李偉英?張玉先
同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上?！?00092

　　摘　要：分析了國內(nèi)現(xiàn)有的給水微生物預(yù)處理運(yùn)行資料，闡述了生物預(yù)處理中接觸氧化法的機(jī)理，討論了參與生物預(yù)處理的微生物的種類及其作用，指出了生物預(yù)處理的優(yōu)缺點(diǎn)及今后應(yīng)重點(diǎn)解決的問題。
　　關(guān)鍵詞：給水；預(yù)處理：生物相；生物膜；微污染
　　中圖分類號：TU991
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2000)03-0007-04

Effect of Biological Phase in the Process of Biological Pre-treatment of Feed Water
LI Wei-ying，ZHANG Yu-xian

　　Abstract：Operating data of existing microorganism pre-treatment facilities for water supply in China are studied.Mechanism of contact-oxidation process in biological pre-treatment is expounded.Type and of the micro-organisms participating in the pre-treatment are discussed.Advantages and disadvantages of biological pre-treatment are analyzed,and key issue to be tackled in the future are pointed out.
　　Key words：feed water；pre-treatment；biological phase；biological membrance；micro-pollution

概述

　　大量污水的排放使水源受到嚴(yán)重污染。飲用水水質(zhì)狀況與人類肝癌、食道癌和胃癌等發(fā)病率呈正相關(guān)^[1]。水污染問題不但是世界范圍的問題^[2]，而且已成為我國重大環(huán)境問題之一。
　　水體被污染后，傳統(tǒng)飲用水處理工藝不能有效地去除水中微量有機(jī)污染物。許多城市的供水在水質(zhì)較差的季節(jié)均不盡人意，Ames致突變試驗(yàn)結(jié)果常呈陽性。我國徐祥寬等人^[3]研究發(fā)現(xiàn)，長期飲用氯消毒自來水比不飲用的人死于消化和泌尿系統(tǒng)癌癥的危險(xiǎn)性大。因此，現(xiàn)行給水處理工藝亟待改進(jìn)，而生物預(yù)處理是有效的處理工藝方法之一。
　　生物處理工藝有許多形式，如活性污泥法、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤和氧化溝等，以往總是應(yīng)用于城市污水處理之中。７０年代以來，生物處理工藝被越來越廣泛地用于城市給水處理中成為處理微污染原水的有效手段之一。該工藝主要有生物接觸氧化法、生物濾池氧化法、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床、生物活性炭濾池、膜生物反應(yīng)器、生物陶粒技術(shù)、電生物反應(yīng)器等形式。本文擬就生物接觸氧化法處理微污染原水工藝處理機(jī)理和生物膜中的生物相作一簡要討論。

1　接觸氧化預(yù)處理機(jī)理

　　生物接觸氧化法處理工藝就是在常規(guī)物理化學(xué)處理工藝前增設(shè)生物接觸氧化處理裝置，借助于裝置中微生物群體(生物膜)的新陳代謝去吸收、分解和利用水源中各種污染物。出水水質(zhì)的改善是由曝氣氧化、生物降解和生物絮凝三方面協(xié)同作用完成的。經(jīng)接觸氧化預(yù)處理的水，既改善了混凝沉淀性能，使后續(xù)工藝順利進(jìn)行，又減少了水中的“三致”物，降低了致突變活性，改善了出水質(zhì)量，減少了細(xì)菌在管網(wǎng)中重新孽生的可能性。

2　生物相的種類與分布

2.1　生物相生成及其工藝參數(shù)
　　生物膜法的微生物是以生物膜形態(tài)附著在固體填料表面上，因此種類繁多的微生物是生物膜法凈化水的工作主體。生物相的組成與性質(zhì)特點(diǎn)，在膜法處理工藝中起著重要作用，對生物相的研究與分析可以讓我們從微生物角度考慮工藝中設(shè)備設(shè)計(jì)的條件和參數(shù)以及對工藝進(jìn)行合理化運(yùn)行管理及技術(shù)革新。顯然，控制好環(huán)境條件就可控制池中的優(yōu)勢菌群，從而增加或減少某一菌種類型的數(shù)目。
　　我國先后在上海、深圳、寧波、珠海、杭州等地開展生物預(yù)處理工藝研究。部分研究成果列于表1。

