余 鍵， 曾光明， 施 周
(湖南大學土木工程學院，湖南長沙　410082)

　　摘 要： 生物過濾可同時有效去除飲用水源中的濁度、可生物降解有機物、氨氮、鐵、錳等污染物質，改善和提高飲用水的生物穩定性和安全性，管理簡便、運行穩定可靠、投資省、運行費用低，是一項經濟實用的飲用水處理新工藝，具有廣闊的應用前景。?
　　關鍵詞：飲用水；生物過濾；生物穩定性?
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻標識碼：B
　　文章編號 ：1000-4602(2002)03-0037-03

　　生物過濾是一種利用活性炭、無煙煤、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、有機物、氨氮等污染物質的新型過濾方式，是常規過濾、顆粒活性炭吸附與生物膜氧化技術相結合的產物。近十幾年來，國內外對其進行了大量研究和探索。?

1 　生物過濾效能

1.1 有機物的去除
　　 在飲用水源中普遍含有各種天然有機物(如腐殖酸、富里酸等)或人工合成有機污染物(如酚類、苯類物質)。生物過濾對水中的TOC特別是BDOC、AOC有較好的去除效果 。研究表明，生物濾池對TOC的去除率為5%～75%^［1～3］，對DOC的去除率為13%～41%，對BDOC、AOC的去除率達90%以上，對三鹵甲烷THMs、鹵乙酸HAAs的先質——THMsFP、HAAsFP的去除率分別達40%和75%^［4］。生物過濾出水中的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水中的細菌總數＜100個/mL^［5］。?
　　生物過濾對水中痕量有機物也有較好的去除效果。痕量有機物是指人工合成的在飲用水源中含量較低的有機污染物(如酚、苯、殺蟲劑等)，它可使水產生嗅和味并具有致癌性和致 突變性，因而被廣泛關注。研究表明，生物濾池對苯酚、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92%、92%、92%和70%^［6、7］，對大部分醛類物質(如甲醛、乙醛)的去除率＞80%^［8］對一氯苯和二氯苯的降解速率較慢，但只要給予足夠的時間，其去除率也可達到81%以上^［7］。?
　　生物濾池對有機物的去除受到多種因素的影響，不同水源中的有機物成分不一樣，可生化性也就不一樣^［3］；預氧化程度不同則水中有機物的可生化性也不同；濾層組成不同則對有機物降解的能力與速度也不同。Wang等^［9］的研究表明，顆粒活性炭上附著的生物膜量是無煙煤、石英砂濾料的4～8倍，活性炭、石英砂構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物的效率高且在低溫時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 沖洗對生物過濾幾乎沒有影響，但用加氯水反沖洗則使濾層中的生物膜量下降22%，從而導致對有機物去除率的下降；EBCT對易降解有機物的去除影響較小，但對慢速生物降解有機物質的去除影響較大，Prevost等［11］的研究表明，生物濾池在2min內可去除62%～90%的AOC，而要去除90%的BDOC則需10～20min的接觸時間。?
1.2 氨氮的去除
　　生物過濾對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90%以上^{［12～15］}，同時亞硝酸鹽氮的去除率也在90%以上。當進水氨氮為1.2～2.0mg/L、亞硝酸 鹽氮為0.5～1.4mg/L、水溫為8～32℃時，出水氨氮始終在0.5mg/L以下，亞硝酸鹽氮在0 .05mg/L以下^［13］。?
　　維持生物濾池對氨氮良好硝化作用的一個重要條件是水中必須有足夠的溶解氧，另一個重要條件是濾層中必須有足夠數量的硝化菌。而要維持生物濾池內一定的硝化菌量必須降低反 沖洗頻率并控制反沖洗強度。?
　　生物濾池對氨氮的去除還可能受到有機物生物降解的影響，因為在自養菌(硝化菌)與異養菌之間存在著爭奪氧與生物膜空間的競爭，對生物濾池的研究顯示異養菌能贏得這種競爭，其結果是有機物氧化在先、氨氮氧化在后，出現這種情況是因為自養菌的增長速率比異養菌慢，且自養菌對由較高水力負荷和較小濾料介質造成的剪力損失比異養菌更敏感。?
1.3 鐵、錳的去除
　　生物過濾對鐵、錳^{［16～19］}。有良好的去除效果生物去除鐵的啟動速率很快，當進水鐵濃度為0.75～1.1mg/L、水溫為30～31 ℃時，新濾池(砂層厚為1.4m、有效粒徑為1.35mm、濾速為22～23m/h)投產后，加氏鐵柄桿菌屬等細菌會迅速接種于砂濾料上，運行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速率慢得多，濾料上錳細菌的自然培養期(成熟期)少則需要40～50d，多則需要3個月以上，但一旦培養成功，生物濾池對錳的去除率即很高，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菌(大部分為自養菌或兼性自養菌)與生物硝化濾池中的硝化菌一樣生長也較為緩慢，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，對鐵、錳含量均較高的地下水源宜采取二級生物過濾處理，否則鐵、錳的去除難以達到最佳水平。?
1.4 濁度的去除
　　生物過濾對濁度有很好的去除效果。研究顯示在正常過濾條件(濾層厚度為0.75m、濾速為5～10m/h、進水濁度為1～4NTU、水頭損失為1.5kPa)下，生物濾池出水的平均濁度可達0.15NTU以下，過濾周期可達16～24h以上。生物濾池與常規濾池一樣出水濁度較低并具有經濟的運行周期^［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濾池，其水頭損失的增長稍快些、過濾周期稍短些［20］。?
　　Bablon等［1］發現顆粒活性炭/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的過濾周期，Ahmad等［21］發現采用氣水反沖洗的生物濾池在成熟期內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 生物過濾的特點

