膜生物反應器凈化微污染引黃水庫水效能

高 偉，梁 恒，韓 梅，常海慶，余華榮，陳 杰，李圭白 ，

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，hitgaowei@163.com;2.城市水資源開發利用(北方)國家工程研究中心，150090哈爾濱;3.蘇州立升膜分離科技有限公司，215152江蘇蘇州)

膜生物反應器凈化微污染引黃水庫水效能

高 偉1，梁 恒2，韓 梅1，常海慶1，余華榮1，陳 杰3，李圭白1，2

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090哈爾濱，hitgaowei@163.com;2.城市水資源開發利用(北方)國家工程研究中心，150090哈爾濱;3.蘇州立升膜分離科技有限公司，215152江蘇蘇州)

為考察膜組合工藝處理微污染原水的可行性，研究膜生物反應器(MBR)與膜粉末活性炭生物反應器(PAC－MBR)對低溫低濁微污染引黃水庫水的處理效果及膜污染狀況.兩者對渾濁度均能保證穩定的去除效果，去除率保持在97%以上;對有機物去除能力依次為PAC－MBR＞MBR＞常規處理工藝＞單獨的超濾膜(UF);單獨的超濾膜對氨氮幾乎沒有截留作用，掛膜后的PAC－MBR和MBR對氨氮的去除效果比較穩定，平均去除率分別為3.39%、65.01%.跨膜壓差(TMP)的對比研究表明，以PAC為生物載體形成的活性污泥相對自然形成的活性污泥有較高的生物活性、較好的過濾特性，對膜污染具有一定的延緩作用.

膜生物反應器;膜粉末活性炭生物反應器;低溫;低濁;微污染水;膜污染

微污染原水中的有機物和氨氮是飲用水處理中的一個技術難點，通常采用的方法是預氧化，這樣增加了氧化劑(如氯)的投加量，同時提高了三鹵甲烷及其他消毒副產物的生成勢.生物處理被認為是應對有機物、氨氮污染的有效方法.但傳統生物處理法存在泥水分離不徹底、污泥產量大等缺點.超濾膜本身作為第三代水處理工藝［1］，其篩分截留機理無法有效去除水源水中的有機物、氨氮［2］.浸沒式膜生物反應器(submerged membrane bioreactor，MBR)自20世紀90年代開始受到關注［3－4］，是基于活性污泥法與膜分離技術的一項處理微污染原水的新技術［5］.MBR利用膜對活性污泥的完全截留作用，保證了出水水質，同時可以在低水力停留時間下保持較高的污泥停留時間，能夠獲得較高的生物量.通過在穩定運行的MBR中投加粉末活性炭(PAC)，可以有效地提高MBR對有機物的去除效果［6－7］，改善過濾液的過濾性能，從而延緩 MBR 中的膜污染［7－8］，但 PAC作為主生物載體(啟動初期一次性投入定量PAC)，對膜生物反應器性能的影響未見報道.

本實驗通過對比研究，以常規工藝出水、單獨的超濾膜出水作為參照，以低溫低濁微污染水庫水為處理對象，分析了PAC－MBR與MBR對有機物、氨氮的去除能力，及PAC對膜生物反應器內生物活性、過濾液的過濾性能的影響.

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置工藝流程如圖1所示.膜組件采用中空纖維膜，材質為改性 PVC膜，外徑為1.45 mm，截留分子量為 10萬 u，膜面積為0.05 m2，浸沒于反應器內.

圖1 實驗裝置示意圖

實驗運行3套完全相同的裝置:其中1號為MBR，由運行開始到結束未投入任何水處理藥劑，且從未進行排泥;2號為PAC－MBR，在運行初期一次性投入PAC 0.5 g/L(分析純)，未進行排泥;3號實驗裝置為空白實驗，即在MBR和PAC－MBR取樣當天，提前運行3號(直接進原水)1 h，運行方式與1號、2號一致，取穩定1 h后的進、出水進行水質指標測定，并在每次取樣后放空反應器內混合液，取出超濾膜組件進行水力沖洗或化學清洗使其恢復至初始狀態.3套裝置進水完全相同，實驗通量為10 L/(m2·h)，運行方式為:抽吸8 min，停3 min，在停止3 min內的最后10 s進行反沖洗，反沖洗流量20 L/(m2·h)，并進行連續曝氣，曝氣強度為20 m3/(m2·h)(以膜池有效面積計)，水力停留時間為40 min，在實驗運行中未進行排泥.

