張長 曾光明 余健
（湖南大學環境科學與工程系 長沙 410082）

　　摘要： 闡述了生物活性濾池的凈化機理，對預氧化、濾料介質、EBCT、反沖洗以及顆粒和絮體等影響生物活性濾池的因素進行了重點討論。介紹了生物活性濾池的優勢和國內外研究與發展的現狀，并提出有待進一步研究的問題。
　　關鍵詞： 有機微污染 飲用水處理 生物活性濾池

Exploration on the Research and Development of Organic Micropollutant Removal in the Raw water by Biological Active Rapid Filter
Zhang Chang Zeng Guangming Yu Jian
(Dep.of Environ.Sci.and Eng.,Hunan Univ.,Changsha Hunan 410082)

　　Abstract This article expounded the removal mechanism of Biological Active Rapid Filter(BARF).Several factors were discussed which could affect the removal efficiency of BARF,such as preoxidation, filter media,EBCT and backwashing. The superiorites of BARF together with the current situation of the research and development of BARF in the world were introduced, the key problems to be further researched were pointed out.
　　Keywords organic micropollutant drinking water treatment BARF

　　1988年，Bablon^[3]等人提出通過使用活性炭—石英砂雙層濾料替代傳統濾池中的單層石英砂濾料，并在雙層濾料中培養微生物，可將常規濾池改造成生物活性濾池，美國、加拿大等國隨即開展了一系列研究。本文將對生物活性濾池進行綜合討論。

1 生物活性濾池凈化機理

　　常規過濾以去除水中的懸浮物、膠體顆粒物為主，對受污染源水中溶解性有機物則無法有效去除。
　　生物過濾是一種將常規過濾、顆粒活性炭吸附與生物膜氧化技術結合在一起的新型過濾工藝^[4]。采用生物活性濾池代替常規濾池，不需要增加多少投資，只需對現有的常規過濾適當加以改進(如更換濾料、培養生物膜、改變預消毒方法和用不含氯水進行反沖洗等)即可達到去除水中懸浮顆粒和微量有機物的雙重目的。
　　生物活性濾池的處理過程包含了物理化學、生物化學和水力學等諸多過程。這種處理技術是利用生物濾料巨大的比表面積和大量微孔的吸附截污作用，以及濾料表面形成的一層生物膜的生物降解作用來完成去除污染物的功能。生物膜上的微生物主要是一些好氧貧營養性微生物，這些微生物的特點是能利用各種化合物，產生對代謝產物具有高親和力的轉移酶，呼吸速率低，能在有機物濃度極低的環境下快速生長繁殖^[5]。源水在與生物膜接觸時，通過微生物的新陳代謝活動和生物絮凝、吸附等綜合作用，使源水中的氨氮、有機物、鐵和錳等逐漸被氧化和轉化，達到凈化水質的目的。
　　Strattion^[6]等人對貧養微生物利用痕量有機物機理做了研究，提出了第二級利用理論，認為如果有一種基質能夠提供維持細胞生長的碳源和能源，即使濃度低于Smin^[7](最小基質濃度)的化合物也能被微生物氧化和利用。第二級利用理論為生物活性濾池對水中微量甚至是痕量有機物的去除提供了堅實的理論基礎。

