摘要：由于各種污染物的排放，我國飲用水水源水質(zhì)日益惡化，常規(guī)水廠的工藝已顯得力不從心，因此，本文對微污染水源水的處理技術作了簡要介紹。重點 分析 了作為預處理技術的曝氣生物濾池技術和作為后續(xù)處理的膜分離技術(特別是超濾技術)。在分別對這兩項技術作了介紹的基礎上，提出了曝氣生物濾池(BAF)+常規(guī)工藝+超濾(UF)的凈水工藝，指出該工藝是提高飲用水水質(zhì)的最佳工藝。同時，用有機物分子量的觀點對此工藝進行了深入分析。
1. 前言
飲用水的凈化技術是人們在與污染作斗爭的過程中出現(xiàn)的，并不斷得到 發(fā)展 、提高和完善。自第二次世界大戰(zhàn)之后，尤其是60年代以來，不少地區(qū)飲用水水源水質(zhì)日益惡化;同時，隨著水質(zhì)分析技術逐漸改進，水源水和飲用水中能夠測得的微污染物質(zhì)的種類不斷增加，使人們在飲用水的水質(zhì)凈化中碰到了新的 問題 。
面對水源水質(zhì)的變化，常規(guī)飲用水處理工藝已顯得力不從心。國內(nèi)外的實驗 研究 和實際生產(chǎn)結果表明，受污染水源水經(jīng)常規(guī)的混凝、沉淀及過濾工藝只能去除水中有機物20%-30%，且由于溶解性有機物存在，不利于破壞膠體的穩(wěn)定性而使常規(guī)工藝對原水濁度去除效果明顯下降(僅為50%-60%)。用增加混凝劑投加量的方式來改善處理效果，不僅使水處理成本上升，而且可能使水中金屬離子濃度增加，也不利于居民的身體健康。地面水源中普遍存在的氨氮問題常規(guī)處理也不能有效解決。 目前 國內(nèi)大多數(shù)水廠都采用折點氯化的 方法 來控制出廠水中的氨氮濃度，以獲得必要的活性余氯，但由此產(chǎn)生的大量有機鹵化物又導致水質(zhì)毒 理學 安全性下降。因此，常規(guī)的飲用水處理工藝已不能與現(xiàn)有的水源和水質(zhì)標準相適應，必須開發(fā)新的水處理技術。
目前已開發(fā)或正在開發(fā)的水處理技術主要包括兩方面：一是預處理技術，包括：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技術等;二是深度處理技術，包括氧化法和吸附法，其中氧化法又包括化學氧化和生物預處理技術。其中尤以生物預處理技術和膜技術倍受水處理工作者的關注。
2. 生物預處理技術
生物預處理是指在常規(guī)的凈水工藝之前增設生物處理工藝，借助于微生物群體的新陳代謝活動，對水中的有機污染物、氨氮、亞硝酸鹽及鐵、錳等無機污染物進行初步去除，這樣既改善了水的混凝沉淀性能，也減輕了常規(guī)處理和后續(xù)處理過程的負荷。另外，通過可生物降解的有機物的去除，不僅減少了水中“三致”物前體物的含量，也減少了細菌在配水管網(wǎng)中重新滋生的可能性。用生物預處理代替常規(guī)的預氯化工藝，不僅起到了預氯化作用相同的效果，而且避免了由預氯化引起的鹵代有機物的生成，這對降低水的致突變活性，控制三鹵甲烷物質(zhì)的生成是十分有利的。
2.1 曝氣生物濾池(BAF)預處理技術
曝氣生物濾池(BAF)預處理技術在飲用水處理中具有以下特點：
⑴水處理過程中的物理、化學和生物化學性質(zhì)存在較大差異，并且與其去除性存在一定的關系。從分子量上來說，生物可降解有機物主要是低分子量的有機物(分子量<1500)。常規(guī)的給水處理工藝，即混凝、沉淀和過濾，主要是去除分子量>10000以上的有機物，對低分子量有機物去除率低，特別是對分子量<500的有機物，幾乎沒有去除能力，甚至有所增加。而這部分有機物可能是行成消毒副產(chǎn)物鹵乙酸的主要前體，也是飲用水管網(wǎng)中細菌生長的主要營養(yǎng)基質(zhì)，而生物預處理能有效去除這部分有機物，對提高整個給水處理工藝對有機物的去除效果有重要意義。
