余 鍵， 曾光明， 施 周
(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙　410082)

　　摘 要： 生物過(guò)濾可同時(shí)有效去除飲用水源中的濁度、可生物降解有機(jī)物、氨氮、鐵、錳等污染物質(zhì)，改善和提高飲用水的生物穩(wěn)定性和安全性，管理簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的飲用水處理新工藝，具有廣闊的應(yīng)用前景。?
　　關(guān)鍵詞：飲用水；生物過(guò)濾；生物穩(wěn)定性?
　　中圖分類號(hào)：TU991.24
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào) ：1000-4602(2002)03-0037-03

　　生物過(guò)濾是一種利用活性炭、無(wú)煙煤、石英砂等顆粒濾料和附著于濾料上的生物膜去除飲用水源中的懸浮顆粒、有機(jī)物、氨氮等污染物質(zhì)的新型過(guò)濾方式，是常規(guī)過(guò)濾、顆粒活性炭吸附與生物膜氧化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量研究和探索。?

1 　生物過(guò)濾效能

1.1 有機(jī)物的去除
　　 在飲用水源中普遍含有各種天然有機(jī)物(如腐殖酸、富里酸等)或人工合成有機(jī)污染物(如酚類、苯類物質(zhì))。生物過(guò)濾對(duì)水中的TOC特別是BDOC、AOC有較好的去除效果 。研究表明，生物濾池對(duì)TOC的去除率為5%～75%^［1～3］，對(duì)DOC的去除率為13%～41%，對(duì)BDOC、AOC的去除率達(dá)90%以上，對(duì)三鹵甲烷THMs、鹵乙酸HAAs的先質(zhì)——THMsFP、HAAsFP的去除率分別達(dá)40%和75%^［4］。生物過(guò)濾出水中的TOC濃度可降至2mg/L以下^［2］、AOC濃度可降至10μg/L以下，即使不加氯消毒也可使管網(wǎng)水中的細(xì)菌總數(shù)＜100個(gè)/mL^［5］。?
　　生物過(guò)濾對(duì)水中痕量有機(jī)物也有較好的去除效果。痕量有機(jī)物是指人工合成的在飲用水源中含量較低的有機(jī)污染物(如酚、苯、殺蟲劑等)，它可使水產(chǎn)生嗅和味并具有致癌性和致 突變性，因而被廣泛關(guān)注。研究表明，生物濾池對(duì)苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、五氯苯酚的降解速率很快，其去除率可分別達(dá)92%、92%、92%和70%^{［6、7］}，對(duì)大部分醛類物質(zhì)(如甲醛、乙醛)的去除率＞80%^［8］對(duì)一氯苯和二氯苯的降解速率較慢，但只要給予足夠的時(shí)間，其去除率也可達(dá)到81%以上^［7］。?
　　生物濾池對(duì)有機(jī)物的去除受到多種因素的影響，不同水源中的有機(jī)物成分不一樣，可生化性也就不一樣^［3］；預(yù)氧化程度不同則水中有機(jī)物的可生化性也不同；濾層組成不同則對(duì)有機(jī)物降解的能力與速度也不同。Wang等^［9］的研究表明，顆?；钚蕴可细街纳锬ち渴菬o(wú)煙煤、石英砂濾料的4～8倍，活性炭、石英砂構(gòu)成的雙層濾料生物濾池明顯 比煤、砂生物濾池或單層石英砂生物濾池去除有機(jī)物的效率高且在低溫時(shí)去除效率幾乎不受影響；反沖洗方式也可影響生物膜量，Miltner等^［10］的研究表明用未加氯的水反 沖洗對(duì)生物過(guò)濾幾乎沒有影響，但用加氯水反沖洗則使濾層中的生物膜量下降22%，從而導(dǎo)致對(duì)有機(jī)物去除率的下降；EBCT對(duì)易降解有機(jī)物的去除影響較小，但對(duì)慢速生物降解有機(jī)物質(zhì)的去除影響較大，Prevost等［11］的研究表明，生物濾池在2min內(nèi)可去除62%～90%的AOC，而要去除90%的BDOC則需10～20min的接觸時(shí)間。?
