水廠常規(guī)處理工藝難以有效去除微污染原水中的氨氮、有機(jī)物等物質(zhì)，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(shù)，其結(jié)合了活性炭吸附、微生物降解以及膜分離技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)水中氨氮和有機(jī)物有較好的去除效果，且該工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，操作靈活性高，具有較好的實(shí)用性。筆者考察了BPAC/UF組合工藝對(duì)微污染水中氨氮和有機(jī)物等污染物的去除效果，以及化學(xué)強(qiáng)化反沖洗對(duì)跨膜壓差的影響，旨在為該工藝的實(shí)際應(yīng)用提供參考。
一、試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)用BPAC/UF小試裝置如圖1所示，由PVC材質(zhì)的中空纖維膜組件、反應(yīng)器、清水箱、浮球閥液位控制系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、回流系統(tǒng)、蠕動(dòng)泵、壓力傳感器和PLC控制系統(tǒng)等組成。其中，反應(yīng)器由活性炭接觸池、斜板沉淀池和膜池3部分組成。活性炭接觸池的有效容積為6.0L，斜板沉淀池的有效容積為8.4L，斜板高度為100mm，傾斜角為60。，膜池有效容積為2.8L。反應(yīng)器留有50mm超高，并在30mm超高處設(shè)有溢流口。
BPAC/UF小試裝置以30L/(m2-h)的恒通量運(yùn)行，進(jìn)水在活性炭接觸池的停留時(shí)間約為2h，采用24h連續(xù)曝氣和攪拌，曝氣流量為30L/h，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為20r/min。粉末活性炭一次性投加，投加量為2g/L，裝置運(yùn)行前，粉末活性炭已經(jīng)經(jīng)過(guò)1個(gè)月的曝氣培養(yǎng)，已初步形成絮狀物。每30min進(jìn)行一次污泥回流，將沉淀池內(nèi)的活性炭回流到活性炭接觸池。膜池內(nèi)的水每2d排空一次。反沖洗間隔為30min，每次以2倍的出水通量反沖洗60s。
試驗(yàn)采用蘇州立升凈水科技有限公司提供的浸入式PVC中空纖維膜，膜絲有效長(zhǎng)度為25cm，有效膜面積為0.063m2，膜纖維內(nèi)、外徑分別為1.0，2.0mm，平均膜孔徑為0.02μm，截留分子質(zhì)量為50ku，最高抽吸工作壓力為-80kPa，工作pH值范圍為1~13。
1.2 試驗(yàn)用水
試驗(yàn)用水為江蘇省某微污染原水，該原水存在氨氮和有機(jī)物含量季節(jié)性偏高的問(wèn)題。微污染原水進(jìn)入BPAC/UF組合工藝前先經(jīng)過(guò)模擬混凝沉淀過(guò)程，混凝劑采用聚合氯化鋁，濕法投加，投加量為20mg/L，加藥后用三級(jí)攪拌機(jī)依次以不同轉(zhuǎn)速模擬混凝沉淀的不同階段：高速(80r/min)攪拌30s模擬快速混合階段、中速(40r/min)攪拌5min模擬混凝前期、低速(20r/min)攪拌15min模擬混凝中后期，然后靜置沉淀2h，采用蠕動(dòng)泵抽取上清液經(jīng)過(guò)濾后作為BPAC/UF小試裝置的進(jìn)水。試驗(yàn)裝置進(jìn)水水質(zhì)如下：濁度為1.96-5.47NTU，CODMn為1.75-4.70mg/L，UV254為0.032~0.089cm-1，DOC為3.450-6.142mg/L，氨氮為0.03-0.16mg/L。
1.3 檢測(cè)項(xiàng)目與方法
CODMn：酸性高猛酸鉀法，氨氮：納氏試劑分光光度法，UV254：紫外-可見(jiàn)分光光度法，DOC：TOC-LCPH總有機(jī)碳分析儀。
二、結(jié)果與討論
2.1 對(duì)氨氮的去除效果
試驗(yàn)裝置運(yùn)行前13d，由于氣溫較低，進(jìn)水氨氮濃度較低、平均濃度僅為0.063mg/L，有研究表明，當(dāng)水中氨氮濃度超過(guò)0.25mg/L時(shí)，才可提供足夠的營(yíng)養(yǎng)供硝化細(xì)菌生長(zhǎng)，所以在此條件下，硝化細(xì)菌活性較差，無(wú)法充分發(fā)揮生物降解作用。通過(guò)對(duì)該微污染原水水質(zhì)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，2017年原水中的氨氮平均濃度為0.61mg/L，因此從第14天開(kāi)始向進(jìn)水中投加NH<1，使得進(jìn)水氨氮平均濃度為0.68mg/L，以模擬該原水氨氮濃度超標(biāo)時(shí)的情況。
