一、生物活性过滤

常规过滤以去除水中的悬浮物、胶体颗粒物为主，对受污染原水中溶解性有机物则无法有效去除。生物活性过滤是一种将常规过滤、颗粒活性炭吸附与生物膜氧化技术结合在一起的新型过滤工艺，是强化过滤的核心技术。据报道，生物预处理是去除水中氨氮、亚硝酸盐氮，降低有机物浓度，增加出厂水的生物稳定性，综合改善饮用水水质的有效措施。但由于各种类型生物预处理工艺均要在常规工艺前增加占地面积大、基建投资高的处理构筑物，这使其应用受到了场地、资金等方面的很大制约。如果在不增设构筑物的情况下也能将生物处理独有的净水功能用于饮用水处理工艺中，那无疑具有非常重要的现实意义，于是出现了生物活性过滤，其核心是将普通滤池改造成生物活性滤池（biological active rapid filter，BARF）。不需要增加多少投资，只需对现有的常规过滤适当加以改进（如更换滤料、培养生物膜、改变预消毒方法和用不含氯的水进行反冲洗等）即可达到去除水中悬浮颗粒和微量有机物的双重目的。

生物活性滤池比传统滤池具有优越性，又不增加任何新的设施，便于在传统的滤池基础上进行改造，运行费用也很低。生物活性滤池对于我国经济实力还比较薄弱、许多供水企业既无资金也无扩建场地的现状来说有着可观的应用前景。

但生物活性过滤在以下方面存在一定的技术难点：

①选择滤料（有利于细菌的生长）；

②控制反冲洗强度，既能冲去积泥，又能保持一定的生物膜活性，Miltner等的研究表明未加氯的水反冲洗对生物过滤几乎没有影响，但用加氯水反冲洗则使滤层中的生物膜量下降22%，从而导致对有机物去除率的下降；

③要保证出水浊度小于1.0NTU；

④要使滤池的微环境有利于生物膜的生长；

⑤其他技术问题，如冲洗水的强度、膨胀率等。

1.生物活性过滤的特点

①生物活性过滤除保持了传统过滤的去浊性能外，对饮用水源中的有机物（包括合成有机污染物）、氨氮、铁和锰等物质均有良好的去除效果，经生物滤池处理后的饮用水中，具有致癌性和致突变性的有机化合物含量大大减少、消毒耗氯量大大降低、臭和味大为改善，生物稳定性也大为提高。

②用生物活性过滤替代常规的过滤处理有机物污染的地面水源可节约投资80%以上，节约运行费用50%以上，减少用地近50%；用于含铁含锰地下水的处理时，可通过节省反应池、沉淀池或加药设施并降低曝气强度，节省投资40%，节约运行费用50%以上，减少用地50%以上。

③生物活性滤池管理简单、运行可靠，尽管其启动或生物膜的培养时间较长，但一旦生物膜培养成功则运行可靠、出水水质稳，只要做到滤池反冲洗的强度、频率控制适度以及滤池进水和反冲洗水对生物膜无毒害即可。

④中断生物活性滤池的运行或停用长达1～2个月后对其再利用几乎没有影响，滤池重新启用后滤层内生物膜恢复得非常快，通常只需几个小时或几天时间即可使滤池的性能恢复到停用前的水平，此外在生物过滤中产生的污泥极易浓缩与脱水。

2.生物活性过滤的效果

（1）有机物的去除　在饮用水源中普遍含有各种天然有机物（如腐殖酸、富里酸等）或人工合成有机污染物（如酚类、苯类物质）。生物过滤对水中的TOC特别是生物可降解溶解有机碳（biodegradable dissolved organic carbon，BDOC）、生物可同化有机碳（assimilative organic carbon，AOC）有较好的去除效果。研究表明，生物滤池对TOC的去除率为5%～75%；对DOC的去除率为13%～41%；对BDOC、AOC的去除率达90%以上；对三卤甲烷、卤乙酸前体物——THMsFP、HAAsFP的去除率达40%～75%。Prevost等的研究表明，生物滤池在2min内可去除62%～90%的AOC，而要去除90%的BDOC则需10～20min的接触时间，生物过滤出水中的TOC浓度可降至2mg/L以下，AOC浓度可降至10μg/L以下，即使不加氯消毒也可使管网水中的细菌总数小于100个/mL。