2 影響生物活性濾池的因素

　　影響生物活性濾池的主要因素有：預氧化、濾料介質、EBCT、反沖洗以及絮體和顆粒的性質等。
2.1 預氧化
　　預氧化對控制源水中的病原微生物、細菌總數起到關鍵的作用，還能使不易生物降解的有機物氧化分解為微生物易降解的有機物。因此，對微污染源水進行預氧化處理是有益的。預氧化劑的選擇和投加量的多少要根據源水受污染情況、生物濾池的運行情況及實際需要而定。目前國內外常用的預氧化劑有Cl₂、O₃及KMnO₄等。
　　①Cl₂ 加Cl₂預氧化主要目的是破壞水中膠體、氧化有機物為無機物或小分子有機物以改善混凝效果，殺死源水中大部分細菌，從而達到凈化源水的目的。
　　但是，現有的預氯化工藝使處理后的出水有色、味。此外，水中的部分有機物(如腐殖酸和富里酸)能在加氯時產生三氯甲烷和鹵乙酸，這些物質被確認為致癌物質^[1]。水中余氯的存在還易使后續生物活性炭吸附容量過早地出現飽和^[9]。因此，若源水中THMs及HAAs的前體物(如腐殖酸和富里酸)含量較高，就不宜在混凝沉淀之前預氯化，應對現有的預加氯工藝進行改進或選用其他的預氧化劑。
　　②O₃ O₃是一種強氧化劑，具有很好的氧化消毒能力。國外許多發達國家已采取O₃氧化代替氯氧化，O₃能有效地去除色、嗅，O₃本身無殘留、無毒害，還可以通過O₃的投加補充水中溶解氧。此外，預加O₃可有效去除原水中含有的THMs類有機母體，在致突變活性方面Ames試驗通常為陰性^[10]。
　　O₃預氧化使水中AOC(可同化有機碳)增加，導致水的生物穩定性變差。但是其后續的生物活性濾池可解決此問題，能有效地降低AOC值，嗅、味、濁度全面降低，使出水生物穩定性大為提高。
③KMnO₄ KMnO₄用于去除水中的臭味和色度，對抑制藻類的生長有特效。KMnO₄能較好地去除污染水源中有機污染物和致突變物質^[11]，KMnO₄預氧化還有很好的助凝作用，可以取代預氯化，有效地控制三鹵甲烷生成量。
　　高錳酸鉀的投加，可使得水中Mn²⁺增加，增加出水的色度，在操作中應根據實際情況加以控制。
2.2 濾料介質
　　濾料的選擇是生物活性濾池的一個中心問題。近年來，國內外研究得最多的幾種單層濾料有顆粒活性炭(GAC)、石英砂、無煙煤和陶粒等，雙層濾料有GAC—石英砂和無煙煤—石英砂等。
　　顆粒活性炭內部具有發達的空隙結構和巨大的比表面積，具有強大的吸附性能，同時也為微生物提供了理想的棲息地。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^[12]。Kurosawa^[13]等人的研究表明，低溫下GAC濾池對氨氮的去除率幾乎不受影響，并對AOC能保持80％以上的去除率。
　　石英砂與無煙煤均為常規濾料，曾廣泛應用于常規濾池，它們也可作為生物活性濾池濾料，作為生物膜載體，以石英砂和無煙煤為濾料的生物活性濾池在適宜溫度條件下去除有機物、氨氮效果較好。
　　陶粒也可作為生物活性濾池濾料，陶粒生物活性濾池去除濁度、氨氮效果很好，井能較好地去除鐵、SS、細菌等，對色度也有一定的去除效果^[14]。
　　活性炭用于生物活性濾池效果雖好，但由于其價格偏高，因此國外許多研究者嘗試對GAC—石英砂雙層濾料的研究，并取得了理想的效果。據報道，GAC—石英砂濾池對AOC和TOC(總有機碳)的去除串只略小于GAC深床濾池，出水濁度可達0.1 ntu^[15]。而運用GAC—石英砂雙層濾料更經濟、實用，也便于在現有的傳統砂濾池的基礎上進行改進。Mark^[16]等人的研究發現GAC—石英砂濾池比無煙煤—石英砂濾池在去除有機物方面更具優勢，兩種濾池對AOC、TOC的去除率前者分別為86％和15％，后者分別為75％和26％。
2.3 空床接觸時間(EBCT)
　　EBCT同濾速、水力負荷、水頭損失呈負相關關系，是影響生物活性濾池去除率的一個很重要的因素。在適宜的EBCT內，生物濾池對有機物的去除效率是隨著EBCT的增加而提高的，Sontheimer^[17]等人研究表明，EBCT是影響DOC(溶解性有機碳)去除串的很重要因素：當EBCT從5min增加至20min，相應的DOC去除率從21％增加至41％。
　　不同有機物的去除對EBCT的要求也不同，易生物降解的有機物的去除受EBCT的影響較小(如臭氧氧化副產物OBPs)，慢速降解有機物的去除受EBCT的影響較大(如加氯消毒副產物前體物)。Prevost^[18]等人的研究表明，生物活性濾池2rain內可去除62％—90％的AOC，90％以上的BDOC(可生物降解溶解性有機碳)則須在10—20min之內去除。
　　過大的EBCT會使微生物的營養供給不足，導致微生物進行內源呼吸，生物膜更易于老化剝落。運行較好的生物活性濾池EBCT的設計標準一般為15min-20min。
2.4 反沖洗
　　濾池中吸附截留的顆粒物和絮體會對濾池去除效率產生影響，積泥易使濾池堵塞，所以生物活性濾池要定期進行反沖洗。
　　反沖洗對生物濾池的影響主要是指對生物膜的影響。用不加氯水反沖洗對生物膜量有無影響目前存在爭議^[19]。根據筆者的試驗研究，不加氯水反沖洗對生物膜總量是有一定影響的(通過磷脂分析法測定)。可能是老化的生物膜剝落所致，由此可見，反沖洗可以促使生物膜更新。因此，應該控制反沖洗的強度和頻率，使其既能沖去積泥，又能讓生物膜保持良好的活性，還必須保證有一定數量的硝化菌以維持濾池對氨氮的去除作用。氣—水反沖洗通常可以達到較好的沖洗效果。
　　加氯反沖洗對生物膜量的減少是明顯的，氯對微生物有氧化致死作用，會導致濾池對BOM(可生物降解有機物)去除率下降^[19]。
　　運行良好的生物濾池需要良好的管理，因此由于反沖洗而引起生物膜的損失應該受到控制，才能保證生物濾池的處理效率。生物活性濾池適合用不加氯水進行反沖洗。
2.5 絮體和顆粒
　　對源水進行混凝處理后產生的絮體和顆粒進入濾池會占去相當一部分的濾料表面積，使微生物同可吸收利用有機物之間的實際接觸面積大大減少，另外，由于混凝劑的投加帶來的鋁鹽、鐵鹽也會抑制微生物的活性^[20]。因此絮體和顆粒會阻礙濾池對有機物的去除。
　　絮體和顆粒過多易使濾池發生堵塞，也使得水頭損失增長加快，直接影響到濾池的過濾周期和出水濁度。通過改善混凝沉淀效果可以控制濾前水中的絮體和顆粒物。
2.6 其他的影響因素
　　除以上的影響因素外，源水水質、溶解氧、重金屬等因素對生物活性濾池也有一定的影響。
　　源水水質主要是指水的可生化程度。可生化程度越高，相應的有機物去除率也就越高。
　　硝化反應必須有足夠的溶解氧，由此看來溶解是去除氨氮的一個重要條件，實際操作中應當保證濾池內溶解氧充足。
　　重金屬過多會對微生物起到抑制甚至致死作用^[21]，因此對重金屬含量較高的源水必須進行預處理。

