生物接触氧化法对引滦水中藻类污染物的去除研究

季 民1， 吴昌敏1， 周 菁1， 贾霞珍2， 毕海燕2，董广瑞3
（1. 天津大学环境工程系，天津 300072； 2.天津通用水务有限公司，天津 300381；
3． 中国市政华北设计研究院， 天津 300074）

　　摘要：近年来，天津引滦水富营养化现象的加剧导致藻类过量繁殖，对水厂净水过程造成较大影响。本文采用生物接触氧化法，对引滦水进行除藻试验，研究了气水比、水力负荷、有机负荷、藻含量负荷以及藻类种类对除藻效率的影响，并对生物除藻机理进行了分析。

　　微污染源水中的藻类很难在常规混凝过程中得到有效去除，必须强化混凝工艺，而造成制水成本增加；藻类在进入滤池后会使滤池过滤周期缩短，反冲洗水量增加；藻类也是典型的氯化消毒副产物的前驱物质，在氯消毒过程中不但会产生三卤甲烷（THMS），而且会产生危害更大、沸点更高的卤乙酸（HAAS）等三致性更强的卤代有机物，使饮用水安全性下降。因此，控制与去除水中藻类具有重要的意义。对水中藻类的去除方法主要有：微滤、气浮、接触过滤、药剂灭藻、生物预处理。其中，生物预处理方法具有低成本、易操作、很少二次污染的优点。目前，国内外开展的大量微污染源水生物预处理的工程与实验研究的结果（见表1）表明，生物氧化预处理能稳定有效的去除源水中的藻类污染物^[1-7]。

表1 不同生物预处理装置对藻类的去除效率 试验用水 生物预处理装置类型 进水藻含量（×10⁴个/L） 藻类去除效率（%） 日本仙台 未获得 74 70 安徽巢湖水 生物陶粒接触氧化滤池 0.11-7.7 71.5 绍兴青甸湖水 YDT弹性填料生物预处理 90-2130 17.9-72.0 无锡太湖水 浸没式生物接触氧化 未获得 50-80 武汉东湖水 直型蜂窝填料接触氧化池 未获得 60-92 珠江水 YDT弹性填料生物预处理 0.17-53.1 69 宁波姚江水 推流式半软性立体填料接触氧化池 480-7200 78 深圳水库水 PWT网状填料接触氧化池 70-633 52.9-97

　　近年来天津引滦水富营养化不断加剧，导致季节性藻类过量繁殖。在藻类高发季节，源水的特征为CODMn达10-12mg/L，叶绿素一般在20 mg/L，最高可达90 mg/L[8]，高含藻源水给水厂常规处理工艺正常运行带来了较大困难，本试验采用天津市某自来水厂进水口处的实际原水，对生物预处理去除引滦水中藻类污染物开展了研究。

1. 试验设备及方法

1.1 试验装置
　　试验采用的生物接触氧化池处理工艺图如图1所示，其有效容积为48L，有效尺寸为长×宽×高：40×15×80cm。池内装设TA-Ⅰ型弹性立体填料，填料的表面积与池有效容积之比为10.63m2/m3。填料区高度为50cm。池底设微孔曝气管两根。

1.2 水质分析方法
　　pH值：用pHS-3C型酸度计测定。温度和溶解氧用YSI MODEL-57溶解氧测定仪进行测定。浊度用HACH 2100N浊度仪测定。CODMn、NH4+-N、NO2--N 均依据生活饮用水标准GB5750-85进行测定。藻类计数用鲁哥氏碘液稳定后，用光学显微镜计数检测。叶绿素（chl.）用90%丙酮萃取后采用722分光光度计测定。
1.3 原水水质
　　根据以往的统计数据，引滦水源水的主要污染季节为每年的5-10月份，故本次试验选择在4-9月份进行，试验期间的原水水质如表2所示：

表2 试验期间的水质情况(2000.4-2000.9) 项目 藻类（×10⁴个/L） 浊度(NTU) COD_Mn(mg/L) NH3-N(mg/L) NO₂^--N(mg/L) 最高 4809 90.35 10.61 0.170 0.0780 最低 103 1.30 2.55 0.024 0.0030 平均值 1950 18.61 4.04 0.053 0.0168

