生物接触氧化法处理微污染源水的研究进展与应用

生物接触氧化法处理微污染源水的研究进展与应用陈汉辉,孙国胜(广东省东深供水局,广东深圳518021)摘要:本文概述了生物接触氧化法净化水质的原理、水质处理效果、主要影响因素、国内应用情况、优势和局限性,指出传统工艺处理微污染源水已不能满足要求,生物接触氧化预处理与传统处理工艺结合是一种经济有效的改善自来水水质的方法。关键词:微污染源水;生物预处理;生物接触氧化;有机污染物中图分类号:R123·6文献标识码:A文章编号:1006-947x(2000)增-0132-04氮、磷和有机物含量超标以及由此造成的水质富营养化是目前我国水污染的主要问题。加强水源保护和改进水处理工艺是提高饮用水水质,确保安全供水的两项有效措施。由于行政、法律、经济和技术等方面的原因,水源水质的改善仍需相当长一段时间;而以这类微污染水源作为饮用源水,采用混凝、沉淀、过滤和氯化消毒等传统的水处理工艺,已难以有效地去除源水中的污染物质,氯化消毒还导致对人体健康危害更大的三卤甲烷(THMs)等“三致”物质的形成。70年代以来,各种微污染源水处理方法在许多国家和地区得到推广和应用,其中生物预处理工艺因其对氨氮和有机物等污染物的去除效果好而倍受瞩目,生物接触氧化法就是生物预处理工艺中一种有代表性、研究较深入和应用较多的类型。1生物接触氧化法净化水质的原理生物接触氧化法也叫浸没式生物膜法,是一种介于活性污泥法和生物滤池之间的生物膜法工艺,主要由池体、填料、布水装置和曝气系统4部分组成。对于微污染源水,有机物浓度不高,且存在一定量的无机碳酸盐(碱度),在曝气充氧条件下,自养型的硝化细菌和异养微生物以好氧生物膜的形式附着于填料表面上,钟虫、喇叭虫、寡毛类、枝角类和软体动物等原生动物和后生动物也栖息在生物膜上,并有蓝藻、绿藻和硅藻等多种藻类,形成一个复杂的生物群落。源水与生物膜接触时,通过微生物的新陈代谢活动和生物吸附、絮凝、氧化、硝化、合成和摄食等综合作用,使源水中氨氮、铁、锰和有机物等逐渐被氧化和转化,达到净化水质的目的。肖羽堂、许建华对生物接触氧化法净化微污染源水的机理进行研究,结果表明填料生物膜的厚度很薄,只有污水生物处理生物膜厚度的1/10左右,膜内溶解氧充足,无厌氧层存在,膜内主要细菌是高好氧贫营养性微生物,生物接触氧化净化水质是一个高度综合、好氧的生物作用过程。由于曝气充分,使水体中溶解状态的气体或挥发性物质吹散到大气中去,也对水质净化起到一定的作用。污染物去除过程的主要反应方程式如下:2NH+4+3O2亚硝酸盐细菌→2NO-2+4H++2H2O+能量2NO-2+O2硝酸盐细菌→2NO-3+能量4CxHyOz+(4x+y-2z)O2→2xCO2+2yH2O+能量可见氨氮和有机物的氧化均是需氧过程,1gNH+4完全氧化成NO-3需氧4·57g;同时硝化过程中释放出H+,使pH值下降,故源水中应有足够的碱度对反应过程进行缓冲调节。生物接触氧化法具有如下特点:①填料比表面积大,提供了巨大的生物栖息空间,使大量的生物得以附着生长,生物膜比较稳定,延长生物停留时间,有利于一些生长较慢的微生物如硝化细菌等自养菌的不断积累。②填料对气泡起到切割、阻挡和吸附的作用,使气泡的停留时间和气液接触表面积增加,加快氧的转移速率,提高了传质效果和对氧的吸收能力,减少曝气量。③曝气强度大,池内空气、水流扰动剧烈,生物膜不断更新保证其活性,代谢物质的流动和更新速度快,浓度梯度大,加快了传质速度。由于以上特点,生物接触氧化法具有处理水量大,处理时间短,容积负荷高,对冲击负荷有较强的适应性,出水水质较稳定,污泥产率低,运行费用低,占地面积小,运行灵活,操作管理方便等优点。2生物接触氧化法处理微污染源水的效果应用生物接触氧化法处理微污染源水,通常采用自然挂膜法,以氨氮和化学需氧量去除率达到稳定水平作为挂膜成功的标志。生物接触氧化法对源水中氨氮、溶解性可生物降解有机物、铁、锰、浊度和藻类等均有较好的去除效果。