季 民1， 吳昌敏1， 周 菁1， 賈霞珍2， 畢海燕2，董廣瑞3
（1. 天津大學環境工程系，天津 300072； 2.天津通用水務有限公司，天津 300381；
3． 中國市政華北設計研究院， 天津 300074）

　　摘要：近年來，天津引灤水富營養化現象的加劇導致藻類過量繁殖，對水廠凈水過程造成較大影響。本文采用生物接觸氧化法，對引灤水進行除藻試驗，研究了氣水比、水力負荷、有機負荷、藻含量負荷以及藻類種類對除藻效率的影響，并對生物除藻機理進行了分析。

　　微污染源水中的藻類很難在常規混凝過程中得到有效去除，必須強化混凝工藝，而造成制水成本增加；藻類在進入濾池后會使濾池過濾周期縮短，反沖洗水量增加；藻類也是典型的氯化消毒副產物的前驅物質，在氯消毒過程中不但會產生三鹵甲烷（THMS），而且會產生危害更大、沸點更高的鹵乙酸（HAAS）等三致性更強的鹵代有機物，使飲用水安全性下降。因此，控制與去除水中藻類具有重要的意義。對水中藻類的去除方法主要有：微濾、氣浮、接觸過濾、藥劑滅藻、生物預處理。其中，生物預處理方法具有低成本、易操作、很少二次污染的優點。目前，國內外開展的大量微污染源水生物預處理的工程與實驗研究的結果（見表1）表明，生物氧化預處理能穩定有效的去除源水中的藻類污染物^[1-7]。

表1 不同生物預處理裝置對藻類的去除效率 試驗用水 生物預處理裝置類型 進水藻含量（×10⁴個/L） 藻類去除效率（%） 日本仙臺 未獲得 74 70 安徽巢湖水 生物陶粒接觸氧化濾池 0.11-7.7 71.5 紹興青甸湖水 YDT彈性填料生物預處理 90-2130 17.9-72.0 無錫太湖水 浸沒式生物接觸氧化 未獲得 50-80 武漢東湖水 直型蜂窩填料接觸氧化池 未獲得 60-92 珠江水 YDT彈性填料生物預處理 0.17-53.1 69 寧波姚江水 推流式半軟性立體填料接觸氧化池 480-7200 78 深圳水庫水 PWT網狀填料接觸氧化池 70-633 52.9-97

　　近年來天津引灤水富營養化不斷加劇，導致季節性藻類過量繁殖。在藻類高發季節，源水的特征為CODMn達10-12mg/L，葉綠素一般在20 mg/L，最高可達90 mg/L[8]，高含藻源水給水廠常規處理工藝正常運行帶來了較大困難，本試驗采用天津市某自來水廠進水口處的實際原水，對生物預處理去除引灤水中藻類污染物開展了研究。

1. 試驗設備及方法

1.1 試驗裝置
　　試驗采用的生物接觸氧化池處理工藝圖如圖1所示，其有效容積為48L，有效尺寸為長×寬×高：40×15×80cm。池內裝設TA-Ⅰ型彈性立體填料，填料的表面積與池有效容積之比為10.63m2/m3。填料區高度為50cm。池底設微孔曝氣管兩根。

1.2 水質分析方法
　　pH值：用pHS-3C型酸度計測定。溫度和溶解氧用YSI MODEL-57溶解氧測定儀進行測定。濁度用HACH 2100N濁度儀測定。CODMn、NH4+-N、NO2--N 均依據生活飲用水標準GB5750-85進行測定。藻類計數用魯哥氏碘液穩定后，用光學顯微鏡計數檢測。葉綠素（chl.）用90%丙酮萃取后采用722分光光度計測定。
1.3 原水水質
　　根據以往的統計數據，引灤水源水的主要污染季節為每年的5-10月份，故本次試驗選擇在4-9月份進行，試驗期間的原水水質如表2所示：

表2 試驗期間的水質情況(2000.4-2000.9) 項目 藻類（×10⁴個/L） 濁度(NTU) COD_Mn(mg/L) NH3-N(mg/L) NO₂^--N(mg/L) 最高 4809 90.35 10.61 0.170 0.0780 最低 103 1.30 2.55 0.024 0.0030 平均值 1950 18.61 4.04 0.053 0.0168

