汇说：微污染水体生物处理技术
人们生活用水、生产用水主要来自地下水与地表水，其中地表水分布较为广泛，来源丰富且较为方便，加之近几年地下水的过量使用，水位急剧下降，因而各种地表水源（如江河、湖泊、水库等）已成为人们用水的主要来源。随着世界经济的持续发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、农药、杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速增长，有机化合物的产量和种类不断增加，各种生产废水和生活污水未达到排放标准就直接进入水体，对地表水源造成了极大的危害，水源水质也因此急剧下降。饮用水的生物稳定性是指饮用水有机营养基质能支持异养细菌生长的潜力。而以生物过滤代替常规过滤，能够在同一滤层内实现微量有机污染物、氨氮、铁、锰、浊度等物质的有效去除，生物过滤后的饮用水中具有“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。
1.微污染源水中各项指标的分析
1.1有机物
1.1.1微污染水源水处理中有机物的特点
目前国内外地表水水体的污染集中在有机污染方面，尤其对于受城市污染的地表水体，主要的有两类有机污染类型，包括有毒有机化学物质污染和耗氧有机物污染。
有毒有机污染物在天然水体中往往难于降解，并具有生物积累性和三致作用或慢性毒性，而且分布面极广。其中有些通过迁移、转化、富集，其浓度水平可提高数倍甚至上百倍，对生态环境和人体健康是一种潜在威胁；耗氧有机物污染，其主要来源是生活污水和许多工业废水，此外面污染源也给水体带来大量的耗氧有机物。
从60年代国外发现用氯消毒产生的副产物对人体有危害开始，逐渐进行人工合成的化学物质对人体健康危害研究。过去人们比较注意三致（致癌、致突变、致畸）物质的危害。近年来科学家们讨论内分泌紊乱的原因，认为人造化学物质可能正在严重破坏人和野生动物的激素。科学家们已确定50种据认为可影响内分泌系统的化学物质，其中约有一半是氯化物。
常规工艺不但去除水中溶解性有机物效率低，而且氯化过程本身还导致了水中对人体健康危害更大的有机卤化物的形成，因此，常规的饮用水处理工艺已不能与现有的水源和水质标准相适应，必须开发新的水处理技术，生物法不失为一种新的发展方向。
1.1.2可生物降解的有机物
可生物降解有机物是指饮用水中有机物能被细菌等微生物降解、作为微生物生长的物质和来源的部分，一般以BDOC（Biodegradable Organic Carbon，生物可降解溶解性有机碳）表示，相应以NBDOC表示难生物降解有机物。水中可生物降解有机物的含量与饮用水的处理工艺的选择和处理后水质有很大关系：BDOC作为细菌等微生物的营养基质会促进细菌在给水管网中生长，使水质下降：去除BDOC应该选用生物处理技术。因此研究饮用水的可生化性有十分重要的意义。
可生物降解有机碳（BDOC）主要是小分子量的有机物，其分子量在1000以下，大于1000的有机物可生化性很差。水源中可生物降解有机物主要是非腐殖酸类有机物，腐殖酸本身是微生物分解形成的相对稳定的化合物，所以一般的生物处理由于接触时间短，很难去除这部分有机物，但超滤技术可以去除。将超滤技术与生物处理技术连用，可得到良好的出水水质，故单纯依靠常规处理是不可能实现的 。
1.1.3有机物生物法去除机理的研究
可生物降解的有机物是作为电子供体和异养细菌的碳源。饮用水中典型的有机化合物，可用生物膜法有效处理。生物膜反应器中生物量的停留和积累，大于任何活性污泥中的生物总量，并减少了生长较慢的有机物被冲刷掉的可能性。