生物活性过滤对水中痕量有机物也有较好的去除效果。痕量有机物是指人工合成的在饮用水源中含量较低的有机污染物（如酚、苯、杀虫剂等），它可使水产生臭和味并具有致癌性和致突变性，因而被广泛关注。研究表明，生物活性滤池对苯酚、一氯苯酚、二氯苯酚、五氯苯酚的降解速率很快，其去除率分别达92%、92%、92%和70%，对大部分醛类物质（如甲醛、乙醛）的去除率高于80%，对一氯苯和二氯苯的降解速率较慢，但只要给予足够的时间，其去除率也可达到81%以上。

生物活性滤池对有机物的去除受多种因素的影响，不同水源中的有机物成分不一样，可生化性也就不一样；预氧化程度不同则水中的有机物的可生化性也不同；滤层组成不同则对有机物的降解的能力和速度也不同。有研究表明，颗粒活性炭上附着的生物膜量是无烟煤、石英砂滤料的4～8倍，活性炭、石英砂构成的双层滤料生物活性滤池明显比煤、砂生物活性滤池或单层石英砂生物活性滤池去除有机物的效率高且在低温时去除效率几乎不受影响。

（2）氨氮的去除　生物过滤对饮用水源中的氨氮有很好的氧化（硝化）去除效果，去除率可达90%以上，同时亚硝酸盐氮的去除率也在90%以上。当进水氨氮为1.2～3.0mg/L、亚硝酸盐氮为0.5～1.4mg/L、水温为8～32℃时，出水氨氮始终在0.5mg/L以下，亚硝酸盐氮在0.05mg/L以下。

维持生物活性滤池对氨氮良好硝化作用的一个重要条件是水中必须有足够的溶解氧，另一个重要条件是滤层中必须有足够数量的硝化菌。而要维持生物活性滤池内一定的硝化菌量必须降低反冲洗频率并控制反冲洗强度。

生物活性滤池对氨氮的去除可能会受到有机物生物降解的影响，因为在自养菌（硝化菌）与异养菌之间存在着争夺氧与生物膜空间的竞争，对生物活性滤池的研究显示异养菌能赢得这场竞争，其结果是有机物氧化在先、氨氮氧化在后，出现这种情况是因为自养菌的增长速率比异养菌慢，且自养菌对由较高水力负荷和较小滤料介质造成的剪力损失比异养菌更敏感。

（3）铁、锰的去除　生物过滤对铁、锰有良好的去除效果，主要是利用各种类型的滤池进行铁锰的去除。在除铁除锰的滤池中，附着在滤料表面的微生物将Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）氧化为铁、锰氧化物的初级产物，具有不定形的分子结构，因而对于水溶性铁锰离子具有吸附氧化作用，即所谓的自催化氧化活性，从而可以促使生物氧化除锰过程持续进行。因此，在除锰滤池中如何进行除锰微生物的培养和驯化、提供持续生成生物锰氧化初级产物的有利条件是增强除锰铁滤池效能的关键因素。生物去除铁的启动速率很快，当进水铁浓度为0.75～1.1mg/L、水温为30～31℃时，新滤池（砂层厚为1.4m，有效粒径为1.35mm，滤速为22～23m/h）投产后，加氏铁柄杆菌属等细菌会迅速接种于砂滤料上，运行10h后滤池出水中的铁浓度为0.1mg/L，1d后降至0.03mg/L，2d后降至痕量水平。相比之下生物去除锰的启动速率慢很多，滤料上锰细菌的自然培养期（成熟期）少则需要40～50d，多则需要3个月以上，但一旦培养成功，生物滤池对锰的去除率很高，滤池出水中的锰几乎一直可保持在痕量水平。

生物除铁除锰滤池中铁锰细菌（大部分为自养菌或兼性自养菌）与生物硝化滤池中的硝化菌一样生长也较为缓慢，其工艺条件也大体相似，但生物除铁除锰滤池对水的pH值似乎更敏感。此外，生物除铁除锰的工艺条件有较大的不同，后者比前者要求更为严格，一般而言生物除锰要求水中溶解氧浓度高于5mg/L、氧化还原电位小于300～400mV或者pH值高于7.4～7.5。

（4）浊度的去除　生物活性过滤对浊度有很好的去除效果。研究显示，在正常过滤条件（滤层厚度为0.75m，滤速为5～10m/h，进水浊度为1～4NTU，水头损失为1.5kPa）下，生物活性滤池出水的平均浊度可达0.15NTU以下，过滤周期可达16～24h以上。生物活性滤池与常规滤池一样出水浊度较低并具有经济的运行周期，但也有研究指出，生物活性滤池出水中的悬浮微粒浓度略高于常规滤池，其水头损失的增长稍快些、过滤周期稍短些。

