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(shù)作了簡要介紹。重點(diǎn) 分析 了作為預(yù)處理技術(shù)的曝氣生物濾池技術(shù)和作為后續(xù)處理的膜分離技術(shù)(特別是超濾技術(shù))。在分別對這兩項(xiàng)技術(shù)作了介紹的基礎(chǔ)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(shí)，用有機(jī)物分子量的觀點(diǎn)對此工藝進(jìn)行了深入分析。

1. 前言

飲用水的凈化技術(shù)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(shí)，隨著水質(zhì)分析技術(shù)逐漸改進(jìn)，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(shí)驗(yàn) 研究 和實(shí)際生產(chǎn)結(jié)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(jī)物20%-30%，且由于溶解性有機(jī)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(diǎn)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(jī)鹵化物又導(dǎo)致水質(zhì)毒 理學(xué) 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(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，必須開發(fā)新的水處理技術(shù)。

目前已開發(fā)或正在開發(fā)的水處理技術(shù)主要包括兩方面：一是預(yù)處理技術(shù)，包括：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技術(shù)等;二是深度處理技術(shù)，包括氧化法和吸附法，其中氧化法又包括化學(xué)氧化和生物預(yù)處理技術(shù)。其中尤以生物預(yù)處理技術(shù)和膜技術(shù)倍受水處理工作者的關(guān)注。

2. 生物預(yù)處理技術(shù)

生物預(yù)處理是指在常規(guī)的凈水工藝之前增設(shè)生物處理工藝，借助于微生物群體的新陳代謝活動(dòng)，對水中的有機(jī)污染物、氨氮、亞硝酸鹽及鐵、錳等無機(jī)污染物進(jìn)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(fù)荷。另外，通過可生物降解的有機(jī)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(xì)菌在配水管網(wǎng)中重新滋生的可能性。用生物預(yù)處理代替常規(guī)的預(yù)氯化工藝，不僅起到了預(yù)氯化作用相同的效果，而且避免了由預(yù)氯化引起的鹵代有機(jī)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(yù)處理技術(shù)

曝氣生物濾池(BAF)預(yù)處理技術(shù)在飲用水處理中具有以下特點(diǎn)：

⑴水處理過程中的物理、化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)存在較大差異，并且與其去除性存在一定的關(guān)系。從分子量上來說，生物可降解有機(jī)物主要是低分子量的有機(jī)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(jī)物，對低分子量有機(jī)物去除率低，特別是對分子量<500的有機(jī)物，幾乎沒有去除能力，甚至有所增加。而這部分有機(jī)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(xì)菌生長的主要營養(yǎng)基質(zhì)，而生物預(yù)處理能有效去除這部分有機(jī)物，對提高整個(gè)給水處理工藝對有機(jī)物的去除效果有重要意義。

⑵對低濃度有機(jī)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(jìn)行生長繁殖，在載體表面形成薄層結(jié)構(gòu)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(shí)進(jìn)行，與同樣濃度的單個(gè)基質(zhì)生物降解相比，能導(dǎo)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(jī)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(shí)，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(jī)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(diǎn)使生物具有較長的停留時(shí)間，一些生長較慢的微生物如硝化菌等自養(yǎng)菌可在反應(yīng)器內(nèi)不斷積累。反應(yīng)器內(nèi)載體應(yīng)具有足夠的溶解氧，這樣就能促進(jìn)生物膜上好氧硝化菌的生長和代謝活動(dòng)。對硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(xué)者對BAF對氨氮和有機(jī)物的去除效果進(jìn)行了研究，表1和表2是國內(nèi)外資料中所報(bào)道的曝氣生物濾池對氨氮和有機(jī)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(diǎn)	進(jìn)水氨氮（mg/L）	氨氮去除率（%）
曝氣生物濾池（中試）	細(xì)卵石	法國	>2.5	≈100
曝氣生物濾池（生產(chǎn)性）	細(xì)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(xì)卵石	英國（Medmenham）	3.0	82.5
曝氣生物濾池	細(xì)卵石（20-40mm） 細(xì)卵石（20-50mm） 細(xì)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

表2 BAF對有機(jī)物的處理效果

工藝	填料（括號內(nèi)為填料尺寸）	試驗(yàn)地點(diǎn)	進(jìn)水有機(jī)物濃度	有機(jī)物去除濾
臭氧-曝氣生物濾池（生產(chǎn)性）	細(xì)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(xué)環(huán)境工程系對以陶粒作填料的曝氣生物濾池進(jìn)行了廣泛深入的研究。研究結(jié)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(yù)處理技術(shù)，見表3和表4。

表3 各生物池工藝參數(shù)范圍以及對幾個(gè)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的凈化效果統(tǒng)計(jì)情況

