岳　舜　琳
上海市自來(lái)水公司

　　據(jù)調(diào)查，全國(guó)430個(gè)城市有90%以上的水質(zhì)受到不同程度的污染，造成經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)377億元。全國(guó)污水處理能力不足污水排放量的2%，湖泊圍墾，調(diào)節(jié)容量損失350萬(wàn)m3，800里洞庭湖左腹部就有16個(gè)污染源，每年排入污水4124萬(wàn)m3。太湖水中藻類為100～500萬(wàn)個(gè)／L，部分點(diǎn)11億個(gè)／L。這些污染來(lái)源于生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排水，使水中NH3-N、NO-2-N、耗氧量(OC)、化學(xué)需氧量(CODcr)、總有機(jī)碳(TOC)增高，造成水處理困難，供水有異味、異臭，口感不適。有機(jī)物又是消毒副產(chǎn)物的前體，使水的紫外吸收值(Euv)、毛細(xì)色譜峰圖、峰數(shù)和峰面積(GCA)增高，Ames致突變?cè)囼?yàn)呈現(xiàn)陽(yáng)性。為提高供水水質(zhì)，保障人體健康，我國(guó)水質(zhì)處理工作者進(jìn)行了大量的生物氧化工藝研究，做出了積極的貢獻(xiàn)。本文試圖就這一方面的試驗(yàn)成果，進(jìn)行綜合、分析和研究，并提出今后工作的期望。

　　一、原水生物氧化預(yù)處理

　　生物氧化原屬于污水處理工藝范疇。70年代日本首先用于給水處理，取得一定成果。清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海市自來(lái)水公司、上海市政工程設(shè)計(jì)研究院、北京自來(lái)水公司，中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)院、寧波市自來(lái)水公司、蚌埠市自來(lái)水公司等，從80年代開(kāi)始相繼進(jìn)行這方面研究工作。生物氧化處理是利用填料上的生物膜來(lái)進(jìn)行原水處理。

