“跌水曝氣生物接觸氧化－超濾”工藝處理富營養(yǎng)化湖泊水的試驗(yàn)研究
傳統(tǒng)的水處理混凝、過濾、消毒工藝是以去除水體顆粒物、濁度與色度為主，對(duì)于溶解性有機(jī)物的和氨氮去除能力相對(duì)較差。而目前我國水源水的污染的形勢(shì)十分嚴(yán)峻，水廠供水水質(zhì)的安全性得不到保障，對(duì)人民的健康構(gòu)成了極大的威脅。本文研究的跌水曝氣生物接觸氧化-超濾組合工藝可以有效去除水中溶解性有機(jī)物和氨氮，改善水質(zhì)，同時(shí)投資少，運(yùn)行成本低，為飲用水處理中所廣泛研究和應(yīng)用[1,2]。
1 試驗(yàn)流程和裝置
1.1 試驗(yàn)流程
試驗(yàn)地點(diǎn)在無錫市充山水廠。太湖水經(jīng)潛水泵提升至生物接觸氧化池，經(jīng)過三階生物接觸氧化出水預(yù)存于中間水池，再由自吸泵提升至砂濾池（為了減少超濾膜組件的污染，故設(shè)置砂濾池），砂濾出水至超濾前存水箱。超濾系統(tǒng)包括膜組件、加壓泵和反沖洗水泵。流程圖見圖1。
1.2試驗(yàn)裝置
在跌水曝氣生物接觸氧化池中采用彈性立體填料，一階跌水曝氣生物接觸氧化池（簡稱階一）填料層有效容積V=0.9m×0.9m×0.65m=0.53m3；二階跌水曝氣生物接觸氧化池（簡稱階二）填料層有效容積V=0.8m×0.8m×0.8m=0.51m3；階三同階一；砂濾柱：石英砂（粒徑0.5-1.2mm）濾料層厚0.7m，下層承托層厚0.4m；超濾機(jī)：LG0650×1-B立升超濾機(jī)（海南立升凈水科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)），內(nèi)壓式，PVC合金，有效膜面積13m2，切割分子量10萬Daltons。
進(jìn)階一、階二、階三的跌水高度分別為0.5m，0.4m和0.4m。
2 分析及試驗(yàn)方法
試驗(yàn)選用了與富營養(yǎng)化問題有關(guān)的藻類、有機(jī)物、氨氮、濁度、溶解氧等監(jiān)測項(xiàng)目。檢測方法為：
1）有機(jī)物（以下稱CODMn）：酸性高錳酸鉀法；
2）UV254（254nm波長下水樣的紫外吸光度）：紫外分光光度法；
3）氨氮（以下稱NH+4-N）：納氏試劑分光光度法；
4）濁度：A22光電式濁度儀；
5）溶解氧：碘量法；
6）藻類：魯哥試劑固定24小時(shí)，顯微板框計(jì)數(shù)；
7）NO2―-N：分光光度法。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 生物接觸氧化池掛膜試驗(yàn)
填料采用自然掛膜方法，試驗(yàn)從2004年11月24日啟動(dòng)到12月30日結(jié)束，水力停留時(shí)間（HRT）為5.2h。三階跌水高度分別為0.5m，0.4m和0.4m，水溫1～13℃。掛膜第26天，氨氮去除率達(dá)到53.2%，第29天達(dá)到77.9%，之后幾天處理效率較為穩(wěn)定，平均去除率在60.1%，可以認(rèn)為填料掛膜完成。筆者認(rèn)為，在低溫季節(jié)，當(dāng)氨氮的去除率較為穩(wěn)定且在50%以上時(shí)，可以認(rèn)為掛膜基本完成，而CODMn的去除率可作參考，不宜作為掛膜成熟與否的主要依據(jù)。
3.2 跌水曝氣生物接觸氧化工藝處理特性
試驗(yàn)主要考察了在水力停留時(shí)間（HRT）為1.6h時(shí)，跌水曝氣生物接觸氧化對(duì)水中污染物的去除特性。試驗(yàn)期間平均水溫為7.6℃，三階跌水高度仍分別為0.5m，0.4m和0.4m，原水中溶解氧濃度在10.7～11.4mg/L，平均每階跌水可充氧0.2 mg/L，0.5 mg/L和0.8 mg/L。
3.2.1 濁度的去除
水中形成濁度的因素較多，泥砂、懸浮物、膠體、微生物群落以及一部分有機(jī)物都可以產(chǎn)生濁度。從圖2可以看出，當(dāng)進(jìn)水濁度為27～105NTU時(shí)，出水濁度為10～43NTU，濁度的去除率在31.7%～75.6％，平均約52.0%。在生物接觸氧化預(yù)處理中，濁度的去除主要靠填料對(duì)懸浮物的截留、水中原生動(dòng)物和后生動(dòng)物對(duì)藻類及其它有機(jī)質(zhì)的捕食作用和脫落于水中的生物膜的生物絮凝作用。
3.2.2 NH4+-N的去除
當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度為3.27～4.37 mg/L時(shí)，出水濃度為2.03～3.04mg/L，NH4+-N的去除率在29.6%～46.6%，平均約35.9%。由于進(jìn)水氨氮濃度較高，而水溫較低（平均水溫為7.6℃），硝化細(xì)菌的活性較弱，硝化程度低，故生化池出水氨氮濃度仍然較高。
3.2.3CODMn的去除
