可生物同化有机碳在给水处理单元过程中的变化规律

摘要

可生物同化有机碳(Assimilable Organic Carbon，简称AOC)是可生物降解有机物中能被微生物转化成其自身菌体的部分。AOC可反映饮用水的生物稳定性，即水中可生物降解有机物支持异养菌生长的潜力。生物不稳定的饮用水将给管网和管网水质带来严重影响，因此关于给水处理过程中AOC变化规律的研究具有重要的现实意义。
　　本课题中AOC测定采用LeChevallier法，接种方式为荧光假单胞菌—P17菌株和螺旋菌—NOX菌株分别接种。绘制产率标准曲线，发现在高浓度(大于200μg·L-1乙酸碳)时得到的P17产率系数小于低浓度的产率系数，高低浓度的产率系数分别为7.5×106和1.4×107cfu·mL-1。NOX菌的产率曲线中高低浓度的产率系数保持一致，约为7.1×108cfu·mL-1左右。通过江水超滤膜过滤进行AOC不同分子量分布的测定，发现AOC主要以分子量小于1ku的有机物为主体，占AOC总量的43％。
　　松花江原水AOC较高，而且随季节变化波动较大。夏季最高可达2714μg·L-1；冬季最低为452μg·L-1。以松花江水为水源水的S水厂常规给水处理各单元过程中，混凝单元对AOC去除率最高，春季和冬季的去除率达到30%左右，夏季和秋季可达到60~80%；过滤单元对AOC的去除不稳定；加氯消毒后AOC增加20%左右。整个常规给水处理工艺中，以AOC-NOX为代表的羧酸类物质只占AOC的10%左右，经消毒后这一比例才略有上升。常规给水处理工艺抗AOC冲击负荷较低，出厂水AOC随原水变化而波动，最低达到400μg·L-1，属于生物不稳定饮用水。AOC在管网内的消耗随温度变化，温度越高消耗越快，总消耗量都在300μg·L-1以上，说明管网内有可能存在细菌再繁殖问题。
　　考察了不同水体、混凝剂、混凝剂投量、pH值和钙离子浓度等混凝条件下AOC变化规律和水质变化情况。研究发现，江水混凝过程中硫酸铝在高投量下对AOC的去除率最高达24.5%，而相同投量下氯化铁混凝的去除率可以达到65.9%。人工配水混凝在低投量下铝、铁混凝剂对AOC的去除率分别为71.8%和93.0%。氯化铁混凝剂在去除AOC和其它混凝效果方面均优于硫酸铝。在中性和弱酸性pH值条件下混凝AOC的去除率最高，达到86.1%，碱性条件下混凝AOC反而增加了29.1%。复合铝铁混凝剂对AOC的影响有限，增加Ca2+离子浓度可使AOC去除率从54.1%上升到80.4%。
　　分别选取了高锰酸钾、臭氧和次氯酸钠三种预氧化剂来研究AOC在预氧化过程中的变化规律。三种预氧化方法混凝后的 AOC随预氧化剂投量增加而增长，AOC最高增长率分别为61.5%、86.9%和81.1%。三种预氧化过程中混凝前AOC的增长率分别为23.6%、33.5%和17.7%。臭氧预氧化产物中AOC-NOX所代表的羧酸类物质较多，占AOC的40%；高锰酸钾和次氯酸钠氧化后水体中能被P17菌利用的基质增加。在三种预氧化剂的预氧化中，AOC/TOC(有机物的生物可同化性)分别从8.2%增加到14.0%、16.7%和10.8%。高锰酸钾和臭氧预氧化过程中 TOC的变化主要是由其中BDOC的变化而引起的；而次氯酸钠预氧化中 TOC增长了5.2%，主要来自于AOC的增加。在三种预氧化过程中，不能被生物降解的有机物(NBDOC)都没有随氧化剂投量的增加而变化。臭氧和高锰酸钾都是在投量低于1.0mg·L-1时的助凝效果较好，而次氯酸钠是在投量高于1.0mg·L-1时有微弱助凝效果。
　　选取了三种不同载体—陶粒、硅胶和沸石负载TiO2，以考察AOC所代表的小分子物质在臭氧多相催化氧化过程中的变化规律。臭氧催化氧化比单纯的臭氧氧化能更彻底地将大分子有机物氧化成小分子有机物。陶粒、硅胶和沸石负载TiO2等三种催化氧化条件下，将AOC从大约300μg·L-1分别增加到674μg·L-1、847μg·L-1和882μg·L-1， AOC/TOC从初始的4.7%分别升高到30.5%、33.2%和46.0%，明显地提高了水中有机物的可生物降解性。增加臭氧投量，催化氧化可使小分子有机物部分被矿化，水中AOC下降13.0%。以AOC-NOX所代表的羧酸类物质在催化氧化过程中明显增加，占总AOC的90%以上，改变了AOC的组成比例。与未改性时相比，改性后TiO2催化氧化出水的AOC降低了17.9%，对催化剂的进一步改进可能使有机物的可生化性控制在一个合理的范围。