已有的研究结果表明，把1米床深用于生物膜反应器一般能达到有效的生物降解。饮用水中可生物降解的有机物浓度低有利于贫营养微生物的繁殖。贫营养微生物有较大的比表面，对可利用的基质有较大的亲和力，也有较小的最大繁殖速度和Monod饱和常数Ks（为1～10ug/L）。在试验性的完全混合反应器中研究贫营养生物膜效率（是利用微量浓度的水杨酸、醋酸和酚生长的），测得生物膜形成的贫营养物的Ks值范围是0.0005～0.11CODCr/m3。一个贫营养湖中得到的微生物培养物可把初始浓度为1mg/L的水杨酸降解至0.00063mg/L。所以，贫营养菌能使微量有机物降解至极低浓度。
当原水中中小分子量有机物含量少时，生物滤池对溶解性有机物去除率较低，生物滤池对低分子量有机物具有良好的去除作用，对于大于10000的有机物没有去除效果。
1.2氨氮
1.2.1氨氮的生物处理
常规给水处理工艺对氨氮的去除率很低，出水中的氨氮一方面消耗氯消毒剂，大大增加了需氯量，使水产生臭味，并增加了消毒副产物生成量即致变性；
另一方面，由于氨氮会引起管网中自养菌的大量繁殖，将造成水质恶化与管网腐蚀。对于活性炭滤池深度处理工艺，进水中过高的氨氮会影响其对有机物的去除，
因此在预处理中去除氨氮对于整体工艺的正常运行至关重要。生物预处理被证明是稳定高效的除氨氮工艺。
1.2.2氨氮去除机理的研究
1）硝化作用，硝化过程中，氨先被氧化成亚硝酸盐，接着氧化为硝酸盐，这大都在亚硝化单胞菌和硝化细菌的分别作用下达到。硝化菌（自养细菌）的生长量和最大繁殖速率与好氧异养菌的关系不大。硝化菌增长速度缓慢，要求在反应器中有较长的停留时间，在生物膜反应器中，这最好是利用有关菌种来达到。最佳的反应器条件是：有较大的比表面积供生物膜生长、大的介质和空隙率（以减少剪力损失和堵塞）、足够的溶解氧（DO）。因为把1g氨氮氧化成硝酸盐需要约4.5g的氧。动力学数据和Smin值说明，即使在低温时，也能达到氨的有效去除。
硝化菌和异养菌也可能有互利的作用。繁殖过程中形成的有机产物和硝化菌可作为好氧异养菌的主要基质。水处理过程中的低有机碳浓度及硝化菌的活性，实际上可以促进异养菌的生长，并通过辅助利用促进微量有机污染物的降解。这一点在试验性生物膜反应器中已得到验证。
2）反硝化作用。反硝化细菌是兼性厌氧菌，缺氧时，可利用亚硝酸盐和硝酸盐作为电子受体来硝化有机化合物，生成含氮气体（N2和NO和NO2)。硝酸盐作为电子受体比氧更不耐热。有机碳含量低的水要求加入碳源进行反硝化，甲醇常用来达到此目的，某些饮用水工程中也采用乙醛和乙酸来代替甲醇，因为它们价格低，毒性较小。
1.3铁，锰
1.3.1微污染源水中铁锰的特点
铁和锰一般都是通过氧化形成不溶物再过滤去除或氧化成可溶物再吸附在水合三价铁和二价锰覆盖的过滤介质上被去除。活性微生物存在时，快砂滤池和慢砂滤池、流化床反应器、GAC滤池和土壤渗透作用对铁、锰的去除已有报道，但是微生物在这些系统中的作用和重要性还不清楚。化学和生物反应都能把铁。锰氧化成不溶物。法国的一项研究表明，微生物在快砂滤池中是作为生物催化剂已加快铁、锰的去除。假如活性微生物利于锰的氧化，那么预氯化将导致锰去除率的大大降低。
1.3.2铁锰的生物处理
亚铁可作为铁氧化细菌如铁细菌、纤发菌和披毛菌的能源。这种亚铁细菌在溶解氧超过0.2mg/L的好氧环境如水井，处理厂和配水系统中是很普遍的。Fe（Ⅱ）和（Ⅲ）和微生物氧化形成不溶性氢氧化铁。铁氧化过程中每摩尔电子转化的自由能很小，因此这种细菌必须氧化大量的铁才能繁殖生长。锰氧化细菌有球衣菌和纤发菌。锰氧化细菌只在pH为5.5～9且曝气维持氧化还原电位大于+100mv时才在地下水中生长繁殖。
1.3.3铁锰去除机理的研究
2生物处理工艺
2.1预处理技术