3.生物活性过滤的影响因素

根据大量学者的实验结论和生产性应用结果表明，影响生物活性过滤的因素是多方面的，其中主要因素有滤料种类、空床接触时间（EBCT）、反冲洗、生物数量（biomass）、接触时间（RT）、水温、溶解氧以及前处理等。

（1）滤料　滤料的选择是生物活性滤池的一个中心问题。近年来，国内外研究最多的几种单层滤料有GAC（颗粒活性炭）、石英砂、无烟煤和陶粒等，双层滤料有GAC-石英砂和无烟煤-石英砂等。石英砂和无烟煤均为常规滤料，曾广泛应用于常规滤池，它们也可作为生物活性滤池滤料，以石英砂和无烟煤为滤料的生物活性滤池在适宜温度条件下去除有机物、氨氮效果好。陶粒也可作为生物活性滤池滤料，陶粒生物活性滤池去除浊度、氨氮效果很好，并能较好地去除铁、SS、细菌等，对色度也有一定的去除效果。

生物活性滤池通常采用双层滤料，上层为多孔、轻质且具有较大比表面积的滤料，如无烟煤、活性炭，通常有机物、氨氮等污染物质借助附着于其上的微生物群体的新陈代谢活动在这一层得到去除；下部的石英砂层则发挥其较强的去浊功能。各种研究均认为，对各类有机物的去除而言，活性炭-石英砂滤池相对无烟煤-石英砂滤池挂膜快，对DOC（溶解性有机碳）和TOC的去除率高，滤池的修复性能好，低温时对乙醛的去除率也较高。可见，活性炭-石英砂双层滤料滤池稍好于无烟煤-石英砂双层滤料滤池，若采用双层滤料，上层选用GAC较为理想。

GAC的多孔性结构和不规则表面为微生物的生长创造了良好的条件，可减少水流剪切力对微生物的影响，加之GAC有良好的吸附性能，能截留不能快速生物降解的物质，同时也为微生物提供了理想的栖息地，保证其附着的微生物有充足的时间对其进行降解，保证了GAC持续的生物降解能力。颗粒活性炭上附着的生物膜量是无烟煤、石英砂滤料的4倍以上。低温下GAC滤池对氨氮的去除率几乎不受影响，并对AOC能保持80%以上的去除率。活性炭用于生物活性滤池效果虽好，但由于价格偏高，因此国外许多研究者尝试对GAC-石英砂双层滤料的研究。据报道，GAC石英砂滤池对AOC和TOC（总有机碳）的去除率只略小于GAC深床滤池，出水浊度可达0.1NTU，而运用GAC-石英砂双层滤料更经济、实用，也便于在现有的传统砂滤池的基础上进行改进。

美国LeChevallier等研究了几种形式的生物滤池，有无烟煤-石英砂-石榴石滤池、活性炭-石英砂滤池，结果表明它们对AOC（可生物同化有机碳）的去除率平均值分别为75.3%、86.4%；TOC去除率平均值26%、51%；出水浊度大部分情况下均小于0.5NTU。可见，生物活性滤池能够实现二者合一的功能。

（2）空床接触时间（EBCT）　EBCT同滤速、水力负荷、水头损失呈负相关关系，是影响生物活性滤池去除率的一个很重要的因素。在一定的EBCT内，生物活性滤池对有机物的去除效率是随着EBCT的增加而提高的。Sontheimer等研究表明，EBCT是影响DOC（溶解性有机碳）去除率的一个重要因素，当EBCT从5min增加至20min时，相应的DOC去除率可从21%增加到41%。

不同有机物的去除对EBCT的要求也不同，易生物降解的有机物的去除受EBCT的影响较小（如臭氧氧化副产物OBPs），慢速降解有机物的去除受EBCT的影响较大（如加氯消毒副产物前体物）。但过大的EBCT会使微生物的营养供给不足，导致微生物进行内源呼吸，生物膜更易于老化剥落。所以运行较好的生物活性滤池EBCT的设计标准一般为15～20min。

