微污染水源处理技术（二）

2．化学技术

　　2.1 预氧化技术

　　预氧化技术是指向原水中加入强氧化剂，利用强氧化剂的氧化能力，去除水中的有机污染物，

提高混凝沉淀效果。常用的氧化剂有氯气、臭氧和高锰酸钾等。

　　臭氧氧化法是在水处理中受到普遍关注的氯消毒副产物对人体具有致命危害之后开始重视并广

泛采用的方法。臭氧（O3）是应用最广泛的新型氧化剂。O3可提高水中有机物的生化性，有助于

提高絮凝效果，减少混凝剂的投加量，但有资料表明：（1）含有有机物的水经O3处理后，有可能

将大分子有机物分解成小分子有机物，在这些中间产物中，也可能存在致突变物。（2）在O3投量

有限的情况下，不可能去除水中氨氮，因为当水中有机氮含量高时，O3把有机氮氧化成氨氮，致

使水中氨氮含量反而增高。（3）O3对水中一些常见优先污染物如三氯甲烷、四氯化碳、多氯联苯

等物质的氧化性差，易生成甘油、络合状态的铁氰化合物、乙酸等，从而导致不完全氧化产物的积

累。

　　高锰酸钾预氧化可控制氯酚、THMS的生成，并有一定的色、嗅、味去除效果，对烯烃、醛、

酮类化合物也有较好的去除能力。但经高锰酸钾氧化后的产物中，有些是碱基置换突变物前驱物，

它们不易被后续工艺去除，当Cl2投量高时，前驱物转化为致突变物，增加出水的致突变活性。

　　二氧化氯（ClO2）可有效破坏藻类、酚，改善水的色、嗅、味。二氧化氯是氧化剂，不是氯

化剂，不会像Cl2那样与水体中的有机物发生卤代反应而生成对人体有害的、致癌的有机卤代物。

有研究认为，甚至ClO2本身的氧化作用也能去除THMS的前体物。但是，往往由于氧化不彻底，一

些小分子有机物更易生成三卤甲烷。

　　2.2 光化学氧化法

　　光化学氧化法是在化学氧化和光辐射的共同作用下，使氧化反应在速率和氧化能力上比单独的

化学氧化、辐射有明显提高的一种水处理技术。光氧化法均以紫外光为辐射源，同时水中需预先投

入一定量氧化剂如过氧化氢，臭氧或一些催化剂，如染料、腐殖质等。它对难降解而具有毒性的小

分子有机物去除效果极佳，光氧化反应使水中产生许多活性极高的自由基，这些自由基很容易破坏

有机物结构。属于光化学氧化法的如光敏化氧化，光激发氧化，光催化氧化等。

　　光激发氧化法是以臭氧、过氧化氢、氧和空气等作为氧化剂，将氧化剂的氧化作用和光化学辐

射相结合，可产生氧化能力很强的自由基。紫外—臭氧联用技术可以氧化臭氧所不能氧化的微污染

水中的有机物，如三氯甲烷、六氯苯、四氯化碳、苯，使之变成CO2和H2O，降低水中的致突变物

活性，其氧化效果比单独使用UV和O3要好。但是，紫外—臭氧工艺对有机物或THMs的去除能力还

有待进一步探讨，而且该工艺费用较高，还不容易推广应用。

　　光催化氧化法是在水中加入一定数量的半导体催化剂，它在紫外线辐射下也能产生强氧化能力

的自由基，能氧化水中的有机物，常用的催化剂有TiO2。该方法的强氧化性、对作用对象的无选

择性与最终可使有机物完全矿化的特点，使光催化氧化在饮用水深度处理方面具有较好的应用前景

。但是TiO2粉末颗粒细微，不便加以回收，同传统净水工艺相比，光催化氧化处理费用较高，设

备复杂，近期内推广使用受到限制。光催化氧化投入实际应用所需要解决的主要问题是确定长期运

行过程中催化剂中毒情况及寻求理想的再生方法；解决催化剂的分离回收或固定化问题；反应器的

