季 民1， 吳昌敏1， 周 菁1， 賈霞珍2， 畢海燕2，董廣瑞3
（1. 天津大學(xué)環(huán)境工程系，天津 300072； 2.天津通用水務(wù)有限公司，天津 300381；
3． 中國(guó)市政華北設(shè)計(jì)研究院， 天津 300074）

　　摘要：近年來(lái)，天津引灤水富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的加劇導(dǎo)致藻類(lèi)過(guò)量繁殖，對(duì)水廠(chǎng)凈水過(guò)程造成較大影響。本文采用生物接觸氧化法，對(duì)引灤水進(jìn)行除藻試驗(yàn)，研究了氣水比、水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、藻含量負(fù)荷以及藻類(lèi)種類(lèi)對(duì)除藻效率的影響，并對(duì)生物除藻機(jī)理進(jìn)行了分析。

　　微污染源水中的藻類(lèi)很難在常規(guī)混凝過(guò)程中得到有效去除，必須強(qiáng)化混凝工藝，而造成制水成本增加；藻類(lèi)在進(jìn)入濾池后會(huì)使濾池過(guò)濾周期縮短，反沖洗水量增加；藻類(lèi)也是典型的氯化消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物質(zhì)，在氯消毒過(guò)程中不但會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷（THMS），而且會(huì)產(chǎn)生危害更大、沸點(diǎn)更高的鹵乙酸（HAAS）等三致性更強(qiáng)的鹵代有機(jī)物，使飲用水安全性下降。因此，控制與去除水中藻類(lèi)具有重要的意義。對(duì)水中藻類(lèi)的去除方法主要有：微濾、氣浮、接觸過(guò)濾、藥劑滅藻、生物預(yù)處理。其中，生物預(yù)處理方法具有低成本、易操作、很少二次污染的優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的大量微污染源水生物預(yù)處理的工程與實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果（見(jiàn)表1）表明，生物氧化預(yù)處理能穩(wěn)定有效的去除源水中的藻類(lèi)污染物^[1-7]。

表1 不同生物預(yù)處理裝置對(duì)藻類(lèi)的去除效率 試驗(yàn)用水 生物預(yù)處理裝置類(lèi)型 進(jìn)水藻含量（×10⁴個(gè)/L） 藻類(lèi)去除效率（%） 日本仙臺(tái) 未獲得 74 70 安徽巢湖水 生物陶粒接觸氧化濾池 0.11-7.7 71.5 紹興青甸湖水 YDT彈性填料生物預(yù)處理 90-2130 17.9-72.0 無(wú)錫太湖水 浸沒(méi)式生物接觸氧化 未獲得 50-80 武漢東湖水 直型蜂窩填料接觸氧化池 未獲得 60-92 珠江水 YDT彈性填料生物預(yù)處理 0.17-53.1 69 寧波姚江水 推流式半軟性立體填料接觸氧化池 480-7200 78 深圳水庫(kù)水 PWT網(wǎng)狀填料接觸氧化池 70-633 52.9-97

　　近年來(lái)天津引灤水富營(yíng)養(yǎng)化不斷加劇，導(dǎo)致季節(jié)性藻類(lèi)過(guò)量繁殖。在藻類(lèi)高發(fā)季節(jié)，源水的特征為CODMn達(dá)10-12mg/L，葉綠素一般在20 mg/L，最高可達(dá)90 mg/L[8]，高含藻源水給水廠(chǎng)常規(guī)處理工藝正常運(yùn)行帶來(lái)了較大困難，本試驗(yàn)采用天津市某自來(lái)水廠(chǎng)進(jìn)水口處的實(shí)際原水，對(duì)生物預(yù)處理去除引灤水中藻類(lèi)污染物開(kāi)展了研究。

1. 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)采用的生物接觸氧化池處理工藝圖如圖1所示，其有效容積為48L，有效尺寸為長(zhǎng)×寬×高：40×15×80cm。池內(nèi)裝設(shè)TA-Ⅰ型彈性立體填料，填料的表面積與池有效容積之比為10.63m2/m3。填料區(qū)高度為50cm。池底設(shè)微孔曝氣管兩根。

