学院：化学化工学院
姓名：夏岳韬
学号：200901050108
[摘要]：饮用水水源污染的日益严重 ,对人类健康构成巨大威胁 ,给传统净水工艺提出了新的挑战。本文从目前我国水资源污染现状出发 ,概述了生物接触氧化法净化水质的原理、水质处理效果、对生物预处理技术进行了展望。
关键词：微污染源水;生物预处理;生物接触氧化;净水工艺; 水质处理效果
1 引言
1. 1 我国饮用水水质现状我国水资源人均占有量只及世界水资源人均占有量的1 /4,属贫水国。而近年来 ,随着工农业生产的迅速发展 ,大量含有各种有毒、有害物质的工业废水和生活污水未经适当处理即排入天然水体 ,直接或间接地污染了城市的给水水源。水源的污染日益严重 ,氮、磷等有机物含量超标以及由此造成的水质富营养化是目前我国水污染的主要问题。加强水源保护和改进水处理工艺是提高饮用水水质 ,确保安全供水的两项有效措施。微污染水源水是指受到有机物污染 ,部分项目的指标超过卫生标准。这类水中所含的污染物种类较多、性质较复杂 ,但浓度比较低。对微污染饮用水源水的处理方法 ,国内近期的研究热点是在保留或强化传统处理工艺的同时 ,还要附加生化或特种物化处理工序。习惯上把附加在传统净化工艺之前的处理工序叫预处理 ,把附加在传统净化工艺之后的处理工序叫深度处理。
2 微污染水源水的水质状况及处理方法
天然有机物广泛存在于各种天然水体中,包括动物、植物、微生物的排泄和分泌物及它们的尸体腐烂降解过程中所产生的物质, 亲水、酸性、分散是天然有机物的主要性质; 人工合成有机物种类繁多, 主要包括: 石油烃、挥发酚、氨氮、农药、COD、重金属、砷、氯化物等。它们通过废水排放、降水、渗漏、水上运输及运输事故等进入水体,对饮用水质和人体健康构成极大的威胁, 而且, 不同的水源所含污染源种类和数量各不相同,就是同一水源其杂质成分与含量也随时间空间发生变化。原水中的有机污染物主要是以溶解状态存在 ,而传统的净水工艺主要是针对原水中的浊度和细菌而设计的 ,混凝沉淀、过滤、消毒这一套常规处理工艺只能有效的去除水中的悬浮物、胶体物质、细菌等 ,而对大量的溶解性有机污染物无能为力。
生物处理作为絮凝、沉淀、过滤等常规净水工艺的前处理 ,称为生物预处理。用生物预处理代替传统的预氯化处理工艺 ,不仅起到了相同的效果 ,而且避免了卤代有机物的生成。同时微生物可使原水中可被转化成细胞物质部分的有机物得到一定的去除 ,使水中生物同化有机碳 (AOC)量大为减少 ,有效地防止了管网水中由于具有营养物质使细菌得到繁殖使水质下降的现象。同时改善了水的混凝沉淀性能 ,使后续的常规处理更好地发挥作用 ,也减轻了常规处理和后续深度处理过程的负荷 ,延长了过滤或活性炭吸附等物化处理工艺的使用周期和使用容量。目前用于水厂的生物处理工艺主要有生物滤池、生物流化床、生物活性炭、生物转盘以及生物接触氧化法。生物接触氧化法是生物预处理工艺中一种有代表性、研究较深人和应用较多的类型。本文仅就生物接触氧化预处理污染原水工艺作一介绍。
3.生物接触氧化法净化水质的原理
生物接触氧化法是在池内设置人工合成的填料 ,已经充氧的污染原水浸没全部填料 ,并以一定的流速流经填料 ,通过填料上形成的生物膜的絮凝吸附、氧化作用使水中的可生化利用的污染物基质得到降解去除。它属生物膜法的一种 。
3.1生物接触氧化池的构造
由池体、填料、布水系统和曝气系统等组成；填料高度一般为3.0m左右，填料层上部水层高约为0.5m，填料层下部布水区的高度一般为0.5~1.5m之间；
