摘要：近年來,國內(nèi)各大江河湖泊都遭到不同程度地污染，水質(zhì)在不斷惡化，大部分已不適合作引用水。短期內(nèi)，我們還沒有找到行之有效的經(jīng)濟(jì)的治理方法。然而，生活水平的提高使我們對純凈水的需求越來越強(qiáng)烈。這兩方面的原因迫使我們開采水源水作為引用水?？墒牵S著工業(yè)化的進(jìn)程，水源水也正在遭受工業(yè)廢水及生活污水的污染。由于水源水里面的有機(jī)物含量很少，屬于貧營養(yǎng)環(huán)境，此類污水的處理方法和傳統(tǒng)的凈化方法有著很大的差異。所以筆者認(rèn)為研究一下貧營養(yǎng)環(huán)境污染物生物降解是十分有必要的。

關(guān)鍵詞：貧營養(yǎng)環(huán)境，貧營養(yǎng)環(huán)境污染物降解工藝，水源水凈化工藝

1.引言

營養(yǎng)環(huán)境是指環(huán)境中有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，特別是溶解性有機(jī)物濃度很低，不能滿足一般微生物的生理需求。即便如此，仍存在一些在貧營養(yǎng)環(huán)境中能有效利用低濃度有機(jī)物的微生物種類，對此種微生物的富集，研究將為我們的生物處理找到新的突破口。一直以來對污水的生物處理以其特有的優(yōu)點深受青睞，因此本文主要對貧營養(yǎng)環(huán)境污染物的生物降解進(jìn)行研究。貧營養(yǎng)環(huán)境有機(jī)物濃度雖然很低，極大地約束了微生物種群的快速發(fā)展，但作為污染物時其濃度已經(jīng)超出了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。如0.1mg/L的三氯甲烷，已經(jīng)是嚴(yán)重超過引用水標(biāo)準(zhǔn)的濃度。另外，有很多微污染物質(zhì)是三致物質(zhì)，而且作用濃度很低。以含此污染物的水作為引用水，必將對人類的健康構(gòu)成很大的威脅。微污染水源水中主要是有機(jī)污染物,一部分是屬于天然的有機(jī)化合物,例如水中動、植物分解而形成的產(chǎn)物(如腐殖酸等) ;另一部分是人工合成的有機(jī)物,包括農(nóng)藥、重金屬離子、氨氮、亞硝酸鹽氮及放射性物質(zhì)等有害污染物. 微污染水源的水質(zhì)特點表現(xiàn)在4個方面: (1) 微污染水源水的水質(zhì)主要受排入的工業(yè)廢水和生活污水影響,在江河水源上表現(xiàn)為氨氮,總磷,色度,有機(jī)物等含量超標(biāo). 在湖泊水庫水源上,表現(xiàn)為水庫和湖泊水體的富營養(yǎng)化,并在一定時期藻類滋生,造成水質(zhì)惡化,腐爛時腥臭逼人； (2) 水中溶解性有機(jī)物大量增加,特別是自來水出廠水、管網(wǎng)水經(jīng)常于春末夏初、夏秋之交出現(xiàn)明顯異味,氯耗季節(jié)性增多，水中有機(jī)物多帶負(fù)電,增大了混凝劑和消毒劑投量,同時使管壁腐蝕和管網(wǎng)壽命降低；(3) 2002 年國家衛(wèi)生部頒布的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》,提出了更高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn). 而前已發(fā)現(xiàn)的一些有害微生物較難去除,如賈第氏鞭毛蟲、隱孢子蟲、軍團(tuán)細(xì)菌、病毒等； (4) 內(nèi)分泌干擾物質(zhì)(又稱環(huán)境荷爾蒙) 的去除效率不高,這些化學(xué)品不僅具有“三致”作用,還會嚴(yán)重干擾人類和動物的生殖功能。[1]

2. 貧營養(yǎng)水生物處理原理

純自然的水中所含的各種有機(jī)物和無機(jī)物濃度都很低，因此，傳統(tǒng)的引用水處理工藝不包括生物處理過程，只包含有混凝沉淀過濾和消毒等物化過程?；炷恋韺⑺械拇蟛糠謶腋☆w粒去除，降低水的濁度，過濾可以濾去一些膠體狀物質(zhì)，過濾后的水經(jīng)氯化消毒處理，殺滅水中的細(xì)菌，病原體等微生物，并具有一定的剩余消毒能力。

