生物氧化在我國給水處理研究中的發展

嶽　舜　琳
上海市自來水公司

　　據調查，全國430個城市有90%以上的水質受到不同程度的汙染，造成經濟損失每年達377億元。全國汙水處理能力不足汙水排放量的2%，湖泊圍墾，調節容量損失350萬m3，800裡洞庭湖左腹部就有16個汙染源，每年排入汙水4124萬m3。太湖水中藻類為100～500萬個／L，部分點11億個／L。這些汙染來源於生活汙水、工業廢水、農田排水，使水中NH3-N、NO-2-N、耗氧量(OC)、化學需氧量(CODcr)、總有機碳(TOC)增高，造成水處理困難，供水有異味、異臭，口感不適。有機物又是消毒副產物的前體，使水的紫外吸收值(Euv)、毛細色譜峰圖、峰數和峰面積(GCA)增高，Ames致突變試驗呈現陽性。為提高供水水質，保障人體健康，我國水質處理工作者進行了大量的生物氧化工藝研究，做出了積極的貢獻。本文試圖就這一方面的試驗成果，進行綜合、分析和研究，並提出今後工作的期望。

　　一、原水生物氧化預處理

　　生物氧化原屬於汙水處理工藝範疇。70年代日本首先用於給水處理，取得一定成果。清華大學、同濟大學、上海市自來水公司、上海市政工程設計研究院、北京自來水公司，中國市政工程中南設計院、寧波市自來水公司、蚌埠市自來水公司等，從80年代開始相繼進行這方面研究工作。生物氧化處理是利用填料上的生物膜來進行原水處理。

原　水　水　質　　　　　　　　　　表1　處理效果塔式生物濾池生物轉盤接觸氧化池塔式濾池流化床接觸氧化池　項　　目YDT彈性填料陶粒填料水溫(℃)5～3014～2511.4～28.72.5～315～18NH3-N(mg/L)0.28～5.830.65～2.00.5～3.50.1～181～4.0PH7.5～7.9－6.9～7.4－7.0～7.5OC(mg/L)5.72～9.79－　5.91～13.954.7～10.810～20CODcr(mg/L)－－10.0～31.910.6～30.920～40BOD5(mg/L)－－－－5～10TOC(mg/L)－－15.3～48.14.2～12.720～30色度(度)－－3535～120－Fe(mg/L)0.24～0.56－0.88－－Mn(mg/L)0.08～0.33－0.25－－揮發酚(mg/L)0.0033～0.0075－－－－濁度(mg/L)－－－15～125－Euv(1cm)－－－0.070～0.362－

生物氧化設備掛膜條件　　　　　　　　　　表2處理設備塔式生物濾池生物轉盤接觸氧化池塔式濾池流化床接觸氧化池項　目YDT彈性填料　陶粒填料水溫(℃)24～2910～1321～259月下旬～10月下旬15～18水力負荷(m3/m2·h)2.0～4.00.00421～2.230.535掛膜需時(日)133510約1月21～28(掛膜－終了)NH3-N去除（％）75.9～90.77570OC去除1580砂層膨脹(%)－－－－60

　

生物氧化設備的處理效率　　　　　　　　　　表3　　處理設備塔　式生物濾池 處理設備生物轉盤 接觸氧化池 塔式濾池流化床接觸氧化池 項　目　YDT彈性填料陶料填料水溫(℃)　5～30　15～25　5～2511月～3月　16～30水力負荷(m3/m2·h)　　12　0.0083　2.23　4～6　　40氣水比　　－　　－0.2～0.7:1　1:1　　－停留時間(min)　　-1　22.8　-120　20～30　　-7.3去除NH3-N(%)　35～90　80～90　80～9014.3～97　52～88去除OC（％）　5～18　8～23　20～3013.8～20.6　10～24去除BOD5（％）　　－　39～57　26～58(CODcr)　11.7～52.(CODcr)　24～31(CODcr)去除TOC（％）　　－　　－　24～2518.5～35.6　12～22去除酚(%)　出水<0.002mg/L　　95　－　　－　50～96去除Fe(%)　10～54　　37　>80　　－　20～28去除Mn(%)　33～80　　50　>65　28～54除濁度(%)　有效　　－　50～8019.2～63　16除色度(%)　有效　　－　15～3011.1～41.7　－Euv降低(%)　－　　－　　－　－17.4～40.2節約混凝劑(%)　20　20～2930　30～40　節約