表1 凈水生物預(yù)處理工藝生物相研究實(shí)例及其有關(guān)運(yùn)行參數(shù) 　 陳洪斌^[12] 湯利華^[13]許建華等^[1] 周建平^[14] 陸俊炯^[15] 　余淦申^[16] 黃曉東等^[6] 研究水源 東深微污染源水生物預(yù)處理（以深圳水庫為水源水） 寧波梅林水廠（以姚江水為源水） 無錫市市充山水廠（以太湖流域富營養(yǎng)化的梅梁湖為源水） 祥符水廠（以京杭運(yùn)河為源水） 杭州玻璃總廠工業(yè)用水（以京杭大運(yùn)河杭段水為源水） 珠江水污染水源 處理工藝 生物接觸氧化工藝 生物接觸氧化工藝 生物接觸氧化工藝 生物接觸氧化工藝 厭氧、缺氧生物接觸氧化工藝 生物陶粒反應(yīng)器 生物膜特點(diǎn)及生物相 ①成熟生物膜平均厚度在0.04-0.15mm；②成熟生物膜呈褐色至深褐色；③有八個(gè)門的動(dòng)物出現(xiàn)，種類繁多，絕大多數(shù)屬清水型動(dòng)物；④優(yōu)勢動(dòng)物種有鐘蟲、累枝蟲、蓋纖蟲、輪蟲、環(huán)節(jié)動(dòng)物、臺(tái)蘚蟲等；⑤生物膜沿池程分布呈倒金字塔 ①成熟生物膜平均厚度為0.1-0.3mm；②成熟生物膜呈黃褐色；③表層生物膜中可見大量藻類，下層生物膜中藻類數(shù)量明顯減少；④在上下層生物膜中觀察到鐘蟲；⑤在上下層生物膜中觀察到硝化桿菌，下層數(shù)量比上層數(shù)量明顯多 ①彈性填料上為一層褐色薄膜；②較多菌膠團(tuán)出現(xiàn)，并有大量分泌物；③以纖毛蟲和輪蟲為代表的原生動(dòng)物活躍 ①生物膜手感滑潤；②生物膜較厚，鏡檢有大量菌膠團(tuán)、絲狀菌、藻類、釧蟲、纖毛蟲；③生物膜上還有多種種屬的原生動(dòng) ①有效強(qiáng)的腥臭味；②有大量的菌膠團(tuán)存在，有些菌體個(gè)體飽滿，顏色透明；③系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，還有少量的輪蟲等后生動(dòng)物出現(xiàn) ①陶粒表面及陶粒與陶?？障吨g都生長出典型的菌膠團(tuán)生物膜，其間穿插生長著一絲絲狀菌；②生物膜內(nèi)和周圍可見一些原生動(dòng)物及形體更大的后生動(dòng)物；③反應(yīng)器內(nèi)的細(xì)菌主要是分營養(yǎng)菌，其優(yōu)勢菌種為假單胞菌屬；④后生動(dòng)物有輪蟲和線蟲；⑤原生動(dòng)物有鐘蟲和等枝蟲 掛膜方式 自然富集培菌掛膜方式 自然培菌掛膜方式 自然培菌掛膜方式 自然培菌掛膜方式 動(dòng)態(tài)接種培菌方式。培菌的混合液由食堂生活廢水和水源河水組成 外加營養(yǎng)源強(qiáng)化接種掛膜方式：補(bǔ)一定量葡萄糖，尿素和磷酸二氫鉀 工藝參數(shù) HRT=60min
氣水比：
1.2:1-1.7:1
水溫方式：穿孔管曝氣
生物膜培養(yǎng)時(shí)間：
15-2d（25℃以上）；30d(25℃以下）
填料：YTD型彈性立體填料、TA波形填料、PWT網(wǎng)狀立體填料 HRT=90min
氣水比：
1.1:1-3.1:1
水溫：24.5℃
曝氣方式：
逆流穿孔管曝氣
生物膜培養(yǎng)時(shí)間：7-12d
填料：YTD型彈性立體填料 氣水比：0.7:1-1.0:1
水溫：15℃-28.4℃
曝氣方式：微孔曝氣
生物膜培養(yǎng)時(shí)間：13-16d
采用顆粒和彈性立體填料 HRT=72min
氣水比：11.4:1-2.6:1，運(yùn)行中平均為5.77:1水溫：22-24℃
曝氣方式：微孔曝氣和穿孔管曝氣
生物膜培養(yǎng)時(shí)間：＞9d
填料：YTD型彈性立體填料 缺氧池氣水比=1：1,
溶解氧為0.5mg/L；
好氧池氣水比=2:1
溶解氧為4mg/L
曝氣方式：環(huán)狀穿孔管曝氣
生物膜培養(yǎng)時(shí)間：15d,2個(gè)月后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。采用YTD型彈性立體填料 HRT=30min
氣水比=1.1
氣溫：T=
曝氣方式：逆流曝氣
生物膜培養(yǎng)時(shí)間：8d，填料：采用頁巖燒結(jié)陶粒 部分物質(zhì)去除率 ηCODMn=10%-30%
ηNH₃-N≥75%
ηBOD₅=5.76%-66.2% ηCODMn=20%-30%ηNH₃-N＞90
ηTOC=22%
ηCODcr＞25%-35% 顆粒填料：
ηCODMn＞25%
ηNH₃-N＞75%
ηNO₂-N＞65%
彈性填料：ηCODMn＞30%
ηNH₃-N＞65%
ηNO₂-N＞60% ηCODMn＞20%
ηNH₂-N＞60%
濁度去除率大于86% ηCODMn=67%-73%
ηNH3-N＞70%
混濁度由35-90度降為0.5-3度 ηCODcr=29.3%
ηNH₂-N=92.7%
ηBOD₅=90.1%
ηOC=36.6% 備注 出現(xiàn)椎絲螺和苔蘚蟲等特殊微生物 初次掛膜時(shí)間較長 顆粒填料見效快，在低溫下（＜10℃，自然掛膜不成功） 中試結(jié)果 處理后水作為工業(yè)用水 掛膜期間水力停留時(shí)間為60min氣水比為2:1