BPAC/UF組合工藝對(duì)氨氮的去除效果見(jiàn)圖2。裝置運(yùn)行前3d，氨氮去除率較高、平均值達(dá)到了75.29%，這是因?yàn)檠b置正式運(yùn)行前，活性炭已經(jīng)經(jīng)過(guò)1個(gè)月的曝氣培養(yǎng)，硝化細(xì)菌已經(jīng)掛膜成功，形成了生物粉末活性炭。但是從第4天開(kāi)始，氨氮去除率迅速降低，進(jìn)水中的氨氮濃度太低不足以提供硝化細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在第5~13天，由于炭池中有連續(xù)曝氣，因此部分硝化細(xì)菌依然可以存活并且發(fā)揮生物降解作用，炭池對(duì)氨氮的平均去除率為50.99%。但是硝化細(xì)菌隨水流到膜池后，在貧營(yíng)養(yǎng)、貧氧氣條件下，膜池內(nèi)及吸附在膜表面上的微生物會(huì)逐漸死亡而分解成蛋白質(zhì)及無(wú)機(jī)鹽等，從而導(dǎo)致出水中的氨氮濃度高于進(jìn)水，組合工藝出水氨氮平均濃度為0.063mg/L，有些天甚至?xí)霈F(xiàn)氨氮去除率為負(fù)值的情況。在第15天向炭池內(nèi)投加5g的活性炭，經(jīng)過(guò)5d的適應(yīng)生長(zhǎng)，炭池對(duì)氨氮的去除率為92.23%，而組合工藝對(duì)氨氮的總?cè)コ蕿?2.13%，由此說(shuō)明BPAC/UF組合工藝對(duì)氨氮的去除主要依靠活性炭顆粒上附著的硝化細(xì)菌的降解作用，超濾膜對(duì)氨氮幾乎無(wú)去除作用。
2.2 對(duì)CODMn的去除效果
BPAC/UF組合工藝對(duì)CODMn的去除效果如圖3所示?？梢钥闯觯M合工藝對(duì)CODMn的去除率波動(dòng)較大，前14d對(duì)CODMn的去除率在6.18%~23.05%之間波動(dòng)，而膜池出水CODMn濃度較膜池內(nèi)的濃度平均低了0.08mg/L，這是因?yàn)榱魅肽こ氐姆勰┗钚蕴勘?a href="http://m.redpic.cn/" target="_blank" class="keylink">超濾膜截留下來(lái)，在膜表面形成濾餅層，此時(shí)濾餅層并無(wú)微生物附著生長(zhǎng)，因此對(duì)CODMn的去除主要是由于濾餅層的截留作用。14d后進(jìn)水氨氮濃度升高，微生物逐漸再次生長(zhǎng)成熟，組合工藝對(duì)CODMn的去除率有所提高，在13.39%~47.67%之間波動(dòng)。第16-24天CODMn去除率波動(dòng)尤為嚴(yán)重，這是因?yàn)樵谶B續(xù)曝氣條件下，第17天起亞硝化菌的生長(zhǎng)繁殖使得水中產(chǎn)生大量的亞硝酸鹽(最高值達(dá)到0.75mg/L左右)，亞硝酸鹽作為一種還原性無(wú)機(jī)物對(duì)CODMn的去除有不可忽視的影響。隨著硝化細(xì)菌活性的增加，水中的亞硝酸鹽逐漸被氧化，24d之后CODMn去除率逐漸上升并穩(wěn)定，在第24-27天BPAC/UF組合工藝對(duì)CODMn的平均去除效率為27.39%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，第15天補(bǔ)炭之后CODMn去除率激增，這說(shuō)明投加的新炭的吸附作用能在短時(shí)間內(nèi)提高工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果。
2.3 對(duì)UV綁的去除效果
BPAC/UF組合工藝對(duì)UV254的去除效果如圖4所示。
前14d組合工藝對(duì)UV254的去除效果不穩(wěn)定，平均去除率為27.99%，第15天補(bǔ)炭后，對(duì)UV254的去除率有所提高，第15~22天對(duì)UV254的平均去除率為38.49%，至第23天對(duì)UV254的去除率趨于穩(wěn)定，第23~27天對(duì)UV254的平均去除率為30.79%。分析認(rèn)為，生物粉末活性炭對(duì)UV254的去除是活性炭吸附和生物降解雙重作用的結(jié)果。
2.4 對(duì)DOC的去除效果
