劉 輝1，張玉先1，包承忠2
(1.上海河畔環(huán)保工程技術(shù)有限公司，上海200092；2.上海原水股份有限公司，上海200085)

　　摘　要： 許多水廠已經(jīng)或正在準(zhǔn)備采用生物接觸氧化預(yù)處理(BCO)技術(shù)來提高水質(zhì)，由于對生化處理缺乏深入了解及受傳統(tǒng)預(yù)加氯處理的限制，現(xiàn)在已經(jīng)運行的生化處理工藝并不能有效地去除有機污染物。在對預(yù)加氯與否所測得試驗數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，提出了全流程生物氧化(EPBO)的處理工藝。
　　關(guān)鍵詞：生物接觸氧化；預(yù)加氯；全流程生物氧化；微污染原水?
　　中圖分類號：X703
　　文獻標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)05-0018-05

Study on the Use of Entire Process Biological Oxidation for Micropolluted Raw Water Treatment?
LIU Hui1, ZHANG Yu?xian1,BAO Cheng?zhong2
(1.Shanghai Watershine Environment Protection Engineering　Technique Ld.,Co .,Sh anghai ?200092,China;2.Shanghai Raw Water Co.Ltd.,Shanghai 200085 China)

　　Abstract： In lot of water treatment plants,biological contact oxidation process has been o r is to be adopted for water pretreatment,so as to improve water quality.Due to lack of full knowledge of biochemical treatment and the limitation in traditiona l prechlorination conception,the operated biochemical process fails to efficient ly remove the organic pollutants.Analysis was made for the experimental data mea sured under the conditions whether chlorination was adopted.Based on the analysi s,the entire process biological oxidation (EPBO) has been proposed.?
　　Keywords:biological contact oxidation; pre-chlorination; entire process biological oxid ation; micropolluted raw water

　　目前，對微污染原水的處理主要是在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增設(shè)生物接觸氧化工藝(BCO)、臭氧氧化和生物活性炭濾池等，但采用BCO技術(shù)的水廠為防止藻類在后續(xù)處理構(gòu)筑物內(nèi)大量繁殖，往往在生物預(yù)處理出水中預(yù)加氯，從而使后續(xù)沉淀、過濾工藝的生物作用難以發(fā)揮。
　　為驗證在含BCO工藝的后續(xù)凈水系統(tǒng)中混凝沉淀池與濾池所具的生化作用，筆者于1999 年9月25日—1999年11月1日進行了在混凝沉淀前預(yù)加氯的試驗，并將所測得參數(shù)與參比的C、Z兩水廠的水質(zhì)參數(shù)進行了比較。?
　　試驗中所投加的漂粉精量為2～4mg/L(漂粉精含有效氯約為60%)，沉淀池出水余氯保持在0.6～1.0mg/L。

1 　預(yù)加氯對氨氮去除效果的影響

　　1999年5月5日—1999年6月10日(平均水溫為21.4℃)和1999年9月25日—1999年11月1日(平均水溫為22.6℃)預(yù)加氯去除氨氮的效果見表1。
　　從表1可知，對于各工藝單元而言，在未投加漂粉精以前，除砂濾池受進水氨氮濃度影響較大外，其余各單元均相對較穩(wěn)定。?

表1　預(yù)加氯對氨氮去除效果的影響 處理單元 未加漂粉精 預(yù)加漂粉精 氨氮濃度(mg/L) 去除率(%) 氨氮濃度(mg/L) 去除率(%) 原水 0.85～5.30 　 1.10～5.70 　 生化池 0.21～1.24 75～76 0.22～1.72 69～80 沉淀池 0.13～0.82 33～38 0.16～1.38 19～27 砂濾池 0.02～0.36 56～84 0.10～1.14 17～44 注：表中數(shù)據(jù)是以原水氨氮濃度的變化范圍為基準(zhǔn)，將其所對應(yīng)的該日的生化池、沉淀池、砂濾池的出水氮氨濃度相應(yīng)列入表中，而去除率則是相對于該工藝單元進水的去除率的計算值，沉淀池為斜管沉淀池，其水流上升流速為2.14mm/s，HRT為0.94h。