但是，傳統(tǒng)的引用水處理工藝對于有機(jī)污染物則幾乎沒有去除作用，即使加大混凝劑的用量也不能使有機(jī)物沉淀下來。另一方面，用來消毒的消毒劑----次氯酸鈉等在消毒過程中會與有機(jī)物作用，生成鹵代副產(chǎn)物，這些物質(zhì)的毒性比有機(jī)物還要大得多，對人體健康造成嚴(yán)重危害[2]。因此，傳統(tǒng)的引用水處理工藝面臨巨大的挑戰(zhàn)。取而代之的是生物處理過程。有機(jī)物質(zhì)在微生物的代謝作用下，可以被轉(zhuǎn)化成無毒的二氧化碳或是細(xì)胞物質(zhì)，從而使有機(jī)物被真正降解。受限于有機(jī)污染物的低濃度，近年來一些新的理論不斷被提出來，影響較大的主要是“共代謝理論”和“非穩(wěn)定傳質(zhì)理論”。

“共代謝理論”又稱二級基質(zhì)利用原理，是在污染水體中投加主體營養(yǎng)物（一級基質(zhì)），其濃度遠(yuǎn)大于微污染物質(zhì)的濃度。在一級基質(zhì)氧化的基礎(chǔ)上，二級基質(zhì)的代謝中間產(chǎn)物與一級基質(zhì)一同為微生物細(xì)胞利用，以合成新的細(xì)胞物質(zhì)，或?qū)⑽廴疚锓纸鈁5]。1999年王占生研究了一級基質(zhì)與二級基質(zhì)的關(guān)系，他利用乙酸為一級基質(zhì)，丙氨酸、半乳糖、胸腺嘧啶和苯酚作為四種二級基質(zhì)，所得試驗結(jié)果具有較好的代表性。

“非穩(wěn)定傳質(zhì)理論”充分利用微生物的代謝潛力，通過高營養(yǎng)水的短期培育，在貧營養(yǎng)環(huán)境下生長的微生物受到了激活，對營養(yǎng)物質(zhì)的需求量大大增加。待其降解一段時間后，再進(jìn)行短期的高營養(yǎng)培育，如此循環(huán)，使得處理效率增大了好幾倍。[3]

3. 生物處理的影響因素

因為活性污泥法的絮狀污泥不適合于貧營養(yǎng)水,污泥的分離很困難，且微生物得不到足夠的營養(yǎng)，所以現(xiàn)在對貧營養(yǎng)水處理的研究都局限于生物膜。生物膜法將微生物固定于載體上，易于回收，而且生物的吸附.填料和膜的機(jī)械作用都是處理貧營養(yǎng)水的有利特征。生物膜在維持教長污泥齡的條件下能保持良好的活性，使降解效率得以保證。[4]

眾所周知，生物膜的活性在于填料上固著的微生物細(xì)胞的數(shù)量和活性，而生物膜厚度是決定因素。生物膜太厚，則膜內(nèi)的微生物得不到足夠的有機(jī)質(zhì)及溶解氧，運行一段時間后，肯定會進(jìn)行內(nèi)源呼吸，進(jìn)而生物膜脫落；薄的生物膜傳質(zhì)效率很好，有機(jī)質(zhì)得以充分作用，但填料的利用率不高。在相同的填料表面，我們當(dāng)然希望形成的生物膜很厚，而且能保證降解效率。因此這兩方面的矛盾使得對于貧營養(yǎng)水生物膜處理時的厚度沒有硬性規(guī)定，實際生產(chǎn)中也結(jié)合處理的水的性質(zhì)及當(dāng)?shù)貤l件，綜合考慮技術(shù)因素及經(jīng)濟(jì)條件，合理選擇。另外，尋找比表面積更高的填料似乎成了問題的突破口。傳統(tǒng)的活性炭載體，硅膠，硅藻土以及最近很熱門的陶瓷載體----這使得我們對生物膜法的進(jìn)展有了新的展望。

