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(jī)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(shù)，結(jié)合了活性炭吸附、微生物降解和膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)水中的氨氮和有機(jī)物具有良好的去除效果。該工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，操作靈活性高，實(shí)用性強(qiáng)?？疾炝薆PAC/超濾組合工藝對(duì)微污染水中氨氮和有機(jī)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，以期為該工藝的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

一、試驗(yàn)材料和方法

1.1測(cè)試設(shè)備

如圖1所示，BPAC/超濾小型試驗(yàn)裝置由PVC中空纖維膜組件、反應(yīng)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(dòng)泵、壓力傳感器和PLC控制系統(tǒng)組成。反應(yīng)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(yīng)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(yùn)行，進(jìn)水在活性炭接觸池中的停留時(shí)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(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，粉末活性炭已曝氣一個(gè)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?jī)商烨蹇找淮巍７聪撮g隔為30分鐘，反洗時(shí)間為60s，出水流量為兩倍。

實(shí)驗(yàn)采用蘇州李生凈水技術(shù)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(zhǎng)度為25cm，有效膜面積為0.063m2，膜纖維的內(nèi)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(cè)試水

實(shí)驗(yàn)用水為江蘇省微污染原水，存在季節(jié)性氨氮和有機(jī)物含量高的問題。微污染原水在進(jìn)入BPAC/超濾組合工藝之前，要經(jīng)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(jí)攪拌器在不同轉(zhuǎn)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(dòng)泵提取上清液，過濾后作為BPAC/超濾中試裝置的進(jìn)水。試驗(yàn)裝置的進(jìn)水水質(zhì)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(cè)項(xiàng)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(jī)碳分析儀。

二。結(jié)果和討論

2.1氨氮的去除效果

裝置運(yùn)行前13天，由于溫度較低，進(jìn)水氨氮濃度較低，平均濃度僅為0.063 mg/L，有研究表明，當(dāng)水中氨氮濃度超過0.25mg/L時(shí)，可以為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)提供足夠的營(yíng)養(yǎng)。因此，在這種條件下，硝化細(xì)菌的活性較差，不能充分發(fā)揮生物降解作用。通過對(duì)微污染原水水質(zhì)的檢測(cè)，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(jìn)水氨氮的平均濃度為0.68mg/L，來(lái)模擬原水中氨氮濃度超標(biāo)的情況。

BPAC/超濾組合工藝對(duì)氨氮的去除效果如圖2所示。裝置運(yùn)行前三天，氨氮去除率較高，平均值達(dá)到75.29%。這是因?yàn)樵谘b置正式運(yùn)行前，活性炭已經(jīng)曝氣一個(gè)月，硝化細(xì)菌已經(jīng)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(jìn)水中氨氮濃度過低，無(wú)法為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)。第5 ~ 13天，由于碳池內(nèi)持續(xù)曝氣，部分硝化細(xì)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(yíng)養(yǎng)和氧氣較差的條件下，膜池內(nèi)和吸附在膜表面的微生物會(huì)逐漸死亡，分解成蛋白質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽，導(dǎo)致出水氨氮濃度高于進(jìn)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(fù)值。在第15天向碳池中加入5g活性炭，經(jīng)過5天的適應(yīng)性生長(zhǎng)，碳池中氨氮的去除率為92.23%，而組合工藝對(duì)氨氮的總?cè)コ蕿?2.13%，這說(shuō)明BPAC/UF組合工藝對(duì)氨氮的去除主要依靠附著在活性炭顆粒上的硝化細(xì)菌的降解，超濾膜對(duì)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(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14天CODMn的去除率在6.18% ~ 23.05%之間波動(dòng)，而膜池出水CODMn濃度平均比膜池低0.08mg/L。這是因?yàn)榱魅肽こ氐姆勰┗钚蕴勘怀瑸V膜截留，在膜表面形成濾餅層。此時(shí)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(jìn)水氨氮濃度升高，微生物逐漸生長(zhǎng)并再次成熟。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)。CODMn去除率的波動(dòng)在第16-24天尤為嚴(yán)重，因?yàn)樵谶B續(xù)曝氣的條件下，第17天KIA硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖在水中產(chǎn)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(wú)機(jī)物對(duì)CODMn的去除有明顯的影響。隨著硝化細(xì)菌活性的增加，水中的亞硝酸鹽逐漸被氧化。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(duì)CODMn的平均去除率為27.39%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在補(bǔ)充碳源的第15天后，CODMn的去除率急劇上升，說(shuō)明補(bǔ)充的新碳源的吸附作用可以在短時(shí)間內(nèi)提高有機(jī)物的去除效果。

2.3紫外線結(jié)合的去除效果

BPAC/超濾組合工藝對(duì)UV254的去除效果如圖4所示。

組合工藝對(duì)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(bǔ)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(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共同作用的結(jié)果。