（3）反冲洗　滤池中吸附截留的颗粒物和絮体会对滤池去除率产生影响，积泥会使滤池堵塞，故生物活性滤池需要定期进行反冲洗。

很多学者对反冲洗水加氯和不加氯两种情况做了对比研究，认为在不加氯的情况下反冲洗不会造成附着微生物的大量损失，因为微生物对载体的黏附力比非生物颗粒要大，但反冲洗可以促进生物膜更新。因此，应当控制反冲洗的强度和频率，使其既能冲去污泥，又能让生物膜保持良好的活性，还必须保证一定数量的硝化菌以维持滤池对氨氮的去除作用。气水反冲洗通常可达到良好的冲洗效果，而对于反冲洗水加氯的情况，有研究表明在冲洗过程中约有22%的生物量损失。但在冲洗后40h左右，生物量将恢复到冲洗前的稳定状态。相对于化合性氯，反冲洗水中自由性氯对某些有机物的影响更大一些。所以，生物活性滤池适合用不加氯的水进行反冲洗，应尽量采用不加氯的水进行反冲洗。若反冲洗水中含有氯，采用高强度、短历时的冲洗比低强度、长历时的冲洗效果更好一些。

（4）生物数量　生物处理的关键之一是能够聚集一定数量以上的微生物，相对于石英砂和无烟煤，比表面积很大的GAC能够聚集更多的微生物，常常是其他两者的3～8倍之多。一般生物量越多，效果越好，但生物量达到一定数量水平后与BOD的去除关系不大，然而乙二醛和丙酸的去除与生物量则有很好的相关性。总之因微生物的活动受到多种因素如水温、反冲洗水是否含氯、基质种类以及有关的水质参数等的影响，生物量与BOD的去除关系并不明显地呈相关性。

（5）接触时间　微生物将水中的污染物加以代谢、分解则需要一系列的生化反应来完成，而这些反应的完成需要一定的时间。一般而言，接触时间（RT）越长，生物氧化分解越完善，但同时所需构筑物的体积和基建投资势必会增加，在实际运行中应根据RT与有机物去除的关系选择一个最佳值。很多研究证明：当RT在一定范围内时，通常是5～20min，随着RT的增加，AOC和TOC去除率均有增加。LeChevallier等通过实验研究指出，当RT从5～20min时，TOC去除率从29%提高到51.2%。但也有研究认为，RT对有机碳的去除没有影响。Price等的研究结果是，RT在4.5～22.5min范围内，活性炭-石英砂生物活性滤池对AOC的去除率几乎相同。究其原因TOC的去除与RT的关系受到以下几个因素的影响：水温、臭氧投加量（采用臭氧预处理的情况）、原水水质、RT考察范围、反冲洗以及滤料种类等。前三个因素在很大程度上会影响生物反应动力特性，进而影响到TOC的去除程度和快慢。在较高的温度和臭氧投加量的情况下，RT的影响力减少。对于RT考察的范围不同，结果也不同。RT大于20min时，其对TOC去除的影响可以忽略。滤池由于反冲洗会对微生物的活动有一定的影响，使得RT与TOC的关系依实际情况而变。对于滤料种类的影响，若采用的是具有吸附性能的GAC，在其吸附能力达到饱和以前，RT与TOC去除率呈正比关系，因为在吸附饱和前GAC对BOM的去除是生物降解和吸附同时作用的。

故可得出，当各影响因素在适当水平时，可以实现以较短的时间达到较高的去除率，根据实际情况选择较佳的接触时间无疑会更好地利用生物活性滤池的处理效能。

（6）其他影响因素　除以上影响因素外，溶解氧、水温、原水水质、重金属等因素对生物活性滤池也有一定的影响。

生物活性滤池内生长的好氧微生物在代谢活动中需要氧的参与。微污染水属于贫营养水，即水中有机质浓度和氨氮、亚硝酸盐氮的浓度相对污水而言是极低的，耗氧量不高。但若水中溶解氧浓度非常低，也会使微生物的生长受到限制，继而影响水中有机物的去除效果。一般保持出水溶解氧2.0～4.0mg/L为宜，必要时需要曝气。硝化反应必须有足够的溶解氧，实际操作中应保证滤池内溶解氧充足。

水温对生物活性滤池的影响较明显。一般在一定范围内，有机物的去除效率与水温呈正相关。因微生物需要一定的温度条件来保证体内酶的活性，高温度条件下微生物活性高，反应动力大，传质效率高。但对温度变化不敏感的微生物来说，水温去除对有机物去除的影响并不大，比如硝化细菌生长的温度范围较宽，在10℃以上水温对氨氮的去除影响不大。

原水水质主要是指水的可生化程度，可生化程度越高，相应的有机物去除率也越高。过量的重金属会抑制甚至杀死微生物，故对重金属含量较高的原水必须进行预处理。