1. 前言
饮用水的净化技术是人们在与污染作斗争的过程中出现的，并不断得到发展、提高和完善。自第二次世界大战之后，尤其是60年代以来，不少地区饮用水水源水质日益恶化；同时，随着水质分析技术逐渐改进，水源水和饮用水中能够测得的微污染物质的种类不断增加，使人们在饮用水的水质净化中碰到了新的问题。
面对水源水质的变化，常规饮用水处理工艺已显得力不从心。国内外的实验研究和实际生产结果表明，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去除水中有机物20%-30%，且由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果明显下降（仅为50%-60%）。用增加混凝剂投加量的方式来改善处理效果，不仅使水处理成本上升，而且可能使水中金属离子浓度增加，也不利于居民的身体健康。地面水源中普遍存在的氨氮问题常规处理也不能有效解决。目前国内大多数水厂都采用折点氯化的方法来控制出厂水中的氨氮浓度，以获得必要的活性余氯，但由此产生的大量有机卤化物又导致水质毒理学安全性下降。因此，常规的饮用水处理工艺已不能与现有的水源和水质标准相适应，必须开发新的水处理技术。
目前已开发或正在开发的水处理技术主要包括两方面：一是预处理技术，包括：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技术等；二是深度处理技术，包括氧化法和吸附法，其中氧化法又包括化学氧化和生物预处理技术。其中尤以生物预处理技术和膜技术倍受水处理工作者的关注。
2. 生物预处理技术
生物预处理是指在常规的净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除，这样既改善了水的混凝沉淀性能，也减轻了常规处理和后续处理过程的负荷。另外，通过可生物降解的有机物的去除，不仅减少了水中“三致”物前体物的含量，也减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，不仅起到了预氯化作用相同的效果，而且避免了由预氯化引起的卤代有机物的生成，这对降低水的致突变活性，控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。
2.1 曝气生物滤池（BAF）预处理技术
曝气生物滤池（BAF）预处理技术在饮用水处理中具有以下特点：
⑴水处理过程中的物理、化学和生物化学性质存在较大差异，并且与其去除性存在一定的关系。从分子量上来说，生物可降解有机物主要是低分子量的有机物（分子量10000以上的有机物，对低分子量有机物去除率低，特别是对分子量<500的有机物，几乎没有去除能力，甚至有所增加。而这部分有机物可能是行成消毒副产物卤乙酸的主要前体，也是饮用水管网中细菌生长的主要营养基质，而生物预处理能有效去除这部分有机物，对提高整个给水处理工艺对有机物的去除效果有重要意义。
⑵对低浓度有机物有较好的去除效果。在BAF中，微生物利用水中营养基质进行生长繁殖，在载体表面形成薄层结构的微生物聚合体，产生生物膜，有利于世代期较长的微生物生长。饮用水中微量污染物浓度（mg/L数量级）有利于贫营养微生物的繁殖，如土壤杆菌、假单胞菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌、芽孢杆菌和纤毛菌等。这些贫营养微生物具有较大的比表面积，对可利用基质有较大的亲合力，且呼吸速率低，有较小的最大比增殖速度和Monod饱和常数（Ks）（约为1-10μg/L左右），所以在天然水体条件下，其对营养物的竞争具有较大的优势。Namkung和Rittmann的研究指出，几种微量基质生物降解的同时进行，与同样浓度的单个基质生物降解相比，能导致更多的生物量积累和有更快的去除速率，这表明多种微量污染物的混合，可增加生物膜系统处理效果的稳定性，而受污染水源水中往往含有多种微量有机物。另外贫营养菌通过二级基质的利用能去除浓度极低的微量污染物，例如：贫营养菌在分解利用浓度为1.1mg/L的富里酸时，对浓度为100μg/L得酚和萘的去除率分别为90%-92%，对土臭素和2-MIB(2-甲基异莰醇)的去除率分别为55%和44%，这表明利用水中天然有机物形成的生物膜处理系统可较好的去除微量污染物、嗅味及色度物质。
⑶能去除氨氮、铁、锰等污染物。BAF中，生物膜固定生长的特点使生物具有较长的停留时间，一些生长较慢的微生物如硝化菌等自养菌可在反应器内不断积累。反应器内载体应具有足够的溶解氧，这样就能促进生物膜上好氧硝化菌的生长和代谢活动。对硝化反应动力学的分析表明，即使在低温下，生物膜去除氨氮的作用也是十分有效的。
近年来，国内外学者对BAF对氨氮和有机物的去除效果进行了研究，表1和表2是国内外资料中所报道的曝气生物滤池对氨氮和有机物的去除效果。
表1 BAF对氨氮的处理效果
处理工艺
填料
地点
进水氨氮（mg/L）
氨氮去除率（%）
曝气生物滤池（中试）
细卵石
法国
>2.5
≈100
曝气生物滤池（生产性）
细卵石
法国（Annet Sur Marne）
≤4
≤1
0.3-0.5
97.5
79.5
78.3
曝气生物滤池（中试）
细卵石
英国（Medmenham）
3.0
82.5
曝气生物滤池
细卵石（20-40mm）
细卵石（20-50mm）
细卵石（10-20mm）
法国（Groissy）
法国（Vermoukle）
法国（Anbergen）
3.2
2.3
1.8
99.4
93.5
68.7
曝气生物滤池（中试）
（生产性）
（生产性）
（生产性）
砂+煤
砂+煤
砂+煤
砂+煤
法国（Choisy）
法国（Choisy）
法国（Mery）
德国（Miilheim）
0.08-0.68
0.5
0.34
1.0
66%(平均)
≈100
≈100
≈100
曝气生物滤池（小试）
碎石（2.7-4.8mm）
韩国
0.2-0.5
90-100
曝气生物滤池（小试）
碎石
武汉
0.41-1.16
81.0-98.8
曝气生物滤池（小试）
陶粒（2-5mm）
北京
1.4-2.0
99
曝气生物滤池（小试）
海蛎子壳
上海
-
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表2 BAF对有机物的处理效果
工艺
填料（括号内为填料尺寸）
试验地点
进水有机物浓度
有机物去除滤
臭氧-曝气生物滤池（生产性）
细卵石+活性炭（2×3mm）
法国Annet Sur Mane
3.2mg TOC/L
38%
曝气生物滤池（小试）
碎石（0.6-1.2mm）
南朝鲜
BOD5 3.2-59g/L
CODMn14-20mg/L
35-60%
27-30%
曝气生物滤池（小试）
碎石
武汉
CODMn3.7-5.6mg/L
10.4-27.5%
曝气生物滤池（小试）
海蛎子壳
上海
(CODMn)
7.1-9.8%
曝气生物滤池（小试）
陶粒（2-4mm）
北京
20-30mgCODCr/L
43.1%
自80年代以来，清华大学环境工程系对以陶粒作填料的曝气生物滤池进行了广泛深入的研究。研究结果表明以陶粒作为填料的曝气生物滤池其处理效果明显优于其它类型的生物预处理技术，见表3和表4。