低溫條件下生物陶粒和活性炭?jī)煞N超濾組合工藝處理微污染原水試驗(yàn)

李為星，顧軍農(nóng)，常思博，張 磊，劉 芬

(北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100031)

近年來，國(guó)內(nèi)飲用水源受到不同程度的污染，且呈不斷發(fā)展的趨勢(shì)[1-3]，對(duì)水廠傳統(tǒng)凈水工藝的選擇和穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的挑戰(zhàn)[4]。微污染水源水是指水體的物化指標(biāo)或微生物指標(biāo)達(dá)不到《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[5]中關(guān)于生活飲用水水源水的要求，主要指的是有機(jī)物微污染水[6-7]。

為應(yīng)對(duì)微污染水源，近年來國(guó)內(nèi)外從工藝選擇以及運(yùn)行優(yōu)化等方面開展了多種嘗試。陶粒和活性炭等生物處理和以超濾膜為代表的其他水處理技術(shù)已成為水廠保障水質(zhì)安全的重要技術(shù)手段。作為末端水質(zhì)保障技術(shù)，超濾膜開始越來越多地應(yīng)用于飲用水處理工程，國(guó)內(nèi)上海、北京等多個(gè)水廠將其應(yīng)用于生物活性炭之后，進(jìn)一步保障了出水的生物安全性。對(duì)顆粒活性炭來說，隨著使用周期的延長(zhǎng)，其對(duì)污染物的去除也將以生物作用為主；生物陶粒在飲用水處理中實(shí)際應(yīng)用不多，但其掛膜快、強(qiáng)度高及運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)適宜作為生物載體。對(duì)比不同生物載體的處理效果和運(yùn)行條件，處理工藝的選擇和調(diào)整優(yōu)化具有重要意義。另外，國(guó)內(nèi)對(duì)這些處理技術(shù)的研究多著重于在常溫下的應(yīng)用研究[8-13]，且活性炭等的應(yīng)用多集中在混凝沉淀之后；對(duì)于低溫條件下，生物陶粒與顆粒活性炭工藝對(duì)原水污染物的去除效果，研究較少。南水進(jìn)京以后，面對(duì)水源的復(fù)雜化，水廠原有處理工藝面臨新的調(diào)整，本試驗(yàn)利用生物陶粒-浸沒式超濾膜工藝和顆粒活性炭-壓力式超濾膜工藝分別對(duì)北方某大型水廠原水進(jìn)行處理，并重點(diǎn)考察低溫條件下兩種組合工藝的處理效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 兩種組合工藝示意圖

本試驗(yàn)裝置采用的是生物陶粒-浸沒式超濾膜工藝和顆粒活性炭-壓力式超濾膜工藝。裝置的接觸過濾設(shè)備采用的是2根圓形有機(jī)玻璃柱(簡(jiǎn)稱陶粒柱和炭柱)，濾柱內(nèi)徑為800 mm，高度為2 800 mm，濾柱為承壓容器，設(shè)計(jì)壓力>3 m，均為下進(jìn)水工藝，柱底部均裝有曝氣裝置，試驗(yàn)過程中提供微生物生長(zhǎng)代謝所需要的氧氣，設(shè)計(jì)流量均為1.5 m3/h，氣水比為1∶1，陶粒層與炭層厚度均為0.8 m，陶粒柱和炭柱的反洗周期分別為15 d和7 d。浸沒式超濾膜和壓力式超濾膜的產(chǎn)水量均為1 m3/h，過濾周期分別為60 min和45 min。具體流程如圖1所示。

圖1 兩種組合工藝流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Two Combined Processes

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地及原水水質(zhì)

本試驗(yàn)是在北方某大型水廠炭庫(kù)進(jìn)行，原水來自配水井，靠重力流經(jīng)陶粒柱、炭柱，進(jìn)入一級(jí)水箱，經(jīng)泵送至超濾膜過濾，到達(dá)產(chǎn)水水箱。試驗(yàn)期間的原水水質(zhì)及檢測(cè)方法如表1所示，因原水中NH3-N含量遠(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[14]要求，故研究中NH3-N去除效果未進(jìn)行討論。