BPAC/UF組合工藝對(duì)DOC的去除效果見(jiàn)圖5。此工藝對(duì)DOC的去除率波動(dòng)較大，為7.34%~34.92%。DOC表征水體中溶解性有機(jī)碳的含量，而溶解性可生物降解有機(jī)碳(BDOC)占溶解性有機(jī)碳的比例比較少，且受微生物數(shù)量和活性的影響，因此微生物對(duì)DOC的去除效果極其有限，并且腐殖質(zhì)是DOC的主要組成物質(zhì)，而腐殖質(zhì)不易被細(xì)菌分解利用。因此，前14d，組合工藝對(duì)DOC的去除率較低，平均去除率為16.17%，第15天投炭后，由于活性炭的吸附作用，DOC去除率有所升高，至第22天去除率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后組合工藝對(duì)DOC的平均去除率為20.19%。
2.5 對(duì)SUVA的去除效果
SUVA值為天然有機(jī)物芳香度的代表指標(biāo)，其定義為單位質(zhì)量濃度DOC的紫外吸收值。在本試驗(yàn)中，進(jìn)水SUVA值在0.84-1.6117(m•mg)之間波動(dòng)，超濾膜出水的SUVA值相較于進(jìn)水有所降低。前14d組合工藝對(duì)SUVA的平均去除率為14.01%，第15天投炭后SUVA去除率逐漸升高，至第23天后又趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后對(duì)SUVA的平均去除率為14.41%。
SUVA值的高低反映了水中有機(jī)物種類的差別，SUVA值越高說(shuō)明水中的疏水性大分子腐殖類有機(jī)物越多，反之說(shuō)明小分子親水性有機(jī)物越多。陳衛(wèi)等人的研究表明超濾對(duì)有機(jī)物的截留以疏水性大分子有機(jī)物為主，本試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，超濾后SUVA值會(huì)降低，這主要是因?yàn)槟さ慕亓糇饔?。投炭后SUVA值會(huì)升高，主要是因?yàn)榉勰┗钚蕴课搅艘徊糠中》肿佑H水性有機(jī)物，使得疏水性大分子有機(jī)物所占比例升高。
2.6 各單元出水的分子質(zhì)量分布
為進(jìn)一步研究BPAC/UF組合工藝對(duì)有機(jī)污染物的去除機(jī)理，對(duì)工藝進(jìn)水、膜池水、膜出水進(jìn)行有機(jī)物分子質(zhì)量分級(jí)試驗(yàn)分析，以第24天的數(shù)據(jù)為例，結(jié)果顯示，進(jìn)水中分子質(zhì)量<1、1~5、5~10、10~50、>50ku的有機(jī)物所占比例分別為59.02%、1&03%、4.92%、3.28%和14.75%，主要以分子質(zhì)量<5ku的有機(jī)物為主。膜池中混合液對(duì)分子質(zhì)量<1、1~5、5~10、10~50、>50ku的有機(jī)物的去除率分別為16.67%、27.27%、0、0和11.11%。由于進(jìn)水中分子質(zhì)量>5ku的有機(jī)物很少，所以生物粉末活性炭對(duì)其去除率也很有限。膜池中混合液主要去除的是分子質(zhì)量<5ku的有機(jī)物，這與活性炭主要吸附小分子有機(jī)物的結(jié)論是一致的。
BPAC/UF組合工藝對(duì)分子質(zhì)量<1、1~5、5~10、10~50、>50ku的有機(jī)物的去除率分別為25.00%、63.64%、33.33%、0和22.22%。組合工藝也對(duì)分子質(zhì)量<5ku的有機(jī)物去除效果最好。通過(guò)對(duì)比超濾膜出水和膜池水發(fā)現(xiàn)，超濾膜對(duì)不同分子質(zhì)量的有機(jī)物基本均有進(jìn)一步的去除作用，這是因?yàn)榉勰┗钚蕴吭谀そz表面形成濾餅層，從而可以通過(guò)截留作用將一部分有機(jī)物強(qiáng)化截留在膜表面，以待膜池內(nèi)的微生物進(jìn)一步降解去除。
2.7 各單元出水的親疏水性
BPAC/UF組合工藝進(jìn)水中親水性、弱疏水性和強(qiáng)疏水性物質(zhì)所占比例分別為11.65%，41.98%和46.37%，以疏水性物質(zhì)為主。強(qiáng)疏水性物質(zhì)主要是腐殖酸類物質(zhì)，弱疏水性物質(zhì)主要是富里酸類物質(zhì)，親水性物質(zhì)主要是小分子物質(zhì)，如多糖、蛋白質(zhì)等。超濾膜對(duì)親水性、弱疏水性和強(qiáng)疏水性物質(zhì)的去除率分別為83.64%、22.78%和25.53%，對(duì)親水性物質(zhì)的去除率較高，一是因?yàn)檫M(jìn)水中親水性物質(zhì)比較少，二是生物粉末活性炭對(duì)親水性小分子物質(zhì)的吸附降解作用更好。對(duì)弱疏水性和強(qiáng)疏水性物質(zhì)的去除率較低，是因?yàn)楦乘犷惔蠓肿游镔|(zhì)不易被生物降解，組合工藝對(duì)疏水性物質(zhì)的去除一是依靠生物粉末活性炭的吸附降解作用，二是膜表面濾餅層的強(qiáng)化截留作用。有研究表明水體中不同親疏水性的有機(jī)物對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)率順序?yàn)椋簭?qiáng)疏水性物質(zhì)>弱疏水性物質(zhì)>親水性物質(zhì)。組合工藝進(jìn)水中以疏水性物質(zhì)為主，且對(duì)疏水性物質(zhì)的去除主要依靠膜面濾餅層的截留作用，這會(huì)使得跨膜壓差升高加快，因此強(qiáng)疏水性和弱疏水性物質(zhì)是造成膜污染的主要物質(zhì)。