　　出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，原水經(jīng)BCO工藝處理后，出水中細菌、硝酸細菌或氨化細菌的含量增多，這些細菌在后續(xù)凈水單元的載體上附著后繼續(xù)發(fā)揮生物降解作用，此時的砂濾池已是 一種具有較強生物活性的生物—砂濾池。預(yù)加氯后，由于氯對水中的細菌及微生物有較強的殺滅作用，因而沉淀出水中細菌及微生物的含量較低。若進入砂濾池的水中也含有較高的余氯，同樣會對濾料表面的細菌及微生物起著殺滅作用，因而預(yù)加氯后砂濾池的生物活性一般較差。
　　常規(guī)工藝對氨氮的去除主要是氯和氨氮進行化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，集中在混凝、沉淀兩工藝中，同時還可能包括一些雜質(zhì)膠體及吸附了氨氮的雜質(zhì)顆粒的去除作用。無預(yù)加氯的常規(guī)工藝中，除了上述沉淀作用外，氨氮的去除是靠沉淀池中斜管管壁生長的和濾池濾 料表面附著的氨化細菌等的生物硝化作用。
　　在設(shè)備進行檢修時觀察到斜管管壁表面生長著一層褐色的生物膜，取管壁表面的生物膜與生物接觸氧化池中填料表面的生物膜進行鏡檢比較發(fā)現(xiàn)這層生物膜疏松且較厚(厚度約為0.3～0.45mm，是YDT填料上部生物膜厚的2～3倍)，其表面的生物群落以苔蘚蟲、鐘蟲、輪蟲群落為主，其中在苔蘚蟲的表面還附著有其他小型動物，管壁外部有黑褐色污物。同期對C、Z兩水廠內(nèi)的斜管取樣鏡檢，發(fā)現(xiàn)在上部管壁有一些綠色藻類和苔蘚蟲群落，下部以一層較薄的淤泥為主，整個管壁顯得較為干凈。這些現(xiàn)象有力地解釋了一般常規(guī)混凝沉淀作用對氨氮幾乎無去除效果、但無預(yù)加氯的混凝沉淀池出水氨氮卻可以有效降低的事實，究其原因是生化池出水中大量的氨化細菌和硝化細菌的存在及斜管壁上生長的生物膜硝化作用所致。
　　分別對EPBO試驗系統(tǒng)各工藝單元、C與Z水廠砂濾池中石英砂表面的氨化細菌進行了測定，其中C、Z兩水廠水源與EPBO試驗系統(tǒng)相同，但C水廠未設(shè)生物預(yù)處理工藝，而Z水廠則設(shè)有生物預(yù)處理工藝，這兩座水廠均采用混凝前預(yù)加氯的方式。所測得的氨化細菌數(shù)等見表2。

表2 異養(yǎng)細菌和氨化細菌總數(shù) 采樣點 生物接觸氧化池 試驗砂濾池 臭氧生物活性炭池 生物活性炭池 C水廠砂濾池 Z水廠砂濾池 氨化細菌數(shù)(個/g) 3.00×10⁶ 4.00×10⁵ 2.50×10⁴ 9. 50×10⁴ 1.50×10⁴ 2.50×10⁵ 異養(yǎng)細菌數(shù)(個/g) 1.80×10⁸ 2.50×10⁶ 2.00×10⁵ 7.50×10⁵ 4.50×10⁴ 2.50×10⁶

注： 所測數(shù)據(jù)為每克填料或石英砂的濕重細菌數(shù)目。

　　表2試驗砂濾池中的氨化細菌數(shù)是C水廠砂濾池中的26.7倍，是Z水廠的1.6倍，這一數(shù)字與預(yù)加氯試驗砂濾池對氨氮的去除率有40%(注：1/0.6≈1.67)以上的差值有較好的吻合。?
　　石英砂濾料較粗糙的表面為微生物的生存提供了良好的附著條件^［1］。[HJ]取這種活性濾料進行顯微鏡觀察時可以看到砂粒呈褐色或黑褐色，而C、Z兩水廠的砂粒在運行多年之后仍不變色，這與兩座水廠在混凝前投加大量的氯有關(guān)。?

