饮用水生物过滤处理工艺述评

余 键， 曾光明， 施 周
(湖南大学土木工程学院，湖南长沙　410082)

　　摘 要： 生物过滤可同时有效去除饮用水源中的浊度、可生物降解有机物、氨氮、铁、锰等污染物质，改善和提高饮用水的生物稳定性和安全性，管理简便、运行稳定可靠、投资省、运行费用低，是一项经济实用的饮用水处理新工艺，具有广阔的应用前景。?
　　关键词：饮用水；生物过滤；生物稳定性?
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：B
　　文章编号 ：1000-4602(2002)03-0037-03

　　生物过滤是一种利用活性炭、无烟煤、石英砂等颗粒滤料和附着于滤料上的生物膜去除饮用水源中的悬浮颗粒、有机物、氨氮等污染物质的新型过滤方式，是常规过滤、颗粒活性炭吸附与生物膜氧化技术相结合的产物。近十几年来，国内外对其进行了大量研究和探索。?

1 　生物过滤效能

1.1 有机物的去除
　　 在饮用水源中普遍含有各种天然有机物(如腐殖酸、富里酸等)或人工合成有机污染物(如酚类、苯类物质)。生物过滤对水中的TOC特别是BDOC、AOC有较好的去除效果 。研究表明，生物滤池对TOC的去除率为5%～75%^［1～3］，对DOC的去除率为13%～41%，对BDOC、AOC的去除率达90%以上，对三卤甲烷THMs、卤乙酸HAAs的先质——THMsFP、HAAsFP的去除率分别达40%和75%^［4］。生物过滤出水中的TOC浓度可降至2mg/L以下^［2］、AOC浓度可降至10μg/L以下，即使不加氯消毒也可使管网水中的细菌总数＜100个/mL^［5］。?
　　生物过滤对水中痕量有机物也有较好的去除效果。痕量有机物是指人工合成的在饮用水源中含量较低的有机污染物(如酚、苯、杀虫剂等)，它可使水产生嗅和味并具有致癌性和致 突变性，因而被广泛关注。研究表明，生物滤池对苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、五氯苯酚的降解速率很快，其去除率可分别达92%、92%、92%和70%^［6、7］，对大部分醛类物质(如甲醛、乙醛)的去除率＞80%^［8］对一氯苯和二氯苯的降解速率较慢，但只要给予足够的时间，其去除率也可达到81%以上^［7］。?
　　生物滤池对有机物的去除受到多种因素的影响，不同水源中的有机物成分不一样，可生化性也就不一样^［3］；预氧化程度不同则水中有机物的可生化性也不同；滤层组成不同则对有机物降解的能力与速度也不同。Wang等^［9］的研究表明，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，活性炭、石英砂构成的双层滤料生物滤池明显 比煤、砂生物滤池或单层石英砂生物滤池去除有机物的效率高且在低温时去除效率几乎不受影响；反冲洗方式也可影响生物膜量，Miltner等^［10］的研究表明用未加氯的水反 冲洗对生物过滤几乎没有影响，但用加氯水反冲洗则使滤层中的生物膜量下降22%，从而导致对有机物去除率的下降；EBCT对易降解有机物的去除影响较小，但对慢速生物降解有机物质的去除影响较大，Prevost等［11］的研究表明，生物滤池在2min内可去除62%～90%的AOC，而要去除90%的BDOC则需10～20min的接触时间。?
1.2 氨氮的去除
　　生物过滤对饮用水源中的氨氮有很好的氧化(硝化)去除效果，去除率可达90%以上^{［12～15］}，同时亚硝酸盐氮的去除率也在90%以上。当进水氨氮为1.2～2.0mg/L、亚硝酸 盐氮为0.5～1.4mg/L、水温为8～32℃时，出水氨氮始终在0.5mg/L以下，亚硝酸盐氮在0 .05mg/L以下^［13］。?
　　维持生物滤池对氨氮良好硝化作用的一个重要条件是水中必须有足够的溶解氧，另一个重要条件是滤层中必须有足够数量的硝化菌。而要维持生物滤池内一定的硝化菌量必须降低反 冲洗频率并控制反冲洗强度。?
　　生物滤池对氨氮的去除还可能受到有机物生物降解的影响，因为在自养菌(硝化菌)与异养菌之间存在着争夺氧与生物膜空间的竞争，对生物滤池的研究显示异养菌能赢得这种竞争，其结果是有机物氧化在先、氨氮氧化在后，出现这种情况是因为自养菌的增长速率比异养菌慢，且自养菌对由较高水力负荷和较小滤料介质造成的剪力损失比异养菌更敏感。?
1.3 铁、锰的去除
　　生物过滤对铁、锰^{［16～19］}。有良好的去除效果生物去除铁的启动速率很快，当进水铁浓度为0.75～1.1mg/L、水温为30～31 ℃时，新滤池(砂层厚为1.4m、有效粒径为1.35mm、滤速为22～23m/h)投产后，加氏铁柄杆菌属等细菌会迅速接种于砂滤料上，运行10 h后滤池出水中的铁浓度为0.1mg/L，1d后降至0.03mg/L，2d后降至痕量水平^［16］。相比之下生物去除锰的启动速率慢得多，滤料上锰细菌的自然培养期(成熟期)少则需要40～50d，多则需要3个月以上，但一旦培养成功，生物滤池对锰的去除率即很高，滤池出水中的锰几乎一直可保持在痕量水平。?
　　生物除铁除锰滤池中铁锰细菌(大部分为自养菌或兼性自养菌)与生物硝化滤池中的硝化菌一样生长也较为缓慢，其工艺条件也大体相似，但生物除铁除锰滤池对水的pH值似乎更敏感。此外生物除铁与除锰的工艺条件有较大的不同，后者比前者要求更严格，一般而言生物除锰 要求水中溶解氧浓度＞5mg/L、氧化还原电位＞300～400mV或者pH＞7.4～7.5^［16］。由于工艺条件的差别，对铁、锰含量均较高的地下水源宜采取二级生物过滤处理，否则铁、锰的去除难以达到最佳水平。?
1.4 浊度的去除
　　生物过滤对浊度有很好的去除效果。研究显示在正常过滤条件(滤层厚度为0.75m、滤速为5～10m/h、进水浊度为1～4NTU、水头损失为1.5kPa)下，生物滤池出水的平均浊度可达0.15NTU以下，过滤周期可达16～24h以上。生物滤池与常规滤池一样出水浊度较低并具有经济的运行周期^［2］，但也有研究指出，生物滤池出水中的悬浮微粒浓度略高于常规滤池，其水头损失的增长稍快些、过滤周期稍短些［20］。?
　　Bablon等［1］发现颗粒活性炭/石英砂双层滤料生物滤池比单层石英砂生物滤池有更好的浊度去除效果和更长的过滤周期，Ahmad等［21］发现采用气水反冲洗的生物滤池在成熟期内的出水浊度比单纯水洗的高，Goldgrabe等的研究显示，用含氯水反冲洗比用未含氯水反冲洗的生物滤池出水中的悬浮微粒大。