　　1 生物膜法預處理淨水
　　表1，表2，表3分別為生物膜法處理設備所處理的原水水質、掛膜條件及淨水效率。各生物膜法試驗設備見參考資料1～5。
　　1.1　生物氧化預處理原水設備的掛膜
　　一般採用自然掛膜即可，生物膜生物種類和數量與汙水處理相比不很豐富，但菌膠團、原生動物、游離細菌等各類微生物都有生長，生態情況是好的。生物膜呈棕黑色、灰黃色。菌膠團由莢膜球菌等組成。原生動物有微型纖毛蟲，有時也見鍾蟲，輪蟲、枝蟲等；後生動物有線蟲等。有藻類共生，進水端生物膜較出水端發育得好，各型處理設備生物膜發育情況大同小異。判別生物膜成熟與否，可測定NH3-N或OC的去除率，當它們的去除率分別為75%或15%時，即認為掛膜成功。由表2可見掛膜所需時間與水溫有較好的正相關，水溫為20℃時，需18天左右；水溫下降10℃，所需時間至少增加1倍。
　　1.2　淨水效率
　　所有生物氧化設備的淨水功能是氧化NH3-N，去除率最高達到90%，因為NH3-N是可生化的。OC去除效率最高不過30%～40%，說明只有可生化的部分能被去除。清華大學測得淮河水中可生化有機碳BDOC只佔總有機碳TOC的35.4%。CODcr去除率也決定於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滷甲烷的前體——紫外吸收物質，降低Euv17.4%～40.2%。塔式生物濾池試驗證明，去除原水中CHCI3和CCI4分別達到70%～100%和91.9%～100%，當原水中酚濃度為0.0033～0.0075mg/L時，可降至0.002mg/L。
　　生物氧化對Fe、Mn有較好的去除率，見表3。實際上曝氣後接觸氧化過濾去除地下水的Fe、Mn已廣泛用於我國東北地區，並從過濾池砂表面分離出鐵細菌。
　　各型生物氧化池都能降低水的濁度和色度，生物氧化處理後水中膠體的電動電位有較大幅度降低（指負數的絕對值降低），這是有機物降解、生物繁殖分泌物的絮凝作用及pH變化造成的。因之經生物預處理後，後續處理可節約混凝劑30%～40%。
　　生物氧化處理後的pH值有一些變化，揮發性有機物，揮發酚及石油類產品亦有降低，有良好的的淨化效果。
　　1.3　生物膜預處理除藻
　　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，水力負荷10m3/m2·h，於水溫5～20℃時除藻率達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）。二地試驗的其他水質指標的淨化率大體與表3相似。但生物膜除藻的機理尚有待研究，或許是生物絮凝的結果。
　　2　影響生物氧化效率的因素
　　2.1　溫度對生物氧化的影響
　　試驗證明溫度對水中以OC以代表的有機物的去除影響較大，溫度<5℃時，OC去除率變動於2.5%～11.3%。某些研究者檢查證明，生物膜上的優勢菌為假單胞菌屬，其中有不少菌種能在≤4℃和貧營養條件下繁殖；另一些試驗還證明，在2～5℃條件下，生物膜上的活性細菌上部達到107～108/cm3，下部105～106/cm3，與常溫條件下無異，脫氫酶活性平均達到80.8μgTF/ cm3，也處於良好狀態。上海的試驗對溫度與去除NH3-N的影響，提出了生物塔濾NH3-N去除率常數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%，其他地區的試驗去除率還更高，這是因為亞硝酸桿菌和亞硝酸球菌均適合在2～40℃範圍內生長，硝化桿菌也適合在5～40℃範圍內生長，由monod式μ=μmax·S/(Ks+S)可見，在溫度下降時，μmax減少，Ks也下降，因此硝化細菌對NH3-N的親合力得到加強，硝化細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，利用較小的能量進行生長繁殖。根據MeCarty等人的研究，要維持生膜法的穩定運行，必須保持出水中NH3-N有一個最小濃度Smin。根據計算，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　曝氣與溶解氧對生物氧化的影響
　　從表4數據可見，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，形成流動的水膜全部與空氣接觸，跌落2m後，DO即達85%飽和，跌落4m即達95%飽和。水流經填料總計約1min，完成NH3-N及有機物的氧化，出水DO接近飽和，可見曝氣效率高，從而水力負荷高。生物轉盤依靠水面以上碟片及碟片對水的攪動來吸收氧化，曝氣強度最差，因而水力負荷也最低。兩個接觸氧化池的曝氣效率及水力負荷居二者之間，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。水力負荷前者小些，後者大些，出水DO為2～4mg/L。前者的水力負荷小，估計是水的短路（不經過填料）造成的。試驗還證明即令是同一池型，出水DO高，淨水效率就好。
　　流化床由於受到上部塔式濾池（用作曝氣器，並有少量淨化作用）出水DO的限制，在原水NH3-N及有機物濃度高時，淨水效率即下降。
　　2.3　水中有機物與NH3-N的相互影響
　　生物陶粒濾池試驗證明異養菌對進水有機物去除效率隨進水有機物濃度上升而增加，自養菌對NH3-N去除率在進水有機物濃度CODcr低於40.0mg/L時，影響不大，去除率能保持90%以上，在進水有機物繼續上升時，去除率明顯下降，在進水有機物濃度低時，TOC為4～12mg/L，進水NH3-N上升時，異養菌對有機物的去除率呈上升趨勢，上升到一定程度後，趨於穩定。
　　2.4　濁度對生物氧化效率的影響
　　生物陶粒試驗證明在進水濁度<150NTU，對去除OC、NH3-N無影響，但濁度增加，水頭損失增加，出水量減少，太大濁度會覆蓋生物膜，降低淨水效率，此時最好先進行混凝沉澱，後進行生物氧化處理。
　　2.5　水力負荷對生物氧化效率的影響
　　水力負荷增加，水與生物接觸時間減少，無疑會降低效率。塔式生物濾池水力負荷與去除NH3-N效率的關係服務從指數方程，水力負荷發生衝擊性變化，短時間內會造成淨化效率降低。
　　2.6　生物氧化預處理工藝的不足
　　塔式濾池的試驗證明，不能去除DDT、666等合成有機物，處理前後的毛細色譜峰圖無顯著區別，陶粒濾池試驗發現有些有機汙染物能去除，有些則不能去除。
　　生物氧化只能在一定程度上降低Ames致突變試驗的致突變率MR，但未見出現Ames陽性水轉變為陰性。生物處理後水，經加氯，MR又復升高，可見，欲使有機汙染物較好地去除，達到Ames致突變陰性(MR<2)還須進一步處理。
　　3　各生物氧化池型的技術經濟比較
　　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原水，給技術經濟比較帶來了困難，但從OC及NH3-N兩個主要指標來看，所處理的原水水質（見表1）也可說差異不大。此外，也可將5種池型的技術條件（表4）當作經優化過的最佳條件，為此，可看作對5種池型的最佳條件的比較，應是可行的。
　　5種池型所用填料不同，技術條件見表4；技術經濟比較見表5。 　　　　　　　　

