龙小庆1 王占生1 顾玉其2 富良2
（1.清华大学环境科学与工程系 100084 2.浙江平湖自来水公司 314200） 提 要：本文以南方某市水厂的沉淀池出水为对象，研究在原水预加氯情况下，生物活性滤池的去除特性和机理，并成功地将水厂砂滤地改造为生物活性滤池。结果表明：（1）生物活性滤地出水无异味，浊度低于1NTU，当进水中溶解氧在6－8mg／L以上时，氨氮、亚硝酸盐氮去除率均达80％以上，耗氧量最终去除率稳定在20％左右；（2）运行初期，活性滤料对有机物的去除以物理吸附为主，正常运行后，随着吸附的逐渐饱和与活性滤料上微生物的增长，是活性滤料的吸附与其上生物膜的降解、粘附絮凝等共同作用（以生物膜降解作用为主），使耗氧量去除维持在一个稳定的水平；（3）当进水有余氯时，生物活性滤池仍有净化作用，氨氮、耗氧量等是沿程逐步降低，亚硝酸盐氮则是先升高后降低；（4）反冲洗强度适当对生物活性滤池有利无害；（5）将水厂现有普通砂滤池改造为生物活性滤池，技术和经济上都是可行的。尤其对于资金短缺的水厂，更具经济意义。
关键词 微污染水源水 生物活性滤池 强化过滤 预加氯 水厂改造 目前很多自来水厂的水源已遭受生活污水和工业废水的污染，而常规水处理上艺对水中有机物、氨氮等污染物的去除能力有限，使得水厂出水有机物浓度高（导致饮用水生物不稳定，易使输配水管道中细菌滋长）、氨氮浓度高（使后加氯量增加，并使消毒副产物增多，提高致癌风险人嗅味大等[1]。另一方面，水质标准在不断提高，我国卫生部最近颁布了《生活饮用水水质卫生规范》，自今年九月一日起施行。因此，水厂改造已成为广大水处理工作者面临的紧迫任务，而目前最经济可行的方法是在现有工艺基础上进行改造。
生物活性滤池由原有砂滤池改造而成，目的是让滤料既能去除浊度，又能降解有机物。氨氮、亚硝酸盐氮等。本文以中国南方某市水厂的沉淀池出水为对象，研究在原水预加氯情况下（余氯为0.3-0.7mg/L)生物活性滤池的去除特性和机理，并将之应用于生产，为其它水厂的改造提供有益的借鉴。 1 研究对象 本文以南方某市水厂的沉淀池出水为研究对象。该水厂的水源水取自贯穿该市的一条河流，已受到一定程度的污染。主要表现在浊度高、散发土腥味。氨氮和耗氧量较高。经预加氯、混凝、沉淀。再加氯、过滤、消毒等常规工艺处理后，除浊度外，嗅味、氨氮及CODMn等都不尽如人意。具体水质指标如表1所示。 表1 试验期间水厂主要水质指标平均值水样 | 项目 | | 浊度（NTU） | 臭味 | NH4+-N（mg/L） | CODMn
(mg/L) | | 原水 | 98.9 | 2-3级 | 2.40 | 8.65 | | 沉淀池出水 | 2.20 | 1-2级 | 1.67 | 5.91 | | 水厂出水 | 0.88 | 1-2级 | 1.56 | 5.46 | 2 试验装置及运行条件 试验装置如图1所示。其中圆柱由有机玻璃制成，内径为10cm，活性滤料层高60cm，砂层高30cm（粒径分布为0.5-1.2mm），承托层高30cm，反冲出水门在滤料上方80cm处，并沿程设有取样口。运行时滤速取6－8m／h，工作周期为48－72h，反冲时控制整个滤料层膨胀率为25-35％，反冲时间5－6min。 3 试验结果与分析 3.1 对常规水质指标的去除 表2 生物活性滤池的去除效果水样 项目 | 生物活性滤池 | | 出水 | 去除率% | | 臭味 | 无异味 | / | | 浊度（NTU） | 0.65 | 70.5 | | NH4+-N（mg/L) | 0.22 | 86.8 | | NO2--N(mg/L) | 0.010 | 82.5 | | CODMn(mg/L) | 4.65 | 21.3 | 生物活性滤池对水厂沉淀出水的处理效果见表2。