生物膜法處理地表水的研究進(jìn)展

生物膜法處理地表水的研究進(jìn)展

地表水富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出2009年中國(guó)環(huán)境狀況報(bào)告表明，中國(guó)的地表水污染仍然嚴(yán)重。七大水系總體為輕度污染,Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面比例分別為57.3%、24.3%和18.4%,主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量和氨氮。湖泊(水庫(kù))富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出,Ⅳ類的占23.1%;Ⅴ類的占19.2%;劣Ⅴ類的占34.6%,主要污染指標(biāo)為總氮和總磷?？梢?jiàn)改善地表水水質(zhì)的任務(wù)依然嚴(yán)峻,目前用于修復(fù)受污染地表水的方法有物理、化學(xué)及生物技術(shù)措施,其中生物修復(fù)是主要方法。本文就生物技術(shù)中的生物膜法作簡(jiǎn)要介紹。1表水河流凈化與生物基質(zhì)生物膜法是使微生物附著在載體表面上,污水流經(jīng)載體表面時(shí),通過(guò)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物的吸附、氧向生物膜內(nèi)部的擴(kuò)散以及在膜中所發(fā)生的生物氧化等作用,對(duì)污染物進(jìn)行分解。在生物膜反應(yīng)器中,污染物、溶解氧及各種必需營(yíng)養(yǎng)物首先經(jīng)過(guò)液相擴(kuò)散到生物膜表面,進(jìn)而到生物膜內(nèi)部,只有擴(kuò)散到生物膜表面或內(nèi)部的污染物才能有機(jī)會(huì)被生物膜微生物所分解與轉(zhuǎn)化,最終形成各種代謝產(chǎn)物。將生物膜技術(shù)運(yùn)用到地表水河流凈化中,實(shí)質(zhì)是對(duì)天然河流中所發(fā)生的生物過(guò)程的一種強(qiáng)化,把天然過(guò)程變成了天然過(guò)程和人工過(guò)程的結(jié)合體。它根據(jù)天然河床上附著的生物膜的凈化作用及過(guò)濾作用,人工填充濾料或載體,供細(xì)菌絮凝生長(zhǎng),形成生物膜。在微污染地表水處理中的生物膜上的細(xì)菌大多數(shù)是貧營(yíng)養(yǎng)菌,如土壤桿菌、嗜水氣單胞菌、黃桿菌等對(duì)可利用基質(zhì)有較大的親和力,且呼吸速率低,有較小的最大增殖速度和Monod半速率常數(shù)(Ks),所以在天然水體條件下,其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的競(jìng)爭(zhēng)具有較大的優(yōu)勢(shì)。微污染地表水中有些有機(jī)物濃度非常低,且很難降解,因?yàn)槠渥鳛槲┮坏奶荚春湍茉床荒転槲⑸锾峁┳銐虻哪芰?但在一些其他物質(zhì)(這些物質(zhì)能滿足細(xì)胞的能量需要)存在時(shí),這些不易降解的物質(zhì)也能被微生物利用。能維持生物膜長(zhǎng)期生長(zhǎng)、濃度遠(yuǎn)大于維持生物膜生長(zhǎng)的最小基質(zhì)濃度的物質(zhì)稱為初級(jí)基質(zhì),單個(gè)痕量物質(zhì)不能滿足生物生長(zhǎng)需要的稱為二級(jí)基質(zhì)。由初級(jí)基質(zhì)代謝形成的生物膜對(duì)二級(jí)基質(zhì)的降解稱為二級(jí)基質(zhì)的利用,對(duì)二級(jí)基質(zhì)的生物氧化需要初級(jí)基質(zhì)的存在和支持。微生物通過(guò)二級(jí)基質(zhì)的利用可以去除地表水中濃度極低的微量難降解有機(jī)物。此外,生物膜固定生長(zhǎng)的特點(diǎn)使生物具有較長(zhǎng)的停留時(shí)間,一些世代周期較長(zhǎng)的微生物如硝化菌等自養(yǎng)菌可不斷積累,從而可去除地表水中的氨氮、鐵、錳等污染物。2生物膜法在水處理中的研究和應(yīng)用2.1生物污染技術(shù)用于河流凈化的生物膜技術(shù)在國(guó)外研究較多,尤其是日本,已在工程實(shí)踐中運(yùn)用了多種生物膜技術(shù)對(duì)污染嚴(yán)重的中小河流進(jìn)行凈化。這些生物膜技術(shù)主要分為兩大類,一類是通過(guò)投加填料作為生物膜載體以增加生物膜量,另一類是直接對(duì)河流進(jìn)行改造來(lái)增加生物膜量或強(qiáng)化生物膜作用。2.1.1生物超載法生物載體法常用的填料有礫石、細(xì)線狀軟性填料、生物活性炭。(1)凈化水體的方法在河道內(nèi)人工填充礫石,可以使水與生物膜的接觸面積增大數(shù)十倍,甚至上百倍。水中污染物在礫間流動(dòng)過(guò)程中與礫石上附著的生物膜接觸、沉淀,進(jìn)而被生物膜作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而吸附、氧化分解,從而使水質(zhì)得到改善。該方法使用天然材料作為接觸材,花費(fèi)少,凈化效果好,因此得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),在日本有七處采用該法進(jìn)行凈化處理的河流中,平均處理水量為10300m3/d,上游水的平均BOD濃度為22mg/L,處理后的平均BOD濃度為6mg/L以下,BOD的平均去除率達(dá)到73%。