1.2 原水水質

實驗原水采用黃河下游某引黃水庫水，在冬季進行.該水質呈現出低溫低濁且微污染的特性，水質具體參數如下:水溫4～8℃，渾濁度2.87～7.79 NTU，TOC 2.95～3.64 mg/L，氨氮 0.15～0.34 mg/L，UV2540.081～0. 094，pH 值 7.89～8.45.3套裝置實驗用水與常規工藝進水水質完全一致.

1.3 分析項目及方法

渾濁度采用哈希2100渾濁度儀測定;總有機炭采用德國Liquid TOC儀測定;UV254采用北京普析通用儀器公司產的TU－1810紫外可見分光光度計測定;氨氮采用納氏試劑分光光度法，依據國家標準方法(GB5749－2006);pH值采用HANNA pH211酸度計測定.

2 結果與討論

2.1 顆粒物去除效果比較

渾濁度是飲用水水質的重要指標之一，能夠反應水中部分顆粒物和膠體物質.渾濁度的去除代表水中泥土、微細有機物、無機物、浮游生物等懸浮物和膠體物質的減少.有研究表明，控制渾濁度在0.3 NTU以下時，隱孢子蟲和賈第蟲含量均可以控制在檢測限以下［9］.隨著飲用水水質標準的進一步提高，對渾濁度的控制也越來越嚴格.

常規工藝中，常常會出現因為混凝效果不好、濾池穿透等原因造成出水渾濁度不達標的現象.尤其是低溫低濁期，混凝效果難以控制.如圖2所示，在低溫低濁期，無論原水渾濁度如何波動，單獨的超濾膜系統、MBR和PAC－MBR從掛膜啟動期到整個穩定運行期，出水渾濁度均維持在0.2 NTU以下，去除率保持在97%以上.表明超濾膜工藝對水中顆粒物和膠體物質的物理篩分作用機理完全可以保障出水渾濁度，且對渾濁度的去除與膜池內混合液性質無關.而常規工藝出水最低僅能達到0.3 NTU，且受原水波動較大，不能完全保證出水渾濁度.

圖2 MBR和PAC－MBR對渾濁度的去除效果

2.2 有機物去除效果比較

水中的有機物主要以顆粒狀、膠體狀和全溶液狀3種形式存在.水中有機物不僅是消毒副產物的前驅物，也是造成色度、嗅味的重要原因.

常規工藝中，有機物的去除常常依靠化學藥劑的氧化作用;超濾膜本身對大分子有機物具有一定的截留作用，但其去除效果依賴于原水中有機物的性質;膜生物反應器則是利用生物降解的作用實現對有機物的去除.

總有機炭(TOC)代表水體中含有碳元素的有機物，常用來概指水體中天然有機物的質量濃度;UV254則代表水體中含有羧酸基和羥基等帶負電官能團的一類或多類有機物.

常規工藝通過化學混凝、平流沉淀、砂濾、消毒過程對TOC的平均去除率為27.32%;單獨的超濾膜系統只能依靠膜篩分作用實現對有機物的去除作用，其對TOC與UV254平均去除率分別為20.25%、12.33%.由圖3、4 可知，PAC －MBR 對TOC、UV254平均去除率分別為40.63%、39.08%，而MBR的平均去除率為28.89%、22.91%.因此，對有機物的去除能力依次為:PAC－MBR＞MBR＞常規處理工藝＞獨立的超濾膜(UF).

圖3 MBR和PAC－MBR對TOC的去除效果

圖4 MBR和PAC－MBR對UV254的去除效果

自啟動開始，PAC－MBR與MBR均未進行排泥，保持了較高的活性污泥濃度及生物活性，穩定運行期間，通過微生物對水體中有機物的降解能力及超濾膜對活性污泥的完全截留作用，使得兩種膜生物反應器對有機物的去除效果優于常規處理工藝和UF.膜生物反應器運行中，不添加任何水處理藥劑，是應對微污染原水的一種有效、綠色措施.