对比表1和表2可见：（1）出水浊度低于1NTU。这主要是由于滤料上生物膜的絮凝粘附作用可有效地促进微细颗粒的去除，所以尽管活性滤料空隙率大于石英砂，但滤后水浊度仍较低；（2）运行初期，生物活性滤池和普通砂滤池对氨氮的去除率相差不大，出水亚硝酸盐氮浓度反而略有增加。但当挂膜成功后，氨氮和亚硝酸盐氮的去除率达80％以上，这是普通砂滤池无法达到的；（3）CODMn的去除率在运行初期是较高的（约为50％），随着时间的推移，去除率逐渐降低，最后稳定在20％左右。这是由于活性滤料吸附能力下降和其上生物膜逐渐成熟的结果。
为进一步弄清生物活性滤池的净水规律，沿程取样测试，结果见图2。 
由图2可见，余氯沿程迅速被去除，这为微生物的生长繁殖创造了良好的外部环境，氨氮和耗氧量浓度沿程逐步降低，亚硝酸盐氮浓度则是先升高后降低。为了解释这个规律，测定了不同滤料层中的亚硝化菌和硝化菌数量，结果见表3。 表3 亚硝化细菌、硝化细菌的沿程分布| | 进水含氯 | 进水无氯 | | 取样高度（cm) | 5 | 50 | 80 | 5 | 80 | | 亚硝化细菌（个/毫升滤料） | 1.25×106 | 1.25×105 | 2.25×105 | 1.25×106 | 2.25×105 | | 硝化细菌（个/毫升滤料） | 3.75×102 | 1.0×103 | 1.5×104 | 7.5×104 | 2.25×105 | 由表3可见，原水预加氯对亚硝化菌的沿程分布影响不大，硝化菌则受到较大的影响，它主要分布在下层滤料，尤其是在砂层中。
以上数据表明，即使生物活性滤池进水中有氯，它仍有较强的生物作用。这主要是由于一方面活性滤料能脱氯，大大减弱了余氯对下层滤料中微生物的杀伤，同时它具有较大的比表面积，表面较粗糙，能富集有机物和溶解氧等，这些都为微生物的生长繁殖提供了良好的条件。另一方面，一旦挂上膜后，由于生物膜上微生物的长期固定培养，它们对各种不利环境因素有较强的适应性，比单体细胞对消毒剂具有更强的抵抗能力[1]，其中亚硝化菌胶团比硝化菌胶团更耐氯一些。而砂粒是惰性材料，不能去除水中余氯，因此，当进水中有氯时，挂膜较为困难。
另外，试验中发现，当活性滤池进水中溶解氧低于6mg/L时，对氨氮、亚硝酸盐氮和耗氧量等去除效果不理想，此时需增加曝气设备。
3.2 对TOC、DOC、BDOC、NBDOC及UV254的去除
图3为生物活性滤池与砂滤对这些指标的去除率。  图3表明，运行初期，生物活性滤池对有机物有较好的去除作用。三个月左右，除BDOC以外，其它有机物指标的去除率均有所下降，尤其是NBDOC的去除率不到10％。数据说明，运行初期，是活性滤料的物理吸附作用占主导地位，而稳定运行后，则是吸附和生物膜的降解、粘附絮凝等共同发挥作用，其中以生物膜降解作用为主。
3.3 反冲洗的影响
反冲洗是滤池运行的关键，也是生物活性滤池工艺的技术难点之一，要求既能去除积泥，又保持一定的生物膜。表4为不同膨胀率反冲出水浊度随时间的变化。
