水廠常規(guī)處理工藝難以有效去除微污染原水中的氨氮和有機物，而生物粉末活性炭/超濾(BPAC/UF)組合工藝是一種有效的深度處理技術，結合了活性炭吸附、微生物降解和膜分離技術的優(yōu)點，對水中的氨氮和有機物具有良好的去除效果。該工藝出水水質穩(wěn)定，操作靈活性高，實用性強?？疾炝薆PAC/超濾組合工藝對微污染水中氨氮和有機污染物的去除效果以及化學強化反沖洗對跨膜壓差的影響，以期為該工藝的實際應用提供參考。

一、試驗材料和方法

1.1測試設備

如圖1所示，BPAC/超濾小型試驗裝置由PVC中空纖維膜組件、反應器、清水箱、浮閥液位控制系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、蠕動泵、壓力傳感器和PLC控制系統(tǒng)組成。反應器由活性炭接觸池、斜板沉淀池和膜池組成?；钚蕴拷佑|池有效容積6.0L，斜板沉淀池有效容積8.4L，斜板高度100mm，傾角60°。膜池的有效容積為2.8L..反應器的高度為50毫米，溢流口的高度為30毫米

BPAC/超濾中試裝置以30L/(m2·h)的恒定通量運行，進水在活性炭接觸池中的停留時間約為2h。采用連續(xù)曝氣攪拌24h，曝氣流量為30L/h，攪拌器轉速為20r/min。粉末活性炭一次性投加，投加量為2g/L，裝置運行前，粉末活性炭已曝氣一個月，絮體已初步形成。污泥每30分鐘回流一次，沉淀池中的活性炭回流至活性炭接觸池。膜中的水每兩天清空一次。反洗間隔為30分鐘，反洗時間為60s，出水流量為兩倍。

實驗采用蘇州李生凈水技術有限公司提供的浸沒式聚氯乙烯中空纖維膜。膜絲的有效長度為25cm，有效膜面積為0.063m2，膜纖維的內徑和外徑分別為1.0 mm和2.0mm，平均膜孔徑為0.02μm，分子量為50ku，較高的吸氣工作壓力為-80kPa，工作pH值范圍為1-13。

1.2測試水

實驗用水為江蘇省微污染原水，存在季節(jié)性氨氮和有機物含量高的問題。微污染原水在進入BPAC/超濾組合工藝之前，要經過模擬混凝沉淀過程?；炷齽榫酆下然X，采用濕法投加，投加量為20mg/L，加藥后用三級攪拌器在不同轉速下模擬混凝沉淀的不同階段:高速(80r/min)攪拌30秒模擬快速混合階段，中速(40r/min)攪拌5分鐘模擬混凝前期，低速(20r/min)攪拌15分鐘模擬混凝中后期，然后靜置沉淀2分鐘用蠕動泵提取上清液，過濾后作為BPAC/超濾中試裝置的進水。試驗裝置的進水水質為:濁度1.96-5.47NTU，cod Mn 1.75-4.70mg/L，uv 254 0.032-0.089cm-1-1，DOC 3.450-6.142mg/L，氨氮0.03-0.16mg/L

1.3檢測項目和方法

COD:酸性高錳酸鉀法，氨氮:納氏試劑分光光度法，UV254:紫外-可見分光光度法，Doc: TOC-LCPH總有機碳分析儀。

二。結果和討論

2.1氨氮的去除效果

裝置運行前13天，由于溫度較低，進水氨氮濃度較低，平均濃度僅為0.063 mg/L，有研究表明，當水中氨氮濃度超過0.25mg/L時，可以為硝化細菌的生長提供足夠的營養(yǎng)。因此，在這種條件下，硝化細菌的活性較差，不能充分發(fā)揮生物降解作用。通過對微污染原水水質的檢測，發(fā)現(xiàn)2017年原水中氨氮的平均濃度為0.61mg/L，所以NH < 1，這樣進水氨氮的平均濃度為0.68mg/L，來模擬原水中氨氮濃度超標的情況。

