BPAC-超滤组合工艺处理微污染原水

近年来，我国水源水受到了不同程度的工业、农业和生活污水的污染，特别是有机物的污染，导致水源水部分水质指标达不到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的ⅲ类标准。水厂常规处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)不能有效净化，出水水质达不到《生活饮用水卫生标准》( GB 5749)目前，微污染原水的处理方法按其净化工艺可分为强化常规工艺、预处理工艺和深度处理工艺，具体涉及吸附、氧化、生物处理和膜分离技术。膜分离技术具有出水水质好且稳定、占地面积小、能耗低等优点，被公认为新一代水处理技术，在水质净化方面具有广阔的前景。2006年，李提出了“以超滤为核心的第三代城市饮用水净化工艺”，国内投入运行的超滤膜水厂数量也在大幅增加。然而，在实际生产过程中，超滤膜处理后溶解性有机物的去除率并不高。此外，自膜分离技术诞生以来，膜污染一直是一个不容忽视的问题。因此，超滤膜往往与其他工艺相结合，形成组合工艺，可以取长补短，发挥各自的效率来净化水质。

活性炭比表面积大，吸附能力强，可以吸附去除水中的有机污染物。此外，活性炭表面形成的微生物膜可以利用微生物的新陈代谢，有效降低水中氨氮(NH+4-N)的浓度。因此，由生物粉末活性炭和超滤组成的“生物粉末活性炭-超滤”(BPAC-超滤)工艺应运而生。BPAC-超滤工艺在实际应用中主要分为一体式和分体式。一体式工艺，即将粉末活性炭直接投加到膜池中形成膜生物反应器，也称为粉末活性炭-膜生物反应器(PAC-MBR)工艺。分体式工艺，即进水先经过粉末活性炭罐进行接触吸附，然后炭罐出水进入超滤膜罐，可称为BPAC-超滤组合工艺。近年来，BPAC-超滤过程引起了许多研究者的关注。宣永奇等发现BPACUF组合工艺能有效去除微污染原水中的恶臭物质。李臻等比较了生物粉末活性炭-膜生物反应器(BPAC-MBR)工艺和BPAC-超滤工艺，发现BPAC-超滤工艺粉末活性炭表面生物降解性更好，由于水力停留时间长，耐冲击性更好。

本文采用粉末活性炭接触池与超滤膜分离工艺，并以宜兴市九滨水厂为中试装置，系统考察了BPAC-超滤分离工艺对微污染原水的处理效果，并对超滤膜污染进行了研究。比较了PVDF和PVC两种材料，分析了它们在处理效果和抗污染能力方面的优缺点。

三。材料和方法

1.1原水质量

本实验所用原水为宜兴市宜宾水厂西枫水源水，经过中试规模的常规工艺(混凝-平流沉淀-V型滤池)处理。原水的主要水质参数见表1。

从表1可以看出，西樵水源水浊度指数较高且变化较大，CODMn指数基本满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的ⅲ类水体标准。试验期间氨氮浓度为0.064 ~ 0.322毫克/升。为了模拟NH+4-N的季节性高水质特性，为BPAC工艺中的硝化细菌提供足够的营养，通过在西尾原水中连续投加氯化铵来模拟NH+4-N高峰期的水质变化特性

1.2材料和测试方法

试验所用的PAC为宜兴市水滨水厂提供的木炭，其主要性能参数见表2。

试验所用超滤膜为苏州李生净水技术有限公司提供的浸没式PVC中空纤维膜和PVDF中空纤维膜，其主要参数见表3。

试验的常规指标主要包括浊度、高锰酸盐指数(CODMn)、UV254、溶解有机碳(DOC)、pH、NH4+-N、亚硝酸氮(NO-2--N)、跨膜压差等。测试方法和仪器见表4。

1.3测试方法

BPAC-超滤组合工艺如图1所示。过滤后的水由进水泵泵入活性炭接触池，采用湿法投加PAC。为了使活性炭保持悬浮状态，活性炭接触池采用上流式，同时安装了机械搅拌装置。此外，为了保证足够的溶解氧满足硝化菌对PAC颗粒的生长要求，接触池内安装了曝气装置。活性炭接触池中的水通过堰溢流至斜管沉淀区底部，水向上流经斜管沉淀区，斜管沉淀区上部为清水区，清水区的水通过溢流堰流向炭池出口区。此外，在本实验中，碳池设有回流管，以减少PAC的损失。进水泵将碳池出口区的水抽到膜池。