　　1 生物膜法預(yù)處理凈水
　　表1，表2，表3分別為生物膜法處理設(shè)備所處理的原水水質(zhì)、掛膜條件及凈水效率。各生物膜法試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)參考資料1～5。
　　1.1　生物氧化預(yù)處理原水設(shè)備的掛膜
　　一般采用自然掛膜即可，生物膜生物種類和數(shù)量與污水處理相比不很豐富，但菌膠團(tuán)、原生動(dòng)物、游離細(xì)菌等各類微生物都有生長(zhǎng)，生態(tài)情況是好的。生物膜呈棕黑色、灰黃色。菌膠團(tuán)由莢膜球菌等組成。原生動(dòng)物有微型纖毛蟲，有時(shí)也見(jiàn)鐘蟲，輪蟲、枝蟲等；后生動(dòng)物有線蟲等。有藻類共生，進(jìn)水端生物膜較出水端發(fā)育得好，各型處理設(shè)備生物膜發(fā)育情況大同小異。判別生物膜成熟與否，可測(cè)定NH3-N或OC的去除率，當(dāng)它們的去除率分別為75%或15%時(shí)，即認(rèn)為掛膜成功。由表2可見(jiàn)掛膜所需時(shí)間與水溫有較好的正相關(guān)，水溫為20℃時(shí)，需18天左右；水溫下降10℃，所需時(shí)間至少增加1倍。
　　1.2　凈水效率
　　所有生物氧化設(shè)備的凈水功能是氧化NH3-N，去除率最高達(dá)到90%，因?yàn)镹H3-N是可生化的。OC去除效率最高不過(guò)30%～40%，說(shuō)明只有可生化的部分能被去除。清華大學(xué)測(cè)得淮河水中可生化有機(jī)碳BDOC只占總有機(jī)碳TOC的35.4%。CODcr去除率也決定于BDOC5天生化需氧量BOD5，去除鉸OC高些。生物氧化能去除部分水中三鹵甲烷的前體——紫外吸收物質(zhì)，降低Euv17.4%～40.2%。塔式生物濾池試驗(yàn)證明，去除原水中CHCI3和CCI4分別達(dá)到70%～100%和91.9%～100%，當(dāng)原水中酚濃度為0.0033～0.0075mg/L時(shí)，可降至0.002mg/L。
　　生物氧化對(duì)Fe、Mn有較好的去除率，見(jiàn)表3。實(shí)際上曝氣后接觸氧化過(guò)濾去除地下水的Fe、Mn已廣泛用于我國(guó)東北地區(qū)，并從過(guò)濾池砂表面分離出鐵細(xì)菌。
　　各型生物氧化池都能降低水的濁度和色度，生物氧化處理后水中膠體的電動(dòng)電位有較大幅度降低（指負(fù)數(shù)的絕對(duì)值降低），這是有機(jī)物降解、生物繁殖分泌物的絮凝作用及pH變化造成的。因之經(jīng)生物預(yù)處理后，后續(xù)處理可節(jié)約混凝劑30%～40%。
　　生物氧化處理后的pH值有一些變化，揮發(fā)性有機(jī)物，揮發(fā)酚及石油類產(chǎn)品亦有降低，有良好的的凈化效果。
　　1.3　生物膜預(yù)處理除藻
　　用裝有3m高的直形蜂窩填料的接觸氧化池處理武漢東湖水，氣水比1～2:1，水力負(fù)荷10m3/m2·h，于水溫5～20℃時(shí)除藻率達(dá)67%～95%，臭閥值降低60%～71.4%。用粒徑2～5mm的多孔陶粒，厚2m裝備的接觸氧化池處理紹興青甸湖水，氣水比2:1.2，濾速1～4m/h，藻類去除率為48.1%～90.0%，臭閥值降低50%～73.3%，隱藻門、硅藻門藻類去除率高，綠藻門去除率較低（50%左右）。二地試驗(yàn)的其他水質(zhì)指標(biāo)的凈化率大體與表3相似。但生物膜除藻的機(jī)理尚有待研究，或許是生物絮凝的結(jié)果。
　　2　影響生物氧化效率的因素
　　2.1　溫度對(duì)生物氧化的影響
　　試驗(yàn)證明溫度對(duì)水中以O(shè)C以代表的有機(jī)物的去除影響較大，溫度<5℃時(shí)，OC去除率變動(dòng)于2.5%～11.3%。某些研究者檢查證明，生物膜上的優(yōu)勢(shì)菌為假單胞菌屬，其中有不少菌種能在≤4℃和貧營(yíng)養(yǎng)條件下繁殖；另一些試驗(yàn)還證明，在2～5℃條件下，生物膜上的活性細(xì)菌上部達(dá)到107～108/cm3，下部105～106/cm3，與常溫條件下無(wú)異，脫氫酶活性平均達(dá)到80.8μgTF/ cm3，也處于良好狀態(tài)。上海的試驗(yàn)對(duì)溫度與去除NH3-N的影響，提出了生物塔濾NH3-N去除率常數(shù)Kr有：Kr=θ23.5-T(T≥23.5℃)或Kr=θ23.5-T(T≤23.5)，θ=1.09。上海在低溫條件下(5℃)仍有較好的除NH3-H效果：40%～50%，其他地區(qū)的試驗(yàn)去除率還更高，這是因?yàn)閬喯跛釛U菌和亞硝酸球菌均適合在2～40℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)，硝化桿菌也適合在5～40℃范圍內(nèi)生長(zhǎng)，由monod式μ=μmax·S/(Ks+S)可見(jiàn)，在溫度下降時(shí)，μmax減少，Ks也下降，因此硝化細(xì)菌對(duì)NH3-N的親合力得到加強(qiáng)，硝化細(xì)菌自身氧化分解速率隨溫度降低而變小，故能在較低水溫條件下，利用較小的能量進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。根據(jù)MeCarty等人的研究，要維持生膜法的穩(wěn)定運(yùn)行，必須保持出水中NH3-N有一個(gè)最小濃度Smin。根據(jù)計(jì)算，此最小濃度隨溫度上升而增加，因此低溫下有較小的Smin，從而使低溫條件下也有較高的去除率。