生物池類型		Ⅰ型	Ⅱ型	Ⅲ型
水力負(fù)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(gè)/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(yàn)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(dǎo)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。

表4 各生物池對幾種特殊水質(zhì)指標(biāo)的凈化效果

水質(zhì)項(xiàng)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(jī)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(shí)藥劑投加量。經(jīng)BAF生物預(yù)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(shí)際的燒杯實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

2.2.2 對氯耗的影響

水的氯耗與水中有機(jī)物和氨氮的含量密切相關(guān)。曝氣生物濾池對有機(jī)物和氨氮均有較好去除，因此也將影響氯耗量，有試驗(yàn)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(yùn)行成本，又能降低氯代有機(jī)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(shù)

以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)有反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)、以及微孔過濾(MF)。膜分離技術(shù)的特點(diǎn)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(jī)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(yùn)行條件無關(guān)。此外，膜分離還會(huì)使水廠用地大大減少，運(yùn)行操作自動(dòng)化，使水廠成為真正意義上的“造水工廠”。

RO運(yùn)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(jī)離子(包括對人體有益的)從水中去除。長期飲用這種水，會(huì) 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(jié)構(gòu)。其進(jìn)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(huì)對管網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕。

UF和MF運(yùn)行壓力低且可截留水中絕大部分懸浮、膠體和細(xì)菌，其作用相當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(huì)為主，組成“膜應(yīng)用新型凈水系統(tǒng)委員會(huì)”，丹保憲仁任委員長，實(shí)施所謂“MAC21計(jì)劃(Membrane Aqua Century21)”，對MF和UF膜應(yīng)用于凈水處理進(jìn)行了3年的大規(guī)模研究。根據(jù)其研究結(jié)果UF的處理效果如表5所示。

表5 日本“MAC21計(jì)劃”UF處理效果 

水質(zhì)指標(biāo)	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(xiàng)目	范圍		范圍		范圍	檢出率
細(xì)菌/個(gè)/mL	4100-160000		220-38000		230-9700	0/24-24/26
大腸菌/個(gè)/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(xì)菌和大腸菌群均有很好的去除效果，但對水中的有機(jī)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(shí)驗(yàn)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(xì)菌的去除效果很好。試驗(yàn)中出水濁度始終保持在0.25NTU以下，并且出水中檢不出細(xì)菌。但對有機(jī)物的去除效果不理想，不能可靠的保證出水有機(jī)物濃度，出水有機(jī)物濃度隨進(jìn)水有機(jī)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(jī)物(DOM)的去除率不高，尤其是低分子的有機(jī)物。天然水中有相當(dāng)大一部分溶解性有機(jī)物的分子量低于UF的截留分子量(5000-100 000daltons)，導(dǎo)致UF膜對其的攔截效果很差。事實(shí)上，天然水中這一類的低分子溶解性有機(jī)物所占的比例往往較大。Laine等人報(bào)告美國以利諾伊州的Decatur湖中低于1000daltons有機(jī)物占總有機(jī)物的60%;Schnoor報(bào)告lowa河有90%有機(jī)物分子量低于3000daltons;董秉直、曹達(dá)文等對我國長江、黃浦江、太湖、淮河的原水進(jìn)行了分子量測定，發(fā)現(xiàn)分子量小于4000daltons的溶解性有機(jī)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(rèn)這部分低分子量溶解性有機(jī)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(dāng)?shù)念A(yù)處理來減輕膜污染以及去除低分子溶解性有機(jī)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(bǔ)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(jìn)一步用有機(jī)物分子量分析的觀點(diǎn)來說明此工藝的優(yōu)勢。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

水中有機(jī)物種類繁多，不同形態(tài)有機(jī)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(jī)物，對于分子量10000以下的有機(jī)物只能部分去除，對分子量小于1000的有機(jī)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(jī)物，對更大分子量的有機(jī)物由于細(xì)胞膜的屏障作用而難以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。BAF的生產(chǎn)性試驗(yàn)說明BAF對DOC的去處似乎主要與分子量500以下的有機(jī)物占DOC的百分比有關(guān)。水中有機(jī)物也可劃分為懸浮態(tài)有機(jī)物、膠體有機(jī)物和溶解性有機(jī)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(jī)物等。水中可生物降解的有機(jī)物用BAF去除，而不可生物降解的有機(jī)物則不能用BAF去除，同時(shí)對于懸浮狀態(tài)和膠體狀態(tài)的有機(jī)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(jī)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(jī)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(xì)菌和病毒用UF去除�？傊�，BAF、UF和常規(guī)處理三者基本呈互補(bǔ)關(guān)系。如果 經(jīng)濟(jì) 上許可，該組合工藝應(yīng)是提高飲用水水質(zhì)的最佳工藝。