生物活性滤池处理有机微污染源水的研究与发展浅析

张长 曾光明 余健
（湖南大学环境科学与工程系 长沙 410082）

　　摘要： 阐述了生物活性滤池的净化机理，对预氧化、滤料介质、EBCT、反冲洗以及颗粒和絮体等影响生物活性滤池的因素进行了重点讨论。介绍了生物活性滤池的优势和国内外研究与发展的现状，并提出有待进一步研究的问题。
　　关键词： 有机微污染 饮用水处理 生物活性滤池

Exploration on the Research and Development of Organic Micropollutant Removal in the Raw water by Biological Active Rapid Filter
Zhang Chang Zeng Guangming Yu Jian
(Dep.of Environ.Sci.and Eng.,Hunan Univ.,Changsha Hunan 410082)

　　Abstract This article expounded the removal mechanism of Biological Active Rapid Filter(BARF).Several factors were discussed which could affect the removal efficiency of BARF,such as preoxidation, filter media,EBCT and backwashing. The superiorites of BARF together with the current situation of the research and development of BARF in the world were introduced, the key problems to be further researched were pointed out.
　　Keywords organic micropollutant drinking water treatment BARF

　　1988年，Bablon^[3]等人提出通过使用活性炭—石英砂双层滤料替代传统滤池中的单层石英砂滤料，并在双层滤料中培养微生物，可将常规滤池改造成生物活性滤池，美国、加拿大等国随即开展了一系列研究。本文将对生物活性滤池进行综合讨论。

1 生物活性滤池净化机理

　　常规过滤以去除水中的悬浮物、胶体颗粒物为主，对受污染源水中溶解性有机物则无法有效去除。
　　生物过滤是一种将常规过滤、颗粒活性炭吸附与生物膜氧化技术结合在一起的新型过滤工艺^[4]。采用生物活性滤池代替常规滤池，不需要增加多少投资，只需对现有的常规过滤适当加以改进(如更换滤料、培养生物膜、改变预消毒方法和用不含氯水进行反冲洗等)即可达到去除水中悬浮颗粒和微量有机物的双重目的。
　　生物活性滤池的处理过程包含了物理化学、生物化学和水力学等诸多过程。这种处理技术是利用生物滤料巨大的比表面积和大量微孔的吸附截污作用，以及滤料表面形成的一层生物膜的生物降解作用来完成去除污染物的功能。生物膜上的微生物主要是一些好氧贫营养性微生物，这些微生物的特点是能利用各种化合物，产生对代谢产物具有高亲和力的转移酶，呼吸速率低，能在有机物浓度极低的环境下快速生长繁殖^[5]。源水在与生物膜接触时，通过微生物的新陈代谢活动和生物絮凝、吸附等综合作用，使源水中的氨氮、有机物、铁和锰等逐渐被氧化和转化，达到净化水质的目的。
　　Strattion^[6]等人对贫养微生物利用痕量有机物机理做了研究，提出了第二级利用理论，认为如果有一种基质能够提供维持细胞生长的碳源和能源，即使浓度低于Smin^[7](最小基质浓度)的化合物也能被微生物氧化和利用。第二级利用理论为生物活性滤池对水中微量甚至是痕量有机物的去除提供了坚实的理论基础。