2.8 NaClO強(qiáng)化反沖洗條件對(duì)清洗效果的影響
設(shè)置NaClO反沖洗持續(xù)時(shí)間為10min，當(dāng)NaClO濃度分別為200、300和400mg/L時(shí)，超濾膜的跨膜壓差變化情況如圖6所示?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)NaClO反沖洗后，跨膜壓差較未清洗前明顯降低。超濾膜以濃度分別為200.300和400mg/L的NaClO溶液反沖洗10min后，反沖洗效率分別為243.78%、84.21%和446.67%，反沖洗后第1個(gè)周期內(nèi)的最大跨膜壓差較反沖洗前的最大跨膜壓差分別降低了16.67%，13.99%和32.74%。由此可見(jiàn)，當(dāng)NaClO濃度為400mg/L時(shí)反沖洗效果最優(yōu)。
設(shè)置NaClO清洗濃度為400mg/L，考察NaClO清洗持續(xù)時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)跨膜壓差變化情況。結(jié)果表明，當(dāng)NaClO反沖洗持續(xù)時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)，反沖洗效率分別為170.00%、446.67%和453.85%，反沖洗后第1個(gè)周期內(nèi)最大跨膜壓差較反沖洗前的最大跨膜壓差分別降低了3.28%，32.74%和27.12%。由此可見(jiàn)，當(dāng)反沖洗持續(xù)時(shí)間為10min時(shí)反沖洗效果最佳。說(shuō)明NaClO維護(hù)性化學(xué)反沖洗持續(xù)時(shí)間并非越長(zhǎng)越好，這可能是因?yàn)?a href="http://m.redpic.cn/" target="_blank" class="keylink">超濾膜絲上可通過(guò)低濃度NaClO去除的物質(zhì)有限，當(dāng)達(dá)到一定的沖洗時(shí)間后即可發(fā)揮最大的效果。
三、結(jié)論
①當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度在0.25mg/L以下時(shí)，BPAC/UF系統(tǒng)內(nèi)的硝化細(xì)菌活性較差，無(wú)法充分發(fā)揮生物降解作用，氨氮去除率較低，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度在0.6mg/L左右時(shí)，可以形成穩(wěn)定的生物活性炭，組合工藝對(duì)氨氮的去除率為92%左右。
?、贐PAC/UF組合工藝運(yùn)行前14d，進(jìn)水氨氮濃度低，導(dǎo)致微生物活性差、數(shù)量少，因此對(duì)有機(jī)物的去除率較低并且不穩(wěn)定。氨氮濃度提高并且補(bǔ)炭后，短期內(nèi)通過(guò)活性炭吸附作用會(huì)提高對(duì)有機(jī)物的去除率，當(dāng)生物粉末活性炭穩(wěn)定形成后，組合工藝對(duì)CODMn、UV254、DOC的平均去除率分別為27.39%、30.79%、20.19%。
③BPAC/UF組合工藝進(jìn)水中主要以分子質(zhì)量<5ku的有機(jī)物為主，組合工藝對(duì)這部分有機(jī)物的去除率也最高，另外，進(jìn)水中以弱疏水性和強(qiáng)疏水性物質(zhì)為主，組合工藝對(duì)疏水性物質(zhì)的去除主要依靠生物粉末活性炭的吸附降解作用和膜面濾餅層的截留作用。
④NaClO強(qiáng)化反沖洗可以很好地降低膜污染，減緩跨膜壓差的增長(zhǎng)速度，在本試驗(yàn)中，當(dāng)NaClO濃度為400mg/L、反沖洗時(shí)間為10min時(shí)可達(dá)到最佳清洗效果。( >
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