饮用水的生物预处理

一、采用生物预处理的必要性

我们用CODCr表示水中有机物的生物耗氧量，而用CODmn作为衡量水中有机物相对含量的综合指标；水中CODMmn常大于5-7mg/L， 2001年卫生部规定饮用水CODmn不超过3mg/L，氨氮不超过0.5mg/L，要达到这个要求，常规处理是难以达到的。
在絮凝、沉淀、过滤等常规处理工艺前，采用生物方法直接处理原水则称为生物预处理。它借助微生物的生命活动对水中的有机污染物及氨氮、亚硝酸盐或铁盐等无机物进行初步去除，从而改善水的混凝沉淀性能，使后续传统工艺更好地发挥作用。微污染原水中的有机基质、氨氮和亚硝酸氮等浓度，相对于污水而言都是很低的，去除的项目不是以BOD为主，而是以氨氮、铁锰、藻类为主。生物预处理工艺适用于氨氮、铁锰浓度高而浊度不高的水源，用生物预处理的方法来处理微污染原水，一般均用生物膜法培养以亚硝化细菌和硝化细菌等贫营养性微生物为主的生物处理技术。常用的构筑物主要有生物接触氧化池、曝气生物滤池、生物转盘等。

二、生物膜法的性能及特点

生物膜法是指在好氧条件下利用附着在载体上的生物膜对水中生物可降解物质进行去除的一种方法。生物膜中对有机物起分解作用的微生物主要是细菌，原生物只起辅助作用。生物膜具有比表面积大，软化能力强，管理简便等优点，是处理水中有机污染物的有效方法。
与其他技术相比，生物膜法还具有节省动力消耗、水力停留时间短等特点，尤其适用于低有机物含量。

