摘要：近年来,国内各大江河湖泊都遭到不同程度地污染，水质在不断恶化，大部分已不适合作引用水。短期内，我们还没有找到行之有效的经济的治理方法。然而，生活水平的提高使我们对纯净水的需求越来越强烈。这两方面的原因迫使我们开采水源水作为引用水。可是，随着工业化的进程，水源水也正在遭受工业废水及生活污水的污染。由于水源水里面的有机物含量很少，属于贫营养环境，此类污水的处理方法和传统的净化方法有着很大的差异。所以笔者认为研究一下贫营养环境污染物生物降解是十分有必要的。

关键词：贫营养环境，贫营养环境污染物降解工艺，水源水净化工艺

1.引言

营养环境是指环境中有机营养物质缺乏，特别是溶解性有机物浓度很低，不能满足一般微生物的生理需求。即便如此，仍存在一些在贫营养环境中能有效利用低浓度有机物的微生物种类，对此种微生物的富集，研究将为我们的生物处理找到新的突破口。一直以来对污水的生物处理以其特有的优点深受青睐，因此本文主要对贫营养环境污染物的生物降解进行研究。贫营养环境有机物浓度虽然很低，极大地约束了微生物种群的快速发展，但作为污染物时其浓度已经超出了相关的标准。如0.1mg/L的三氯甲烷，已经是严重超过引用水标准的浓度。另外，有很多微污染物质是三致物质，而且作用浓度很低。以含此污染物的水作为引用水，必将对人类的健康构成很大的威胁。微污染水源水中主要是有机污染物,一部分是属于天然的有机化合物,例如水中动、植物分解而形成的产物(如腐殖酸等) ;另一部分是人工合成的有机物,包括农药、重金属离子、氨氮、亚硝酸盐氮及放射性物质等有害污染物. 微污染水源的水质特点表现在4个方面: (1) 微污染水源水的水质主要受排入的工业废水和生活污水影响,在江河水源上表现为氨氮,总磷,色度,有机物等含量超标. 在湖泊水库水源上,表现为水库和湖泊水体的富营养化,并在一定时期藻类滋生,造成水质恶化,腐烂时腥臭逼人； (2) 水中溶解性有机物大量增加,特别是自来水出厂水、管网水经常于春末夏初、夏秋之交出现明显异味,氯耗季节性增多，水中有机物多带负电,增大了混凝剂和消毒剂投量,同时使管壁腐蚀和管网寿命降低；(3) 2002 年国家卫生部颁布的《生活饮用水卫生规范》,提出了更高的水质标准. 而前已发现的一些有害微生物较难去除,如贾第氏鞭毛虫、隐孢子虫、军团细菌、病毒等； (4) 内分泌干扰物质(又称环境荷尔蒙) 的去除效率不高,这些化学品不仅具有“三致”作用,还会严重干扰人类和动物的生殖功能。[1]

2. 贫营养水生物处理原理

纯自然的水中所含的各种有机物和无机物浓度都很低，因此，传统的引用水处理工艺不包括生物处理过程，只包含有混凝沉淀过滤和消毒等物化过程。混凝沉淀将水中的大部分悬浮颗粒去除，降低水的浊度，过滤可以滤去一些胶体状物质，过滤后的水经氯化消毒处理，杀灭水中的细菌，病原体等微生物，并具有一定的剩余消毒能力。

但是，传统的引用水处理工艺对于有机污染物则几乎没有去除作用，即使加大混凝剂的用量也不能使有机物沉淀下来。另一方面，用来消毒的消毒剂----次氯酸钠等在消毒过程中会与有机物作用，生成卤代副产物，这些物质的毒性比有机物还要大得多，对人体健康造成严重危害[2]。因此，传统的引用水处理工艺面临巨大的挑战。取而代之的是生物处理过程。有机物质在微生物的代谢作用下，可以被转化成无毒的二氧化碳或是细胞物质，从而使有机物被真正降解。受限于有机污染物的低浓度，近年来一些新的理论不断被提出来，影响较大的主要是“共代谢理论”和“非稳定传质理论”。

“共代谢理论”又称二级基质利用原理，是在污染水体中投加主体营养物（一级基质），其浓度远大于微污染物质的浓度。在一级基质氧化的基础上，二级基质的代谢中间产物与一级基质一同为微生物细胞利用，以合成新的细胞物质，或将污染物分解[5]。1999年王占生研究了一级基质与二级基质的关系，他利用乙酸为一级基质，丙氨酸、半乳糖、胸腺嘧啶和苯酚作为四种二级基质，所得试验结果具有较好的代表性。