比表面積是載體的主要特性，也是評價一個載體好壞的首要條件，然而，抗沖擊力等性能也在制約著載體的迅速發(fā)展。貧營養(yǎng)水的水力負(fù)荷也影響著降解效率。水力符合越高，降解效率越好，但是對載體的要求也越高，因為使用的載體必須能抵抗水力沖擊。這一切都決定于性能良好的載體。我們有理由相信，不久的將來，陶瓷載體必將掀起一股新的載體熱潮。

綜合考慮到以上兩方面的因素，貧營養(yǎng)環(huán)境中的基質(zhì)厚度一般為0.007-0.1mm[2]。當(dāng)處理系統(tǒng)中微生物的生長速率大于生物量的損耗速率時，生物膜就在增長，反之生物膜會脫落消耗，必須補(bǔ)加營養(yǎng)物，以維持生物膜的平衡。

4. 貧營養(yǎng)環(huán)境微生物群落

應(yīng)用生物膜法降解貧營養(yǎng)水的關(guān)鍵在于富集能夠在貧營養(yǎng)環(huán)境中生長的微生物，但此種微生物的種類非常少，而且有些不能在人工培養(yǎng)基上生長，這在一定程度上給我們的研究帶來了很大的困難。目前已經(jīng)鑒定出一些貧營養(yǎng)微生物，其中大多數(shù)是兼性貧營養(yǎng)微生物，只有一種假單胞菌是專性生活于貧營養(yǎng)環(huán)境的。

在貧營養(yǎng)水的系統(tǒng)中，微生物構(gòu)成一個生態(tài)系統(tǒng)，一般由異養(yǎng)型的有機(jī)物降解菌，自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌，共生的藻類，以及捕食性的原生動物和后生動物構(gòu)成。例如東江供水工程的水處理系統(tǒng)中檢測到異養(yǎng)行有機(jī)物降解菌達(dá)1000000個/gg填料，原生動物有種蟲.累枝蟲.蓋纖蟲.獨縮蟲.喇叭蟲.太陽蟲.變形蟲.鞭毛蟲等，還有多種微型后生動物，如輪蟲.寡毛蟲.甲殼動物等。[2]

5.貧營養(yǎng)水體的生物處理工藝

5.1.? 傳統(tǒng)處理工藝

傳統(tǒng)的處理工藝是20世紀(jì)早期形成的飲用水處理工藝，包括混凝，澄清，過濾和消毒等過程。前已述及，傳統(tǒng)工藝僅適用于去除水中的泥沙，懸浮物及膠體物質(zhì)，對水中的有機(jī)物幾乎沒有去除作用。目前，水體中除含有一般的有機(jī)污染物外，還含有很多有毒物質(zhì)及難降解物質(zhì)，據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)過人工合成的物質(zhì)已達(dá)4萬種以上，并且每年還有上2千種新得化合物被合成。源頭水的污染情況稍微好點，但是由于源頭水是飲用水的發(fā)源地，其對水質(zhì)的要求比普通的水要高得多。另外，傳統(tǒng)工藝的氯化消毒過程還會使一些有機(jī)污染物被氯化，而氯化物的毒性作用將更強(qiáng)，同時，很難被除去，一些有毒物質(zhì)的前體物也會因氯化而產(chǎn)生毒性。

針對氯化消毒的缺陷，國外已開始應(yīng)用臭氧消毒和紫外燈消毒，這點在法國做得比較好。但是臭氧和紫外燈也存在自身的一些缺點：臭氧沒有殘余殺菌作用，在飲用水的運輸過程中還有可能滋生致病菌；紫外燈殺菌效果雖然很好，但價格昂貴，目前僅適用于實驗室研究，還未在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用。。在此情況下，國內(nèi)外開發(fā)出了許多新型處理工藝，基本上都是針對有機(jī)污染和安全加氯問題。

5.2.? 生物活性炭處理工藝

活性炭顆粒物是一種具有特大比表面積和特強(qiáng)吸收能力的填料物質(zhì)，常用在深度水處理加工過程中，其95%的內(nèi)表面積是微孔內(nèi)表面積，具有很強(qiáng)的吸附作用，能使水中的三氯甲烷濃度降低20%--30%。據(jù)報道三氯甲烷濃度為0.0402mg/L時，投加7.3mg/L的活性炭，其濃度可以降低近45%。[9]