2 影响生物活性滤池的因素

　　影响生物活性滤池的主要因素有：预氧化、滤料介质、EBCT、反冲洗以及絮体和颗粒的性质等。
2.1 预氧化
　　预氧化对控制源水中的病原微生物、细菌总数起到关键的作用，还能使不易生物降解的有机物氧化分解为微生物易降解的有机物。因此，对微污染源水进行预氧化处理是有益的。预氧化剂的选择和投加量的多少要根据源水受污染情况、生物滤池的运行情况及实际需要而定。目前国内外常用的预氧化剂有Cl₂、O₃及KMnO₄等。
　　①Cl₂ 加Cl₂预氧化主要目的是破坏水中胶体、氧化有机物为无机物或小分子有机物以改善混凝效果，杀死源水中大部分细菌，从而达到净化源水的目的。
　　但是，现有的预氯化工艺使处理后的出水有色、味。此外，水中的部分有机物(如腐殖酸和富里酸)能在加氯时产生三氯甲烷和卤乙酸，这些物质被确认为致癌物质^[1]。水中余氯的存在还易使后续生物活性炭吸附容量过早地出现饱和^[9]。因此，若源水中THMs及HAAs的前体物(如腐殖酸和富里酸)含量较高，就不宜在混凝沉淀之前预氯化，应对现有的预加氯工艺进行改进或选用其他的预氧化剂。
　　②O₃ O₃是一种强氧化剂，具有很好的氧化消毒能力。国外许多发达国家已采取O₃氧化代替氯氧化，O₃能有效地去除色、嗅，O₃本身无残留、无毒害，还可以通过O₃的投加补充水中溶解氧。此外，预加O₃可有效去除原水中含有的THMs类有机母体，在致突变活性方面Ames试验通常为阴性^[10]。
　　O₃预氧化使水中AOC(可同化有机碳)增加，导致水的生物稳定性变差。但是其后续的生物活性滤池可解决此问题，能有效地降低AOC值，嗅、味、浊度全面降低，使出水生物稳定性大为提高。
③KMnO₄ KMnO₄用于去除水中的臭味和色度，对抑制藻类的生长有特效。KMnO₄能较好地去除污染水源中有机污染物和致突变物质^[11]，KMnO₄预氧化还有很好的助凝作用，可以取代预氯化，有效地控制三卤甲烷生成量。
　　高锰酸钾的投加，可使得水中Mn²⁺增加，增加出水的色度，在操作中应根据实际情况加以控制。
2.2 滤料介质
　　滤料的选择是生物活性滤池的一个中心问题。近年来，国内外研究得最多的几种单层滤料有颗粒活性炭(GAC)、石英砂、无烟煤和陶粒等，双层滤料有GAC—石英砂和无烟煤—石英砂等。
　　颗粒活性炭内部具有发达的空隙结构和巨大的比表面积，具有强大的吸附性能，同时也为微生物提供了理想的栖息地。颗粒活性炭上附着的生物膜量是无烟煤、石英砂滤料的4-8倍^[12]。Kurosawa^[13]等人的研究表明，低温下GAC滤池对氨氮的去除率几乎不受影响，并对AOC能保持80％以上的去除率。
　　石英砂与无烟煤均为常规滤料，曾广泛应用于常规滤池，它们也可作为生物活性滤池滤料，作为生物膜载体，以石英砂和无烟煤为滤料的生物活性滤池在适宜温度条件下去除有机物、氨氮效果较好。
　　陶粒也可作为生物活性滤池滤料，陶粒生物活性滤池去除浊度、氨氮效果很好，井能较好地去除铁、SS、细菌等，对色度也有一定的去除效果^[14]。
　　活性炭用于生物活性滤池效果虽好，但由于其价格偏高，因此国外许多研究者尝试对GAC—石英砂双层滤料的研究，并取得了理想的效果。据报道，GAC—石英砂滤池对AOC和TOC(总有机碳)的去除串只略小于GAC深床滤池，出水浊度可达0.1 ntu^[15]。而运用GAC—石英砂双层滤料更经济、实用，也便于在现有的传统砂滤池的基础上进行改进。Mark^[16]等人的研究发现GAC—石英砂滤池比无烟煤—石英砂滤池在去除有机物方面更具优势，两种滤池对AOC、TOC的去除率前者分别为86％和15％，后者分别为75％和26％。
2.3 空床接触时间(EBCT)
　　EBCT同滤速、水力负荷、水头损失呈负相关关系，是影响生物活性滤池去除率的一个很重要的因素。在适宜的EBCT内，生物滤池对有机物的去除效率是随着EBCT的增加而提高的，Sontheimer^[17]等人研究表明，EBCT是影响DOC(溶解性有机碳)去除串的很重要因素：当EBCT从5min增加至20min，相应的DOC去除率从21％增加至41％。
　　不同有机物的去除对EBCT的要求也不同，易生物降解的有机物的去除受EBCT的影响较小(如臭氧氧化副产物OBPs)，慢速降解有机物的去除受EBCT的影响较大(如加氯消毒副产物前体物)。Prevost^[18]等人的研究表明，生物活性滤池2rain内可去除62％—90％的AOC，90％以上的BDOC(可生物降解溶解性有机碳)则须在10—20min之内去除。
　　过大的EBCT会使微生物的营养供给不足，导致微生物进行内源呼吸，生物膜更易于老化剥落。运行较好的生物活性滤池EBCT的设计标准一般为15min-20min。
2.4 反冲洗
　　滤池中吸附截留的颗粒物和絮体会对滤池去除效率产生影响，积泥易使滤池堵塞，所以生物活性滤池要定期进行反冲洗。
　　反冲洗对生物滤池的影响主要是指对生物膜的影响。用不加氯水反冲洗对生物膜量有无影响目前存在争议^[19]。根据笔者的试验研究，不加氯水反冲洗对生物膜总量是有一定影响的(通过磷脂分析法测定)。可能是老化的生物膜剥落所致，由此可见，反冲洗可以促使生物膜更新。因此，应该控制反冲洗的强度和频率，使其既能冲去积泥，又能让生物膜保持良好的活性，还必须保证有一定数量的硝化菌以维持滤池对氨氮的去除作用。气—水反冲洗通常可以达到较好的冲洗效果。
　　加氯反冲洗对生物膜量的减少是明显的，氯对微生物有氧化致死作用，会导致滤池对BOM(可生物降解有机物)去除率下降^[19]。
　　运行良好的生物滤池需要良好的管理，因此由于反冲洗而引起生物膜的损失应该受到控制，才能保证生物滤池的处理效率。生物活性滤池适合用不加氯水进行反冲洗。
2.5 絮体和颗粒
　　对源水进行混凝处理后产生的絮体和颗粒进入滤池会占去相当一部分的滤料表面积，使微生物同可吸收利用有机物之间的实际接触面积大大减少，另外，由于混凝剂的投加带来的铝盐、铁盐也会抑制微生物的活性^[20]。因此絮体和颗粒会阻碍滤池对有机物的去除。
　　絮体和颗粒过多易使滤池发生堵塞，也使得水头损失增长加快，直接影响到滤池的过滤周期和出水浊度。通过改善混凝沉淀效果可以控制滤前水中的絮体和颗粒物。
2.6 其他的影响因素
　　除以上的影响因素外，源水水质、溶解氧、重金属等因素对生物活性滤池也有一定的影响。
　　源水水质主要是指水的可生化程度。可生化程度越高，相应的有机物去除率也就越高。
　　硝化反应必须有足够的溶解氧，由此看来溶解是去除氨氮的一个重要条件，实际操作中应当保证滤池内溶解氧充足。
　　重金属过多会对微生物起到抑制甚至致死作用^[21]，因此对重金属含量较高的源水必须进行预处理。

