水生物净水技术研究进展：区域水资源保护的探索与实践

4.1　微生物脱氮原理、工艺及相关微生物

脱氮原理：脱氮首先利用设施内好氧段，由亚硝化细菌和硝化细菌的硝化作用，将氨氮（NH3）转化为硝酸盐氮（NO3—N）。再利用缺氧段经反硝化细菌将硝酸盐氮（NO3—N）反硝化还原为氮气（N2），溢出水面释放到大气，N2参与自然界物质循环。水中含氮物质大量减少，降低出水潜在危险性。

硝化作用：原水中的氨，在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸，称为硝化作用。由氨转化为硝酸分两步进行：

式（1）由亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属及亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属和亚硝酸弧菌等起作用。

式（2）由硝化杆菌属、硝化球菌属起作用。亚硝酸细菌和硝酸细菌都是好氧菌，适宜在中性和偏碱性环境中生长，不需要有机营养。

反硝化作用：自然界的水体中都含有硝酸盐，藻类及微生物把硝酸盐作为氮源，通过硝酸还原酶将硝酸还原成氨，由氨合成为氨基酸、蛋白质及其他含氮物质。兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还原为氮气，称反硝化作用。水体中硝酸盐在缺氧的情况下，会发生反硝化作用。水经处理后含有硝酸盐，在输送过程中，若水体缺氧发生反硝化作用，会产生致癌物亚硝酸胺，造成二次污染，危害人体健康。因此，硝酸盐必须在生物处理过程中去除掉。反硝化作用在微污染水生物处理中起重要作用。

反硝化细菌是所有能以NO3为最终电子受体，将HNO3还原为N2的细菌总称，种类很多，其中以假单胞菌属内能进行反硝化的种类最多。很多只将HNO3还原到HNO2而产生积累，水处理中不希望发生这样的情况。反硝化段关键指标有碳源、pH值、最终电子受体NO3和NO2、温度和溶解氧等。利用外来碳源氧化有机物合成细胞物质总反应式如下：

CH3OH＋NO3－＋H2CO3-→C5H7NO2＋N2↑＋H2O＋CO2＋OH－

从反应式可看出，反硝化的结果消耗，产生碱性物质OH－，使出水pH上升，呈碱性。

4.2　生物净水技术

微生物可以附着在介质表面上，该介质就称为滤料。原水在与滤料流动接触的过程中，其中的有机物被微生物同化并在滤料的表面上逐渐成为生物膜。生物膜是微生物高度密集的物质，是由好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生物等组成的生态系统。在处理过程中，生物膜的内外进行着多种物质传递：空气中的氧溶于流动水层中，并通过附着水层传给生物膜，供微生物呼吸用；原水中的有机物则由流动水层传递给附着水层，在进入生物膜被降解，微生物的代谢产物则沿着相反方向排除。根据所用设备的不同，生物膜处理技术可分为以下几种情况。以下是几种不同工艺流程对氨氮处理效果分析[6]。

生物滤池：生物滤池是目前生产上常用的生物处理方法。滤池中装有比表面积较大的填料，通过固定生长技术在填料表面形成生物膜，水体与生物膜不断接触过程中，使有机物及氮等营养物质被生物膜吸收利用而去除，这种滤池在运行中有时需补充一定量的压缩空气，这不仅为生物生长提供足够的溶解氧，而且有助于新老生物膜的更新换代，保证生物膜的高氧化能力。

生物过滤工艺中有机物及氨氮的去除除了受原水水质影响外，反应器内生物膜总量是决定生物降解效果的重要因素，而生物量大小又受生物载体表面积的制约。另外，生物氧化还需要一定的接触时间。国内外生物处理控制氨氮浓度的运行实验说明，生物作用非常有效，不同类型的反应器除氨氮的作用也有所差别。如表2为不同国家生物过滤处理对氨氮的去除效果。(www.xing528.com)

表2　生物过滤处理对氨氮的去除率[6]

生物塔滤：近年来，由于轻质滤料的采用，塔滤池的平面尺寸有了扩大的可能性。增加滤塔高度，可以克服滤料孔隙小所造成的通风不良的困难，目前已被国外使用。塔式滤料的主要优点是负荷高、产水量大、占地面积小，供水水量、水质突然变化的适应性较强，因此受冲击负荷后，一般只是上层滤料的生物膜受影响，能较快恢复正常工作。上海自来水公司与同济大学用生物塔滤作为预处理，结合常规净水处理，对黄浦江水进行生产性规模的处理研究，试验结果表明：生物作用去除氨氮的平均效果为40%～80%，且受温度影响较大。在水温较高时（23～24℃），氨氮去除率达80%以上，当水温为5～6.5℃时，仅有40%～60%的处理效果。