三、立体弹性填料生物接触氧化池

简介
由于立体弹性填料为生物载体的生物接触氧化池其有经济高效、不会堵塞、管理方便和运行稳定等显著优点，近年来已在多处水厂或工程中推广应用。1996年6月，在宁波市梅林水厂建成了第一座弹性填料的生物接触氧化预处理池，设计水量规模Q=40000m3/d，显著去除受污染的姚江原水的氨氮、CODmn等污染物。在气水比为((0.5-0.7):1、池水停留时间为1.4-2.0h的条件下，常温情况下一般能去除原水中氨氮70%-90%，亚硝酸氮60%-80%，CODmn20%-30%，总有机碳20%左右。
弹性填料是由许多根富有弹性的、直径0.5mm左右的聚烯烃类塑料短丝串接在中心绳上而成，各条填料单元的上下端分别平行地垂直固定在生化池中的吊索或吊杆上。各填料单元在平面上通常呈梅花形组装布置，如图11-2。弹性填料下方设曝气管系统和排泥系统，生物接触氧化池布置见图11-3。
立体弹性填料生化池技术在浙江省嘉兴市、上海市、广东省、深圳市等地的多处水厂或工程中使用，取得了良好效果。
去除污染物的效果
生物接触氧化预处理工艺能去除饮用水中那些用常规方法不能有效去除的污染物，对污染原水中可生物降解的有机物、合成有机化合物、氨氮、硝酸盐、色度、嗅味、浊度、藻类以及铁、锰等均有良好的去除效果。
生物接触氧化作为一种预处理工艺，既改善了原水的混凝沉淀性能，能使后续工艺顺利进行，又减少了水中“三致”物前体物的量。降低了致突变物活性，改善了出水水质；还减少了细菌在配水管网中重新孳生的可能性。
(1)氨氮和亚硝酸氮的去除；生物接触氧化池内同时存在着两种主要的生物作用：一是生物硝化作用，二是有机物的生物氧化作用。进行生物硝化作用的主要是硝化细菌。硝化细菌是一种自养型细菌，它以二氧化碳作为碳源，以氨氮或亚硝酸氮作为氮源，在好氧条件下，通过硝化作用，被氧化为硝酸氮。
在污染原水中，氨氮浓度一般较高。当氨氮浓度超过0.5mg/L时，水厂运行即产生困难，超过1mg/L时，不仅运行困难，而且出水的安全性受到威胁。饮用水中建议上限浓度为0.5mg/L。
生物接触氧化对氨氮的去除效果很好。在内径35mm的蜂窝斜管填料，在水温11.5-24℃、水在填料中停留时间1.3-1.83h的条件下，氨氮去除率为67.9%-81.8%。
(2)有机物与色度、嗅味的去除；生物接触氧化法可去除原水中大部分可生物降解的有机物以及色度和嗅味。采用填料高2m的生物陶粒接触氧化工艺处理原水，在气水比(1:1)-(1:2)、水力停留时间42-85min，滤速1.42-2.86m/h的条件下，CODmn平均去除率为28.5%，最高去除率达55.8%。色度平均去除率47.7%，嗅阈值平均去除率61.1%。
(3)浊度的去除；对于颗粒状填料(如陶粒)生物接触氧化池，浊度的去除主要靠陶粒的机械截留作用和接触絮凝作用；对于弹性填料和蜂窝斜管填料生物接触氧化池，浊度的去除主要靠生物膜对悬浮物的絮凝吸附作用，使之成为较大颗粒而沉淀于池底。
生物接触氧化工艺能有效降低有机物污染原水中胶粒的ζ电位值，降低幅度达14.4%-37.2%，从而使胶粒易于脱稳而凝聚。经过生物接触氧化预处理，原水浊度平均可去除60%左右，后续工艺中原水混凝所需混凝剂聚合氯化铝可节约30%左右，在投加同样混凝剂条件下，经过生物预处理絮凝体形成和生长速度较快，絮体粒径较大，提高了传统处理工艺的水质。
(4)藻类的去除；生物接触氧化预处理可有效去除富营养水体中的藻类。在气水比(1:1)-(2:1)，水力负荷10m3/(m2·h)、水温5-20℃条件下，除藻率达60%-92%。
(5)铁锰的去除；生物接触氧化对铁、锰的去除机理可能是由于生物池中的水经曝气后含有较高的溶解氧，部分低价铁、锰被氧化成高价铁、锰而去除，其余部分被微生物吸收利用。污染原水中通常含有较高浓度的铁和锰。
生物填料
生物接触氧化处理的填料有两类：一是粒状填料，作为生物膜的载体时所用的反应器类似于生物滤池，但曝气使反应器的充氧效率和传质效果更好，对污染物的去除能力更强，又称曝气生物滤床；二是管状、柱状或刷状填料，作为微生物的附着基质时，可建成推流式生
物处理池或完全混合式接触氧化池，具有生物膜法和活性污泥法的优点，适用范围十分广泛，又称生物接触氧化预处理工艺。
(1)粒状填料生物接触氧化预处理；生物陶粒作为填料，它的空隙率高，比衷面积可达3.99m2/g，粒径一般为2-5mm，原料的来源广。一系列研究与应用表明，以生物陶粒作为填料的生物接触氧化床处理多种原水都有较好的效果。
陶粒填料生物反应器在不同的处理规模条件下对污染物的去除效果都不错，能适应不同的水质。
粒状填料生物接触氧化预处理技术发展十分迅速，目前已进入工程应用阶段。
(2)管状、纤维状半软性填料生物接触氧化预处理；国内对半软性填料预处理原水的研究证实其对不同类型的原水均有很好的去除效果。在水温约25℃，水力停留时间60-90min的条件下，进水氨氮0.25-9mg/L，去除率70%-95%，进水CODmn6-8mg/L，去除率20%-30%，浊度去除50%-80%。
工程应用
1996年在宁波建成我国第一座日处理4*10^4m3水的生物接触氧化预处理池，后续净水过程节约矾30%-50%、液氯80%-85%。1998年在深圳水库建成日处理400*10^4m3的生物接触氧化处理工程，运行以来，氨氮的去除率超过75%，其他污染物也有良好的去除效率。

四、曝气生物滤池

曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，BAF)是近年国外发展起来的一项废水好氧生物处理的新工艺。曝气生物滤池将生物氧化过程与固液分离集于一体，使碳源去除、固体过滤和硝化过程在同一个单元反应器中完成，池结构改进后增加了厌氧区的曝气生物滤池还可以进行反硝化脱氮及除磷。曝气生物滤池具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲击负荷能力强等优点。

原理和形式
曝气生物滤池的基本原理在于在一级强化的基础上，以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，实现污染物在同一单元反应器内去除。曝气生物滤池
借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤器的设计原理，省却了二次沉淀设备。反应器内存在着不同的好氧、缺氧区域，可同步实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。
曝气生物滤池的形式在进水方式、填料选择和使用功能上各有所不同，即上向流曝气生物滤池和下向流曝气生物滤池，悬浮填料曝气生物滤池和沉没填料生物滤池；去碳曝气生物滤池、硝化曝气生物滤池、反硝化生物滤他、水源水预处理曝气生物滤池和组合曝气生物滤
池等。
处理微污染水源水
曝气生物滤池用作受污染水源水的预处理工艺，以去除过多的SS、有机物和营养性物质，减轻后续水处理工艺的负担，提高供水水质。在处理营养化水源时应用曝气生物滤池进行硝化，取得了很高的氨去除率。
针对饮用水水源污染问题，滤料选用合适的净水用生物陶粒。采用曝气生物滤池进行预处理工艺可以有效改善原水水质，提高出厂水水质。上海某水厂是国内率先采用曝气生物滤池的工程实例。
某水厂的曝气生物滤池预处理
该厂1999年进行了深度处理改造工程，采用黄浦江上游原水，制水能力为10^4m3/d，处理工艺采用两条处理能力为5000m3/d的平行处理流程，采用曝气生物滤池预处理的工艺流程为：曝气生物滤池→常规处理→臭氧→活性炭。活性炭出水加少量氯，进入清水库后由二泵房提升输入管网。水厂工艺流程如图11-4所示。

