龍小慶1 王占生1 顧玉其2 富良2
（1.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 100084 2.浙江平湖自來(lái)水公司 314200） 提 要：本文以南方某市水廠的沉淀池出水為對(duì)象，研究在原水預(yù)加氯情況下，生物活性濾池的去除特性和機(jī)理，并成功地將水廠砂濾地改造為生物活性濾池。結(jié)果表明：（1）生物活性濾地出水無(wú)異味，濁度低于1NTU，當(dāng)進(jìn)水中溶解氧在6－8mg／L以上時(shí)，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率均達(dá)80％以上，耗氧量最終去除率穩(wěn)定在20％左右；（2）運(yùn)行初期，活性濾料對(duì)有機(jī)物的去除以物理吸附為主，正常運(yùn)行后，隨著吸附的逐漸飽和與活性濾料上微生物的增長(zhǎng)，是活性濾料的吸附與其上生物膜的降解、粘附絮凝等共同作用（以生物膜降解作用為主），使耗氧量去除維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平；（3）當(dāng)進(jìn)水有余氯時(shí)，生物活性濾池仍有凈化作用，氨氮、耗氧量等是沿程逐步降低，亞硝酸鹽氮?jiǎng)t是先升高后降低；（4）反沖洗強(qiáng)度適當(dāng)對(duì)生物活性濾池有利無(wú)害；（5）將水廠現(xiàn)有普通砂濾池改造為生物活性濾池，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。尤其對(duì)于資金短缺的水廠，更具經(jīng)濟(jì)意義。
關(guān)鍵詞 微污染水源水 生物活性濾池 強(qiáng)化過(guò)濾 預(yù)加氯 水廠改造 目前很多自來(lái)水廠的水源已遭受生活污水和工業(yè)廢水的污染，而常規(guī)水處理上藝對(duì)水中有機(jī)物、氨氮等污染物的去除能力有限，使得水廠出水有機(jī)物濃度高（導(dǎo)致飲用水生物不穩(wěn)定，易使輸配水管道中細(xì)菌滋長(zhǎng)）、氨氮濃度高（使后加氯量增加，并使消毒副產(chǎn)物增多，提高致癌風(fēng)險(xiǎn)人嗅味大等[1]。另一方面，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高，我國(guó)衛(wèi)生部最近頒布了《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》，自今年九月一日起施行。因此，水廠改造已成為廣大水處理工作者面臨的緊迫任務(wù)，而目前最經(jīng)濟(jì)可行的方法是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。
生物活性濾池由原有砂濾池改造而成，目的是讓濾料既能去除濁度，又能降解有機(jī)物。氨氮、亞硝酸鹽氮等。本文以中國(guó)南方某市水廠的沉淀池出水為對(duì)象，研究在原水預(yù)加氯情況下（余氯為0.3-0.7mg/L)生物活性濾池的去除特性和機(jī)理，并將之應(yīng)用于生產(chǎn)，為其它水廠的改造提供有益的借鑒。 1 研究對(duì)象 本文以南方某市水廠的沉淀池出水為研究對(duì)象。該水廠的水源水取自貫穿該市的一條河流，已受到一定程度的污染。主要表現(xiàn)在濁度高、散發(fā)土腥味。氨氮和耗氧量較高。經(jīng)預(yù)加氯、混凝、沉淀。再加氯、過(guò)濾、消毒等常規(guī)工藝處理后，除濁度外，嗅味、氨氮及CODMn等都不盡如人意。具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。 表1 試驗(yàn)期間水廠主要水質(zhì)指標(biāo)平均值水樣 | 項(xiàng)目 | | 濁度（NTU） | 臭味 | NH4+-N（mg/L） | CODMn
(mg/L) | | 原水 | 98.9 | 2-3級(jí) | 2.40 | 8.65 | | 沉淀池出水 | 2.20 | 1-2級(jí) | 1.67 | 5.91 | | 水廠出水 | 0.88 | 1-2級(jí) | 1.56 | 5.46 | 2 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件 試驗(yàn)裝置如圖1所示。其中圓柱由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為10cm，活性濾料層高60cm，砂層高30cm（粒徑分布為0.5-1.2mm），承托層高30cm，反沖出水門(mén)在濾料上方80cm處，并沿程設(shè)有取樣口。運(yùn)行時(shí)濾速取6－8m／h，工作周期為48－72h，反沖時(shí)控制整個(gè)濾料層膨脹率為25-35％，反沖時(shí)間5－6min。 