采用該方法需對(duì)礫石間空隙內(nèi)的污泥進(jìn)行定期清理。一般是在礫石的下部設(shè)置逆洗用的散氣管,定期進(jìn)行充氣以洗去沉積的污泥。若河水的BOD濃度高于30mg/L,須在礫石層下部設(shè)置曝氣裝置,以增加下部河水的溶解氧濃度,提高凈化效率。(2)水體凈化技術(shù)該方法是利用細(xì)線狀軟性生物填料比表面積大、空隙率大、微生物易于附著和生長(zhǎng)繁殖、凈化效果好的特點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的一種水體凈化技術(shù)。日本于1993年利用細(xì)繩狀生物填料凈化廣島縣福山市排水渠,該技術(shù)經(jīng)過(guò)4年的運(yùn)行,BOD的去除率為11%～46%,COD的去除率為2%～32%,SS的去除率為16%～53%。該處理方法需要大量的投資,并且在日后的運(yùn)行管理中要求有一定的管理技術(shù)及經(jīng)費(fèi)。(3)生物活性化合物它主要是利用活性炭表面附著的微生物分解水中有機(jī)物的“生物膜效應(yīng)”和微生物吸著在活性炭上分解有機(jī)物的“生物再生效應(yīng)”以及活性炭微孔隙捕捉有機(jī)物的“吸著效應(yīng)”去除河水中的污染物質(zhì),使水質(zhì)得到改善。采用該方法的凈化設(shè)備投入較大,實(shí)施時(shí)需要大量的資金,及一定的管理技術(shù)和經(jīng)費(fèi)。2.1.2河床改造方法河床改造法常見(jiàn)的形式有薄層流法和伏流凈化法。(1)提高河流的自凈能力薄層流法是通過(guò)增加河面的寬度使水深變淺,從而增大河水與河床的接觸面積,即增大生物膜的附著面積,來(lái)提高河床的自凈能力。如果河寬為原河流的2倍,則水深為原河流的1/2,河流的自凈能力就成為原來(lái)的2倍(見(jiàn)圖1)。該方法的不足之處是需進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)且涉及到用地問(wèn)題,同時(shí)還要確保以前的水流量且不破壞河流的景觀及生態(tài)系統(tǒng),因此確定使用本方法時(shí),有必要作充分的地形調(diào)查和環(huán)境評(píng)估等工作。(2)濾法微生物膜過(guò)濾法伏流凈化法是利用河水向地下的滲透作用和伏流水的稀釋作用來(lái)凈化河流的,人為用泵將伏流水抽出并送回河流,以降低地下水位來(lái)加速河水下滲。該方法可被看作是一種緩速過(guò)濾法(微生物膜過(guò)濾),整個(gè)河床是一個(gè)大的過(guò)濾池,河床上附著的生物膜構(gòu)成緩速過(guò)濾池的過(guò)濾膜,污染的河水經(jīng)過(guò)濾膜的過(guò)濾作用緩慢地向地下擴(kuò)散,成為清潔的地下水(見(jiàn)圖2)。采用該方法時(shí),對(duì)能否保證必要的取水量、河床過(guò)濾可能的伏流量等必須進(jìn)行充分的調(diào)查和論證。論證的主要方法是把用于取水的集水管埋設(shè)于河床底下,因?yàn)榧颗c河床構(gòu)造、地下水水位、地下水流向、集水管的管徑及埋設(shè)深度等有關(guān),所以在經(jīng)過(guò)必要的集水試驗(yàn)后,需確定取水量和伏流水量基本保持平衡時(shí)的各種設(shè)計(jì)條件,再進(jìn)行施工。2.2微生物的去除效果國(guó)內(nèi)用生物膜法處理地表水的研究在微污染水體方面居多,見(jiàn)表1列舉了幾種典型生物膜工藝處理地表水方面的研究,如表2所示生物膜法處理地表水的具體工程應(yīng)用。以上研究與工程實(shí)例表明生物膜法能有效去除微污染水體中的氨氮和有機(jī)物,可以大大改善水質(zhì)。但微生物的生長(zhǎng)對(duì)水溫的變化較敏感,試驗(yàn)結(jié)果表明:水溫從9℃升高到16.5℃,每上升1℃,氨氮去除率統(tǒng)計(jì)平均值將增加2.61%;水溫從16.5℃升高到23.5℃,每上升1℃,氨氮去除率統(tǒng)計(jì)平均值將增加1.84%;水溫從23.5℃升高到28℃,每上升1℃,氨氮去除率統(tǒng)計(jì)平均值將增加1.91%。另外,生物處理運(yùn)行管理比較復(fù)雜,需增設(shè)充氣供氧系統(tǒng)和反沖洗再處理等相關(guān)設(shè)備,這些都增大了投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,同時(shí)也加大了運(yùn)行管理的難度。3生物膜-生態(tài)聯(lián)合治理技術(shù)生物膜法在受污染地表水處理中取得了一定的成功,但也帶來(lái)了某些問(wèn)題,如投資運(yùn)營(yíng)費(fèi)較大,置于河道內(nèi)的生物膜載體還可能影響到水域的航運(yùn)和泄洪等功能?？v觀國(guó)外河道整治的發(fā)展歷程,美國(guó)、澳大利亞、日本等無(wú)不從基于傳統(tǒng)水利視角的工程治河轉(zhuǎn)向基于生態(tài)系統(tǒng)方法的生態(tài)治河。如,景觀營(yíng)造、水生動(dòng)植物恢復(fù)、利用木樁、卵石等天然材料修建河堤等。動(dòng)植物對(duì)污染物有吸收降解能力、植物光合作用產(chǎn)生的氧可以提高水中的溶解氧濃度、水生