表1 試驗(yàn)原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality for Experiment

試驗(yàn)所用陶粒為北京某陶粒廠生產(chǎn)的頁(yè)巖材質(zhì)陶粒，顆粒活性炭為神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的煤質(zhì)柱狀顆粒活性炭，其主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 陶粒及顆粒活性炭主要性能參數(shù)Tab.2 Main Property Parameters of Ceramsite and GAC

試驗(yàn)所用浸沒式和壓力式超濾膜均為天津膜天膜公司生產(chǎn)的PVDF中空纖維膜，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 兩種超濾膜的主要性能參數(shù)Tab.3 Main Property Parameters of Two Kinds of UF Membranes

2 結(jié)果和討論

2.1 兩種組合工藝對(duì)渾濁度的去除效果

由圖2可知，原水溫度高于10 ℃時(shí)，原水渾濁度在1.91～3.88 NTU。經(jīng)陶粒柱和炭柱的過濾截留及生物吸附后，陶粒柱出水渾濁度基本在1.11～2.55 NTU，對(duì)渾濁度的平均去除率為14%;炭柱出水渾濁度在0.78～2.08 NTU，對(duì)渾濁度的平均去除率為31%。炭柱對(duì)渾濁度的去除率高于陶粒柱，原因在于活性炭顆粒比陶粒小，顆粒之間的空隙小，更利于截留較大顆粒的雜質(zhì)。

圖2 兩種組合工藝對(duì)渾濁度的去除效果Fig.2 Effect of Two Combined Processes on Turbidity Removal

水溫低于10 ℃時(shí)，原水渾濁度只有0.58～1.15 NTU，陶粒柱和炭柱出水渾濁度在0.53～1.09 NTU，兩者對(duì)渾濁度的去除率基本相同，僅為12%左右，原因在于低溫低濁的原水中大顆粒雜質(zhì)較小，濾料的截留效果不明顯。兩種超濾膜對(duì)渾濁度的平均去除率超過85%，出水渾濁度始終在0.08～0.18 NTU，遠(yuǎn)低于生活飲用水的最高限制，且不受原水水溫和渾濁度的影響，說明超濾膜過濾是保障出水渾濁度的有力保障。

2.2 兩種組合工藝對(duì)顆粒數(shù)的去除效果

由圖3和表4可知，在低溫條件下，陶粒柱和炭柱對(duì)顆粒物的去除率分別超過22%和34%。可見，炭柱對(duì)顆粒物的截留效果好于陶粒柱，兩種超濾膜對(duì)<25 μm顆粒數(shù)的去除率均超過93%，沒有明顯差別。

圖3 兩種組合工藝對(duì)顆粒數(shù)的去除效果Fig.3 Effect of Two Combined Processes on Particle Count Removal

表4 兩種組合工藝對(duì)顆粒數(shù)的去除率Tab.4 Removal Rate of Particle Count by Two Combined Processes

研究表明[15]，直徑≤0.1 μm的顆粒不產(chǎn)生明顯的渾濁度，直徑>1 μm的顆粒產(chǎn)生的渾濁度偏高，直徑再大的顆粒對(duì)光的反應(yīng)又下降。楊艷玲等[16]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，渾濁度對(duì)<1 μm的顆粒較靈敏，對(duì)>1 μm的顆粒靈敏度較低，僅用渾濁度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)是不夠全面的。水中致病原生動(dòng)物有痢疾變形蟲、賈滴鞭毛蟲、隱孢子蟲以及各種細(xì)菌、病毒等，其中，賈滴鞭毛蟲和隱孢子蟲是近些年來發(fā)現(xiàn)的可以通過飲用水傳播的致病原生動(dòng)物。細(xì)菌大小一般在1～2 μm，病毒比細(xì)菌要小，賈滴蟲大約是7～12 μm，隱孢子蟲是4～6 μm的橢圓體，藻類的平均大小是5～100 μm。因此，顆粒數(shù)不僅可以反映渾濁度的高低，還對(duì)細(xì)菌、病毒、藻類有一定的預(yù)警作用。陶粒柱和炭柱對(duì)渾濁度、細(xì)菌等有一定的去除效果，兩種超濾膜對(duì)<25 μm顆粒的去除率均超過93%，可見其對(duì)渾濁度、細(xì)菌、藻類等有非常高的去除效果，是保證飲用水安全的重要屏障。