本实验采用浸没式超滤膜，因此膜池中的水位高于PVDF和PVC超滤膜，超滤膜的反冲洗水由超滤产生。碳池进水流量为1.10m3/h，碳池中PAC浓度为2g/L，膜通量为20L/(m2 & # 8226；h)，PVDF膜和PVC膜的产水量分别为0.52m3/h和0.56m3/h，过滤周期为45min。超滤反洗采用先空气冲洗，后气水同时反洗的方法，空气冲洗强度5m3/h，水冲洗强度4m3/h，空气冲洗时间30s，气水同时反洗时间40s。

二。结果和讨论

2.1超滤组合工艺对浊度和颗粒物的去除效果

BPAC-超滤组合工艺对浊度和颗粒物的去除效果见图2和图3，去除率见表5。

是浊度为0.51~1.73NTU的中试过滤水，波动范围较小，说明常规工艺出水浊度比较稳定，浊度控制效果较好。膜池的浊度为1.07~3.48NTU，大于进水的波动范围。主要原因是炭池中的PAC不能被斜管沉淀区完全沉淀，炭池中的PAC会随炭池出水进入膜池，造成膜池浊度指标的波动。PVDF和PVC超滤膜对浊度的平均去除率在95%以上，出水浊度分别为0.02~0.12NTU和0.02~0.09NTU，符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)出水浊度小于1NTU的要求。PVDF膜和PVC膜的除浊效果基本相同。

膜池中小于10μm的颗粒数量远高于进水，这主要是由于炭池中斜管沉淀区不能完全截留沉淀PAC，导致PAC随炭池出水进入膜池。随着颗粒粒径的增大，膜池中的颗粒数呈幂函数减少。在PVDF膜和PVC膜的出水中，各种尺寸的颗粒数量都很少，说明超滤膜在颗粒数量上具有稳定的产水性能。

从表5可以看出，PVDF膜和PVC膜对小于2μm的颗粒物的去除率分别为91.64%和88.83%。随着粒径的增大，两组膜的去除率均降低。这是因为随着粒径的增大，进水中大粒径颗粒的数量呈幂函数顺序减少，超滤膜出水大分子颗粒数量的绝对值足够小，导致去除率较低。其次，由于颗粒计数器无法清晰区分微小气泡和真实颗粒，物理反冲洗尤其是空气冲洗后留下的微小气泡可能会增加超滤膜出水的颗粒量，因此去除率不高。

虽然PAC随炭池出水进入膜池，但膜池中小分子颗粒数量急剧增加，PVDF膜和PVC膜对颗粒的去除效果较好，超滤膜出水可以满足要求。在颗粒的截留率和去除率方面，PVDF膜略高于PVC膜，但总体差异不显著。

2.2 BPAC-超滤组合工艺的脱氮效果

BPAC-超滤组合工艺去除NH+4-N的效果如图4所示。运行前7天，进水NH+4-N浓度为0.084~0.210mg/L，NH+4-N浓度较低，不足以为硝化细菌提供充足的营养[14]，可能导致后期运行中硝化细菌无法在PAC上“挂膜”。为了模拟原水季节性NH+4-N超标的情况，在运行的第8天连续向西尾原水投加氯化铵，使NH+4-N浓度达到1.0~3.0mg/L，保证了硝化菌正常生长所需的营养，并通过生物降解有效去除了原水NH+4-N。

运行前7天，BPAC-超滤组合工艺对NH+4-N的去除率呈下降趋势。主要原因是碳池中加入的PAC为新鲜碳，具有足够的吸附点，可以吸附去除水中的NH+4-N。随着吸附点数的减少，对NH+4-N的吸附效果降低。图5显示了BPAC-超滤组合工艺的亚硝酸盐去除效果。在运行的前7天，进水、膜池和出水的亚硝酸盐浓度较低且差异不显著，说明此时硝化细菌尚未生长成熟，超滤膜表面尚未形成稳定的生物层。