　　2.2　曝氣與溶解氧對(duì)生物氧化的影響
　　從表4數(shù)據(jù)可見(jiàn)，以塔式濾池的曝氣方式效率最高。水從塔頂多孔管灑滴在填料表面，形成流動(dòng)的水膜全部與空氣接觸，跌落2m后，DO即達(dá)85%飽和，跌落4m即達(dá)95%飽和。水流經(jīng)填料總計(jì)約1min，完成NH3-N及有機(jī)物的氧化，出水DO接近飽和，可見(jiàn)曝氣效率高，從而水力負(fù)荷高。生物轉(zhuǎn)盤依靠水面以上盤片及盤片對(duì)水的攪動(dòng)來(lái)吸收氧化，曝氣強(qiáng)度最差，因而水力負(fù)荷也最低。兩個(gè)接觸氧化池的曝氣效率及水力負(fù)荷居二者之間，彈性填料池用微孔膜曝氣器，氣水比0.5～0.7:1，陶粒池用多孔管曝氣管，氣水比1:1。水力負(fù)荷前者小些，后者大些，出水DO為2～4mg/L。前者的水力負(fù)荷小，估計(jì)是水的短路（不經(jīng)過(guò)填料）造成的。試驗(yàn)還證明即令是同一池型，出水DO高，凈水效率就好。
　　流化床由于受到上部塔式濾池（用作曝氣器，并有少量?jī)艋饔茫┏鏊瓺O的限制，在原水NH3-N及有機(jī)物濃度高時(shí)，凈水效率即下降。
　　2.3　水中有機(jī)物與NH3-N的相互影響
　　生物陶粒濾池試驗(yàn)證明異養(yǎng)菌對(duì)進(jìn)水有機(jī)物去除效率隨進(jìn)水有機(jī)物濃度上升而增加，自養(yǎng)菌對(duì)NH3-N去除率在進(jìn)水有機(jī)物濃度CODcr低于40.0mg/L時(shí)，影響不大，去除率能保持90%以上，在進(jìn)水有機(jī)物繼續(xù)上升時(shí)，去除率明顯下降，在進(jìn)水有機(jī)物濃度低時(shí)，TOC為4～12mg/L，進(jìn)水NH3-N上升時(shí)，異養(yǎng)菌對(duì)有機(jī)物的去除率呈上升趨勢(shì)，上升到一定程度后，趨于穩(wěn)定。
　　2.4　濁度對(duì)生物氧化效率的影響
　　生物陶粒試驗(yàn)證明在進(jìn)水濁度<150NTU，對(duì)去除OC、NH3-N無(wú)影響，但濁度增加，水頭損失增加，出水量減少，太大濁度會(huì)覆蓋生物膜，降低凈水效率，此時(shí)最好先進(jìn)行混凝沉淀，后進(jìn)行生物氧化處理。
　　2.5　水力負(fù)荷對(duì)生物氧化效率的影響
　　水力負(fù)荷增加，水與生物接觸時(shí)間減少，無(wú)疑會(huì)降低效率。塔式生物濾池水力負(fù)荷與去除NH3-N效率的關(guān)系服務(wù)從指數(shù)方程，水力負(fù)荷發(fā)生沖擊性變化，短時(shí)間內(nèi)會(huì)造成凈化效率降低。
　　2.6　生物氧化預(yù)處理工藝的不足
　　塔式濾池的試驗(yàn)證明，不能去除DDT、666等合成有機(jī)物，處理前后的毛細(xì)色譜峰圖無(wú)顯著區(qū)別，陶粒濾池試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有些有機(jī)污染物能去除，有些則不能去除。
　　生物氧化只能在一定程度上降低Ames致突變?cè)囼?yàn)的致突變率MR，但未見(jiàn)出現(xiàn)Ames陽(yáng)性水轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮?。生物處理后水，?jīng)加氯，MR又復(fù)升高，可見(jiàn)，欲使有機(jī)污染物較好地去除，達(dá)到Ames致突變陰性(MR<2)還須進(jìn)一步處理。
　　3　各生物氧化池型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
　　本文所涉及的5種類型的生物氧化池型，所處理的不是同一個(gè)原水，給技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較帶來(lái)了困難，但從OC及NH3-N兩個(gè)主要指標(biāo)來(lái)看，所處理的原水水質(zhì)（見(jiàn)表1）也可說(shuō)差異不大。此外，也可將5種池型的技術(shù)條件（表4）當(dāng)作經(jīng)優(yōu)化過(guò)的最佳條件，為此，可看作對(duì)5種池型的最佳條件的比較，應(yīng)是可行的。
　　5種池型所用填料不同，技術(shù)條件見(jiàn)表4；技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表5。 　　　　　　　　