1.2 水質(zhì)分析方法
　　pH值：用pHS-3C型酸度計(jì)測(cè)定。溫度和溶解氧用YSI MODEL-57溶解氧測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。濁度用HACH 2100N濁度儀測(cè)定。CODMn、NH4+-N、NO2--N 均依據(jù)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)GB5750-85進(jìn)行測(cè)定。藻類(lèi)計(jì)數(shù)用魯哥氏碘液穩(wěn)定后，用光學(xué)顯微鏡計(jì)數(shù)檢測(cè)。葉綠素（chl.）用90%丙酮萃取后采用722分光光度計(jì)測(cè)定。
1.3 原水水質(zhì)
　　根據(jù)以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，引灤水源水的主要污染季節(jié)為每年的5-10月份，故本次試驗(yàn)選擇在4-9月份進(jìn)行，試驗(yàn)期間的原水水質(zhì)如表2所示：

表2 試驗(yàn)期間的水質(zhì)情況(2000.4-2000.9) 項(xiàng)目 藻類(lèi)（×10⁴個(gè)/L） 濁度(NTU) COD_Mn(mg/L) NH3-N(mg/L) NO₂^--N(mg/L) 最高 4809 90.35 10.61 0.170 0.0780 最低 103 1.30 2.55 0.024 0.0030 平均值 1950 18.61 4.04 0.053 0.0168

　　從表2中可以看出，引灤水源水的主要污染指標(biāo)為藻類(lèi)、濁度和CODMn，而氨氮與亞硝酸鹽氮的含量較低，不是處理的主要對(duì)象。藻類(lèi)的存在是污染物高發(fā)的主要因素：一方面藻類(lèi)構(gòu)成了濁度的一部分，另一方面藻類(lèi)及其分泌物的存在使得其以有機(jī)物的形式被檢測(cè)出來(lái)成為CODMn的組成部分，因此對(duì)藻類(lèi)的去除將是引灤源水生物預(yù)處理工藝的主要目的。

2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　試驗(yàn)設(shè)備的安裝、調(diào)試在2000年4月18日完成并采用接種掛膜的方式開(kāi)始掛膜。在水溫14-20℃、pH值8.0-8.3、水力停留時(shí)間4-7小時(shí)的條件下，完成掛膜的時(shí)間為20天。掛膜完成時(shí)對(duì)濁度和氨氮的去除效果分別穩(wěn)定在30%-70%和30%-80%之間。
2.1 試驗(yàn)結(jié)果
　　試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行期間，生物接觸氧化池的水力停留時(shí)間控制在2.0-3.0h之間，氣水比為1.0:1-1.5:1，進(jìn)水pH值為8.0-8.5，對(duì)主要污染物的去除率見(jiàn)表3，對(duì)藻類(lèi)去除變化見(jiàn)圖2

表3 穩(wěn)定運(yùn)行期間各污染物的去除率 項(xiàng)目 藻類(lèi)計(jì)數(shù)(%) 葉綠素(%) 濁度(%) COD_Mn(%) NH3-N(%) NO₂^--N(%) 最高 85.4 83.6 77.2 32.5 84 57.1 最低 12.4 9.5 6.3 1.8 4.9 7.7 平均值 46.4 45.8 41.8 13.0 41 26.5

