第一章 绪 论
1.1 课题的研究背景
近年来工农业的飞速发展，工业废水不达标排放以及农药化肥的大量使用，使得我国的地表水资源污染越来越严重，水中的污染物质逐渐增多，所含污染成分越来越复杂[1]。为保障人民饮用水安全，应对水质变化造成的饮用水安全隐患及水质安全检测要求等问题，我国于 2006 年 12 月 29 日发布了新的《生活饮用水卫生标准》，其中水质指标由 GB5749-1985 的 35 项，增加至 106 项，增加了 71 项，修订了 8 项[2]。微污染水源水[3]是指水体中有机物污染物、氨氮及臭和味等某些水质指标超出GB3838-2002《地表水环境质量标准》的Ⅲ类水水质检测标准[4-5]。根据我国环境保护部公布的 2015 年《中国环境状况公报》[6]显示，全国 967 个地表水国控断面（点位）中，Ⅰ类水质断面（点位）占 2.8%；Ⅱ类占 31.4%；Ⅲ类占 30.3%；Ⅳ类占 21.1%；Ⅴ类占5.6%；劣Ⅴ类占 8.8%。如图 1.1 所示 2015 年Ⅰ类水即源头水、国家自然保护区水源水质地表水环境质量标准[7]较 2014 年所占比例下降，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水质所占比例上升。我国的 530 个重要省界地表水截面中水质如图 1.2 所示，其中Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类、劣Ⅴ类水质断面所占比例分别为 66.0%、16.5%和 17.5%，其中化学需氧量、氨氮和总磷等指标污染较为严重。对于我国的主要大江大河以及片区流域的七百多个国控断面中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质断面分别占 2.7%、38.1%、31.3%、14.3%、4.7%、8.9%。根据图 1.3 中2014、2015 年全国河流国控断面水质状况显示，2015 年Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水水质所占比例略有下降，Ⅱ类水水质上升，其中主要水质污染指标为化学耗氧量（CODMn）、生物化学需氧量（BOD5）和总磷。我国重点河流水质状况见图 1.4，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等河流中Ⅳ～Ⅴ类、劣Ⅴ类水占有较大的比例，尤其海河的水质较差，劣Ⅴ类所占比例达到 39.1%。七条河流主要分布在我国的中东部，经济较为发达的地区，由于工农业、人口等较为密集，产生的工业废水、化肥农药污染、生活污水等数量较多，因此河流水质的污染情况较为严重；与此相反的浙闽片河流、西北河流、西南河流主要分布在我国的东南沿海、西北与西南内陆地区，由于污染源较少、环境质量较好，对其造成的影响较小，其水质质量较好，劣Ⅴ类水所占的比例逐年较小。因此我国水污染状况呈中东部严重、东南部沿海污染较轻的趋势。
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1.2 国内外去除微污染水中有机物藻类研究现状
工业的快速发展不仅给人民的生活带来了便利，同时也带来了一系列的问题。像洗涤剂、化肥、农药的发明提高了人们的生活质量，但是也污染了环境，危害了人民的身体健康。洗涤剂以及化肥的使用，使生活污水以及地表径流中的氮磷元素含量升高，藻类大量繁殖、频繁爆发，使饮用水水源的水质急剧下降。而大部分水厂仍然采用混凝、沉淀等常规工艺对水源水进行处理，对藻类和有机物的去除效率不高，消毒之后水中含有的消毒副产物种类和含量有所增加，影响饮用水的口感，更对人体健康产生严重的危害。目前国内外对水中有机物藻类的去除已有很多技术方法，其中主要分为物理法、化学法、生物法、组合工艺法。物理法是指不改变污染物质的分子结构，通过沉淀、截留等方法将污染物分离出来，一般来说膜过滤法、混凝沉淀法以及活性炭吸附法都属于去除有机物藻类的物理法。物理法既有优点，但也存在一定的问题。美国环境保护局(US EPA)为达到饮用水消毒、消毒副产物第一阶段的控制目标，将强化混凝剂作为控制水体天然有机物的最佳方法[14]。混凝剂常用的有三价铝盐和二价铁盐，除此之外还有聚合氯化铁（PFC）[15]、硫酸铝(AS)、和聚合硫酸铁（PFS）等。潘倩[16]在研究不同混凝剂及其投加量对浊度和藻类的去除效果试验中，比对了聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铝(PAC)、硫酸铝(AS)、聚合氯化铝铁(PFAC)等不同混凝剂单独使用以及混合联用的效果，表明对各藻类的去除率可达到 80%；孙又宁等[17]用三价铝盐对腐殖酸类物质进行絮凝与沉淀，研究表明对于各种腐殖酸类物质的絮凝效率均在 92%～99%。混凝沉淀法作为常规的处理方法，对水中有机物藻类有一定的去除效果，但要达到较好的去除效果，会消耗过多的药剂，势必会增加工艺运行成本。