广州市自来水公司采用生物接触氧化法对受污染的珠江水源水进行生物预处理,中试结果表明:当填料负荷为1m3/m3·h,气水比为2:1时,可去除氨氮92%,亚硝酸盐氮80%,生化需氧量85%,藻类69%,处理效果好于塔式生物滤池,并可降低后续工艺矾耗40%,氯耗39·2%。刘文君等进行了国内第一家生产规模饮用水生物接触氧化预处理装置试验,结果表明:在气水比1:1、滤速3·6~6·0m/h时,生物预处理对水源水中有机物(OC)和氨氮的去除效率分别为13·6~20·5%和70·0~90·0%。中国市政工程中南设计院以富营养化湖泊水进行半生产性试验,运行一年多来,效果明显而且稳定,在水力停留时间1~3h内,氨氮去除率81~99%、CODMn去除率18~28%、色度去除率30~60%、藻类去除率60~92%、浊度去除率40~60%,出水水质明显改善。宁波市梅林水厂日产水量4万m3生物接触氧化预处理姚江污染源水的生产实践表明:常温条件下,氨氮去除率70~95%,有机物去除率达20~30%,浊度去除率50~80%,藻类去除率78%,与传统的混凝沉淀工艺相比,对后续过滤工艺除污染效果具有强化作用,并可节约硫酸铝30~50%、液氯80~85%,具有显著的经济效益,同时提高了饮用水的安全性,降低了致癌的可能性。3影响生物接触氧化工艺水质净化效果的主要因素生物接触氧化工艺水质净化效果取决于生物膜上的生物量及其活性,从已进行的试验和生产性应用结果看,影响生物接触氧化工艺水质净化效果的主要环境因素有水源水质、水温、pH值(碱性)、碳化物浓度、悬浮物、DO、水力停留时间、气水比等,曝气方式、填料类型、结构特点和填料比表面积等也对处理效果产生影响。3·1水温水温是影响微生物生长和生命代谢活性的主要因素,水温越低,活性越小。硝化细菌的繁殖速率较碳化菌低几个数量级,在低温条件下繁殖速率更低,适宜硝化细菌生长繁殖的温度在25~35℃之间。当水温处于10~23℃时,氨氮的硝化速率几乎随温度的升高而直线上升,5~10℃时的氨氮硝化率大约为20~30℃时的一半,23℃以上时氨氮的去除效果最佳,5~8℃时CODMn的去除率只有常温下的50%左右。但在实际运行中,温度变化对有机物的去除效果影响较大,10℃以上水温对氨氮的去除率影响不大,这是由于有机物的去除主要依靠异养菌,其代谢速率随温度相应升高,而生物膜中主要的微生物硝化细菌生长的温度范围较宽,生物膜也相对稳定。据嘉兴市石臼漾水厂生物接触氧化工艺水质监测资料,预处理池运行效果对水温较为敏感,当水温在15~31℃时预处理池对进水水质有明显的改善作用,当水温低于10℃时,除氨氮仍有10~15%的去除率,锰有20%的去除率外,其它指标无实质性的改善。对于我国南方地区,常年水温大多在10℃以上,不必担心冬季低温条件下生物接触氧化法水质净化效果。3·2源水水质通常以氨氮含量作为水污染程度的主要指标。查人光等在其论文中指出,生物接触氧化法对氨氮有较高的去除率,且与源水氨氮含量密切相关,当进水氨氮小于1·0mg/l时,去除率50%左右;当进水氨氮大于1·5mg/l时,去除率达60~80%,因此预处理池出水能保持相对小的氨氮值。据宁波市梅林水厂预处理池运行结果,在常温条件下,当源水氨氮含量在1~3mg/l时处理效果最佳;氨氮去除率常达80~90%以上,而当氨氮含量在3·5mg/l以上时,氨氮的去除率能达到75~85%左右;氨氮含量太低时,由于缺乏足够的营养物,微生物生长繁殖的速度缓慢,难以培养起生物膜,处理效果较差。生物接触氧化工艺去除的有机物主要是源水中溶解性可生物降解有机物,由于它们在源水中的比例并不高,影响了有机物去除效率的进一步提高。而且过高的有机物浓度会使生长速率较高的异养菌迅速繁殖,生长速率低得多的硝化细菌则受到抑制,使硝化速率降低,影响了氨氮的去除率。3·3溶解氧(气水比)生物池曝气有两方面的作用:一是供给生物氧化所需要的氧气;二是提高池内水流紊动程度,以利污染物、生物膜和氧气的充分接触,保证传质效果。