表4表明，控制膨胀率在30％左右、反冲5－6分钟是可以将生物活性滤池中的积泥冲掉。 表4 不同膨胀率反冲出水浊度随时间的变化（单位：NTU）时间 膨胀率 | 1分钟 | 2分钟 | 3分钟 | 4分钟 | 5分钟 | 6分钟 | 冲后水头损失（cm) | | 20% | 178.0 | ＞1000 | 177.6 | 148.2 | 92.1 | 91.1 | 19.5 | | 30% | ＞1000 | 181.3 | 136.1 | 38.8 | 33.4 | 28.9 | 17.5 | | 40% | ＞1000 | 172.4 | 86.5 | 42.1 | 29.9 | 20.9 | 17.0 | 表5为反冲前后生物活性滤池的出水水质。 表 反冲前后的出水水质项目 水样 | 浊度（NTU） | NH4-N（mg/L) | NO2-N(mg/L) | CODMn(mg/L) | | 反冲前 | 0.63 | 0.17 | 0.017 | 4.60 | | 反冲后 | 0.91 | 0.19 | 0.013 | 4.44 | 从表5可见，在上述操作条件下，反冲洗对生物活性滤池无不利影响。这说明适当的反冲洗不仅可冲去滤料间积泥，还可冲掉老化的生物膜，有利于生物膜保持较高的活性。有研究已证明[1]，当生物膜厚大于最佳膜厚时（对应于最大处理效率），尽管膜的总量在增加，但活性却降低很快，造成处理效率下降。
另外试验中发现，反冲时活性滤料层与砂层分层良好，仅在交界面处有轻度混杂现象。
3.4 工程改造
根据上述试验得出的设计参数，水厂将一个砂滤池改造为生物活性滤池，改造投资约为20元／m3／d。原水经过水厂预曝气池，进入生物活性滤池前，水中溶解氧有6-8mg／L。 表6为改造后生物活性滤池运行与水厂砂滤池去除效果比较。| | 沉淀出水 | 生物活性滤池 | 砂滤池 | | 浊度（NTU） | 2.06 | 0.65(68.5%) | 0.68(67.0%) | | 嗅味 | 土腥味2级 | 无 | 土腥味1级 | | NH4-N(mg/L) | 2.08(水厂砂滤进水1.80) | 0.22(89.4%) | 1.66(7.8%) | | NO2-N(mg/L) | 0.115(水厂砂滤进水0.005) | 1.5(/) | 0.005 | | CODMn(mg/L) | 6.87 | 5.58(18.8%) | 6.25(9.0%) | 表中单列出了砂滤进水时的数值。后两列括号中为该处理单元的去除率。
由表6可见，除亚硝酸盐氮外，其它水质指标的去除情况与试验基本一致。生物活性滤池出水亚硝酸盐氮浓度增加的原因是，将水厂砂滤出水与生物活性滤池出水的混合水（余氯为1-2mg/L）作为生物活性滤池的反冲水，由于硝化菌受余氯影响较大，它难以在下层砂滤料生长繁殖，而运行时进水又有余氯，这样硝化菌在整个滤料层都难以生长繁殖，从而无法转化水中亚硝酸盐氮，而氨氮又不断被氧化成亚硝酸盐氮，最终导致出水的亚硝酸盐氮浓度升高（试验中发现，这影响了耗氧量的测定，使结果偏大）。与此同时运行的试验柱对亚硝酸盐氮的去除率却在80％以上（用无氯水反冲）。 3 结论 （1）生物活性滤池出水无异味，浊度低于1NTU，当进水中溶解氧在6－8mg/L以上时，氨氮、亚硝酸盐氮去除率均达8O％以上，耗氧量最终去除率稳定在20%左右；
（2）运行初期，活性滤料对有机物的去除以物理吸附为主。正常运行后，随着吸附的逐渐饱和与活件滤料上微牛物的增长，是活性滤料的吸附与其上生物膜的降解、粘附絮凝等共同作用（以生物膜降解作用为主），使耗氧量去除维持在一个稳定的水平； （3）当进水有余氯时，生物活性滤池仍有净化作用，氨氮、耗氧量等是沿程逐步降低，亚硝酸盐氮则是先升高后降低；
（4）反冲洗强度适当对生物活性滤池有利无害；
（5）将水厂现有普通砂滤池改造为生物活性滤池，技术和经济上都是可行的。尤其对于资金短缺的水厂，更具经济意义。 参考文献 1 王占生，刘文君。微污染水源饮用水处理北京：中国建筑工业出版社，1999 | 
