——小议滤池残留生物活性污泥对有机污染去除效果的影响

     

一、概述

    随着工业化进程的加速及人口的增长，长江水质污染越来越严重，导致沿江城市取水条件的恶化，原水中有机物含量越来越高。经过给水处理常规工艺处理后，饮用水仍然含有较高氨氮，出现化合性余氯较高、游离态余氯较低等异常现象。

    南京市上元门水厂位于南京市中下游，随着经济发展,近几年来其原水污染趋于严重。其基本情况如下：                        

时间 内容	设计值	97年 1月	98年 4月	99年 4月
氨氮含量 mg/l	0.5	0.6	2.61	4.42

在给水处理中，常规工艺流程为：

    原水——沉淀——过滤——出水。

    其中沉淀是指水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程。过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程，其主要作用有：1、颗粒迁移，2、颗粒粘附，3、滤层内杂质分布规律。这些作用以谁为主，主要看水质水温等因素。

    上元门水厂工艺流程如下：

新厂（流程一）：

    原水——脉冲澄清池——V型滤池——出水

老厂（流程二）：

    原水——斜管沉淀池——双阀滤池——出水

    原水——脉冲澄清池——虹吸滤池——出水

新厂（流程一）滤池采取气水反冲洗，老厂（流程二）滤池采取水冲洗。

从众多研究结果可知，在原水不受污染的情况下，单层滤料与均质滤料对氨氮过滤效果相差不是很大。

                                     表1

种类 内容	新均质滤料	新普通滤料
滤前水氨氮	1.54	1.54
滤后水氨氮	1.48	1.50

    然而，随着原水污染日趋严重，上元门水厂新厂（简称“一0 ”）出水出现化合性余氯较高，游离性余氯较底等异常现象，而老厂（流程二）却很少出现此类现象。经过实验分析，我们初步认为老厂滤料表面有一层生物膜及活性污泥，而新厂均质滤料却没有。下面就给水处理中生物膜及活性污泥形成及其对氨氮、浊度去除进行分析。

 

二、生物膜形成过程及作用原理

在给水处理常规研究中的生物预处理，是指原水受到较严重污染时，在水厂常规工艺之前进行处理，以缓解水源污染对给水系统造成的危害，保证常规工艺的正常运行。而本文所述生物处理是指在水厂常规工艺之中的生物处理作用，其机理与生物预处理以及污水处理中的生物处理相同。

生物膜是使细菌和菌类一类微生物和原生动物、后生动物一类微型动物在滤料生长和繁殖，形成膜状生物性污泥。当沉淀后水与生物膜接触时，水中有害物质（少量有机物，以氨氮为主）被生物膜中微生物氧化分解、消化，形成亚硝酸盐，最终形成稳定无害的硝酸盐，使滤后水得以净化。好氧生物膜是在溶解氧存在条件下，依靠好氧生物形成的生物膜。流程二在实际运行中，由于以人工控制为主的水冲洗，由于冲洗强度不够等原因，使含有微量营养物质的沉淀水与滤料接触时，沉淀原水中一些菌类和藻类会在滤料表面吸附，利用水中营养物质和溶解氧生长繁殖，并分泌粘性物质粘附更多的微生物及其它胶体和颗粒物形成一层连续的有生化反应活性的粘膜，即生物膜。活性污泥是指有好氧微生物的絮凝体，活性污泥能够吸附水中有机物，生活在活性污泥上的微生物以有机物为食料，获得能量并进行繁殖，从而有机物被去除。

好氧生物膜的运行过程可用如图所示。

 

 

   从图可知，在生物膜内外，生物膜与水层之间进行着许多物质的传递过程。空气中的氧溶解于流动水层中，并从那里通过附着水厂传递给生物膜，供微生物用于呼吸；原水中的有机污染物，通过浓差扩散由流动水层传递给附着水层，然后在进入生物膜，并通过细菌的代谢活动被降解。这样就使流动水层在其不断流动过程中逐步得到净化。微生物的代谢产物如H₂O等在浓差扩散作用下通过附着水层进入流动水层，并随其排走，而CO₂等代谢产物则从水层逸出进入空气中。当生物膜厚度较厚时，生物膜内侧也会因缺氧出现厌氧层，当厌氧层较厚时，生物膜呈老化状，此时生物膜的净化功能较差，这时为了保持生物膜的活性（较好净化功能），常常要采取反冲洗之类的强制脱膜，老化生物膜脱落后，新的生物膜又开始形成。

