给水生物预处理工艺中生物相的作用

李伟英?张玉先
同济大学环境科学与工程学院，上海　200092

　　摘　要：分析了国内现有的给水微生物预处理运行资料，阐述了生物预处理中接触氧化法的机理，讨论了参与生物预处理的微生物的种类及其作用，指出了生物预处理的优缺点及今后应重点解决的问题。
　　关键词：给水；预处理：生物相；生物膜；微污染
　　中图分类号：TU991
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2000)03-0007-04

Effect of Biological Phase in the Process of Biological Pre-treatment of Feed Water
LI Wei-ying，ZHANG Yu-xian

　　Abstract：Operating data of existing microorganism pre-treatment facilities for water supply in China are studied.Mechanism of contact-oxidation process in biological pre-treatment is expounded.Type and of the micro-organisms participating in the pre-treatment are discussed.Advantages and disadvantages of biological pre-treatment are analyzed,and key issue to be tackled in the future are pointed out.
　　Key words：feed water；pre-treatment；biological phase；biological membrance；micro-pollution

概述

　　大量污水的排放使水源受到严重污染。饮用水水质状况与人类肝癌、食道癌和胃癌等发病率呈正相关^[1]。水污染问题不但是世界范围的问题^[2]，而且已成为我国重大环境问题之一。
　　水体被污染后，传统饮用水处理工艺不能有效地去除水中微量有机污染物。许多城市的供水在水质较差的季节均不尽人意，Ames致突变试验结果常呈阳性。我国徐祥宽等人^[3]研究发现，长期饮用氯消毒自来水比不饮用的人死于消化和泌尿系统癌症的危险性大。因此，现行给水处理工艺亟待改进，而生物预处理是有效的处理工艺方法之一。
　　生物处理工艺有许多形式，如活性污泥法、生物滤池、生物转盘和氧化沟等，以往总是应用于城市污水处理之中。７０年代以来，生物处理工艺被越来越广泛地用于城市给水处理中成为处理微污染原水的有效手段之一。该工艺主要有生物接触氧化法、生物滤池氧化法、生物转盘、生物流化床、生物活性炭滤池、膜生物反应器、生物陶粒技术、电生物反应器等形式。本文拟就生物接触氧化法处理微污染原水工艺处理机理和生物膜中的生物相作一简要讨论。

1　接触氧化预处理机理

　　生物接触氧化法处理工艺就是在常规物理化学处理工艺前增设生物接触氧化处理装置，借助于装置中微生物群体(生物膜)的新陈代谢去吸收、分解和利用水源中各种污染物。出水水质的改善是由曝气氧化、生物降解和生物絮凝三方面协同作用完成的。经接触氧化预处理的水，既改善了混凝沉淀性能，使后续工艺顺利进行，又减少了水中的“三致”物，降低了致突变活性，改善了出水质量，减少了细菌在管网中重新孽生的可能性。

2　生物相的种类与分布

2.1　生物相生成及其工艺参数
　　生物膜法的微生物是以生物膜形态附着在固体填料表面上，因此种类繁多的微生物是生物膜法净化水的工作主体。生物相的组成与性质特点，在膜法处理工艺中起着重要作用，对生物相的研究与分析可以让我们从微生物角度考虑工艺中设备设计的条件和参数以及对工艺进行合理化运行管理及技术革新。显然，控制好环境条件就可控制池中的优势菌群，从而增加或减少某一菌种类型的数目。
　　我国先后在上海、深圳、宁波、珠海、杭州等地开展生物预处理工艺研究。部分研究成果列于表1。

