微污染源水生物处理的研究和应用

来源：东隆  日期：2014-06-05

近年来，城市供水规模和污水排放量均不断增加。生活污水、工业废水和农业面源的一些化学物质进入水体，直接导致水源水中的还原性有机物、氨氮、藻类等含量增加。水中的有机物经过常规氯消毒后产生消毒副产物，有许多已被确认为是致癌物或诱发物，一些还原性污染物在管道中易产生二次污染或孳生微生物，对人体健康有极大的潜在危害。常规净水工艺面临着越来越大的挑战。针对水源水日益恶化的现状，生物处理作为一种高效低耗、运行管理简单的处理方法，能够去除有机污染物和还原性污染物质，降低饮用水的“三致”风险和生物风险。近几年来，污染源水的生物处理取得了很大进展，包括强化传统处理的生物作用、污染源水的生物预处理和饮用水深度处理中的生物作业等。


1、生物强化过滤作用

如何在现有常规净水工艺的基础上增加对有机物的去除效率是许多水厂和科研工作者面临的课题，在常规净水单元中生物强化过滤作用是可行的选择。所谓强化过滤作用是指在常规过滤的基础上强化微生物的作用，实现有机污染物、氨氮、铁、锰和浊度等物质的有效去除，生物过滤处理后的饮用水中具有“三致”危害的有机物浓度大为减少，耗氯量降低，水质生物稳定性有所提高。
20世纪70年代以来，采用生物活性滤池能使出水具有生物稳定性在西欧已为人们所认可，目前在法国、德国。荷兰等地仍为给水处理中常用的生物处理技术。在北美，许多水处理厂鉴于采用生物过滤更易于实现现有处理设施的改造，具有同时去浊和去除BOM（可生物降解有机物）效果的生物滤池倍受青睐。
生物过滤还能有效地去除微污染饮用水中的有机物、氨氮等物质。何元春等利用湘江水入工配置原水进行了模型实验，研究表明：在水温为8度、滤速为8m/h时，生物过滤对AOC、BDOC、TOC的去除率分别为59.2%～84.1%、41.3%～65.0%、24.8%～30.8%；进水NH3-N质量浓度为0.54～1.05mg/L时，去除率达到39.0%～90.0%。不同的过滤介质和反冲洗方式对生物滤池处理效果有明显影响。生物过滤对水中痕量有机物也有较好的去除效果。痕量有机物是指人工合成的、在饮用水源中含量较低的有机物（如酚、苯、杀虫剂等），它可使水产生嗅和味并具有致癌性和致突变性，因而被广泛关注。研究表明，生物滤池对苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、五氯苯酚的降解速率很快，其去除率可分别达92%、92%、92%和70%，对大部分醛类物质（如甲醛、乙醛）的去除率＞80%，对氯苯和二氯苯的降解速率较慢，但只要给予足够的时间，其去除率也可达到81%以上。
强化常规过滤的生物作用，需要考虑脱落生物膜或游离细菌等进入后续清水池的影响，对后续消毒提出了新的要求。
2、生物预处理
源水的生物预处理工艺指在常规净水工艺前采用生物处理方法将水中的部分污染物去除的过程。生物预处理可使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理及深度处理负担，改善和提高饮用水水质。污染源水生物预处理主要有以下几种工艺：曝气生物滤池、生物接触氧化法，生物流化床，生物沸石反应器，生物塔滤和生物转盘等。在水源地附近，通过堤岸、沙丘等渗透的土地处理系统也能够实现一定的处理效果。近几年来，生物预处理技术发展很快。
（1）曝气生物滤池
曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF）在欧洲、北美及日本等国已获得了广泛的应用，包括城市污水处理、生活污水处理、工业废水处理以及中水等领域。目前，曝气生物滤池技术逐渐成为污染源水进行生物预处理的有效手段之一。曝气生物滤池预处理技术不仅可减少消毒过程中的氯气消耗量、减少水中卤代有机物的生成量、降低给水管网中细菌滋生的可能性、提高饮用水的安全性，而且还可降低混凝剂的投量，降低运行成本，使后续处理变得简单容易。BAF不仅对污染源水的有机物和氨氮等有较高的去除率，还可以降低水中胶体物质的Zeta电位，水中的胶体颗粒更加容易脱稳凝聚，降低混凝过程中混凝剂的投量。