2.2　生物相的分析及作用
　　從表1及實(shí)際運(yùn)行中不難發(fā)現(xiàn)，生物膜培養(yǎng)與掛膜過程意義重大。研究生化操作中群落的一般性質(zhì)操作環(huán)境是非常有益的。在不同的生物處理工藝中，由于生態(tài)環(huán)境及外界條件不同，微生物種類、數(shù)量和代謝活性等方面都不相同，微生物之間形成了相互關(guān)聯(lián)和互相制約的動(dòng)態(tài)平衡體系，這個(gè)體系直接影響、決定著處理效率。從表1中，可以發(fā)現(xiàn)，在掛膜過程完成后，隨著處理時(shí)間的延續(xù)，已成熟的生物膜上先后出現(xiàn)原生動(dòng)物、后生動(dòng)物、菌膠團(tuán)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，均有輪蟲和線蟲出現(xiàn)。生物膜成熟程度的標(biāo)志，有的是以氨氮藻類的去除率分別為50％和40％[4][5]為標(biāo)準(zhǔn)，有的是以鏡檢（外觀看到黃色生物膜）和CODcr的去除率為50％[6][7]為標(biāo)準(zhǔn)或以氨氮的去除率為75％、CODMn的去除率為25％[8]為標(biāo)準(zhǔn)，這些結(jié)論均帶有普遍性和規(guī)律性。
　　前蘇聯(lián)M.H.羅特米斯特羅夫等[9]人也認(rèn)為在生物膜上有細(xì)菌的動(dòng)膠團(tuán)（亦稱菌膠團(tuán)）、絲狀菌和真菌聚集，并指出生物膜上的動(dòng)膠團(tuán)與活性污泥內(nèi)的動(dòng)膠團(tuán)相同，這與我國有關(guān)人員的研究基本相同[1][11]。生物膜上的真菌中占優(yōu)勢的是水生鐮刀霉
等，真菌與其它微生物相比能夠有效地去除有機(jī)質(zhì)，但是當(dāng)真菌發(fā)育特別旺盛時(shí)就會(huì)堵塞填料通道，造成處理水水質(zhì)變差。
2.2.1 原生動(dòng)物的指示與代謝作用
　　從系統(tǒng)運(yùn)行初到運(yùn)行一段時(shí)間觀察，生物膜上的生物均是由低等向高等演化的，其原因是低等生物對環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。因此，系統(tǒng)剛剛運(yùn)行時(shí)，只見大量的細(xì)菌，其他微生物很少或不出現(xiàn)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行和生物膜降解良好時(shí)，相應(yīng)地出現(xiàn)許多較高等的微生物。生物相中占優(yōu)勢的原生動(dòng)物以固著性的纖毛蟲為主，如鐘蟲、小口鐘蟲、等枝蟲等。其次還有游泳性纖毛蟲（如豆形蟲）和葡匐性（如循纖蟲）等。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，生物膜上的生物相也相對穩(wěn)定，細(xì)菌與原生動(dòng)物之間存在著制約關(guān)系。這是因?yàn)樵鷦?dòng)物（如鐘蟲）吞噬細(xì)菌抑制細(xì)菌群體的蔓延，而細(xì)菌被破壞后又要不斷繁殖生長，這就需要以水源中的有機(jī)物為食料，進(jìn)而達(dá)到凈化水的目的。
　　如果設(shè)備營養(yǎng)狀況有較大的改變，即系統(tǒng)非正常運(yùn)行時(shí)，則原生動(dòng)物中固著型鐘蟲、等枝蟲突然消失，伴隨著絲狀菌稀少和菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)松散，此時(shí)出水水質(zhì)變差[10]
2.2.2 微型后生動(dòng)物的指示與代謝作用
　　在生物接觸氧化法中的生物膜上存在著大量的后生動(dòng)物如輪蟲、線蟲。紅斑瓢體蟲等。這些是以食死肉為主的動(dòng)物，能軟化生物膜、促使生物膜脫落，從而經(jīng)常保持生物膜的活性和良好的凈化功能。當(dāng)輪蟲等后生動(dòng)物數(shù)量多且活躍躍,個(gè)體肥大，則處理效果好；反之，處理效果差。生物是由低等向高等演化的，低等動(dòng)物對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，如細(xì)菌，一般在生化處理初期對生物膜上生物相鏡檢的結(jié)果只有大量的細(xì)菌，其他微生物很少或不出現(xiàn)；而較高等生物則相反，隨著生物處理逐漸成熟，且系統(tǒng)運(yùn)行更趨穩(wěn)定時(shí)，生物膜上便相應(yīng)地出現(xiàn)許多較高等微生物，例如鐘蟲和輪蟲等，它們對溶解氧和毒物特別敏感，這也與實(shí)際運(yùn)行情況相符，牧可以以原生動(dòng)物和微型后生動(dòng)物是否出現(xiàn)為準(zhǔn)，根據(jù)它們活動(dòng)規(guī)律判斷出水水質(zhì)和生物水處理效。
2.2.3 特殊動(dòng)物的指示與代謝作用
　　凡能凝聚呈絨粒的細(xì)菌統(tǒng)稱為苗膠團(tuán)屬，是低等細(xì)菌建立的膠粘物。菌膠團(tuán)具有很強(qiáng)的吸附能力和分解能力，使有機(jī)物無機(jī)化。它對有機(jī)物的吸附和分解為原生動(dòng)物和微型后生動(dòng)物提供了良好的生存環(huán)境和附著場所[12]。新生菌膠團(tuán)顏色淺。透明、結(jié)構(gòu)緊密、生命力旺盛，吸附和氧化能力強(qiáng)；而老化的菌膠團(tuán)則與之相反。因此，通過菌膠團(tuán)的顏色、透明度等外觀情況可以初步判斷生物膜中微生物生長情況。
　　在東深水源處理中[13]，首次出現(xiàn)了椎絲螺這一較高級的無脊椎動(dòng)物，椎絲螺屬軟體動(dòng)物的腹足類，喜居棲含氧高、食料豐富的靜水環(huán)境，易在池內(nèi)生長。數(shù)量稀少時(shí)，對生物膜危害少，對生物預(yù)處理有促進(jìn)作用；但若大量生長，則對生物預(yù)處理不利。

