凹土基生物滤料的制备及应用研究
目 录
1 绪论 1
1.1 我国水污染现现状 1
1.2 微污染水曝气生物滤池技术研究现状 2
1.3 生物滤料的研究现状 4
1.4 研究内容与研究思路 5
2 实验 6
2.1 实验仪器及药品 6
2.2 实验方法 7
3 实验结果与讨论 11
3.1 表面阳离子改性条件确定 11
3.2 材料的表征 16
3.3 挂膜性能 18
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 我国水资源污染现状
我国常年水资源总量为2.8l万亿m3，位居世界第6，但由于我国人口基数大，人均水资源占有量不足2150m3，是联合国认定的全世界“水资源最为紧缺"的13个国家之一。另外，根据我国环境部门统计，我国82%的河流受到不同程度的污染；在我国七大水系中，不适合做饮用水源的河段已接近40%；城市水域中78%的河段不适合作饮用水源；约50%的城市地下水受到污染[]。
世界卫生组织(WHO)调查结果表明，在发展中国家，80％的疾病和l/3的死亡率与水污染有关。与此同时，水源污染还加剧了水资源的危机[]。
至今为止，应用色谱一质谱(GC-MS)分析技术能测到原水中有2221种有机物。美国环保局(USEPA)研究报告表明，美国供水系统中发现有机物2110种，饮用水中含756种，其中190种显然是对人体有害的，20种为确认的致癌物，23种为可疑致癌物，18种为促癌物，56种为致突变物。水中有机物浓度升高，会对胶体产生保护作用，影响絮凝效果，增加混凝剂的投加量[]。我国一些城市和地区所作的研究分析也表明 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
，水源水和自来水中的有机物种类数量相当大，污染问题相当突出。这些有机物中绝大部分对人体有急性或慢性、直接或间接的致毒作用，有的还能积累在人体组织内部，改变细胞的DNA结构，对人体组织产生致癌变、致畸变和致突变的作用[]。流行病学调查表明，某些癌症的发病率与饮用水的质量存在着相关性，一般认为饮用水中致癌的危险性可能是来自多种物质的协同相加作用或抑制效应。在我国上海、北京、武汉、哈尔滨、新疆塔什库尔等地均发现饮用水致突变阳性反应[]。
我国政府对饮用水卫生安全十分重视，组织有关部门研究制订有关生活饮用水水质卫生标准，并根据我国国情多次发布与修订，逐步发展与完善。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）由卫生部、国家标准化管理委员会于2006年12月29日颁布，2007年7月1日实施。标准对于水源水质、集中式供水单位、二次供水单位、涉水产品提出卫生要求，对水质检测及水质检验方法作出规定。同时颁布的GB/T5750-2006《生活饮用水标准检验方法》提出142项检验指标，300个检验方法。
新标准的出台，标志着我国的饮用水卫生和安全有了新的目标，是我国供水行业的技术和管理在当前严峻的水源污染形势下(尤其是有机物、氨氮和藻类污染)，又面临新的挑战。新标准出台后势必推动供水企业采用先进的工艺、技术、材料和设备，提高我国供水行业的技术水平，加速净水技术成果的转化，提高饮用水的安全可靠性，以保证现阶段供水质量符合新标准的要求。
1.2 微污染水曝气生物滤池技术研究现状
水源地水质修复是一个漫长的过程，通常要经过几十年，甚至上百年的时间。因此，在大力控制水源污染、进行水源地的生态修复的同时，优化和强化常规处理工艺是当前保障饮用水安全的主要途径。在针对微量有害污染物的深度处理工艺中，曝气生物滤池是一种被广泛关注的应用技术。
1.2.1 曝气生物滤池
曝气生物滤池(BAF,Biologieal Aerated Filter)是普通生物滤池的一种变形形式,是将生物接触氧化法与给水过滤相结合的一种好氧生物膜法废水处理工艺,集曝气、物理截留、吸附与过滤、生物絮凝与氧化分解、定期反冲洗等特点于一体,在一定程度上克服了普通生物滤池供氧不匀和不足、容易堵塞等缺点。曝气生物滤池工作原理为,在滤池中装填一定高度粒径较小的滤料,微生物附着生长在滤料表面上形成生物膜,在滤池内部进行曝气以保证微生物的正常耗氧需要,污水在垂直方向上流经填料层时,利用填料高比表面积的特点以及生物膜的生物絮凝作用对污染物进行吸附与过滤,进而利用附着在填料上的高浓度生物膜的氧化降解作用对污水进行快速净化。随着曝气生物滤池的运行,填料表面新产生的生物量越来越多,截留的SS不断增加,当固体物质积累达到一定程度时,堵塞滤层表面,阻止气泡的释放,导致水头损失达到极限,此时需对滤池进行反冲洗,以释放截留的悬浮物并更新生物膜。
1.2.2 曝气生物滤池中滤料的作用
填料是曝气生物滤池的核心组成部分,对曝气生物滤池的运行效果、结构形式及投资运行成本都有直接的影响。在曝气生物滤池中,填料的作用主要有以下几个方面:
