、生物过滤、曝气生物滤池等多种方式实现。将活性炭作为生物载体，以悬浮床方式在水中与有机物接触，将有机物富集并在一定的曝气条件下进行生化反应，从生物活性炭上脱附的生物量可以通过气浮或过滤的方式进一步分离。利用生物活性炭过滤的方式适合于处理污染比较轻的原水，在该情况下，水中有机物和氨氮的浓度很低(一般氨氮小于1-2mg/L)，则可以利用水中的溶解氧，在此种情况下，生物活性炭可以填装到普通滤池上部一定厚度(一般上部40-60CM厚)，或单独设置生物活性炭滤池，正常过滤时水流从上向下流，滤速为4-12m/h，反冲洗时采用气水反冲洗。

对于水源污染比较重的水，需要在处理工艺前端、中间或过滤阶段设置连续曝气式生物活性炭处理设施，以不断地提供生物活性炭代谢需要的溶解氧。对于新水厂建设，可以在沉淀后或滤后增加生物活性炭；对于现有水厂改造，可以将现有沉淀池进行部分改造，将平流沉淀池后部分改造成生物活性炭接触氧化池，并铺设曝气设施，有机物与氨氮在生物接触氧化池中得到强化降解，利用气浮将脱落的生物膜分离。也可以采用曝气生物滤池的方式进行生物活性炭运行，不断提供足够的溶解氧。

高锰酸盐预氧化与生物活性炭联用除污染工艺比臭氧预氧化大幅度降低基建与设备投资，可以显著地提高受污染水处理效率，适应不同污染程度水的净化处理，既适用于对现有水厂改造，也适用于新水厂建设，投资很小，使用灵活方便，易于运行管理。

高锰酸盐预氧化与生物活性炭联用除污染工艺也可以用于污水的深度净化处理，将高锰酸盐及其复合药剂预氧化有机结合起来，显著地提高对水中有机污染物和氨氮的去除效率，并与某些单元过程联用，达到回用目的。

实施例：某饮用水源受到较严重污染，主要污染物为有机物、氨氮、亚硝酸盐、色度和嗅味等。典型的原水水质如表1所示。采用高锰酸盐复合药剂预氧化与生物活性炭联用技术强化处理该受污染原水。高锰酸盐投加到混凝剂之前，经过混合一段时间后投加混凝剂(30mg/L聚合氯化铝)进行混凝、沉淀，然后进入生物活性炭滤池(生物活性炭滤床采用下向流方式运行，滤柱高4m，直径100mm，生物活性炭滤层厚度800mm，下部铺垫400mm的石英砂承托层，滤速为6-9m/h，以1∶1的气水比提供生物代谢所需要的溶解氧。生物滤床的过滤周期约为24h，采用气水反冲洗的方式进行生物滤床的反冲洗，气冲5min后水冲6min，反冲洗时滤床的膨胀率约为25-30％。

表1原水的主要水质特征

项目	NH₄ ⁺-N(mg/L)	NO^- ₂-N(mg/L)	COD_Mn(mg/L)	色度(度)	浊度(NTU)	嗅味(级)
项目	NH₄ ⁺-N(mg/L)	NO^- ₂-N(mg/L)	COD_Mn(mg/L)	色度(度)	浊度(NTU)	嗅味(级)	数值	0.5-1.5	0.1-0.2	5.0-7.0	25-45	1.0-10.0	V

观测结果表明，高锰酸盐复合剂预氧化能够强化去除水中一部分有机物，COD_Mn去除率比单纯聚合铝混凝提高5-10％，高锰酸盐预氧化对UV₂₅₄的降低幅度相对较大，与单纯聚合铝混凝相比下降20-30％，在高锰酸盐预氧化过程中部分有机物得到强化去除，水中剩余的有机物形态也发生了较大的改变，破坏了一部分有机物官能团，如某些不饱和键和一些发色团等。

运行结果表明，高锰酸盐复合药剂预氧化使生物活性炭对水中COD_Mn的去除率显著提高，生物滤床的滤速为6m/h时，COD_Mn平均去除率为49.2％，比无预氧化的对照组提高了11.6％；当生物滤床的流速为9m/h时，COD_Mn平均去除率为41.3％，比无预氧化的对照组提高了12.4％。当流速为6m/h时，UV₂₅₄平均去除率为47.3％，比无预氧化的对照组提高了12.2％；流速为9m/h时，UV₂₅₄平均去除率为32.3％，比无预氧化的对照组提高了11.5％。