3 生物活性濾池的發展與展望

　　自19世紀60年代，國外開始運用生物過濾工藝；80年代初期，美國人對生物過濾基礎理論的研究已經取得了階段性的成果。如提出了貧養微生物理論^[5]、最小基質濃度理論^[7]、第二級利用理論^[6]等；到90年代末，他們對影響生物活性濾池的各種因素的考察已經比較全面，并從AOC、DOC、BDOC等先進檢測指標角度對處理水中有機物的效果進行評價，至今已取得了較大進展，研究表明：生物活性濾池對TOC的去除率在5％—75％之間，對DOC的去除率在13％—41％之間，對AOC的去除率幾乎可達100％^[3,15,17,18]。
　　最近幾年，國內有李德生等人對生物活性濾池進行了研究，其結果表明：生物活性濾池對氨氮、亞硝酸鹽氮均有較高的去除效果，其中氨氮的去除率為76％—87％，亞硝酸鹽的去除率為76.9％—90.6%^[22]。楊開等人對顆粒活性炭(GAC)—石英砂雙層濾料的生物活性濾池的研究也表明在未氯化或預氧化的條件下，此種濾池對有機物和氨氮的去除率也是顯著的^[23]。此外，李亞新^[24]等人也做了與之內容類似的研究。
　　生物活性濾池比傳統濾池具有優越性，又不增加任何新的設施，便于在傳統的濾池基礎上進行改造，運行費用也很低。生物活性濾池對于我國經濟實力還比較薄弱、許多供水企業既無資金也無擴建場地的現狀來說有著可觀的應用前景。
　　生物活性濾池要在實踐中大規模推廣應用應在今后的工作中對以下問題做更深入的研究：
　　①出水最大BOM濃度和濾池反沖洗標準對生物活性濾池的設計與操作非常重要。
　　②慢速生物降解有機物的去除機理與條件，因為這些物質可能與配水管網細菌的再生長有關。
　　③源水中的多種污染物(如氨氮、鐵、錳)共存對有機物去除率的影響。
　　④濾池內微生物生長因素(如基質濃度、營養條件)和微生物產物的形成條件及因素。

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第一作者簡介：張長，1978年出生，男，湖南大學環境科學與工程系碩士研究生，研究方向為水污染控制工程。