十五期间,高乃云课题组承担了国家863重大专项“太湖流域安全饮用水保障技术”研究,以该重大专项课题试验研究为中心,开展了针对太湖流域微污染原水的多方位、多层次的相关技术与基础研究,研究内容主要有微污染水源的预处理、强化常规处理、深度处理技术、微量特殊污染物控制理论与方法等方面。具体包括水源水质调查、生物和化学预氧化技术、饮用水处理新型材料的制备与应用、臭氧生物活性炭深度处理技术优化、膜处理技术、不同消毒剂和消毒方法;内分泌干扰物、POPs、味道化合物、藻类和藻毒素、贾第虫和隐孢子虫等去除以及水中杂质颗粒计数等的研究。同时,进行了颗粒活性炭的选炭
1.微污染原水水质特征调查与分析方法的建立
课题组已对微污染黄浦江和长江镇江段原水开展过详细的水源水质调查,具体内容主要包括:常规水质指标、水中有机物的分子量分布(膜切割法与凝胶色谱法)、微量内分泌干扰物(农药类、雌激素类、化工用品类和重金属类等)、消毒副产物(THMs、HAAs)生成潜能、藻类与藻毒素、嗅味物质、可同化有机炭(AOC)等。通过课题实施,课题组已建立硬件全面、运行良好的分析检测实验室。目前课题组已拥有专门用于饮用水相关水质检测的仪器(GC/MS、HPLC、GC、TOC、AFS),已建立了可靠的水中常规水质指标测试体系、多种微量和痕量有机污染物(内分泌干扰物、POPs、味道化合物等)、消毒副产物(卤乙酸、三卤甲烷等)、藻类与藻毒素的富集与测定方法、同时已具备挥发性与半挥发性有机物全分析、水质生物稳定性AOC、微量无机污染物(砷、镉、硒等)、溴离子和溴酸盐等的测定能力。
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味道化合物的GC-MS分析 |
内分泌干扰物的HPLC分析 |
重金属的原子荧光分析 |

2. 微污染原水预处理技术的研发
课题组针对微污染黄浦江原水的特征,已开展新型悬浮填料生物预处理技术开发、化学预处理方式与可行性、臭氧高效接触溶解方式与方法;预臭氧化、预氯化和预高锰酸钾氧化对比与优化;预处理技术对后续处理工艺的影响、不同预氧化工艺对饮用水致突变活性的影响、臭氧预处理后混凝颗粒物分形理论等多方面研究,在该领域已获得国家科学进步二等奖1人次,申请国家发明专利1项。
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臭氧接触塔 |
新型填料接触式臭氧接触塔
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悬浮填料生物反应器 |
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分形维数D=1.6886 |
分形维数D=1.8313 |
分形维数D=2.1818 |
分形维数的大小反应了颗粒密实程度,维数越高,则颗粒结构越密实,孔隙率越小,所以,当臭氧投加量为1.25mg/L时,分形维数最大为2.1818, 说明此时颗粒的结构相对最紧密。
3. 强化常规处理工艺的研发
强化常规处理工艺是目前饮用水处理技术的研究热点之一。课题组分别对新型变性石英砂和改性沸石滤料制备方法、处理效果、影响因素等进行了实验室和中试规模的试验研究,试验取得了良好的效果,具有进一步深化研究和产业化应用的前景,已分别获国家和上海自然科学基金资各1,申请发明专利2项。
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普通石英砂电镜扫描照片 |
涂铁砂电镜扫描照片 |
涂铁铝砂电镜扫描照片 |
对石英砂滤料进行改性,使其在普通滤池的基础上扩展其功能,使其能有效的去除有机物、氨氮、金属离子以及其它有毒有害物质,不仅能够提高出水水质,而且能减少水厂处理构筑物,对老水厂的改造、降低水厂制水成本都有重要实用意义。
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| 沸石的骨架结构 |
天然沸石 |
酸浸改性沸石 |
碱浸改性沸石 |
天然颗粒沸石吸附容量有限,易吸附饱和,再生频繁,影响其推广使用,而改性沸石可有效去除水中氨氮和有机物,为应对水中突发和季节性氨氮高的问题提供了新方法。
强化混凝研究表明,对有机物去除的强化主要依靠金属离子与有机物形成络合物;氯化铁对细菌的去除除了像硫酸铝一样,依靠絮凝过程中絮体对细菌的包裹和菌体的直接凝聚作用,还有一定的对细菌的直接杀灭作用;
生物预处理后续工艺中的生物砂滤池,从滤料表层取滤料进行镜检分析,结果表明,滤料表面存在大量的微生物,其中最上层滤料生物膜最厚,其主体是菌胶团细菌,并有大量原生动物。生物种类和数量丰富,说明生物膜系统结构和功能稳定,砂滤柱对氨氮的去除率提高。