“非稳定传质理论”充分利用微生物的代谢潜力，通过高营养水的短期培育，在贫营养环境下生长的微生物受到了激活，对营养物质的需求量大大增加。待其降解一段时间后，再进行短期的高营养培育，如此循环，使得处理效率增大了好几倍。[3]

3. 生物处理的影响因素

因为活性污泥法的絮状污泥不适合于贫营养水,污泥的分离很困难，且微生物得不到足够的营养，所以现在对贫营养水处理的研究都局限于生物膜。生物膜法将微生物固定于载体上，易于回收，而且生物的吸附.填料和膜的机械作用都是处理贫营养水的有利特征。生物膜在维持教长污泥龄的条件下能保持良好的活性，使降解效率得以保证。[4]

众所周知，生物膜的活性在于填料上固着的微生物细胞的数量和活性，而生物膜厚度是决定因素。生物膜太厚，则膜内的微生物得不到足够的有机质及溶解氧，运行一段时间后，肯定会进行内源呼吸，进而生物膜脱落；薄的生物膜传质效率很好，有机质得以充分作用，但填料的利用率不高。在相同的填料表面，我们当然希望形成的生物膜很厚，而且能保证降解效率。因此这两方面的矛盾使得对于贫营养水生物膜处理时的厚度没有硬性规定，实际生产中也结合处理的水的性质及当地条件，综合考虑技术因素及经济条件，合理选择。另外，寻找比表面积更高的填料似乎成了问题的突破口。传统的活性炭载体，硅胶，硅藻土以及最近很热门的陶瓷载体----这使得我们对生物膜法的进展有了新的展望。

比表面积是载体的主要特性，也是评价一个载体好坏的首要条件，然而，抗冲击力等性能也在制约着载体的迅速发展。贫营养水的水力负荷也影响着降解效率。水力符合越高，降解效率越好，但是对载体的要求也越高，因为使用的载体必须能抵抗水力冲击。这一切都决定于性能良好的载体。我们有理由相信，不久的将来，陶瓷载体必将掀起一股新的载体热潮。

综合考虑到以上两方面的因素，贫营养环境中的基质厚度一般为0.007-0.1mm[2]。当处理系统中微生物的生长速率大于生物量的损耗速率时，生物膜就在增长，反之生物膜会脱落消耗，必须补加营养物，以维持生物膜的平衡。

4. 贫营养环境微生物群落

应用生物膜法降解贫营养水的关键在于富集能够在贫营养环境中生长的微生物，但此种微生物的种类非常少，而且有些不能在人工培养基上生长，这在一定程度上给我们的研究带来了很大的困难。目前已经鉴定出一些贫营养微生物，其中大多数是兼性贫营养微生物，只有一种假单胞菌是专性生活于贫营养环境的。

在贫营养水的系统中，微生物构成一个生态系统，一般由异养型的有机物降解菌，自养型的硝化细菌，共生的藻类，以及捕食性的原生动物和后生动物构成。例如东江供水工程的水处理系统中检测到异养行有机物降解菌达1000000个/gg填料，原生动物有种虫.累枝虫.盖纤虫.独缩虫.喇叭虫.太阳虫.变形虫.鞭毛虫等，还有多种微型后生动物，如轮虫.寡毛虫.甲壳动物等。[2]

5.贫营养水体的生物处理工艺

5.1.  传统处理工艺

传统的处理工艺是20世纪早期形成的饮用水处理工艺，包括混凝，澄清，过滤和消毒等过程。前已述及，传统工艺仅适用于去除水中的泥沙，悬浮物及胶体物质，对水中的有机物几乎没有去除作用。目前，水体中除含有一般的有机污染物外，还含有很多有毒物质及难降解物质，据统计，经过人工合成的物质已达4万种以上，并且每年还有上2千种新得化合物被合成。源头水的污染情况稍微好点，但是由于源头水是饮用水的发源地，其对水质的要求比普通的水要高得多。另外，传统工艺的氯化消毒过程还会使一些有机污染物被氯化，而氯化物的毒性作用将更强，同时，很难被除去，一些有毒物质的前体物也会因氯化而产生毒性。