2 　預(yù)加氯對CODMn去除效果的影響

　　生化作用在降解原水中有機物上的優(yōu)越性見表3、4。

表3 常溫下混凝沉淀池對CODMn的去除效果 生化池出水CODMn(mg/L) １ 加PAC(mg/L) 未加漂粉精(mg/L) 去除率(%) 平均值(%) 加PAC(mg/L) 加漂粉精(mg/L) 去除率(%) 平均值(%) ≥6 5～10 　 13～50 28.9 5～10 2～4 10～40 25.1 ＜6 5～10 　 17～52 30.7 5～10 2～4 12～45 27.9

表4　常溫下濾池對CODMn的去除效果 沉淀池出水CODMn(mg/L) 2 加PAC(mg/L) 未加氯(mg/L) 去除率(%) 平均值(%) 加PAC(mg/L) 加氯(mg/L) 去除率(%) 平均值(%) ≥4 5～10 　 10～35 22.9 5～10 0.4～0.6 9～33 18.2 ＜4 5～10 　 15～36 25.7 5～10 0.4～0.6 13～36 21.9 注：去除率值系指該單元進、出水的高錳酸鹽指數(shù)變化，而非全系統(tǒng)的去除率變化。

　　結(jié)果表明，常溫下生化凈水系統(tǒng)在混凝沉淀前預(yù)加氯與否對有機物的去除效果差別并不明顯，但從飲水安全的角度考慮，預(yù)加氯應(yīng)當(dāng)盡量避免，這樣不但會減少大量鹵化有機污染物的生成，還會提高處理水的毒理學(xué)安全性，同時還減少了氯耗，降低了水處理成本。

3 　EPBO與常規(guī)工藝去除NO2-N的比較

3.1 　水廠常規(guī)工藝對NO2-N的去除
　　① 較低加氯量?
　　預(yù)加氯為2～3mg/L，澄清池出水余氯為0.6～1.0mg/L，砂濾池出水余氯為0.3～0.75mg/L ，出廠水余氯為0.5～1.0mg/L，試驗結(jié)果表明，當(dāng)進水氨氮濃度為1.6～5.0mg/L，出水的濃度為0.14～0.60mg/L；當(dāng)進水氨氮濃度為0.6～1.15mg/L，出水的NO2-N濃度為0.01～0.08mg/L。這說明當(dāng)進水氨氮濃度為1.6～5.0mg/L，后加氯量為1～2mg/L已不能使出水NO₂-N的含量達到低于0.1 mg/L的要求。另外，砂濾池出水NO₂-N濃度一般較澄清池出水濃度高一些，尤其當(dāng)澄清池出 水NO₂-N＜0.1mg/L時，砂濾池出水NO₂-N濃度升高的幅度更明顯。當(dāng)澄清池出水為0.004～0.088mg/L，砂濾出水的NO₂-N濃度升至0.090～0.45mg/L，這表明澄清池出水的余氯量已不能完全抑制砂濾池中砂上的微生物生長繁殖，此時亞硝化作用開始加劇。砂濾池微生物檢測結(jié)果如表5所示。