3 結(jié)語

3.1 生物預(yù)處理的優(yōu)點(diǎn)
　　生物膜指示作用為給水生物處理工藝的運(yùn)行調(diào)控提供快速監(jiān)測手段，工藝所具備的特點(diǎn)，使得生物預(yù)處理工藝能夠：
　?、俳?jīng)濟(jì)有效地去除微污染水源中的有機(jī)物、氨氮、藻類等，降低濁度，不產(chǎn)生“三致”物。
　?、跍p少混凝劑和消毒劑的用量，降低制水成本。
　　③可利用原水池或河道作為處理構(gòu)筑物。
　?、軐C、濁度的去除受沖擊負(fù)荷影響較小。
3.2 生物預(yù)處理的缺點(diǎn)
　　隨著該工藝中諸如曝氣等設(shè)備添置，出現(xiàn)了新的問題，其中主要有：
　　①需增設(shè)曝氣設(shè)備和填料沖洗設(shè)備。
　　②生物處理運(yùn)行效果受到諸多因素影響，尤其是水質(zhì)、水溫、操作管理水平高低的影響，低溫運(yùn)行不利。
　　③與常規(guī)工藝比，需要一定的成熟期。
　　綜上所述，若選擇生物處理工藝且使其處理效率高，須更加深人了解微生物種類及其相互作用關(guān)系、生長環(huán)境條件及其控制等因素，這是今后著重重視并亟待解決的問題。

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作者簡介：
　　李偉英（1968－），女，博士，聯(lián)系電話021－65985982
　　張玉先（1947－），男，教授