设计及提高光能利用率等。可以预见，随着研究的不断深入，光催化氧化必将越来越得到重视。

　　光敏化降解主要的研究对象是水环境中的石油污染物直链烷烃。敏化剂能够从直链烷烃的碳原

子上夺取氢原子后生成羟基，在氧的作用下使其降解为酮、烯、醛、醇等。这些化合物均比烷烃更

加容易被水环境中的微生物所降解。光敏化降解常用的敏化剂是蒽醌。

　　光化学氧化法目前尚处于研制阶段，由于运行成本较大，尚难大规模的在生产中应用，但该项

技术发展很快，在生产上的应用将为期不远。 

　　3．生物预处理技术

　　水源水生物处理技术的本质是水体天然净化的人工化，通过微生物的降解，去除水源水中包括

腐殖酸在内的可生物降解的有机物及可能在加氯后致突变物质的前驱物和NH3—N，NO2—等污染物

，再通过改进的传统工艺的处理，使水源水水质大幅度提高。常用方法有生物滤池、生物转盘、生

物流化床，生物接触氧化池和生物活性炭滤池。这些处理技术可有效去除有机碳及消毒副产物的前

体物，并可大幅度的降低NH3—N，对铁、锰、酚、浊度、色、嗅、味均有较好的去除效果，费用

较低，可完全代替预氯化。

　　3.1 塔式生物滤池

　　轻质滤料的开发与采用，为塔式生物滤池的应用创造了条件。生物塔滤增加了滤池高度，分层

放置填料，通风良好克服了普通生物滤池（非曝气）溶解氧不足的缺陷。国外广泛采用塑料材质大

孔径波纹孔板滤料，我国常采用环氧树脂固化玻璃钢蜂窝填料。塔式生物滤池的净化作用也是通过

填料表面的生物膜的新陈代谢活动来实现的。塔式滤池的优点是负荷高、产水量大、占地面积小，

对冲击负荷水量和水质的突变适应性较强。缺点是动力消耗较大，基建投资高，运行管理不便。

　　3.2 生物转盘反应器

　　生物转盘在污水处理中已广泛采用，目前在给水处理领域，对某些污染程度较为严重的微污染

水进行了一些研究。日本、我国台湾地区以及国内学者的试验研究表明，采用生物转盘预处理在适

宜水力负荷下改善微污染水水质是有效的。

　　生物转盘的特点表现为，生物膜能够周期的运行于空气与水相两者之中，微生物能直接从大气

中吸收需要的氧气（减少了溶液中氧传质的困难性），使生物过程更为有利的进行。转盘上生物膜

生长面积大，生物量丰富，不存在类似于生物滤池的堵塞情况，有较好的耐冲击负荷的能力，脱落

膜易于清理处置。但存在的不足是生物氧化接触时间较长，构筑物占地面积大，盘片价格较贵，基

建投资高。

　　3.3 生物膨胀床与流化床

　　生物膨胀床是介于固定床和流化床之间的一种过渡状态，流化床中的填料随水、气流的上升流

速的增加而逐渐由固定床经膨胀床最后成为流化床。生物膨胀床与流化床通过选用适度规格粒径（

约为0.2~1.0mm）的生物载体，如砂、焦碳、活性炭、陶粒等，采用气、水同向混合自下而上，使

载体保持适度膨胀或流化的运转状态。与固定床相比，从两个方面强化了生物处理过程：一方面，

载体粒径变小，比表面积增大，单位溶剂的比表面积可达到2000~3000m2/m3，这大大提高了单位

生物池的生物量。另一方面，由于颗粒在反应器中处于自由运动（膨胀或流化）状态，避免了生物

滤池的堵塞现象，提高了水与生物颗粒的接触机会；同时可采用控制膨胀率的办法来控制水流紊动

对生物颗粒表面的剪力水平，进而控制填料上生物膜的厚度，有利于形成均匀、致密、厚度较薄且