生物接触氧化：生物接触氧化法也叫做浸没式生物膜法，即在池内设置人工合成填料，充氧后的水以一定的速度流经填料，使填料上形成一层生物膜。水体与生物膜接触过程中，通过生物净化的作用使水中污染物得到降解与去除，这种工艺是介于活性污泥法与生物过滤之间的处理方法，具有两种方法的优点。

日本大阪府水厂以淀洲河水作为水源，由于水中有机物及其他营养物含量较多，曾经以粉末活性炭处理，但效果不佳。采用生物接触氧化法进行试验，试验结果表明，该工艺对有机物、三卤甲烷前体物、总有机卤化物前体物以及铁、锰等有一定的处理效果。对氨氮的处理效果比较满意，去除率达80%（原水浓度为0.9mg／L，出水浓度为0.18mg／L）。在研究中发现，氨氮的去除与温度影响有一定的关系，在高温季节去除率达90%，但在低温季节（水温5℃）时去除率降至70%，原水浊度的变化对生物硝化作用影响不大。

生物转盘反应器：生物转盘在污水处理中已被广泛采用，目前在给水处理中，尤其是水源污染较为严重的水处理中逐渐被采用。由于生物转盘上生物膜能够周期地运动于空气与水两者之间，微生物能直接从大气中吸收需要的氧气，使生化过程更为有利的进行，转盘上生物膜生长的表面积大，生物量丰富，不会出现生物滤池中滤料堵塞情况，容易清理与维修管理。而且生物转盘有较好的耐冲击负荷的能力，运行费用低，脱落的生物膜也易于处理。台湾省科学家用生物转盘预处理法改善受污染的水质，研究结果表明：在适宜水力负荷下对氨氮的去除率为89%，生物预处理在对氨氮处理方面十分有效，但水力负荷增加，则去除率下降。

生物硫化床反应器：在硫化床反应器中，生物膜是均匀分布的。生物膜与营养基质（溶解氧、C、N、P等）接触概率的增加，导致传质效果的改进，基质在液相和生物膜之间的转移加快，从而使生物氧化在更快的反应速度下进行。该类型的生物预处理对氨氮有较好的处理效果。表3为国外利用硫化床生物预处理水源水的结果。

表3　生物硫化床预处理结果

土地处理系统：土地处理系统是一种污水处理的生态工程技术，其原理是通过土壤－植物系统的生物、化学、物理等固定与降解作用，对污水中的污染物实现净化并对污水及氮、磷等资源加以利用。根据处理目标、处理对象的不同，土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地下渗滤、地表漫流、湿地系统等五种类型。以土地处理系统为代表的污水自然处理技术，不仅对各种污染物有较高的去除效率，并可实现污水的处理与利用相结合的目的，其投资及运行费用为常规处理的1／3～1／2；既可替代常规处理，又可作为常规处理的深度处理技术，是常规处理的一种革新与替代技术。土地处理系统对氨氮处理效果见表4。

表4　土地处理系统对氨氮的处理效果

通过以上不同工艺净水系统对氨氮处理效果分析可知，硝化细菌对水体中氨氮具有较强的生物降解作用。其原因为[5]：硝化细菌自身氧化率较小，利用较低的能量就能进行生长和繁殖；硝化细菌在一定温度范围内其饱和常数随温度的降低而下降，而最大基质利用速率同样也下降，两者下降的结果仍能维持硝化细菌对基质的利用保持在一定的水平。

生物处理与常规处理工艺比较：根据综合试验成果，在原水氨氮为1.6～4.1mg／L时，常规净水工艺出水氨氮浓度为1.2～3.6mg／L，平均去除率为10.81%，而生物处理工艺出水氨氮浓度为0.06～0.7mg／L，平均去除率为83.70%。氨氮是以溶解于水中的离子形式存在的，常规工艺中混凝沉淀对溶解状态的无机离子去除效果十分有限，故去除氨氮的效果只达10%左右。而生物处理净水工艺中，由于在生物预处理单元中亚硝化细菌及硝化细菌将氨氮氧化成从而使氨氮得以去除，使整个工艺的出水中氨氮能达到很低水平。常规工艺处理后出水中仍有较高的氨氮，在消毒加氯过程中对氯需求量大，氯耗增加，氯化消毒副产物也增加。同时，由于给水管网中仍存在大量的硝化细菌以及部分异样菌所需营养物质，从而使它们得以在管网中生长，水质生物稳定性较差，使用户的水质变差。而在生物处理工艺中，氨氮绝大部分得以去除，有机物去除效果也优于常规工艺，因此出水水质中作为微生物生长的营养基质则大大减少，限制了微生物在给水管道中生长，使出水水质的生物稳定性增加，最终至用户的水质得以改善。