BPAC/超濾組合工藝對氨氮的去除效果如圖2所示。裝置運行前三天，氨氮去除率較高，平均值達到75.29%。這是因為在裝置正式運行前，活性炭已經曝氣一個月，硝化細菌已經成功形成生物膜，形成了生物粉末活性炭。但從第4天開始，氨氮的去除率迅速下降，進水中氨氮濃度過低，無法為硝化細菌的生長提供營養(yǎng)。第5 ~ 13天，由于碳池內持續(xù)曝氣，部分硝化細菌仍能存活并發(fā)揮生物降解作用，碳池氨氮平均去除率為50.99%。但硝化菌隨水流入膜池后，在營養(yǎng)和氧氣較差的條件下，膜池內和吸附在膜表面的微生物會逐漸死亡，分解成蛋白質和無機鹽，導致出水氨氮濃度高于進水。組合工藝出水氨氮濃度平均為0.063mg/L，有的日子甚至氨氮去除率為負值。在第15天向碳池中加入5g活性炭，經過5天的適應性生長，碳池中氨氮的去除率為92.23%，而組合工藝對氨氮的總去除率為92.13%，這說明BPAC/UF組合工藝對氨氮的去除主要依靠附著在活性炭顆粒上的硝化細菌的降解，超濾膜對氨氮幾乎沒有去除作用。

2.2 cod Mn的去除效果

BPAC/超濾組合工藝對CODMn的去除效果如圖3所示?？梢钥闯觯M合工藝對CODMn的去除率波動較大，前14天CODMn的去除率在6.18% ~ 23.05%之間波動，而膜池出水CODMn濃度平均比膜池低0.08mg/L。這是因為流入膜池的粉末活性炭被超濾膜截留，在膜表面形成濾餅層。此時沒有微生物附著在濾餅層上，所以CODMn的去除主要是由于濾餅層。14天后，進水氨氮濃度升高，微生物逐漸生長并再次成熟。組合工藝對CODMn的去除率有所提高，在13.39% ~ 47.67%之間波動。CODMn去除率的波動在第16-24天尤為嚴重，因為在連續(xù)曝氣的條件下，第17天KIA硝化細菌的生長繁殖在水中產生了大量的亞硝酸鹽(較高值約為0.75mg/L)，亞硝酸鹽作為還原性無機物對CODMn的去除有明顯的影響。隨著硝化細菌活性的增加，水中的亞硝酸鹽逐漸被氧化。24天后，CODMn的去除率逐漸上升并趨于穩(wěn)定。在第24～27天，BPAC/超濾組合工藝對CODMn的平均去除率為27.39%。同時發(fā)現(xiàn)，在補充碳源的第15天后，CODMn的去除率急劇上升，說明補充的新碳源的吸附作用可以在短時間內提高有機物的去除效果。

2.3紫外線結合的去除效果

BPAC/超濾組合工藝對UV254的去除效果如圖4所示。

組合工藝對UV254的去除效率在前14天不穩(wěn)定，平均去除率為27.99%。第15天補碳后UV254的去除率有所提高，第15-22天平均去除率為38.49%，第23天趨于穩(wěn)定，第23-27天平均去除率為30.79。認為生物粉末活性炭對UV254的去除是活性炭吸附和生物降解共同作用的結果。

2.4 DOC的去除效果

BPAC/超濾組合工藝對DOC的去除效果見圖5。該工藝對DOC的去除率波動較大，從7.34%到34.92%不等。DOC代表水中溶解有機碳的含量，而溶解有機碳中溶解可生物降解有機碳(BDOC)的比例相對較小，且受微生物數(shù)量和活性的影響，所以微生物對DOC的去除作用極其有限，而腐殖質是DOC的主要成分，而腐殖質不易被細菌分解利用。因此，在前14天，組合工藝對DOC的去除率較低，平均去除率為16.17%。第15天投加碳后，由于活性炭的吸附，DOC去除率有所提高，第22天趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，組合工藝對DOC的平均去除率為20.19%。

2.5蘇瓦的去除效果

SUVA值是天然有機物芳香度的代表指標，定義為DOC每單位質量濃度的紫外吸收值。在本試驗中，進水的SUVA值為0.84-1.6117(m & # 8226；Mg)，超濾膜出水的SUVA值低于進水。組合工藝對SUVA的平均去除率在前14天為14.01%，第15天加碳后逐漸升高，第23天后再次穩(wěn)定，穩(wěn)定后SUVA的平均去除率為14.41%。

蘇瓦值反映了水中有機物的差異。SUVA值越高，水中疏水性大分子腐殖質越多；反之，小分子有機物越親水。陳偉等人的研究表明，超濾截留的有機物主要是疏水性大分子有機物，這也為本次實驗結果所證實。超濾后SUVA值會降低，主要是膜的截留作用。加炭后蘇瓦值會增加，主要是粉末活性炭吸附了一些親水性的小分子有機物，使得疏水性的大分子有機物比例增加。