生物氧化预处理技术，生物预处理的目的就是去除那些常规处理方法不能有效去除的污染物，如可生物降解的有机物，人工合成的有机物和氨氮、亚硝酸盐氮、铁和锰等。
有机物和氨的生物氧化，可以降低配水系统中使微生物繁殖的有效基质，减少嗅味，降低形成氯化有机物的前体物，另外还可以延长后续过滤和活性炭吸附等物化处理使用周期和容量。
Bouwer等人在总结和分析了生物处理在饮用水处理中的应用后指出，生物处理最好是作为预处理设置在常规处理的前面，这样既可以充分发挥微生物对有机物去除作用，又可以增加生物处理带来的饮用水可靠性，如生物处理后的微生物、颗粒物和微生物的代谢产物等都可以通过后续处理加以控制。
从国内外进行的研究和工程实践的总结可以看出，生物预处理大多采用生物膜的方法，其形式主要是淹没式生物滤池。
2.1.1生物接触氧化法
生物接触氧化法也叫浸没式生物膜法,实验发现填料生物膜的厚度很薄，只有污水生物处理生物膜厚度的1/10左右，膜内溶解氧充足，无厌氧层存在，膜内主要细菌是高好氧贫营养性微生物，生物接触氧化净化水质是一个高度综合、好氧的生物作用过程。
2.1.2生物曝气滤池
曝气生物滤池在欧洲、北美及日本等国已获得了广泛的应用，属于生物预处理工艺，不仅可减少消毒过程中氯气消耗量、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，使后继处理变得简单容易。
生物滤池选择的填料类型是影响其运行效果的关键因素，国内有对生物陶粒及轻质悬浮球形滤料进行试验的，结果表明硬质滤料存在布水布气均匀性、反冲洗、处理规模小对进水悬浮物浓度有要求和填料易堵塞和粘结等方面的问题，轻质滤料存在填料流失的问题。
2.1.3移动床生物膜反应器
移动床生物膜反应器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提高，能够在较短的时间内实现除污染的目的。
2.2生物深度技术
生物活性炭是具有弱极性的多孔性吸附剂，具有发达的细孔结构和巨大的比表面积，是目前微污染水源水深度处理最有效的手段，尤其去除水中农药、杀虫剂、除草剂等微污染物质和臭味，消毒副产物等，是其他水处理单元工艺难于取代的。但活性炭对有机物的去除也受有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响。同样大小的有机物，溶解度愈大、亲水性愈强，活性炭对其吸附性愈差，反之对溶解度小，亲水性差，极性弱的有机物如苯类化合物、酚类化合物、石油和石油产品等具有较强的吸附能力，对生化法和其他化学法难于去除的有机物如形成色度的异嗅的物质，亚甲基蓝表面活性剂、除草剂、杀虫剂、农药、合成洗涤剂、合成染料、胺类物质及其它人工合成有机物有好的去除效果。
生物活性炭是多年来活性炭在饮用水处理的应用实践中产生的。通常，生物活性炭的前提条件是应避免预氯化处理，否则微生物就不能在活性炭上生长，因而失去生物活性炭的生物氧化作用。采用生物活性炭比单独采用活性炭吸附具有以下优点：1.提高了出水水质，可以增加水中溶解性有机物的去除效率；2.延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用；3.水中氨氮可以被生物转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，降低了三氯甲烷的生成量。
2.3生物强化过滤作用
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，水质生物稳定有所提高。
生物活性滤池自20世纪70年代就已有应用，且出水具有稳定性已为人们认可。国内有采用锰砂活性滤池去除铁锰的应用范例。
3.生物处理具体工艺
