不同預處理與超濾膜組合工藝對水質生物穩定性的影響

吳 璇，李偉英，張駿鵬，亓萬琦，湯帥冰，趙 吉，吳 健

(1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092； 2.中國輕工業武漢設計有限責任公司，湖北武漢 430060；3吳江華衍水務有限公司，江蘇蘇州 215200；4.禹泓冠品環保科技〈上海〉有限公司，上海 201615)

飲用水生物安全問題與人類健康密切相關，近年來不斷引起研究人員和消費者的廣泛關注。飲用水生物穩定性(biological stability)是指飲用水中可生物降解有機物支持異養菌生長的潛力[1]。水質生物穩定性越高，表明水中有機營養基質含量越少，異養菌越不易滋生，飲用水的生物安全性越高。飲用水生物穩定性可以使用基于傳統實驗室培養技術的控制因子間接評價，也可以根據微生物群落結構的變化直接評價[2]。目前國內外采用較多的是間接評價法，其控制因子[3]包括有機碳控制因子[可生物同化有機碳(assimilable organic carbon, AOC)和可生物降解溶解性有機碳(biodegradable dissolved organic carbon, BDOC)等]、磷控制因子[生物可利用磷(microbially available phosphorus, MAP)和總磷(total phosphorus, TP)等]和細菌再生長潛力(bacterial regrowth potential, BRP)在內的綜合控制因子等。Hammes等[4]研究表明，當管網水AOC低于32 μg乙酸碳/L時，管網菌落總數與AOC含量幾乎恒定，達到生物穩定；劉文君等[5]改進了AOC檢測方法，認為我國應控制 AOC< 200 μg乙酸碳/L以保證水質生物穩定。Dukan等[6]通過動態試驗模型證實管網中BDOC< 0.20～0.25 mg/L時能保證水質生物穩定；趙洪賓等[7]提出，BDOC控制在0.20～0.22 mg/L可達到水質生物穩定性。一般來說，AOC與細菌再生長的相關性較好，BDOC與細菌再生長的相關性較差，二者互補可以共同評價飲用水水質生物穩定性[3]。

傳統水處理工藝對AOC和BDOC去除能力有限，李偉英等[8]研究表明，傳統工藝對原水中小分子溶解性有機物以及藻類等去除效果甚微。目前，我國給水處理廠會在常規處理基礎上，通過結合水源水質情況，增加或強化水處理單元并且采用組合工藝來提高有機污染物的去除率，降低AOC和BDOC。陳士才等[9]發現常規處理工藝對AOC的去除率較低，原水AOC含量均值為121 μg乙酸碳/L的A水廠，沉淀池對AOC的去除率為12.1%，砂濾池對AOC的去除率為13.68%。Lechevillier等[10]研究發現，使用顆粒活性炭(GAC)和砂的雙層濾料對AOC去除率可達86.4%，主要是由于濾料上附著的生物膜通過生物降解作用來降低水中AOC。管運濤等[11]在通過混凝—超濾組合工藝處理南方水庫原水試驗中發現，混凝技術不僅可提高超濾膜對污染物的去除效率，還可提高膜組件清洗效果。

湯帥冰等[12]研究發現，在春夏秋三季節南方某市給水管網水中細菌再生長的限制性營養元素為碳。因此，本文以AOC和BDOC作為飲用水生物穩定性的評價指標，使用超濾膜工藝作為深度處理工藝，旨在分析不同超濾膜組合工藝對水質生物穩定性的作用，以期改進現有凈水廠處理工藝，提高對可降解有機污染物的去除能力，有效抑制給水系統中細菌再生，為改善供水管網水質和保障飲用水生物穩定性提供理論依據與和應用技術。

1 材料與方法

1.1 原水及各工藝出水水質

本試驗于蘇州市某給水處理廠進行，試驗時間為2015年9月～2016年9月，為期1年，該水廠年設計供水能力為30 m3/d，是江蘇省率先采用預處理、深度處理和生物降解等治水工藝，自動程度較高的現代化景觀水廠，于2007年6月建成并通水，該水廠的工藝流程如圖1所示，試驗期間出水水質如表1所示。

1.2 超濾膜中試裝置

超濾膜中試試驗裝置流程如圖2所示。

試驗所用超濾膜組件及中試試驗裝置由蘇州某公司提供，膜組件為改性聚氯乙烯(PVC)中空纖維超濾膜，膜型號為LH3-1060-V，膜絲內外徑為1.00 mm×1.65 mm，數量為11 000根，有效膜面積為40 m2，設計產水量為2.4～6.4 m3/h，裝置設置于蘇州市某水廠中試基地內。

圖1 蘇州某水廠凈水工藝流程Fig.1 Water Purification Process in a WTP of Suzhou

中試裝置的水泵和閥門啟動，流量、壓力和溫度等數據的采集，以及過濾和水力清洗周期控制等全由PLC控制自動完成，維護性化學清洗和徹底化學清洗需人工手動操作，運行方式如表2所示。