(1) 作为微生物附着生长的载体。由于介质填料的加入使得微生物生存环境由传统废水生物处理中气、液两相转变为气、液、固三相,这种转变影响着微生物的生长、繁殖、脱落和种群分布,为微生物创造了更为丰富的存在形式。从量的角度看,系统内的微生物种类和数量都大大增加；从质的角度看,系统内填料的加入为世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌繁衍、增殖提供重要条件,从而增强系统的脱氮能力[]。
(2) 填料起到吸附、截留污水中悬浮物的作用。在曝气生物滤池中装填一定高度高比表面积的滤料,对悬浮固体具有强吸附与过滤能力。
(3) 填料起到切割、阻挡气泡的作用,可以增加气泡的停留时间和气/液接触表面积,加快氧的转移速率,提高传质效果,从而减少曝气量,节约能耗。
1.2.3 生物滤料的要求
对于载体填料的一般要求是:有一定的生物膜附着力、比表面积大、空隙率大、水流阻力小、强度大、化学和生物稳定性好，经久耐用、截留悬浮物能力强、不溶出有害物质、不引起二次污染、与水的比重相差不大，以免过分地增大氧化池荷重、货源充足、价格便宜、运输和施工安装方便。对载体填料的这些要求大致可分为以下几点。
(1) 表面粗糙度
生物膜的形成和生长过程表明，载体材料的表面越粗糙，则越有利于微生物在其表面的附着固定，粗糙度大，挂膜快；粗糙度小，挂膜慢[]。
(2) 表面带电性及亲疏水性
根据物理化学中体系自由能最小原则，亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着、固定、而疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的固定。微生物在一定的pH条件下，一般带有负电荷，载体表面带有正电性有利于生物膜的形成，且载体表面的正电荷愈高，细菌越易附着于填料上，生物膜生长就愈快[]。
(3) 填料的孔隙率和比表面积
哈里穆斯的试验结果表明，比表面积是影响处理效能的首要因素。载体填料的比表面大，不仅对溶解性基质，而且对悬浮质的去除效果良好。但是，比表面积大的填料带来的问题是使流经填料间的水流阻力增大，能量消耗随之增加，同时易于堵塞填料。
(4) 经济因素
影响填料成本的主要因素是材质、填料厚度、加工过程等。不言而喻，材质价格低廉，厚度小，加工简单，则成本低。当然，经济条件必须要同填料的生物膜附着性和水力学特性结合起来全面考虑。
1 绪论 1
1.1 我国水污染现现状 1
1.2 微污染水曝气生物滤池技术研究现状 2
1.3 生物滤料的研究现状 4
1.4 研究内容与研究思路 5
2 实验 6
2.1 实验仪器及药品 6
2.2 实验方法 7
3 实验结果与讨论 11
3.1 表面阳离子改性条件确定 11
3.2 材料的表征 16
3.3 挂膜性能 18
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 我国水资源污染现状
我国常年水资源总量为2.8l万亿m3，位居世界第6，但由于我国人口基数大，人均水资源占有量不足2150m3，是联合国认定的全世界“水资源最为紧缺"的13个国家之一。另外，根据我国环境部门统计，我国82%的河流受到不同程度的污染；在我国七大水系中，不适合做饮用水源的河段已接近40%；城市水域中78%的河段不适合作饮用水源；约50%的城市地下水受到污染[]。
世界卫生组织(WHO)调查结果表明，在发展中国家，80％的疾病和l/3的死亡率与水污染有关。与此同时，水源污染还加剧了水资源的危机[]。
至今为止，应用色谱一质谱(GC-MS)分析技术能测到原水中有2221种有机物。美国环保局(USEPA)研究报告表明，美国供水系统中发现有机物2110种，饮用水中含756种，其中190种显然是对人体有害的，20种为确认的致癌物，23种为可疑致癌物，18种为促癌物，56种为致突变物。水中有机物浓度升高，会对胶体产生保护作用，影响絮凝效果，增加混凝剂的投加量[]。我国一些城市和地区所作的研究分析也表明 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
，水源水和自来水中的有机物种类数量相当大，污染问题相当突出。这些有机物中绝大部分对人体有急性或慢性、直接或间接的致毒作用，有的还能积累在人体组织内部，改变细胞的DNA结构，对人体组织产生致癌变、致畸变和致突变的作用[]。流行病学调查表明，某些癌症的发病率与饮用水的质量存在着相关性，一般认为饮用水中致癌的危险性可能是来自多种物质的协同相加作用或抑制效应。在我国上海、北京、武汉、哈尔滨、新疆塔什库尔等地均发现饮用水致突变阳性反应[]。
