李偉英?張玉先
同濟大學環境科學與工程學院，上海　200092

　　摘　要：分析了國內現有的給水微生物預處理運行資料，闡述了生物預處理中接觸氧化法的機理，討論了參與生物預處理的微生物的種類及其作用，指出了生物預處理的優缺點及今后應重點解決的問題。
　　關鍵詞：給水；預處理：生物相；生物膜；微污染
　　中圖分類號：TU991
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2000)03-0007-04

Effect of Biological Phase in the Process of Biological Pre-treatment of Feed Water
LI Wei-ying，ZHANG Yu-xian

　　Abstract：Operating data of existing microorganism pre-treatment facilities for water supply in China are studied.Mechanism of contact-oxidation process in biological pre-treatment is expounded.Type and of the micro-organisms participating in the pre-treatment are discussed.Advantages and disadvantages of biological pre-treatment are analyzed,and key issue to be tackled in the future are pointed out.
　　Key words：feed water；pre-treatment；biological phase；biological membrance；micro-pollution

概述

　　大量污水的排放使水源受到嚴重污染。飲用水水質狀況與人類肝癌、食道癌和胃癌等發病率呈正相關^[1]。水污染問題不但是世界范圍的問題^[2]，而且已成為我國重大環境問題之一。
　　水體被污染后，傳統飲用水處理工藝不能有效地去除水中微量有機污染物。許多城市的供水在水質較差的季節均不盡人意，Ames致突變試驗結果常呈陽性。我國徐祥寬等人^[3]研究發現，長期飲用氯消毒自來水比不飲用的人死于消化和泌尿系統癌癥的危險性大。因此，現行給水處理工藝亟待改進，而生物預處理是有效的處理工藝方法之一。
　　生物處理工藝有許多形式，如活性污泥法、生物濾池、生物轉盤和氧化溝等，以往總是應用于城市污水處理之中。７０年代以來，生物處理工藝被越來越廣泛地用于城市給水處理中成為處理微污染原水的有效手段之一。該工藝主要有生物接觸氧化法、生物濾池氧化法、生物轉盤、生物流化床、生物活性炭濾池、膜生物反應器、生物陶粒技術、電生物反應器等形式。本文擬就生物接觸氧化法處理微污染原水工藝處理機理和生物膜中的生物相作一簡要討論。

1　接觸氧化預處理機理

　　生物接觸氧化法處理工藝就是在常規物理化學處理工藝前增設生物接觸氧化處理裝置，借助于裝置中微生物群體(生物膜)的新陳代謝去吸收、分解和利用水源中各種污染物。出水水質的改善是由曝氣氧化、生物降解和生物絮凝三方面協同作用完成的。經接觸氧化預處理的水，既改善了混凝沉淀性能，使后續工藝順利進行，又減少了水中的“三致”物，降低了致突變活性，改善了出水質量，減少了細菌在管網中重新孽生的可能性。

2　生物相的種類與分布

2.1　生物相生成及其工藝參數
　　生物膜法的微生物是以生物膜形態附著在固體填料表面上，因此種類繁多的微生物是生物膜法凈化水的工作主體。生物相的組成與性質特點，在膜法處理工藝中起著重要作用，對生物相的研究與分析可以讓我們從微生物角度考慮工藝中設備設計的條件和參數以及對工藝進行合理化運行管理及技術革新。顯然，控制好環境條件就可控制池中的優勢菌群，從而增加或減少某一菌種類型的數目。
　　我國先后在上海、深圳、寧波、珠海、杭州等地開展生物預處理工藝研究。部分研究成果列于表1。

