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 生物陶粒在污水处理中的应用及对微污染水的去除效果

随着工农业的迅速发展，水中的有害物质逐年增多，尤其是上世纪60年代以来，不少地区的饮用水水源日益恶化，同时，随着水质分析技术的进步，水源水和饮用水中的微量污染物又不断的被检测出来，这些，都对饮用水的处理提出了新的、更高的要求。

1.微污染水水源的特点
  目前饮用水被污染的特点有，有机物的含量高，氨氮的含量高，而水中的氨氮等耗氧物质大量消耗水中的溶解氧，直接影响了自来水的色度、浊度等。
  目前，按对污染物的去除途径的不同，预处理微污染水可以分为氧化法和吸附法，氧化法又可以分为化学氧化法和生物氧化法。生物陶粒作为生物氧化法的一种，由于其对微污染水的优良的处理效果，近年来，受到了广泛的重视。
2.陶粒特点
  以叶岩陶粒为例，陶粒以叶岩矿土为原料，经破碎后，在1200℃左右的高温下熔化，膨胀成5～40mm的球状陶粒，再经破碎后筛选而成。叶岩陶粒外壳呈暗红色，表皮坚硬，内部为铅灰色，多孔质轻。陶粒表面粗糙，不规则，有很多孔径较大的孔洞，相互之间不连通，由于这种陶粒表面主要是一些开孔大于0.5μm的孔洞，而细菌的直径为0.5～1.0μm。因而，陶粒的这种结构对于微生物而言是非常有利的。
3.生物陶粒对微污染水的去除效果
3.1对有机物的去除效果
3.11温度对有机物的去除效果的影响
  在生物陶粒反应器中，温度对有机物去除效果有一定的影响。一般来讲，冬天比夏天的去除率低10%～20%左右。
  水温接近10℃时，CODMn的去除率上升为18%左右，已经同常温下的去除效果相差不大。这是因为：一方面水温降低使微生物的活性下降，另一方面生物陶粒反应器中的微生物处于贫营养的环境中，相对于水中的有机物而言，生物陶粒仍然可以提供足够的微生物量，从而在一定的低温范围内，可以抵消由于水温降低使微生物活性降低而带来的负面影响。
  在低温条件下，温度对去除效果有明显的影响。有实验表明：当水温在5℃～10℃时，CODMn的去除率在11%～23%之间，水温低于5℃时，CODMn的去除率在5%～12%之间；在接近0℃时，CODMn的去除率仅在6%左右。这也是为什么在气温最低的两个月——12月和1月中，生物陶粒的去除效果显著降低的原因。在1月份和12月份，大部分时间水温都低于2℃，在此温度下，微生物的活性进一步降低，而且生物陶粒系统中微生物量也有所下降。
  因此，在实际运行时，应该注意后续工艺的运行与管理，以保证出水水质。
3.12生物陶粒对不同分子量有机物的去除效果
  生物陶粒滤池对不同分子量的有机物，有着不相同的去除效果，实验结果表明：生物陶粒滤池对分子量大于10000的有机物去除效果最好，可达到60%以上；对分子量在1000～4000之间的有机物，生物过滤的去除效果也达到了50%；对分子量小于1000的有机物也有一定去除，其去除率在10%左右；而对于分子量在4000～10000之间的有机物，其含量不但没有减少，反而有部分的增加。
  在生物陶粒滤池中，虽然水力停留时间短，但生物膜的比表面积较大，胞外聚合物中含有多聚糖等粘性物质，可形成类似化学絮凝的作用，对水中大分子有机物具有较强的吸附凝聚能力，使其在反应器中被填料上的生物膜吸附截留，从而对分子量较大的有机物形成较好的去除效果．而在生物处理过程中，微生物胞外酶能将较大分子有机物分解成较小分子有机物，并为维持微生物自身生长代谢中的物质和能量需要，将部分低分子有机物分解成二氧化碳和水，因此，中小分子量（在1000～4000范围的分子量）有机物也有较好的去除率．对于分子量在4000～10000之间的有机物含量有部分的增长的现象，这并不表示生物陶粒滤池对该区间的有机物没有去除效果，可能是由于微生物把部分分子量大于1000有机物分解成为此区间的有机物，从而造成了此部分有机物含量的增加．因此生物过滤能去除亲水性中小分子以及胶体和大分子有机物。
3.13曝气时间的影响

