投加粉末活性炭-MBR与BPAC-UF处理微污染原水对比研究
新闻来源：山东智信环保 发布时间：2016-05-16 09:14 点击：次
投加粉末活性炭（PAC）的膜生物反应器（MBR）工艺（PAC-MBR）是一种新型水处理工艺。该工艺结合物理吸附、生物降解以及膜隔离作用于一体，对于微污染原水中氨氮、CODMn以及UV254等指标去除效率较高，且相对传统MBR工艺具有较强抵抗膜污染能力。
然而，增加粉末活性炭投加同时带来了新问题。由于粉末活性炭会在超滤膜表面形成炭骨架滤饼层，其在拦截吸附污染物的同时，本身增大了过滤时的跨膜阻力。所以当粉末活性炭投加量过大时会引起膜通量下降。为此，本文探讨研究了新型分体式生物粉末活性炭－超滤（BPAC-UF）组合工艺替代原一体式工艺的可能性。该工艺膜池前段增设接触区与过渡区，使得生物粉末活性炭与原水有充分的接触反应时间，同时降低膜池内粉末活性炭浓度。实验期望通过对比2组工艺去除微污染物能力以及抵抗膜污染能力，得出相关结论，为粉末活性炭超滤工艺的后续发展提供适当参考。
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实验部分
1.1 原水水质
为研究2种工艺对微污染原水净化能力及其对不同水质的抗冲击性，实验共采用水质不同的4种原水：实验室自配原水、同济大学四平路校区三好坞水、浙江省某水厂沉后水以及该水厂总干渠水。其中，实验室自配原水由自来水、腐植酸和氯化铵配置而成。原水水质。
三好坞原水氨氮浓度偏低。水厂总干渠水氨氮、有机物指标冬季偏高，夏季偏低，存在较大波动。水厂沉后水由于经过混凝沉淀，各指标均有所下降。4种原水水质均为典型的微污染原水水质。
1.２ 实验装置和实验条件
投加粉末活性炭（PAC）的膜生物反应器（MBR）工艺（PAC-MBR）与分体式生物粉末活性炭－超滤（BPAC-UF）组合工艺流程分别。
PAC-MBR工艺小试装置有效尺寸为250mm×160mm×260mm，有效容积为10.4L。膜池内装有2束由苏州某公司提供的中空纤维膜。膜纤维内径1.10mm，外径1.80mm，单束有效膜面积0.05m2，孔径0.01μm。膜池底部设曝气头为膜池微生物提供氧气，同时使粉末活性炭处于悬浮状态。
BPAC-UF工艺在膜池前增设接触反应区和过渡区，增加停留时间。接触区尺寸为240mm×120mm×270mm，有效体积7.8L；过渡区尺寸为400mm×120mm×240mm，有效体积11.5L；膜区尺寸150mm×120mm×180mm，有效体积为3.2L。其余装置设计同PAC-MBR装置。
2组工艺同时运行，运行条件相同。膜池内曝气量为80L/h。实验开始时一次性投加2g/L粉末活性炭（粒度200目）。膜抽停比为3:1，抽水泵运行15min，停止5min。膜池反冲洗周期为1h，反冲洗时间4min，采用气水反冲洗，气冲流量200L/h，水冲流量9L/h。实验开始未进行生物接种，微生物在运行过程中自然接种挂膜。工艺在一种原水条件下运行一段时间后更换原水。必要时对膜组件进行化学清洗，先使用质量分数0.5%的NaOH和1000mg/L的NaClO混合液进行碱洗，然后使用质量分数2%的柠檬酸进行酸洗，最后用清水洗净。
1.３ 分析方法
氨氮和CODMn采用国家标准水和废水分析方法测定；UV254采用T6新世纪紫外分光光度计测定；EPS的提取采用低速离心法；量化采用滤液TOC值表征；TOC指标使用总有机碳分析仪TOC-VCPH测定。
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结果与讨论
２.１ 不同工艺去除氨氮效果
不同工艺对氨氮的去除效果对比。工艺运行前23天，采用实验室配水为原水。随着运行时间增长，2种工艺对氨氮的去除率逐渐增大，但一直低于60%。这意味着对去除氨氮起主要作用的硝化细菌逐渐在活性炭表面生长，但未能在这段时间成功挂膜，以致于无法达到较高的去除率。从工艺运行第25天开始，更换原水为三好坞原水。由于后者氨氮浓度极低，实验中从第28天起逐渐增大对原水的氯化铵投加量，直至水中氨氮浓度达到实验前期水平。随着原水氨氮质量浓度增高，分体式BPAC-UF出水氨氮浓质量度一直处于较低水平，约为0.1mg/L。传统一体式PAC-MBR出水氨氮浓度则有所抬升，但从第32天起，该工艺出水氨氮浓度逐渐降低直至BPAC-UF出水浓度。这可能是因为硝化细菌在此时已成功挂膜，提高了该工艺处理效率。从第38天起，原水氨氮质量浓度大于2mg/L，达到实验室自配原水水平，此后2种工艺对氨氮的去除率均接近100%。