2.2 分析討論
　　就生物接觸氧化預(yù)處理工藝而言，對(duì)藻類(lèi)去除效果起到影響的因素主要有曝氣量、水力負(fù)荷、進(jìn)水污染物濃度與負(fù)荷、進(jìn)水藻的種類(lèi)等，現(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別討論如下：
2.2.1曝氣量對(duì)去除效果的影響
　　為考查曝氣量對(duì)藻類(lèi)去除的影響，對(duì)工況進(jìn)行了調(diào)節(jié)將平均氣水比分別控制在0.6:1、1.5:1、2.6:1、6.0:1，通過(guò)對(duì)運(yùn)行結(jié)果的總結(jié)發(fā)現(xiàn)：氣水比為0.6:1時(shí)，藻類(lèi)的平均去除率為33.9%，當(dāng)氣水比增加一倍左右，即1.5:1時(shí)，藻類(lèi)的平均去除率為51.0%，增長(zhǎng)了50%；但當(dāng)氣水比進(jìn)一步增加到2.6:1時(shí)，藻類(lèi)平均去除率為51.8%，即使氣水比增加到6.0:1時(shí)，藻類(lèi)的平均去除率也僅為52.4%。由此可見(jiàn)，隨著氣水比的增加，藻類(lèi)的去除率也增加。主要是由于氣水比的增加加大了反應(yīng)器內(nèi)污染物與填料上生物膜的接觸，加強(qiáng)了生物膜對(duì)水中污染物的攔截吸附作用，同時(shí)，氣水比增加使水中溶解氧濃度增高，促進(jìn)了生物膜上的微生物活性。但氣水比過(guò)高會(huì)沖刷填料上的生物膜，使得生物膜的黏附性能降低反而抵消了加大攪拌的有效作用，因此在氣水比大于1.5:1之后再加大氣水比對(duì)藻類(lèi)去除效率的影響就較小了。
2.2.2進(jìn)水水力負(fù)荷對(duì)藻類(lèi)去除效果的影響
　　由于試驗(yàn)用水直接采用實(shí)際引灤水，水質(zhì)變化較大，采用了將相同進(jìn)水水力負(fù)荷的情況下對(duì)藻類(lèi)的去除率取平均值的方法，以在一定程度上消除其他因素的影響，得到進(jìn)水水力負(fù)荷對(duì)藻類(lèi)去除的影響如圖3所示。在水力負(fù)荷較小的情況下，隨負(fù)荷增加，進(jìn)水所帶入反應(yīng)器內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物增加，有利于生物膜的生長(zhǎng)，提高了生物處理的效果；但當(dāng)水力負(fù)荷進(jìn)一步增加，造成污染物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)短，未能得到有效的去除，尤其是對(duì)藻類(lèi)，它的降解速度較慢，從而使去除率降低。

2.2.3進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷對(duì)藻類(lèi)去除效果的影響
　　討論進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷（按填料面積負(fù)荷計(jì)）對(duì)其去除效果的影響，同樣采用了將相同進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷的情況下對(duì)藻類(lèi)的去除率取平均值的方法，如圖4所示，從圖中可以看到，在進(jìn)水CODMn負(fù)荷較低的條件下，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，藻類(lèi)去除率上升。分析其原因是在較低有機(jī)物負(fù)荷條件下，進(jìn)水負(fù)荷增加，有利于提供生物膜生長(zhǎng)所需的碳源，促進(jìn)了生物膜的增長(zhǎng)，提高了對(duì)藻類(lèi)的去除效果；但在進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷高于0.08g/m²·h后，隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷加大，必然加重了生物膜的處理負(fù)擔(dān)，同時(shí)有機(jī)負(fù)荷增大使得有機(jī)物大量存在而對(duì)藻類(lèi)去除起到了競(jìng)爭(zhēng)的作用，比較而言有機(jī)物更容易被生物膜吸附降解，因而降低了藻類(lèi)被生物膜吸附降解的機(jī)率，從而影響到了對(duì)藻類(lèi)的去除效果。

2.2.4進(jìn)水藻負(fù)荷對(duì)去除效果的影響
　　進(jìn)水藻負(fù)荷對(duì)其去除效果的影響，如圖5所示，隨藻類(lèi)負(fù)荷的增加，藻類(lèi)的去除率隨之減小，在負(fù)荷較大的情況下這種下降趨勢(shì)變緩。這種情況的出現(xiàn)說(shuō)明了生物膜對(duì)藻類(lèi)的去除以生物快速吸附作用為主，進(jìn)水藻類(lèi)負(fù)荷加大增加了反應(yīng)器內(nèi)藻類(lèi)的濃度，使得其高于生物膜的快速吸附能力，而且在有效的停留時(shí)間內(nèi)得不到降解便隨水流帶出了反應(yīng)器，而導(dǎo)致了去除率的下降。

