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1研究的意义
生物接触氧化工艺去除源水微污染物，主要是填料上的生物膜对源水的净化作用，生物膜上的微生物主要是好氧贫营养菌，依靠生物吸附、絮凝、有机物的生物降解以及硝化等共同作用去除污染物。水源水中的污染物主要来自有机物，一类是天然有机物另一类是人工合成有机物。相对于水体中的天然有机物，它们对公众的健康危害更大。由混凝、沉淀、过滤和消毒等组成的常规净水工艺系统，主要目的是去除水中的悬浮物和胶体物质，对溶解性有机物去除率却很低。出水中存在可生物降解有机物成为输水管网中细菌生长繁殖的营养基质，细菌利用该营养基质生长而生成生物膜，生物膜老化后脱落，恶化饮用水水质，腐蚀管道。常规净水工艺已不能达到有效去除水中污染物、提供安全饮用出厂水的目的，必须对原有工艺进行改进以适用于水源污染不断加剧的状况。
生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陳代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除，使后续的常规处理更好的发挥作用，最大可能的发挥水处理工艺整体作用，更好地控制水的污染。另外，通过可生物降解有机物的去除，减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，起到了与预氯化作用相同的效果，这对控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。
2生化柱设计参数
3填料参数
选用的两种填料均为YDT型弹性填料。YDT型弹性填料比表面积大，微生物附着空间大，对上升气泡的切割性能好，有助于布气配水均匀，氧的利用率高，丝条能长期在水中保持辐射状张展，不堵塞等。
4微污染源水除污染效果与影口向因素分析
我们采用弹性立体填料的生化柱处理，在生化柱正常运行条件下，进行了生化柱去除原水NH4+—N、NO2一—N、CODMn和浊度的效果研究，并对除污染影响因素进行了分析。
4.1生化柱去除NH2-N作用效果及影响因素
在相同进水水质条件下，生化柱l和生化柱2的NH4+一N去除率比较见图4—1。
从图4—l中可以看出，生化柱1的NH4+一N去除率在5％～60％之间，平均去除率是27％；生化柱2的NH4+一N去除率在5％一70％之间，平均去除率是33％。两者表现出相似的NH4+一N去除效果。
源水CODMn对生化柱1的NH4+一N去除率有一定的影响作用。一般来说，水温相同、进水NH4+一N浓度相同的情况下，当源水CODMn浓度较高时，生化柱l的NH4+一N去除效果降低。源水CODMn浓度较高时，不利于生化柱中硝化菌、亚硝化菌对NH4+一N的去除作用，主要是硝化菌及亚硝化菌和异养菌在附着的填料表面上竞争生长，硝化菌及亚硝化菌在生长繁殖速度上不及降解有机物的异养菌，填料表面的硝化菌及亚硝化菌易被生长繁殖速度较快的异养菌所包裹，不利于硝化菌及亚硝化菌充分利用水中的氧和基质进行新陈代谢等生命活动。因此源水中高含量的有机物势必引起大量的降解有机物的异养菌生长繁殖，覆盖在填料上生物膜的外表面，占住生物膜的有利位置，从而抑制和阻碍了内层硝化菌及亚硝化菌的生长繁殖和生命代谢活动。
4.2生化柱去除NO-2-N作用效果及影响因素分
常温条件下生化柱去除NO2一一N作用效果较好，能将大部分的NO2一一N有效去除。生化柱去除NO2一一N是生物膜上附着生长繁殖的硝化菌在源水充分曝气供氧的情况下，利用水中的氧将水中NO2一一N迅速氧化成NO3一—N而有效去除。在温度降低时，生化柱去除NO2一一N效果降低。
当生物膜还未长成，硝化菌和亚硝化菌数量很少，对原水的污染物降解的能力都很弱，填料柱1出水的NO2一—N略高于原水，当生物膜形成并趋渐成熟，亚硝化菌已经成为优势菌种，可以将水中的NO2一一N转化成NO2一一N，但是硝化菌生长速度比亚硝化菌慢，此时还不能将亚硝化菌由NO2一一N氧化成的那部分NO2一一N氧化成NO2一一N，因此会造成NO2一一N的累积，当硝化菌已经成熟，对原水的NO2一一N的去除率在43％～63％，有较好且稳定的去除作用。
