生物氧化在我国给水处理研究中的发展

岳　舜　琳
上海市自来水公司

　　据调查，全国430个城市有90%以上的水质受到不同程度的污染，造成经济损失每年达377亿元。全国污水处理能力不足污水排放量的2%，湖泊围垦，调节容量损失350万m3，800里洞庭湖左腹部就有16个污染源，每年排入污水4124万m3。太湖水中藻类为100～500万个／L，部分点11亿个／L。这些污染来源于生活污水、工业废水、农田排水，使水中NH3-N、NO-2-N、耗氧量(OC)、化学需氧量(CODcr)、总有机碳(TOC)增高，造成水处理困难，供水有异味、异臭，口感不适。有机物又是消毒副产物的前体，使水的紫外吸收值(Euv)、毛细色谱峰图、峰数和峰面积(GCA)增高，Ames致突变试验呈现阳性。为提高供水水质，保障人体健康，我国水质处理工作者进行了大量的生物氧化工艺研究，做出了积极的贡献。本文试图就这一方面的试验成果，进行综合、分析和研究，并提出今后工作的期望。

　　一、原水生物氧化预处理

　　生物氧化原属于污水处理工艺范畴。70年代日本首先用于给水处理，取得一定成果。清华大学、同济大学、上海市自来水公司、上海市政工程设计研究院、北京自来水公司，中国市政工程中南设计院、宁波市自来水公司、蚌埠市自来水公司等，从80年代开始相继进行这方面研究工作。生物氧化处理是利用填料上的生物膜来进行原水处理。