我国政府对饮用水卫生安全十分重视，组织有关部门研究制订有关生活饮用水水质卫生标准，并根据我国国情多次发布与修订，逐步发展与完善。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）由卫生部、国家标准化管理委员会于2006年12月29日颁布，2007年7月1日实施。标准对于水源水质、集中式供水单位、二次供水单位、涉水产品提出卫生要求，对水质检测及水质检验方法作出规定。同时颁布的GB/T5750-2006《生活饮用水标准检验方法》提出142项检验指标，300个检验方法。
新标准的出台，标志着我国的饮用水卫生和安全有了新的目标，是我国供水行业的技术和管理在当前严峻的水源污染形势下(尤其是有机物、氨氮和藻类污染)，又面临新的挑战。新标准出台后势必推动供水企业采用先进的工艺、技术、材料和设备，提高我国供水行业的技术水平，加速净水技术成果的转化，提高饮用水的安全可靠性，以保证现阶段供水质量符合新标准的要求。
1.2 微污染水曝气生物滤池技术研究现状
水源地水质修复是一个漫长的过程，通常要经过几十年，甚至上百年的时间。因此，在大力控制水源污染、进行水源地的生态修复的同时，优化和强化常规处理工艺是当前保障饮用水安全的主要途径。在针对微量有害污染物的深度处理工艺中，曝气生物滤池是一种被广泛关注的应用技术。
1.2.1 曝气生物滤池
曝气生物滤池(BAF,Biologieal Aerated Filter)是普通生物滤池的一种变形形式,是将生物接触氧化法与给水过滤相结合的一种好氧生物膜法废水处理工艺,集曝气、物理截留、吸附与过滤、生物絮凝与氧化分解、定期反冲洗等特点于一体,在一定程度上克服了普通生物滤池供氧不匀和不足、容易堵塞等缺点。曝气生物滤池工作原理为,在滤池中装填一定高度粒径较小的滤料,微生物附着生长在滤料表面上形成生物膜,在滤池内部进行曝气以保证微生物的正常耗氧需要,污水在垂直方向上流经填料层时,利用填料高比表面积的特点以及生物膜的生物絮凝作用对污染物进行吸附与过滤,进而利用附着在填料上的高浓度生物膜的氧化降解作用对污水进行快速净化。随着曝气生物滤池的运行,填料表面新产生的生物量越来越多,截留的SS不断增加,当固体物质积累达到一定程度时,堵塞滤层表面,阻止气泡的释放,导致水头损失达到极限,此时需对滤池进行反冲洗,以释放截留的悬浮物并更新生物膜。
1.2.2 曝气生物滤池中滤料的作用
填料是曝气生物滤池的核心组成部分,对曝气生物滤池的运行效果、结构形式及投资运行成本都有直接的影响。在曝气生物滤池中,填料的作用主要有以下几个方面:
(1) 作为微生物附着生长的载体。由于介质填料的加入使得微生物生存环境由传统废水生物处理中气、液两相转变为气、液、固三相,这种转变影响着微生物的生长、繁殖、脱落和种群分布,为微生物创造了更为丰富的存在形式。从量的角度看,系统内的微生物种类和数量都大大增加；从质的角度看,系统内填料的加入为世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌繁衍、增殖提供重要条件,从而增强系统的脱氮能力[]。
(2) 填料起到吸附、截留污水中悬浮物的作用。在曝气生物滤池中装填一定高度高比表面积的滤料,对悬浮固体具有强吸附与过滤能力。
(3) 填料起到切割、阻挡气泡的作用,可以增加气泡的停留时间和气/液接触表面积,加快氧的转移速率,提高传质效果,从而减少曝气量,节约能耗。
1.2.3 生物滤料的要求
对于载体填料的一般要求是:有一定的生物膜附着力、比表面积大、空隙率大、水流阻力小、强度大、化学和生物稳定性好，经久耐用、截留悬浮物能力强、不溶出有害物质、不引起二次污染、与水的比重相差不大，以免过分地增大氧化池荷重、货源充足、价格便宜、运输和施工安装方便。对载体填料的这些要求大致可分为以下几点。
(1) 表面粗糙度
生物膜的形成和生长过程表明，载体材料的表面越粗糙，则越有利于微生物在其表面的附着固定，粗糙度大，挂膜快；粗糙度小，挂膜慢[]。
(2) 表面带电性及亲疏水性
根据物理化学中体系自由能最小原则，亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着、固定、而疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的固定。微生物在一定的pH条件下，一般带有负电荷，载体表面带有正电性有利于生物膜的形成，且载体表面的正电荷愈高，细菌越易附着于填料上，生物膜生长就愈快[]。
(3) 填料的孔隙率和比表面积
哈里穆斯的试验结果表明，比表面积是影响处理效能的首要因素。载体填料的比表面大，不仅对溶解性基质，而且对悬浮质的去除效果良好。但是，比表面积大的填料带来的问题是使流经填料间的水流阻力增大，能量消耗随之增加，同时易于堵塞填料。
(4) 经济因素
影响填料成本的主要因素是材质、填料厚度、加工过程等。不言而喻，材质价格低廉，厚度小，加工简单，则成本低。当然，经济条件必须要同填料的生物膜附着性和水力学特性结合起来全面考虑。
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