在相同运行条件下，相较于一体式PAC-MBR，分体式BPAC-UF工艺中生物挂膜速率较快，对水质突变的抗冲击性较强，体现出了对原水氨氮去除的较高能力。这可能是因为后者的水力停留时间（HRT）较长，有利于粉末活性炭表面的生物作用。总体来说，2种工艺对于氨氮处理效果均较好，且BPAC-UF优于PAC-MBR。
２.２ 不同工艺去除有机物效果
不同工艺对于CODMn和UV254的去除效果对比。
实验前27天采用浙江省某水厂沉后水作为原水，2组工艺对CODMn和UV254指标所反映的有机物的去除效果相当，去除率维持在60%左右。此阶段工艺出水CODMn约为1mg/L，UV254约为0.02cm-1，随着工艺运行时间增长，BPAC-UF工艺对有机物的去除效果逐渐呈现优势，但2组工艺的去除效率均出现轻微下降趋势。第27天更换原水为该水厂干渠水，2组工艺出水有机物浓度立马升高，CODMn达到约1.5mg/L，而UV254达到约0.035cm-1。工艺运行至第35天，2组工艺出水有机物浓度持续升高。此时，对2组工艺补加活性炭，可以明显观察到2组工艺出水CODMn即刻降低。随着工艺继续运行，出水CODMn重复之前观察到的逐渐升高趋势。直至第48天第2次补加活性炭，出水水质又立马得到改善。
对比2组工艺的运行效果可以发现，两者对于有机物的处理能力相当，说明原理相同的该2种工艺对污染物的处理能力相似，这与相关文献的报道相一致。但由于较长的停留时间（HRT）有利于生物作用，BPAC-UF在运行较长时间后往往能呈现一定优势。在原水水质发生突变时，2组工艺都会受到冲击影响，但出水水质变化幅度并不大（约30%）。这意味着更换原水会略微干扰微生物的稳定生长，从而影响去除率。运行时间较长时，工艺出水水质逐渐下降，这可能是由于活性炭的吸附能力达到饱和。在补加活性炭后，出水水质立马恢复。这一现象能同时印证活性炭吸附对有机物的去除起着重要作用。
２.３ 不同工艺膜污染情况
实验采用归一化膜比通量作为指标考察2组工艺运行过程中膜污染情况。某时刻归一化膜比通量（JSF/JSF0）为该时刻膜比通量（JSF）与过滤周期初始膜比通量（JSF0）比值。在计算膜比通量时，将膜通量换算成20℃标准值。实验结果如图4所示。
2组工艺在运行开始约一周后达到稳定状态，随后随着膜污染程度加剧，JSF/JSF0值持续下降。BPAC-UF工艺的该指标一直高于PAC-MBR工艺，说明前者的跨膜阻力低于后者，膜污染程度较轻。工艺运行至第24天，实验原水由实验室配水更换为三好坞原水。2组工艺JSF/JSF0急剧下降，膜污染程度加剧。实验同时发现，换水后2组工艺活性炭表面的胞外聚合物（EPS）均出现明显上升。其中，PAC-MBR工艺EPS从16.7mg/L上升至37.4mg/L，而BPAC-UF工艺该项指标则从17.6mg/L上升至39.4mg/L。结合前文所述更换原水使工艺去除污染物能力下降，水质突变可能导致原有微生物难以适应，趋于死亡从而释放大量生物分泌物，后者恰是导致膜污染的主要因素之一。膜工艺运行至第28天，两工艺JSF/JSF0约为0.4，膜污染较严重。此时，对膜组件进行化学清洗，2组工艺膜通量恢复约98%，但随后迅速下降。此后，工艺运行状况十分不稳定，且之前表现较好的BPAC-UF工艺膜污染速率快于PAC-MBR工艺。可见，后者膜池内活性炭颗粒可在膜表面形成炭骨架，在水质波动大，生物分泌物较多时吸附拦截生物分泌物，从而降低膜污染。
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结 论
投加粉末活性炭（PAC）的膜生物反应器（MBR）工艺（PAC-MBR）与分体式生物粉末活性炭－超滤（BPAC-UF）组合工艺对原水氨氮和有机污染物的去除能力相当。2种工艺均需要一定的挂膜时间方能达到较好的氨氮去除效率。BPAC-UF工艺水力停留时间较长，能较好地发挥活性炭表面生物降解作用，对于水质突变的抗冲击性能较强。2组工艺长期运行均需要持续加碳以维持稳定去除效率。由于较充分的生物降解，BPAC-UF工艺在运行过程中膜污染速率较缓。但在水质突变致使微生物死亡，微生物分泌物增多时，一体式PAC-MBR工艺膜表面所形成的炭骨架可起有效吸附拦截作用，从而减轻膜污染。
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