2.2.5藻類(lèi)種群結(jié)構(gòu)的變化對(duì)去除效果的影響
　　藻類(lèi)種類(lèi)是影響生物處理除藻效率的重要因素。由于不同藻類(lèi)的物理、化學(xué)性質(zhì)有所區(qū)別以及藻細(xì)胞的表面性質(zhì)不同，影響生物膜對(duì)藻體的吸附作用，而使得生物膜對(duì)不同的藻類(lèi)表現(xiàn)出不同的去除率。對(duì)生物接觸氧化池進(jìn)出水的藻類(lèi)鏡檢發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻的去除效果最好，而綠藻和硅藻不易去除。在6月20日以前進(jìn)水中優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)為藍(lán)藻，尤以銅色微囊藻居多，此時(shí)去除率為32.7-85.3%，到6月20日以后出現(xiàn)了大量星桿藻（硅藻）、盤(pán)星藻（綠藻）、尖細(xì)柵列藻（綠藻）和四尾柵列藻（綠藻），鏡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)出水中這些藻類(lèi)并未得到較好的去除，而出水中的藍(lán)藻（如銅色微囊藻）則有明顯減少，這一階段去除率就較低，為15-67%。藻類(lèi)種群結(jié)構(gòu)的變化對(duì)藻類(lèi)的去除效果有較大的影響，但具體的影響原因目前還沒(méi)有更深入的研究。即使是對(duì)哪些藻類(lèi)種群易于去除，在不同試驗(yàn)中，也有不同的去除結(jié)果^[1、6]。就本試驗(yàn)而言，對(duì)藍(lán)藻的去除率最高，硅藻其次，綠藻去除率最低。
2.3 藻類(lèi)去除機(jī)理分析
　　對(duì)藻類(lèi)的生物去除機(jī)理目前還沒(méi)有明確的結(jié)論，一般認(rèn)為^{[1、3、6]}，生物處理除藻主要依賴(lài)于以下作用：生物膜的吸附、附著，微生物的氧化分解，原生動(dòng)物等的捕食作用，脫落生物膜對(duì)藻類(lèi)的生物絮凝、沉淀作用。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，藻類(lèi)的去除應(yīng)以生物膜的吸附絮凝為主。從如圖6可以看出，藻類(lèi)的去除與對(duì)濁度的去除存在一定的相關(guān)性，而生物處理對(duì)濁度的去除作用即是以生物的吸附絮凝作用與機(jī)械截留為主。通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)在生物膜中存在大量藻類(lèi)，表明生物膜首先是通過(guò)吸附作用截留了水中的游離藻類(lèi)，而在脫落的生物膜及排出的底泥中發(fā)現(xiàn)存在有藻類(lèi)的空殼，說(shuō)明被吸附在生物膜上的藻類(lèi)能夠進(jìn)一步被微生物氧化分解及原生動(dòng)物捕食。另外，在試驗(yàn)的后期接觸氧化池內(nèi)的生物膜出現(xiàn)了脫落現(xiàn)象，從而使得這一階段的去除率有所下降，這也說(shuō)明生物膜對(duì)藻類(lèi)的去除主要以吸附截留為主。

3. 結(jié)論

　?、俨捎蒙锝佑|氧化池處理引灤水源水，當(dāng)水溫在18-31℃、水力停留時(shí)間2.0-3.0h、氣水比1.0:1-1.5:1時(shí)，生物接觸氧化池單體對(duì)藻類(lèi)的去除率為12.4%-85.4%；
　?、趯?duì)氣水比、水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、藻含量負(fù)荷對(duì)除藻效率影響的研究發(fā)現(xiàn)：氣水比的增加，會(huì)增加藻類(lèi)的去除率，但當(dāng)氣水比超過(guò)1.5:1時(shí)，氣水比貢獻(xiàn)作用降低，因此建議采用氣水比為1-1.5:1；在水力負(fù)荷、進(jìn)水CODMn負(fù)荷較低的條件下，隨著負(fù)荷的增加，藻類(lèi)去除率上升，但在水力負(fù)荷、進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷高于一定值后，負(fù)荷加大會(huì)使得去除率呈下降的趨勢(shì)；隨進(jìn)水藻類(lèi)負(fù)荷的增加，去除率呈下降趨勢(shì)；
　?、墼孱?lèi)種類(lèi)是影響生物處理去除藻效率的重要因素，生物膜對(duì)不同的藻類(lèi)表現(xiàn)出不同的去除率，就本試驗(yàn)而言，對(duì)藍(lán)藻的去除率最高，硅藻其次，綠藻去除率最低，而在引灤水藻類(lèi)高發(fā)期，以硅藻、綠藻占優(yōu)，因此給生物除藻帶來(lái)較大困難；
　?、茉孱?lèi)的去除應(yīng)以生物膜的吸附絮凝為主。生物膜首先是通過(guò)吸附作用截留了水中的游離藻類(lèi)，再通過(guò)膜上微生物的氧化分解作用及原生動(dòng)物的捕食作用去除藻類(lèi)。

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