生物氧化設備的技術條件　　　　　　　　　　表4　　處理設備塔　式生物濾池 生物轉盤 接觸氧化池塔式濾池流化床接觸氧化池 項　目　YDT彈性填料陶粒填料水力負荷(m3/m2·h)　120.0083*(0.163)　2.23　4～6　　40填料高度(m)立波Ⅲ8盤徑0.175,4級　3.9d=2-5mm,2立波Ⅲ1.2砂d=0.3～0.5mm，0.8填料比表面積(m2/m3)　150　　200318～368　1313　10000停留時間(min)　-1　　22.8　-120　20～30　-7.3氣水比自然曝氣　自然曝氣0.5～0.7:1　1:1自然曝氣出水DO　8～9　　－　2　2～4　2砂層膨脹率(%)　－　　－　－　－　80

　　註：*0.0083按盤原面積計算的水力負荷，(0.163)按氧化池面積計算

生物氧化設備技術經濟比較　　　　　　　　表5項　　目塔　式生物濾池處理設備生物轉盤接觸氧化池塔式濾池流化床接觸氧化池　YDT彈性填料陶粒填料1m3/h需填料體積(m3)　0.67　0.600.97～0.84　0.33　0.0251m3/h需池面積(m2)　0.083　6.1　0.45　0.17　0.0251m3/h需池體積(m3)　0.58　0.38　2.15　0.68　0.1631m3填料價(元)　850　600　250　500　300運行電耗(kW·h/ m3)　0.032　0.142　0.0236　0.0265　0.0300