PAC－MBR中的活性污泥以PAC為主體，較大的PAC比表面積為微生物的附著提供了基礎;而MBR中，活性污泥中微生物的載體為原水中的固體或膠體物質，比表面積較小，微生物生長空間較小.因此對于TOC、UV254，PAC－MBR都表現出了相對于MBR較強的生物降解能力.

2.3 氨氮去除效果比較

圖5表明，PAC－MBR和MBR對氨氮的平均去除率分別為73.39%、65.01%，而單獨的超濾膜實驗表明，超濾膜本身對氨氮并無截留作用，常規工藝出水中氨氮濃度雖低，平均值為0.05 mg/L，但通常以加氯來完成，而氨氮與氯反應生成的氯胺類物質卻對人體有害.

分析認為，PAC－MBR和MBR中氨氮的去除主要依靠硝化細菌的硝化作用.除上述所講的高濃度微生物的積累因素外，筆者認為PACMBR與MBR能夠高效去除氨氮的因素還有如下兩個方面:有機物的生物降解作用本身屬于放熱反應，在高濃度硝化細菌存在的前提下，活性污泥內部依然能夠保持相對進水較高的溫度，硝化細菌的活性雖受抑制，但其活性要比傳統活性污泥法高10～15倍［10］;硝化細菌本身為自養型微生物，不受原水中有機物質量濃度低的影響，且膜生物反應器均在低溫水中自然啟動，低溫菌應該是優勢菌群.

圖5 MBR和PAC－MBR對氨氮的去除效果

2.4 PAC對過濾液性質的影響

PAC－MBR與MBR兩套反應器同時啟動，前者達到對有機物、氨氮穩定去除的時間為20 d以后，而后者則用了30 d.穩定運行后，對兩組膜均進行了水力清洗及化學清洗至最初狀態，然后用清水浸泡24 h以上(中間換水4次)，保證膜組件上化學藥劑的脫落，避免其對微生物的影響.隨后，將膜絲放入反應器混合液中，進行穩定期的實驗研究.

膜生物反應器中的混合懸浮液主要由微生物絮凝物組成(有載體的包括載體在內)，由于膜生物反應器中的微生物均處于高度內源呼吸相，其代謝產物如胞外聚合物、溶解性微生物代謝產物等膠體物質或溶解性大分子僅占相當少的分量.

如圖6所示，穩定運行過程中，壓力處于緩慢增加狀態;直至設定值60 kPa，跨膜壓差(TMP)增長速度均比較緩慢.形成此現象的原因為:首先濃差極化現象引起細菌絮凝物、膠體和溶解性物質在膜表面富集，此過程中，有極少數溶解性物質吸附在膜表面或孔道內和懸浮物沉積在膜表面，但大部分懸浮物被曝氣所形成的剪切力與慣性提升力帶走;隨后微生物絮凝污泥逐漸在膜表面沉積形成了濾餅層.所以，會出現圖6中整個周期內TMP增長速率不勻的現象.

但在整個運行期間，PAC－MBR的壓力均低于MBR的跨膜壓差，且對于設定的膜清洗值60 kPa，PAC－MBR運行時間明顯長于MBR的73～75 h，可達90～93 h.分析認為，以活性炭為生物載體形成的活性污泥，能夠截留更多的膠體物質、溶解性有機物，減少進入膜孔內壁或吸附在膜表面有機物的量，這一點也進一步驗證了PAC－MBR對有機物的去除效果優于MBR的現象.

圖6 達到設定壓力限值(60 kPa)前MBR和PACMBR內TMP變化

3 結論

1)超濾膜對水中顆粒數有極強的截留作用，能夠有效地控制出水渾濁度，且不受原水水質渾濁度波動的影響，平均值遠低于常規工藝的出水值.

2)超濾膜本身對有機物的截留率較低，PAC－MBR和MBR通過生物降解作用對TOC的平均去除率分別為40.63%、28.89%;對UV254的平均去除率分別為39.08%、22.91%;對氨氮的平均去除率為73.39%、65.01%;其去除效果均優于常規工藝及單獨的超濾膜系統，是一種有效的綠色水處理工藝.

