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本文聚焦气候变化下的水处理问题，探讨生物过滤技术。阐述了气候变化对水质和水处理厂（WTPs）的影响，对比多种处理技术，分析生物过滤的原理、影响因素、优势与挑战。表明生物过滤有潜力，但仍需研究优化，以应对气候变化。
气候变化与水
气候变化对水质的影响
气候变化对水质的影响极具威胁。主要影响因素包括气温升高、野火以及洪水、干旱等极端水文事件。这些因素通过改变水文循环，导致地表水质恶化，影响水质参数，如基本理化性质、溶解性有机物（DOM）、营养物质和生物参数等。
气温升高会影响水中物质的溶解度和反应，导致溶解物质浓度升高，溶解气体（如氧气）浓度降低。洪水和干旱会造成溶解物质的稀释或浓缩，影响溶解氧（DO）和 pH 值，并通过径流影响营养物质负荷。土壤升温可能导致营养物质释放、径流和侵蚀增加，影响污染物传输，促进细菌生长，引发藻类大量繁殖。野火会增加地表水中的总磷、无机氮、藻类生物量、DOM 等，还可能导致消毒副产物（DBPs）的形成。此外，气候变化还可能导致某些地区降水减少、温度升高，增加水源水中的浊度、有机物和污染物水平。
气候变化对水处理的影响
气候变化不仅影响原水水质，还对水处理厂（WTPs）的设计和运行产生影响。原水水质恶化可能导致 WTPs 效率低下，无法满足水质标准，进而可能需要对 WTPs 进行改造。此外，气候变化引发的极端天气，如飓风、洪水等，可能损坏水处理基础设施。野火影响的水体富含污染物，会降低水质，影响 WTPs 的性能。颗粒物、NOM 和 DOC 浓度的上升会影响传统 WTPs 中的混凝过程，增加基础设施和运营成本，导致服务中断。
适应气候变化的饮用水处理技术
饮用水处理方法取决于原水水质。常见的处理技术包括常规过滤、活性炭吸附、混凝和絮凝、膜过程以及高级氧化过程（AOPs）和消毒等，但这些技术都存在一定的局限性。
常规过滤使用砂等介质去除原水中的细颗粒和溶解有机物，但单独使用时难以达到所需的出水水质。活性炭吸附是一种成本效益高的先进水处理技术，能有效去除新兴污染物，但对其性能影响因素和放大参数的了解存在差距，且多数研究集中在实验室规模。混凝和絮凝结合可有效去除悬浮颗粒，但对极性和半极性药物、农药以及未附着在聚集体颗粒上的有机微污染物去除效果较差。膜过程能有效去除固体、有机和无机颗粒，但存在膜污染问题，会降低膜效率，增加运营成本，且污染物未被降解，需要二次处理和处置。AOPs 可用于水的氧化处理，能降解新兴污染物，但化学反应复杂，成本和能源消耗高，还会产生有毒的二次流出物和 DBPs。
生物过滤作为低成本技术生态型自然水处理解决方案
生物过滤作为一种水处理技术
生物过滤是一种古老、无化学添加、低能耗且高效的生物技术，用于去除水中的污染物。它利用附着在过滤器表面的微生物群落，通过物理化学和生物过程去除悬浮和细颗粒，降解溶解有机化合物。生物过滤最初用于控制生物空气污染，现在已应用于地表水的净化以供饮用。其主要目的是生产生物稳定、可饮用的水，控制 DBPs 的形成，减少水处理中化学物质的使用，是一种绿色、可持续且成本效益高的传统污染物去除方法。
生物过滤在水处理中的污染物去除机制
生物过滤的主要处理机制包括过滤、吸附和生物降解。悬浮颗粒在过滤介质上形成营养丰富的粗糙层，吸引微生物定植，形成生物膜。原水通过生物滤池时，有机物被微生物吸收，微生物利用其作为碳源生长繁殖，降解其他污染物。无机污染物的去除主要依赖于它们在过滤介质或生物膜上的吸附。不同的微生物在生物过滤过程中发挥着不同的作用，了解微生物的自然行为和生化反应对设计和操作生物过滤系统至关重要。