接触氧化池的构造见示意图1。
1）池体
池体的作用除了进行净化污水外，还要考虑填料，布水、布气等设施的安装。当池体容积较小时，可采用圆形钢结构，池体容积较大时可采用矩形钢筋混凝土结构。池体的平面尺寸以满足布水、布气均匀，填料安装、维护管理方便为准。池体的底壁须有支承填料的框架和进水进气管的支座。池体厚度根据池的结构强度要求来计算。高度则由填料、布水布气层、稳定水层以及超高的高度来计算。同时，还必须考虑到充氧设备的供气压力或提升高度。一般总池高在3.5～6.0m左右。
2）填料
填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体，同时也有截留悬浮物的作用。因此，载体填料是接触氧化池的关键，直接影响生物接触氧化法的效能。载体填料的要求是：易于生物膜附着，比表面积大，空隙率大，水流阻力小，强度大，化学和生物稳定性好，经久耐用，截留悬浮物质能力强，不溶出有害物质，不引起二次污染，与水的比重相差不大，避免氧化池负荷过重，能使填料间形成均一的流速，价廉易得，运输和施工方便。
目前，国内主要采用合成树脂类作填料，如硬聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、环氧玻璃钢、环氧纸蜂窝等硬性填料；还开发出多种新颖的软性填料、半软性填料、弹性生物环填料以及漂浮填料等多种形式的填料。这些填料在生物接触氧化系统的建设费用中约占55～60%。所以载体填料直接关系到接触氧化法的经济效果。
3）布水布气装置
接触氧化池均匀地布水布气很重要，它对于发挥填料作用，提高氧化池工作效率有很大关系。供气的作用有三：①使生物接触氧化池溶解氧一般控制在4～5mg/L左右；②充分搅拌形成紊流，有利于均匀布水，紊流愈甚，被处理水与生物膜的接触效率愈高，传质效率良好，从而处理效果也愈佳；③防止填料堵塞，促进生物膜更新。
目前生产上常采用的布气方式有喷射器（水射器）供氧、穿孔管布气、曝气头布气等。布水方式分顺流和逆流两种。顺流指进水与供气同向，氧化池中水、气同向流动，此种工艺中填料不易堵塞，生物膜更新情况较好，较易控制；逆流指进水与供气方向相反，池内水、气逆向相对流动，气液接触条件好，增加了气水与生物膜的接触面积，故去除效果好，但由于进水部分的水力冲刷作用较小，填料上的生物膜不易脱落更新。国内通常采用的是顺流工艺。
3.2接触氧化法的特征
1） 接触氧化法与其它生物处理方法比较，具有如下一些特点：
①
BOD容积负荷高，污泥生物量大，相对而言处理效率较高，而且对进水冲击负荷（水力冲击负荷及有机浓度冲击负荷）的适应力强。
②
处理时间短。因此在处理水量相同的条件下，所需装置的设备较小，因而占地面积小。
③
能够克服污泥膨胀问题。生物接触氧化法同其他生物膜法一样，不存在污泥膨胀问题，对于那些用活性污泥法容易产生膨胀的污水，生物接触氧化法特别显示出优越性。容易在活性污泥法中产生膨胀的菌种（如球衣细菌等），在接触氧化法中，不仅不产生膨胀，而且能充分发挥其分解氧化能力强的优点。
④
可以间歇运转。当停电或发生其它突然事故后，生物膜对间歇运转有较强的适应力。长时间的停车，细菌为适应环境的不利条件，它和原生动物都可进入休眠状态，显示了对不利生长的环境有较强的适应力；一旦环境条件好转，微生物又重新开始生长、代谢。有人试验，即使停止运转一个月，再重新开始运行，生物膜数日内即可恢复正常。