　　注：*0.0083按盤原面積計(jì)算的水力負(fù)荷，(0.163)按氧化池面積計(jì)算

　　從表3、表4、表5可以看出：
　　(1)生物轉(zhuǎn)盤水力負(fù)荷最低，占地面積最大，盤片價(jià)也不低，運(yùn)行電耗最高。
　　(2)彈性填料接觸氧化池水力負(fù)荷也不高，只有2.23m3/m2·h，占地面積、氧化池體積較其余3種類型大。
　　另有兩次用同一個(gè)水源對(duì)彈性填料和陶粒濾料進(jìn)行的接觸氧化試驗(yàn)，一次用準(zhǔn)河水，一次用太湖水，也證明彈性填料凈水效率低于陶粒填料濾池。
　　(3)流化床由于填料比表面積大，水力負(fù)荷最高，其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的池型，但操作技術(shù)要求高。本文所介紹的流化床利用塔式濾池作曝氣器，進(jìn)入流化床的水DO最大為9～10mg/L，因之所能處理的NH3-N及OC就受到限制，只有改用人工曝氣，方可擴(kuò)大使用范圍。
　　(4)表3表明，塔式生物濾池除NH3-N效率與其他池型相似，但去除NO-2（未列入表3）及OC效率較差，這是因?yàn)樗綖V池中水的停留時(shí)間太短（幾分鐘）的緣故，廣州水司與市政工程中南院以YDT為填料進(jìn)行接觸氧化池（提高氣水比條件下）與塔式濾池的對(duì)比試驗(yàn)也證明如此。塔式濾池占地面積較陶粒池小，不需人工曝氣，不需沖洗，不需排泥。由于填料質(zhì)輕，可架設(shè)在混合絮凝池及沉淀池上方，操作管理方便，其占地面積與水廠砂濾池相當(dāng)，運(yùn)行電耗與陶粒池相差不大，陶粒濾池雖占地面積較塔式濾池增加一倍，但填料最少一倍，且價(jià)格較便宜，運(yùn)行電耗低。
　　總結(jié)以上各點(diǎn)，可以認(rèn)為當(dāng)前有實(shí)用價(jià)值的池型為塔式生物濾池、YDT接觸氧化池和陶粒接觸氧化池三種。三者各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合凈水效率、基建投資、運(yùn)行操作管理及表5技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件綜合對(duì)比決定之。

　　二　臭氧生物活性炭工藝

　　經(jīng)過(guò)生物預(yù)處理及水廠常規(guī)工藝處理后，水中低分子量的有機(jī)物如農(nóng)藥、致突變物、致癌物等尚未能全部去除，還需進(jìn)一步采用臭氧生物活性炭處理。臭氧可分解水中不可生化處理的有機(jī)物，使之轉(zhuǎn)化成可生化的簡(jiǎn)單的有機(jī)物，如羧酸、醛、酮等，也可分解有毒害物質(zhì)，然后在長(zhǎng)有生物膜的活性炭濾池過(guò)濾，使有機(jī)物得以通過(guò)生物氧化降解分解、吸附。我國(guó)北京、上海、哈爾濱、長(zhǎng)春、澳門、撫順等地進(jìn)行過(guò)不少工作。

