生物预处理对微污染地表水中有机物的去除

张宇

锦州水务（集团）有限公司 辽宁锦州 121000

水源水中有机污染物的种类及数量逐年增加，严重影响饮用水水质。因而，如何去除原水中溶解性有机物是给水领域当前面临的主要问题。生物处理因其经济、有效、管理方便、运行可靠等特点，受到了人们的高度重视，并进行了大量的研究。然而，生物预处理对不同分子量区间有机物的去除特性尚未见报道。

1 生物预处理原理

生物预处理是指用生物的方法去除水中有机污染物，减轻后续常规处理负荷的一种处理工艺。生物预处理微污染水源，主要是利用适当条件下生物载体——填料上大量好氧生物膜，在供氧量充足和原水与填料充分接触情况下，有效去除水中各类污染质。原水与填料生物膜不断接触，通过微生物自身生命代谢活动——氧化、还原、合成、分解等过程，在微生物的生物絮凝、吸附、硝化和生物降解等综合作用下，将原水中的氨氮、有机物、藻类和THMs前体物等去除，既净化了水质，又明显减少了其后续净化和加氯消毒过程中可能产生的THMs等潜在致癌物，经济有效、无毒副作用地提高生活饮用水水质的安全和卫生质量。

（1）去除有机污染物。原水中的含碳有机物，特别是可生物降解的溶解性有机碳（BDOC），在好氧环境中通过微生物作用可分解为C02和H20。

有机污染物氧化反应为（有机物以CxHyOz表示）

4CxHyOz+（4x+y-2z）02→4xC02+2yH20+能量

（2）去除有机氮和氨氮。生物预处理工艺处理微污染水源水，培养繁殖的微生物多数属贫营养微生物，故生物氧化反应器中的生化反应，通常主要是生物硝化过程。去除水中的有机氮和氨氮经历氯化、亚硝化和硝化三个阶段。在氯化过程中，水中有机氮在微生物作用下转化为氨氨；然后在亚硝化杆菌的作用下，氨氮转化为亚硝酸盐氦；最后在硝化杆菌作用下，亚硝酸盐氮进一步被氧化成硝酸盐氮。

氨氮氧化方程式为：

2NH4++302+亚硝化杆菌→2N02-+4H++2H20+能量

2N02-+02+硝化杆菌→2N03-+能量

2 试验部分

采用超滤膜过滤法测定水样的分子量分布，超滤膜为YM系列超滤膜，有机物截留分子量分别为60K、30K、10K、6K、3k、1K和0.5K（Daltons）。超滤器为8200型超滤器，有效容积160mL，最大承受压力0.53MPa，配有磁力搅拌装置。

（1）水样过滤过程。采用逐级过滤法，在过滤水样前，每级滤膜先过滤150mL高纯水，然后过滤水样，并弃去50mL初滤液，超滤器中的水样不能完全过滤，截留液至少应留50mL弃掉。研究表明，使用国产膜时透过液体积与截留液体积之比1∶1为宜。当前，国产膜与进口膜在测定分子量分布方面虽未对比试验，但可推断，使用进口膜时在超滤器中保留一定体积截留液是有科学依据的，主要目的是防止截留液体积过少造成滤液浓度大，从而引起浓度扩散使过滤液受到影响。

（2）试验工艺概况。江水→生物滤池→混凝、沉淀、过滤→出水。原水来自某条微污染的江水，生物滤池直径4m，填料高度3.5m，滤速12-20m/h，混凝剂为硫酸铝，投药量为5mg/L。

（3）水样分析项目和方法。DOC：TOC25000总有机碳分析仪测定TOC，用差减法求出DOC。高锰酸盐指数：酸性高锰酸钾法。

3 试验结果

（1）原水中有机物分子量分布特征。原水中分子量小于0.5K的有机物占72.9%，说明原水中溶解有机物主要由小分子有机物质组成，这是因原水具有湖泊水质的特征，并且又受生活工业污水的污染。因此，研究开发去除小分子有机物的水处理工艺是提高原水水质的关键。

（2）通过生物预处理和常规处理去除不同分子量区间的有机物。分子量＜0.5K、0.5-1K和1-3K的有机物（DOC＞6mg/L）去除率分别为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质（尤其是分子量＜500）进行自身的新陈代谢，因此生物滤池对这部分有机物的去除率较高；而对低分子量（DOC为1-3mg/L）有机物的去除率为小于10%；分子量在10000-30000间的有机物几乎没有被去除，其原因是原水中这部分有机物含量过低（＜1mg/L），去除效果不明显。分子量为30-60K和大于60k的有机物去除率又有所提高，一方面这部分有机物浓度高，使去除效果明显；另一方面，除生物效应外，由于生物滤层较厚（3.5m），不排除对分子量较大的有机物存在机械筛分和过滤。生物预处理对DOC的总去除率为24.3%。另有研究表明，生物滤池对TOC和DOC的去除率分别为5%-75%和13%-41%。由于不同水源水中有机物的成分不同，各分子量区间有机物的浓度不同，有机物的可生化性也不同，生物滤池对不同源水中有机物的去除效果也不同。另外，生物滤料类型、生物滤池内水力停留时间、水温、反冲洗方式等条件是影响有机物去除率的重要因素。常规处理各分子量区间的有机物去除率均高于生物滤池，尤其是对大分子量（30-60K及＞60K）有机物的去除率更为显著，但在10-30K区间内，有机物去除率较低，其原因是这部分有机物含量很低（＜1mg/L），去除效果不明显，总去除率为38.1%。因此，有必要对不同水质进行科学的试验论证，从而选择合理的水处理工艺。

（3）生物预处理及常规处理对高锰酸盐指数和NH3-N的去除。原水中高锰酸盐指数和NH3-N含量较高。生物滤池对高锰酸盐指数和NH3-N去除率分别为22.1%和76.1%，另有研究表明：对于高浓度NH3-N原水，最好采用生物预处理工艺，其对NH3-N有较好的去除效果，一般去除率可达60%-90%，这与本研究的结论一致。常规处理对高锰酸盐指数的去除率为40.7%，据报道，FeCl3混凝剂对分子量大于10000的有机物非常有效，本实验中使用的混凝剂是硫酸铝，混凝原理与FeCl3相同，因而对大分子有机物的FeCl3效果较好，但对NH3-N的去除率为53.5%，不及生物滤池高。

4 结语

原水TOC为114mg/L，生物滤池对DOC总去除率为24.3%，DOC在分子量小于3K范围内的去除效果较显著，去除率为17.6%-27%，而对含量较低有机物在3K-30K区间内的去除率不理想。常规处理在上述分子量区间内的有机物去除率高于生物滤池，但生物滤池作为常规工艺或深度处理的预处理工艺很有必要，其能有效降低后续单元的处理负荷。