目录

可生物同化有机碳在给水处理单元过程中的变化规律

VARIATION OF ASSIMILABLE ORGANIC

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 我国水体情况及污染现状

1.1.1 水质问题

1.1.2 我国饮用水标准的发展

1.2 管网内细菌的再生长

1.3 AOC 测定方法的发展

1.3.1 最早的 AOC 检测方法—Van Der Kooij 法

1.3.2 被广泛应用的改进方法—LeChevallier 法

1.3.3 ATP 计数法

1.3.4 全新的利用发光菌快速检测 AOC—CheckLight AOC

1.3.5 水中磷含量对 AOC 测定的影响及方法改进

1.4 AOC 的研究现状

1.4.1 常规给水处理工艺

1.4.2 常规给水处理工艺的强化技术

1.4.3 预氧化处理技术

1.4.4 吸附和膜滤技术

1.4.5 臭氧氧化技术

1.4.6 AOC 与BDOC

1.5 课题研究的目的、意义和内容

1.5.1 课题研究的目的和意义

1.5.2 课题研究的内容

第2章 实验材料与方法

2.1 AOC 测定方法

2.1.1 菌种

2.1.2 实验仪器

2.1.3 试剂和培养基的配置与预处理

2.1.4 菌种的复苏

2.1.5 接种液的准备

2.1.6 待测水样的预处理

2.1.7 水样的接种与培养

2.1.8 细菌的平板计数

2.1.9 测定精度的控制

2.1.10 产率系数与AOC 的计算

2.1.11 菌种的长期保存

2.1.12 测定方法的缺点

2.1.13 测定时应注意的问题

2.2 BDOC 的测定方法

2.2.1 测定原理

2.2.2 测定方法

2.3 分析方法

2.3.1 臭氧浓度的测定

2.3.2 金属元素的测定

2.3.3 分子量分布的测定

2.3.4 超滤膜法分子量分布的测定

2.3.5 其它测定方法

2.4 混凝试验方法

2.4.1 江水的混凝

2.4.2 人工配水的混凝

2.4.3 聚合铝铁混凝

2.4.4 pH 值的影响

2.4.5 Ca2+离子的影响

2.5 预氧化试验方法

2.5.1 高锰酸钾预氧化

2.5.2 臭氧预氧化

2.5.3 次氯酸钠预氧化

2.6 催化氧化试验方法

2.6.1 催化剂的制备

2.6.2 二氧化钛催化氧化试验方法

2.6.3 改性二氧化钛催化氧化试验方法

2.7 实验试剂与仪器

2.7.1 实验试剂

2.7.2 实验仪器

第3章 AOC 测定方法与特性研究

3.1 AOC 产率标准曲线

3.2 AOC 接种方式的选择

3.3 AOC 随分子量分布特性

3.4 本章小结

第4章 AOC 在常规给水处理工艺中的变化规律

4.1 春季时期AOC 的变化规律

4.1.1 春季时期水质参数的变化

4.1.2 AOC 的变化规律

4.2 夏季时期AOC 的变化规律

4.2.1 夏季时期水质参数的变化

4.2.2 AOC 的变化规律

4.3 秋季时期AOC 的变化规律

4.3.1 秋季时期水质参数的变化

4.3.2 AOC 的变化规律

4.4 冬季时期AOC 的变化规律

4.4.1 冬季时期水质参数的变化

4.4.2 AOC 的变化规律

4.5 全年AOC 的变化规律

4.6 本章小结

第5章 混凝单元对AOC 的影响

5.1 AOC 在松花江水混凝过程中的变化规律

5.1.1 江水混凝效果

5.1.2 AOC 的变化规律

5.2 AOC 在人工配水混凝过程中的变化规律

5.2.1 腐殖酸含量对AOC 的影响

5.2.2 人工配水混凝效果

5.2.3 AOC 的变化规律

5.3 聚合铝铁混凝对AOC 的影响

5.3.1 聚合铝铁的混凝效果

5.3.2 AOC 的变化规律

5.4 pH 值的影响

5.4.1 pH 值对混凝效果的影响

5.4.2 AOC 的变化规律

5.5 Ca2+浓度的影响

5.5.1 Ca2+浓度对混凝效果的影响

5.5.2 AOC 的变化规律

5.6 本章小结

第6章 不同预氧化方法对AOC 变化的影响

6.1 高锰酸钾预氧化

6.1.1 高锰酸钾预氧化对混凝效果的影响

6.1.2 AOC 与BDOC 的变化规律

6.1.3 高锰酸钾预氧化后的分子量分布

6.2 臭氧预氧化

6.2.1 臭氧预氧化对混凝效果的影响

6.2.2 AOC 与BDOC 的变化规律

6.2.3 臭氧预氧化后的分子量分布

6.3 次氯酸钠预氧化

6.3.1 次氯酸钠预氧化对混凝效果的影响

6.3.2 AOC 与BDOC 的变化规律

6.3.3 次氯酸钠预氧化后的分子量分布

6.4 本章小结

第7章 臭氧催化氧化对AOC 变化的影响

7.1 臭氧/TiO2 催化氧化对AOC 的影响

7.1.1 臭氧及臭氧催化氧化对硝基苯的去除率

7.1.2 臭氧及臭氧催化氧化对UV254 的去除率

7.1.3 臭氧及臭氧催化氧化对TOC 的去除率

7.1.4 臭氧及臭氧催化氧化对AOC 的影响

7.1.5 臭氧及臭氧催化氧化对可生物同化性的影响

7.2 改性TiO2 催化臭氧氧化对AOC 的影响

7.2.1 改性TiO2 催化臭氧氧化对有机物的去除效果

7.2.2 改性TiO2 催化臭氧氧化对AOC 的影响

7.2.3 改性TiO2 催化臭氧氧化后的分子量分布

7.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历