硝化菌受温度影响作用显著。较高温度下硝化菌生长繁殖快、新陈代谢活动异常旺盛，低温下硝化菌生长繁殖极其缓慢，生命代谢活动也几乎停止。生化填料柱在常温和低温下去除NO2一一N效果存在显著的差异性，说明水温对硝化菌去除NO2一一N影响作用很大。
水温对生化填料柱中硝化菌去除NO2一一N效果有很大的影响。水温越高，除NO2一一N的效果就越好；反之，冬季低温下，去除效果就差。不过，在极低水温情况下(接近0℃)，仍有32.5％的去除率。
生化柱对NO2一一N去除效果与源水NO2一一N浓度有关，在源水水温和NO2一一N浓度相同时，源水NO2一一N浓度越高，生化柱1-去除NO2一一N效率越低。在低温下，源水NO2一一N浓度对NO2一一N去除率的影响更大。这是由于大量NO2一一N被亚硝化菌氧化成NO2一一N，而NO2一一N又来不及被硝化菌及时氧化所致。源水NNH4+一N浓度增高易导致NO2一n一N转化不完全，因为硝化菌生长繁殖期较长，受低温的影响作用很大，源水中硝化菌数量稀少，附着生长也十分缓慢，所以难以适应源水水质变化。
源水NOF—N浓度越高时，生化柱l去除NO2一一N效果越明显。源水NO2一一N浓度较高时，生化柱内填料上附着生长的硝酸菌数量较多，抗冲击负荷能力较强，能够抗击原水NO2一一N冲击负荷。
微污染水源水生物处理工艺中，除了存在硝化菌、亚硝化菌的硝化、亚硝化作用外，还存在异养微生物对有机物的降解作用。CODMn是反映水中有机物相对含量的指标之一。源水CODMn对生化柱去除NH4+一N有一定的影响作用，当源水CODMn浓度较高时，生化柱1—的NH4+一N去除效果降低。
两个生化柱对浊度表现出相似的去除效果。浊度去除率随原水浊度升高而增加，一般来讲，浊度去除率随水温、原水浊度的增加而增加。说明生化填料柱去除浊度以生物吸附降解作用为主，受水温影响作用显著，源水中一部分形成浊度的有机物被生化柱填料上的生物膜所吸附，通过微生物的生命代谢活动，将有机物降解合成自身的有机细胞物质，使源水浊度降低。在相同的水温条件下，原水浊度高，浊度去除率增加。当源水浊度低，悬浮颗粒较少时，直接沉淀作用效果差；浊度的去除主要是通过生物絮凝作用，将细小颗粒絮凝成大颗粒沉淀除去；生物降解有一定的去除作用，尤其是对以有机物颗粒、胶体形成浊度为主的源水，生物降解起着很大的作用。当源水浊度较高时，尤其是源水浊度的组成主要为无机大颗粒悬浮物时，沉降作用起主要去除作用，大部分颗粒直接沉到柱底，通过排泥去除。
4.3生物预处理对消毒副产物前体物的去除效果及分析
对消毒副产物的去除，应该包括两个方面：即对预氯化产生的消毒副产物的去除和对消毒副产物前体物的去除。前体物主要是指水中能与氯反应生成消毒副产物的天然有机物，在后氯化过程中产生的消毒副产物直接进入给水管网，不再有处理单元对其去除，因此只有通过在净水工艺中去除其前体物才能保证减少后氯化中消毒副产物的产生。源水和出厂水中的THMs以CHCl3、CHCl2Br和CHBr2C1为主，其中以CHCl3含量最高，约占THMs的70％。水中未检测到CHBr2，这主要是由于源水中溴离子含量较低的缘故。当水中Br—含量较高时，Br—会与加入水中的氯或氯酸盐很快生成HOBr，HOBr与水中的有机物作用生成一系列的溴代消毒副产物，一般来讲，溴代消毒副产物的致癌性更高。
水温高，生物膜上的微生物活性大，对水中的污染物去除效率高。源水的NH4+一N浓度高时，去除效率降低。由于生物膜在低浓度基质的水中，为了维持其自身生长的需要，或者保持其较高的营养物吸收率，微生物不得不充分发挥自身的潜力，尽其所能地从贫营养环境中获取营养物质，从而使得处理水中的有机物基质出现更低的水平，表现为去除率增加。
4.4生物预处理对源水UV254吸收值影响结果研究分析
一般的饱和有机物在近紫外区有明显的吸收或特征峰。一般认为腐殖酸和富里酸是消毒副产物的共同前体物，并且三卤甲烷前体物的分子量更大，卤乙酸的前体物则是低分子亲水性有机酸的成分更多。因此常用254nm处的紫外吸收，既UV254作为它们在水中含量的替代参数。UV254不但与水中有机物含量(TOC或DOC)有关，而且与色度、消毒副产物的前体物有较好的相关性。此外水中的致突变物质也有明显的紫外吸收。水中有机物分子量越大，其紫外吸收越强，特别是分子量大于3000以上的有机物是水中紫外吸收的主体。