表1 凈水生物預處理工藝生物相研究實例及其有關運行參數 　 陳洪斌^[12] 湯利華^[13]許建華等^[1] 周建平^[14] 陸俊炯^[15] 　余淦申^[16] 黃曉東等^[6] 研究水源 東深微污染源水生物預處理（以深圳水庫為水源水） 寧波梅林水廠（以姚江水為源水） 無錫市市充山水廠（以太湖流域富營養化的梅梁湖為源水） 祥符水廠（以京杭運河為源水） 杭州玻璃總廠工業用水（以京杭大運河杭段水為源水） 珠江水污染水源 處理工藝 生物接觸氧化工藝 生物接觸氧化工藝 生物接觸氧化工藝 生物接觸氧化工藝 厭氧、缺氧生物接觸氧化工藝 生物陶粒反應器 生物膜特點及生物相 ①成熟生物膜平均厚度在0.04-0.15mm；②成熟生物膜呈褐色至深褐色；③有八個門的動物出現，種類繁多，絕大多數屬清水型動物；④優勢動物種有鐘蟲、累枝蟲、蓋纖蟲、輪蟲、環節動物、臺蘚蟲等；⑤生物膜沿池程分布呈倒金字塔 ①成熟生物膜平均厚度為0.1-0.3mm；②成熟生物膜呈黃褐色；③表層生物膜中可見大量藻類，下層生物膜中藻類數量明顯減少；④在上下層生物膜中觀察到鐘蟲；⑤在上下層生物膜中觀察到硝化桿菌，下層數量比上層數量明顯多 ①彈性填料上為一層褐色薄膜；②較多菌膠團出現，并有大量分泌物；③以纖毛蟲和輪蟲為代表的原生動物活躍 ①生物膜手感滑潤；②生物膜較厚，鏡檢有大量菌膠團、絲狀菌、藻類、釧蟲、纖毛蟲；③生物膜上還有多種種屬的原生動 ①有效強的腥臭味；②有大量的菌膠團存在，有些菌體個體飽滿，顏色透明；③系統運行穩定后，還有少量的輪蟲等后生動物出現 ①陶粒表面及陶粒與陶粒空隙之間都生長出典型的菌膠團生物膜，其間穿插生長著一絲絲狀菌；②生物膜內和周圍可見一些原生動物及形體更大的后生動物；③反應器內的細菌主要是分營養菌，其優勢菌種為假單胞菌屬；④后生動物有輪蟲和線蟲；⑤原生動物有鐘蟲和等枝蟲 掛膜方式 自然富集培菌掛膜方式 自然培菌掛膜方式 自然培菌掛膜方式 自然培菌掛膜方式 動態接種培菌方式。培菌的混合液由食堂生活廢水和水源河水組成 外加營養源強化接種掛膜方式：補一定量葡萄糖，尿素和磷酸二氫鉀 工藝參數 HRT=60min
氣水比：
1.2:1-1.7:1
水溫方式：穿孔管曝氣
生物膜培養時間：
15-2d（25℃以上）；30d(25℃以下）
填料：YTD型彈性立體填料、TA波形填料、PWT網狀立體填料 HRT=90min
氣水比：
1.1:1-3.1:1
水溫：24.5℃
曝氣方式：
逆流穿孔管曝氣
生物膜培養時間：7-12d
填料：YTD型彈性立體填料 氣水比：0.7:1-1.0:1
水溫：15℃-28.4℃
曝氣方式：微孔曝氣
生物膜培養時間：13-16d
采用顆粒和彈性立體填料 HRT=72min
氣水比：11.4:1-2.6:1，運行中平均為5.77:1水溫：22-24℃
曝氣方式：微孔曝氣和穿孔管曝氣
生物膜培養時間：＞9d
填料：YTD型彈性立體填料 缺氧池氣水比=1：1,
溶解氧為0.5mg/L；
好氧池氣水比=2:1
溶解氧為4mg/L
曝氣方式：環狀穿孔管曝氣
生物膜培養時間：15d,2個月后系統運行穩定。采用YTD型彈性立體填料 HRT=30min
氣水比=1.1
氣溫：T=
曝氣方式：逆流曝氣
生物膜培養時間：8d，填料：采用頁巖燒結陶粒 部分物質去除率 ηCODMn=10%-30%
ηNH₃-N≥75%
ηBOD₅=5.76%-66.2% ηCODMn=20%-30%ηNH₃-N＞90
ηTOC=22%
ηCODcr＞25%-35% 顆粒填料：
ηCODMn＞25%
ηNH₃-N＞75%
ηNO₂-N＞65%
彈性填料：ηCODMn＞30%
ηNH₃-N＞65%
ηNO₂-N＞60% ηCODMn＞20%
ηNH₂-N＞60%
濁度去除率大于86% ηCODMn=67%-73%
ηNH3-N＞70%
混濁度由35-90度降為0.5-3度 ηCODcr=29.3%
ηNH₂-N=92.7%
ηBOD₅=90.1%
ηOC=36.6% 備注 出現椎絲螺和苔蘚蟲等特殊微生物 初次掛膜時間較長 顆粒填料見效快，在低溫下（＜10℃，自然掛膜不成功） 中試結果 處理后水作為工業用水 掛膜期間水力停留時間為60min氣水比為2:1