生物滤池所选择的填料类型是影响其运行效果的关键因素。目前运行效果较好的填料主要有细卵石、碎石、焦炭、陶粒、轻质填料等。污染源水生物处理的BAF的工艺形式根据所使用的滤料的不同主要有两种，一种类似于Degrement公司推出BIOFOR滤池，使用陶粒、沸石、麦饭石及砂子等密度大于水的物质作为滤料。其中陶粒生物滤池提供了高效而简单的深度净化技术，集高效传质、生化反应、生物絮凝、过滤技术与一体，通过小颗粒多孔载体的巨大比表面积来提高单位容积的生物量，提高反应器的容积利用率和处理效果。另一种则类似于法国OTV公司推出的BIOSTYR滤池，滤料为BIOSTYRENE，主要成分是聚苯乙烯，密度小于1.0g/cm3。新型BIOSMEDI生物滤池用于源水生物预处理时，具有工程投资较低、占地面积小、运行管理方便、反冲洗耗水和耗气量小、滤层阻力损失小及后续处理衔接方便等优点。
从20世纪90年代起，国内微污染源水的曝气生物滤池预处理技术开始进入生产试验阶段。研究表明，BAF能够有效去除污染源水中有机物、氨氮等污染物，如对氨氮的去除率达80%以上，对耗氧量、浊度、色度、铁、锰等污染物也均有较好的去除效果。
国内对硬质填料BAF的研究较多，黄晓东等利用生物陶粒对深圳水库水进行的生物预处理现场试验研究，工作滤速为4m/h，气水比为1：1，.朱亮等以黄埔江上游水位水源，开展了生物陶粒滤池预处理的生产性试验，滤池曝气方式采用底部设微孔扩散装置连续曝气，工作滤速5.5m，气水比为（0.7～1）：1，反冲洗方式为单气冲2～3min，再单水冲5min。上海市政院的邹伟国等对BIOSMEDI生物滤池进行了小试、中试、生产性试验及工程推广应用。试验中采用人工合成、密度小于1.0g/cm3的轻质悬浮球形滤料；滤速为6.5m/h，气水比为（0.4～1.2）：1。
BAF的局限性在于：硬质填料存在布水布气的均匀性、反冲洗、处理规模较小等问题；对进水悬浮物浓度有一定要求，容易出现填料堵塞和粘结问题；轻质滤料在一定程度上解决了硬质填料的缺点，但填料流失的问题尚待克服，且尚无大规模应用的实例。作为给水处理整体工艺的一部分，如何把曝气生物滤池工艺同其他工艺过程协调统一，最大限度地发挥其作用，值得进行深入研究。
（2）生物接触氧化法
生物接触氧化法通过微生物自身生命代谢活动——氧化、还原、合成等过程，微生物的生物絮凝、吸附、氧化、生物降解和硝化等综合作用使水中NH3—N、有机物等逐渐有效去除。生物接触氧化法还能明显降低原水中可能形成THMs等氯化有机物的有效前体物总量，大幅度减少其后续净化、消毒等过程中可能产生的THMs等潜在致癌物，从而明显提高生活饮用水水质的安全性和改善卫生质量。
肖羽堂等通过姚江生物接触氧化预处理工程对其机理进行了一系列研究，研究表明：生物接触氧化净水工艺除原水微污染，主要是填料上的生物膜对原水的净化作用。生物膜极薄，膜内DO充足，无厌氧菌存在，原水中的有机物、NH3—N和NO2—N等污染物主要通过生物膜的吸附、微生物的生物絮凝、吸附、氧化、生物降解以及生物硝化等综合作用逐渐去除。
嘉兴石臼漾水厂二期扩建中采用了生物接触氧化工艺，在HRT为1h、气水比0.6：1、有效水深3m、填料高度2.5m的条件下，生物预处理池运行稳定后，CODmn平均去除率在6.5%左右；当进水NH3-N值＜1.0mg/L时，去除率50%左右；当进水NH3-N值＞1.5mg/L时，去除率60%～80%。预处理对浊度、亚硝酸盐氮、细菌总数、大肠菌群均有30%以上的去除率，对总Fe有26%的去除率，对色度也有5%～8%的去除率。该预处理池对改善和提高原水水质起到一定的作用。
1998年根据工艺优化试验成果，深圳水库首先建立了世界最大的日处理400×104 m3的生物接触氧化处理渠。东深源水生物处理工程处理规模达到400×104m3/d，工程投产后以气水比1.00、水力停留时间55.4～70min、穿孔管曝气方式等参数运行，污染物生物去除效果良好，NH3—N进水浓度为3.0mg/L左右时去除率平均可保持70%以上。CODmn为10%～30%，BOD5的去除率最高可达60%；源水的浊度和SS/藻类、Fe、Mn等也有良好的去除效果。
