摘要
我国西北干旱半干旱地区水资源极为匮乏，受限于地区经济水平欠发达、供水条件薄弱等因素，集雨窖水在部分缺水村镇地区多为不可替代的唯一饮用水水源。雨水在汇集和储存过程中常受到外界环境污染，致使水质存在不同程度的超标，威胁着当地居民的用水安全。为改善西北地区微污染窖水用水水质，本文提出了微电絮凝生物过滤组合工艺，利用自制旋转阳极电絮凝装置对窖水进行预处理，目的是去除窖水中部分悬浮物、部分有机污染物以及总磷，降低出水中污染物负荷；将生物滤池作为二级处理单元，主要作用是去除水中悬浮物与氨氮，并进一步降低水中其他污染物浓度。在对电絮凝单元和生物过滤单元参数优化的基础上，通过分析实验前后极板表面形貌及元素，结合组合工艺稳定运行阶段进出水三维荧光分析，对微电絮凝生物过滤组合工艺处理微污染窖水的机理进行了初步探究。得到的主要研究结果如下： （1）旋转阳极电絮凝运行参数优化。以铝板为阳极，钛板为阴极，采用自制旋转阳极电絮凝装置处理模拟窖水，通过对极板间距、电流密度、阳极旋转速度与电解时间进行单因素实验，发现电絮凝在阳极旋转条件下可提高离子结合机会，生成更多金属络合物，并通过强化气浮等作用提高污染物去除效果；得到了旋转阳极电絮凝预处理窖水的最佳运行工况，在极板间距为10mm，电流密度为2.68mA/cm2，阳极旋转速度为150rpm的条件下电解40min后，反应器对浊度、UV254、CODMn、NH3-N和TP的平均去除率分别为95%、71.88%、44.73%、35.96%和92.67%。 （2）电絮凝过程对极板的影响研究。利用SEM、EDS技术对比分析了实验前后阳极表面的形貌与元素，发现铝板在电絮凝过程中出现“点蚀”现象是因为其表面电解速率不均匀，水中存在的Cl-通过与表面覆盖Al(OH)3反应生成了溶解性的Al(OH)2Cl2-，进一步加深了铝板的点蚀程度；阴极板的SEM与EDS图反映出水中钙、镁离子会在钛板表面生成沉积物，降低反应效率，故需及时对其进行清理。 （3）生物过滤的挂膜启动。生物过滤以沸石作为挂膜载体，可发现启动期间以去除有机物为主的异养菌的生长周期相较于以去除氨氮为主的自养菌更短，因此应以NH3-N的去除率稳定作为生物膜成功负载的依据。经过22天的自然挂膜后，CODMn和NH3-N的平均去除率分别29.12%和77.07%，且此时沸石表面存在较多微生物，可判定挂膜启动成功。 （4）生物过滤参数优化。通过研究生物过滤的处理效果与水力负荷、滤层高度的关系，结果表明：水力负荷通过影响污染物与生物膜的接触时间进而影响污染物的去除效果，当滤池水力负荷为0.9m3/(m2·h)时，对各个污染物的去除率最高；污染物在滤池中不同高度的去除效果则与不同种类的微生物分布有关，滤池对浊度、CODMn、UV254和TP的去除主要发生在进水端，而对NH3-N的快速去除则出现在滤池的中段，本实验75cm的滤层高度能够满足出水的要求。 （5）微电絮凝生物过滤工艺进出水分析。采用区域积分法对进出水三维荧光图进行分析，发现原水以难生物利用的腐殖类有机物为主，其荧光强度比例高达64.42%；经组合工艺处理后荧光强度有了明显的降低，去除率为31.08%，其中电絮凝单元对腐殖类有机物去除效果较好，生物过滤单元对类蛋白物质的去除效果较好，二者相互补充层层递进，使出水水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求。 （6）微电絮凝生物过滤工艺降解污染物的机理探究。模拟窖水中浊度与CODMn主要依赖于电絮凝生成絮体的吸附絮凝作用与生物过滤中的填料截留、生物代谢作用去除；氨氮的去除以生物滤池单元的硝化作用为主，电絮凝单元的析氯作用为辅；UV254通过电絮凝单元形成的絮体的吸附絮凝作用与Cl-的间接氧化作用共同去除；TP则依赖于与溶出的Al3+生成难溶物，并通过滤池截留去除。
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