　　从表2中可以看出，引滦水源水的主要污染指标为藻类、浊度和CODMn，而氨氮与亚硝酸盐氮的含量较低，不是处理的主要对象。藻类的存在是污染物高发的主要因素：一方面藻类构成了浊度的一部分，另一方面藻类及其分泌物的存在使得其以有机物的形式被检测出来成为CODMn的组成部分，因此对藻类的去除将是引滦源水生物预处理工艺的主要目的。

2. 试验结果及分析

　　试验设备的安装、调试在2000年4月18日完成并采用接种挂膜的方式开始挂膜。在水温14-20℃、pH值8.0-8.3、水力停留时间4-7小时的条件下，完成挂膜的时间为20天。挂膜完成时对浊度和氨氮的去除效果分别稳定在30%-70%和30%-80%之间。
2.1 试验结果
　　试验稳定运行期间，生物接触氧化池的水力停留时间控制在2.0-3.0h之间，气水比为1.0:1-1.5:1，进水pH值为8.0-8.5，对主要污染物的去除率见表3，对藻类去除变化见图2

表3 稳定运行期间各污染物的去除率 项目 藻类计数(%) 叶绿素(%) 浊度(%) COD_Mn(%) NH3-N(%) NO₂^--N(%) 最高 85.4 83.6 77.2 32.5 84 57.1 最低 12.4 9.5 6.3 1.8 4.9 7.7 平均值 46.4 45.8 41.8 13.0 41 26.5

2.2 分析讨论
　　就生物接触氧化预处理工艺而言，对藻类去除效果起到影响的因素主要有曝气量、水力负荷、进水污染物浓度与负荷、进水藻的种类等，现根据试验结果分别讨论如下：
2.2.1曝气量对去除效果的影响
　　为考查曝气量对藻类去除的影响，对工况进行了调节将平均气水比分别控制在0.6:1、1.5:1、2.6:1、6.0:1，通过对运行结果的总结发现：气水比为0.6:1时，藻类的平均去除率为33.9%，当气水比增加一倍左右，即1.5:1时，藻类的平均去除率为51.0%，增长了50%；但当气水比进一步增加到2.6:1时，藻类平均去除率为51.8%，即使气水比增加到6.0:1时，藻类的平均去除率也仅为52.4%。由此可见，随着气水比的增加，藻类的去除率也增加。主要是由于气水比的增加加大了反应器内污染物与填料上生物膜的接触，加强了生物膜对水中污染物的拦截吸附作用，同时，气水比增加使水中溶解氧浓度增高，促进了生物膜上的微生物活性。但气水比过高会冲刷填料上的生物膜，使得生物膜的黏附性能降低反而抵消了加大搅拌的有效作用，因此在气水比大于1.5:1之后再加大气水比对藻类去除效率的影响就较小了。
2.2.2进水水力负荷对藻类去除效果的影响
　　由于试验用水直接采用实际引滦水，水质变化较大，采用了将相同进水水力负荷的情况下对藻类的去除率取平均值的方法，以在一定程度上消除其他因素的影响，得到进水水力负荷对藻类去除的影响如图3所示。在水力负荷较小的情况下，随负荷增加，进水所带入反应器内的营养物增加，有利于生物膜的生长，提高了生物处理的效果；但当水力负荷进一步增加，造成污染物在反应器内的停留时间过短，未能得到有效的去除，尤其是对藻类，它的降解速度较慢，从而使去除率降低。

2.2.3进水有机物负荷对藻类去除效果的影响
　　讨论进水有机物负荷（按填料面积负荷计）对其去除效果的影响，同样采用了将相同进水有机物负荷的情况下对藻类的去除率取平均值的方法，如图4所示，从图中可以看到，在进水CODMn负荷较低的条件下，随着有机负荷的增加，藻类去除率上升。分析其原因是在较低有机物负荷条件下，进水负荷增加，有利于提供生物膜生长所需的碳源，促进了生物膜的增长，提高了对藻类的去除效果；但在进水有机负荷高于0.08g/m²·h后，随着进水有机负荷加大，必然加重了生物膜的处理负担，同时有机负荷增大使得有机物大量存在而对藻类去除起到了竞争的作用，比较而言有机物更容易被生物膜吸附降解，因而降低了藻类被生物膜吸附降解的机率，从而影响到了对藻类的去除效果。

