饮用水除污染优化组合净水技术

许建华
(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)

　　摘　要：许多城市的饮用水水源受到污染，采用弹性立体填料的生物接触氧化预处理技术是一种经济高效、稳定运行、便于管理的去除原水中污染物质的预处理工艺、在由生物预处理和常规水处理工艺组成的生物预处理挣水系统中，我们应充分利用生物预处理池出水中的生物硝化延伸效应去提高沉淀池和滤池的除氨氮效果。
　　关键词：饮用水处理,生物接触氧化,除污染

0ptimal Composite Treatment Techniques for Removal Polluters in Drinking Water
　　Xu Jin-hua
(School if Envi.Science and Eng. Tongji Univesity, Shanghai,200092)

　　Abstract：Drinking water resource of many cities has been po]luted.The bio-contact oxidation pretreatment technigue using elestic packing is an economical，high-efficient pretreatment process to remove polluter in raw water with stable—running and easy management.In the biological pretreatment’water cleaning system composed Of biological pretreatment and conventional treatment processes，we must full use of continued bio-nitrify fuction from the effluent of bio-pretreatment basin to raise the NH₄⁺-N removing efficiency in sedimentation basin and filter.
　　Keywords：drinking water treatment；bio-contact oxidation；pollutant removal

1 研究经济有效的饮用水除污染技术是给水工作者的重要职责

　　当今世界上许多城市的给水水源受到生活污水和工农业生产废水的显著污染，大部分自来水厂采用的混凝、沉淀、过滤和加氯消毒常规净水工艺很难将受污染的原水净化处理成符合饮用水水质标准的生活饮用水。在努力控制和防治水体污染的同时，给水工作者应结合各地水源的具体污染情况和水质特点，认真研究经济有效、且切实可行的饮用水除污染技术，供应人们安全、卫生、口感好的生活饮用水。
　　微污染水源水中的污染物，通常主要是有机污染物，其中大部分是较容易被微生物降解和利用的有机物，也有少量难以生物降解的天然或人工合成的有机化台物（如腐殖质、苯酚和有机氯农药等）。微污染水源水中的有机物种类繁多，成分复杂，日常条件下不便、也无必要一一具体检测。日常用便于检测的高锰酸盐数(C0D_Mn)作为衡量水中有机物相对含量的综合性指标来表示饮用水受有机污染的相对程度。
　　许多受污染的水源中的C0D_Mn常达5～7mg／L以上，而中国卫生部2001年6月批准，并于2001年9月1口开始实施的“生活饮用水卫生规范”中限定生活饮用水的耗氧量不超过3mg/L，对处理受污染水源水的常规净水工艺水厂是难以将饮用水的C0D_Mn处理达标的。微污染原水中的氨氮常达3～5mg／L以上，超过中国国家环境保护总局1999年7月发布，并于2000年1月1日开始实施的“地表水环境质量标准(GHZBl—1999)”中对作为集中式生活饮用水水源地保护区的水中氨氮应不超过0.5mg／L标准值的许多倍，常规净水工艺的水厂很难将微污染源水的氨氮处理到0.5mg／L以下。
　　对于微污染原水的处理常规净水工艺的水厂，一般均用对原水预加较高剂量的氯气来氧化水中的有机和无机污染物，以利澄清饮用水的水质。但所加的高剂量氯气易与原水中的腐殖质、藻类等卤代烃类前体物反应生成三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)等有致突变作用的消毒副产物(DBPs)，对出厂水的饮用安全性构成一定的潜在威胁。因此，自来水厂在净水过程中有效去除原水中各种污染物的同时，还必须注意控制饮用水中氯化消毒副产物的生成，确保出厂水的饮用安全。
　　近20多年来，中国给水工作者对各地的许多受污染水源水的除污染技术作了大量的理论联系实际的试验研究，在生物预处理、物化预处理、强化常规处理和深度处理等方面取得许多理论和实践成果，其中不少己被水厂推广应用，经济有效地显著提高了生活饮用水的水质。

