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可生物降解有机物和快速生物滤池的性能综述

摘要

可降生物解有机物(BOM)存在于所有的地表水中，对饮用水的处理是一项挑战，因为它会导致配水系统生物再生，产生消毒副产物，或成为一种特殊的化合物。对BOM(发生和氧化作用)和快速生物过滤性能(预臭氧化、氧化剂反冲洗、空床接触时间(EBCT)和温度)进行了评述。通过广泛的文献数据分析(n=100)发现，非臭氧化水中总有机碳(TOC)由20%(中位)生物可降解有机碳(BDOC)和3%(中位)可吸收有机碳(AOC)组成。对于臭氧化水体(n = 103)，这些数值增加到30%(中位数)BDOC和9%(中位数)AOC。在所有操作条件下(n=117)，生物过滤器(平均12分钟EBCT)去除12%(中位)臭氧化水去除较高的进水TOC,15%(中位)，相比于非臭氧化水，10%(中位)。随着温度从lt;10°C上升到gt;20°C,TOC的去除率从10%上升到17%(中位数)。这篇综述表明生物过滤是一种有效的处理技术，可以从滤池进水中去除部分BOM，并应进行优化以达到最大的去除效果。

关键词：BDOC；AOC；生物过滤；饮用水；臭氧；TOC去除

目录

1.简介

2.结果与讨论

2.1. 可生物降解有机物反应综述

2.1.1 BOM法

2.1.2发生分析

2.2.生物过滤功能综述

2.2.1设计和运行参数的影响

2.2.2生物滤池性能分析

3.结论

声明

补充数据

参考文献

缩写

OM：有机质

BOM：可生物降解有机物

TOC：总有机碳

BDOC：可生物降解有机碳

AOC：可同化有机碳

GAC：颗粒活性炭

EBCT：空床触点时间

DON：溶解有机氮

DBP：消毒副产物

HLR：液压加载速率

BAC：生物活性炭

CV：异变系数

1.简介

在饮用水源中发现的溶解性有机物包括生物可降解部分(BOM)和非生物可降解部分。它们之间的区别是由操作定义的，基于BOM的表征方法，包括有氧和缺氧的方法。自来水公司关心的是控制BOM，因为a)它是唯一的碳源微生物在分配系统中再生提供了独特的碳源，b)能与消毒剂发生反应产生消毒副产物(DBPs)，c)被认为是污染物的特定化合物。细菌的再生会加速腐蚀，降低水的容量，使其难以在配电系统中保留消毒残留物。BOM为异养菌的代谢提供能量和碳。

所有来自天然或人工OM的饮用水都含有不同程度的BOM。添加氧化剂/消毒剂后，特别是臭氧和少量氯气也会在处理厂产生BOM。BOM组分包括可识别的特定可生物降解的有机化合物，如:甲醛、土臭素，以及不可识别的化合物，如:可生物降解的腐殖质。生物可降解有机碳(BDOC)和可吸收有机碳(AOC)是在好氧条件下测量BOM最常用的参数。许多特定的化合物在有氧饮用水生物滤池的条件下是不可生物降解的，而其他的则可以完全去除。有臭氧化和无臭氧化的饮用水水源中BOM的广泛评价目前尚未有报道。

通过生物机制去除BOM的过滤器，即生物过滤器，可以在操作上定义为出水中没有消毒剂残留的过滤器，包括河岸过滤系统、慢砂过滤器和快速生物过滤器。本综述仅限于快速生物过滤器。这些过滤器可以利用一系列的介质，包括沙子，无烟煤，颗粒活性炭(GAC)。消毒剂的残余物很容易被过滤器床顶部的GAC所减少，因此所有GAC过滤器都具有生物活性。虽然许多生物滤池是偶然操作的，但当优化生物滤池的设计和操作时，可以实现更高的去除水平和去除额外的化合物。虽然生物过滤器的性能结果已被报道，设计和操作参数的影响已被检验，并开发了模型，但还没有全面的综述和性能综合分析。

本文的目的是综述：a)经AOC和BDOC测定的含臭氧和不含臭氧的饮用水水源中BOM的含量；b)用BDOC的去除来评价快速生物滤池的性能。本综述仅限于以地表水为重点的好氧生物条件，未明确包括特定的生物可降解有机化合物。这篇综述建立在Urfer等人(1997)、Servais等人(2005)、Zhu等人(2010)、Wang等人(2014)、Basu等人(2015)和Brown等人(2016)的早期综述的基础上。