　　從表3、表4、表5可以看出：
　　(1)生物轉盤水力負荷最低，佔地面積最大，碟片價也不低，運行電耗最高。
　　(2)彈性填料接觸氧化池水力負荷也不高，只有2.23m3/m2·h，佔地面積、氧化池體積較其餘3種類型大。
　　另有兩次用同一個水源對彈性填料和陶粒濾料進行的接觸氧化試驗，一次用準河水，一次用太湖水，也證明彈性填料淨水效率低於陶粒填料濾池。
　　(3)流化床由於填料比表面積大，水力負荷最高，其他技術經濟指標優越，是一種很有發展前途的池型，但操作技術要求高。本文所介紹的流化床利用塔式濾池作曝氣器，進入流化床的水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，方可擴大使用範圍。
　　(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，這是因為塔式濾池中水的停留時間太短（幾分鐘）的緣故，廣州水司與市政工程中南院以YDT為填料進行接觸氧化池（提高氣水比條件下）與塔式濾池的對比試驗也證明如此。塔式濾池佔地面積較陶粒池小，不需人工曝氣，不需衝洗，不需排泥。由於填料質輕，可架設在混合絮凝池及沉澱池上方，操作管理方便，其佔地面積與水廠砂濾池相當，運行電耗與陶粒池相差不大，陶粒濾池雖佔地面積較塔式濾池增加一倍，但填料最少一倍，且價格較便宜，運行電耗低。
　　總結以上各點，可以認為當前有實用價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。三者各有優缺點，應結合淨水效率、基建投資、運行操作管理及表5技術經濟條件綜合對比決定之。

　　二　臭氧生物活性炭工藝

　　經過生物預處理及水廠常規工藝處理後，水中低分子量的有機物如農藥、致突變物、致癌物等尚未能全部去除，還需進一步採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物，使之轉化成可生化的簡單的有機物，如羧酸、醛、酮等，也可分解有毒害物質，然後在長有生物膜的活性炭濾池過濾，使有機物得以通過生物氧化降解分解、吸附。我國北京、上海、哈爾濱、長春、澳門、撫順等地進行過不少工作。

臭氧生物活性炭處理水效率比較　　　　　　　　表6試驗地點上海OTC哈爾濱TOCC1項目加O3點絮凝池前砂濾池後劑量(mg/L)1～22～4GAC濾層厚(m)一級　二級一級　二級2　21.2　1.8濾速(m/h)87～10測試項目進水砂濾池後C池一級處理後C池二級處理後　進水
（原水）T工藝處理後O處理後　C池
處理後NH3-N去除率(%)0.83～3.30mg/L76～92　-1.05mg/L　618　43　OC
去除率(%)4.5～7.5mg/L20～30　-CODcr40　5070　85　DOC
去除率(%)9.8～13.1mg/L26～28　-色度64　5880　92　Euv
去除率(%)0.20～0.4522～4733～70　0.289　5075　88　有機物
去除率(%)GCA*2.4×107　55　-幾種有機物*　--55～60　酚
去除率(%)0.002～0.006mg/L　100　-　0.01　2070　90Ames致突變試驗*　　(+)　(-)　-　(-)　(-)(+)　(-)

　　註：*1硝基苯，BHC，有機碳。2 GCA—毛細色譜峰圖總面積。3 Ames試驗與SCE（姊妹染色體交換試驗）吻合。4 OTC—臭氧＋水廠常規處理＋生物活性炭濾池處理流程。5 TOCC1—水廠常規處理＋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
　　採用臭氧生物活性炭濾池時，一般將臭氧加注點設在沉澱池前，如表6所示上海的試驗，在砂濾池後設置生物活性炭濾池。也有將加臭氧點設在砂濾池後的，如表6哈爾濱的試驗。也有兩處都加臭氧的，國內未見有這方面的資料。臭氧生物活性炭處理設備包括臭氧發生器（含空氣淨化處理裝置）、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碳DOC而定，一般1mg/L的DOC需加O30.40mg/L。
　　2<　臭氧生物活性炭淨水效果
　　表6為兩地試驗資料，上海試驗在水廠生產設備中進行，臭氧加在混合絮凝池前，水經沉澱、過濾，進入生物活性炭濾池模型。哈爾濱試驗，水經水廠常規處理，濾池出水中加入臭氧，然後再經生物活性炭池過濾。為便於說明，用下列符號表示各工藝單元。
　　B——生物膜法氧化原水預處理；
　　O——加臭氧；
　　CI——加氯消毒或前加氯；
　　T——水廠常規處理；
　　C——生物活性炭濾池。
　　兩地原水不一樣，試驗條件不一樣，上海加O3量較小（小於1mg/L的DOC加O30.4mg/L），哈爾濱試驗效果似乎更好一些，但有下列共同之處：
　　(1)能去除NH3-N；
　　(2)能去除有機物，減少消毒副產物的前體；
　　(3)活性炭池出水Ames試驗為陰性——區別於生物氧化預處理的特點。
　　上海試驗發現，在進水NH3-N3.3mg/L時，活性炭濾池出水NO-2-N高至1.7mg/L，而哈爾濱試驗在NH3-N為1.05mg/L時，去除率僅為43%，說明活性炭池中氧化或供氧能力不足，當然也就影響了有機物的氧化。為此上海試驗的後期不得不在生物炭池的出水中充入空氣並再增加第二級生物活性炭濾池。
　　3　對臭氧生物活性炭過濾工藝的評價
　　此工藝淨水效果良好，能使出水Ames致突變試驗為陰性。為充分發揮活性炭的作用，進入活性炭池的水，要預先將NH3-N去除，否則異養菌和自養菌之間的競爭，將影響淨水效率。能否省略臭氧？能否用生物陶粒濾池代替生物活性炭濾池？因為臭氧和活性炭價格都較昂貴。