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 3.1 對(duì)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的去除 表2 生物活性濾池的去除效果水樣 項(xiàng)目 | 生物活性濾池 | | 出水 | 去除率% | | 臭味 | 無(wú)異味 | / | | 濁度（NTU） | 0.65 | 70.5 | | NH4+-N（mg/L) | 0.22 | 86.8 | | NO2--N(mg/L) | 0.010 | 82.5 | | CODMn(mg/L) | 4.65 | 21.3 | 生物活性濾池對(duì)水廠沉淀出水的處理效果見(jiàn)表2。對(duì)比表1和表2可見(jiàn)：（1）出水濁度低于1NTU。這主要是由于濾料上生物膜的絮凝粘附作用可有效地促進(jìn)微細(xì)顆粒的去除，所以盡管活性濾料空隙率大于石英砂，但濾后水濁度仍較低；（2）運(yùn)行初期，生物活性濾池和普通砂濾池對(duì)氨氮的去除率相差不大，出水亞硝酸鹽氮濃度反而略有增加。但當(dāng)掛膜成功后，氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率達(dá)80％以上，這是普通砂濾池?zé)o法達(dá)到的；（3）CODMn的去除率在運(yùn)行初期是較高的（約為50％），隨著時(shí)間的推移，去除率逐漸降低，最后穩(wěn)定在20％左右。這是由于活性濾料吸附能力下降和其上生物膜逐漸成熟的結(jié)果。
為進(jìn)一步弄清生物活性濾池的凈水規(guī)律，沿程取樣測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖2。 
由圖2可見(jiàn)，余氯沿程迅速被去除，這為微生物的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境，氨氮和耗氧量濃度沿程逐步降低，亞硝酸鹽氮濃度則是先升高后降低。為了解釋這個(gè)規(guī)律，測(cè)定了不同濾料層中的亞硝化菌和硝化菌數(shù)量，結(jié)果見(jiàn)表3。 表3 亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌的沿程分布| | 進(jìn)水含氯 | 進(jìn)水無(wú)氯 | | 取樣高度（cm) | 5 | 50 | 80 | 5 | 80 | | 亞硝化細(xì)菌（個(gè)/毫升濾料） | 1.25×106 | 1.25×105 | 2.25×105 | 1.25×106 | 2.25×105 | | 硝化細(xì)菌（個(gè)/毫升濾料） | 3.75×102 | 1.0×103 | 1.5×104 | 7.5×104 | 2.25×105 | 由表3可見(jiàn)，原水預(yù)加氯對(duì)亞硝化菌的沿程分布影響不大，硝化菌則受到較大的影響，它主要分布在下層濾料，尤其是在砂層中。
以上數(shù)據(jù)表明，即使生物活性濾池進(jìn)水中有氯，它仍有較強(qiáng)的生物作用。這主要是由于一方面活性濾料能脫氯，大大減弱了余氯對(duì)下層濾料中微生物的殺傷，同時(shí)它具有較大的比表面積，表面較粗糙，能富集有機(jī)物和溶解氧等，這些都為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了良好的條件。另一方面，一旦掛上膜后，由于生物膜上微生物的長(zhǎng)期固定培養(yǎng)，它們對(duì)各種不利環(huán)境因素有較強(qiáng)的適應(yīng)性，比單體細(xì)胞對(duì)消毒劑具有更強(qiáng)的抵抗能力[1]，其中亞硝化菌膠團(tuán)比硝化菌膠團(tuán)更耐氯一些。而砂粒是惰性材料，不能去除水中余氯，因此，當(dāng)進(jìn)水中有氯時(shí)，掛膜較為困難。
另外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性濾池進(jìn)水中溶解氧低于6mg/L時(shí)，對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮和耗氧量等去除效果不理想，此時(shí)需增加曝氣設(shè)備。
3.2 對(duì)TOC、DOC、BDOC、NBDOC及UV254的去除
圖3為生物活性濾池與砂濾對(duì)這些指標(biāo)的去除率。  圖3表明，運(yùn)行初期，生物活性濾池對(duì)有機(jī)物有較好的去除作用。三個(gè)月左右，除BDOC以外，其它有機(jī)物指標(biāo)的去除率均有所下降，尤其是NBDOC的去除率不到10％。數(shù)據(jù)說(shuō)明，運(yùn)行初期，是活性濾料的物理吸附作用占主導(dǎo)地位，而穩(wěn)定運(yùn)行后，則是吸附和生物膜的降解、粘附絮凝等共同發(fā)揮作用，其中以生物膜降解作用為主。
3.3 反沖洗的影響
反沖洗是濾池運(yùn)行的關(guān)鍵，也是生物活性濾池工藝的技術(shù)難點(diǎn)之一，要求既能去除積泥，又保持一定的生物膜。表4為不同膨脹率反沖出水濁度隨時(shí)間的變化。
