复合生物活性滤料滤池的性能研究

仲丽娟¹，朱明章¹，李伟¹，古玉兵1，姚雨霖²，赵友石²
(1.成都市自来水总公司，四川成都610072；2.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045)

　　摘　要：采用由惰性和活性滤料(由极性和非极性滤料复合而成)复合构成的新型生物活性滤料滤池进行过滤试验。结果表明，该滤池对氨氮的去除率＞90%，对CODMn的去除率＞40%，使Ames试验致突变性降低约1/3左右，其出水水质满足国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)，具有较好的处理效果。
　　关键词：复合生物活性滤料；生物滤池；给水处理
　　中图分类号：TU991.24文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)12-0001-05

Study on the Characteristics of Biofilter with Composite Active Medium
ZHONG Li-juan1，ZHU Ming-zhang1，LI Wei1，GU Yu-bing1，YAO Yu-lin2，ZHAO You-shi2

(1.Chengdu City General Water Supply Co.,Chengdu 610072,China; 2.School of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

　　Abstract：Test was made for the new type biofilter composed of inactive and active medium (polar and non-polar medium).Test results show that in the filter,removal rate of NH3-N and CODMn is＞90% and 40% respectively,so that the mutation rate arising from Ames test is decreased by about 1/3.The effluent quality can meet the national standard 《Sanitary Standard for Drinking Water》(GB 5749—85),with better treatment efficiency being achieved.
　　Keywords:composite bioactive medium;biofilter;water treatment

　　以沙河为水源的水厂，其制水能力约占成都市自来水公司总制水能力的40%，但随着城市的发展，沙河原水受生活污水、工业废水、农田排灌废水及垃圾等污染的程度呈加重趋势，若遇暴雨则污染更为明显。根据1997年—2000年的监测结果，原水色度一般为12～45 倍(少数时间超过40 倍)，CODMn最高为10.28 mg/L，BOD最高达27.35 mg/L，NH₃-N一般为0.5 mg/L(暴雨时曾高达2.56 mg/L，在短时间内给水厂生产造成了一定困难)。
　　复合生物活性滤料滤池是由活性和惰性滤料复合构成滤床，在保持滤池去除悬浮物功能的基础上强化滤池去除有机物的能力，其中的活性滤料由极性和非极性滤料复合构成，用以提高滤池吸附、去除有机物的能力［1］。该滤池还采用空气充氧，是一种生物滤池。

1　试验内容

　　该试验主要研究复合生物活性滤料滤池的挂膜情况和在正常运行下对COD和NH₃-N等污染物的去除情况以及滤后水消毒后的水质是否能够满足国家《生活饮用水卫生标准》、Ames试验结果是否比现有工艺有明显改善。
　　试验在五水厂进行，复合生物活性滤料滤池的待滤水来自该厂的机械加速澄清池，滤后水则进入移动罩滤池的清水渠，其整体流程如下：

　　

　　水厂生产中采用预氯化以抑制藻类的生长，因预氯投加量很低(约0.3 mg/L)，所以试验滤池进水的余氯一般为零，不会影响滤池的微生物作用。
　　复合生物活性滤料滤池是一座过滤面积为1.44m²的小型气水反冲洗滤池，采用V 1/2长柄滤头配水、配气(气源是一台SL 80罗茨鼓风机)。滤池内装3种滤料，分别是ZJ—15型颗粒活性炭(GAC，d=1.0～2.0 mm)、活性氧化铝(AA，d=1.5～2.0 mm)和石英砂(d10=0.81,k80=1.18)。为保持生物活性滤料滤池中生物的活性，充分发挥生物氧化作用对有机物的去除能力，宜尽量提高水中溶解氧的含量，为此采用空压机通过分布在滤床上的布气头向待滤水中充氧。
　　该滤池采用三段式气水反冲洗，其强度及时间如下：
　　第一阶段为气冲洗，q气=8L/(m²·s) ，t=5 min；第二阶段为气水同时冲洗，q气=8L/(m²·s)，q水=8L/(m²·s)，t=8 min；第三阶段为水冲洗，q水=8L/(m²·s)，t=5 min。

2　结果与分析

2.1　挂膜
　　挂膜从2000年6月19日开始，挂膜条件是：过滤的空床接触时间(EBCT)为22.5 min，水温t为19～21 ℃，充气量约为1.6 L/(m2·s)。挂膜期间的滤池进水浊度为1.72～7.12 NTU，出水浊度为0.13～0.73 NTU，除浊率为79.7%～96.4%；进水色度为6～22倍，出水色度≤8倍。
　　挂膜开始时滤池虽装填了大量活性滤料，但对NH3-N的去除率只有20%左右，9 d后滤池对NH₃-N的去除则有了较明显的提高(逐渐上升到50%以上)，说明在此过程中滤料上逐渐生长形成生物膜。17 d后滤池的CODMn的去除率稳定在20%以上，NH₃-N的去除率达50%以上，此时可以认为挂膜已经完成，滤池进入稳定运行阶段(见图1)。