⑵對低濃度有機物有較好的去除效果。在BAF中，微生物利用水中營養(yǎng)基質(zhì)進行生長繁殖，在載體表面形成薄層結構的微生物聚合體，產(chǎn)生生物膜，有利于世代期較長的微生物生長。飲用水中微量污染物濃度(mg/L數(shù)量級)有利于貧營養(yǎng)微生物的繁殖，如土壤桿菌、假單胞菌、嗜水氣單胞菌、黃桿菌、芽孢桿菌和纖毛菌等。這些貧營養(yǎng)微生物具有較大的比表面積，對可利用基質(zhì)有較大的親合力，且呼吸速率低，有較小的最大比增殖速度和Monod飽和常數(shù)(Ks)(約為1-10μg/L左右)，所以在天然水體條件下，其對營養(yǎng)物的競爭具有較大的優(yōu)勢。Namkung和Rittmann的研究指出，幾種微量基質(zhì)生物降解的同時進行，與同樣濃度的單個基質(zhì)生物降解相比，能導致更多的生物量積累和有更快的去除速率，這表明多種微量污染物的混合，可增加生物膜系統(tǒng)處理效果的穩(wěn)定性，而受污染水源水中往往含有多種微量有機物。另外貧營養(yǎng)菌通過二級基質(zhì)的利用能去除濃度極低的微量污染物，例如：貧營養(yǎng)菌在分解利用濃度為1.1mg/L的富里酸時，對濃度為100μg/L得酚和萘的去除率分別為90%-92%，對土臭素和2-MIB(2-甲基異莰醇)的去除率分別為55%和44%，這表明利用水中天然有機物形成的生物膜處理系統(tǒng)可較好的去除微量污染物、嗅味及色度物質(zhì)。
⑶能去除氨氮、鐵、錳等污染物。BAF中，生物膜固定生長的特點使生物具有較長的停留時間，一些生長較慢的微生物如硝化菌等自養(yǎng)菌可在反應器內(nèi)不斷積累。反應器內(nèi)載體應具有足夠的溶解氧，這樣就能促進生物膜上好氧硝化菌的生長和代謝活動。對硝化反應動力學的分析表明，即使在低溫下，生物膜去除氨氮的作用也是十分有效的。
近年來，國內(nèi)外學者對BAF對氨氮和有機物的去除效果進行了研究，表1和表2是國內(nèi)外資料中所報道的曝氣生物濾池對氨氮和有機物的去除效果。
表1 BAF對氨氮的處理效果
| 處理工藝 | 填料 | 地點 | 進水氨氮（mg/L） | 氨氮去除率（%） |
| 曝氣生物濾池（中試） | 細卵石 | 法國 | >2.5 | ≈100 |
| 曝氣生物濾池（生產(chǎn)性） | 細卵石 | 法國（Annet Sur Marne） | ≤4 ≤1 0.3-0.5 |
97.5 79.5 78.3 |
| 曝氣生物濾池（中試） | 細卵石 | 英國（Medmenham） | 3.0 | 82.5 |
| 曝氣生物濾池 | 細卵石（20-40mm） 細卵石（20-50mm） 細卵石（10-20mm） |
法國（Groissy） 法國（Vermoukle） 法國（Anbergen） |
3.2 2.3 1.8 |
99.4 93.5 68.7 |
| 曝氣生物濾池（中試） （生產(chǎn)性） （生產(chǎn)性） （生產(chǎn)性） |
砂+煤 砂+煤 砂+煤 砂+煤 |
法國（Choisy） 法國（Choisy） 法國（Mery） 德國（Miilheim） |
0.08-0.68 0.5 0.34 1.0 |
66%(平均) ≈100 ≈100 ≈100 |
| 曝氣生物濾池（小試） | 碎石（2.7-4.8mm） | 韓國 | 0.2-0.5 | 90-100 |
| 曝氣生物濾池（小試） | 碎石 | 武漢 | 0.41-1.16 | 81.0-98.8 |
| 曝氣生物濾池（小試） | 陶粒（2-5mm） | 北京 | 1.4-2.0 | 99 |
| 曝氣生物濾池（小試） | 海蠣子殼 | 上海 | - | 21 |
| 工藝 | 填料（括號內(nèi)為填料尺寸） | 試驗地點 | 進水有機物濃度 | 有機物去除濾 |
| 臭氧-曝氣生物濾池（生產(chǎn)性） | 細卵石+活性炭（2×3mm） | 法國Annet Sur Mane | 3.2mg TOC/L | 38% |
| 曝氣生物濾池（小試） | 碎石（0.6-1.2mm） | 南朝鮮 | BOD5 3.2-59g/L CODMn14-20mg/L |