在水质控制中要对UV254附近发现的有机组分进行处理。在UVzs4处吸收较弱的组分具有较强的可生化性，对饮用水的生物稳定性有重要影响。因此在UV254处吸收最弱或不吸收的组分用生物处理，在UV254处发现的高分子组分用混凝处理，在UV254处发现的低分子量组分用活性炭吸附处理，这样可以有效去除水中这些组分。
源水的UV254属于低强度吸收，说明有羰基和共轭羰基存在。生化柱l出水的UV254去除率在6～20％之间，平均去除率为11％。生化柱2出水的UV254去除率在5～48％之间，平均去除率为2l％。
微污染源水的生物接触氧化预处理工艺的试验结果表明：由于生物接触氧化柱良好的生物降解和硝化反应等作用，使生物处理组合工艺在NH4+一N、NO2一一N、CODMn、浊度等污染物的去除效果方面有明显的改善，在去除消毒副产物前体物效果方面，优于水厂常规净水工艺系统，可以减少由于预氯化过程生成卤代消；毒副产物等。
5结论与建议
影响源水NH4+一N去除效果的因素有水温、源水NH4+一N浓度和源水CODMn浓度。水温对NO2一一N去除效果影響较大，源水NH4+一N浓度和源水NO2一一N浓度也会影响NO2一一N的去除率。水温和原水浊度是影响浊度去除率的主要因素。微污染水源水的性质决定了其生物预处理工艺是以生物硝化作用为主的生化过程，NH4+一N硝化是该工艺的最主要目的。NO2一一N是NH4+一N硝化过程的中间产物，试验表明，生化柱NO2一一N浓度会出现先升高后降低的变化规律，反映了生物膜的形成情况和生物硝化作用进行的程度。
微污染源水采用生物处理、常规处理和活性炭吸附的组合工艺应是提高饮用水水质的最佳工艺。从处理效果上来讲，生物接触氧化法去除氨氮和有机物效果显著，可以去除消毒副产物的前体物，还可以提高后续处理工艺的除污染效果，保证饮用水的安全可靠性。因此，在微污染源水处理中，生物接触氧化法将具有很好的应用前景。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
生物接触氧化工艺去除源水微污染物，主要是填料上的生物膜对源水的净化作用，生物膜上的微生物主要是好氧贫营养菌，依靠生物吸附、絮凝、有机物的生物降解以及硝化等共同作用去除污染物。水源水中的污染物主要来自有机物，一类是天然有机物另一类是人工合成有机物。相对于水体中的天然有机物，它们对公众的健康危害更大。由混凝、沉淀、过滤和消毒等组成的常规净水工艺系统，主要目的是去除水中的悬浮物和胶体物质，对溶解性有机物去除率却很低。出水中存在可生物降解有机物成为输水管网中细菌生长繁殖的营养基质，细菌利用该营养基质生长而生成生物膜，生物膜老化后脱落，恶化饮用水水质，腐蚀管道。常规净水工艺已不能达到有效去除水中污染物、提供安全饮用出厂水的目的，必须对原有工艺进行改进以适用于水源污染不断加剧的状况。
生物预处理是指在常规净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陳代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除，使后续的常规处理更好的发挥作用，最大可能的发挥水处理工艺整体作用，更好地控制水的污染。另外，通过可生物降解有机物的去除，减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，起到了与预氯化作用相同的效果，这对控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。
2生化柱设计参数
3填料参数
选用的两种填料均为YDT型弹性填料。YDT型弹性填料比表面积大，微生物附着空间大，对上升气泡的切割性能好，有助于布气配水均匀，氧的利用率高，丝条能长期在水中保持辐射状张展，不堵塞等。
4微污染源水除污染效果与影口向因素分析
我们采用弹性立体填料的生化柱处理，在生化柱正常运行条件下，进行了生化柱去除原水NH4+—N、NO2一—N、CODMn和浊度的效果研究，并对除污染影响因素进行了分析。