2.结果与讨论

2.1可生物降解有机物反应综述

可生物降解的化合物,包括BOM的套件包括腐殖质物质,氨基酸,碳水化合物和臭氧化副产物（OBPs）醛和酮酸，发现流水中的DOC是由72%-78%的腐殖质，9-16%碳水化合物（主要是多糖），2-3%氨基酸和15-22%分子量gt;100kDa的OM。对于这种来源，BDOC占DOC的21-34%，由68-85%的腐殖质、22-43%的碳水化合物(主要是多糖)、2-6%的氨基酸和33-45%的分子量gt;100kDa的OM组成。部分BOM由AOC集中度量，这部分BOM评价了微生物接种物的生长情况，较大部分的BOM由BDOC度量，这部分BOM评价了由于微生物代谢引起的有机碳含量的变化。AOC是BDOC中最容易被细菌利用并转化为细胞质量的部分，而BDOC是被异养微生物生物降解的有机碳的一部分，其：1）产生能量和转化形成二氧化碳及其他有机物，2）供生物量的生长。AOC和BDOC测量提供了互补的信息，两者都是水生物稳定性的重要指标。例如，哈克(1990)提出，在确定细菌再生或大肠菌生长时，应测量细菌生命体的AOC，在确定氯需求减少或DBP的生成量时，应测量有机碳中BDOC的浓度变化。

由于自然和人为的原因，地下水的出生水量随时间而变化，包括季节变化，洪水、干旱、藻华、融雪、土壤流失、季节性变化、废水、工农业排放。Bradford 等人(1994)发现，在地表和地下水中，AOC与DOC的比值在0.5%到31%之间，这表明有机碳的存在范围从生物稳定到非常可吸收。研究调查了水源水、供水系统、中水处理和海水淡化厂的AOC和BDOC水平。Liu等人(2002)发现不同分配系统的AOC浓度因季节和饮用水处理工厂的操作条件而不同。表1总结了AOC和BDOC的调查结果，证明了BOM的变化性。

有机物的氧化通过减少DOM分子的大小和增加氧合官能团的数量来增加生物可降解部分。臭氧是一种强氧化剂，其通过将芳香族的不饱和有机结构(腐殖酸和富里酸)转化为低分子量的饱和聚碳酸酯化合物，可以增加饮用水中的AOC含量，此外，臭氧通过向水中提供大量的氧来促进生物生长，而水是DOC氧化过程中细菌的电子受体。Black (2014) 发现预臭氧化处理降低了高分子量化合物，但与大多数文献相反，作者发现预臭氧化处理并没有增加源水的可生化性，因为氧化剂与可降解部分和不可降解部分均有反应。其他氧化剂,即。氯、高锰酸钾和二氧化氯也会与有机质发生反应，从而增加处理过的物料中AOC的含量。细菌更容易利用低分子量化合物来生长和提供能量。LeChevallier等人(1992)发现臭氧化处理后的AOC增加了2倍，并且经过臭氧处理的过滤出水的AOC水平高于未经臭氧处理的水体。臭氧化副产物包括醛类、丙酮类、酮酸类、醛酮类和羧酸类，它们具有高度的生物降解性。Carlson和Amy(1998)发现在预臭氧化生物过滤中去除的BDOC的组成为3%的醛类，12%的酮酸，13-15%的羧酸，70-72%未知组分。

表1 文献中列举的AOC和BDOC的含量

2.1.1 BOM法

AOC生物测定法将接种菌或本地菌群的生长与BOM的浓度联系起来。AOC法使用各种生物菌株，最常见的是P.荧光素P17、Aquaspirillum NOX或固有细菌，通过生物降解的碳同化作用，在特定时间段内接种和培养细菌。BDOC测定方法是通常在间歇式反应器中测量一段时间内的固有细菌氧化OM时的DOC消耗量。BDOC值计算为设计时间周期开始时和结束时DOC之间的差值，剩余的DOC是不可生物降解或难降解的DOC。Kaplan等人(2005)、LeChevallier(2014)和Elhadidyet等人(2016)对AOC和BDOC法的演变进行了详细的解释。

2.1.2发生分析

我们对有无臭氧化处理的地表水的AOC和BDOC值进行了广泛的审查，并分别在表2和表3中对数据进行了统计分析。详细数据见SI(表S1、S2、S3和S4)。可获得的成对数据收集自每个AOC和BDOC研究。有些研究只报告了一个参数，因此值的数目n对所有参数都不相等。臭氧化水体的AOC值大于TOC，因为大多数研究没有直接记录臭氧化后的TOC值。所有的AOC/TOC和BDOC/TOC比率都只报告成对的数据。所有的研究报告在这里使用P17, NOX或结合P17和NOX的AOC测定接种。

对于AOC非臭氧化数据集(n=89)，TOC的中位数为3.5 mg/L，范围为0.5 mg/L到16.3 mg/L。AOC中位数为120mg/L，范围为6.3mg/L至482m g/L。AOC/TOC比率从0.2%到38.3%，中位数为2.8%。虽然这篇综述的重点是地表水，但对同样的变量，对地下水也做了一个粗略的综述。总的来说，从SI表S5可以看出，对于非臭氧化数据(n=30)，地下水OM的AOC中值较小，这与其他文献研究一致。