　　注：*1硝基苯，BHC，有機(jī)碳。2 GCA—毛細(xì)色譜峰圖總面積。3 Ames試驗(yàn)與SCE（姊妹染色體交換試驗(yàn)）吻合。4 OTC—臭氧＋水廠常規(guī)處理＋生物活性炭濾池處理流程。5 TOCC1—水廠常規(guī)處理＋臭氧＋生物活性炭濾池＋加氯消毒流程。
　　1　臭氧生物活性炭處理工藝系統(tǒng)
　　采用臭氧生物活性炭濾池時(shí)，一般將臭氧加注點(diǎn)設(shè)在沉淀池前，如表6所示上海的試驗(yàn)，在砂濾池后設(shè)置生物活性炭濾池。也有將加臭氧點(diǎn)設(shè)在砂濾池后的，如表6哈爾濱的試驗(yàn)。也有兩處都加臭氧的，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有這方面的資料。臭氧生物活性炭處理設(shè)備包括臭氧發(fā)生器（含空氣凈化處理裝置）、加注裝置、接觸池、生物活性炭濾池等。生物活性炭池與一般砂濾池相仿，濾層厚2.0m，濾速10～20m/h。臭氧加注量視溶解性有機(jī)碳DOC而定，一般1mg/L的DOC需加O30.40mg/L。
　　2<　臭氧生物活性炭?jī)羲Ч?
　　表6為兩地試驗(yàn)資料，上海試驗(yàn)在水廠生產(chǎn)設(shè)備中進(jìn)行，臭氧加在混合絮凝池前，水經(jīng)沉淀、過(guò)濾，進(jìn)入生物活性炭濾池模型。哈爾濱試驗(yàn)，水經(jīng)水廠常規(guī)處理，濾池出水中加入臭氧，然后再經(jīng)生物活性炭池過(guò)濾。為便于說(shuō)明，用下列符號(hào)表示各工藝單元。
　　B——生物膜法氧化原水預(yù)處理；
　　O——加臭氧；
　　CI——加氯消毒或前加氯；
　　T——水廠常規(guī)處理；
　　C——生物活性炭濾池。
　　兩地原水不一樣，試驗(yàn)條件不一樣，上海加O3量較?。ㄐ∮?mg/L的DOC加O30.4mg/L），哈爾濱試驗(yàn)效果似乎更好一些，但有下列共同之處：
　　(1)能去除NH3-N；
　　(2)能去除有機(jī)物，減少消毒副產(chǎn)物的前體；
　　(3)活性炭池出水Ames試驗(yàn)為陰性——區(qū)別于生物氧化預(yù)處理的特點(diǎn)。
　　上海試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水NH3-N3.3mg/L時(shí)，活性炭濾池出水NO-2-N高至1.7mg/L，而哈爾濱試驗(yàn)在NH3-N為1.05mg/L時(shí)，去除率僅為43%，說(shuō)明活性炭池中氧化或供氧能力不足，當(dāng)然也就影響了有機(jī)物的氧化。為此上海試驗(yàn)的后期不得不在生物炭池的出水中充入空氣并再增加第二級(jí)生物活性炭濾池。
　　3　對(duì)臭氧生物活性炭過(guò)濾工藝的評(píng)價(jià)
　　此工藝凈水效果良好，能使出水Ames致突變?cè)囼?yàn)為陰性。為充分發(fā)揮活性炭的作用，進(jìn)入活性炭池的水，要預(yù)先將NH3-N去除，否則異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌之間的競(jìng)爭(zhēng)，將影響凈水效率。能否省略臭氧？能否用生物陶粒濾池代替生物活性炭濾池？因?yàn)槌粞鹾突钚蕴績(jī)r(jià)格都較昂貴。

　　三　生物氧化預(yù)處理原水與臭氧生物活性炭過(guò)濾組合工藝的研究

　　生物氧化預(yù)處理原水去除NH3-N及部分有機(jī)物后，經(jīng)過(guò)水廠常規(guī)處理，再經(jīng)臭氧（或不加臭氧）活性炭濾池過(guò)濾以去除上道工序未能去除的有機(jī)物（包括有毒、有害、致突變物等），幾道工序，相輔相成將構(gòu)成一個(gè)較為理想的水質(zhì)深度處理體系，為此作者進(jìn)行不同組合工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)整理所得工藝組合去除水中有機(jī)物的濃度（貢獻(xiàn)）列如表7。表中的B系塔式生物濾池預(yù)處理工藝，Ames致突變?cè)囼?yàn)見(jiàn)圖。