                     

三、生物膜及活性污泥处理有机物（以氨氮为代表）

氨氮是水中蛋白质之类含氮有机物分解的产物，普遍存在于受到生活及工业污染的水体中。对饮用水处理而言，氨氮是反映水体遭受有机污染程度的一个重要指标。氨氮的存在会影响消毒效果，形成化合性余氯，依靠氯氨消毒，效果通常难以达到要求，折点加氯不仅消耗大量的氯，增加了水厂运行成本，而且大大增加水中氯化剂产物含量。

    水中的氨在好氧条件下能被两种自养菌——亚硝化菌与硝化菌氧化成高价的氮氧化合物。这两类自养菌又分别通过氧化NH₃-N和NO₂获得生命活动所需能量，直接利用水中CO₂为碳源合成细胞物质。上述两种氧化反应可分别利用以下反应式表示：

        2NH₃+3O₂=2HNO₂+2H₂O+619.6KJ

        2HNO₂+O₂=2HNO₃+201KJ

经过上述生化反应，氨氮转化为基本无害的硝酸盐。亚硝化菌与硝化菌这类生长缓慢的自养菌，不但挂膜的成熟期长，运行中受到水力冲刷和毒物负荷冲击后恢复期长，而且在载体表面与快速生长繁殖的异养菌竞争生长空间与溶解氧，常居于劣势。但由于上元门水厂原水属于微污染水，这种竞争对正常的硝化作用不构成损害。而亚硝化菌与硝化菌对环境条件要求相近，所以在水中溶解氧的浓度和生物处理的水力停留时间满足一定要求时，两类硝化菌在生物膜上可平衡生长，氨氮的转化将均衡地进行。氨氮的转化效果还会随水温溶解氧浓度及水力停留时间不同而不同。 

    从97年以来，流程一出水出现化合性余氯较高、游离性余氯较低，流程二却没有出现这种情况，为此做了以下实验，实验结果如下：                          

                                         表2

日期 类别		5日	8日	9日	10日	11日	12日
源水氨氮		3.91	2.71	1.67	3.47	3.85	3.25
滤前水 氨  氮	老厂	2.16	0.85	0.80	0.96	0.96	0.83
	新厂	1.84	0.58	0.52	0.95	0.72	0.75
滤后水 氨  氮	老厂	小于 0.02	小于0.02	小于0.02	小于0.02	小于0.02	小于0.02
	新厂	1.89	0.58	0.55	0.87	0.72	0.34

                               表3

种类 内容	新厂均质滤料	老厂普通滤料	新均质滤料	新普通滤料
滤前水氨氮	1.54	1.54	1.54	1.54
滤后水氨氮	1.13	〈0.02	1.48	1.50

                                           表4

种类 氨氮	老厂普通滤池滤料
	未经处理	手洗	酸洗
滤前水	0.44	0.44	0.44
滤后水	〈0.02	〈0.02	0.23

 由表2、表3、表4，我们认为：老厂（流程二）普通快滤池或虹吸滤池因反冲洗效果不彻底，其滤料表面残留一定量活性污泥，并形成一层很薄的生物膜，生物膜能增加水中有机物尤其是氨氮及浊度去除效果。且其在实际运行中，定期进行反冲洗（水冲洗）并且冲洗不彻底，正好起到了强制脱膜作用，恰好保持生物膜和活性污泥的活性，使得生物能长时间生长和繁殖，从而使其过滤水氨氮、浊度很低；在新厂（流程二）V型滤池均质滤料、未用过的均质滤料和普通滤料、酸洗过的普通滤料等较清洁的滤料表面这种去除效果却不明显。因而在V型滤池中，由于采取的是气水反冲洗，再加上始终存在横向水流进行表面扫洗，冲洗效果好，滤料冲洗非常干净，没有残留活性污泥，生物膜无法粘附在滤料上，难以形成生物膜（因生物膜形成较缓慢、周期长），从而导致滤后水氨氮较高。

