生物膜法处理地表水的研究进展

生物膜法处理地表水的研究进展

地表水富营养化问题突出2009年中国环境状况报告表明，中国的地表水污染仍然严重。七大水系总体为轻度污染,Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为57.3%、24.3%和18.4%,主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。湖泊(水库)富营养化问题突出,Ⅳ类的占23.1%;Ⅴ类的占19.2%;劣Ⅴ类的占34.6%,主要污染指标为总氮和总磷。可见改善地表水水质的任务依然严峻,目前用于修复受污染地表水的方法有物理、化学及生物技术措施,其中生物修复是主要方法。本文就生物技术中的生物膜法作简要介绍。1表水河流净化与生物基质生物膜法是使微生物附着在载体表面上,污水流经载体表面时,通过有机营养物的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及在膜中所发生的生物氧化等作用,对污染物进行分解。在生物膜反应器中,污染物、溶解氧及各种必需营养物首先经过液相扩散到生物膜表面,进而到生物膜内部,只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才能有机会被生物膜微生物所分解与转化,最终形成各种代谢产物。将生物膜技术运用到地表水河流净化中,实质是对天然河流中所发生的生物过程的一种强化,把天然过程变成了天然过程和人工过程的结合体。它根据天然河床上附着的生物膜的净化作用及过滤作用,人工填充滤料或载体,供细菌絮凝生长,形成生物膜。在微污染地表水处理中的生物膜上的细菌大多数是贫营养菌,如土壤杆菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌等对可利用基质有较大的亲和力,且呼吸速率低,有较小的最大增殖速度和Monod半速率常数(Ks),所以在天然水体条件下,其对营养物的竞争具有较大的优势。微污染地表水中有些有机物浓度非常低,且很难降解,因为其作为惟一的碳源和能源不能为微生物提供足够的能量,但在一些其他物质(这些物质能满足细胞的能量需要)存在时,这些不易降解的物质也能被微生物利用。能维持生物膜长期生长、浓度远大于维持生物膜生长的最小基质浓度的物质称为初级基质,单个痕量物质不能满足生物生长需要的称为二级基质。由初级基质代谢形成的生物膜对二级基质的降解称为二级基质的利用,对二级基质的生物氧化需要初级基质的存在和支持。微生物通过二级基质的利用可以去除地表水中浓度极低的微量难降解有机物。此外,生物膜固定生长的特点使生物具有较长的停留时间,一些世代周期较长的微生物如硝化菌等自养菌可不断积累,从而可去除地表水中的氨氮、铁、锰等污染物。2生物膜法在水处理中的研究和应用2.1生物污染技术用于河流净化的生物膜技术在国外研究较多,尤其是日本,已在工程实践中运用了多种生物膜技术对污染严重的中小河流进行净化。这些生物膜技术主要分为两大类,一类是通过投加填料作为生物膜载体以增加生物膜量,另一类是直接对河流进行改造来增加生物膜量或强化生物膜作用。2.1.1生物超载法生物载体法常用的填料有砾石、细线状软性填料、生物活性炭。(1)净化水体的方法在河道内人工填充砾石,可以使水与生物膜的接触面积增大数十倍,甚至上百倍。水中污染物在砾间流动过程中与砾石上附着的生物膜接触、沉淀,进而被生物膜作为营养物质而吸附、氧化分解,从而使水质得到改善。该方法使用天然材料作为接触材,花费少,净化效果好,因此得到了广泛的应用。据统计,在日本有七处采用该法进行净化处理的河流中,平均处理水量为10300m3/d,上游水的平均BOD浓度为22mg/L,处理后的平均BOD浓度为6mg/L以下,BOD的平均去除率达到73%。