3)PAC的投加不僅可以作為微生物生長的載體，有利于膜生物反應器的掛膜啟動，且表現出比常規自然掛膜更強的生物活性;同時PAC的投加還可以有效地改善反應器中混合液的特性，從而延緩膜污染．

［1］李圭白，楊艷玲．超濾——第三代城市飲用水凈化工藝的核心［J］．供水技術， 2007，1(1):1－3．

［2］ZHANG M M，LI C，BENJAMIN M M，et al．Fouling and natural organic matter removal in adsorbent/membrane systems for drinking water treatment［J］．Environ Sci Technol， 2003，37:1663 －1669．

［3］YAMAMOTO K，HIASA H，TALAT M，et al．Direct solid liquid separation using hollow fiber membranes in activated sludge aeration tank［J］．Wat Sci Technol， 1989，21(4/5):43－54．

［4］CHIEMCHAISRI C，YAMAMOTO K，VIGESWARAN S．Household membrane bioreactor in domestic wastewater treatment［J］．Wat Sci Technol， 1992，27(1):171－178．

［5］程家迪，劉銳，陳呂軍，等．膜生物反應器處理微污染水源水的研究與應用現狀［J］．環境污染與防治， 2009，31(4):66 － 70，77．

［6］ TIAN Jiayu，LIANG Heng，YANG Yanling，et al．Membrane adsorption bioreactor(MABR)for treating slightly polluted surface water supplies:as compared to membrane bioreactor(MBR)［J］．J Membr Sci， 2008，325(1):262－270．

［7］SAGBO O，SUN Yaxi，HAO Ailing，et al．Effect of PAC addition on MBR process for drinking water treatment［J］．Separation and Purification Technology， 2008，58(3):320－327．

［8］REMY M，POTIER V，TEMMINK H，et al．Why low powdered activated carbon addition reduces membrane fouling in MBRs［J］．Water Res， 2010，44(3):861 －867．

［9］HOFMAN J A，BEUMER M M，BARS E T．Enhanced surface water treatment by ultrafiltration［C］//Water Supply Proceedings of the 1998 IWSA International Specialized Conference on Membranes Drinking and Industrial Water Production．Amsterdam:Blackwell Scientific Publishers，1998:371 －383．

［10］BUISSON H，COTE P，PRADERIE M，et al．The use of immersed membranes for upgrading wastewater treatment plants［J］．Wat Sci Technol， 1998，37(9):89－95．

Purification of micro-polluted reservoir water from Huanghe river by membrane bioreactors

GAO Wei1，LIANG Heng2，HAN Mei1，CHANG Hai－qing1，YU Hua－rong1，CHEN Jie3，LI Gui－bai1，2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(SKLUWRE)，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，hitgaowei@163.com;2.National Engineering Research Center of Urban Water Resources，150090 Harbin，China;3.Suzhou Litree Ultra－filtration Membrane Technology Co.，Ltd，215152 Suzhou，Jiangsu，China)

To investigate the feasibility of hybrid membrane process for treating micro－polluted water，the treatment of micro－polluted reservoir water from Huanghe river，which presented low turbidity and low temperature were carried out，and the submerged membrane bioreactors without(MBR)and with(PAC －MBR)powdered activated carbon(PAC)were evaluated for drinking water production，while the fouling mechanism of the two membrane were discussed too.Both of the MBR and PAC －MBR guaranteed the turbidity removal above 97%.The ability of organic substances removal were:PAC－MBR＞MBR＞conventional process＞ultrafiltration(UF)alone.No effect of UF alone on NH3－N removal was observed，while PAC－MBR and MBR gave an average removal rate of 73.39%and 65.01% ，respectively.By comparing the trans－membrane pressure(TMP)trend of two bioreactors，it could be concluded that activated sludge，with PAC as a carrier，showed higher activity and better filterability than the activated sludge naturally formed，and PAC －MBR appeared a slower membrane fouling.

MBR;PAC － MBR;low temperature;low turbidity;micro－polluted water;membrane fouling

TU991.2

A

0367－6234(2011)08－0031－04

2010－04－20.

國家科技重大專項“水專項”資助項目(2008ZX07422－005);哈爾濱市科技創新人才研究專項資金青年科技創新人才項目(2009RFQXS010).

高 偉(1984—)，男，博士研究生;

李圭白(1931—)，男，博士生導師，中國工程院院士.

(編輯 劉 彤)