1.2 氨氮的去除
　　生物過(guò)濾對(duì)飲用水源中的氨氮有很好的氧化(硝化)去除效果，去除率可達(dá)90%以上^{［12～15］}，同時(shí)亞硝酸鹽氮的去除率也在90%以上。當(dāng)進(jìn)水氨氮為1.2～2.0mg/L、亞硝酸 鹽氮為0.5～1.4mg/L、水溫為8～32℃時(shí)，出水氨氮始終在0.5mg/L以下，亞硝酸鹽氮在0 .05mg/L以下^［13］。?
　　維持生物濾池對(duì)氨氮良好硝化作用的一個(gè)重要條件是水中必須有足夠的溶解氧，另一個(gè)重要條件是濾層中必須有足夠數(shù)量的硝化菌。而要維持生物濾池內(nèi)一定的硝化菌量必須降低反 沖洗頻率并控制反沖洗強(qiáng)度。?
　　生物濾池對(duì)氨氮的去除還可能受到有機(jī)物生物降解的影響，因?yàn)樵谧责B(yǎng)菌(硝化菌)與異養(yǎng)菌之間存在著爭(zhēng)奪氧與生物膜空間的競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)生物濾池的研究顯示異養(yǎng)菌能贏得這種競(jìng)爭(zhēng)，其結(jié)果是有機(jī)物氧化在先、氨氮氧化在后，出現(xiàn)這種情況是因?yàn)樽责B(yǎng)菌的增長(zhǎng)速率比異養(yǎng)菌慢，且自養(yǎng)菌對(duì)由較高水力負(fù)荷和較小濾料介質(zhì)造成的剪力損失比異養(yǎng)菌更敏感。?
1.3 鐵、錳的去除
　　生物過(guò)濾對(duì)鐵、錳^{［16～19］}。有良好的去除效果生物去除鐵的啟動(dòng)速率很快，當(dāng)進(jìn)水鐵濃度為0.75～1.1mg/L、水溫為30～31 ℃時(shí)，新濾池(砂層厚為1.4m、有效粒徑為1.35mm、濾速為22～23m/h)投產(chǎn)后，加氏鐵柄桿菌屬等細(xì)菌會(huì)迅速接種于砂濾料上，運(yùn)行10 h后濾池出水中的鐵濃度為0.1mg/L，1d后降至0.03mg/L，2d后降至痕量水平^［16］。相比之下生物去除錳的啟動(dòng)速率慢得多，濾料上錳細(xì)菌的自然培養(yǎng)期(成熟期)少則需要40～50d，多則需要3個(gè)月以上，但一旦培養(yǎng)成功，生物濾池對(duì)錳的去除率即很高，濾池出水中的錳幾乎一直可保持在痕量水平。?
　　生物除鐵除錳濾池中鐵錳細(xì)菌(大部分為自養(yǎng)菌或兼性自養(yǎng)菌)與生物硝化濾池中的硝化菌一樣生長(zhǎng)也較為緩慢，其工藝條件也大體相似，但生物除鐵除錳濾池對(duì)水的pH值似乎更敏感。此外生物除鐵與除錳的工藝條件有較大的不同，后者比前者要求更嚴(yán)格，一般而言生物除錳 要求水中溶解氧濃度＞5mg/L、氧化還原電位＞300～400mV或者pH＞7.4～7.5^［16］。由于工藝條件的差別，對(duì)鐵、錳含量均較高的地下水源宜采取二級(jí)生物過(guò)濾處理，否則鐵、錳的去除難以達(dá)到最佳水平。?
1.4 濁度的去除
　　生物過(guò)濾對(duì)濁度有很好的去除效果。研究顯示在正常過(guò)濾條件(濾層厚度為0.75m、濾速為5～10m/h、進(jìn)水濁度為1～4NTU、水頭損失為1.5kPa)下，生物濾池出水的平均濁度可達(dá)0.15NTU以下，過(guò)濾周期可達(dá)16～24h以上。生物濾池與常規(guī)濾池一樣出水濁度較低并具有經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行周期^［2］，但也有研究指出，生物濾池出水中的懸浮微粒濃度略高于常規(guī)濾池，其水頭損失的增長(zhǎng)稍快些、過(guò)濾周期稍短些［20］。?
　　Bablon等［1］發(fā)現(xiàn)顆?；钚蕴?石英砂雙層濾料生物濾池比單層石英砂生物濾池有更好的濁度去除效果和更長(zhǎng)的過(guò)濾周期，Ahmad等［21］發(fā)現(xiàn)采用氣水反沖洗的生物濾池在成熟期內(nèi)的出水濁度比單純水洗的高，Goldgrabe等的研究顯示，用含氯水反沖洗比用未含氯水反沖洗的生物濾池出水中的懸浮微粒大。