表1 試驗期間各工藝單元出水水質情況Tab.1 Effluent Water Quality of Each Purification Unit during Experiment

圖2 超濾膜中試試驗裝置圖Fig.2 UF Experimental Setup of a Pilot Plant

表2 超濾膜組件運行方式Tab.2 Operation Conditions of UF Membrane

1.3 試驗方法

1.3.1 組合工藝

試驗采用4種工藝，分別為工藝1：原水+預臭氧+超濾；工藝2：原水+預臭氧+混凝沉淀+超濾；工藝3：原水+預臭氧+混凝沉淀+砂濾+超濾；工藝4：原水+預臭氧+混凝沉淀+砂濾+后臭氧+活性炭+超濾。

1.3.2 檢測方法

濁度采用HACH 2100P濁度儀測定;CODMn采用標準酸性高錳酸鉀法測定;UV254采用UV-2550型分光光度計測定;DOC采用OC-1 030 w型TOC分析儀測定。

細菌培養試驗用品均需經無碳化處理，AOC的測定采用P17菌和NOX菌先后接種法[5]，即先接種P17于水樣中，使用LLA培養基[13]，當P17到達生長穩定期后將該水樣巴氏滅菌以殺死P17菌，然后將水樣再接種NOX 菌。BDOC的測定采用懸浮培養法[14]，水樣經0.45 μm濾膜過濾，然后接種一定量的土著細菌，在恒溫條件20 ℃培養28 d，測定培養前后水中溶解性有機碳的差值即為BDOC，以乙酸碳計。

2 結果與討論

2.1 超濾膜組合工藝的臨界通量

膜組件在臨界通量下過濾時可避免在膜表面形成污染[15]，為保證超濾膜的良好運行，以下各試驗研究均在臨界通量的操作條件下進行。試驗期間，采用恒通量法分別對工藝1、工藝2、工藝3和工藝4的超濾膜臨界通量進行測定，試驗結果如圖3所示，4種超濾膜組合工藝的臨界通量分別為56.8、86.6、51.2 L/(m2·h)和43.5 L/(m2·h)。

圖3 不同超濾膜組合工藝臨界通量Fig.3 Critical Flux of Different Combined Processes of UF Membrane

2.2 不同處理工藝超濾膜出水水質對比

工藝1、工藝2、工藝3、工藝4的出水水質如表3、圖4所示。

4種組合工藝出水濁度均不超過0.10 NTU，去除率達到99%以上，表明超濾膜對水體中物質濁度有良好的去除效果，其中工藝2對濁度的去除率最大。

表3 不同組合工藝進出水的水質變化情況Tab.3 Influent and Effluent Water Quality in Different Combined Processes of UF Membrane

圖4 不同超濾膜組合工藝進出水的水質變化情況Fig.4 Influent and Effluent Water Quality in Different Combined Processes of UF Membrane

工藝4出水的CODMn、DOC、UV254含量最少，其去除效果最好，主要是因為工藝4的活性炭對有機物吸附[16]以及超濾膜對活性炭工藝出水中有機物吸附的雙重作用。根據4種工藝出水水質化學指標分析可知，工藝4效果最好。

微生物的生長程度與可利用有機碳的含量密切相關。根據細菌的元素組成(C∶N∶P=100∶10∶1)[17]，有機碳通常是細菌生長的限制性因素。營養元素可生物降解有機物(biodegradable organic matter, BOM)中包含簡單有機酸、糖類以及復雜的聚合物(腐殖質類物質)[2]等多種形式的有機化合物，其中一部分DOC中的可生物降解部分(BDOC)可為微生物生長提供條件。因此，如果水體中DOC含量過高，細菌會利用其中部分有機物進行再生繁殖，細菌含量提高，甚至可能出現致病菌，會增加管網微生物穩定性風險。

2.3 超濾膜組合工藝對水質生物穩定性的貢獻

試驗期間，4種組合工藝進水、超濾膜進水和出水AOC、BDOC的變化如表4、圖5 所示。

由表4和圖5(a)可知，工藝2、工藝3和工藝4出水的生物穩定性較好。單獨超濾膜工藝對AOC去除率分別為27.51%、35.91%、11.35%和8.90%，其去除機理主要有兩方面：一是超濾膜對細菌等微生物具有很強的截留作用，而AOC 是生物可降解有機物中可被細菌利用轉化合成細胞體的部分，因此，超濾膜可去除部分AOC；二是超濾膜內形成濾餅層，在濾餅層表面附著生長生物膜。Derlon等[18]研究發現，附著生長的生物膜可提高超濾對AOC的去除率，當沒有生物膜附著生長在超濾膜上時，超濾對AOC的去除率小于10%；當有一層新生的生物膜附著生長在超濾膜上時，超濾對AOC的去除率會大大提高。