2 微污染原水的生物预处理技术

　　微污染原水中的有机基质、氨氮和亚硝酸氮等浓度，相对于污水中的相应物质浓度来说都是很低的。用生物预处理方法来处理微污染原水，一般均用生物膜法培养以亚硝酸化细菌(nitritebacteria)和硝酸化细菌(nitrobacteria)等贫营养性微生物为主的生物处理技术。在曝气充氧条件下，微污染原水中的低浓度可生物降解有机基质被生物膜中的好氧微生物降解并吸收利用，获得能量，合成新的细胞物质。各种生物预处理工艺常选用不同的惰性介质(如石英砂、陶粒、粒状活性炭、塑料蜂窝管填料和弹性立体填料等)作为生物载体，在水中溶解氧充分的条件下，水中氨氮在亚硝酸化细菌和硝酸化细菌作用下被硝化成亚硝酸盐和硝酸盐：

　　与此同时，生化反应器中的填料表面生物膜上也有一些异养型微生物氧化分解水中的有机基质，使水的有机物综合指标COD_Mn、TOC和UV₂₅₄降低：

　　中国给水工作者近20多年来，对微污染原水的生物预处理技术进行了生物滤池、生物转盘、生物流化床和生物接触氧化法等工艺的不同填料、不同布气方式和池型构造等试验研究。值得一提的是：1991年秋，我们专程邀请了发明生物接触氧化水处理技术的日本著名学者小岛贞男博士来同济大学讲学，给了我们很多指导、帮助和启发，我们非常尊敬和感谢德高望重的小岛先生对中国给
水生物除污染技术发展作出的可贵支持和帮助。
　　由于弹性立体填料为生物载体的生物接触氧化池具有经济高效、不会堵塞、管理方便和运行稳定等显著优点，近5年已在多处水厂或工程中推广应用，取得了良好的除污染效果，明显提高了水厂出厂水的水质。1998年6月，同济大学和浙江省宁波市自来水总公司合作，在宁波市梅林水厂建成了第一座弹性立体填料的生物接触氧化预处理池，设计水量规模为Q：40，000n3／d，成功地显著
去除受污染的姚江原水的氨氮、C0D_Mn等污染物。在气水比为0.5-0.7：1、池水停留时间为1.4-2.0h的条件下，经过运行1年多的生化池进、出水水质检测结果统计整理，常温情况下一般能去除原水中氨氮70～90％，去除亚硝酸氮60～80％，去除C0D_Mn20～30%，去除TOC20％左右^[1]。冬季水温低于10℃时，生化池除污染效果明显下降，若减少水量负荷，延长生化池有效水力仃留时间，可提高生化池的除污染效果。
　　弹性立体填料是由许多根富有弹性的、直径0.5mm左右的聚烯烃类塑料短丝串接在中心绳上而成的条状填料，各条填料单元的上下两端分别平行地垂直固定在生化池中的吊索或吊杆上。各填料单元在平面图上通常呈梅花型组装布置，如图1所示。弹性填料下方设曝气管系统和排泥系统，生化池布置示意图见图2。

　　弹性立体填料的主要特点：(1)比表面积较大，全部填料表面都容易附着生长生物量较大的生物膜；(2)各填料单元松散状布置，既适应原水通过，发挥挂膜硝化除污染作用，不会被原水中的悬浮杂质堵塞，又便于及时脱落老化的生物膜，保持填料表面的生物活性；(3)填料丝条长期浸泡在池水中，始终保持弹性和幅射状张展，经久耐用，对填料下方的曝气上升气泡有良好的切割分散作用，有助于布气配水均匀和提高氧的利用率；(4)弹性立体填料每1m³空间布置的填料单价约人民币130～140元／m³，仅是φ35管径的塑料蜂窝管填料每1m³单价的1／3左右，可显著节约生物接触氧化池的基建投资；(5)弹性立体填料生化池中的填料过水部分水流阻力小，可节约日常运行电费。弹性立体填料生化池技术在浙江省嘉兴市、上海市和广东省深圳市等地的多处水厂或工程中推广使用，也取得了经济高效且便于管理的良好除污染效果。