各单元工艺对溶解性有机物的去除具有明显的互补性，没有哪一种单元工艺对有机物具有广谱的去除能力。此外，填料的选择及运行方式的不同，也极大程度的影响着出水效果。故在选择净水工艺时，需根据水源水质特点和处理后水质要求将各单元工艺组合起来，才能有效提高整个工艺对有机物的去除效率。
3.1 O3-生物沸石-GAC方法处理微污染源水
施锦岳，张玉先对宁波姚江微污染水源水利用臭氧（O3）、生物沸石、活性炭（GAC）的除污染组合工艺进行了试验，结果表明，该工艺能去除CODMn、氨氮及亚硝酸盐的量分别为30%、60%及80%以上，从而为污染水源水处理提供了一种新的方法。
在冬季时，氨氮经常维持在5～7mg/L，如果单纯采用生物接触氧化处理，当水温较低时，则不能有效去除氨氮；如采用粉末活性炭吸附，也不能去除氨氮，且不能再生；如仅采用臭氧化学氧化，则只能部分去除水中化学耗氧量，而不能去除氨氮，且会减弱水的生化稳定性；如只采用沸石离子交换，则不能有效去除化学耗氧量，且再生频繁。为此，试采用O3化学氧化、生物沸石吸附降解及GAC吸附的联合工艺路线。并考虑到冬季生物活性降低而氨氮含量高的特点，采用两级沸石串联的工艺。
3.2瓷珠曝气生物滤池去除源水中氨氮
刘建广等人用以瓷珠为填料的曝气生物滤池（BAF）预处理某高氨氮源水，结果表明，在气水比为1：1、滤速为5.5m/h、水温>10℃的条件下，当进水氨氮<5mg/L时BAF对氨氮的去除率为70%～90%。反应器存在一定的亚硝酸氮积累；反冲洗周期对氨氮的去除率有较大影响。
3.3水源水生物处理系统启动再启动过程的硝化性能
有人提出微污染水源水生物接触氧化处理工艺是以氨氮硝化过程为主的生化工艺，并且在一定的工艺条件下，可以顺利完成新填料挂膜的启动过程。优化处理系统启动过程的工艺条件以及妥善处置检修维护期间反应器内长有成熟生物膜的填料对处理系统的经济运行和保证处理系统长期稳定的运行效果具有重要意义。梅翔等人利用YDT型弹性立体填料穿孔管曝气条件下的生化池，研究了不同工艺条件下启动与再启动过程处理系统的硝化性能，探讨了气水比和水温对生化池启动过程的影响，考察了生化池停运后再启动过程，表明气水比与温度影响着氨氮的去除量及硝化细菌活性的大小，处理系统停运后，保持填料浸没于水中，在水温适宜、供氧充分的条件下，重新开机后的再启动过程能够顺利完成且硝化细菌适应期较新填料挂膜适应期短。
3.4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，因此沸石是一种理想的生物载体。
生物沸石作填料具有滤速快、装填量少，处理效率高等特点，且价格便宜、宜开发、无毒无副作用，是微污染水源水质净化的良好材料。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。
4.生物处理微污染水源水存在的问题
1）只是将氨氮转化为硝酸盐与亚硝酸盐，这种转化并没有使得水中的总氮减少，而只是形态发生改变。
2)一些研究表明，生物处理微量难降解的污染物无效；对THMs只有少量去除效果，Ames实验不能由阳变阴，COD去除率不高。
3)运行效果受到许多因素的影响，特别是原水水质、水温、水量的变化和操作管理水平的高低都直接影响处理效果。
4)生物处理池的泥沙淤积和填料结泥是生物膜法处理微污染水源水的一个重要问题，与常规工艺相比，需较长的成熟期，还需要进行生物驯化。
5)由于生物处理是借助于微生物新陈代谢进行吸收利用水中的污染物，因此会有各种代谢产物以及微生物本身进入水中，其中大多数物质的特性及对人体健康的可能影响还所知甚少。
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