4.1生化柱去除NH2-N作用效果及影响因素
在相同进水水质条件下，生化柱l和生化柱2的NH4+一N去除率比较见图4—1。
从图4—l中可以看出，生化柱1的NH4+一N去除率在5％～60％之间，平均去除率是27％；生化柱2的NH4+一N去除率在5％一70％之间，平均去除率是33％。两者表现出相似的NH4+一N去除效果。
源水CODMn对生化柱1的NH4+一N去除率有一定的影响作用。一般来说，水温相同、进水NH4+一N浓度相同的情况下，当源水CODMn浓度较高时，生化柱l的NH4+一N去除效果降低。源水CODMn浓度较高时，不利于生化柱中硝化菌、亚硝化菌对NH4+一N的去除作用，主要是硝化菌及亚硝化菌和异养菌在附着的填料表面上竞争生长，硝化菌及亚硝化菌在生长繁殖速度上不及降解有机物的异养菌，填料表面的硝化菌及亚硝化菌易被生长繁殖速度较快的异养菌所包裹，不利于硝化菌及亚硝化菌充分利用水中的氧和基质进行新陈代谢等生命活动。因此源水中高含量的有机物势必引起大量的降解有机物的异养菌生长繁殖，覆盖在填料上生物膜的外表面，占住生物膜的有利位置，从而抑制和阻碍了内层硝化菌及亚硝化菌的生长繁殖和生命代谢活动。
4.2生化柱去除NO-2-N作用效果及影响因素分
常温条件下生化柱去除NO2一一N作用效果较好，能将大部分的NO2一一N有效去除。生化柱去除NO2一一N是生物膜上附着生长繁殖的硝化菌在源水充分曝气供氧的情况下，利用水中的氧将水中NO2一一N迅速氧化成NO3一—N而有效去除。在温度降低时，生化柱去除NO2一一N效果降低。
当生物膜还未长成，硝化菌和亚硝化菌数量很少，对原水的污染物降解的能力都很弱，填料柱1出水的NO2一—N略高于原水，当生物膜形成并趋渐成熟，亚硝化菌已经成为优势菌种，可以将水中的NO2一一N转化成NO2一一N，但是硝化菌生长速度比亚硝化菌慢，此时还不能将亚硝化菌由NO2一一N氧化成的那部分NO2一一N氧化成NO2一一N，因此会造成NO2一一N的累积，当硝化菌已经成熟，对原水的NO2一一N的去除率在43％～63％，有较好且稳定的去除作用。
硝化菌受温度影响作用显著。较高温度下硝化菌生长繁殖快、新陈代谢活动异常旺盛，低温下硝化菌生长繁殖极其缓慢，生命代谢活动也几乎停止。生化填料柱在常温和低温下去除NO2一一N效果存在显著的差异性，说明水温对硝化菌去除NO2一一N影响作用很大。
水温对生化填料柱中硝化菌去除NO2一一N效果有很大的影响。水温越高，除NO2一一N的效果就越好；反之，冬季低温下，去除效果就差。不过，在极低水温情况下(接近0℃)，仍有32.5％的去除率。
生化柱对NO2一一N去除效果与源水NO2一一N浓度有关，在源水水温和NO2一一N浓度相同时，源水NO2一一N浓度越高，生化柱1-去除NO2一一N效率越低。在低温下，源水NO2一一N浓度对NO2一一N去除率的影响更大。这是由于大量NO2一一N被亚硝化菌氧化成NO2一一N，而NO2一一N又来不及被硝化菌及时氧化所致。源水NNH4+一N浓度增高易导致NO2一n一N转化不完全，因为硝化菌生长繁殖期较长，受低温的影响作用很大，源水中硝化菌数量稀少，附着生长也十分缓慢，所以难以适应源水水质变化。
源水NOF—N浓度越高时，生化柱l去除NO2一一N效果越明显。源水NO2一一N浓度较高时，生化柱内填料上附着生长的硝酸菌数量较多，抗冲击负荷能力较强，能够抗击原水NO2一一N冲击负荷。
微污染水源水生物处理工艺中，除了存在硝化菌、亚硝化菌的硝化、亚硝化作用外，还存在异养微生物对有机物的降解作用。CODMn是反映水中有机物相对含量的指标之一。源水CODMn对生化柱去除NH4+一N有一定的影响作用，当源水CODMn浓度较高时，生化柱1—的NH4+一N去除效果降低。
两个生化柱对浊度表现出相似的去除效果。浊度去除率随原水浊度升高而增加，一般来讲，浊度去除率随水温、原水浊度的增加而增加。说明生化填料柱去除浊度以生物吸附降解作用为主，受水温影响作用显著，源水中一部分形成浊度的有机物被生化柱填料上的生物膜所吸附，通过微生物的生命代谢活动，将有机物降解合成自身的有机细胞物质，使源水浊度降低。在相同的水温条件下，原水浊度高，浊度去除率增加。当源水浊度低，悬浮颗粒较少时，直接沉淀作用效果差；浊度的去除主要是通过生物絮凝作用，将细小颗粒絮凝成大颗粒沉淀除去；生物降解有一定的去除作用，尤其是对以有机物颗粒、胶体形成浊度为主的源水，生物降解起着很大的作用。当源水浊度较高时，尤其是源水浊度的组成主要为无机大颗粒悬浮物时，沉降作用起主要去除作用，大部分颗粒直接沉到柱底，通过排泥去除。