35-60% 27-30% |
| 曝氣生物濾池（小試） | 碎石 | 武漢 | CODMn3.7-5.6mg/L | 10.4-27.5% |
| 曝氣生物濾池（小試） | 海蠣子殼 | 上海 | (CODMn) | 7.1-9.8% |
| 曝氣生物濾池（小試） | 陶粒（2-4mm） | 北京 | 20-30mgCODCr/L | 43.1% |
自80年代以來，清華大學環(huán)境工程系對以陶粒作填料的曝氣生物濾池進行了廣泛深入的研究。研究結果表明以陶粒作為填料的曝氣生物濾池其處理效果明顯優(yōu)于其它類型的生物預處理技術，見表3和表4。
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生物池類型 |
Ⅰ型 | Ⅱ型 | Ⅲ型 | |
| 水力負荷 | 4-6m/h | 0.91-1.67m3/(m3h) | 0.78-1.12 m3/(m3h) | |
| 氣水比范圍 | 0.77-1.2:1 | 1-1.5:1 | 0.7-1.2:1 | |
| CODMn | 2.12-5.98/3.11mg/L① | 24.6%② | 14.6% | 11.9% |
| 氨氮 | 0.16-3.94/2.22mg/L | 94% | 82.6% | 84.7% |
| 亞硝酸鹽氮 | 0.023-0.79/0.231mg/L | 98% | 79.9% | 76.3% |
| TOC | 2.1-5.3/3.5mg/L | 28.1% | 8.7% | 11.9% |
| 藻類 | 68-688/251萬個/L | 61.5% | 58.9% | 51.1% |
| 濁度 | 3.1-43.3/7.56NTU | 64.6% | 56.3% | 51.7% |
| TON | 8.0-40.0/15稀釋倍數(shù) | 47.9% | 47.9% | 47.1% |
| 錳 | 0.09-0.68/0.28mg/L | 73.8% | 64.5% | 62.5% |
| 色度 | 23-73/34度 | 41.8% | 37.3% | 31.8% |
| 注：試驗溫度范圍13.8-31℃。 ①原水濃度范圍/均值；②平均去除率。 Ⅰ型為淹沒式曝氣生物濾池，Ⅱ型為中心導流筒曝氣循環(huán)式生物濾池，Ⅲ型為直接微孔曝氣器生物接觸氧化池。 | ||||
| 水質(zhì)項目 | 原水（濃度范圍/均值） | 生物池類型（去除率（%）范圍/均值） | ||
| Ⅰ型 | Ⅱ型 | Ⅲ型 | ||
| TOC | 2.3-5.3mg/L | 3.7-57.9/29.5 | 0-48.6/14.3 | 0-36.8/11.9 |
| T-THMFP | 0.078-0.125/0.087 mg/L | 10.4-24.8/18.3 | 8.7-14.3/11.2 | 6.8-13.3/9.6 |
| CODMn | 2.49-3.86/2.63 mg/L | 13.2-27.3/22.3 | 4.3-20.1/12.4 | 5.2-14.4/9.8 |
| D-CODMn | 2.21-2.92/2.46 mg/L | 8.6-35.6/20.4 | 5.0-22.8/14.3 | 5.4-29.7/12.1 |
| UV254 | 0.047-0.070/0.055（cm-1） | 6.4-21.4/14.3 | 2.2-11.8/7.8 | 5.1-16.7/8.2 |
2.2 曝氣生物濾池對后續(xù)常規(guī)處理藥耗和氯耗的 影響
2.2.1 對藥耗的影響
水中有機物的存在將增加膠粒的Zeta電位值，使膠體更趨于穩(wěn)定，增加水處理混凝時藥劑投加量。經(jīng)BAF生物預處理后，膠粒Zeta電位值降低，易于脫穩(wěn)，因此可以減少后續(xù)混凝單元的藥劑投加量，實際的燒杯實驗及生產(chǎn)性實驗均驗證了這一點。