表5 C水廠砂濾池細菌檢測結(jié)果 名稱 異養(yǎng)細菌 亞硝酸細菌 硝酸細菌 數(shù)量(個/g樣品) 2.5×10⁵ ＞1.4×10⁵ 30

　　表5可知，砂濾池中異養(yǎng)細菌、氨化細菌及亞硝酸細菌數(shù)目較多，而硝酸細菌只有30個/g(樣品濕重)，這可能是因為進入砂濾池的NO₂-N濃度比氨氮濃度低得多，再加余氯的抑制作用使得硝酸細菌難以在砂濾池中生長繁殖，而亞硝酸細菌的大量生長繁殖導(dǎo)致了砂濾池中明顯的生物亞硝化作用，使得NO₂-N濃度升高。
　　② 較高加氯量?
　　預(yù)加氯為4～6 mg/L，后加氯為1～2mg/L。澄清池出水余氯量為1.2～2.0mg/L，砂濾池出水余氯量為1.0～1.75mg/L，出廠水余氯量為0.75～1.25mg/L，試驗結(jié)果表明，
　　在預(yù)加氯為4～6mg/L時澄清池對NO₂-N去除率＞80%，這時進砂濾池的余氯量為1.2～2.0mg/L，砂濾池出水NO₂-N濃度仍有升高的可能，表明1.2～2.0mg/L的余氯量仍不足以完全抑制砂濾池的亞硝化作用，但NO₂-N濃度升高的幅度與加氯量較低時相比則較小。
　　C水廠常規(guī)工藝砂濾池中存在著明顯的亞硝化作用，NO₂-N濃度的變化是由加氯 量和濾池亞硝化作用共同決定的，最后砂濾池出水NO₂-N濃度的升高或降低取決于這兩種作用的強弱。當(dāng)澄清池出水余氯量較低時，砂濾池出水的NO₂-N濃度大幅上升，后加氯量 為1～2mg/L已不足使出水NO₂-N濃度＜0.1mg/L；當(dāng)澄清池出水余氯量較高時，砂濾池出水的NO₂-N濃度有可能升高，但升幅不大，后加氯為1～2mg/L可使出廠水NO₂-N濃度＜0.1mg/L，所以在水源水氨氮濃度常年較高的凈水廠，為了使出廠水濃度降到0.1mg/L或更低，關(guān)鍵在于抑制砂濾池的亞硝化作用，而這就必須提高加氯量。?
3.2 試驗系統(tǒng)對NO₂-N的去除
　　 進水量為1.0m^3/h、有效水力停留時間為1.12h、混凝劑PAC投加量為5～10mg/L時的試 驗結(jié)果表明，砂濾池對降低NO₂-N濃度起到了決定性作用，出水NO₂-N最高不超過0.05mg/L，一般為0.002mg/L(分析方法的檢測限值)，砂濾池NO₂-N去除率幾乎達到100%。 這是由于該系統(tǒng)生化池出水沒有進行預(yù)加氯，微生物容易在砂上生長繁殖，形成了生物快濾池。盡管生化池對氨氮有很好的去除效果，但由于原水氨氮濃度較高，進入砂濾池的氨氮濃度降低不多，再有生化池出水的溶解氧較高也為硝化細菌的生長繁殖提供了良好的條件，因此砂 濾池中有很好的生物硝化作用。?
　　還對原水及試驗系統(tǒng)各單元出水的溶解氧濃度進行了測定，發(fā)現(xiàn)沉淀池和砂濾池出水溶解氧逐漸降低，表明此處有微生物耗氧作用發(fā)生。砂濾池溶解氧的降幅比沉淀池大得多，即砂濾池中微生物代謝活動更加旺盛，消耗的溶解氧也更多。

4 　對EPBO的探討

　　從前面的討論可知，BCO工藝中的生物作用十分顯著，其填料上粘附的菌膠團細菌為了取得更多的食物可能進入水中，胞外酶也會游離于水中。在上升水流或前進水流的作用下，這部分呈游離態(tài)的細菌和胞外酶會被挾帶進入沉淀池、濾池，并在其中繼續(xù)發(fā)揮生物作用，這就為全流程生物氧化的實現(xiàn)提供了有力條件。?
　　基于此，筆者提出了水廠全流程生物氧化的凈水工藝系統(tǒng)，即原水經(jīng)BCO工藝預(yù)處理后，取消常規(guī)處理工藝中的預(yù)加氯工藝，在自然狀態(tài)下使常規(guī)處理設(shè)備生物化，然后通過生物活性炭濾池進行吸附與過濾(這一工藝單元對沒有條件實施的水廠可以暫時不設(shè)，同樣具有良好的除污染效果)，最后再加氯消毒送入市政管網(wǎng)。
4.1　 生物氧化處理效果
　　各工藝及組合工藝對水中有機物的去除效果見表6。