2.6各單元出水的分子量分布

為了進一步研究BPAC/超濾組合工藝去除有機污染物的機理，對工藝進水、膜池出水和膜出水的有機物分子量進行了分級分析。以第24天的數(shù)據為例，結果表明，進水分子量

BPAC/超濾組合工藝對分子量的影響

2.7各單元出水的親和性和疏水性

BPAC/超濾組合工藝進水中親水性物質、弱疏水性物質和強疏水性物質的比例分別為11.65%、41.98%和46.37%，且以疏水性物質為主。強疏水性物質主要是腐殖酸，弱疏水性物質主要是黃腐酸，親水性物質主要是小分子物質，如多糖、蛋白質等。超濾膜對親水性、弱疏水性和強疏水性物質的去除率分別為83.64%、22.78%和25.53%，親水性物質的去除率較高。一是進水中親水性物質較少，二是生物粉末活性炭對親水性小分子有較好的吸附降解效果。由于腐殖酸大分子物質不易生物降解，弱疏水性和強疏水性物質的去除率較低。組合工藝對疏水性物質的去除一是依靠生物粉末活性炭的吸附和降解，二是膜表面濾餅層的強化截留。研究表明，水中不同親水性和疏水性有機物對膜污染的貢獻率大小順序為:強疏水性物質>:弱疏水性物質>:親水性物質。疏水性物質是組合工藝進水中的主要成分，疏水性物質的去除主要依靠膜表面濾餅層的截留，這會加速跨膜壓差的增加，所以強疏水性物質和弱疏水性物質是造成膜污染的主要物質。

2.8 naclo強化反沖洗條件對清洗效果的影響

設定NaClO反洗持續(xù)時間為10min，NaClO濃度為200、300和400mg/L時，超濾膜的跨膜壓差變化如圖6所示?？梢钥闯鯪aClO反洗后的跨膜壓差明顯低于清洗前。用超濾膜濃度為200.300和400mg/L的NaClO溶液反洗10min后，反洗效率分別為243.78%、84.21%和446.67%，反洗后第一周期的大跨膜壓差分別下降了16.67%、13.99%和32.74%。因此，NaClO濃度為400mg/L時，反沖洗效果較好。

NaClO清洗濃度設定為400mg/L，考察了NaClO清洗時間分別為5、10和15min時跨膜壓差的變化。結果表明，NaClO反沖洗時間為5、10和15min時，反沖洗效率分別為170.00%、446.67%和453.85%，反沖洗后第一周期的大跨膜壓差比反沖洗前分別降低了3.28%、32.74%和27.12%。因此，反洗時間為10min時，反洗效果較好。說明NaClO維持化學反沖洗的持續(xù)時間并不是越長越好，這可能是因為超濾膜絲上低濃度NaClO能去除的物質有限，達到一定的沖洗時間才能達到更大的效果。

三。結論

①當進水氨氮濃度低于0.25mg/L時，BPAC/UF系統(tǒng)中硝化菌活性較差，不能充分發(fā)揮生物降解作用，氨氮去除率較低。當進水氨氮濃度約為0.6mg/L時，可形成穩(wěn)定的生物活性炭，組合工藝對氨氮的去除率約為92%。

②②BPAC/UF組合工藝運行前14天，進水氨氮濃度低，導致微生物活性差、數(shù)量少，有機物去除率低且不穩(wěn)定。隨著氨氮濃度的增加和補碳量的增加，通過活性炭的吸附，有機物的去除率會在短時間內提高。當生物粉末活性炭穩(wěn)定形成時，組合工藝對CODMn、UV254和DOC的平均去除率分別為27.39%、30.79%和20.19%。

③BPAC/超濾組合工藝的進水中，分子量

④NaClO強化反沖洗可以減少膜污染，減緩跨膜壓差的增長速度。在本實驗中，當次氯酸鈉濃度為400mg/L，反沖洗時間為10min時，可以獲得較好的清洗效果。(來源:同濟大學環(huán)境科學與工程學院、上海同濟城市規(guī)劃設計研究院有限公司)

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標簽:  生物粉末活性炭-超濾組合工藝處理微污染原水