对于BDOC非臭氧化数据集(n=100)，中位TOC值为3.6 mg/L，范围为0.2 mg/L到16.3 mg/L。BDOC值中值为1.0 mg/L，范围为0.1 mg/L到7.8 mg/L。BDOC/TOC的比例范围为1%到72%，中值为20%。这表明，20%的TOC是可生物降解的，可以用于能源和生物量的增长。地下水OM的BDOC/TOC比值较低(n=7)，如SI表S6所示。

25对数据集的AOC与BDOC的比值从3%到89%不等，中位数为22%。这表明，22%的BDOC(3%的TOC)是高度生物降解的，可以用于生物量的增长。

最佳实践方法是采用生物过滤法来改善配水系统的水生物稳定性。此外，这种耦合过程将导致OM的降低。臭氧化会增加BOM含量，生物过滤会降低BOM含量，导致OM含量整体下降。臭氧化已被证明能增加BOM的比例。表3总结了臭氧化地表水的文献BOM值，但臭氧化数据与非臭氧化数据(表2)不配对，即，在确定臭氧化的直接影响时，表3的臭氧化数据不能直接与表2的非臭氧化数据进行比较。

表2 非臭氧化水中AOC和BDOC分布分析

表3 臭氧化水体中AOC和BDOC分布分析

AOC 臭氧化数据集，TOC中值为3.2mg /L (n=56)，略低于未臭氧化水中的TOC中位数。臭氧化水中AOC中间值为2.3mg/L(n=71)。由于并不是所有的研究都报道了TOC值，所以AOC值的数量要高于TOC值，而且正如预期的那样，臭氧化水体的AOC中值要远远高于非臭氧化水体的AOC中值120m /L。虽然数据是不配对的，但其他研究显示臭氧化后AOC值也有类似的增加，臭氧化水体的AOC与TOC之比(n=55)较非臭氧化水体增加了3倍：从2.9%上升到8.8%。

臭氧化BDOC数据集(n=103)的中位TOC值为2.9mg/L，低于未臭氧化BDOC数据集(n=103)的中位TOC值3.6 mg/L。臭氧化水中BDOC值的中位数0.8mg/L略低于未配对非臭氧化水体中BDOC中位数1.0mg/L，但是BDOC/TOC中位数的比值从未臭氧化水的20%上升到臭氧化水的30%，其中最大值为62%最小值为8%。其他研究表明，臭氧化后BDOC/TOC值也有类似的增加。因此，臭氧化后，30%的TOC是可生物降解的，可以被细菌利用来进行能量和生物量的增长。

不配对的AOC和BDOC数据，无论是否有臭氧，都表明臭氧对AOC值的影响大于BDOC值。Shukairy (1992)和Escobar和 Randall (2001)也发现臭氧化增加的AOC大于BDOC。这表明臭氧优先生成更容易被AOC检测到的同化化合物。非臭氧化水域(n=24)的AOC/BDOC成对比值从22%上升到臭氧化水域(n=17)的30%。因此，经过臭氧处理后，30%的BDOC(总TOC的9%)可以被细菌用于生物量的增长。臭氧剂量/TOC与BDOC/TOC、AOC/TOC、AOC/BDOC的比值显著相关(p值均lt; 0.05)，但由于回归曲线周围的离散性，三者均呈弱线性或其他类型相关(r2 lt; 0.4)。

AOC/TOC和BDOC/TOC比值在有无臭氧情况下的分布分析如图1所示。发现的25个百分位的无臭氧源水的分布分别为1.3%和6%的AOC/TOC，14%和27%的BDOC/TOC。对于有臭氧的水域，数据发现源水的25%和75%分别是5%和14%的AOC/TOC，20%和38%的BDOC/TOC。

图1 有无臭氧时BDOC/TOC和AOC/TOC比值的分布分析

方框代表第25、第50(中位数)和第75百分位，方块代表平均值，误差条代表第5和第95百分位，x代表离群值。

2.2生物过滤功能综述

生物过滤法是一种很有吸引力的BOM控制方法，因为它能有效去除污染物，维护成本低，操作简单。对于所有采用单级过滤的地表水处理厂，首要和最重要的目标是控制微生物病原体。虽然BOM的去除是一个非急性的问题，但是使用操作良好的生物过滤器可以成功地控制病原体和去除BOM。一项有北美38家拥有生物过滤技术的饮用水参与调查发现驱动实施生物反应器的结果如下：多重驱动（17响应），味道与气味（15响应），TOC去除（14响应），提高过滤性能（14响应），DBP去除（11响应），配水系统水质稳定（11响应），可持续水处理（5响应），杂项（1响应），无机物（1响应）。Zhu等人(2010)和Basu等人(2015)以半定量的

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