2.2　生物相的分析及作用
　　從表1及實際運行中不難發現，生物膜培養與掛膜過程意義重大。研究生化操作中群落的一般性質操作環境是非常有益的。在不同的生物處理工藝中，由于生態環境及外界條件不同，微生物種類、數量和代謝活性等方面都不相同，微生物之間形成了相互關聯和互相制約的動態平衡體系，這個體系直接影響、決定著處理效率。從表1中，可以發現，在掛膜過程完成后，隨著處理時間的延續，已成熟的生物膜上先后出現原生動物、后生動物、菌膠團。系統運行穩定后，均有輪蟲和線蟲出現。生物膜成熟程度的標志，有的是以氨氮藻類的去除率分別為50％和40％[4][5]為標準，有的是以鏡檢（外觀看到黃色生物膜）和CODcr的去除率為50％[6][7]為標準或以氨氮的去除率為75％、CODMn的去除率為25％[8]為標準，這些結論均帶有普遍性和規律性。
　　前蘇聯M.H.羅特米斯特羅夫等[9]人也認為在生物膜上有細菌的動膠團（亦稱菌膠團）、絲狀菌和真菌聚集，并指出生物膜上的動膠團與活性污泥內的動膠團相同，這與我國有關人員的研究基本相同[1][11]。生物膜上的真菌中占優勢的是水生鐮刀霉
等，真菌與其它微生物相比能夠有效地去除有機質，但是當真菌發育特別旺盛時就會堵塞填料通道，造成處理水水質變差。
2.2.1 原生動物的指示與代謝作用
　　從系統運行初到運行一段時間觀察，生物膜上的生物均是由低等向高等演化的，其原因是低等生物對環境適應性較強。因此，系統剛剛運行時，只見大量的細菌，其他微生物很少或不出現。在系統正常運行和生物膜降解良好時，相應地出現許多較高等的微生物。生物相中占優勢的原生動物以固著性的纖毛蟲為主，如鐘蟲、小口鐘蟲、等枝蟲等。其次還有游泳性纖毛蟲（如豆形蟲）和葡匐性（如循纖蟲）等。系統運行穩定后，生物膜上的生物相也相對穩定，細菌與原生動物之間存在著制約關系。這是因為原生動物（如鐘蟲）吞噬細菌抑制細菌群體的蔓延，而細菌被破壞后又要不斷繁殖生長，這就需要以水源中的有機物為食料，進而達到凈化水的目的。
　　如果設備營養狀況有較大的改變，即系統非正常運行時，則原生動物中固著型鐘蟲、等枝蟲突然消失，伴隨著絲狀菌稀少和菌膠團結構松散，此時出水水質變差[10]
2.2.2 微型后生動物的指示與代謝作用
　　在生物接觸氧化法中的生物膜上存在著大量的后生動物如輪蟲、線蟲。紅斑瓢體蟲等。這些是以食死肉為主的動物，能軟化生物膜、促使生物膜脫落，從而經常保持生物膜的活性和良好的凈化功能。當輪蟲等后生動物數量多且活躍躍,個體肥大，則處理效果好；反之，處理效果差。生物是由低等向高等演化的，低等動物對環境適應能力強，如細菌，一般在生化處理初期對生物膜上生物相鏡檢的結果只有大量的細菌，其他微生物很少或不出現；而較高等生物則相反，隨著生物處理逐漸成熟，且系統運行更趨穩定時，生物膜上便相應地出現許多較高等微生物，例如鐘蟲和輪蟲等，它們對溶解氧和毒物特別敏感，這也與實際運行情況相符，牧可以以原生動物和微型后生動物是否出現為準，根據它們活動規律判斷出水水質和生物水處理效。
2.2.3 特殊動物的指示與代謝作用
　　凡能凝聚呈絨粒的細菌統稱為苗膠團屬，是低等細菌建立的膠粘物。菌膠團具有很強的吸附能力和分解能力，使有機物無機化。它對有機物的吸附和分解為原生動物和微型后生動物提供了良好的生存環境和附著場所[12]。新生菌膠團顏色淺。透明、結構緊密、生命力旺盛，吸附和氧化能力強；而老化的菌膠團則與之相反。因此，通過菌膠團的顏色、透明度等外觀情況可以初步判斷生物膜中微生物生長情況。
　　在東深水源處理中[13]，首次出現了椎絲螺這一較高級的無脊椎動物，椎絲螺屬軟體動物的腹足類，喜居棲含氧高、食料豐富的靜水環境，易在池內生長。數量稀少時，對生物膜危害少，對生物預處理有促進作用；但若大量生長，則對生物預處理不利。

3 結語

3.1 生物預處理的優點
　　生物膜指示作用為給水生物處理工藝的運行調控提供快速監測手段，工藝所具備的特點，使得生物預處理工藝能夠：
　　①經濟有效地去除微污染水源中的有機物、氨氮、藻類等，降低濁度，不產生“三致”物。
　　②減少混凝劑和消毒劑的用量，降低制水成本。
　　③可利用原水池或河道作為處理構筑物。
　　④對OC、濁度的去除受沖擊負荷影響較小。
3.2 生物預處理的缺點
　　隨著該工藝中諸如曝氣等設備添置，出現了新的問題，其中主要有：
　　①需增設曝氣設備和填料沖洗設備。
　　②生物處理運行效果受到諸多因素影響，尤其是水質、水溫、操作管理水平高低的影響，低溫運行不利。
　　③與常規工藝比，需要一定的成熟期。
　　綜上所述，若選擇生物處理工藝且使其處理效率高，須更加深人了解微生物種類及其相互作用關系、生長環境條件及其控制等因素，這是今后著重重視并亟待解決的問題。

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作者簡介：
　　李偉英（1968－），女，博士，聯系電話021－65985982
　　張玉先（1947－），男，教授