生物预处理在微污染水源水净化中的应用

王占生

应用背景

　　地表水源饮用水的常规处理技术，混凝—沉淀—过滤—消毒，是100年前人们为保证饮水安全逐渐总结出的成熟的净化工艺。随着工业现代化的迅速发展，尤其是化学工业的突飞猛进，使人工合成的化学物质总数不断增长，每年有数千种新的物质被合成。这些化学物质大部分通过人类活动进入水体，不少有机化合物对人体健康有急性或慢性、直接或间接的影响，如致突变、致畸、致癌、内分泌干扰等。
　　面临水源水质的变化，常规工艺已显不足，只能去除水中有机物20％－40％，由于溶解性有机物的存在不利于破坏胶体的稳定性，使浊度去除效果下降，用氯破坏有机物对胶体的干扰会使消毒副产物增长，对健康带来负面影响。
　　我国地表水源受污染日趋严重，水源水质达不到卫生安全要求，因此迫切需要结合我国国情的实用技术来改进饮用水水质。
　　生物预处理是指在常规净水工艺前增设生物处理工艺，借助微生物群体的新陈代谢活动对水中有机污染物与氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步净化，改善水的混凝性能，减轻常规处理的后续深度处理的污染负荷，延长过滤或活性炭吸附等物化处理工艺的工作周期，最大可能发挥水处理工艺整体作用，以此降低费用，控制污染，保障水质。

生物预处理的特点

　　1. 能有效去除水中可生物降解有机物。这部分有机物往往分子量小（＜1500），可能是形成消毒副产物卤乙酸的主要前体物，也是供水管网中细菌生长的主要营养基质，常规处理工艺难以去除。经生物处理后，水中胶粒zeta电位值降低，易干脱稳，因此可减少后续混凝单元的投药量20－30％。
　　2.能有效去除水中氨氮与亚硝酸盐氮（一般可达80％以上），并在消毒时将减少氯对氨氮、亚硝酸盐氮的反应，保障水中的有效氯含量而节省氯耗。
　　3.还能去除铁、锰，色、嗅及浊度。
　　4.较物理、化学净化技术运行费省。
　　生物预处理方法
　　1.生物过滤
　　是目前生产上常用的生物处理方法，有淹没式生物滤池（曝气与不曝气）、煤砂、活性炭、活性炭——砂生物滤池及慢滤池等。滤池中装有比表面积较大的颗粒填料，通过固定生长技术在填料表面形成生物膜，水在填料孔隙通过，在不断与生物膜接触过程中，使水中有机物及氮等营养物质被生物膜吸收利用而去除。滤池运行中需补充一定量的空气，为生物生长提供足够的溶解氧，还有助于新老生物膜的更新换代，保证生物膜的高氧化能力。
　　这种方法的特点是：因具有过滤作用其处理效果稳定、管理方便（只需反冲）、污染物去除效率较高、污泥产量少、受外界环境变化影响较小。但存在产生一定的水头损失（1－1.5m）；水气异相流时会产生顶托，滤速受限制，而水气同相流时配水系统易发生堵塞；必须设计成正规滤池（要反冲），基建造价稍高。
　　生物滤池的填料可采用表面粗糙具有一定强度的矿物颗粒，或人工烧结的材料，如沸石（天然或活化）、煤、砂、碎石、陶粒（圆粒或粉碎颗粒）等。人工泡沫塑料珠也可利用，但要注意其化学成分，不得含有对人体有害的化学物与渗出物。
　　2.生物塔滤
　　塔滤需要一定高度（6－8m），创造良好的通风条件，国外采用塑料制的大孔径波纹板和管式填料，我国常用环氧树脂固化的玻璃钢蜂窝填料。
　　塔滤的特点是负荷高，产水量大，占地少，对水量、水质突然变化的适应性较强，存在的问题是动力消耗大，运行管理较为不便。
　　同济大学与上海自来水公司曾用塔滤对黄浦江水进行生产性规模研究，取得有效成果。
　　塔滤在我国给水预处理中未获应用。
　　3.生物接触氧化
　　生物接触氧化池内设置人工合成填料，水在充氧条件下以一定速度流经填料与填料下生物膜接触，使污染物得到降解与去除，是介于活性污泥法与生物过滤之间的处理方法。生物接触氧化的特点是处理能力大、水头损失小，池身构造可以简化，填料每m³较便宜，基建、运行费较少。存在问题：生物膜增厚后不能仅靠自然脱落，要采取加大气量等措施控制其厚度，当池面积大时布水布气不易达到均匀，填料上较易生长水生动物。此外还应重视排泥的问题。
　　我国同济大学，中国市政工程中南设计院对接触氧化技术研究较早，已有生产性的成果。深切市东深供水局由同济大学设计的世界上规模最大的400万m³／d生物预处理工程投产数年，积累了大型工程的一系列经验，上海川沙、南汇等地水厂也都有生物接触氧化池在正常运行。
　　4.生物转盘
　　生物转盘上的生物膜能周期地运动于空气与水之间，微生物能直接从大气中吸收需要的氧气，使生化反应更为有利地进行。转盘上生物膜生长的表面积大，生物量丰富，容易清理与维护，有较好的耐冲击负荷的能力，运转费用低。
　　由于盘片材料价格较贵，传动装置易生故障，在我国水处理领域没有得到推广。
　　5.生物流化床
　　流化床中生物膜是均匀分布的，生物膜与营养基质接触几率的增加导致传质效果改进、基质在液相和生物膜之间的转移加快，从而使生物氧化能够在更快速度下进行。生物流化床由于动力费用较高，维护管理较复杂，运行中有时出现跑料现象等问题，在我国微污染水源水处理方面尚无应用。
　　6.土地处理系统
　　利用堤岸过滤或沙丘渗透等系统的土壤中生长的微生物对水进行净化在国外常有应用，并取得好的效果，但在我国由于占地多或土壤性质等原因尚未应用。

　　生物陶粒滤池

　　以页岩矿上为原料，破碎后经1200℃左右高温下焙烧，膨胀成5－40mm的球状陶粒，再经破碎后筛选而成。近年来已焙烧出圆形小陶粒，不需粉碎可以直接使用，与粉碎陶粒相比，滤层孔隙率稍大，水头损失较小。一般粒径在2－5mm或3－6mm。陶粒机械强度好，不易粉碎，表面粗糙易挂膜，堆积容重较轻，便于反冲洗。陶粒价格便宜，圆形陶粒每m³滤料与优质砂价格相同，破碎的陶粒约600元／t。生物滤池结构同气水反冲滤池，只是增加一套曝气系统。反冲气系统与平时曝气系统要分开，不能合用。
　　生物陶粒滤地由清华大学研究用于净化微污染水源水，在多处进行过小试、中试，在蚌埠二水厂，周家渡水厂进行了生产性实验，取得了完整的经验。一般对水中氨氮、亚硝酸盐氮可取得80％，90％的去除率，对水中的有机物CODcr在30－40％左右，CODMn在15—20％左右。生物陶粒滤地的滤速控制在4－6m／h，冲洗周期约7d。