3 生物接触氧化预处理对后续挣水工艺的影响

　　生物接触氧化预处理显著降低原水中的氨氮、亚硝酸氮及部分降低水中的COD_Mn、TOC后，还应研究其与后续工艺的系统优化组合除污染问题。由于生化池出水中仍存在硝化细菌等微生物，若对生物池出水预加氯，可能杀死部分微生物或抑制后续混凝沉淀池和滤池砂粒间微生物的生命代谢活动，影响后续挣水工艺的生化除污染效果。因此生化预处理后应取消预加氯，使生化除污染效应在沉淀、过滤工艺中能继续起作用，同时也可防止预氯化使水中增加THMs和HAAs类消毒副产物。同济大学和上海市浦东新区自来水总公司合作，于1999年3月至2000年9月在川沙城镇水厂进行了川杨河受污染水源水的弹性立体填料生物接触氧化预处理+常规净水工艺+生物活性炭深度处理等。不同组合的原水Q＝１m³／hr的中试试验，并与该水厂的常规净水工艺生产流程及张江水厂的弹性立体填料生物接触氧化池+常规挣水工艺生产流程的处理效果作适当对照研究。
　　中试的试验工艺流程图[2]见图3。

　　中试试验期间，为了具体研究生化池出水预加氯可能对后续常规净水工艺硝化除氨氮效果的影响程度，1999年9月25日～11月1日在生化池出水处预加氯2～4mg/L，与其前5月5日～6月10日期间无预加氯上况作了各工艺除氨氮效果的对比研究，具体数据整理列于表1中。

表1 生化池出水有无预加氯对后续常规工艺除氨氨氮效果的影响 工艺出水 1999年5月5日-6月10日 1999年9月25-11月1日 平均水温：21.4℃ 平均水温：22.6℃ NH₄⁺-N（mg/L)(无预加氯） NH₄⁺-N（mg/L)(预加氯2-4mg/L） 范围（mg/L) 去除率（%） 范围（mg/L) 去除率（%） 原水 0.85-5.30 / 1.10-5.70 / 生化池 0.21-1.24 75.29-76.6 0.22-1.72 69.82-80.00 沉淀池 0.13-0.82 33.87-38.10 0.16-1.38 1977-27.27 砂滤池 0.02-0.36 56.10-54.62 0.10-1.14 17.39-37.50

　　从表1有关数据可得：生化池出水在无预加氯的情况下，经沉淀池和砂滤池后续处理后氨氮总去除率比生化池出水预加氯2～4mg/L情况下的后续沉淀池和砂滤池的氨氮总去除率要高35％以上。其中无预加氯的砂滤池生物硝化作用除氨氮效果非常突出，可见生化出水对后续净水工艺的生物硝化延伸效应必须重视利用，生化池出水不应再预加氯。
　　经对上述中试阶段生化池出水无预加氯和预加氯二种工艺试验对后续常规工艺出水的除COD_Mn效果的检测结果对照，预加氯的沉淀池一砂滤池对COD_Mn的平均总去除率为31.0％，略高于无预加氯的沉淀池一砂滤池的COD_Mn平均总去除率30.2％。
　　建于某城市供水水库库尾的弹性立体填料生物处理工程，建成投产后经2年的连续水质监测记录统计整理结果显示，该工程出水氨氮值平均比进水氨氮值降低60％以上。而同期由于该水库库水的生物硝化自净作用的延伸效应，到水库另一端水厂取水口的氨氮平均值，比该生物硝化工程进水端氨氮平均值降低达80％以上。与生物处理工程建成前该水库因水质污染而自净能力逐渐下降情况相比，生物处理工程建成投产后，明显提高了该水库对水中氨氮的自净率，这再次佐证了生物硝化延伸效应不容忽视的明显作用。
　　 整个中试工艺流程在水温较高阶段(平均水温28.5℃)和水温较低阶段(平均水温8.5℃)，生化池出水无预加氯情况下的各单元工艺的氨氮去除效果见表2和表3。