　　從表2中可以看出，引灤水源水的主要污染指標為藻類、濁度和CODMn，而氨氮與亞硝酸鹽氮的含量較低，不是處理的主要對象。藻類的存在是污染物高發的主要因素：一方面藻類構成了濁度的一部分，另一方面藻類及其分泌物的存在使得其以有機物的形式被檢測出來成為CODMn的組成部分，因此對藻類的去除將是引灤源水生物預處理工藝的主要目的。

2. 試驗結果及分析

　　試驗設備的安裝、調試在2000年4月18日完成并采用接種掛膜的方式開始掛膜。在水溫14-20℃、pH值8.0-8.3、水力停留時間4-7小時的條件下，完成掛膜的時間為20天。掛膜完成時對濁度和氨氮的去除效果分別穩定在30%-70%和30%-80%之間。
2.1 試驗結果
　　試驗穩定運行期間，生物接觸氧化池的水力停留時間控制在2.0-3.0h之間，氣水比為1.0:1-1.5:1，進水pH值為8.0-8.5，對主要污染物的去除率見表3，對藻類去除變化見圖2

表3 穩定運行期間各污染物的去除率 項目 藻類計數(%) 葉綠素(%) 濁度(%) COD_Mn(%) NH3-N(%) NO₂^--N(%) 最高 85.4 83.6 77.2 32.5 84 57.1 最低 12.4 9.5 6.3 1.8 4.9 7.7 平均值 46.4 45.8 41.8 13.0 41 26.5

2.2 分析討論
　　就生物接觸氧化預處理工藝而言，對藻類去除效果起到影響的因素主要有曝氣量、水力負荷、進水污染物濃度與負荷、進水藻的種類等，現根據試驗結果分別討論如下：
2.2.1曝氣量對去除效果的影響
　　為考查曝氣量對藻類去除的影響，對工況進行了調節將平均氣水比分別控制在0.6:1、1.5:1、2.6:1、6.0:1，通過對運行結果的總結發現：氣水比為0.6:1時，藻類的平均去除率為33.9%，當氣水比增加一倍左右，即1.5:1時，藻類的平均去除率為51.0%，增長了50%；但當氣水比進一步增加到2.6:1時，藻類平均去除率為51.8%，即使氣水比增加到6.0:1時，藻類的平均去除率也僅為52.4%。由此可見，隨著氣水比的增加，藻類的去除率也增加。主要是由于氣水比的增加加大了反應器內污染物與填料上生物膜的接觸，加強了生物膜對水中污染物的攔截吸附作用，同時，氣水比增加使水中溶解氧濃度增高，促進了生物膜上的微生物活性。但氣水比過高會沖刷填料上的生物膜，使得生物膜的黏附性能降低反而抵消了加大攪拌的有效作用，因此在氣水比大于1.5:1之后再加大氣水比對藻類去除效率的影響就較小了。
2.2.2進水水力負荷對藻類去除效果的影響
　　由于試驗用水直接采用實際引灤水，水質變化較大，采用了將相同進水水力負荷的情況下對藻類的去除率取平均值的方法，以在一定程度上消除其他因素的影響，得到進水水力負荷對藻類去除的影響如圖3所示。在水力負荷較小的情況下，隨負荷增加，進水所帶入反應器內的營養物增加，有利于生物膜的生長，提高了生物處理的效果；但當水力負荷進一步增加，造成污染物在反應器內的停留時間過短，未能得到有效的去除，尤其是對藻類，它的降解速度較慢，從而使去除率降低。

2.2.3進水有機物負荷對藻類去除效果的影響
　　討論進水有機物負荷（按填料面積負荷計）對其去除效果的影響，同樣采用了將相同進水有機物負荷的情況下對藻類的去除率取平均值的方法，如圖4所示，從圖中可以看到，在進水CODMn負荷較低的條件下，隨著有機負荷的增加，藻類去除率上升。分析其原因是在較低有機物負荷條件下，進水負荷增加，有利于提供生物膜生長所需的碳源，促進了生物膜的增長，提高了對藻類的去除效果；但在進水有機負荷高于0.08g/m²·h后，隨著進水有機負荷加大，必然加重了生物膜的處理負擔，同時有機負荷增大使得有機物大量存在而對藻類去除起到了競爭的作用，比較而言有機物更容易被生物膜吸附降解，因而降低了藻類被生物膜吸附降解的機率，從而影響到了對藻類的去除效果。