4. 饮用水臭氧生物活性炭集成与优化技术研究
臭氧生物活性炭技术是目前处理微污染原水、减少饮用水中有机物浓度的有效技术之一,并且已经在世界范围内得到广泛应用。围绕该工艺在微污染黄浦江和长江镇江段原水的应用问题,课题组研究了工艺的可行性、运行条件的优化、活性炭种类选择方法、生物活性炭中微生物的控制方法等,为该工艺在太湖和长江流域地区的应用提供了详细的工艺参数。目前该领域已参与编写上海市地方标准1项,成果成功应用于863课题36万m3/d的工程示范中。
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微污染黄浦江原水常规处理中试装置 |
后臭氧接触和深度处理装置 |
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活性炭筛选中试试验装置 |
活性炭标准研究中试装置 |
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臭氧生物活性炭试验滤柱 |
长江镇江段臭氧生物活性炭中试装置 |
5. 饮用水膜处理技术

超滤膜处理系统
同济大学环境科学与工程学院进行了近10年的膜技术替代常规处理的研究。同济大学环境科学与工程学院与镇江市自来水公司、淮南市公用事业局以及世界著名的膜公司如日本东丽公司,美国海德能公司合作,对长江水、淮河水和黄浦江水进行了多次的中试试验。主要的合作项目有:超滤膜处理地表原水的试验研究,超滤膜生产饮用水的应用研究,超滤膜处理长江原水的试验研究,东丽MF膜深度处理工艺的试验研究。在太湖流域安全饮用水保障技术(国家863计划)和小城镇环境保护关键技术研究及设备开发(国家重大科技攻关项目)的国家级科研项目中,同济大学也在饮用水膜处理中发挥重要作用。同济大学已在国内外专业杂志和会议上发表关于饮用水膜处理论文50余篇,撰写《饮用水膜深度处理技术》专著一部。


长江地表原水超滤膜处理工艺研究试验装置图
6. 饮用水消毒方法与消毒副产物控制技术
饮用水消毒是保障居民健康的关键水处理单元之一,由于微污染原水中存在大量有机物,目前普遍采用的氯消毒将带来对人体有极大危害的卤代消毒副产物,因此新型消毒方法和消毒副产物的控制已成为国内外研究的热点之一。课题组在前期的基础上,对二氧化氯消毒在黄浦江饮用水处理中应用的可行性,预氯化工艺卤代消毒副产物(三卤甲烷和卤乙酸)的生成特性与机理、消毒副产物管网中变化规律、卤代消毒产物的去除方法与特性(活性炭吸附、零价铁还原、高级氧化)、臭氧消毒副产物溴酸盐的控制理论与方法等进行了详细研究,目前已申请发明专利1项,已在核心刊物发表相关论文10余篇。
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消毒副产物测定(GC2010) |
农药的高级氧化试验装置 |
吸附试验 |
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臭氧与紫外消毒设 |
备生化培养箱 |
消毒副产物控制试验装置 |
7. 太湖流域饮用水化学和生物稳定性研究
课题组以地处长三角区域的上海、杭州和镇江的原水、处理流程中各工艺过程的出水和城市管网水为研究对象,采用中试和生产性试验相结合的研究方法,对饮用水中化学稳定性、可同化有机炭(AOC)的变化规律以及管网水质污染指数进行了较为系统的研究。同时细致研究了常规处理工艺、臭氧-生物活性炭深度处理工艺和膜处理工艺对AOC的去除规律,为管网二次污染的控制提供了可靠的技术支持。为配合该课题研究,课题组已建立单独的生物实验室,可进行水中细菌总数、大肠杆菌培养与分析、菌种分离与复壮、生物膜与种群监测、AOC的测定等工作。
8.饮用水中微量污染物的控制技术与方法
受工农业影响,随着检测技术与水平的不断提升,在我国部分城市原水和饮用水中大量有毒有害物质被检出。其中水中微量内分泌干扰物、持久性有机污染物、异嗅味化合物、藻类和藻毒素等问题目前受到广泛的关注。目前课题组针对这些污染物进行了大量的科研工作,已建立内分泌干扰物化工品(BPA、壬基酚)、邻苯二甲酸酯类(甲酯、乙酯、丁酯等)、雌激素类(E1、E2、EE1和EE2等)、金属类(Cd、砷)、农药类(阿特拉津、西玛津、扑草净、2-4 D、Ametryn、Amitrol)、味道化合物(土嗅素和二甲基异冰片等)、藻类藻毒素(Microcystin-LR、Microcystin-RR和Microcystin-YR)的等几十余种物质分析检测方法,并进行活性炭和改行活性炭吸附、臭氧-双氧水-紫外单独和高级氧化去除、催化氧化去除、纳滤膜处理技术、氯化过程转变机制等进行了深入研究,摸清了系列典型物质的转变途径。同时开展了饮用水中这些物质的迁移转化规律研究,为饮用水中此类物质的控制提供了坚实了基础。目前该课题已发表科技论文40余篇,申请发明专利3项。

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