　　生物過濾工藝優勢如下：?
　　① 生物過濾除保留了傳統過濾的去濁性能外，對飲用水源中的有機物(包括合成有機污染物)、氨氮、鐵和錳等物質均有良好的去除效果，經生物濾池處理后的飲用水，具致癌性和致突變性的有機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，生物穩定性也大為提高。?
　　② 用生物過濾替代常規過濾和生物活性炭工藝處理受有機污染的地面水源可節約投資80%以上，節約運行費用50%以上，減少用地近50%；用于含鐵含錳地下水的處理時，可通過節省反應池、沉淀池或加藥設施并降低曝氣強度節省投資40%，節約運行費用50%以上，減少用地50%以上。?
　　③ 生物濾池管理簡單、運行可靠，盡管其啟動或生物膜的培養時間較長，但一旦生物膜培養成功則運行可靠、出水水質穩定，只要做到濾池反沖洗的強度、頻率控制適度以及濾池進水和反沖洗水對生物膜無毒害即可。?
　　④ 中斷生物濾池的運行或停用長達1～2個月后對其再用幾乎沒有影響，濾池重新啟用后濾層內生物膜恢復得非常快，通常只需幾小時或幾天時間即可使濾池的性能恢復到停用前的水平，此外在生物過濾中產生的污泥極易濃縮與脫水。?

3 　結語

　　生物過濾可同時有效去除飲用水源中的濁度、可生物降解有機物、氨氮、鐵、錳等污染物質，改善和提高飲用水的生物穩定性和安全性，管理簡便、運行可靠、投資省、運行費用低，是一項經濟實用的飲用水處理新工藝，在我國具有廣闊的應用前景。但在大規模推廣應用之前，仍需研究和解決一些問題：?
　　① 進入輸配水管網的最大可生物降解有機物質(BOM)的濃度，這對生物濾池的設計與操作非常重要；?
　　② 生物過濾的最佳反沖洗標準，為此需要對反沖洗可能給生物膜造成的損失有更多的了解 ；?
　　③ 非生物顆粒對生物膜性能可能產生的影響。據試驗觀察，在每個過濾周期的末期生物過濾對有機物的去除率下降，初步研究認為這可能是非生物顆粒的影響所致；?
　　④ 慢速生物降解有機物的去除機理與條件，因為這些物質進入配水管網后可能緩慢降解，從而促進管網內微生物的生長；?
　　⑤ 在水中有機物與氨氮共存的情況下，氨氮對有機物降解的影響；?
　　⑥ 在水中鐵、錳共存的情況下，鐵的存在對除錳的影響。

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　　收稿日期：2001-10-10