生物接触氧化处理池出水水质的改善是由曝气氧化、生物降解和生物絮凝三方面构成，一个理想的预处理池在这三方面应是相互联系、相互促进，并使这三部分功效得到最大的协调、发挥。为达到这一目的，根据生产运行实际，生物接触氧化预处理池拟从以下几方面进行改进：改进生物处理池和填料的排泥方式：采用更加先进合理的微生物载体等。近年来，生物接触氧化预处理的微型动物问题开始受到关注，尤其是微型后生动物的大量生长和控制等问题。
（3）移动床生物膜反应器
移 动 床 生 物 膜 反 应 器 （Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）取了传统的活性污泥法和生物接触氧化法两者的优点而成为一种新型、高效的复合工艺处理方法。其核心部分就是以比重接近水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用而处于流化状态，微生物和水的传质均有大幅度提高，能够在较短的时间内实现除污染的目的。悬浮填料比表面积大，为弹性立体填料的3～6倍；密度与水接近；不结团、不堵塞；可直接投加，不需固定支架。MBBR具有处理能力高、能耗低。不需要反冲洗、水头损失小、不发生堵塞的特点。
MBBR应用于源水生物预处理具有良好的生物硝化效果以及较好的去除氨氮能力。夏四清等采用新型悬浮填料对黄埔江原水进行生物接触氧化预处理中试研究。他们发现，在水力停留时间1h、填料填充率为50%、气水体积比0.56的情况下，NH3—N处理效率可达到70%～80%，CODmn去除效率可达10%。采用悬浮填料的生物接触氧化工艺具有挂膜时间短、氨氮去除效率高。气水体积小、传质效果好、占地面积小、运行方便以及不积泥等优点。徐斌等采用MBBR工艺对微污染黄浦江原水硝化过程动力学和反应器动力学进行了研究。
各动力学参数分别为：最大氨氮去除速率Nmax为1879mg/（m2·d），半速率常数Ks为1.6mg/L，最小基质氨氮质量浓度为0.08mg/L。最大细胞比增长速率为1.05d-1；结合硝化反应动力学，建立了完全混合式原水生物预处理硝化反应器动态模拟模型，通过模型计算与实际中试运行效果比较可以得出：在低进水氨氮质量浓度条件下，模型计算值与实验数据略有差别；在中高进水氨氮质量浓度条件下，模型计算值与实验结果较为一致。
嘉兴市微污染原水采用穿孔管曝气方式和悬浮球填料处理工艺，在水力停留时间为1.5h、气水比为（1～1.5）：1，悬浮球填料填充率为40%左右的条件下，CODmn有一定的去除效果，去除率基本保持在10%～15%；NH3—N的去除率稳定保持在70%以上，出水NH+4—N能稳定在0.5mg/L以下；NO2—N的去除效果稳定在96%以上，出水NO2—N保持在0.01mg/L以下。由于原水CODmn较高（6～8mg/L），因此预处理工艺对后续工艺CODmn去除效果以及出厂水CODmn达标有很大帮助。浊度的去除率可达30%；Fe的平均去除率达到30.7%，色度的平均去除率达10.9%。
（4）生物沸石反应器
生物沸石反应器处理微污染水源水是一种新的尝试。沸石是一种架状结构的多孔穴和通道的硅铝酸盐，由于沸石具有巨大的比表面积（400—800m2/g沸石），有良好的吸附、交换性能，可以吸附有极性的分子和细菌，对细菌有富集作用，因此沸石实际一种理想的生物载体。生物沸石反应器是以通过特定处理的颗粒沸石作为生物载体的一种固定生物膜处理装置，比表面积大，使大量的生物体聚集在载体表面，通过生物膜对水中营养基质的高效吸附和降解能力达到控制污染物的目的。生物沸石作滤料具有滤速快、装填量少、处理效率高等特点，且价格便宜、易开发、无毒无副作用，是微污染水源水质净化的良好材料。李德生、黄晓东等针对南方某重点城市的水源水日益恶化的状况，用生物沸石反应器开展了现场实验，结果表明：在进水溶解氧为6～7mg/L、水温为20度左右、过滤速度为9m.h左右时，NH3—N去除率为90.4%，NO2—N的去除率为93.4%，有机物去除了30%，Mn被去除95%，浊度去除72%，色度去除77%。生物沸石反应器既可以作为预处理手段，也可以用于强化滤池过滤的作用。
生物沸石反应器同样存在布水、布气的均匀性问题，沸石吸附饱和效果是否减弱和再生等问题有待深入研究。