活性较高的生物膜。这些都大大的强化了水中可生物降解基质向生物膜内的传递过程，使生物膨胀

床、流化床的单位容积的基质降解速率得到提高。生物膨胀床、流化床含有活性高的较大生物量，

处理水力负荷增大，并保证出水水质良好。

　　采用生物膨胀床与流化床，可解决固定填料床中常出现的堵塞问题，进一步提高净化效率，且

占地面积少。但由于保持膨胀或流化状态，消耗的动力费用较高，且维护管理复杂，尤其是当池体

比较大的情况，如一旦停止运行，再启动很困难，运行中水力学条件难以控制等。在运行过程中还

存在流化介质跑料现象，其工程应用还很少见。

　　3.4 生物接触氧化法

　　生物接触氧化工艺是利用填料作为生物载体，微生物在曝气充氧的条件下生长繁殖，富集在填

料表面上形成生物膜，其生物膜上的生物相丰富，有细菌、真菌、丝状菌、原生动物、后生动物等

组成比较稳定的生态系统，溶解性的有机污染物与生物膜接触过程中被吸附、分解和氧化，氨氮被

氧化或转化成高价形态的硝态氮。反应过程如下：

　　有机污染物氧化反应

　　4CxHyOz+(4x+y-2z)O2——4xCO2+2yH2O+Q （1）

　　氨氮氧化方程式：

　　2NH4++3O2——2NO2—+4H++2H2O+Q （2）

　　2NO2—+ O2——2NO3—+Q （3）

　　生物接触氧化法的主要优点是处理能力大，对冲击负荷有较强的适应性，污泥生成量少；缺点

是填料间水流缓慢，水力冲刷小，如果不另外采取工程措施，生物膜只能自行脱落，更新速度慢，

膜活性受到影响，某些填料，如蜂窝管式填料还易引起堵塞，布水布气不易达到均匀。另外填料价

格较贵，加上填料的支撑结构，投资费用较高。

　　现有生物接触氧化法在曝气充氧方式、生物填料上都有所改进。国内填料已从最初的蜂窝管式

填料，经软性填料、半软性填料，发展到近几年的YDT弹性立体填料；曝气充氧方式也从最初的单

一穿孔管式，发展到现在的微孔曝气头直接充氧以及穿孔管中心导流筒曝气循环式。在一定程度上

，促进了膜的更新，改善了传质效果。

　　3.5 膜生物反应器 

　　膜生物反应器是指以超滤膜组件作为取代二沉池的泥水分离单元设备，并与生物反应器组合构

成的一种新型生物处理装置，英文称之为Membrane Bioreactor。由于超滤膜能够很好的截留来自

生物反应器混合液中的微生物絮体、分子量较大的有机物及其他固体悬浮物质，并使之重新返回生

化反应器中，这就使反应器内的活性污泥浓度得以大大提高，从而能够有效的提高有机物的去除率

。 

　　3.6 电生物反应器 

　　将电极装置与生物反应器组合起来就构成了所谓电生物反应器（英文名称为Electro-

Bioreactor）。Mellor等的研究表明，在外加电流的条件下，由于电子的产生，生物膜和固定化

酶的反硝化作用得以强化，其反应方程为：

　　2H++2e—H2 （1）

  　2H2O+2e—H2+2OH— （2） 

　　2NO3—+5H2+2H+—N2+6H2O （3） 

　　显然，通过对水的电解，阴极提供电子，产生氢，而氢作为电子供体与硝酸盐发生了方程（3

）所示的反应，使生化反应速率及去除率得以提高，从而减少了水中硝酸盐的含量。从原理上讲，

这种方法除了可以实现反硝化处理外，还可以去除水体中的有机物，但目前对电生物反应器尚处于

基础理论和动力学研究阶段，离实际应用还有相当一段距离。