可以看出，经高锰酸盐复合药剂预氧化后，氨氮去除率比未经高锰酸盐复合药剂预氧化的对照组提高了20％-40％，达60％左右；亚硝酸盐氮去除率提高了20％-30％，可达80％左右。经高锰酸盐复合剂预氧化后，整个处理工艺的硝化除氨氮能力得到显著提高。

Claims

1.一种受污染饮用水源水处理方法或一种污水深度处理与回用方法，其特征是高锰酸盐预氧化与生物活性炭的有机结合。利用高锰酸盐或高锰酸盐复合药剂对受污染原水进行预氧化处理，强化去除水中有机污染物、藻类、嗅味、色度、浊度、重金属等，降低一部分有机物负荷，并改变有机物的分子量分布，提高有机物的可生化性，使之易于被活性炭吸附，易于被生物活性炭上的微生物降解，同时提高微生物的活性，从而显著地提高对有机物、氨氮与亚硝酸盐等污染物的综合去除效率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是预氧化剂为高锰酸钾或含有高锰酸钾的复合药剂。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是高锰酸盐复合药剂由下列几种药剂有机组合而成，氯化铁、次氯酸钙、硫酸铝、聚合铝、聚合铁、活化硅酸、沸石、聚合硅铝、聚合硅铁、氧化镁、氧化钙、氢氧化钙、氯化钙、粉末活性炭、高锰酸钾、高铁酸钾、硫酸铁、硫酸亚铁、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺等。

4.根据权利要求1、2、3所述的方法，其特征是高锰酸盐或高锰酸盐复合药剂是投加到混凝工艺前端，可以配置成一定溶液湿法投加，也可利用特制的干投设备直接投加。根据水质污染情况，高锰酸盐的投加量控制在0.1-5mg/L，然后在混凝剂作用下强化混凝，形成的新生态水合二氧化锰起到强化絮凝作用，并通过混凝、沉淀、过滤从水中分离去除。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的方法，其特征是经过高锰酸盐预氧化处理后的水经过混凝、沉淀、过滤后需要一定的溶解氧，以利于生物活性炭上的生物代谢，水中溶解氧的需要量取决于水中有机物和氨氮的浓度，一般有机物浓度高、氨氮浓度大，则需要较高的溶解氧，根据水质污染程度可以采用一定方式向水中充氧。但对于污染比较轻的原水，水中的饱和溶液氧就可以满足生物代谢要求。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的方法，其特征是生物活性炭为细颗粒活性炭，其粒度为10-80目之间，最好在10-50目之间，活性炭表面经过了一定的改性处理，使之易于吸附水中的细菌和微生物。采用特殊的方法进行微生物接种培养，生物膜驯化成熟后投入生产使用。

7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的方法，其特征是生物活性炭的使用可以有多种方式，可用生物接触氧化、生物过滤、曝气生物滤池等多种方式实现。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7所述的方法，其特征是将活性炭作为生物载体，以悬浮床方式在水中与有机物接触，将有机物富集并在一定的曝气条件下进行生化反应，从生物活性炭上脱附的生物量可以通过气浮或过滤的方式进一步分离。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的方法，其特征是利用生物活性炭过滤的方式适合于污染比较轻的原水，当水中有机物和氨氮的浓度相对较低(一般氨氮小于1-2mg/L)，则可以利用水中的溶解氧，在此种情况下，生物活性炭可以填装到普通滤池上部一定厚度，或单独设置生物活性炭滤池，正常过滤时水流从上向下流，滤速为5-12m/h，反冲洗时采用气水反冲洗。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的方法，其特征是对于污染相对比较严重的水，需要在预氧化处理后，在处理工艺的前端、中间或过滤阶段设置连续曝气式生物活性炭接触氧化池，以不断地提供生物活性炭代谢需要的溶解氧，对于新水厂建设，可以在沉淀后或滤后增加生物活性炭；也可以针对现有水厂改造，将现有沉淀池进行部分改造，如将平流沉淀池后部分改造成生物活性炭接触氧化池，并铺设曝气设施，有机物与氨氮在生物接触氧化池中得到强化降解，利用气浮将脱落的生物膜分离。

11.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的方法，也可以采用曝气生物滤池的方式进行生物活性炭运行，不断提供足够的溶解氧、有机物和氨氮在曝气生物滤池中得到强化去除。