2.2稳定运行期的过滤效果
　　稳定运行期为2000年7月5日—9月4日，其间进行了不同滤速下的过滤效果试验。
2.2.1对氨氮的去除
　　试验期间沙河原水中氨氮含量为0.32～1.19 mg/L，滤池进水氨氮为0.11～0.74 mg/L。在不同的EBCT下(分别为18、12、9 min)复合生物活性滤料滤池对NH3-N的去除率＞50%。随着EBCT的缩短，滤池对NH₃-N的去除率略呈下降趋势。EBCT=18 min时，NH₃-N平均去除率为96%；EBCT=12 min时，其平均去除率为95%；EBCT=9 min时，其去除率降至89%，但总体上该滤池对NH₃-N的去除效率很高。
2.2.2对CODMn的去除
　　当滤池进水CODMn含量为1.07～2.66 mg/L,在不同EBCT值时复合生物活性滤料滤池对CODMn的去除率有所不同(见图2)。

　　由图2可见，EBCT值越高，其CODMn的去除率也越高。在EBCT=9、12、18 min时，复合生物活性滤料滤池对CODMn的平均去除率分别为42%、44%、47.8%。该结果比在内江所做的试验结果略有提高，这是复合生物活性滤料滤池中活性滤料所占比例较大的缘故。
2.2.3对色度的去除
　　试验期间沙河原水色度最高达45倍，最低为零，平均为12.5倍，而经机械加速澄清池处理后进入复合生物活性滤料滤池后其色度一般为0～22倍，平均为7.3倍，滤池平均出水色度＜1倍。复合生物活性滤料滤池的进、出水色度的变化如图3所示。

2.2.4　出水水质分析
　　对新型复合生物活性滤料滤池处理出水模拟消毒后进行全分析，结果表明完全满足GB 5749—85所规定的水质要求。
2.2.5　Ames试验
　　委托华西医科大学公共卫生学院对沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、水厂出水(3#)、复合生物活性滤料滤池出水(4#)及其出水的模拟消毒水(5#)、取消预氯化的复合生物活性滤料滤池出水模拟消毒水(6#)共6个水样各富集150 L、采用平板掺入法进行了Ames致突变试验。6组水样对TA98、TA100两种菌株在不同剂量下的致突变率见图4、5。

由图4、5可知：
　　①1#沙河原水、2#澄清池出水和4#新型复合生物活性滤料滤池过滤出水(未加氯消毒时)不具有致突变性。　　
　　②3个消毒后的水样在一定的剂量范围内，其致突变率MR＞2，具有剂量反应关系和重现性，具有致突变性。

　　③新型复合生物活性滤料滤池的消毒出水对TA98和TA100的最低致突变剂量为3.0 L/皿，该剂量较水厂现有工艺降低约1/3左右，可以认为该过滤工艺对Ames试验具有较明显的改善效果。
　　④尽管预氯化的投氯量非常小，但仍可以看出预氯化的(6#)比未预氯化的(5#)在相同剂量下的MR值略高，这证明预氯化使水中的致突变物有所增加。因此，若从水质安全角度考虑，应该选用其他更加安全的杀藻方式。
　　⑤色质联机(GC/MS/DS)分析委托中国科学院成都分院的化学分析检测中心对沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、复合生物活性滤料滤池出水(3#)及其消毒水(4#)进行了色质联机分析。对4组水样中检出的有机物进行分类，结果见表1。
由表1可知：
　　a.原水中共检出84种有机物，其中主要是芳香烃、直链烷烃、杂环化合物和酯类；原水中强极性的有机物11种，中强极性的14种，共占原水中有机物总数的30%左右，这证明试验时的复合生物活性滤料滤池选用非极性的GAC和极性的AA两种滤料有其合理性。