    表5是上元门水厂99年3月——4月检测水质（抽查）结果。表中溶解氧关系为：新厂>原水>老厂。这表明：老厂（流程二）中存在较多的微生物，其呼吸作用消耗了一部分溶解氧，从而导致水体中溶解氧下降。而新厂（流程一）中有很少的微生物，其生物需氧量较少，导致水体中溶解氧上升。

表中耗氧量关系：原水>新厂>老厂。这表明：经过常规工艺（含生物处理）后，新、老厂水质都得到很大改善，老厂（流程二）处理效果好于新厂（流程一）。

         表5：上元门水厂水质检测表

日期 类别		3月 5日	3月8日	3月9日	3月10日	3月11日	3月12日	4月1日	4月2日
氨  氮	原水	3．91	2.71	1.67	3.47	3.85	3.25	4.24	2.11
	老厂	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02
	新厂	0．76	0.13	0.06	0.53	0.23	0.06	0.66	0.53
浊度	原水	51	45	48	51	40	38	68	67
	老厂	0.3	0.3	0.2	0.3	0.2	0.2	0.3	0.2
	新厂	0.8	0.7	0.8	0.2	0.6	0.7	0.8	0.8
NO3-1	原水	0．48	0.45	0.40	0.50	0.35	0.38	0.21	0.40
	老厂	0．87	0.72	0.67	0.67	0.50	0.67	0.43	0.50
	新厂	0．70	0.65	0.64	0.66	0.55	0.55	0.48	0.70
耗氧量（KMnO4法）	原水	3．4	2.6	2.3	2.6	2.3	2.5	2.8	2.7
	老厂	1．2	1.2	1.0	1.2	1.0	1.1	1.3	1.1
	新厂	2．0	1.9	1.7	1.8	1.7	1.8	2.0	1.8
溶解氧	原水	12．0	12.0	13.6	12.8	13.6	12.8	12.8	12.8
	老厂	10．4	10.4	11.2	11.2	12.0	10.4	12.8	10.4
	新厂	12．0	14.4	14.4	13.6	15.2	13.6	12.8	12.8
滤前水 氨  氮	老厂	2．16	0.85	0.80	0.95	0.96	0.83	1.51	1.35
	新厂	1．84	0.58	0.52	0.95	0.72	0.75	1.37	1.13
滤后水 氨  氮	老厂	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02	〈0．02
	新厂	1．89	0.58	0.55	0.87	0.72	0.34	1.35	1.10
NO2-1	原水	0．063	0.016	0.028	0.037	0.044	0.047	0.059	0.066
滤前水 NO2-1	老厂	0．10	0.015	0.026	0.041	0.04	0.05	0.05	0.05
	新厂	0．026	0.005	0.005	0.035	0.019	0.013	0.024	0.024
滤后水 NO2-1	老厂	〈0．001	〈0．001	〈0．001	〈0．001	〈0．001	〈0．001	〈0．001	〈0．001
	新厂	0．005	0.009	0.009	0.028	0.011	0.022	0.041	0.035

 

从上表可知，出厂水氨氮关系：

原水>新厂>老厂。滤后水氨氮关系为：老厂>新厂。这说明：经过常规工艺处理后，氨氮含量有明显改善，老厂对氨氮去除效果远好于新厂。

滤前水氨氮关系为：老厂>新厂。因而，新厂滤前水质好于老厂，其主要原因是新厂矾耗高于老厂，并且新厂流程中有预加氯。

老厂滤前氨氮、NO₂^-1>>滤后氨氮、NO₂^-1，新厂滤前滤后氨氮、NO₂^-1含量很接近。这表明：在老厂普通滤池过滤中，氨氮、NO₂^-1几乎全部被去除，新厂V型滤池对氨氮、NO₂^-1几乎没有作用。这也说明老厂滤池滤料表面有生物膜及活性污泥存在，其对氨氮去除效果较好，而新厂几乎不存在。老厂（出厂水）NO₃^-1>新厂>原水,且老厂滤后水很低，这些说明过滤中的生物处理较彻底，对人体健康不构成危害（水体中NO₂^-1含量较高时，可能对人体产生危害）。