陶粒滤料的特点
①陶粒采用黏土为原料，加入少量辅料，使陶粒表面粗糙、多微孔、不结釉；
②强度高，孔隙率大，比表面积大，化学和物理稳定性好，与PP、PE等规则填料相比，具有生物附着力强、挂膜性能良好等优点；
③形状为球形，密度适中，水流流态好，反冲洗容易进行；
④粒径可根据需要制作，截污能力强，过滤周期长。
水厂采用的生物陶粒的具体参数为：球形，粒径为3-5mm，有效粒径3.2mm，棕褐色，密度1.7kg/L，堆积密度0.85kg/L，比表面积>1.5*10^4 cm2/g，孔隙率50%左右。综合设计参数见表11-8。

BAF滤池生物陶粒参数指标
项目	设计参数	项目	设计参数
处理水量/(m3/d)	5000	池总高度/m	5.00
滤速/(m/h)	5.5	填料高度/m	2.0
气水比	(0.7-1):1	空床停留时间/min	22
平面尺寸(长*宽)/m	11.20*7.50	曝气方式	底部设微孔扩散装置连续曝气
单格面积/m	分3格，每格面积为14	反冲洗方式	单气冲2-3min，再单水冲5min
池顶标高/m	9.50	冲洗周期/d	5-7
池底标高/m	4.50	冲洗强度/[L/(m2·s)]	气、水冲洗强度均为15

结果与讨论
①曝气生物滤池作为预处理工艺已成功运行于上海某水厂，它具有接触时间短、占地面积小、排泥方便等优点，操作和砂滤基本相同。
②系列陶粒滤料具有易挂膜、不易板结、强度高、不易破碎、水流阻力小、易冲洗等优点。
③水厂的试验数据表明，曝气生物滤池预处理可去除浊度40.9%、铁53.1%、锰36.6%、氨氮39.9%、亚硝酸盐40.1%、耗氧量CODmn15.4%、可同化有机碳54%，提高出水水质和生物稳定性。
④试验证明，曝气生物滤池预处理可节约混凝剂10%-20%左右。
⑤通过生产试验认为，生物预处理工艺适用于原水氨氮浓度较高的情况，采用生物处理工艺时，要考虑在预处理后加氯化消毒剂来控制沉淀池和砂滤池中的藻类及其他浮游生物过量生长而影响运行和水质的问题。

五、臭氧-生物活性炭技术

工艺特征
臭氧-生物活性炭工艺是将活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒四种技术合为一体的工艺。该工艺可以使处理水水质明显提高，主要表现为：
①国内常规加氯工艺处理的自来水的Ames，致突变试验结果多为阳性，而该工艺处理后为阴性；
②有机物的去除率为50%以上，比常规处理提高15-20个百分点；
③提高色度和嗅阈值去除率，改善感官性指标；
④提高对铁、锰的去除率；
⑤可以去除氨氮达90%左右，水中氨氮和亚硝酸氮可被生物氧化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量；
⑥有效去除可同化有机碳、蛋白氨氮，提高处理水的生物稳定性，提高了管网水水质。
另外，该工艺还延长了活性炭的运行寿命(约6倍，可达3年)，减少了运行费用。
臭氧-生物活性炭净水工艺流程的选择
在采用生物活性炭净水工艺之前，必须对原水进行最好一年以上的抽样试验和分析。
目前国内外采用的生物活性炭净水工艺多数都是在原水被污染，而既有水厂传统净水工艺不能满足出水水质的情况下所增设的深度处理部分。因此就生物活性炭净水工艺而言，一般应与传统的净水工艺配合使用。
①北京某水厂工艺流程
原水→预加氯→混凝→澄清→砂滤→臭氧接触→活性炭过滤→安全投氯→用户
②兰州某水厂采用的工艺流程
原水→混凝→澄清→气浮→砂滤→臭氧接触→活性炭过滤→安全投氯→用户
③哈尔滨某水厂中试采用的工艺流程
原水→混凝→沉淀→砂滤→臭氧接触→活性炭过滤→安全投氯→用户
上海某水厂深度处理工程概况
某水厂工艺流程见图11-5。
水厂臭氧系统流程见图11-6。
臭氧-生物活性炭技术的优点
臭氧-生物活性炭技术在处理微污染的原水中有着其他方法无法比拟的优越性，正在被越来越多的水厂所接受。作为一种优水质、低能耗、无污染的绿色工业水处理技术，该法必将获得更广泛的发展和应用。

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