微生物通过自然附着或人工固定在过滤介质表面，形成生物膜。生物膜的形成和发展受多种因素影响，如营养物质、底物扩散等。生物膜中的微生物通过分泌胞外聚合物（EPS）来捕获污染物。生物量的保存和脱落对生物滤池的成功运行至关重要，脱落方式包括放牧、侵蚀、过滤反冲洗、磨损和剥落等。
影响生物过滤的因素
生物过滤的去除效率受多种因素影响，包括微生物的类型和浓度、过滤介质的类型、营养物质供应、操作温度、空床接触时间（EBCT）、pH 值、水力负荷率（HLR）、反冲洗频率和过滤介质更换等。
不同类型的微生物在生物过滤中发挥着不同的作用，异养微生物是最常见和主要的微生物，它们附着并定植在生物滤床表面，降解污染物。选择合适的微生物类型和浓度对生物过滤至关重要。常见的生物过滤介质有砂、颗粒活性炭（GAC）和无烟煤等，它们的特性影响生物过滤过程。GAC 具有较强的吸附能力，能支持微生物生长和附着，是常用的过滤介质。温度影响微生物的活性和污染物的去除效率，一般来说，较高的温度有利于污染物的去除，但也有研究表明，在某些情况下，低温也可能有利于生物过滤。EBCT 是一个重要的操作参数，增加 EBCT 通常可以提高污染物的去除效率，但也需要考虑温度等其他因素。适宜的 pH 值有利于微生物的活性和污染物的降解，不同的微生物对 pH 值的要求不同。HLR 影响水的处理效率，较高的 HLR 通常会降低去除效率，但在某些情况下，也可能有利于特定污染物的去除。过滤反冲洗是定期清洁过滤介质床的过程，对维持生物滤池的性能至关重要，合适的反冲洗频率和方式可以提高生物滤池的去除效率，减少二次污染。
生物过滤中的优势微生物
微生物群落的结构、功能和动态对生物过滤过程有重要贡献。通过随机矩阵理论（RMT）构建微生物共现网络，可识别出维持系统功能稳定性的关键分类单元。在生物活性炭（BAC）过滤器中，已鉴定出一些关键微生物，如 Proteobacteria、Cyanobacteria 等门以及 Hyphomicrobium、Tabrizicola 等属。在地下水供给的快速砂滤器（RSFs）中，也发现了与水净化过程相关的核心噬菌体组和优势微生物。噬菌体通过与关键细菌物种的相互作用，可能在生物滤池的水处理中发挥重要作用。
生物过滤对气候变化的恢复力和适应性
生物过滤作为一种基于自然的水处理技术，对气候变化具有显著的恢复力和适应性。其微生物群落能够适应环境变化，在极端天气条件下保持污染物去除效率。例如，在野火影响的水体处理中，生物过滤可有效去除痕量有机污染物，应对野火灰相关的有机碳对饮用水处理的威胁。
通过两级生物过滤（GAC 和砂 - 无烟煤）可有效去除饮用水中的天然有机物（NOM）和新兴污染物，降低健康风险。为确保生物过滤系统在气候变化下的持续恢复力和适应性，建议采取调整介质维护和更换、定期监测和评估系统性能等适应策略。
生物过滤的挑战
生物过滤存在一些挑战。过滤介质支持微生物生长，可能导致生物膜形成，但生物过滤的设计和实施存在问题，如过滤介质的选择。原生微生物群落通常缺乏完全降解污染物的代谢能力，可能导致处理后的水中残留污染物或其降解产物。此外，生物滤池中微生物的多样性难以调节，生物处理过程可能导致饮用水的病原污染，单一处理系统难以实现所有污染物的有效去除。
未来展望
生物过滤在水处理方面前景广阔，但仍有许多方面需要进一步研究。目前对微生物降解有机污染物的代谢途径机制了解不足，需要进一步研究微生物生长和降解机制，以推动高效生物过滤技术的实施。气候变化导致的极端温度和原水水质变化会影响生物过滤的性能，需要研究生物过滤在不同条件下的恢复力。此外，还需要研究生物过滤去除新兴污染物（如紫外线过滤器）的能力，以及生物膜最佳厚度对处理性能的影响，同时设计和优化基于自然的解决方案和操作策略，以确保生物过滤系统的高效运行。