　　1 生物膜法预处理净水
　　表1，表2，表3分别为生物膜法处理设备所处理的原水水质、挂膜条件及净水效率。各生物膜法试验设备见参考资料1～5。
　　1.1　生物氧化预处理原水设备的挂膜
　　一般采用自然挂膜即可，生物膜生物种类和数量与污水处理相比不很丰富，但菌胶团、原生动物、游离细菌等各类微生物都有生长，生态情况是好的。生物膜呈棕黑色、灰黄色。菌胶团由荚膜球菌等组成。原生动物有微型纤毛虫，有时也见钟虫，轮虫、枝虫等；后生动物有线虫等。有藻类共生，进水端生物膜较出水端发育得好，各型处理设备生物膜发育情况大同小异。判别生物膜成熟与否，可测定NH3-N或OC的去除率，当它们的去除率分别为75%或15%时，即认为挂膜成功。由表2可见挂膜所需时间与水温有较好的正相关，水温为20℃时，需18天左右；水温下降10℃，所需时间至少增加1倍。
　　1.2　净水效率
　　所有生物氧化设备的净水功能是氧化NH3-N，去除率最高达到90%，因为NH3-N是可生化的。OC去除效率最高不过30%～40%，说明只有可生化的部分能被去除。清华大学测得淮河水中可生化有机碳BDOC只占总有机碳TOC的35.4%。CODcr去除率也决定于BDOC5天生化需氧量BOD5，去除铰OC高些。生物氧化能去除部分水中三卤甲烷的前体——紫外吸收物质，降低Euv17.4%～40.2%。塔式生物滤池试验证明，去除原水中CHCI3和CCI4分别达到70%～100%和91.9%～100%，当原水中酚浓度为0.0033～0.0075mg/L时，可降至0.002mg/L。
　　生物氧化对Fe、Mn有较好的去除率，见表3。实际上曝气后接触氧化过滤去除地下水的Fe、Mn已广泛用于我国东北地区，并从过滤池砂表面分离出铁细菌。
　　各型生物氧化池都能降低水的浊度和色度，生物氧化处理后水中胶体的电动电位有较大幅度降低（指负数的绝对值降低），这是有机物降解、生物繁殖分泌物的絮凝作用及pH变化造成的。因之经生物预处理后，后续处理可节约混凝剂30%～40%。
　　生物氧化处理后的pH值有一些变化，挥发性有机物，挥发酚及石油类产品亦有降低，有良好的的净化效果。
　　1.3　生物膜预处理除藻
　　用装有3m高的直形蜂窝填料的接触氧化池处理武汉东湖水，气水比1～2:1，水力负荷10m3/m2·h，于水温5～20℃时除藻率达67%～95%，臭阀值降低60%～71.4%。用粒径2～5mm的多孔陶粒，厚2m装备的接触氧化池处理绍兴青甸湖水，气水比2:1.2，滤速1～4m/h，藻类去除率为48.1%～90.0%，臭阀值降低50%～73.3%，隐藻门、硅藻门藻类去除率高，绿藻门去除率较低（50%左右）。二地试验的其他水质指标的净化率大体与表3相似。但生物膜除藻的机理尚有待研究，或许是生物絮凝的结果。
　　2　影响生物氧化效率的因素
　　2.1　温度对生物氧化的影响
　　试验证明温度对水中以OC以代表的有机物的去除影响较大，温度<5℃时，OC去除率变动于2.5%～11.3%。某些研究者检查证明，生物膜上的优势菌为假单胞菌属，其中有不少菌种能在≤4℃和贫营养条件下繁殖；另一些试验还证明，在2～5℃条件下，生物膜上的活性细菌上部达到107～108/cm3，下部105～106/cm3，与常温条件下无异，脱氢酶活性平均达到80.8μgTF/ cm3，也处于良好状态。上海的试验对温度与去除NH3-N的影响，提出了生物塔滤NH3-N去除率常数Kr有：Kr=θ23.5-T(T≥23.5℃)或Kr=θ23.5-T(T≤23.5)，θ=1.09。上海在低温条件下(5℃)仍有较好的除NH3-H效果：40%～50%，其他地区的试验去除率还更高，这是因为亚硝酸杆菌和亚硝酸球菌均适合在2～40℃范围内生长，硝化杆菌也适合在5～40℃范围内生长，由monod式μ=μmax·S/(Ks+S)可见，在温度下降时，μmax减少，Ks也下降，因此硝化细菌对NH3-N的亲合力得到加强，硝化细菌自身氧化分解速率随温度降低而变小，故能在较低水温条件下，利用较小的能量进行生长繁殖。根据MeCarty等人的研究，要维持生膜法的稳定运行，必须保持出水中NH3-N有一个最小浓度Smin。根据计算，此最小浓度随温度上升而增加，因此低温下有较小的Smin，从而使低温条件下也有较高的去除率。
　　2.2　曝气与溶解氧对生物氧化的影响
　　从表4数据可见，以塔式滤池的曝气方式效率最高。水从塔顶多孔管洒滴在填料表面，形成流动的水膜全部与空气接触，跌落2m后，DO即达85%饱和，跌落4m即达95%饱和。水流经填料总计约1min，完成NH3-N及有机物的氧化，出水DO接近饱和，可见曝气效率高，从而水力负荷高。生物转盘依靠水面以上盘片及盘片对水的搅动来吸收氧化，曝气强度最差，因而水力负荷也最低。两个接触氧化池的曝气效率及水力负荷居二者之间，弹性填料池用微孔膜曝气器，气水比0.5～0.7:1，陶粒池用多孔管曝气管，气水比1:1。水力负荷前者小些，后者大些，出水DO为2～4mg/L。前者的水力负荷小，估计是水的短路（不经过填料）造成的。试验还证明即令是同一池型，出水DO高，净水效率就好。
　　流化床由于受到上部塔式滤池（用作曝气器，并有少量净化作用）出水DO的限制，在原水NH3-N及有机物浓度高时，净水效率即下降。
　　2.3　水中有机物与NH3-N的相互影响
　　生物陶粒滤池试验证明异养菌对进水有机物去除效率随进水有机物浓度上升而增加，自养菌对NH3-N去除率在进水有机物浓度CODcr低于40.0mg/L时，影响不大，去除率能保持90%以上，在进水有机物继续上升时，去除率明显下降，在进水有机物浓度低时，TOC为4～12mg/L，进水NH3-N上升时，异养菌对有机物的去除率呈上升趋势，上升到一定程度后，趋于稳定。
　　2.4　浊度对生物氧化效率的影响
　　生物陶粒试验证明在进水浊度<150NTU，对去除OC、NH3-N无影响，但浊度增加，水头损失增加，出水量减少，太大浊度会覆盖生物膜，降低净水效率，此时最好先进行混凝沉淀，后进行生物氧化处理。
　　2.5　水力负荷对生物氧化效率的影响
　　水力负荷增加，水与生物接触时间减少，无疑会降低效率。塔式生物滤池水力负荷与去除NH3-N效率的关系服务从指数方程，水力负荷发生冲击性变化，短时间内会造成净化效率降低。
　　2.6　生物氧化预处理工艺的不足
　　塔式滤池的试验证明，不能去除DDT、666等合成有机物，处理前后的毛细色谱峰图无显著区别，陶粒滤池试验发现有些有机污染物能去除，有些则不能去除。
　　生物氧化只能在一定程度上降低Ames致突变试验的致突变率MR，但未见出现Ames阳性水转变为阴性。生物处理后水，经加氯，MR又复升高，可见，欲使有机污染物较好地去除，达到Ames致突变阴性(MR<2)还须进一步处理。
　　3　各生物氧化池型的技术经济比较
　　本文所涉及的5种类型的生物氧化池型，所处理的不是同一个原水，给技术经济比较带来了困难，但从OC及NH3-N两个主要指标来看，所处理的原水水质（见表1）也可说差异不大。此外，也可将5种池型的技术条件（表4）当作经优化过的最佳条件，为此，可看作对5种池型的最佳条件的比较，应是可行的。
　　5种池型所用填料不同，技术条件见表4；技术经济比较见表5。 　　　　　　　　

