生物預處理對微污染地表水中有機物的去除

張宇

錦州水務（集團）有限公司 遼寧錦州 121000

水源水中有機污染物的種類及數量逐年增加，嚴重影響飲用水水質。因而，如何去除原水中溶解性有機物是給水領域當前面臨的主要問題。生物處理因其經濟、有效、管理方便、運行可靠等特點，受到了人們的高度重視，并進行了大量的研究。然而，生物預處理對不同分子量區間有機物的去除特性尚未見報道。

1 生物預處理原理

生物預處理是指用生物的方法去除水中有機污染物，減輕后續常規處理負荷的一種處理工藝。生物預處理微污染水源，主要是利用適當條件下生物載體——填料上大量好氧生物膜，在供氧量充足和原水與填料充分接觸情況下，有效去除水中各類污染質。原水與填料生物膜不斷接觸，通過微生物自身生命代謝活動——氧化、還原、合成、分解等過程，在微生物的生物絮凝、吸附、硝化和生物降解等綜合作用下，將原水中的氨氮、有機物、藻類和THMs前體物等去除，既凈化了水質，又明顯減少了其后續凈化和加氯消毒過程中可能產生的THMs等潛在致癌物，經濟有效、無毒副作用地提高生活飲用水水質的安全和衛生質量。

（1）去除有機污染物。原水中的含碳有機物，特別是可生物降解的溶解性有機碳（BDOC），在好氧環境中通過微生物作用可分解為C02和H20。

有機污染物氧化反應為（有機物以CxHyOz表示）

4CxHyOz+（4x+y-2z）02→4xC02+2yH20+能量

（2）去除有機氮和氨氮。生物預處理工藝處理微污染水源水，培養繁殖的微生物多數屬貧營養微生物，故生物氧化反應器中的生化反應，通常主要是生物硝化過程。去除水中的有機氮和氨氮經歷氯化、亞硝化和硝化三個階段。在氯化過程中，水中有機氮在微生物作用下轉化為氨氨；然后在亞硝化桿菌的作用下，氨氮轉化為亞硝酸鹽氦；最后在硝化桿菌作用下，亞硝酸鹽氮進一步被氧化成硝酸鹽氮。

氨氮氧化方程式為：

2NH4++302+亞硝化桿菌→2N02-+4H++2H20+能量

2N02-+02+硝化桿菌→2N03-+能量

2 試驗部分

采用超濾膜過濾法測定水樣的分子量分布，超濾膜為YM系列超濾膜，有機物截留分子量分別為60K、30K、10K、6K、3k、1K和0.5K（Daltons）。超濾器為8200型超濾器，有效容積160mL，最大承受壓力0.53MPa，配有磁力攪拌裝置。

（1）水樣過濾過程。采用逐級過濾法，在過濾水樣前，每級濾膜先過濾150mL高純水，然后過濾水樣，并棄去50mL初濾液，超濾器中的水樣不能完全過濾，截留液至少應留50mL棄掉。研究表明，使用國產膜時透過液體積與截留液體積之比1∶1為宜。當前，國產膜與進口膜在測定分子量分布方面雖未對比試驗，但可推斷，使用進口膜時在超濾器中保留一定體積截留液是有科學依據的，主要目的是防止截留液體積過少造成濾液濃度大，從而引起濃度擴散使過濾液受到影響。

（2）試驗工藝概況。江水→生物濾池→混凝、沉淀、過濾→出水。原水來自某條微污染的江水，生物濾池直徑4m，填料高度3.5m，濾速12-20m/h，混凝劑為硫酸鋁，投藥量為5mg/L。

（3）水樣分析項目和方法。DOC：TOC25000總有機碳分析儀測定TOC，用差減法求出DOC。高錳酸鹽指數：酸性高錳酸鉀法。

3 試驗結果

（1）原水中有機物分子量分布特征。原水中分子量小于0.5K的有機物占72.9%，說明原水中溶解有機物主要由小分子有機物質組成，這是因原水具有湖泊水質的特征，并且又受生活工業污水的污染。因此，研究開發去除小分子有機物的水處理工藝是提高原水水質的關鍵。

（2）通過生物預處理和常規處理去除不同分子量區間的有機物。分子量＜0.5K、0.5-1K和1-3K的有機物（DOC＞6mg/L）去除率分別為27.2%、26.9%和17.6%，其原因是生物膜上的微生物能利用低分子量物質（尤其是分子量＜500）進行自身的新陳代謝，因此生物濾池對這部分有機物的去除率較高；而對低分子量（DOC為1-3mg/L）有機物的去除率為小于10%；分子量在10000-30000間的有機物幾乎沒有被去除，其原因是原水中這部分有機物含量過低（＜1mg/L），去除效果不明顯。分子量為30-60K和大于60k的有機物去除率又有所提高，一方面這部分有機物濃度高，使去除效果明顯；另一方面，除生物效應外，由于生物濾層較厚（3.5m），不排除對分子量較大的有機物存在機械篩分和過濾。生物預處理對DOC的總去除率為24.3%。另有研究表明，生物濾池對TOC和DOC的去除率分別為5%-75%和13%-41%。由于不同水源水中有機物的成分不同，各分子量區間有機物的濃度不同，有機物的可生化性也不同，生物濾池對不同源水中有機物的去除效果也不同。另外，生物濾料類型、生物濾池內水力停留時間、水溫、反沖洗方式等條件是影響有機物去除率的重要因素。常規處理各分子量區間的有機物去除率均高于生物濾池，尤其是對大分子量（30-60K及＞60K）有機物的去除率更為顯著，但在10-30K區間內，有機物去除率較低，其原因是這部分有機物含量很低（＜1mg/L），去除效果不明顯，總去除率為38.1%。因此，有必要對不同水質進行科學的試驗論證，從而選擇合理的水處理工藝。

（3）生物預處理及常規處理對高錳酸鹽指數和NH3-N的去除。原水中高錳酸鹽指數和NH3-N含量較高。生物濾池對高錳酸鹽指數和NH3-N去除率分別為22.1%和76.1%，另有研究表明：對于高濃度NH3-N原水，最好采用生物預處理工藝，其對NH3-N有較好的去除效果，一般去除率可達60%-90%，這與本研究的結論一致。常規處理對高錳酸鹽指數的去除率為40.7%，據報道，FeCl3混凝劑對分子量大于10000的有機物非常有效，本實驗中使用的混凝劑是硫酸鋁，混凝原理與FeCl3相同，因而對大分子有機物的FeCl3效果較好，但對NH3-N的去除率為53.5%，不及生物濾池高。

4 結語

原水TOC為114mg/L，生物濾池對DOC總去除率為24.3%，DOC在分子量小于3K范圍內的去除效果較顯著，去除率為17.6%-27%，而對含量較低有機物在3K-30K區間內的去除率不理想。常規處理在上述分子量區間內的有機物去除率高于生物濾池，但生物濾池作為常規工藝或深度處理的預處理工藝很有必要，其能有效降低后續單元的處理負荷。