2.2.2 對氯耗的影響
水的氯耗與水中有機物和氨氮的含量密切相關。曝氣生物濾池對有機物和氨氮均有較好去除，因此也將影響氯耗量，有試驗表明曝氣生物濾池與常規(guī)工藝的組合其耗氯量比單一常規(guī)工藝氯耗節(jié)約10%-15%(常規(guī)工藝加氯量為2.5-2.7mg/L)。氯耗的減少既可以節(jié)約水廠運行成本，又能降低氯代有機消毒副產(chǎn)物的生成量，改善出水水質(zhì)，保障飲用者身體健康。
3. 膜分離技術
以壓力為推動力的膜分離技術有反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)、以及微孔過濾(MF)。膜分離技術的特點是能提供穩(wěn)定可靠的水質(zhì)，這是由于膜分離水中雜質(zhì)的主要原理是機械篩分，因而出水水質(zhì)僅僅依據(jù)膜孔徑的大小，與原水水質(zhì)以及運行條件無關。此外，膜分離還會使水廠用地大大減少，運行操作自動化，使水廠成為真正意義上的“造水工廠”。
RO運行壓力高，為1-10Mpa，能耗大，而且由于良好的截留性能將大多數(shù)無機離子(包括對人體有益的)從水中去除。長期飲用這種水，會 影響 人體健康，因此不適宜作為水廠處理工藝。
NF膜具有松散的表面層結構。其進水要求幾乎不含濁度，故僅適用于地下水處理，且由于NF去除了大部分的硬度，故其出水會對管網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕。
UF和MF運行壓力低且可截留水中絕大部分懸浮、膠體和細菌，其作用相當于以除濁為目的的傳統(tǒng)處理工藝。因而是一種適合于水廠的水處理工藝。
3.1 超率(UF)在凈水處理中的 應用 前景
超濾所分離的組分直徑為0.005-10μm，一般相對分子質(zhì)量大于500的分子量和膠體，這種液體的滲透壓很小，可以忽略。因而采用的操作壓力較小，一般為0.1-0.5Mpa，所以膜常用非對稱膜，膜的水透過率為0.5-5.0m3/(m2·d)。
超濾在小孔徑范圍與反滲透相重疊，在大孔徑范圍內(nèi)與微孔過濾相重疊。因此它可以分離溶液中的大分子、膠體、蛋白質(zhì)、微粒等。由于它使用的壓力低、產(chǎn)水量大，因此更便于操作，應用范圍十分廣泛， 發(fā)展 速度很快，前景是美好的。
3.2 超濾的 研究 與應用中存在的 問題
日本從1992年開始，由厚生省牽頭，以國立公眾衛(wèi)生院和水道凈水協(xié)會為主，組成“膜應用新型凈水系統(tǒng)委員會”，丹保憲仁任委員長，實施所謂“MAC21計劃(Membrane Aqua Century21)”，對MF和UF膜應用于凈水處理進行了3年的大規(guī)模研究。根據(jù)其研究結果UF的處理效果如表5所示。
表5 日本“MAC21計劃”UF處理效果
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水質(zhì)指標 |
原水 | 混凝沉淀出水 | 膜分離出水 | |||
| 范圍 | 平均值 | 平均值 | 去除率 | 范圍 | 去除率 | |
| 濁度/NTU | 3.36-51 | 14.1 | 1.39 | 89.9 | 0.00-0.17 | 98.9-100 |
| 色度/度 | 7-22 | 11 | 4 | 68 | 1.6-4 | 60-84 |
| CODMn | 3.3-17.6 | 6.9 | 2.8 | 60 | 1.4-3.1 | 46-84 |
| UV26050mm比色皿 | 0.118-0.228 | 0.158 | 0.120 | 22 | 0.074-0.172 | 4-54 |
| 氨氮 | <0.01-0.6 | 0.17 | 0.16 | 10 | 0.01-0.3 | 0-84 |
| 總錳 | 0.024-0.13 | 0.049 | 0.023 | 50 | 0.004-0.034 | 23-100 |