活性炭的吸附能力雖然很強(qiáng)，但經(jīng)處理后的水加氯，其出水中三氯甲烷的濃度仍然會高于0.1mg/L，而這已經(jīng)是美國飲用水標(biāo)準(zhǔn)的最高允許濃度，因此還必須在活性炭處理工藝上加以改進(jìn)。法國巴黎改用臭氧消毒過程，使水質(zhì)得到改善，但是，臭氧和活性炭吸附工藝對水中腐殖酸和富里酸的凈化作用較弱，雖然一些腐殖酸分子被臭氧氧化分解后變成一些小分子，但活性炭對這些小分子的細(xì)故作用并不十分理想。

現(xiàn)今。國內(nèi)外學(xué)者提出用生物氧化代替臭氧氧化的工藝構(gòu)想，將生物膜附著在活性炭上，使吸附的有機(jī)物分子被微生物降解掉，真正做到無污染，并且，此法還可大大延長活性炭的再生周期，減少運行費用，無論從經(jīng)濟(jì)上還是從技術(shù)上考慮都大有發(fā)展前途[10]。由于該構(gòu)想提出的時間還不長，大部分還處于理論研究階段。德國慕尼黑市Dohne水廠運用此法，但處理效果不是很理想，這是因為水力符合太大的緣故。但毫不否認(rèn)，該工藝的發(fā)展代表了飲用水處理的發(fā)展趨勢。

5.3.? 生物接觸氧化法[3][7]

生物接觸氧化法與活性污泥法相似，反應(yīng)器內(nèi)有活性污泥絮體，也有活性污泥的曝氣系統(tǒng)，填料和生物膜都淹沒于水中，曝氣系統(tǒng)使得生物膜與污水充分接觸。由于比表面積特別大，且部分微生物被固著在填料上，生物接觸氧化法的生物量比普通活性污泥法的生物量大3—5倍，處理效率也大大增強(qiáng)。生物接觸氧化法生物膜上微生物種類十分豐富，有大量的絲狀菌，形成空間立體結(jié)構(gòu)，既增加了生物膜的穩(wěn)定性，又大大提高了生物膜與有機(jī)物的接觸幾率。而且，由于水力攪拌作用，生物膜的更新速度很快，傳質(zhì)效果很好。水源水中有機(jī)污染物的濃度相對較低，因此可適當(dāng)提高水力負(fù)荷，降低水力停留時間。COD的去除率可達(dá)25%，氨氮的去除率達(dá)82%--94%，亞硝酸鹽氮的去除率為76%--98%，三氯甲烷前體物的去除率達(dá)18%。其應(yīng)用具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

生物接觸氧化法的主要優(yōu)點是處理能力大，對沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性，污泥生成量少；缺點是填料間水流緩慢，水力沖刷小，如果不另外采取工程措施，生物膜只能自行脫落，更新速度慢，膜活性受到影響，某些填料，如蜂窩管式填料還易引起堵塞，布水布?xì)獠灰走_(dá)到均勻。另外填料價格較貴，加上填料的支承結(jié)構(gòu)，投資費用較高。

現(xiàn)有生物接觸氧化法在曝氣充氧方式、生物填料上都有所改進(jìn)。國內(nèi)填料已從最初的蜂窩管式填料，軟性填料、半軟性填料，發(fā)展到近幾年的彈性立體填料；曝氣充氧方式也從最初的單一穿孔管式，發(fā)展到現(xiàn)在的微孔曝氣頭直接充氧以及穿孔管中心導(dǎo)流筒曝氣循環(huán)式。在一定程度上，促進(jìn)了膜的更新，改善了傳質(zhì)效果。[11]

5.4.?? 淹沒式生物濾池[11]