表4 組合工藝進水、超濾膜進水和出水的AOC、BDOC含量變化情況Tab.4 AOC and BDOC in Influent and Effluent Water of Different Combined Processes of UF Membrane

圖5 組合工藝進水、超濾膜進水和出水的AOC、BDOC含量變化情況Fig.5 AOC and BDOC in Influent and Effluent Water of Different Combined Processes of UF Membrane

工藝1使水中AOC升高了28.82%，這主要是因為預臭氧能夠氧化多類有機物，如鏈狀不飽和化合物、芳香族化合物、腐殖質等，它可以破壞天然有機物(NOM)的分子結構，從而使水體中原來不易被生物降解的大分子有機物轉化為可生物降解的小分子有機物，提高了處理水的可生化性，造成水體中AOC和BDOC大幅度升高[19]。工藝2對AOC的去除率最高，對比單獨的超濾膜工藝和超濾膜組合工藝對AOC的去除情況，工藝2單獨的超濾膜工藝對AOC的去除率為35.91%，而工藝2組合工藝對AOC的去除率為37.41%，可知工藝2的預處理工藝對AOC的去除效果有限，原因是預臭氧將大分子有機物降解為小分子有機物使AOC含量較大幅度的增高，而混凝沉淀處理使得小分子污染物質形成大顆粒狀態，有助于提高超濾膜對AOC的去除效果[20]。

由表4和圖5(b)可知，工藝4的BDOC含量小于0.20～0.22 mg/L，可達到水質生物穩定性[7]，且工藝4對BDOC的去除率最高，達到47.21%。主要原因是，工藝4的后臭氧單元保證水體中有充足溶解氧，使活性炭床處于好氧狀態，強化了活性炭濾池上生物膜的生物作用，對有機物進行降解，從而有效控制BDOC含量[21]。

對比超濾膜組合工藝對BDOC和AOC的去除情況，工藝1、工藝3和工藝4對BDOC的去除率大于對AOC的去除率，這主要是因為工藝1的預處理工藝對BDOC的升高幅度低于對AOC的升高幅度，工藝3和工藝4的預處理工藝對BDOC的降低幅度高于對AOC的降低幅度。工藝2對BDOC的去除率小于對AOC的去除率，這主要是因為工藝2的預處理工藝對BDOC和AOC的去除率分別為3.98%和2.33%，但BDOC是DOC的一部分，單獨的超濾膜工藝對DOC的去除效果不佳，所以工藝2的AOC去除率大于BDOC的去除率。

利用統計分析軟件SPSS對4種組合工藝水質AOC與BDOC進行分析，結果如表5所示。由表5可知，4種超濾膜組合工藝進水、金屬膜進水和出水的AOC與BDOC具有正相關性。

表5 四種超濾膜組合工藝水質AOC與BDOC相關性Tab.5 Correlation of AOC and BDOC of Four Different Combined Processes of UF Membrane

2.4 超濾膜組合工藝的選擇順序

在化學指標方面，工藝4出水中CODMn、DOC、UV254含量最少，其去除效果最好，主要是因為此工藝的活性炭對有機物吸附以及超濾膜對活性炭工藝出水中有機物吸附的雙重作用。所以選擇原水+預臭氧+混凝沉淀+砂濾+后臭氧+活性炭+超濾組合工藝。

在生物穩定性方面，雖然工藝2出水中AOC含量最低，對AOC的去除率最高，但是出水中BDOC含量超過閾值0.22 mg/L，無法控制生物穩定性。而工藝4出水中AOC和BDOC含量都比較低，去除率較高，可以有效控制生物穩定性，所以選擇原水+預臭氧+混凝沉淀+砂濾+后臭氧+活性炭+超濾組合工藝。

綜上所述，選擇原水+預臭氧+混凝沉淀+砂濾+后臭氧+活性炭+超濾組合工藝可以提高對可降解有機污染物的去除能力，改善出廠水水質和保障飲用水生物穩定性。

3 結論

本文主要考察了4種超濾膜組合工藝出水的化學穩定性和生物穩定性，研究超濾膜組合工藝對微生物的去除貢獻，主要研究結果如下。

(1)4種工藝對濁度、CODMn、DOC、UV254等化學指標的去除效果均較好，工藝4對有機物的去除效果最好，主要是因為工藝4的活性炭對有機物吸附以及超濾膜對活性炭工藝出水中有機物吸附的雙重作用。

(2)綜合對比超濾膜組合工藝出水中BDOC和AOC含量及去除情況，工藝4出水的生物穩定性最好。

(3)綜合考慮4種工藝出水的化學穩定性和生物穩定性，超濾膜組合工藝的優劣順序為：工藝4>工藝2>工藝3>工藝1。采用原水+預臭氧+混凝沉淀+砂濾+后臭氧+活性炭+超濾工藝可以提高對可降解有機污染物的去除能力，改善出廠水水質并保障飲用水水質生物穩定性，研究成果可為保障給水廠水質生物穩定性提供理論參考。