连续投加氯化铵并重新投加PAC(第8天)后，理论上氯化铵的投加不会直接增加进水中亚硝酸盐的浓度，但从图5可以看出，进水中亚硝酸盐的浓度明显高于前7天的平均浓度。这主要是由于原水NH+4-N浓度升高后，采用中试规模的常规工艺(混凝-平流沉淀-V型滤池)处理原水，特别是平流沉淀池，有一定程度的微生物作用，使NH+4-N转化为亚硝酸盐，导致碳池进水亚硝酸盐浓度明显高于前7天的平均浓度。运行第10天，亚硝酸盐浓度呈上升趋势，出水亚硝酸盐浓度高于进水，说明亚硝酸盐细菌开始在PAC颗粒上逐渐生长。图4显示此时系统对NH+4-N的去除率逐渐增加。运行11 ~ 20天后，各工艺单元的亚硝酸盐浓度逐渐升高，膜池从0.152mg/L升高到0.386mg/L，PVDF膜出水从0.178mg/L升高到0.408mg/L，PVC膜出水从0.166mg/L升高到0.403mg/L。超滤膜出水的亚硝酸盐浓度高于膜池，说明膜池中生长有亚硝酸盐细菌，膜池中的NH+4-N在亚硝酸盐细菌的作用下转化为亚硝酸盐，因此超滤膜出水的NH+4-N浓度降低，亚硝酸盐浓度升高。22d时，PVDF膜对NH+4-N的去除率从45.25%提高到77.55%，PVC膜从43.13%提高到81.56%。NH+4-N的去除主要是通过附着在PAC颗粒上的亚硝酸盐细菌的生物降解实现的。在运行的20 ~ 32天期间，亚硝酸盐浓度呈下降趋势，直至低于进水亚硝酸盐浓度，主要是因为在此阶段，硝化菌开始在膜池和碳池中生长，将亚硝酸盐转化为硝酸盐，所以亚硝酸盐浓度逐渐下降。同时，BPAC-超滤组合工艺在此阶段对NH+4-N的去除效果稳定，去除率在80%以上。

综上所述，装置中的微生物作用主要是通过亚硝酸盐细菌将NH+4-N浓度转化为亚硝酸盐，通过硝酸盐细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。硝酸菌的生长周期比亚硝酸菌长，约9天后成熟，与刘的结论基本一致。

2.3 BPAC-超滤组合工艺对CODMn的去除效果

BPAC-超滤组合工艺对CODMn的去除效果如图6所示。

在运行的前7天，该装置主要依靠活性炭的吸附和膜的截留来去除CODMn。PAC是刚加入炭池的新炭，其表面有大量的吸附点，可以借助PAC的吸附性能去除CODMn。但随着PAC达到吸附饱和，组合工艺对CODMn的去除率呈下降趋势，这与林悦的研究基本一致[16]。在运行的第8天，氯化铵被连续添加到Westwater的原水中。同时向碳池中重新加入PAC，使其浓度达到2g/L，然后每天向碳池中加入0.2g/L新鲜碳，保持碳池中PAC浓度相对稳定。从图6中可以看出，BPAC-超滤组合工艺对CODMn的去除率急剧上升，达到30%以上，主要依靠新鲜炭的吸附。走势和前7天一样。随着新炭吸附点的减少，PAC逐渐达到吸附饱和，对CODMn的去除率不断降低。

在运行的第11 ~ 32天，PAC颗粒上开始生长亚硝酸盐菌和硝酸盐菌，PVDF膜对CODMn的去除率为12.70%~28.67%，PVC膜为11.11%~28.21%，波动幅度较大。主要是因为微生物的存在，尤其是亚硝酸盐细菌的生长，影响了水中CODMn的波动和去除率。随着亚硝酸盐细菌将水中的氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐作为还原性无机物在CODMn中起着重要作用。随着硝酸菌的生长，BPAC-超滤组合工艺对CODMn的去除率趋于稳定，在第25～32d，PVDF膜和PVC膜对CODMn的平均去除率分别为25.50%和24.84%。在林悦的研究中，reach超滤对CODMn的去除率可达70%。推测原因可能是本次实验中，进水为中试过滤水，CODMn初始浓度为2.15~3.33mg/L，而林悦研究中为5.5 ~ 8.6 mg/L

2.4跨膜压差

该试验BPAC-超滤组合工艺以20L/(m3 & # 8226；h)恒定通量连续运行，过滤产水周期为45min。各周期之间的反洗过程如下:单独气洗30s，然后同时气水反洗40s。空气冲洗强度设置为5m3/h，水冲洗强度设置为4m3/h。跨膜压差的变化基于每个产水期开始时的跨膜压差。

选择12h作为短期跨膜压差的研究时间，超滤膜产水周期为45min，12h有11个有效产水周期(图7)。

从图7中可以看出，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差随着运行时间的增加而逐渐增大，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差的增长率分别为0.94kPa/d和1.02kPa/d。因此，在相同的运行周期内，PVDF膜的跨膜压差的增加速率小于PVC膜。

