我國微污染水源地污染現(xiàn)狀及其處理技術(shù)研究進展

隨著全球范圍現(xiàn)代化進程的不斷加快，經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，人類的生活水平和生產(chǎn)方式在不斷提高。與此同時，人類在生產(chǎn)生活過程中對環(huán)境造成了難以恢復的破壞，使得自然災害現(xiàn)象頻發(fā)，環(huán)境問題愈加嚴重。水污染問題作為其中之一，越來越得到國家和人民的重視。其中與每一個人最密切相關(guān)的是生活飲用水的安全。因此，必需充分了解水源地水源水的污染現(xiàn)狀，尋求切實可行的方法解決所面臨的水源水“微污染”問題，改善水源水質(zhì)量，保障居民用水安全。

1 微污染水源地水源水

微污染水源地水源水是指天然水體受到有機物污染，使得部分水質(zhì)指標超過了地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838—2002）Ⅲ類標準的水體。微污染水源水中含有種類繁多且復雜的有機物而污染物濃度較低，采用常規(guī)的給水處理工藝難以有效去除，這將直接影響人們飲用水的質(zhì)量。

1.1 微污染水源水的水質(zhì)特點

微污染水源水水質(zhì)有以下特點：污染物種類多，包括有機物、氨氮、硝氮、磷、重金屬以及農(nóng)藥等；物理性污染明顯，嗅閾值，色度較高；污染指數(shù)偏高，采用常規(guī)的工藝去除效果難以達到理想標準；此外，微污染水體中還出現(xiàn)了許多新型微量污染物，包括激素、消毒副產(chǎn)物、藥品與個人護理用品，以及新型治病微生物等。這些污染物如果得不到有效處理，在環(huán)境中長期存在，會通過食物鏈進入人體內(nèi)并進行富集，從而對人體造成嚴重危害。

1.2 微污染水源水污染來源

造成水源水出現(xiàn)微污染現(xiàn)象的污染來源主要有3方面：一是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥和農(nóng)藥的大量使用以及禽畜養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便和尿液排放引起的污染，二是人類活動過程中產(chǎn)生的生活廢水及生活垃圾造成的污染，三是工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)的排放。

1.3 微污染水源水污染現(xiàn)狀

中國生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，2019年，全國開展了水污染防治法執(zhí)法檢查，飲用水水源地生態(tài)環(huán)境問題排查整治，長江入河、渤海入海排污口排查，工業(yè)園區(qū)污水整治專項行動，長江“三磷”專項排查整治，以及啟動地下水污染防治試點等一系列專項行動。這將促進我國水環(huán)境問題的提升和改善，體現(xiàn)出近年來我國對環(huán)境治理和防范的重視，但目前仍有約1/4的水體處于微污染及重污染狀態(tài)，這就需要國家繼續(xù)堅持水污染治理和水源保護，繼續(xù)打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)。

1.3.1 地表水水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，全國范圍內(nèi)監(jiān)測的1 931個地表水水質(zhì)斷面中，74.9%的斷面水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類，17.5%為Ⅳ類，4.2%為Ⅴ類，仍有3.4%處于劣Ⅴ類，污染指標主要是化學需氧量、總磷以及高錳酸鹽指數(shù)。與2015年水質(zhì)狀況相比有了明顯提升：Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面占64.5%，Ⅳ類占21.1%，Ⅴ類占5.5%，劣Ⅴ類占8.8%。

1.3.2 主要河流水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年，七大流域和浙閩片河流、西北諸河、西南諸河納入監(jiān)測的1 610個水質(zhì)斷面中，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面從2015年的72.1%提高到2019年的79.1%，而且2019年僅有3.0%水質(zhì)斷面處于劣Ⅴ類，比2015年降低了5.9%。其中導致某些斷面水質(zhì)較差的主要原因是較高的化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮。從水質(zhì)狀況方面來看，西北諸河、浙閩片河流、西南諸河和長江流域水質(zhì)為優(yōu)，珠江流域水質(zhì)良好，而輕度污染水源主要集中在黃河流域、松花江流域、淮河流域、遼河流域和海河流域。

1.3.3 湖泊（水庫）水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年，進行水質(zhì)監(jiān)測的110個重要湖泊（水庫）中，Ⅰ～Ⅲ類占69.1%，比2016年上升3.1%；劣Ⅴ類占7.3%，比2016年下降0.7%。主要污染指標包括總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數(shù)。同時對107個重要湖泊（水庫）進行營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測，其中9.3%處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，62.6%為中營養(yǎng)狀態(tài)，處于輕度和中度富營養(yǎng)狀態(tài)的占比分別為22.4%和5.6%?？梢钥闯瞿壳昂矗ㄋ畮欤┑母粻I養(yǎng)化現(xiàn)象依然比較嚴重，其中三大湖泊——太湖、巢湖和滇池均處于輕度污染狀態(tài)。