生物濾池是目前生產(chǎn)上常用的生物處理方法，有淹沒式生物濾池（曝氣與不曝氣）、煤) 砂生物過濾及慢濾池等。清華大學(xué)環(huán)境工程系自八十年代初期以來率先在國內(nèi)開展淹沒式生物濾池的研究，已取得了一系列研究與應(yīng)用成果。常用的生物填料有卵石、砂、無煙煤、活性炭、陶粒等。濾池中裝有比表面積較大的顆粒填料，填料表面形成固定生物膜，水流經(jīng)生物膜的不斷接觸過程中，使水中有機(jī)物、氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)被生物膜吸收利用而去除，同時顆粒填料濾層還發(fā)揮著物理篩濾截留作用。曝氣生物濾池通過輸入壓縮空氣，不僅為生物膜生長提供足夠的溶解氧，而且有助于生物膜的更新，保證較高的生物活性。該工藝的特點是運行費用低，處理效果穩(wěn)定，污染物去除效果好，污泥產(chǎn)量少，且受外界環(huán)境變化的影響較小，能全面凈化、改善水質(zhì)，降低后續(xù)傳統(tǒng)處理的混凝劑與消毒劑氯的投加量。但運行一定時間的生物濾池易出現(xiàn)填料堵塞、曝氣不均勻的現(xiàn)象，需要進(jìn)行周期性的反沖洗。

5.5.? 生物處理組合工藝[8]

前述的各種處理工藝均有其各自的處理特點。生物處理對氨氮的去除效果較好，但對COD的去處率則相對較低，而傳統(tǒng)的處理工藝具有操作簡單，對懸浮膠體具有較好的去除率的優(yōu)點。因此，我們自然考慮到將幾種工藝結(jié)合起來使用，使氨氮和COD的去除效果都很好，這就是本文要闡明的生物處理組合工藝。

由于生物處理工藝與傳統(tǒng)處理工藝對有機(jī)物的去除各有其特點，不同的組合方式產(chǎn)生的去除率不同。前置生物處理過程宜處理分子量較小，親水性強(qiáng)且對微生物無毒性的有機(jī)物，而且，前置生物處理過程不能設(shè)置預(yù)氯化過程，因為氯氣對微生物有毒害作用。如果水源水中的有機(jī)物是以大分子的難降解物質(zhì)為主，則適宜先進(jìn)行傳統(tǒng)的處理過程，用物理化學(xué)手段去掉一部分大分子的膠體物質(zhì)，降低后續(xù)生物處理過程的有機(jī)負(fù)荷。

一般而言，生物處理單元過程置于傳統(tǒng)混凝沉淀過程之后，能提高生物處理系統(tǒng)甚至是整個系統(tǒng)的處理效率。首先是沉淀混凝過程反應(yīng)快速，可有效降低生物處理的負(fù)荷，使生物膜被懸浮膠體顆粒覆蓋的機(jī)會減少，提高生物膜的傳質(zhì)效率及基質(zhì)利用效率。另外，水中膠體物質(zhì)的減少，會降低污水的溶氧消耗，有效刺激生物膜的活性。

生物處理組合工藝，能在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上將COD去除率升高10%，水源水的有機(jī)污染越嚴(yán)重，其去除效率越顯著，氨氮的去除率高達(dá)80%，組合工藝在去除氨氮的同時還能去除亞硝酸鹽氮以及有機(jī)氮等。由于氨氮濃度大量降低，消毒過程中加氯量大大減少，相應(yīng)地氯化副產(chǎn)物的副作用也大大減弱。傳統(tǒng)工藝的氯化出水中測得有32種有機(jī)污染物，其中有毒有害物質(zhì)16種，而組合工藝后的氯化出水中含有23種有機(jī)污染物，其中有毒有害物質(zhì)6種，僅此一點，其優(yōu)勢具有十分深遠(yuǎn)的意義。

值得一提的是生物處理中都要用到曝氣設(shè)施，有科學(xué)家研究比較過兩種曝氣工藝：穿孔曝氣管和微孔曝氣管。兩種工藝各有秋千，后者對水源水中氨氮的去除有更好的效果。[14]

6.其它凈化方法

6.1，光化學(xué)氧化法[13]