4.3生物预处理对消毒副产物前体物的去除效果及分析
对消毒副产物的去除，应该包括两个方面：即对预氯化产生的消毒副产物的去除和对消毒副产物前体物的去除。前体物主要是指水中能与氯反应生成消毒副产物的天然有机物，在后氯化过程中产生的消毒副产物直接进入给水管网，不再有处理单元对其去除，因此只有通过在净水工艺中去除其前体物才能保证减少后氯化中消毒副产物的产生。源水和出厂水中的THMs以CHCl3、CHCl2Br和CHBr2C1为主，其中以CHCl3含量最高，约占THMs的70％。水中未检测到CHBr2，这主要是由于源水中溴离子含量较低的缘故。当水中Br—含量较高时，Br—会与加入水中的氯或氯酸盐很快生成HOBr，HOBr与水中的有机物作用生成一系列的溴代消毒副产物，一般来讲，溴代消毒副产物的致癌性更高。
水温高，生物膜上的微生物活性大，对水中的污染物去除效率高。源水的NH4+一N浓度高时，去除效率降低。由于生物膜在低浓度基质的水中，为了维持其自身生长的需要，或者保持其较高的营养物吸收率，微生物不得不充分发挥自身的潜力，尽其所能地从贫营养环境中获取营养物质，从而使得处理水中的有机物基质出现更低的水平，表现为去除率增加。
4.4生物预处理对源水UV254吸收值影响结果研究分析
一般的饱和有机物在近紫外区有明显的吸收或特征峰。一般认为腐殖酸和富里酸是消毒副产物的共同前体物，并且三卤甲烷前体物的分子量更大，卤乙酸的前体物则是低分子亲水性有机酸的成分更多。因此常用254nm处的紫外吸收，既UV254作为它们在水中含量的替代参数。UV254不但与水中有机物含量(TOC或DOC)有关，而且与色度、消毒副产物的前体物有较好的相关性。此外水中的致突变物质也有明显的紫外吸收。水中有机物分子量越大，其紫外吸收越强，特别是分子量大于3000以上的有机物是水中紫外吸收的主体。
在水质控制中要对UV254附近发现的有机组分进行处理。在UVzs4处吸收较弱的组分具有较强的可生化性，对饮用水的生物稳定性有重要影响。因此在UV254处吸收最弱或不吸收的组分用生物处理，在UV254处发现的高分子组分用混凝处理，在UV254处发现的低分子量组分用活性炭吸附处理，这样可以有效去除水中这些组分。
源水的UV254属于低强度吸收，说明有羰基和共轭羰基存在。生化柱l出水的UV254去除率在6～20％之间，平均去除率为11％。生化柱2出水的UV254去除率在5～48％之间，平均去除率为2l％。
微污染源水的生物接触氧化预处理工艺的试验结果表明：由于生物接触氧化柱良好的生物降解和硝化反应等作用，使生物处理组合工艺在NH4+一N、NO2一一N、CODMn、浊度等污染物的去除效果方面有明显的改善，在去除消毒副产物前体物效果方面，优于水厂常规净水工艺系统，可以减少由于预氯化过程生成卤代消；毒副产物等。
5结论与建议
影响源水NH4+一N去除效果的因素有水温、源水NH4+一N浓度和源水CODMn浓度。水温对NO2一一N去除效果影響较大，源水NH4+一N浓度和源水NO2一一N浓度也会影响NO2一一N的去除率。水温和原水浊度是影响浊度去除率的主要因素。微污染水源水的性质决定了其生物预处理工艺是以生物硝化作用为主的生化过程，NH4+一N硝化是该工艺的最主要目的。NO2一一N是NH4+一N硝化过程的中间产物，试验表明，生化柱NO2一一N浓度会出现先升高后降低的变化规律，反映了生物膜的形成情况和生物硝化作用进行的程度。
微污染源水采用生物处理、常规处理和活性炭吸附的组合工艺应是提高饮用水水质的最佳工艺。从处理效果上来讲，生物接触氧化法去除氨氮和有机物效果显著，可以去除消毒副产物的前体物，还可以提高后续处理工艺的除污染效果，保证饮用水的安全可靠性。因此，在微污染源水处理中，生物接触氧化法将具有很好的应用前景。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。