总之，老厂滤池滤料表面有生物膜及活性污泥，其生物作用对氨氮去除较彻底，因而老厂出水水质较好。而新厂V型滤池几乎不存在生物处理，因而，其出水氨氮、NO₂^-1、溶解氧等含量均高于老厂。

   

四、生物膜及活性污泥去除浊度

    生物膜和活性污泥除了对氨氮有很好的去除作用外，对浊度的去除也有很好的效果，其去除原理主要是生物吸附、生物絮凝和生物降解作用。生物吸附和生物絮凝生于微生物代谢过程中分泌出的促絮凝物质。这类物质有荚膜、细胞外黏液物质等；生物膜和污泥中的原生物也会分泌黏液物质，如粘蛋白和多糖类。这些黏液物质是微生物形成菌胶团和生物膜的主要原因。在滤池过滤过程中，水中的颗粒物由于生物膜的吸附作用黏在生物膜表面，成为生物膜的一部分，同时水中的生物絮体和黏性物质可起吸附架桥作用，捕捉细小的浊度颗粒形成较大的颗粒，被吸附在滤料表面，从而使得浊度降低。上述两种作用使得过滤水浊度进一步降低，如下表所示。          

                                        表6                   

滤池                 类别 内容	老 厂东 组虹 吸	老 厂西 组虹 吸	新厂V型滤池
			1#	2#	4#	5#	6#
进水浊度NTU	10	20	8.8	8.8	8.8	8.8	8.8
进水浊度NTU	0.2	0.2	1.8	1.6	2.6	0.9	1.6
去除率	98%	99%	80%	82%	70%	90%	82%

 

表5（见第8页）中可知，老厂出厂水浊度比较稳定，大多数情况下远好于新厂。

由此看来，生物膜和活性污泥对浊度有去除作用是普通快滤池过滤效果好于V型滤池原因之一。

   

五、对策及建议

    普通滤池滤料表面有一层生物膜和活性污泥，其对氨氮、浊度有较好去除效果，因而老厂出厂水水质较稳定，氨氮、浊度、化合性余氯较低。而新厂V型滤池因冲洗效果好，难以形成生物膜和活性污泥，其出厂水氨氮含量、化合性余氯、浊度随原水水质变化较大，这种情况在春、冬两季表现尤为突出。为了缓解这种情况，今年我厂采取以下三种方法；

1>         更换V型滤池滤料，增强其过滤效果。原有滤料使

用时间较长，滤料表面被磨损，处理效果不及新滤料。

2>         增加投药量，提高絮凝效果，以降低澄清池出水浊

度。 

    3> 春、冬两季取消“一0 ”预加氯并延长滤池运行周期，主要为了使澄清池及V型滤池内有少量微生物，这些微生物对氨氮、浊度有吸附作用，降低过滤水中氨氮含量和浊度。

    通过以上三种方法，今年春季“一0 ”出厂水水质较稳定。尽管如此，其出厂水氨氮含量、浊度、化合性余氯仍高于老厂出厂水。如果原水水质污染更严重，其出厂水仍会随原水水质变化而变化，要彻底解决这种问题还需进一步探索。

 

六、结论：

    综上所述，在滤池过滤中，过滤效果主要是由颗粒迁移、颗粒粘附、滤层内杂质分布规律等共同作用结果。但在原水受到微污染时，普通快滤池与V型滤池相比较，普通快滤池由于冲洗不彻底，使滤料表面残留少量活性污泥并形成一层生物膜，其对浊度、有机物（尤其是氨氮）有了很明显地去除作用，因此其出厂水水质较稳定，浊度、氨氮、化合性余氯均较低。而Ｖ型滤池几乎没有生物膜和活性污泥作用，故其出厂水氨氮含量高，化合性余氯较高，游离性余氯较底，大大增加了水中氯化副产物含量，对身体健康有一定的影响。

 

（转载来源：南京室自来水总公司上元门水厂   作者：言明贵）