光化學(xué)氧化法是在化學(xué)氧化和光輻射的共同作用下,使氧化反應(yīng)在速率和氧化能力上比單獨的化學(xué)氧化、輻射有明顯提高的一種水處理技術(shù)。光氧化法均以紫外光為輻射源,同時水中需預(yù)先投入一定量氧化劑如過氧化氫,臭氧或一些催化劑,如染料、腐殖質(zhì)等。它對難降解而具有毒性的小分子有機(jī)物去除效果極佳,光氧化反應(yīng)使水中產(chǎn)生許多活性極高的自由基,這些自由基很容易破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)。屬于光化學(xué)氧化法的如光敏化氧化,光激發(fā)氧化,光催化氧化等。紫外- 臭氧聯(lián)用技術(shù)可以氧化臭氧所不能氧化的微污染水中的有機(jī)物,如三氯甲烷、六氯苯、四氯化碳、苯,使之變成CO2 和H2O,降低水中的致突變物活性,其氧化效果比單獨使用紫外線和臭氧要好。但是,紫外- 臭氧工藝對有機(jī)物的去除能力還有待進(jìn)一步探討,而且該工藝費用較高,還不容易推廣應(yīng)用。光催化氧化法是在水中加入一定數(shù)量的半導(dǎo)體催化劑,它在紫外線輻射下也能產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力的自由基, 能氧化水中的有機(jī)物, 常用的催化劑有二氧化鈦。該方法的強(qiáng)氧化性、對作用對象的無選擇性與最終可使有機(jī)物完全礦化的特點,使光催化氧化在飲用水深度處理方面具有較好的應(yīng)用前景。但是二氧化鈦粉末顆粒細(xì)微,不便加以回收,同傳統(tǒng)凈水工藝相比,光催化氧化處理費用較高,設(shè)備復(fù)雜,近期內(nèi)推廣使用受到限制。光催化氧化投入實際應(yīng)用所需要解決的主要問題是確定長期運行過程中催化劑中毒情況及尋求理想的再生方法;解決催化劑的分離回收或固定化問題;反應(yīng)器的設(shè)計及提高光能利用率等?？梢灶A(yù)見,隨著研究的不斷深入,光催化氧化必將越來越得到重視。光化學(xué)氧化法目前尚處于研制階段,由于運行成本較大,尚難大規(guī)模的在生產(chǎn)中應(yīng)用,但該項技術(shù)發(fā)展很快,在生產(chǎn)上的應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)

7. 結(jié)語

縱觀近幾年污水處理工藝的發(fā)展，貧營養(yǎng)環(huán)境中污染物生物降解也取得了巨大的進(jìn)步，并且，考慮到飲用水的水質(zhì)，各個國家對于此項研究的投入也越來越大。李永秋等科學(xué)家用生物陶粒反應(yīng)器研究了水源水的處理效果，發(fā)現(xiàn)生物陶粒反應(yīng)器對水中的濁度和色度有教高的去除率，對氨氮具有較完全去除作用，試驗條件下的去除率為：濁度85%，色度65%，COD 32%--35%。[12]劉紅等利用超聲波強(qiáng)化膜生物處理方法研究了對水源水的凈化效果，發(fā)現(xiàn)超聲波對凈化有十分重要的作用。[6]只有擁有純凈的水源水,我們的物質(zhì)生活才能得到最基本的保障.環(huán)境的壓力迫使我們迅速發(fā)展水源水的凈化工藝.我們相信貧營養(yǎng)水處理工藝必將不斷發(fā)展,不斷進(jìn)步。對此問題的研究也不能僅僅局限在生物反應(yīng)器上，許多物理化學(xué)方法同樣起到了很好的去除效果，如用活性炭吸附成本很低，而且去除效果比較令人滿意。前面我講了將反應(yīng)器組合起來使用，其實除此之外，可以像一般的污水處理那樣，在生物處理過程之前加上物理絮凝等預(yù)處理過程。利用膜過濾也是一種很有前景的水源水處理方法，工藝水平成熟后，可能會設(shè)計出這樣一種膜，可以直接將比水分子大的有機(jī)物分子過濾掉，而讓水分子通過。對這種過濾膜的研究國內(nèi)已經(jīng)起步了，電視上曾報道過有一家公司制造出了可以直接將污水過濾一次就達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)的例子。當(dāng)然，對于此問題的研究，我們要走的路還有很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。

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