　　由表7可見(jiàn)，在去除水中的DOC、CODcr和降低GCA方面，加臭氧的OT、BTOC和BTOCC1與不加臭氧的BT、BTC和BTCC1大體相同，在降低UV消光值方面OT、BTOC和BTOCC1比BT、BTC和BTCC1貢獻(xiàn)要略微大一些。隨著后續(xù)處理工藝的進(jìn)行，差距逐步縮小。CHCI3、CCI4和NH3-N經(jīng)BT處理的貢獻(xiàn)比OT大。經(jīng)過(guò)生物氧化預(yù)處理的各個(gè)組合工藝BTC、BTCC1去除有機(jī)物方面比BTOC、BTOCC1稍微差一些，即加臭氧的作用似乎不明顯。
　　在Ames致突變性方面，加氯前BTC、BTOC工藝出水為陰性或弱陽(yáng)性，加氯后的BTCC1則變成了弱陽(yáng)性，而B(niǎo)TOCC1則仍為陰性。以淮河水為原水的BTCC1及BTOC1組合工藝試驗(yàn)證明，兩工藝在去除水中DOC及微量有機(jī)物、致突變性方面也有良好的結(jié)果。
　　上述分析表明，以BT代替OT，BTCC1代替BTOCC1去除有機(jī)物的效果基本相同，而在去除致突變物方面稍差一些，若將BTCC1組合中常規(guī)處理工藝T加以強(qiáng)化，則出水水質(zhì)與BTOCC1相同是可能的。設(shè)想強(qiáng)化常規(guī)工藝的途徑是：沉淀池中加斜板，以降低出水濁度。并賦予生物氧化功能；降低濾池濾速進(jìn)一步降低濁度。一些資料證明，這些都有利于降低有機(jī)物濃度，降低Ames致突變率MR值?；钚蕴繛V池改用陶粒濾池，從而形成一個(gè)既不用臭氧，又不用活性炭的投資省、效果好的水質(zhì)深度的處理組合工藝體系。當(dāng)然這些還需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

　　四　初步結(jié)論

　　生物氧化去除水中有機(jī)污染物是行之有效的水處理工藝。目前我國(guó)除北京市田村山水廠生產(chǎn)上已采用臭氧生物活性炭外，其他水廠尚處于試驗(yàn)研究階段，應(yīng)在過(guò)去工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究，并著重在采用陶粒濾料和不用或少用臭氧上下功夫，強(qiáng)化常規(guī)處理工藝，為處理污染水源水，供應(yīng)優(yōu)質(zhì)水而做出應(yīng)有的努力。（本文經(jīng)中國(guó)水協(xié)優(yōu)秀論文評(píng)選委員會(huì)第一次會(huì)議評(píng)選為二等獎(jiǎng)）。

　　參考資料：
　　1《上海環(huán)境科學(xué)》雜志；
　　2《給水排水》雜志；
　　3《中國(guó)給水排水》雜志；
　　4《凈水技術(shù)》雜志；
　　5《給水深度處理研究會(huì)》；
　　6《First Workshop on Water Treatment》magazine；
　　7《Water and Wastewater》magazine；
　　8生物接觸氧化預(yù)處理技術(shù)成果報(bào)告；
　　9蚌埠市飲用水水質(zhì)改善的實(shí)驗(yàn)研究；
　　10飲用水生物預(yù)處理陶粒與彈性填料接觸氧化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究；
　　11北京焦化廠地表水水質(zhì)改善試驗(yàn)研究；
　　12關(guān)于應(yīng)用常規(guī)水處理工藝去除水中有機(jī)物的研究報(bào)告。

（本文載自《城鎮(zhèn)供水》1997年第4期）