表1 净水生物预处理工艺生物相研究实例及其有关运行参数 　 陈洪斌^[12] 汤利华^[13]许建华等^[1] 周建平^[14] 陆俊炯^[15] 　余淦申^[16] 黄晓东等^[6] 研究水源 东深微污染源水生物预处理（以深圳水库为水源水） 宁波梅林水厂（以姚江水为源水） 无锡市市充山水厂（以太湖流域富营养化的梅梁湖为源水） 祥符水厂（以京杭运河为源水） 杭州玻璃总厂工业用水（以京杭大运河杭段水为源水） 珠江水污染水源 处理工艺 生物接触氧化工艺 生物接触氧化工艺 生物接触氧化工艺 生物接触氧化工艺 厌氧、缺氧生物接触氧化工艺 生物陶粒反应器 生物膜特点及生物相 ①成熟生物膜平均厚度在0.04-0.15mm；②成熟生物膜呈褐色至深褐色；③有八个门的动物出现，种类繁多，绝大多数属清水型动物；④优势动物种有钟虫、累枝虫、盖纤虫、轮虫、环节动物、台藓虫等；⑤生物膜沿池程分布呈倒金字塔 ①成熟生物膜平均厚度为0.1-0.3mm；②成熟生物膜呈黄褐色；③表层生物膜中可见大量藻类，下层生物膜中藻类数量明显减少；④在上下层生物膜中观察到钟虫；⑤在上下层生物膜中观察到硝化杆菌，下层数量比上层数量明显多 ①弹性填料上为一层褐色薄膜；②较多菌胶团出现，并有大量分泌物；③以纤毛虫和轮虫为代表的原生动物活跃 ①生物膜手感滑润；②生物膜较厚，镜检有大量菌胶团、丝状菌、藻类、钏虫、纤毛虫；③生物膜上还有多种种属的原生动 ①有效强的腥臭味；②有大量的菌胶团存在，有些菌体个体饱满，颜色透明；③系统运行稳定后，还有少量的轮虫等后生动物出现 ①陶粒表面及陶粒与陶粒空隙之间都生长出典型的菌胶团生物膜，其间穿插生长着一丝丝状菌；②生物膜内和周围可见一些原生动物及形体更大的后生动物；③反应器内的细菌主要是分营养菌，其优势菌种为假单胞菌属；④后生动物有轮虫和线虫；⑤原生动物有钟虫和等枝虫 挂膜方式 自然富集培菌挂膜方式 自然培菌挂膜方式 自然培菌挂膜方式 自然培菌挂膜方式 动态接种培菌方式。培菌的混合液由食堂生活废水和水源河水组成 外加营养源强化接种挂膜方式：补一定量葡萄糖，尿素和磷酸二氢钾 工艺参数 HRT=60min
气水比：
1.2:1-1.7:1
水温方式：穿孔管曝气
生物膜培养时间：
15-2d（25℃以上）；30d(25℃以下）
填料：YTD型弹性立体填料、TA波形填料、PWT网状立体填料 HRT=90min
气水比：
1.1:1-3.1:1
水温：24.5℃
曝气方式：
逆流穿孔管曝气
生物膜培养时间：7-12d
填料：YTD型弹性立体填料 气水比：0.7:1-1.0:1
水温：15℃-28.4℃
曝气方式：微孔曝气
生物膜培养时间：13-16d
采用颗粒和弹性立体填料 HRT=72min
气水比：11.4:1-2.6:1，运行中平均为5.77:1水温：22-24℃
曝气方式：微孔曝气和穿孔管曝气
生物膜培养时间：＞9d
填料：YTD型弹性立体填料 缺氧池气水比=1：1,
溶解氧为0.5mg/L；
好氧池气水比=2:1
溶解氧为4mg/L
曝气方式：环状穿孔管曝气
生物膜培养时间：15d,2个月后系统运行稳定。采用YTD型弹性立体填料 HRT=30min
气水比=1.1
气温：T=
曝气方式：逆流曝气
生物膜培养时间：8d，填料：采用页岩烧结陶粒 部分物质去除率 ηCODMn=10%-30%
ηNH₃-N≥75%
ηBOD₅=5.76%-66.2% ηCODMn=20%-30%ηNH₃-N＞90
ηTOC=22%
ηCODcr＞25%-35% 颗粒填料：
ηCODMn＞25%
ηNH₃-N＞75%
ηNO₂-N＞65%
弹性填料：ηCODMn＞30%
ηNH₃-N＞65%
ηNO₂-N＞60% ηCODMn＞20%
ηNH₂-N＞60%
浊度去除率大于86% ηCODMn=67%-73%
ηNH3-N＞70%
混浊度由35-90度降为0.5-3度 ηCODcr=29.3%
ηNH₂-N=92.7%
ηBOD₅=90.1%
ηOC=36.6% 备注 出现椎丝螺和苔藓虫等特殊微生物 初次挂膜时间较长 颗粒填料见效快，在低温下（＜10℃，自然挂膜不成功） 中试结果 处理后水作为工业用水 挂膜期间水力停留时间为60min气水比为2:1