| 總鐵 | 0.25-3.8 | 0.8 | 0.08 | 90 | 0.00-0.01 | 98-100 |
| THMFP | 0.03-0.057 | 0.042 | 0.026 | 38 | 0.017-0.045 | 0-66 |
| 項目 | 范圍 | 范圍 | 范圍 | 檢出率 | ||
| 細菌/個/mL | 4100-160000 | 220-38000 | 230-9700 | 0/24-24/26 | ||
| 大腸菌/個/mL | 52-1900 | 3-200 | 0-180 | 0/26-3/24 | ||
從表中數(shù)據(jù)可知，超濾對濁度、總鐵、細菌和大腸菌群均有很好的去除效果，但對水中的有機物和氨氮的去除率相對較低。
張捍民等在用淹沒式中空纖維膜過濾裝置去除飲用水中污染物的實驗研究中也發(fā)現(xiàn)，淹沒式中空纖維膜過濾裝置對懸浮固體、膠體、細菌的去除效果很好。試驗中出水濁度始終保持在0.25NTU以下，并且出水中檢不出細菌。但對有機物的去除效果不理想，不能可靠的保證出水有機物濃度，出水有機物濃度隨進水有機物濃度的升高而升高。
大量的研究均表明，膜對天然水中的溶解性有機物(DOM)的去除率不高，尤其是低分子的有機物。天然水中有相當大一部分溶解性有機物的分子量低于UF的截留分子量(5000-100 000daltons)，導致UF膜對其的攔截效果很差。事實上，天然水中這一類的低分子溶解性有機物所占的比例往往較大。Laine等人報告美國以利諾伊州的Decatur湖中低于1000daltons有機物占總有機物的60%;Schnoor報告lowa河有90%有機物分子量低于3000daltons;董秉直、曹達文等對我國長江、黃浦江、太湖、淮河的原水進行了分子量測定，發(fā)現(xiàn)分子量小于4000daltons的溶解性有機物所占的比例分別為66%、52%、62%、56%。而Collins發(fā)現(xiàn)三鹵甲烷形成潛力(THMFP)主要是由分子量小于10 000daltons引起的。
目前 公認這部分低分子量溶解性有機物不僅是三鹵甲烷的前驅(qū)物，而且還常常是膜污染的主要因素。因此，選擇適當?shù)念A處理來減輕膜污染以及去除低分子溶解性有機物就顯得很重要。
4. BAF+常規(guī)工藝+UF組合工藝
從以上對BAF與UF工藝的 分析 中可以看到，兩者在處理上有互補性，從而可以依此開發(fā)出新的凈水工藝，即BAF→常規(guī)處理→UF。下面進一步用有機物分子量分析的觀點來說明此工藝的優(yōu)勢。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
水中有機物種類繁多，不同形態(tài)有機物要用不同的工藝加以去除。一般而言，常規(guī)處理主要去除分子量大于10000的有機物，對于分子量10000以下的有機物只能部分去除，對分子量小于1000的有機物基本無去除作用甚至于有所增加。BAF主要去除水中分子量小于1000的親水性有機物，對更大分子量的有機物由于細胞膜的屏障作用而難以進入細胞內(nèi)部。BAF的生產(chǎn)性試驗說明BAF對DOC的去處似乎主要與分子量500以下的有機物占DOC的百分比有關。水中有機物也可劃分為懸浮態(tài)有機物、膠體有機物和溶解性有機物。根據(jù)能否被微生物去除分為可生物降解和不可生物降解的有機物等。水中可生物降解的有機物用BAF去除，而不可生物降解的有機物則不能用BAF去除，同時對于懸浮狀態(tài)和膠體狀態(tài)的有機物，采用混凝沉淀 方法 則有好的去除效果，特別對于大分子有機物(分子量大于10000)常規(guī)工藝對其去除效果較好。對分子量小于3000的有機物，親水性的可生化部分可用BAF加以去除，憎水、難降解部分以及細菌和病毒用UF去除。總之，BAF、UF和常規(guī)處理三者基本呈互補關系。如果 經(jīng)濟 上許可，該組合工藝應是提高飲用水水質(zhì)的最佳工藝。