3、饮用水深度处理中的生物作用

饮用水深度处理中的生物作用主要表现为生物活性炭的氧化和再生作用，包括单独采用活性炭处理、臭氧氧化生物活性炭联合和固定化生物活性炭处理等。臭氧活性炭处理中臭氧可以降解大分子有机物，将溶解性铁氧化为不溶性的高价氧化物，去除致病菌和病毒，提高溶解氧含量等；生物活性炭的作用是利用活性炭的吸附和微生物的氧化功能去除微量有机物污染物。臭氧-活性炭工艺有很多种组合形成。
固定化生物活性炭技术是将人工驯化培养的微生物固定于活性炭上，强化活性炭的生物作用，并延长活性炭的使用寿命。为比较固定化生物活性炭工艺与普通活性炭工艺的净水效果，安东等以南方某水厂的滤后水开展了试验。研究表明，固定化生物活性炭工艺与普通活性炭工艺去除浊度没有明显的差别，固定化生物活性炭工艺对TOC的去除率达到40%～50%，普通活性炭工艺的物理吸附作用难以去除剩余部分的氨氮，而固定化生物活性炭对氨氮有平均30%的去除率；固定化生物活性炭工艺对三卤甲烷前驱物（THMFP）的去除率可达14%～40%，对臭氧氧化副产物（甲醛）的去除率为50%。
生物活性炭处理能够起到水质保障的作用，但是生物活性炭滤池的出水是否存在生物风险有待研究，比如脱落的生物膜，还有某些微型动物及其卵或孢囊等。嘉兴地区某水厂活性炭反冲出水进行显微镜镜检发现有原生动物的鞭毛虫、表壳虫等，有后生动物的轮虫、线虫和环节动物，还发现了椎实螺在活性炭表层的大量生长。生物活性炭滤池的生物氧化作用主要由在活性炭表面或内部孔系生长的各种细菌来完成，微型动物以脱落的生物膜、游离的细菌或藻类、低等动物为食，并不参与活性炭的生物氧化或活性炭的再生，且某些微型动物生长后可能穿过活性炭层进入清水池，直接影响供水的生物安全。在活性炭滤池生长的椎实螺小型个体或卵是否会进入清水池或供水管道尚不清楚，需要引起高度重视。


4、微污染源水生物处理的发展前景

水源水的水质问题越来越受到人们的重视。尽管我国在这方面做了大量的工作，但仍有许多问题有待解决。一方面随着经济发展、人口增长和社会进步，水源水受到污染的程度会愈发严重；另一方面水质标准还会提高。水质的恶化必然导致净水系统的微型生物生长，某些时候可能异常生长。微污染水源水的生物处理还需要从以下几个方面进行更为深入和系统的研究：根据不同的源水状况来选择生物处理工艺，综合考虑污染物质的去除效果、反应器负荷能力以及整个工业的经济可行性；从生态的角度构建适合于污染物去除的原位生物水质修复系统；从供水安全的角度评价脱落的生物膜、微型动物生长对常规处理和深度处理以及管网水质的影响和风险；借助现代化的过程控制手段，集成优选的工艺，研究并建立其数学模型以利于污染源水生物处理的推广应用。
 
                                   



 
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