2 生物过滤的特点

　　生物过滤工艺优势如下：?
　　① 生物过滤除保留了传统过滤的去浊性能外，对饮用水源中的有机物(包括合成有机污染物)、氨氮、铁和锰等物质均有良好的去除效果，经生物滤池处理后的饮用水，具致癌性和致突变性的有机化合物含量大大减小、消毒耗氯量大大降低、嗅和味大为改善，生物稳定性也大为提高。?
　　② 用生物过滤替代常规过滤和生物活性炭工艺处理受有机污染的地面水源可节约投资80%以上，节约运行费用50%以上，减少用地近50%；用于含铁含锰地下水的处理时，可通过节省反应池、沉淀池或加药设施并降低曝气强度节省投资40%，节约运行费用50%以上，减少用地50%以上。?
　　③ 生物滤池管理简单、运行可靠，尽管其启动或生物膜的培养时间较长，但一旦生物膜培养成功则运行可靠、出水水质稳定，只要做到滤池反冲洗的强度、频率控制适度以及滤池进水和反冲洗水对生物膜无毒害即可。?
　　④ 中断生物滤池的运行或停用长达1～2个月后对其再用几乎没有影响，滤池重新启用后滤层内生物膜恢复得非常快，通常只需几小时或几天时间即可使滤池的性能恢复到停用前的水平，此外在生物过滤中产生的污泥极易浓缩与脱水。?

3 　结语

　　生物过滤可同时有效去除饮用水源中的浊度、可生物降解有机物、氨氮、铁、锰等污染物质，改善和提高饮用水的生物稳定性和安全性，管理简便、运行可靠、投资省、运行费用低，是一项经济实用的饮用水处理新工艺，在我国具有广阔的应用前景。但在大规模推广应用之前，仍需研究和解决一些问题：?
　　① 进入输配水管网的最大可生物降解有机物质(BOM)的浓度，这对生物滤池的设计与操作非常重要；?
　　② 生物过滤的最佳反冲洗标准，为此需要对反冲洗可能给生物膜造成的损失有更多的了解 ；?
　　③ 非生物颗粒对生物膜性能可能产生的影响。据试验观察，在每个过滤周期的末期生物过滤对有机物的去除率下降，初步研究认为这可能是非生物颗粒的影响所致；?
　　④ 慢速生物降解有机物的去除机理与条件，因为这些物质进入配水管网后可能缓慢降解，从而促进管网内微生物的生长；?
　　⑤ 在水中有机物与氨氮共存的情况下，氨氮对有机物降解的影响；?
　　⑥ 在水中铁、锰共存的情况下，铁的存在对除锰的影响。

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　　收稿日期：2001-10-10