⑤
维护管理方便，不需要回流污泥。由于微生物是附着在填料上形成生物膜，生物膜的剥落与增长可以自动保持平衡，所以无需回流污泥，运转十分方便。
⑥
剩余污泥量少。
2） 接触氧化法具有上述的优点，不失为一种高效的生化处理法。其高效处理的原理分析如下：
①
生物活性高（泥龄低）。国内采用的接触氧化池中，绝大多数的曝气装置设在填料之下，不仅供氧充足，而且对生物膜起到了搅动作用，加速了生物膜的更新，使生物的活性提高。如果从“泥龄”来看，活性污泥法的“泥龄”为3～4天，而第一级氧化池的生物膜“平均泥龄”为1～2天。由于平均泥龄低，微生物总是处在很高的活力下工作。经耗氧速度测定，同样湿重的带有丝状菌的生物膜，其耗氧速度较活性污泥法的高1.81倍。
②
传质条件好，微生物对有机物的代谢速度比较快。在接触氧化法中由于空气的搅动，整个氧化池的污水在填料之间流动，使生物膜和水流之间产生较大的相对速度，加快了细菌表面的介质更新，增强了传质效果，加快了生物代谢速度，缩短了处理时间。
③
利于丝状菌的生长。在有填料的接触氧化池中，对丝状菌的生长很有利。丝状菌的存在，能提高对有机物的分解能力。
④
充氧效率高。接触氧化法的填料有增进充氧效果的作用，动力效率在3kgO2/kwžh以上，比无填料的曝气提高30%。充氧效率高，则有机物的氧化速度相应提高。
⑤
有较高的生物浓度。一般活性污泥法的污泥浓度为2～3g/L，而接触氧化法可达10～20g/L。由于微生物浓度高，故大大提高了BOD5容积负荷和处理效率。由于生物量大，对低浓度的污水，也能有效地进行处理；而且由于填料表面有利于硝化菌的生长，故能适应污水中氨氮硝化的要求。
4.基本流程
图2
生物接触氧化法的基本流程
生物接触氧化法的处理流程通常有两种，即一段法（一次生物接触氧化）和二段法（即两次接触生物氧化）。实践证明，在不同的条件下，这两种系统各有其特点，其经济性和适用性范围简介如下：
1）一段法
亦称一氧一沉法。原水先经调节池，再进入生物接触氧化池，尔后流入二次沉淀池进行泥水分离。处理后的上层水排放或作进一步处理，污泥从二次沉淀池定期排走。
这种流程虽然在氧化池中有时会引起短路，但全池填料上的生物膜厚度几乎相等，BOD负荷大体相同，具有完全混合型的特点，营养物（F）与活性微生物的重量（M）之比较低，微生物的生长处于下降阶段。此时微生物的增殖不再受自身生理机能的限制，而是由污水中营养物质的量起主导作用。
2）二段法
亦称二氧二沉法。采用二段法的目的，是为了增加生物氧化时间，提高生化处理效率，同时更适应原水水质的变化，使处理水质稳定。原水经调节池调节后，进入第一生物接触氧化池，然后流入中间沉淀池进行泥水分离，上层水继续进入第二接触氧化池，最后流入二次沉淀池，再次泥水分离，出水排放，沉淀池的污泥定期排出。
在二段法流程中，需控制第一段氧化池内微生物处于较高的F/M条件，当F/M＞2.1时，微生物生长率可处于上升阶段。此时营养物远远超过微生物生长所需，微生物生长不受营养因素的影响，只受自身生理机能的限制。因而微生物繁殖很快，活力很强，吸附氧化有机物的能力较高，可以提高处理效率。为了维持微生物能处于较高的F/M条件下，BOD负荷随之提高，处理水中有机物浓度也就必然要高一些，这样在第二阶段氧化池内，须根据需要控制适当的F/M条件，一般在0.5左右，此时的微生物处于生长率下降阶段后的内源性呼吸阶段。由此可见，二段法流程的微生物工作情况与推流式活性污泥法或活性污泥AB法相似。