1.3.4 重點水利工程水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年，三峽庫區(qū)水質(zhì)為優(yōu)，其中監(jiān)測的77個水質(zhì)斷面中，98.7%的水質(zhì)斷面為Ⅰ～Ⅲ類；其余1.3%均為Ⅳ類水質(zhì)斷面。Ⅳ類水質(zhì)斷面的出現(xiàn)主要是由于總磷和化學需氧量超標所致。對其營養(yǎng)狀態(tài)進行評估發(fā)現(xiàn)，處于貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)以及富營養(yǎng)狀態(tài)的水質(zhì)斷面分別占1.3%、77.9%和20.8%。另一項重點水力工程南水北調(diào)工程中，東線工程的長江取水口水質(zhì)為優(yōu)，輸水干線京杭運河里運河、寶應運河、宿遷運河、不牢河、韓莊運河和梁濟運河段的水質(zhì)均為優(yōu)良。南四湖和東平湖為中營養(yǎng)狀態(tài)，洪澤湖和駱馬湖處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。中線工程的取水口及輸水干線的水質(zhì)均為優(yōu)，入丹江口水庫的9條支流水質(zhì)均為優(yōu)良，而丹江口水庫為中營養(yǎng)狀態(tài)。

1.3.5 全國地級及以上城市集中式生活飲用水水源水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年，監(jiān)測的902個地級及以上城市集中式生活飲用水水源斷面中，全年均達標的有830個，達標率為92.0%。其中590個地表水水源監(jiān)測斷面中95.8%達標，導致超標的主要指標為總磷、硫酸鹽和高錳酸鹽指數(shù)；其余312個地下水水源監(jiān)測點位達標率為84.9%，主要超標指標有錳、鐵和硫酸鹽。

1.3.6 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

2019年，全國10 168個國家級地下水水質(zhì)監(jiān)測點中，14.4%的監(jiān)測點水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類，66.9%為Ⅳ類，18.8%為Ⅴ類。全國2 830處淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測井中，23.7%的監(jiān)測井水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類，30.0%為Ⅳ類，其余46.3%為Ⅴ類。主要超標指標有錳、總硬度、碘化物、溶解性總固體、鐵、氟化物、氨氮、鈉、硫酸鹽和氯化物。

2 主要的處理方法

針對微污染水源水特定的水質(zhì)特征，開發(fā)了許多方法對其進行處理。主要包括物理法、化學法和生物法。這些方法被分為4大類：強化常規(guī)處理技術(shù)、預處理技術(shù)、深度處理技術(shù)以及新型處理技術(shù)。各技術(shù)的具體內(nèi)容列于表1。

與各種物理、化學處理方法相比，生物方法因低成本高效率的特點依舊是最經(jīng)濟有效的處理方法。針對微污染水源水的水質(zhì)特點，主要的生物處理方法有人工濕地、膜生物反應器、生物濾池、生物接觸氧化法、固定化微生物、自養(yǎng)反硝化以及新型工藝等。

2.1 人工濕地

人工濕地（CW）是一種由土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物構(gòu)成的污水處理系統(tǒng)，利用物理、化學、生物過程的協(xié)同作用實現(xiàn)污水的凈化。近年來，人工濕地因具有高效率、低耗能、低成本的特點被廣泛應用于生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水等的處理。Huang等構(gòu)建了3個地下流人工濕地用于進化微污染水，研究發(fā)現(xiàn)，3個人工濕地均能夠?qū)崿F(xiàn)一定的污染物去除能力并對水質(zhì)波動有很好的適應能力。Yang等研究了人工濕地去除溶解有機碳（DOC）的性能，發(fā)現(xiàn)人工濕地可以將復雜的有機物降解為分子質(zhì)量較低的有機物，但不能進一步轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。此外，Wu等研究發(fā)現(xiàn)人工濕地用于處理低C/N的微污染水源水時，人工濕地中植物的根系分泌物可作為異養(yǎng)反硝化細菌的內(nèi)源碳源。

2.2 膜生物反應器

膜生物反應器（MBR）是一種將膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合而成的新型水處理技術(shù)，利用膜的特殊作用替代了傳統(tǒng)生物處理工藝中的二沉池，從而減少構(gòu)筑物的占地面積和污水處理成本，同時提高了污水處理效率和出水水質(zhì)，有效實現(xiàn)了HRT和SRT的分離。Zhang等利用MBR去除微污染水源中的硝基苯和2,4,6-三氯苯酚時發(fā)現(xiàn)有機物的去除與MBR中生物量的積累密切相關(guān)，在較長的污泥停留時間和足夠的生物量條件下，硝基苯和2，4，6-三氯苯酚的去除率均可超過90%。隨著污水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來許多新型MBR工藝相繼出現(xiàn)。膜吸附生物反應器（MABR）比傳統(tǒng)的MBR具有更高的有機物去除效率；移動床生物膜反應器（MBBR）與固定床生物膜反應器相比可以更好地保護微生物，水頭損失更低，沒有堵塞問題等；紫外膜生物反應器（UV–MBR）可以更有效地去除CODMn和UV254，提高有機物的生物降解性和去除率。