采用该方法需对砾石间空隙内的污泥进行定期清理。一般是在砾石的下部设置逆洗用的散气管,定期进行充气以洗去沉积的污泥。若河水的BOD浓度高于30mg/L,须在砾石层下部设置曝气装置,以增加下部河水的溶解氧浓度,提高净化效率。(2)水体净化技术该方法是利用细线状软性生物填料比表面积大、空隙率大、微生物易于附着和生长繁殖、净化效果好的特点研究开发的一种水体净化技术。日本于1993年利用细绳状生物填料净化广岛县福山市排水渠,该技术经过4年的运行,BOD的去除率为11%～46%,COD的去除率为2%～32%,SS的去除率为16%～53%。该处理方法需要大量的投资,并且在日后的运行管理中要求有一定的管理技术及经费。(3)生物活性化合物它主要是利用活性炭表面附着的微生物分解水中有机物的“生物膜效应”和微生物吸着在活性炭上分解有机物的“生物再生效应”以及活性炭微孔隙捕捉有机物的“吸着效应”去除河水中的污染物质,使水质得到改善。采用该方法的净化设备投入较大,实施时需要大量的资金,及一定的管理技术和经费。2.1.2河床改造方法河床改造法常见的形式有薄层流法和伏流净化法。(1)提高河流的自净能力薄层流法是通过增加河面的宽度使水深变浅,从而增大河水与河床的接触面积,即增大生物膜的附着面积,来提高河床的自净能力。如果河宽为原河流的2倍,则水深为原河流的1/2,河流的自净能力就成为原来的2倍(见图1)。该方法的不足之处是需进行大规模的工程建设且涉及到用地问题,同时还要确保以前的水流量且不破坏河流的景观及生态系统,因此确定使用本方法时,有必要作充分的地形调查和环境评估等工作。(2)滤法微生物膜过滤法伏流净化法是利用河水向地下的渗透作用和伏流水的稀释作用来净化河流的,人为用泵将伏流水抽出并送回河流,以降低地下水位来加速河水下渗。该方法可被看作是一种缓速过滤法(微生物膜过滤),整个河床是一个大的过滤池,河床上附着的生物膜构成缓速过滤池的过滤膜,污染的河水经过滤膜的过滤作用缓慢地向地下扩散,成为清洁的地下水(见图2)。采用该方法时,对能否保证必要的取水量、河床过滤可能的伏流量等必须进行充分的调查和论证。论证的主要方法是把用于取水的集水管埋设于河床底下,因为集水量与河床构造、地下水水位、地下水流向、集水管的管径及埋设深度等有关,所以在经过必要的集水试验后,需确定取水量和伏流水量基本保持平衡时的各种设计条件,再进行施工。2.2微生物的去除效果国内用生物膜法处理地表水的研究在微污染水体方面居多,见表1列举了几种典型生物膜工艺处理地表水方面的研究,如表2所示生物膜法处理地表水的具体工程应用。以上研究与工程实例表明生物膜法能有效去除微污染水体中的氨氮和有机物,可以大大改善水质。但微生物的生长对水温的变化较敏感,试验结果表明:水温从9℃升高到16.5℃,每上升1℃,氨氮去除率统计平均值将增加2.61%;水温从16.5℃升高到23.5℃,每上升1℃,氨氮去除率统计平均值将增加1.84%;水温从23.5℃升高到28℃,每上升1℃,氨氮去除率统计平均值将增加1.91%。另外,生物处理运行管理比较复杂,需增设充气供氧系统和反冲洗再处理等相关设备,这些都增大了投资和运营费用,同时也加大了运行管理的难度。3生物膜-生态联合治理技术生物膜法在受污染地表水处理中取得了一定的成功,但也带来了某些问题,如投资运营费较大,置于河道内的生物膜载体还可能影响到水域的航运和泄洪等功能。纵观国外河道整治的发展历程,美国、澳大利亚、日本等无不从基于传统水利视角的工程治河转向基于生态系统方法的生态治河。如,景观营造、水生动植物恢复、利用木桩、卵石等天然材料修建河堤等。动植物对污染物有吸收降解能力、植物光合作用产生的氧可以提高水中的溶解氧浓度、水生