2.2.4進水藻負荷對去除效果的影響
　　進水藻負荷對其去除效果的影響，如圖5所示，隨藻類負荷的增加，藻類的去除率隨之減小，在負荷較大的情況下這種下降趨勢變緩。這種情況的出現說明了生物膜對藻類的去除以生物快速吸附作用為主，進水藻類負荷加大增加了反應器內藻類的濃度，使得其高于生物膜的快速吸附能力，而且在有效的停留時間內得不到降解便隨水流帶出了反應器，而導致了去除率的下降。

2.2.5藻類種群結構的變化對去除效果的影響
　　藻類種類是影響生物處理除藻效率的重要因素。由于不同藻類的物理、化學性質有所區別以及藻細胞的表面性質不同，影響生物膜對藻體的吸附作用，而使得生物膜對不同的藻類表現出不同的去除率。對生物接觸氧化池進出水的藻類鏡檢發現，藍藻的去除效果最好，而綠藻和硅藻不易去除。在6月20日以前進水中優勢藻類為藍藻，尤以銅色微囊藻居多，此時去除率為32.7-85.3%，到6月20日以后出現了大量星桿藻（硅藻）、盤星藻（綠藻）、尖細柵列藻（綠藻）和四尾柵列藻（綠藻），鏡檢時發現出水中這些藻類并未得到較好的去除，而出水中的藍藻（如銅色微囊藻）則有明顯減少，這一階段去除率就較低，為15-67%。藻類種群結構的變化對藻類的去除效果有較大的影響，但具體的影響原因目前還沒有更深入的研究。即使是對哪些藻類種群易于去除，在不同試驗中，也有不同的去除結果^[1、6]。就本試驗而言，對藍藻的去除率最高，硅藻其次，綠藻去除率最低。
2.3 藻類去除機理分析
　　對藻類的生物去除機理目前還沒有明確的結論，一般認為^[1、3、6]，生物處理除藻主要依賴于以下作用：生物膜的吸附、附著，微生物的氧化分解，原生動物等的捕食作用，脫落生物膜對藻類的生物絮凝、沉淀作用。根據試驗結果分析，藻類的去除應以生物膜的吸附絮凝為主。從如圖6可以看出，藻類的去除與對濁度的去除存在一定的相關性，而生物處理對濁度的去除作用即是以生物的吸附絮凝作用與機械截留為主。通過鏡檢發現在生物膜中存在大量藻類，表明生物膜首先是通過吸附作用截留了水中的游離藻類，而在脫落的生物膜及排出的底泥中發現存在有藻類的空殼，說明被吸附在生物膜上的藻類能夠進一步被微生物氧化分解及原生動物捕食。另外，在試驗的后期接觸氧化池內的生物膜出現了脫落現象，從而使得這一階段的去除率有所下降，這也說明生物膜對藻類的去除主要以吸附截留為主。

3. 結論

　　①采用生物接觸氧化池處理引灤水源水，當水溫在18-31℃、水力停留時間2.0-3.0h、氣水比1.0:1-1.5:1時，生物接觸氧化池單體對藻類的去除率為12.4%-85.4%；
　　②對氣水比、水力負荷、有機負荷、藻含量負荷對除藻效率影響的研究發現：氣水比的增加，會增加藻類的去除率，但當氣水比超過1.5:1時，氣水比貢獻作用降低，因此建議采用氣水比為1-1.5:1；在水力負荷、進水CODMn負荷較低的條件下，隨著負荷的增加，藻類去除率上升，但在水力負荷、進水有機負荷高于一定值后，負荷加大會使得去除率呈下降的趨勢；隨進水藻類負荷的增加，去除率呈下降趨勢；
　　③藻類種類是影響生物處理去除藻效率的重要因素，生物膜對不同的藻類表現出不同的去除率，就本試驗而言，對藍藻的去除率最高，硅藻其次，綠藻去除率最低，而在引灤水藻類高發期，以硅藻、綠藻占優，因此給生物除藻帶來較大困難；
　　④藻類的去除應以生物膜的吸附絮凝為主。生物膜首先是通過吸附作用截留了水中的游離藻類，再通過膜上微生物的氧化分解作用及原生動物的捕食作用去除藻類。

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