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第二章 试验设计
2.1 试验内容
本次试验研究采用炭泥系统循环吸附降解技术进行中试及生产性试验研究，考察CSCAB 工艺对水厂原水有机物藻类的处理效果及该工艺的影响因素对其处理效果的影响。主要试验内容包括：1.定期监测原水水质，掌握水质变化规律。通过监测原水水质，分析水厂各运行工艺不同时期的运行状况，研究水质变化与各运行工艺的相关关系，考察水厂工艺对水中有机物藻类的去除效果，掌握水质变化规律，调节水厂各工艺运行工况。2.启动生物再生池，调试运行炭泥系统。根据试验方案启动炭泥生物再生池，并完成调试工作，调节炭泥生物再生系统，考察系统对水中有机物藻类的去除效果。3.考察炭泥系统的处理效果。分别采用不同试验方式，研究分析生物降解、炭泥吸附、炭泥强化混凝对水中有机污染物、氨氮、藻类、浊度等水质指标的去除效果，通过对比常规工艺，考察炭泥系统对有机物藻类的优势和特性。4.探究影响炭泥系统处理效果的因素。通过设计试验考察不同因素对炭泥系统处理效果的影响，为之后系统的调试与完善提供试验依据与理论指导。
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2.2 试验原水
本次试验用水为水厂提升泵站进水，源水取自城北水库，试验用水的各项水质指标及化验方法如表 2.1 所示。本次试验主要使用的实验仪器详细信息及图片如下：1. MY3000-6D 智能混凝试验搅拌仪：转速范围为 20～400 r/min，转速分为 6 档，可自动调节，生产商为潘江梅宇仪器有限公司，主要用于混凝搅拌试验。2. TU-1901 紫外可见分光度计：波长范围为 190 nm～900 nm，光度范围：-4.0～4.0Abs，生产厂商为北京普析通用仪器有限责任公司，用于测定氨氮、UV254等指标。3．藻类分析仪（bbe-moldaenke-AlgaeLabAnalyser）检出限为 2×105cell/ml，生产商为南京格维恩环境技术有限公司，用于各种藻类的分析。4. 5B-3(C) 型 COD 快速测定仪：COD 检测范围为 5～150mg/L，生产商为连华科技公司，用于测定 CODcr。5. HACH2100N 浊度仪：测量范围为 0～4000 NTU，生产商为美国 HACH 公司，用于测定浊度。6.AZ8403 掌上型溶氧计：溶解氧测试范围为 0~199.9%，温度测试范围是 0~50℃，生产商为衡欣科技股份有限公司，用于溶解氧及温度的测定。
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第三章 炭泥系统循环吸附降解技术（CSCAB）.......21
3.1 炭泥系统循环吸附降解技术（CSCAB）概述.......21
3.2 炭泥系统启动......24
3.2.1 前期准备阶段......24
3.2.2 生物培养.....24
3.3 炭泥系统调试与运行............26
3.4 本章小结.....29
第四章 炭泥系统循环吸附降解试验...........31
4.1 生物再生池处理效果............31
4.2 生物活化炭泥吸附试验研究.........34
4.3 生物活化炭泥混凝试验研究.........36
4.4 本章小结.....38
第五章 影响炭泥系统去除有机物藻类效果的因素.... 40
5.1 水温对处理效果的影响........40
5.2 原水有机物浓度对处理效果的影响......41
5.3 原水 pH 对处理效果的影响..........42
5.4 停留时间对处理效果的影响.........43
5.6 生物活化炭泥浓度对处理效果的影响...........44
5.7 本章小结.....45
第五章 影响炭泥系统去除有机物藻类效果的因素