因此溶解氧(气水比)是生物接触氧化工艺的一个重要控制参数。据东深源水的试验研究,氨氮的去除率随溶解氧升高而显著增大,在溶解氧为7·00mg/l左右时,氨氮的去除率较为稳定。在实际运作中,可根据源水水质和氨氮等指标的去除效果控制气水比,国内试验和生产性应用采用气水比多数为0·8:1~1·5:1。3·4水力停留时间(HRT)HRT是影响污染物去除率的重要参数,适当延长源水停留时间,水质净化效果会相应提高,但HRT与工程造价密切相关,在满足处理要求的前提下,应尽可能减少HRT。一般水源水氨氮浓度在3·00mg/l时,HRT可控制在1h左右,同济大学的研究认为HRT取1·2~2·0h最佳。3·5pH值和碱度硝化反应是一个耗碱的过程,适宜的pH范围为7·0~8·5,超出其适宜范围,硝化细菌的活性便急剧下降,降低氨氮的去除效果。合肥市四水厂预处理运行结果表明:pH值大于8·4时,氨氮的去除率急剧下降。生物预处理池进水的pH值应控制在6·5~8·5之间。3·6生物池水位生物池水位影响氧的利用率,水位低时,氧利用率低,且部分填料裸露在水面上,从而影响处理效果,故预处理池的水位和水深应相应稳定,以全淹没填料为宜。影响源水生物接触氧化预处理效果的因素很多,从运行管理来讲,保持连续稳定运行是获得良好处理效果的一个重要环节。4微污染源水生物接触氧化工艺的应用情况生物接触氧化工艺是19世纪末发展起来的,日本于1971年开始应用于饮用水源水的预处理,国外已有生产应用的实例。我国“七五”、“八五”和“九五”科技规划中都把微污染源水处理技术的攻关放在重要地位。清华大学、同济大学和中国市政工程中南设计院等单位对微污染源水生物接触氧化预处理技术进行了系统的试验和研究,取得了很好的效果,表明生物接触氧化法是一种行之有效的方法。从1990年起,国内微污染源水生物接触氧化预处理技术开始进入生产性试验和实际工程应用。1989~1991年,中国市政工程中南设计院对武汉东湖水进行生物接触氧化中试研究,结果表明对氨氮、CODMn和藻类等有明显的去除效果。1993年10月国内第一座生产规模的饮用水生物接触氧化预处理装置(处理能力为1万m3/日)在蚌埠市投入运行。1994年2月~1995年1月,广州市自来水公司在石溪水厂进行了生物接触氧化池和塔式生物滤池的对比实验(中试规模为1000m3/d)。1995年嘉兴市石臼漾水厂二期扩建工程引入生物接触氧化工艺,采用微孔曝气方式对源水进行预处理,设计规模为10万m3/d,于1996年6月投入使用。宁波市梅林水厂由斜管悬浮澄清池改建的采用弹性立体填料和微孔曝气的生物接触氧化处理池(处理能力为4万m3/d)于1996年6月初进入生产应用阶段。东深供水局采用生物接触氧化工艺对供应香港和深圳特区的饮用源水进行预处理,工程于1998年1月5日开工建设,1998年12月1日投入运行,半年多来水质净化效果明显,大大改善源水水质和后续水库水生态环境。上海惠南水厂采用生物接触氧化法的日处理12万m3的源水生物预处理工程于1999年8月投产运行,水质处理效果良好。生物接触氧化法为常规自来水厂提供了一种经济有效的改善饮用水水质的预处理方法,近年来,国内许多自来水厂已开始采用该工艺对微污染源水进行预处理,展示了可观的应用前景。5生物接触氧化工艺在微污染源水预处理上的优势和局限性传统饮用水处理工艺在保证饮用水水质方面起到了重要作用,但它不能有效地去除水源水中微量有机污染物,并且在氯化消毒过程中又产生了三卤甲烷等“三致物质”,生物接触氧化工艺能够去除传统处理不能有效去除的污染物,如溶解性可生物降解有机物和氨氮等,正成为传统饮用水处理方法的重要补充。生物接触氧化工艺对生物可降解有机物,特别是三卤甲烷前体物有很好的去除作用,这对后续处理工艺消除污染有明显的强化作用,降低了氯耗,减少了三卤甲烷等“三致物质”的生成量和细菌在配水管网中重新滋生的可能性。由于生物预处理能降解有机物,改善水质,源水经生物处理后,减少了后续工艺混凝、沉