图8显示了长期运行过程中PVDF膜和PVC膜之间的跨膜压差的变化。日跨膜压差是当天所有运行期的平均跨膜压差。根据文献研究和工程经验，当跨膜压力升至40kPa时，设置化学反冲洗。从图8中可以看出，运行期间跨膜压力没有超过40kPa，因此在测试期间没有进行化学反洗。PVDF膜和PVC膜的跨膜压差变化趋势相似。在运行中，PVC膜的跨膜压差和生长速率略高于PVDF膜。在整个运行阶段，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差增长率分别为1.01kPa/d和1.10kPa/d。第一天到第八天，超滤膜刚使用后，膜表面更容易吸附水中的污染物和PAC，从而形成滤饼层，所以跨膜压差迅速增大。8 ~ 8 ~ 24d，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差增加速度减缓，主要是由于膜表面滤饼层逐渐形成，膜池水中污染物含量没有突然增加，造成对超滤膜系统的冲击。25 ~ 32天，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差迅速增大，主要是因为膜表面和膜孔已经被严重污染，尤其是不可逆污染导致循环间物理反冲洗不能有效控制膜污染。

运行结束后，对超滤膜进行强化物理反冲洗，空气冲洗和水冲洗的强度与之前的运行参数一致。先单独水冲洗8min，然后气水同时反洗40s。物理反冲后，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差分别从37.32kPa和40.64kPa下降到14.39kPa和15.75kPa，回复率分别为61.44%和61.25%。

在物理反洗的基础上，对PVDF膜和PVC膜进行了化学反洗。本研究采用的化学反洗方法是用600mg/L的次氯酸钠溶液反洗2min，通量与超滤一致。然后将膜池的反洗水配制成1000mg/L的次氯酸钠溶液，浸泡PVDF膜和PVC膜2小时，每30分钟设置一次持续时间为2分钟的单独鼓风，强度与上述物理鼓风一致。化学清洗后，PVDF膜和PVC膜的跨膜压差分别降至7.36kPa和8.34kPa，回收率分别为80.28%和79.47%。可以看出，PVDF膜和PVC膜被污染后，通过加强物理反冲洗和化学反冲洗可以大大减轻膜污染，PVDF膜的产水性能可以恢复到较好的状态，PVDF膜的恢复略好于PVC膜。

2.5膜污染物分析

本实验测定了超滤膜强化物理反冲洗水和化学反冲洗水中的UV254、DOC和金属离子，并进一步分析了膜污染物质的组成。

从图9到图11可以看出，与化学反洗水相比，强化物理反洗水的UV254较低，DOC较高，导致SUVA(uv 254与DOC的比值)较低。研究表明，SUVA越低，水中小分子亲水性有机物越多，反之，水中疏水性大分子腐殖质有机物越多。因此，强化物理反冲洗水中的低SUVA表明物理反冲洗去除了膜表面大量的亲水性小分子有机污染，这些污染构成了滤饼层的主要成分。而化学反洗水UV254较高，DOC较低，所以SUVA较高，说明化学反洗主要去除膜表面的不可逆污染，主要是大分子腐殖酸。同时，由于PVDF膜和PVC膜都是弱疏水性超滤膜，在疏水性的作用下，两种超滤膜更容易截留水中的疏水性有机物。

三。结论

(1)PVDF膜和PVC膜，两种不同材质的膜组合工艺，可以对浊度有很好的处理效果。虽然炭池斜管沉淀区不能完全截留PAC，但膜的截留效果仍能满足出水浊度的要求。PVDF膜在去除粒径小于2 μ m的颗粒方面略好于PVC膜。

(2)当初始阶段PAC未转化为BPAC时，该工艺对NH+4-N和CODMn的去除主要依靠活性炭吸附。当PAC转化为BPAC时，BPAC-UF对NH+4-N的去除主要是通过亚硝酸盐菌将NH+4-N转化为亚硝酸盐，硝酸盐菌转化为亚硝酸盐，后期去除率稳定在80%以上。硝酸菌的生长周期比亚硝酸菌长，生长成熟约晚9天。BPAC-超滤对CODMn的去除率不高，稳定在25%左右。

(3)PVDF膜和PVC膜的跨膜压差增长趋势相似，但PVC膜的跨膜压差增长率略高于PVDF膜。经过强化物理反洗和化学反洗后，两种膜的产水性能都能恢复到较好的状态，PVDF膜的恢复程度略好于PVC膜。

(4)强化物理反冲洗可以去除超滤膜表面大量的亲水性小分子有机污染物，而化学清洗可以去除超滤膜表面不可逆的有机污染物，主要是大分子腐殖酸。(来源:同济大学环境科学与工程学院)

免责声明：本网站内容来源网络，转载是出于传递更多信息之目的，并不意味赞成其观点或证实其内容真实性。转载稿涉及版权等问题，请立即联系网站编辑，我们会予以更改或删除相关文章，保证您的权利。
标签:  微污染原水处理BPAC-UF组合工艺