当负荷基本不变时，曝气时间较长，相应的去除率也很高，当停留时间很短，也即滤速很高时，基本上只能起到过滤作用，对有机物的去除率不明显。而停留时间超过1h时，COD去除率并没有较大提高，由此可知，曝气区停留时间1h为宜。
4.对氨氮的去除效果

对氨氮的去除，生物陶粒滤池作为饮用水源水的预处理是非常出色的，常温下对氨氮的去除率可以达到80%以上，即使在低温条件下（0～14℃）时，也有较高的去除率。在正常运行时，生物陶粒对氨氮有较好的去除率。生物陶粒预处理工艺是去除微污染水源水中氨氮的一种行之有效的方法。

在低温条件下，生物陶粒反应器对于进水中氨氮仍然有较好的去除效果，即使在接近0℃的极低水温下仍然具有65%以上的去除率，试验期间生物陶粒反应器出水氨氮低于0.5mg/L。

  4.1 对低温条件下，生物陶粒滤池仍然具有较高去除效果的分析。

   (1)化能自养硝化菌中，亚硝化杆菌（Nitrosomonas）和亚硝化球菌(Nitrosococcus)均适合在2～40℃范围内生长，硝化杆菌也适合在5～40℃范围内生长，因此，对温度有一定的适应性，而在低温条件下（<5℃）生物陶粒滤池中分离出来的优势菌种中，假单胞菌占绝对优势，其中29种有详细描述的假单细胞菌种，发现有5种可以在4℃或是4℃以下生长，也能在营养物质贫乏的环境中生长繁殖。因此，保证了低温条件下微生物对氨氮的去除效果。

    (2)由莫诺得公式可见，在温度下降时，尽管硝化细菌对氨氮的最大基质降解速度随温度的下降而减小，即公式中的μmax减小，但其饱和系数Ks也随温度的下降而下降。因此，硝化细菌对氨氮的亲和力得到了加强，硝化细菌对基质的利用速率μ能保持一定的水平。同时，硝化细菌的自身氧化分解的速率随温度的降低而减小，表明能在较底的水温条件下利用较小的能量进行生长和繁殖。

    (3)根据MaCarty等人的研究，要维持生物膜的稳态运行，则必须保持水中的有机物有一个最小浓度Smin，在温度最低时，出水氨氮的最低浓度也较低，而在温度上升后，出水氨氮的最低浓度也随之上升。因此，在低温条件下，生物陶粒滤池也能保持较高的去除率。

5.对浊度的处理效果

水中形成浊度的因素较多，泥沙、悬浮物、管道等的二次污染、胶体、微生物群落以及一部分有机物都可以产生浊度。生物陶粒滤池对浊度有良好的去除效果，去除率基本维持在70%～90%之间，受水温的影响较小。

生物陶粒滤池对于浊度的降低源于两个方面的因素。一方面生物陶粒滤池是一种以陶粒为固定填料的生物滤池，所采用的滤料的粒径为2～5mm，滤料层成压实状态，对进水中粒径较大的悬浮物具有械截留作用;另一方面微生物生长在陶粒的表面，这些微生物通过自身的生物絮凝作用，可以吸附截留一部分胶体物质，同时可以降低水中胶体的Zeta电位，有利于水中胶体颗粒的凝聚；截留在陶粒表面生长着生物膜，生物膜之间存在生物絮体，使得陶粒滤池内滤料充填更加密实，孔隙率更小，发挥了良好的吸附、凝聚作用，达到了良好的物理截留作用。同时，有调查显示，在不曝气的情况下，生物陶粒滤池对浊度的去除率比曝气情况大得多。这是因为不曝气时填料处于压实状态，孔隙率小，能有效截留颗粒状物质的缘故。

  6.对其他一些指标的去除效果

在温度0～5℃时，可以去除25%～66%的SS。在温度为6～19℃时，50%～85%的SS，以及能够截流70%～92%的细菌。

生物陶粒滤池对Fe和Mn的去除率较高，去除率在50%～90%之间，它们主要通过生物氧化而不是化学氧化起作用，微生物把低价的可溶性的铁离子和锰离子氧化为不溶性的氢氧化铁和氢氧化锰。

生物陶粒对色度的去除率不高，去除率约20%～40%，在尤其是当原水色度较高时(50NTU～70NTU)，去除率仅有20%～30%，需通过改善后续传统工艺去除水中的色度。

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