2.3 生物濾池

曝氣生物濾池（BAF）是生物氧化處理技術(shù)中一種應用生物膜法的水處理工藝，主要依靠填料上生長的微生物，在充氧條件下，降解水體中有機物、氨氮等污染物質(zhì)。Dong等評估了火山巖，陶粒和沸石作為生物曝氣濾池（BAF）中的介質(zhì)時對微污染水中氨氮和磷同時去除的性能，發(fā)現(xiàn)火山巖BAF更適合處理氨氮和磷含量低的微污染水。Xie等將火山灰顆粒作為BAF中的介質(zhì)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，出水氨氮和COD分別可以保持在0.3、3 mg/L以下。

2.4 生物接觸氧化

生物接觸氧化法（BCO）是一種利用載體上附著的生物膜進行廢水凈化的工藝，因具有高效節(jié)能、占地面積小、無需排泥等優(yōu)點而得到廣泛應用。Han等在同一BCO反應器中交替進行進水、攪拌、曝氣、沉淀和出水，實現(xiàn)厭氧反應、缺氧反應和好氧反應，以處理低碳氮比的微污染水。在最佳運行條件下實現(xiàn)了污染物的快速去除，COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別達到72.45%、94.50%、83.38%和74.23%。

2.5 固定化微生物

固定化微生物技術(shù)是從固定化酶技術(shù)發(fā)展起來的，通過物理或化學的手段，將游離的微生物固定在限定的空間區(qū)域使其保持活性，并可反復利用的一項技術(shù)。因具有微生物密度高、反應速度快、耐毒害能力強、微生物流失少、產(chǎn)物分離容易、處理設備小型化等優(yōu)點，被廣泛應用于污水處理。瞿艷芝等將陶粒、功能化聚氨酯泡沫、阿科蔓柔性填料、人工水草等4種不同載體固定化菌種用于處理微污染河水，當用功能化聚氨酯泡沫固定微生物時實現(xiàn)了更高的污染物去除效率。Gan等使用聚氨酯泡沫固定的細菌通過反硝化處理硝酸鹽微污染水，研究發(fā)現(xiàn)在最佳運行條件下，5 h內(nèi)可完全去除硝酸鹽，而沒有亞硝酸鹽積累。

2.6 自養(yǎng)反硝化

自養(yǎng)反硝化是某些特殊微生物可以利用無機碳源以單質(zhì)硫、硫化物以及還原性含硫化合物為電子供體進行反硝化，因在脫氮過程中無需外加碳源、無出水二次污染、污泥產(chǎn)量少、運行成本低等優(yōu)勢逐漸被應用于處理微污染水體。Zhou等在生物濾池反應器中研究了基于硫的自養(yǎng)反硝化作用，發(fā)現(xiàn)與元素硫和硫化物相比硫代硫酸鹽是更好的電子供體。Wang等使用硫代硫酸鹽作為電子供體，在不增加外部堿度的情況下從微污染的地表水中去除硝酸鹽，研究發(fā)現(xiàn)當進水硫氮比（S/N）為1.5時自養(yǎng)反硝化效率最高，而當S/N降低到1.2時硫代硫酸鹽的利用率達到最高。

2.7 新型工藝

聚集生物系統(tǒng)（MBS）是一種由微生物液體、竹粉活性炭和水性聚氨酯凝膠以適當比例混合組成的立方顆粒，是一種先進的生物凈水產(chǎn)品，在內(nèi)部循環(huán)流化床反應器中MBS在20~30℃的溫度和3~4 mg/L的溶解氧下顯示出穩(wěn)定有效的硝化性能。粉末活性碳膜生物反應器（PAC-MBR）利用PAC吸附和生物降解去除給水中的有機物，通過硝化作用消除氨氮，通過膜截留去除顆粒物。固定式生物濾池（I-BF）將固定化微生物技術(shù)與生物濾池相結(jié)合，使濾池中的微生物可以更好地適應環(huán)境干擾并保持穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

隨著水處理技術(shù)的發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步，對微污染水源水的處理要求將更加嚴格，越來越多的新型工藝也將應用于微污染水源水的處理，進一步提高水源水水質(zhì)，減輕水體出現(xiàn)的微污染現(xiàn)象。與此同時，要繼續(xù)加強環(huán)境監(jiān)管力度，控制污染源，嚴格控制污水的排放，從源頭上遏制微污染現(xiàn)象的出現(xiàn)。

編輯：趙利偉