3 生物活性滤池的发展与展望

　　自19世纪60年代，国外开始运用生物过滤工艺；80年代初期，美国人对生物过滤基础理论的研究已经取得了阶段性的成果。如提出了贫养微生物理论^[5]、最小基质浓度理论^[7]、第二级利用理论^[6]等；到90年代末，他们对影响生物活性滤池的各种因素的考察已经比较全面，并从AOC、DOC、BDOC等先进检测指标角度对处理水中有机物的效果进行评价，至今已取得了较大进展，研究表明：生物活性滤池对TOC的去除率在5％—75％之间，对DOC的去除率在13％—41％之间，对AOC的去除率几乎可达100％^[3,15,17,18]。
　　最近几年，国内有李德生等人对生物活性滤池进行了研究，其结果表明：生物活性滤池对氨氮、亚硝酸盐氮均有较高的去除效果，其中氨氮的去除率为76％—87％，亚硝酸盐的去除率为76.9％—90.6%^[22]。杨开等人对颗粒活性炭(GAC)—石英砂双层滤料的生物活性滤池的研究也表明在未氯化或预氧化的条件下，此种滤池对有机物和氨氮的去除率也是显著的^[23]。此外，李亚新^[24]等人也做了与之内容类似的研究。
　　生物活性滤池比传统滤池具有优越性，又不增加任何新的设施，便于在传统的滤池基础上进行改造，运行费用也很低。生物活性滤池对于我国经济实力还比较薄弱、许多供水企业既无资金也无扩建场地的现状来说有着可观的应用前景。
　　生物活性滤池要在实践中大规模推广应用应在今后的工作中对以下问题做更深入的研究：
　　①出水最大BOM浓度和滤池反冲洗标准对生物活性滤池的设计与操作非常重要。
　　②慢速生物降解有机物的去除机理与条件，因为这些物质可能与配水管网细菌的再生长有关。
　　③源水中的多种污染物(如氨氮、铁、锰)共存对有机物去除率的影响。
　　④滤池内微生物生长因素(如基质浓度、营养条件)和微生物产物的形成条件及因素。

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第一作者简介：张长，1978年出生，男，湖南大学环境科学与工程系硕士研究生，研究方向为水污染控制工程。