2.4 DOC的去除效果

BPAC/超濾組合工藝對(duì)DOC的去除效果見圖5。該工藝對(duì)DOC的去除率波動(dòng)較大，從7.34%到34.92%不等。DOC代表水中溶解有機(jī)碳的含量，而溶解有機(jī)碳中溶解可生物降解有機(jī)碳(BDOC)的比例相對(duì)較小，且受微生物數(shù)量和活性的影響，所以微生物對(duì)DOC的去除作用極其有限，而腐殖質(zhì)是DOC的主要成分，而腐殖質(zhì)不易被細(xì)菌分解利用。因此，在前14天，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(duì)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(jī)物芳香度的代表指標(biāo)，定義為DOC每單位質(zhì)量濃度的紫外吸收值。在本試驗(yàn)中，進(jìn)水的SUVA值為0.84-1.6117(m & # 8226；Mg)，超濾膜出水的SUVA值低于進(jìn)水。組合工藝對(duì)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(jī)物的差異。SUVA值越高，水中疏水性大分子腐殖質(zhì)越多；反之，小分子有機(jī)物越親水。陳偉等人的研究表明，超濾截留的有機(jī)物主要是疏水性大分子有機(jī)物，這也為本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。超濾后SUVA值會(huì)降低，主要是膜的截留作用。加炭后蘇瓦值會(huì)增加，主要是粉末活性炭吸附了一些親水性的小分子有機(jī)物，使得疏水性的大分子有機(jī)物比例增加。

2.6各單元出水的分子量分布

為了進(jìn)一步研究BPAC/超濾組合工藝去除有機(jī)污染物的機(jī)理，對(duì)工藝進(jìn)水、膜池出水和膜出水的有機(jī)物分子量進(jìn)行了分級(jí)分析。以第24天的數(shù)據(jù)為例，結(jié)果表明，進(jìn)水分子量

BPAC/超濾組合工藝對(duì)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(jìn)水中親水性物質(zhì)、弱疏水性物質(zhì)和強(qiáng)疏水性物質(zhì)的比例分別為11.65%、41.98%和46.37%，且以疏水性物質(zhì)為主。強(qiáng)疏水性物質(zhì)主要是腐殖酸，弱疏水性物質(zhì)主要是黃腐酸，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%，親水性物質(zhì)的去除率較高。一是進(jìn)水中親水性物質(zhì)較少，二是生物粉末活性炭對(duì)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(zhì)不易生物降解，弱疏水性和強(qiáng)疏水性物質(zhì)的去除率較低。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和降解，二是膜表面濾餅層的強(qiáng)化截留。研究表明，水中不同親水性和疏水性有機(jī)物對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)?強(qiáng)疏水性物質(zhì)>:弱疏水性物質(zhì)>:親水性物質(zhì)。疏水性物質(zhì)是組合工藝進(jìn)水中的主要成分，疏水性物質(zhì)的去除主要依靠膜表面濾餅層的截留，這會(huì)加速跨膜壓差的增加，所以強(qiáng)疏水性物質(zhì)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)定NaClO反洗持續(xù)時(shí)間為10min，NaClO濃度為200、300和400mg/L時(shí)，超濾膜的跨膜壓差變化如圖6所示。可以看出NaClO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(shí)，反沖洗效果較好。

NaClO清洗濃度設(shè)定為400mg/L，考察了NaClO清洗時(shí)間分別為5、10和15min時(shí)跨膜壓差的變化。結(jié)果表明，NaClO反沖洗時(shí)間為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(shí)間為10min時(shí)，反洗效果較好。說(shuō)明NaClO維持化學(xué)反沖洗的持續(xù)時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，這可能是因?yàn)槌瑸V膜絲上低濃度NaClO能去除的物質(zhì)有限，達(dá)到一定的沖洗時(shí)間才能達(dá)到更大的效果。

三。結(jié)論

①當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度低于0.25mg/L時(shí)，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(dāng)進(jìn)水氨氮濃度約為0.6mg/L時(shí)，可形成穩(wěn)定的生物活性炭，組合工藝對(duì)氨氮的去除率約為92%。

②②BPAC/UF組合工藝運(yùn)行前14天，進(jìn)水氨氮濃度低，導(dǎo)致微生物活性差、數(shù)量少，有機(jī)物去除率低且不穩(wěn)定。隨著氨氮濃度的增加和補(bǔ)碳量的增加，通過活性炭的吸附，有機(jī)物的去除率會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提高。當(dāng)生物粉末活性炭穩(wěn)定形成時(shí)，組合工藝對(duì)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(jìn)水中，分子量

④NaClO強(qiáng)化反沖洗可以減少膜污染，減緩跨膜壓差的增長(zhǎng)速度。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)次氯酸鈉濃度為400mg/L，反沖洗時(shí)間為10min時(shí)，可以獲得較好的清洗效果。(來(lái)源:同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司)

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標(biāo)簽:  生物粉末活性炭-超濾組合工藝處理微污染原水