2.3 低溫條件下兩種組合工藝對(duì)藻類的去除效果

由圖4可知，低溫條件下陶粒柱和炭柱對(duì)藻類的去除率分別為10%和27%。可見，活性炭柱對(duì)藻類的去除效果優(yōu)于陶粒柱。生物去除藻類的途徑有賴于以下幾種作用：生物膜的吸附、附著，微生物的氧化分解，顆粒填料機(jī)械截留以及生物絮凝，原生動(dòng)物等的捕食作用，脫落生物膜對(duì)藻類的生物絮凝、沉淀等[17]。但以何種途徑為主，至今尚未有明確的權(quán)威性結(jié)論。浸沒式超濾膜和壓力式超濾膜對(duì)藻類的去除率達(dá)到98%以上，說明超濾膜對(duì)藻類起到了很好的物理截留作用。

圖4 兩種組合工藝對(duì)藻類的去除效果 (原水溫度低于10 ℃)Fig.4 Effect of Two Combined Processes on Algae Removal (Raw Water Temperature Below 10 ℃)

2.4 兩種組合工藝對(duì)CODMn的去除效果

由圖5可知：試驗(yàn)期間，原水水溫高于10 ℃時(shí)，原水CODMn基本在1.5～2.85 mg/L；低溫條件下，原水CODMn含量在0.88～1.6 mg/L。試驗(yàn)初期，炭柱對(duì)耗氧量的去除率高于陶粒柱，原因在于水廠原水采用預(yù)加氯工藝，試驗(yàn)期間原水余氯含量在0.05～0.12 mg/L，次氯酸鈉對(duì)微生物的生長(zhǎng)有抑制作用，陶粒柱還未掛膜，活性炭在試驗(yàn)初期的吸附作用明顯。

圖5 兩種組合工藝對(duì)CODMn的去除效果Fig.5 Effect of Two Combined Processes on CODMn Removal

2個(gè)多月后，掛膜成功，常溫條件下，陶粒柱出水CODMn含量在1.12～1.3 mg/L，陶粒柱對(duì)耗氧量的平均去除率為32%；炭柱出水CODMn含量在1.4～1.52 mg/L，炭柱對(duì)耗氧量的平均去除率為19%。低溫條件下，陶粒柱出水CODMn含量在0.64～1.1 mg/L，陶粒柱對(duì)耗氧量的平均去除率下降到25%；炭柱出水CODMn含量在0.86～1.52 mg/L，炭柱對(duì)耗氧量的平均去除率下降到16%。可見,陶粒柱去除效果好于炭柱，原因在于生物陶粒的生物膜比表面積較大，胞外聚合物中含有多聚糖等黏性物質(zhì)[18]，可形成類似化學(xué)絮凝的作用，對(duì)水中大分子有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附凝聚能力，使其在反應(yīng)器中被填料上的生物膜吸附截留，從而對(duì)分子量較大的有機(jī)物形成較好的去除效果，但是低溫條件下微生物的生物活性受到抑制。

經(jīng)超濾膜過濾后，浸沒式和壓力式膜出水CODMn含量均在0.56～0.96 mg/L，超濾膜系統(tǒng)對(duì)耗氧量的平均去除率在49%左右，受溫度影響較小，原因在于超濾膜對(duì)有機(jī)物的去除效果一般由膜孔徑大小決定，對(duì)粒徑小于孔徑的有機(jī)顆粒的去除效果較差。