　　注：*0.0083按盘原面积计算的水力负荷，(0.163)按氧化池面积计算

　　从表3、表4、表5可以看出：
　　(1)生物转盘水力负荷最低，占地面积最大，盘片价也不低，运行电耗最高。
　　(2)弹性填料接触氧化池水力负荷也不高，只有2.23m3/m2·h，占地面积、氧化池体积较其余3种类型大。
　　另有两次用同一个水源对弹性填料和陶粒滤料进行的接触氧化试验，一次用准河水，一次用太湖水，也证明弹性填料净水效率低于陶粒填料滤池。
　　(3)流化床由于填料比表面积大，水力负荷最高，其他技术经济指标优越，是一种很有发展前途的池型，但操作技术要求高。本文所介绍的流化床利用塔式滤池作曝气器，进入流化床的水DO最大为9～10mg/L，因之所能处理的NH3-N及OC就受到限制，只有改用人工曝气，方可扩大使用范围。
　　(4)表3表明，塔式生物滤池除NH3-N效率与其他池型相似，但去除NO-2（未列入表3）及OC效率较差，这是因为塔式滤池中水的停留时间太短（几分钟）的缘故，广州水司与市政工程中南院以YDT为填料进行接触氧化池（提高气水比条件下）与塔式滤池的对比试验也证明如此。塔式滤池占地面积较陶粒池小，不需人工曝气，不需冲洗，不需排泥。由于填料质轻，可架设在混合絮凝池及沉淀池上方，操作管理方便，其占地面积与水厂砂滤池相当，运行电耗与陶粒池相差不大，陶粒滤池虽占地面积较塔式滤池增加一倍，但填料最少一倍，且价格较便宜，运行电耗低。
　　总结以上各点，可以认为当前有实用价值的池型为塔式生物滤池、YDT接触氧化池和陶粒接触氧化池三种。三者各有优缺点，应结合净水效率、基建投资、运行操作管理及表5技术经济条件综合对比决定之。

　　二　臭氧生物活性炭工艺

　　经过生物预处理及水厂常规工艺处理后，水中低分子量的有机物如农药、致突变物、致癌物等尚未能全部去除，还需进一步采用臭氧生物活性炭处理。臭氧可分解水中不可生化处理的有机物，使之转化成可生化的简单的有机物，如羧酸、醛、酮等，也可分解有毒害物质，然后在长有生物膜的活性炭滤池过滤，使有机物得以通过生物氧化降解分解、吸附。我国北京、上海、哈尔滨、长春、澳门、抚顺等地进行过不少工作。

　　注：*1硝基苯，BHC，有机碳。2 GCA—毛细色谱峰图总面积。3 Ames试验与SCE（姊妹染色体交换试验）吻合。4 OTC—臭氧＋水厂常规处理＋生物活性炭滤池处理流程。5 TOCC1—水厂常规处理＋臭氧＋生物活性炭滤池＋加氯消毒流程。
　　1　臭氧生物活性炭处理工艺系统
　　采用臭氧生物活性炭滤池时，一般将臭氧加注点设在沉淀池前，如表6所示上海的试验，在砂滤池后设置生物活性炭滤池。也有将加臭氧点设在砂滤池后的，如表6哈尔滨的试验。也有两处都加臭氧的，国内未见有这方面的资料。臭氧生物活性炭处理设备包括臭氧发生器（含空气净化处理装置）、加注装置、接触池、生物活性炭滤池等。生物活性炭池与一般砂滤池相仿，滤层厚2.0m，滤速10～20m/h。臭氧加注量视溶解性有机碳DOC而定，一般1mg/L的DOC需加O30.40mg/L。
　　2<　臭氧生物活性炭净水效果
　　表6为两地试验资料，上海试验在水厂生产设备中进行，臭氧加在混合絮凝池前，水经沉淀、过滤，进入生物活性炭滤池模型。哈尔滨试验，水经水厂常规处理，滤池出水中加入臭氧，然后再经生物活性炭池过滤。为便于说明，用下列符号表示各工艺单元。
　　B——生物膜法氧化原水预处理；
　　O——加臭氧；
　　CI——加氯消毒或前加氯；
　　T——水厂常规处理；
　　C——生物活性炭滤池。
　　两地原水不一样，试验条件不一样，上海加O3量较小（小于1mg/L的DOC加O30.4mg/L），哈尔滨试验效果似乎更好一些，但有下列共同之处：
　　(1)能去除NH3-N；
　　(2)能去除有机物，减少消毒副产物的前体；
　　(3)活性炭池出水Ames试验为阴性——区别于生物氧化预处理的特点。
　　上海试验发现，在进水NH3-N3.3mg/L时，活性炭滤池出水NO-2-N高至1.7mg/L，而哈尔滨试验在NH3-N为1.05mg/L时，去除率仅为43%，说明活性炭池中氧化或供氧能力不足，当然也就影响了有机物的氧化。为此上海试验的后期不得不在生物炭池的出水中充入空气并再增加第二级生物活性炭滤池。
　　3　对臭氧生物活性炭过滤工艺的评价
　　此工艺净水效果良好，能使出水Ames致突变试验为阴性。为充分发挥活性炭的作用，进入活性炭池的水，要预先将NH3-N去除，否则异养菌和自养菌之间的竞争，将影响净水效率。能否省略臭氧？能否用生物陶粒滤池代替生物活性炭滤池？因为臭氧和活性炭价格都较昂贵。