2.2　生物相的分析及作用
　　从表1及实际运行中不难发现，生物膜培养与挂膜过程意义重大。研究生化操作中群落的一般性质操作环境是非常有益的。在不同的生物处理工艺中，由于生态环境及外界条件不同，微生物种类、数量和代谢活性等方面都不相同，微生物之间形成了相互关联和互相制约的动态平衡体系，这个体系直接影响、决定着处理效率。从表1中，可以发现，在挂膜过程完成后，随着处理时间的延续，已成熟的生物膜上先后出现原生动物、后生动物、菌胶团。系统运行稳定后，均有轮虫和线虫出现。生物膜成熟程度的标志，有的是以氨氮藻类的去除率分别为50％和40％[4][5]为标准，有的是以镜检（外观看到黄色生物膜）和CODcr的去除率为50％[6][7]为标准或以氨氮的去除率为75％、CODMn的去除率为25％[8]为标准，这些结论均带有普遍性和规律性。
　　前苏联M.H.罗特米斯特罗夫等[9]人也认为在生物膜上有细菌的动胶团（亦称菌胶团）、丝状菌和真菌聚集，并指出生物膜上的动胶团与活性污泥内的动胶团相同，这与我国有关人员的研究基本相同[1][11]。生物膜上的真菌中占优势的是水生镰刀霉
等，真菌与其它微生物相比能够有效地去除有机质，但是当真菌发育特别旺盛时就会堵塞填料通道，造成处理水水质变差。
2.2.1 原生动物的指示与代谢作用
　　从系统运行初到运行一段时间观察，生物膜上的生物均是由低等向高等演化的，其原因是低等生物对环境适应性较强。因此，系统刚刚运行时，只见大量的细菌，其他微生物很少或不出现。在系统正常运行和生物膜降解良好时，相应地出现许多较高等的微生物。生物相中占优势的原生动物以固着性的纤毛虫为主，如钟虫、小口钟虫、等枝虫等。其次还有游泳性纤毛虫（如豆形虫）和葡匐性（如循纤虫）等。系统运行稳定后，生物膜上的生物相也相对稳定，细菌与原生动物之间存在着制约关系。这是因为原生动物（如钟虫）吞噬细菌抑制细菌群体的蔓延，而细菌被破坏后又要不断繁殖生长，这就需要以水源中的有机物为食料，进而达到净化水的目的。
　　如果设备营养状况有较大的改变，即系统非正常运行时，则原生动物中固着型钟虫、等枝虫突然消失，伴随着丝状菌稀少和菌胶团结构松散，此时出水水质变差[10]
2.2.2 微型后生动物的指示与代谢作用
　　在生物接触氧化法中的生物膜上存在着大量的后生动物如轮虫、线虫。红斑瓢体虫等。这些是以食死肉为主的动物，能软化生物膜、促使生物膜脱落，从而经常保持生物膜的活性和良好的净化功能。当轮虫等后生动物数量多且活跃跃,个体肥大，则处理效果好；反之，处理效果差。生物是由低等向高等演化的，低等动物对环境适应能力强，如细菌，一般在生化处理初期对生物膜上生物相镜检的结果只有大量的细菌，其他微生物很少或不出现；而较高等生物则相反，随着生物处理逐渐成熟，且系统运行更趋稳定时，生物膜上便相应地出现许多较高等微生物，例如钟虫和轮虫等，它们对溶解氧和毒物特别敏感，这也与实际运行情况相符，牧可以以原生动物和微型后生动物是否出现为准，根据它们活动规律判断出水水质和生物水处理效。
2.2.3 特殊动物的指示与代谢作用
　　凡能凝聚呈绒粒的细菌统称为苗胶团属，是低等细菌建立的胶粘物。菌胶团具有很强的吸附能力和分解能力，使有机物无机化。它对有机物的吸附和分解为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境和附着场所[12]。新生菌胶团颜色浅。透明、结构紧密、生命力旺盛，吸附和氧化能力强；而老化的菌胶团则与之相反。因此，通过菌胶团的颜色、透明度等外观情况可以初步判断生物膜中微生物生长情况。
　　在东深水源处理中[13]，首次出现了椎丝螺这一较高级的无脊椎动物，椎丝螺属软体动物的腹足类，喜居栖含氧高、食料丰富的静水环境，易在池内生长。数量稀少时，对生物膜危害少，对生物预处理有促进作用；但若大量生长，则对生物预处理不利。

3 结语

3.1 生物预处理的优点
　　生物膜指示作用为给水生物处理工艺的运行调控提供快速监测手段，工艺所具备的特点，使得生物预处理工艺能够：
　　①经济有效地去除微污染水源中的有机物、氨氮、藻类等，降低浊度，不产生“三致”物。
　　②减少混凝剂和消毒剂的用量，降低制水成本。
　　③可利用原水池或河道作为处理构筑物。
　　④对OC、浊度的去除受冲击负荷影响较小。
3.2 生物预处理的缺点
　　随着该工艺中诸如曝气等设备添置，出现了新的问题，其中主要有：
　　①需增设曝气设备和填料冲洗设备。
　　②生物处理运行效果受到诸多因素影响，尤其是水质、水温、操作管理水平高低的影响，低温运行不利。
　　③与常规工艺比，需要一定的成熟期。
　　综上所述，若选择生物处理工艺且使其处理效率高，须更加深人了解微生物种类及其相互作用关系、生长环境条件及其控制等因素，这是今后着重重视并亟待解决的问题。

参考文献：

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　　[11]胡家骏，周群英 环境工程微生物学[M].北京：高等教育出版社，1988
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　　[14]周建平 梅梁湖富营养化原水生物预处理工艺研究[D]上海：同济大学，1996
　　[15]陆俊炯 生物接触氧化法预处理污染原水研究[D].上海：同济大学，1993
　　[16]余淦申 受污染水源的生物预处理技术及工程实例[J]给水排水，1996，（4）：19－22

作者简介：
　　李伟英（1968－），女，博士，联系电话021－65985982
　　张玉先（1947－），男，教授