上面所述为两种基本流程。随着实践的变化，这两种流程可以随之变化：例如，有将接触氧化池分格，不设中间沉淀池，按推流型运行。氧化池分格后，可使每格的微生物与负荷条件更相适应，利用微生物专性培养驯化，提高总的处理效率。
上述两法的比较可以看出，一段法流程简单易行，操作方便，投资较省，但对BOD的降解能力不如二段法。二段法流程处理效果好，可以缩短生物氧化所需的总时间，但增加了处理装置和维护管理工作，投资也比一段法高。一般来说，当有机负荷较低，水力负荷较大时，采用一段法为好。当有机负荷较高时采用二段法或推流式更为恰当。试验表明，二段法中的第一接触氧化池，与第二接触氧化池容积比宜选用7:3为好。在推流式流程中，既可按BOD变化的条件分格（第一格最大，以后逐渐减小）；也可按水力负荷分格（每格为相等大小）。
5可生物降解有机物的去除效果
微污染原水以一定的流速流经接触氧化池中的填料时 ,与填料上长满的生物膜接触 ,通过生物膜上微生物自身的生命活动降解去除水中可生化的有机污染物。执行有机物生物降解功能的主要是异养菌 ,异养菌通过氧化分解和合成作用 ,降解水中的有机物 ,对有机物的氧化分解作用而言 ,反应方程式为:
4CX HyOz
+ (4x + y - 2z) O2—4x CO2
+ 2yH2 O + △H1
5.1 浑浊度的去除效果
主要由于微生物的生物絮凝作用能很有效地去除水的浑浊度 ,生物接触氧化法可显著减少后续净水过程中的混凝剂用量 ,降低净水成本。天津自来水公司对天津市自来水及其源水进行了长期检调 ,发现水中有机物的存在能增加无机胶粒的 Zeta电位值 ,使胶粒更趋稳定。生物接触氧化工艺能有效降低有机物
污染原水中胶粒的 Zeta电位值 ,降低幅度达 14.
4% ～37.2% ,从而使胶粒更易于脱稳而凝聚。经过生物接触氧化预处理 ,原水浊度平均可去除 60%左右 ,后续工艺中原水混凝所需混凝剂可节约 30%左右。
5.2 铁、锰 ,藻类等其他物质的去除效果
污染原水中产生色度的主要物质是藻类及其腐败物 ,嗅味的有机源包括活性的或降解的微生物、腐烂的植物及合成有机物如酚等。生物接触氧化法可去除污染原水中大部分嗅味 ,并能去除水中 15% ～30%的色度。试验还证明生物接触氧化他对水中铁、锰和酚也有令人满意的去除效果。相关文献报道原因对铁、锰的去除机理可能是生物池中的水经曝气后含有较高的溶解氧 ,部分低价铁、锰被氧化成高价铁、锰而去除 ,另外部分被微生物吸收利用的结果。生物接触氧化预处理可有效去除富营养水体中的藻类。生物处理除藻的机理尚待研究。一般认为生物处理除藻主要依赖于以下作用: 生物膜的吸附、附着 ,微生物的氧化分解 ,原生动物等的捕食作用 ,脱落生物膜对藻类的生物絮凝、沉淀作用。其对藻类的去除率可达到 50% ～80%。
6 结论
生物接触氧化法具有处理水量大 ,处理时间短 ,容积负荷高 ,对冲击负荷有较强的适应性 ,出水水质较稳定 ,污泥产率低 ,运行费用低等优点 ,对促进给水事业发展具有普遍和重大的现实意义。特别是生物接触氧化法在去除水中有机物的同时 ,一是能有效去除氨氮 ,降低其后续工艺的负荷及其需氧量;二是能使出水溶解氧接近饱和 ,为后续工艺的生物处理创造了良好的条件;三是出水中微生物含量会大量增加 ,有助于后续处理工艺中生物膜的形成及修复。
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