针对氯化消毒的缺陷，国外已开始应用臭氧消毒和紫外灯消毒，这点在法国做得比较好。但是臭氧和紫外灯也存在自身的一些缺点：臭氧没有残余杀菌作用，在饮用水的运输过程中还有可能滋生致病菌；紫外灯杀菌效果虽然很好，但价格昂贵，目前仅适用于实验室研究，还未在工业生产中大量应用。。在此情况下，国内外开发出了许多新型处理工艺，基本上都是针对有机污染和安全加氯问题。

5.2.  生物活性炭处理工艺

活性炭颗粒物是一种具有特大比表面积和特强吸收能力的填料物质，常用在深度水处理加工过程中，其95%的内表面积是微孔内表面积，具有很强的吸附作用，能使水中的三氯甲烷浓度降低20%--30%。据报道三氯甲烷浓度为0.0402mg/L时，投加7.3mg/L的活性炭，其浓度可以降低近45%。[9]

活性炭的吸附能力虽然很强，但经处理后的水加氯，其出水中三氯甲烷的浓度仍然会高于0.1mg/L，而这已经是美国饮用水标准的最高允许浓度，因此还必须在活性炭处理工艺上加以改进。法国巴黎改用臭氧消毒过程，使水质得到改善，但是，臭氧和活性炭吸附工艺对水中腐殖酸和富里酸的净化作用较弱，虽然一些腐殖酸分子被臭氧氧化分解后变成一些小分子，但活性炭对这些小分子的细故作用并不十分理想。

现今。国内外学者提出用生物氧化代替臭氧氧化的工艺构想，将生物膜附着在活性炭上，使吸附的有机物分子被微生物降解掉，真正做到无污染，并且，此法还可大大延长活性炭的再生周期，减少运行费用，无论从经济上还是从技术上考虑都大有发展前途[10]。由于该构想提出的时间还不长，大部分还处于理论研究阶段。德国慕尼黑市Dohne水厂运用此法，但处理效果不是很理想，这是因为水力符合太大的缘故。但毫不否认，该工艺的发展代表了饮用水处理的发展趋势。

5.3.  生物接触氧化法[3][7]

生物接触氧化法与活性污泥法相似，反应器内有活性污泥絮体，也有活性污泥的曝气系统，填料和生物膜都淹没于水中，曝气系统使得生物膜与污水充分接触。由于比表面积特别大，且部分微生物被固着在填料上，生物接触氧化法的生物量比普通活性污泥法的生物量大3—5倍，处理效率也大大增强。生物接触氧化法生物膜上微生物种类十分丰富，有大量的丝状菌，形成空间立体结构，既增加了生物膜的稳定性，又大大提高了生物膜与有机物的接触几率。而且，由于水力搅拌作用，生物膜的更新速度很快，传质效果很好。水源水中有机污染物的浓度相对较低，因此可适当提高水力负荷，降低水力停留时间。COD的去除率可达25%，氨氮的去除率达82%--94%，亚硝酸盐氮的去除率为76%--98%，三氯甲烷前体物的去除率达18%。其应用具有十分广阔的应用前景。

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，加上填料的支承结构，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，软性填料、半软性填料，发展到近几年的弹性立体填料；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。[11]

5.4.   淹没式生物滤池[11]

生物滤池是目前生产上常用的生物处理方法，有淹没式生物滤池（曝气与不曝气）、煤) 砂生物过滤及慢滤池等。清华大学环境工程系自八十年代初期以来率先在国内开展淹没式生物滤池的研究，已取得了一系列研究与应用成果。常用的生物填料有卵石、砂、无烟煤、活性炭、陶粒等。滤池中装有比表面积较大的颗粒填料，填料表面形成固定生物膜，水流经生物膜的不断接触过程中，使水中有机物、氨氮等营养物质被生物膜吸收利用而去除，同时颗粒填料滤层还发挥着物理筛滤截留作用。曝气生物滤池通过输入压缩空气，不仅为生物膜生长提供足够的溶解氧，而且有助于生物膜的更新，保证较高的生物活性。该工艺的特点是运行费用低，处理效果稳定，污染物去除效果好，污泥产量少，且受外界环境变化的影响较小，能全面净化、改善水质，降低后续传统处理的混凝剂与消毒剂氯的投加量。但运行一定时间的生物滤池易出现填料堵塞、曝气不均匀的现象，需要进行周期性的反冲洗。

5.5.  生物处理组合工艺[8]

前述的各种处理工艺均有其各自的处理特点。生物处理对氨氮的去除效果较好，但对COD的去处率则相对较低，而传统的处理工艺具有操作简单，对悬浮胶体具有较好的去除率的优点。因此，我们自然考虑到将几种工艺结合起来使用，使氨氮和COD的去除效果都很好，这就是本文要阐明的生物处理组合工艺。