表4表明，控制膨脹率在30％左右、反沖5－6分鐘是可以將生物活性濾池中的積泥沖掉。 表4 不同膨脹率反沖出水濁度隨時(shí)間的變化（單位：NTU）時(shí)間 膨脹率 | 1分鐘 | 2分鐘 | 3分鐘 | 4分鐘 | 5分鐘 | 6分鐘 | 沖后水頭損失（cm) | | 20% | 178.0 | ＞1000 | 177.6 | 148.2 | 92.1 | 91.1 | 19.5 | | 30% | ＞1000 | 181.3 | 136.1 | 38.8 | 33.4 | 28.9 | 17.5 | | 40% | ＞1000 | 172.4 | 86.5 | 42.1 | 29.9 | 20.9 | 17.0 | 表5為反沖前后生物活性濾池的出水水質(zhì)。 表 反沖前后的出水水質(zhì)項(xiàng)目 水樣 | 濁度（NTU） | NH4-N（mg/L) | NO2-N(mg/L) | CODMn(mg/L) | | 反沖前 | 0.63 | 0.17 | 0.017 | 4.60 | | 反沖后 | 0.91 | 0.19 | 0.013 | 4.44 | 從表5可見(jiàn)，在上述操作條件下，反沖洗對(duì)生物活性濾池?zé)o不利影響。這說(shuō)明適當(dāng)?shù)姆礇_洗不僅可沖去濾料間積泥，還可沖掉老化的生物膜，有利于生物膜保持較高的活性。有研究已證明[1]，當(dāng)生物膜厚大于最佳膜厚時(shí)（對(duì)應(yīng)于最大處理效率），盡管膜的總量在增加，但活性卻降低很快，造成處理效率下降。
另外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，反沖時(shí)活性濾料層與砂層分層良好，僅在交界面處有輕度混雜現(xiàn)象。
3.4 工程改造
根據(jù)上述試驗(yàn)得出的設(shè)計(jì)參數(shù)，水廠將一個(gè)砂濾池改造為生物活性濾池，改造投資約為20元／m3／d。原水經(jīng)過(guò)水廠預(yù)曝氣池，進(jìn)入生物活性濾池前，水中溶解氧有6-8mg／L。 表6為改造后生物活性濾池運(yùn)行與水廠砂濾池去除效果比較。| | 沉淀出水 | 生物活性濾池 | 砂濾池 | | 濁度（NTU） | 2.06 | 0.65(68.5%) | 0.68(67.0%) | | 嗅味 | 土腥味2級(jí) | 無(wú) | 土腥味1級(jí) | | NH4-N(mg/L) | 2.08(水廠砂濾進(jìn)水1.80) | 0.22(89.4%) | 1.66(7.8%) | | NO2-N(mg/L) | 0.115(水廠砂濾進(jìn)水0.005) | 1.5(/) | 0.005 | | CODMn(mg/L) | 6.87 | 5.58(18.8%) | 6.25(9.0%) | 表中單列出了砂濾進(jìn)水時(shí)的數(shù)值。后兩列括號(hào)中為該處理單元的去除率。
由表6可見(jiàn)，除亞硝酸鹽氮外，其它水質(zhì)指標(biāo)的去除情況與試驗(yàn)基本一致。生物活性濾池出水亞硝酸鹽氮濃度增加的原因是，將水廠砂濾出水與生物活性濾池出水的混合水（余氯為1-2mg/L）作為生物活性濾池的反沖水，由于硝化菌受余氯影響較大，它難以在下層砂濾料生長(zhǎng)繁殖，而運(yùn)行時(shí)進(jìn)水又有余氯，這樣硝化菌在整個(gè)濾料層都難以生長(zhǎng)繁殖，從而無(wú)法轉(zhuǎn)化水中亞硝酸鹽氮，而氨氮又不斷被氧化成亞硝酸鹽氮，最終導(dǎo)致出水的亞硝酸鹽氮濃度升高（試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這影響了耗氧量的測(cè)定，使結(jié)果偏大）。與此同時(shí)運(yùn)行的試驗(yàn)柱對(duì)亞硝酸鹽氮的去除率卻在80％以上（用無(wú)氯水反沖）。 3 結(jié)論 ?。?）生物活性濾池出水無(wú)異味，濁度低于1NTU，當(dāng)進(jìn)水中溶解氧在6－8mg/L以上時(shí)，氨氮、亞硝酸鹽氮去除率均達(dá)8O％以上，耗氧量最終去除率穩(wěn)定在20%左右；
?。?）運(yùn)行初期，活性濾料對(duì)有機(jī)物的去除以物理吸附為主。正常運(yùn)行后，隨著吸附的逐漸飽和與活件濾料上微牛物的增長(zhǎng)，是活性濾料的吸附與其上生物膜的降解、粘附絮凝等共同作用（以生物膜降解作用為主），使耗氧量去除維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平； ?。?）當(dāng)進(jìn)水有余氯時(shí)，生物活性濾池仍有凈化作用，氨氮、耗氧量等是沿程逐步降低，亞硝酸鹽氮?jiǎng)t是先升高后降低；
?。?）反沖洗強(qiáng)度適當(dāng)對(duì)生物活性濾池有利無(wú)害；
?。?）將水廠現(xiàn)有普通砂濾池改造為生物活性濾池，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。尤其對(duì)于資金短缺的水廠，更具經(jīng)濟(jì)意義。 參考文獻(xiàn) 1 王占生，劉文君。微污染水源飲用水處理北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999 | 