表6 　各工藝對去除水中主要污染物的貢獻 工藝 平均去除率(%) 加氯后增加倍數(shù) 氨氮 CODMn UV₂₅₄ TOC CHCl₃ CCl₄ BCO 75.2 11.6 -30～15 9 基本未變 基本未變 BT 91.3 43.5 39.9 13.3 未測 未測 _ClT 47.9 33.1 30.6 10.6 4.97～14.6 8～13.7 B_ClT 82.1 46.6 34.5 14.1 3.43～17 2.4～15 BTOC 95 59.8 49.6 15.6 未測 未測 BTC 98 61.4 48.5 16.0 未測 未測 注： ① 表中的去除率是在常溫下、水質(zhì)較差時各工藝的平均值。
　　 ②a.BCO——生物接觸氧化預(yù)處理系統(tǒng)?
　　　 b.BT——常規(guī)凈水工藝?
　　　 c._ClT——常規(guī)凈水工藝的前加氯處理方式?
　　　 d.B_ClT——BCO工藝出水加氯后進入常規(guī)凈水工藝
　　　 e.BTOC——BCO工藝后續(xù)常規(guī)處理及臭氧生物活性炭處理
　　　 f.BTC——BCO工藝后續(xù)常規(guī)處理及生物活性炭處理

　　由表6可見，除UV₂₅₄值外，BT、BTOC與BTC工藝對去除水中有機物的貢獻是十分顯著的，可見生物處理作用較為明顯。?
　　在去除水中TOC、CODMn兩個指標(biāo)方面，BTOC和BTC工藝大體相同，BClT和BT工藝大體相同，前者較后者略高一些；在降低?UV₂₅₄值方面，BTOC和BTC比BT、BCO、ClT和BClT貢獻要大；在去除氨氮方面，BTC與BTOC工藝去除效果最好，BT次之，ClT最差。針對試驗原水，經(jīng)過相同預(yù)處理的各組合工藝處理效果的優(yōu)劣依次是：BTC、BTOC、BT、BClT、BT、ClT(這里均不考慮后加氯)。?
　　這里要強調(diào)是BCO的特點，它在去除水中有機物的同時，一是能有效去除氨氮，降低其后續(xù)工藝(生物活性炭濾池)的負荷及其需氧量；二是能使BCO工藝出水溶解氧接近飽和，為后續(xù)工藝的生物處理創(chuàng)造了良好的條件；三是BCO工藝出水中微生物含量會大量增加，有助于后續(xù)處理工藝中生物膜的形成及修復(fù)。?
　　在常規(guī)工藝前采用BCO工藝對原水進行生物預(yù)處理，在BCO工藝之后不投加氯，使生物接觸氧化作用在常規(guī)水處理工藝得以延續(xù)，這樣做強化了常規(guī)處理系統(tǒng)，使之具有一定的生物活性 。在BT之后輔以生物活性炭濾池或其他生物處理即可滿足深度處理的要求。BT系統(tǒng)中加氯點 應(yīng)設(shè)在砂濾池出水處，而在BTC或BTOC中的加氯點應(yīng)設(shè)在生物活性炭池或臭氧生物活性炭池出水之后。
　　對沒有條件設(shè)生物活性炭池或臭氧生物活性炭池的水廠，在水源水受到氨氮和有機物的污染 時通過增設(shè)BCO工藝，取消預(yù)加氯工藝也可能使整個凈水工藝取得較滿意的效果。?
4.2　 實現(xiàn)EPBO的措施
　　① 預(yù)處理采用BCO工藝或其他生物預(yù)處理設(shè)施?