2 生物過(guò)濾的特點(diǎn)

　　生物過(guò)濾工藝優(yōu)勢(shì)如下：?
　?、?生物過(guò)濾除保留了傳統(tǒng)過(guò)濾的去濁性能外，對(duì)飲用水源中的有機(jī)物(包括合成有機(jī)污染物)、氨氮、鐵和錳等物質(zhì)均有良好的去除效果，經(jīng)生物濾池處理后的飲用水，具致癌性和致突變性的有機(jī)化合物含量大大減小、消毒耗氯量大大降低、嗅和味大為改善，生物穩(wěn)定性也大為提高。?
　　② 用生物過(guò)濾替代常規(guī)過(guò)濾和生物活性炭工藝處理受有機(jī)污染的地面水源可節(jié)約投資80%以上，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用50%以上，減少用地近50%；用于含鐵含錳地下水的處理時(shí)，可通過(guò)節(jié)省反應(yīng)池、沉淀池或加藥設(shè)施并降低曝氣強(qiáng)度節(jié)省投資40%，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用50%以上，減少用地50%以上。?
　?、?生物濾池管理簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，盡管其啟動(dòng)或生物膜的培養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，但一旦生物膜培養(yǎng)成功則運(yùn)行可靠、出水水質(zhì)穩(wěn)定，只要做到濾池反沖洗的強(qiáng)度、頻率控制適度以及濾池進(jìn)水和反沖洗水對(duì)生物膜無(wú)毒害即可。?
　?、?中斷生物濾池的運(yùn)行或停用長(zhǎng)達(dá)1～2個(gè)月后對(duì)其再用幾乎沒有影響，濾池重新啟用后濾層內(nèi)生物膜恢復(fù)得非?？?，通常只需幾小時(shí)或幾天時(shí)間即可使濾池的性能恢復(fù)到停用前的水平，此外在生物過(guò)濾中產(chǎn)生的污泥極易濃縮與脫水。?

3 　結(jié)語(yǔ)

　　生物過(guò)濾可同時(shí)有效去除飲用水源中的濁度、可生物降解有機(jī)物、氨氮、鐵、錳等污染物質(zhì)，改善和提高飲用水的生物穩(wěn)定性和安全性，管理簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的飲用水處理新工藝，在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。但在大規(guī)模推廣應(yīng)用之前，仍需研究和解決一些問(wèn)題：?
　?、?進(jìn)入輸配水管網(wǎng)的最大可生物降解有機(jī)物質(zhì)(BOM)的濃度，這對(duì)生物濾池的設(shè)計(jì)與操作非常重要；?
　　② 生物過(guò)濾的最佳反沖洗標(biāo)準(zhǔn)，為此需要對(duì)反沖洗可能給生物膜造成的損失有更多的了解 ；?
　?、?非生物顆粒對(duì)生物膜性能可能產(chǎn)生的影響。據(jù)試驗(yàn)觀察，在每個(gè)過(guò)濾周期的末期生物過(guò)濾對(duì)有機(jī)物的去除率下降，初步研究認(rèn)為這可能是非生物顆粒的影響所致；?
　?、?慢速生物降解有機(jī)物的去除機(jī)理與條件，因?yàn)檫@些物質(zhì)進(jìn)入配水管網(wǎng)后可能緩慢降解，從而促進(jìn)管網(wǎng)內(nèi)微生物的生長(zhǎng)；?
　?、?在水中有機(jī)物與氨氮共存的情況下，氨氮對(duì)有機(jī)物降解的影響；?
　?、?在水中鐵、錳共存的情況下，鐵的存在對(duì)除錳的影響。

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　　收稿日期：2001-10-10