表1　水样中的有机物分类 序号 类别 极性 饱和性 种类数 1# 2# 3# 4# 1 直链烷烃 无或弱极性 饱和 16 22 11 20 2 酮类 强 主要为不饱和 2 4 1 0 3 环烷烃 无 饱和 4 0 0 1 4 烯类 无或弱极性 不饱和 3 1 1 1 5 酯类 中 饱和、不饱和各为1/2 12 2 4 4 6 醇类 强 主要为饱和 6 0 1 5 7 芳香烃 弱 不饱和 22 3 2 6 8 杂环化合物 弱 主要为饱和 12 2 5 5 9 胺类 中 不饱和 1 1 4 3 10 酚类 弱 不饱和 0 1 0 0 11 酸类 强 不饱和 3 8 5 10 12 炔类 弱 不饱和 1 0 0 1 13 醚 中 饱和 1 1 1 1 14 醛类 中 不饱和 0 0 4 0 15 其他 1 3 4 3 16 总计 84 48 43 60

　　由原水检出的84种有机物中，有9种是属于美国129种优先控制污染物之列，5种属于中国的68种水中优先控制污染物(如表2)，其中主要是苯类、酯类和多环芳烃，还有一种卤代烃。这些重点污染物主要来自一些塑料、化工工业的污染。

表2　原水中的有害有机物

序号 属于USEPA的129种优先控制的有机物 属于中国68种水中优先控制污染物的有机物 1 四氯乙烯 四氯乙烯 2 二乙基邻苯二甲酸酯 甲苯 3 蒽 乙苯 4 二丁基邻苯二甲酸酯 对二甲苯 5 甲苯 荧蒽 6 乙苯 　 7 二甲基邻苯二甲酸酯 　 8 荧蒽 　 9 芘 　

　　原水中直链烷烃的大量存在主要是因为水源上游及周围有许多加油站和洗车场，其废水直接排入沙河。大量杂环化合物之所以存在，一方面可能是天然动植物代谢的产物，另一方面也可能是因为存在一定的人为污染。经综合分析可知，沙河原水的主要污染是油类、工业污染，所以应对该类主要污染源加以重点治理。
　　b.澄清池出水中共检出有机物48种，其中直链烷烃约占1/2，其次是酸类、酮类等。与原水相比，澄清池出水中的芳香烃、杂环化合物、酯类明显减少，而直链烷烃种数占有更明显的优势，这说明机械搅拌澄清池对去除芳香烃、杂环化合物等具有明显的作用，而对直链烷烃作用效果较差。
　　c.复合生物活性滤料滤池出水中共检出有机物43种，仍以直链烷烃为主，但其数量较原水和澄清池出水已有了较大幅度的减少，而酸类、杂环化合物、醛类、胺类、酯类所占的比例较澄清池出水(即试验滤池进水)有较大提高，这应是滤池中微生物新陈代谢作用的反映。
　　d.复合生物活性滤料滤池出水的消毒水中检出有机物60种，其中的醇类、酸类、芳香烃种类有所增加，直链烷烃所占的比例明显增大。该水中只检出了3种卤代烃，可能是生成的各种卤代烃含量非常少(氯仿为11 μg/L,四氯化碳＜0.2 μg/L)，以致在色谱图上出现的峰值非常低的缘故。

3　经济分析

　　①与传统工艺相比。以新建的某10×10⁴m³/d的现代化供水工程为例(该水厂的主要构筑物为取水泵站、斜管预沉池、格网反应斜管沉淀池、V型滤池、清水池、二泵站)，经计算其中V型滤池采用新型复合生物活性滤料比采用均质石英砂增加投资约22.3%，水厂总体投资增加约2.3%。
　　②与采用臭氧活性炭工艺的水厂相比。经计算使用新型生物活性复合滤料滤池比采用臭氧—活性炭法的可降低水厂基建投资15%，节约电耗为574.5×10⁴(kW·h)/a，其价值为219万元。

4　结论

　　①新型复合生物活性滤料滤池可去除氨氮90%以上、CODMn40%以上，降低致突变性约1/3左右，出水水质满足国家《生活饮用水卫生标准》，具有较好的处理效果。
　　②实际工程中，适用于新建滤池或改建V型滤池，用以降低水中有机物和饮用水的致突性，对保障人民身体健康等具有重要的社会意义。
　　③新建或改建时，新型生物活性滤料滤池简单易行，且比其他方法节省能源，但由于需换部分滤料(活性炭和活性氧化铝)，将使其建设总投资约增加20%。

参考文献：

　　［1］姚雨霖，仲丽娟,等.新型充氧复合多层滤料滤床过滤技术的研究［A］.给水委员会.中国给水五十年回顾.第七届年会论文集［C］.重庆：中国建筑工业出版社，1999.253-258.

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　　作者简介：仲丽娟(1975-)，女，山东乐陵人，硕士，主要研究方向为给水处理。
　　电　　话：(028)7775463
　　E-mail:lijuanzhong@263.net
　　收稿日期：2001-05-31