　　BCO工藝一般采用YDT填料，高為3～4m，水力負荷為2.3m³/(m²·h)左右，采用微孔膜曝氣器或穿孔曝氣管，氣水比為(0.5～0.7)∶1，曝氣要求出水DO達到80%～90%飽和率，以保證后續(xù)處理的需氧要求。?
　　其他形式的生物預(yù)處理設(shè)施還有生物轉(zhuǎn)盤、塔式生物濾池、生物流化床及陶粒生物濾池等。
　　② 反應(yīng)池改進?
　　反應(yīng)池可采用回流式、折流式和折板式，保持原有過水?dāng)嗝媪魉倩虮３衷蠫T值，用斜板或立板將其分隔，可作為附著生物的填料，間距為5cm左右，以利于形成生物膜，其停留時間可維持原值。
　　③ 沉淀池和各類澄清池
　　在沉淀池和各類澄清池加斜板或斜管以附著生物膜。若不按出水濁度控制時，上升流速可取較大值以利于斜板或斜管壁上生物膜的更新，可適當(dāng)縮短停留時間即加大負荷，防止生物生長造成斜板或斜管的堵塞，以使生物反應(yīng)作用可持續(xù)進行。?
　　沉淀池或澄清池出水要設(shè)20～30cm的跌水曝氣以保證后續(xù)濾池的需氧，必要時可在沉淀池或澄清池出水處設(shè)曝氣設(shè)備。
　　氣浮池中也可加斜板或柔性填料，使之成為具有生化作用的氣浮池。
　　④ 濾池?
　　適當(dāng)加厚濾層，采用深層均質(zhì)粗濾料，將濾速降低至8m/h以下，最好能有氣水反沖洗裝置(為保持生物膜的活性，反沖洗周期可適當(dāng)縮短)。
　　⑤ 生物活性炭濾池
　　生物活性炭濾池視需要而定，其濾料層厚度≥2m，濾速為8m/h左右為宜。?
　　⑥ 采用氯氣或二氧化氯消毒?
　　最后一道工序是加氯或二氧化氯消毒。?
　　在以上組合凈水工藝中，共形成了5級生物處理和1級加氯處理。在4或5級的生物處理工藝中，以沉淀池、各類澄清池或氣浮池為主；反應(yīng)池因為容積小，水的停留時間較短，可以不作調(diào)整。濾池可視情況而定，如需較大調(diào)整時則可維持現(xiàn)狀，采用較低濾速時需注意防止濾池內(nèi)產(chǎn)生亞硝化作用。

5 　結(jié)論

　　BCO工藝中接觸氧化池填料具有很大的比表面積，使較小的池內(nèi)密集活性細菌，使有機物的轉(zhuǎn)化比天然河床效率高得多。斜管內(nèi)和石英砂濾料間有著良好的供微生物生長的水力條件，通過取消預(yù)加氯將常規(guī)凈水工藝設(shè)備改造為既有反應(yīng)、沉淀作用，又有生物膜 凈化作用的生物活性設(shè)備是完全可行的，這樣做會強化常規(guī)處理工藝去除有機物的效果。采取這樣的措施，BT工藝便會成為BTBC工藝(TB表示生物處理化的常規(guī)凈化工藝)，而BTC、BTOC也相應(yīng)地變成BTBC、BTBOC工藝，從而實現(xiàn)了EPBO工藝，達到了提高出水水質(zhì)的目的。

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　　作者簡介：劉輝(1971- )，男，安徽界首人，博士，主要研究方向為微污染原水處理、新型混凝劑的開發(fā)、自來水廠污泥處理及受污染河流、湖泊的生物修復(fù)。
　　電　　話：(0)13916816798?
　　E-mail:tjdrl@163.com
　　收稿日期：2002-02-24