2.5 低溫條件下兩種組合工藝對(duì)溶解性有機(jī)物的去除效果

圖6是采用三維熒光光譜技術(shù)(EEMs)測(cè)定水中溶解性有機(jī)物的三維圖譜，并按區(qū)域?qū)τ袡C(jī)物進(jìn)行分類[19]。低溫條件下，原水最主要的發(fā)光區(qū)域在C區(qū)，表明色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)是原水中主要的溶解性有機(jī)物。原水熒光峰區(qū)域的位置與強(qiáng)度為Ex/Em：(225/335)677.9，陶粒柱出水和炭柱出水熒光峰區(qū)域的位置與強(qiáng)度分別為Ex/Em：(225/330)633.9和Ex/Em：(225/335)666.2，去除率僅為6%和2%，原因在于低溫條件下微生物的活性受到抑制。浸沒式超濾膜和壓力式超濾膜出水熒光峰區(qū)域的位置與強(qiáng)度分別為Ex/Em：(225/330)624.5和Ex/Em：(225/335)575.2，去除率分別是8%和15%，可見膜絲及其濾餅層對(duì)溶解性有機(jī)物也有一定的去除效果。壓力式超濾膜比浸沒式超濾膜去除效果好的原因在于，其濾餅層的厚度可能比浸沒式膜要厚一些。因原水中類富里酸類(B區(qū))、類腐植酸類(A區(qū))、微溶解性微生物代謝物(E區(qū))和酪氨酸類芳香族蛋白質(zhì)(D區(qū))含量相對(duì)較低，后續(xù)工藝對(duì)其去除效果不明顯，故這幾類溶解性有機(jī)物的去除效果未進(jìn)行討論。

圖6 各工藝段出水中溶解性有機(jī)物的變化Fig.6 Change of Dissolved Organic Matter in Effluent of Each Process

3 結(jié)論

(1)常溫條件下， 陶粒柱和炭柱對(duì)渾濁度的平均去除率分別為14%和31%，炭柱對(duì)渾濁度的去除率高于陶粒柱，原因在于活性炭顆粒之間的空隙要小，更利于截留較大顆粒的雜質(zhì)，物理截留效果優(yōu)于陶粒柱。低溫條件下，陶粒柱和炭柱對(duì)渾濁度的平均去除率基本相同，僅為12%左右，說明低溫低濁的原水中大顆粒雜質(zhì)較小，濾料的截留效果不明顯。浸沒式和壓力式超濾膜對(duì)渾濁度的平均去除率超過85%，出水渾濁度始終在0.1～0.18 NTU，遠(yuǎn)低于生活飲用水的最高限制，且不受原水水溫和渾濁度的影響。

(2)顆粒數(shù)不僅可以反映渾濁度的高低，還對(duì)細(xì)菌、病毒、藻類有一定的預(yù)警作用。低溫條件下，陶粒柱和炭柱對(duì)顆粒物的去除率分別超過22%和34%，炭柱對(duì)顆粒物的物理截留效果優(yōu)于陶粒柱，兩種超濾膜對(duì)<25 μm顆粒的去除率均超過93%，沒有明顯差別。

(3)低溫條件下，陶粒柱和炭柱對(duì)藻類的去除率分別為10%和27%，活性炭柱對(duì)藻類的去除效果要優(yōu)于陶粒柱。浸沒式和壓力式超濾膜對(duì)藻類的去除率均達(dá)到98%以上，說明超濾膜對(duì)藻類起到了很好的物理截留作用。

(4)試驗(yàn)期間，水溫低，原水中含次氯酸鈉，NH3-N含量低，均對(duì)微生物的生長(zhǎng)不利。試驗(yàn)初期,炭柱對(duì)CODMn的去除效果優(yōu)于陶粒柱，原因在于試驗(yàn)初期活性炭的吸附效果顯著；2個(gè)多月后，掛膜成功，隨著溫度的降低，陶粒柱和炭柱對(duì)CODMn的平均去除率分別從32%、19%下降到25%、16%；陶粒柱和炭柱對(duì)溶解性色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)有機(jī)物的去除率僅為6%和2%，陶粒柱對(duì)有機(jī)物微污染的去除效果優(yōu)于炭柱。浸沒式和壓力式膜對(duì)CODMn的去除率一直在49%左右，受溫度影響較小；浸沒式和壓力式膜對(duì)溶解性色氨酸類芳香族蛋白質(zhì)有機(jī)物的去除率分別為8%和15%。