由于生物处理工艺与传统处理工艺对有机物的去除各有其特点，不同的组合方式产生的去除率不同。前置生物处理过程宜处理分子量较小，亲水性强且对微生物无毒性的有机物，而且，前置生物处理过程不能设置预氯化过程，因为氯气对微生物有毒害作用。如果水源水中的有机物是以大分子的难降解物质为主，则适宜先进行传统的处理过程，用物理化学手段去掉一部分大分子的胶体物质，降低后续生物处理过程的有机负荷。

一般而言，生物处理单元过程置于传统混凝沉淀过程之后，能提高生物处理系统甚至是整个系统的处理效率。首先是沉淀混凝过程反应快速，可有效降低生物处理的负荷，使生物膜被悬浮胶体颗粒覆盖的机会减少，提高生物膜的传质效率及基质利用效率。另外，水中胶体物质的减少，会降低污水的溶氧消耗，有效刺激生物膜的活性。

生物处理组合工艺，能在传统工艺的基础上将COD去除率升高10%，水源水的有机污染越严重，其去除效率越显著，氨氮的去除率高达80%，组合工艺在去除氨氮的同时还能去除亚硝酸盐氮以及有机氮等。由于氨氮浓度大量降低，消毒过程中加氯量大大减少，相应地氯化副产物的副作用也大大减弱。传统工艺的氯化出水中测得有32种有机污染物，其中有毒有害物质16种，而组合工艺后的氯化出水中含有23种有机污染物，其中有毒有害物质6种，仅此一点，其优势具有十分深远的意义。

值得一提的是生物处理中都要用到曝气设施，有科学家研究比较过两种曝气工艺：穿孔曝气管和微孔曝气管。两种工艺各有秋千，后者对水源水中氨氮的去除有更好的效果。[14]

6.其它净化方法

6.1，光化学氧化法[13]

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。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紫外线和臭氧要好。但是,紫外- 臭氧工艺对有机物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, 常用的催化剂有二氧化钛。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。但是二氧化钛粉末颗粒细微,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

7. 结语

纵观近几年污水处理工艺的发展，贫营养环境中污染物生物降解也取得了巨大的进步，并且，考虑到饮用水的水质，各个国家对于此项研究的投入也越来越大。李永秋等科学家用生物陶粒反应器研究了水源水的处理效果，发现生物陶粒反应器对水中的浊度和色度有教高的去除率，对氨氮具有较完全去除作用，试验条件下的去除率为：浊度85%，色度65%，COD 32%--35%。[12]刘红等利用超声波强化膜生物处理方法研究了对水源水的净化效果，发现超声波对净化有十分重要的作用。[6]只有拥有纯净的水源水,我们的物质生活才能得到最基本的保障.环境的压力迫使我们迅速发展水源水的净化工艺.我们相信贫营养水处理工艺必将不断发展,不断进步。对此问题的研究也不能仅仅局限在生物反应器上，许多物理化学方法同样起到了很好的去除效果，如用活性炭吸附成本很低，而且去除效果比较令人满意。前面我讲了将反应器组合起来使用，其实除此之外，可以像一般的污水处理那样，在生物处理过程之前加上物理絮凝等预处理过程。利用膜过滤也是一种很有前景的水源水处理方法，工艺水平成熟后，可能会设计出这样一种膜，可以直接将比水分子大的有机物分子过滤掉，而让水分子通过。对这种过滤膜的研究国内已经起步了，电视上曾报道过有一家公司制造出了可以直接将污水过滤一次就达到出水标准的例子。当然，对于此问题的研究，我们要走的路还有很远很远。

参考文献:

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[9]  李海等主编，城市污水处理技术及工程实例，化学工业出版社，北京，2002, P78-83

[10] 张景来主编，环境生物技术及应用，化学工业出版社，北京，2002年,P146-150

[11] 贺瑞敏，朱亮等，微污染水源水处理现状及发展，陕西环境期刊，2003，10(1): 37-40

[12] 李永秋等，反应器水源水处理工艺研究，青岛建筑工程学院学报，1994，15(4):165-166

[13] 肖华，周容丰，微污染水源水处理技术的现状及发展，北方环境，2005，30(1):62-66

[14] 梅翔等，水源水生物处理工艺中两种曝气方式的比较，环境科学，2003，24(3):183-185