表2 较高水温时原水与中试各单位工艺出水的氨氮及平均去除率[2] 取水样点 NH₄⁺-N（mg/L) NH₄⁺-N平均累计去除率（%） 范围 平均值 原水 0.80-6.51 2.84 　 生化池出水 0.30-2.23 1.00 64.79 沉淀池出水 0.15-1.49 0.785 73.59 砂滤池出水 0.05-0.49 0.15 94.72 臭氧化生物活性炭出水 0.02-0.05 0.025 99.12 生物活性炭出水 0.02-0.05 0.025 99.12

　　 注：1999的8月10---8月30日　　 平均水温28.5℃

表3 较低水温时原水与中试各单位工艺出水的氨氮及平均去除率[2] 取水样点 NH₄⁺-N（mg/L) NH₄⁺-N平均累计去除率（%） 范围 平均值 原水 0.50-5.58 2.25 　 生化池出水 0.28-3.75 1.50 33.33 沉淀池出水 0.25-3.25 1.23 45.33 砂滤池出水 0.12-2.50 0.75 66.67 臭氧化生物活性炭出水 0.05-1.35 0.23 85.33 生物活性炭出水 0.02-1.42 0.24 84.88

　　 注：2000年2月15日——2月25日 平均水温8.5℃

　　从表2和表3的数据可知：
　　(1)平均水温8.5℃的低温时段，生化池NH4+—N平均去除率只有33.33％，仅相当于平均水温28.5℃的高温时段生化池NH₄⁺-N平均去除率64.79％的一半多些，水温影响显著。低水温时，生化池的后续各净水工艺的NH₄⁺-N平均去除率也相应明显下降。
　　(2)较高水温时或较低水温时，川杨河微污染原水净水流程中，臭氧化生物活性炭工艺出水与生物活性炭工艺出水的Ntt4’一N去除率基本相同。该水源水经生化预处理十常规净水工艺处理后的深度处理工艺，宜采用不加臭氧的生物活性炭工艺，可节约基建投资和日常运行费用。
　　中试工艺流程各单元在乎均水温为27.5℃时对COD_Mn的去除效果见表4。

表4 平均水温为27.5 时，原水与中试各单位出水的COD_Mn及平均去除率 取水样点 COD_Mn（mg/L) COD_Mn平均累计去除率（%） 范围 平均值 原水 5.60-7.20 6.72 生化池出水 5.12-6.50 6.01 10.57 沉淀池出水 3.51-5.16 4.25 36.76 砂滤池出水 2.88-4.95 3.85 42.71 臭氧接触塔出水 2.75-4.62 3.38 49.70 臭氧化生物活性炭出水 1.60-3.25 2.55 62.05 生物活性炭出水 1.84-3.88 2.86 57.44

　　 注：1999年6月25--7月25日平均水温27.5℃

　　从表4可知：
　　(1)生化池的COD_Mn平均去除率虽然只有10.57％，但由于生化的延伸效应及混凝沉淀和砂滤工艺的物理化学净水效果，至砂滤池出水的COD_Mn平均累计去除率已达42.71％，大大减轻后续生物活性炭池的有机负荷。
　　(2)臭氧化生物活性炭工艺出水的COD_Mn平均值为2.55mg/L，低于不加臭氧的生物活性炭工艺出水的COD_Mn平均值2.86mg/L，该2种深度处理工艺的出水COD_Mn平均值都已达到COD_Mn<3.Omg/L的生活饮用水卫生规范的要求。
　　由于各地受污染水源的污染源、污染物性质和组成、污染程度等各不相同，因此将受污染水源水处理成符合生活饮用水水质标准的除污染优化组合工艺流程，也不可能有统一模式。应结合当地水源水质具体情况，根据众多物理、化学和生物方法的各个单元净水工艺的除污染功能特点，研究选用经济合理、切实可行的优合组合净水工艺流程。

参考文献：

　　[1] 同济大学“九五”国家科技攻关计划子专题“受污染水弹性填料微孔曝气生物接触氧化预处理生产性研究成果报告”，1997.9。
　　[2) 同济大学博士研究生张东博士学位论文：“较高浊度受污染水源水的生物接触氧化预处理与其对后续净水工艺的影响研究”，2000.11

作者简介：

　　许建华(1934-- )，男，汉族，浙江黄岩人，同济大学教授，主要研究方向；饮用水除污染技术，自来水厂排泥水处理技术。