　　三　生物氧化預處理原水與臭氧生物活性炭過濾組合工藝的研究

　　生物氧化預處理原水去除NH3-N及部分有機物後，經過水廠常規處理，再經臭氧（或不加臭氧）活性炭濾池過濾以去除上道工序未能去除的有機物（包括有毒、有害、致突變物等），幾道工序，相輔相成將構成一個較為理想的水質深度處理體系，為此作者進行不同組合工藝試驗。試驗結果經過整理所得工藝組合去除水中有機物的濃度（貢獻）列如表7。表中的B系塔式生物濾池預處理工藝，Ames致突變試驗見圖。

各組合工藝去除水中有機物的貢獻　　　　　　　表7項目原水RWBOTBTBTOCBTCBTOCCIBTCCIDOC(mg/L)12.54.465.175.947.276.977.847.60CODcr(mg/L)23.35.411.19.613.412.615.715.8Euv(lm)20.42.713.49.913.411.513.012.1CHCI3(μg/L)16.712.7-0.58.48.89.4-3.4-2.5CCI4(μg/L)3.73.60.513.113.102.952.653.10GCA×106(μVS)7.642.515.965.935.996.180.820.09NH3-N(mg/L)2.01.320.501.31.71.82--

　　由表7可見，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貢獻要略微大一些。隨著後續處理工藝的進行，差距逐步縮小。CHCI3、CCI4和NH3-N經BT處理的貢獻比OT大。經過生物氧化預處理的各個組合工藝BTC、BTCC1去除有機物方面比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性，加氯後的BTCC1則變成了弱陽性，而BTOCC1則仍為陰性。以淮河水為原水的BTCC1及BTOC1組合工藝試驗證明，兩工藝在去除水中DOC及微量有機物、致突變性方面也有良好的結果。
　　上述分析表明，以BT代替OT，BTCC1代替BTOCC1去除有機物的效果基本相同，而在去除致突變物方面稍差一些，若將BTCC1組合中常規處理工藝T加以強化，則出水水質與BTOCC1相同是可能的。設想強化常規工藝的途徑是：沉澱池中加斜板，以降低出水濁度。並賦予生物氧化功能；降低濾池濾速進一步降低濁度。一些資料證明，這些都有利於降低有機物濃度，降低Ames致突變率MR值。活性炭濾池改用陶粒濾池，從而形成一個既不用臭氧，又不用活性炭的投資省、效果好的水質深度的處理組合工藝體系。當然這些還需要通過試驗來驗證。

　　四　初步結論

　　生物氧化去除水中有機汙染物是行之有效的水處理工藝。目前我國除北京市田村山水廠生產上已採用臭氧生物活性炭外，其他水廠尚處於試驗研究階段，應在過去工作的基礎上進一步深入研究，並著重在採用陶粒濾料和不用或少用臭氧上下功夫，強化常規處理工藝，為處理汙染水源水，供應優質水而做出應有的努力。（本文經中國水協優秀論文評選委員會第一次會議評選為二等獎）。

　　參考資料：
　　1《上海環境科學》雜誌；
　　2《給水排水》雜誌；
　　3《中國給水排水》雜誌；
　　4《淨水技術》雜誌；
　　5《給水深度處理研究會》；
　　6《First Workshop on Water Treatment》magazine；
　　7《Water and Wastewater》magazine；
　　8生物接觸氧化預處理技術成果報告；
　　9蚌埠市飲用水水質改善的實驗研究；
　　10飲用水生物預處理陶粒與彈性填料接觸氧化的對比實驗研究；
　　11北京焦化廠地表水水質改善試驗研究；
　　12關於應用常規水處理工藝去除水中有機物的研究報告。

（本文載自《城鎮供水》1997年第4期）