2.2.4进水藻负荷对去除效果的影响
　　进水藻负荷对其去除效果的影响，如图5所示，随藻类负荷的增加，藻类的去除率随之减小，在负荷较大的情况下这种下降趋势变缓。这种情况的出现说明了生物膜对藻类的去除以生物快速吸附作用为主，进水藻类负荷加大增加了反应器内藻类的浓度，使得其高于生物膜的快速吸附能力，而且在有效的停留时间内得不到降解便随水流带出了反应器，而导致了去除率的下降。

2.2.5藻类种群结构的变化对去除效果的影响
　　藻类种类是影响生物处理除藻效率的重要因素。由于不同藻类的物理、化学性质有所区别以及藻细胞的表面性质不同，影响生物膜对藻体的吸附作用，而使得生物膜对不同的藻类表现出不同的去除率。对生物接触氧化池进出水的藻类镜检发现，蓝藻的去除效果最好，而绿藻和硅藻不易去除。在6月20日以前进水中优势藻类为蓝藻，尤以铜色微囊藻居多，此时去除率为32.7-85.3%，到6月20日以后出现了大量星杆藻（硅藻）、盘星藻（绿藻）、尖细栅列藻（绿藻）和四尾栅列藻（绿藻），镜检时发现出水中这些藻类并未得到较好的去除，而出水中的蓝藻（如铜色微囊藻）则有明显减少，这一阶段去除率就较低，为15-67%。藻类种群结构的变化对藻类的去除效果有较大的影响，但具体的影响原因目前还没有更深入的研究。即使是对哪些藻类种群易于去除，在不同试验中，也有不同的去除结果^[1、6]。就本试验而言，对蓝藻的去除率最高，硅藻其次，绿藻去除率最低。
2.3 藻类去除机理分析
　　对藻类的生物去除机理目前还没有明确的结论，一般认为^[1、3、6]，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。根据试验结果分析，藻类的去除应以生物膜的吸附絮凝为主。从如图6可以看出，藻类的去除与对浊度的去除存在一定的相关性，而生物处理对浊度的去除作用即是以生物的吸附絮凝作用与机械截留为主。通过镜检发现在生物膜中存在大量藻类，表明生物膜首先是通过吸附作用截留了水中的游离藻类，而在脱落的生物膜及排出的底泥中发现存在有藻类的空壳，说明被吸附在生物膜上的藻类能够进一步被微生物氧化分解及原生动物捕食。另外，在试验的后期接触氧化池内的生物膜出现了脱落现象，从而使得这一阶段的去除率有所下降，这也说明生物膜对藻类的去除主要以吸附截留为主。

3. 结论

　　①采用生物接触氧化池处理引滦水源水，当水温在18-31℃、水力停留时间2.0-3.0h、气水比1.0:1-1.5:1时，生物接触氧化池单体对藻类的去除率为12.4%-85.4%；
　　②对气水比、水力负荷、有机负荷、藻含量负荷对除藻效率影响的研究发现：气水比的增加，会增加藻类的去除率，但当气水比超过1.5:1时，气水比贡献作用降低，因此建议采用气水比为1-1.5:1；在水力负荷、进水CODMn负荷较低的条件下，随着负荷的增加，藻类去除率上升，但在水力负荷、进水有机负荷高于一定值后，负荷加大会使得去除率呈下降的趋势；随进水藻类负荷的增加，去除率呈下降趋势；
　　③藻类种类是影响生物处理去除藻效率的重要因素，生物膜对不同的藻类表现出不同的去除率，就本试验而言，对蓝藻的去除率最高，硅藻其次，绿藻去除率最低，而在引滦水藻类高发期，以硅藻、绿藻占优，因此给生物除藻带来较大困难；
　　④藻类的去除应以生物膜的吸附絮凝为主。生物膜首先是通过吸附作用截留了水中的游离藻类，再通过膜上微生物的氧化分解作用及原生动物的捕食作用去除藻类。

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