　　三　生物氧化预处理原水与臭氧生物活性炭过滤组合工艺的研究

　　生物氧化预处理原水去除NH3-N及部分有机物后，经过水厂常规处理，再经臭氧（或不加臭氧）活性炭滤池过滤以去除上道工序未能去除的有机物（包括有毒、有害、致突变物等），几道工序，相辅相成将构成一个较为理想的水质深度处理体系，为此作者进行不同组合工艺试验。试验结果经过整理所得工艺组合去除水中有机物的浓度（贡献）列如表7。表中的B系塔式生物滤池预处理工艺，Ames致突变试验见图。

　　由表7可见，在去除水中的DOC、CODcr和降低GCA方面，加臭氧的OT、BTOC和BTOCC1与不加臭氧的BT、BTC和BTCC1大体相同，在降低UV消光值方面OT、BTOC和BTOCC1比BT、BTC和BTCC1贡献要略微大一些。随着后续处理工艺的进行，差距逐步缩小。CHCI3、CCI4和NH3-N经BT处理的贡献比OT大。经过生物氧化预处理的各个组合工艺BTC、BTCC1去除有机物方面比BTOC、BTOCC1稍微差一些，即加臭氧的作用似乎不明显。
　　在Ames致突变性方面，加氯前BTC、BTOC工艺出水为阴性或弱阳性，加氯后的BTCC1则变成了弱阳性，而BTOCC1则仍为阴性。以淮河水为原水的BTCC1及BTOC1组合工艺试验证明，两工艺在去除水中DOC及微量有机物、致突变性方面也有良好的结果。
　　上述分析表明，以BT代替OT，BTCC1代替BTOCC1去除有机物的效果基本相同，而在去除致突变物方面稍差一些，若将BTCC1组合中常规处理工艺T加以强化，则出水水质与BTOCC1相同是可能的。设想强化常规工艺的途径是：沉淀池中加斜板，以降低出水浊度。并赋予生物氧化功能；降低滤池滤速进一步降低浊度。一些资料证明，这些都有利于降低有机物浓度，降低Ames致突变率MR值。活性炭滤池改用陶粒滤池，从而形成一个既不用臭氧，又不用活性炭的投资省、效果好的水质深度的处理组合工艺体系。当然这些还需要通过试验来验证。

　　四　初步结论

　　生物氧化去除水中有机污染物是行之有效的水处理工艺。目前我国除北京市田村山水厂生产上已采用臭氧生物活性炭外，其他水厂尚处于试验研究阶段，应在过去工作的基础上进一步深入研究，并着重在采用陶粒滤料和不用或少用臭氧上下功夫，强化常规处理工艺，为处理污染水源水，供应优质水而做出应有的努力。（本文经中国水协优秀论文评选委员会第一次会议评选为二等奖）。

　　参考资料：
　　1《上海环境科学》杂志；
　　2《给水排水》杂志；
　　3《中国给水排水》杂志；
　　4《净水技术》杂志；
　　5《给水深度处理研究会》；
　　6《First Workshop on Water Treatment》magazine；
　　7《Water and Wastewater》magazine；
　　8生物接触氧化预处理技术成果报告；
　　9蚌埠市饮用水水质改善的实验研究；
　　10饮用水生物预处理陶粒与弹性填料接触氧化的对比实验研究；
　　11北京焦化厂地表水水质改善试验研究；
　　12关于应用常规水处理工艺去除水中有机物的研究报告。

（本文载自《城镇供水》1997年第4期）