对于炭泥系统循环吸附降解技术（CSCAB）来说，其核心部分为生物再生池与生物活化炭泥，因此系统的主要影响因素即是生物再生池与活化炭泥的影响因素。王冠平等[43]人研究了挂膜方式、温度、填料、源水水质、气水比等对生物滤池挂膜的影响。本文从水温、水质变化、停留时间等因素考察其对炭泥生物再生系统处理效果的影响。试验考察了温度、有机物浓度、pH、停留时间、活化炭泥浓度（回流体积比 3%）等因素对炭泥系统的影响，通过研究系统的影响因素，深入了解其运行工况、运行参数，不断对系统进行调节与改进，使其达到最佳的处理效果，充分发挥系统的优越性。
5.1 水温对处理效果的影响
试验采用 CSCAB 工艺进行生产性试验，试验时间一月至八月，试验原水为水厂进水，试验检测了从低温到高温的原水水质指标、系统出水水质指标。图 5.1 为水温对炭泥系统去除水中各指标去除率的影响，可以看出温度的变化与各指标变化呈正相关关系。说明随着水温的不断升高，微生物的活性不断增强，生物量增多，使得生物活化炭泥的活性增强，吸附性能及强化混凝效果提升，使得各指标的去除率不断升高。温度达到 28.4℃时 CODcr、氨氮、UV254的去除率达到最大值，到 29.7℃后 CODcr去除率有所下降，表明水温为 28~29℃时对有机物的去除效果达到最佳；而藻类的去除率随着温度的升高一直上升，说明水温越高越有利于提高藻类的去除率；氨氮、UV254的变化趋势较小，说明温度对其去除率的影响比其他指标小。各指标的去除率变化表明，温度的升高对水中有机物的去除有利，微生物生命活动加强，生物数量增加，对有机物的降解速率加快。对于北方水厂来说，水温较南方水厂低，冬季水温会降至 3~10℃，对炭泥系统处理效果产生一定的影响。在水厂冬季进行的生产性试验研究表明，通过对回流系统进行适当升温，可使得生物再生池水温维持在 10℃左右，对原水各指标的去除效果达到 30%，大大提高了系统冬季的处理效果。由于炭泥生物再生系统为外循环，可适当提高回流系统的水温，来提升系统温度，保证生物再生池中微生物的正常生命活动。该方法耗能较小，有利于 CSCAB 工艺在冬季的正常运行。
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结论
本文主要研究了新型炭泥系统循环吸附降解技术（CSCAB）对有机物藻类的去除效果及其特性，以高密市孚日自来水厂为试验基地，分别考察了炭泥系统对有机物藻类的去除效果及影响炭泥系统处理效果的因素，得到以下试验结论：
1. CSCAB 技术具有生物法与物理化学法的双重特点，充分利用生物法降解去除水中的小分子有机物，物理吸附法和强化混凝去除水中部分有机物、藻类和胶体物质。炭泥系统中有机物浓度远高于原水，使得生物池启动较快，约为 25 天。生物活化炭泥最佳投加体积比为 3%。生物再生池对 CODcr、UV254、氨氮和藻类的降解量为 39.08mg/L、0.109cm-1、0.121mg/L、33284cell/ml。
2. 生物再生池处理效果试验研究表明：炭泥生物再生系统充分利用了炭泥富集的营养物质浓度较高、生物量大、微生物生长繁殖快等特点，提高了有机物藻类的生物处理效果。生物再生池对排泥水的 CODcr、氨氮与 UV254的去除率分别达到 53.09%、33.74%、28.66%；对绿藻、蓝藻、硅藻、隐藻的去除率分别为 32.19%、51.89%、50.94%、38.89%。
3. 生物活化炭泥吸附混凝试验研究表明：经生物再生池活化后的炭泥具有良好的吸附和强化混凝性能，并能形成循环吸附降解的性能，节省了活性炭的用量，絮凝剂用量为 12.5mg/L，降低了水厂运行成本。炭泥吸附强化混凝对原水中 CODcr、UV254、氨氮、藻类细胞总数及浊度的总去除率分别为 53.99%、44.05%、58.63%、40.14%、56.11%，处理后水中的 CODcr、UV254、氨氮、藻类细胞总数及浊度分别为 6.83mg/L、0.10 cm-1、0.13mg/L、10331cell/ml、1.58NTU。
4.水温对处理效果的影响试验研究表明：水温变化对系统的处理效果影响较大，随着温度的升高，各指标的去除率也随之增加，当温度达到 28.4℃时，CODcr、氨氮、UV254的去除率达到最大值。针对北方水厂而言，冬季水温较低，微生物活性降低，影响系统对有机物藻类的去除效果。冬季时可对回流系统适当加温，以提高系统冬季处理效果，而只对回流系统加温的方法，使得其能耗较低。
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参考文献（略）