進(jìn)水CODMn的濃度為6～8.4mg/L, 出水濃度為4.6～6.4mg/L，去除率在13.1％～35.7％，平均約19.8％。分析生物接觸氧化對(duì)有機(jī)物的去除機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面[3]：（1）微生物對(duì)小分子有機(jī)物的降解。由于微生物生長代謝中物質(zhì)和能量的需要，將部分低分子有機(jī)物分解成二氧化碳和水，同時(shí)也將降解中生成的部分中間產(chǎn)物合成微生物體。（2）微生物胞外酶對(duì)對(duì)大分子有機(jī)物的分解作用。（3）生物吸附絮凝作用。生物膜的比表面積較大，能吸附部分有機(jī)物。微生物分泌物多聚糖等粘性物質(zhì)有類似化學(xué)絮凝的作用，使部分大分子有機(jī)物在生物反應(yīng)器中被填料上生物膜吸附下來，隨生物膜脫落而被排出反應(yīng)器。
3.2.4 UV254的去除
進(jìn)水UV254的濃度為0.096～0.109cm-1, 出水濃度為0.092～0.104 cm-1，去除率在0％～11.0％，平均約5.9％。UV254是指254nm波長下水樣的紫外吸光度，它對(duì)于測量水中天然有機(jī)物如腐殖質(zhì)等有重要意義，可作為TOC（總有機(jī)碳）及THMs（三鹵甲烷）前體物的代用參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物接觸氧化法對(duì)UV254的有一定的去除效果，但是不夠理想。主要原因是水源水中的可生物降解有機(jī)物主要是非腐殖酸類有機(jī)物，腐殖質(zhì)本身是微生物分解形成的相對(duì)穩(wěn)定的化合物，所以在較短的水力停留時(shí)間內(nèi)，這部分有機(jī)物難以去除[3]。
3.2.5 藻類的去除
進(jìn)水藻類的濃度為13×106～31×106個(gè)/L，出水濃度為2.5×106～10×106個(gè)/L，去除率在61.1％～78.4％，平均約71.0％。生物接觸氧化法除藻依賴于以下幾種作用：生物膜的吸附、附著，微生物的氧化分解，填料間的生物絮凝、沉淀等。
3.2.6 NO2--N的去除
NO2--N去除效果不明顯，絕大多數(shù)時(shí)表現(xiàn)為亞硝酸鹽（NO2--N）的少量積累。主要原因是進(jìn)水NO2--N濃度很低（0.05～0.08mg/L）而出水中NO2--N濃度在0.06～0.09 mg/L，說明水中氨氮亞硝化后形成的NO2--N已經(jīng)基本得到硝化。
3.3 超濾對(duì)污染物的去除效果及膜運(yùn)行特性
在試驗(yàn)中，生物接觸氧化出水的濁度較高（平均20NTU左右），為了減少對(duì)超濾膜的污染和破壞，在超濾前采用普通砂濾池進(jìn)行預(yù)處理，砂濾濾料為0.5～1.2mm，厚70cm，濾速6～7m/h。
3.3.1 濁度的去除
試驗(yàn)表明超濾在去除濁度方面具有很大的優(yōu)越性，從圖8可以看到，無論進(jìn)水濁度如何變化，超濾出水濁度始終<1NTU，平均濁度為0.5NTU，平均去除率為95.5％。超濾出水的濁度遠(yuǎn)優(yōu)于我國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的3NTU。試驗(yàn)選用的PVC合金超濾膜組件，其截留分子量（或稱切割分子量，MWCO）為10萬Daltons，膜孔徑<0.1μm。因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水中泥沙、懸浮物、微生物群落等濁度形成物的有效截留。超濾膜除污染的作用機(jī)理認(rèn)為主要存在以下三種情形：
（1）溶質(zhì)在膜表面及微孔壁上產(chǎn)生吸附；
（2）溶質(zhì)的粒徑大小與膜孔徑相仿，溶質(zhì)在孔中停留，引起阻塞；
（3）溶質(zhì)的粒徑大于膜孔徑，溶質(zhì)在膜表面被機(jī)械截留，實(shí)現(xiàn)篩分。
三種作用的協(xié)同效應(yīng)構(gòu)成了超濾膜分離物質(zhì)的基礎(chǔ)[4,5]。
3.3.2 氨氮的去除
運(yùn)行期間超濾進(jìn)水氨氮濃度0.63～3.25mg/L，出水濃度為0.3～2.92 mg/L，去除率為0％～77.9％，平均去除率為13.9％。筆者認(rèn)為，超濾對(duì)氨氮的去除主要還在于微生物的硝化作用，在砂濾出水中仍然含有大量硝化細(xì)菌，由于超濾膜對(duì)細(xì)菌的截留，使得中空纖維膜的內(nèi)表面成為生物生長新的載體，但由于超濾運(yùn)行時(shí)進(jìn)行定期排污和反沖洗，微生物膜多數(shù)被排出膜組件，加之水和生物膜之間的接觸時(shí)間短，因此氨氮的去除率不高。
3.3.3 CODMn的去除
超濾對(duì)CODMn有一定的去除率，且進(jìn)水CODMn濃度在4～6.7mg/L變化時(shí)對(duì)去除率的影響較小，平均去除率為16.3％。超濾出水CODMn的平均濃度為4.5mg/L，達(dá)不到衛(wèi)生部“生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范”中規(guī)定的<3mg/L的要求。因此還必須采取相關(guān)措施加以解決。如：在生物接觸氧化前預(yù)臭氧化以提高水的可生化性；在超濾前投加適量混凝劑和粉末活性炭，有試驗(yàn)[6,7]表明這樣可以提高有機(jī)物的去除率同時(shí)減輕膜污染。
3.3.4 藻類的去除
試驗(yàn)期間，超濾進(jìn)水中藻類濃度為0.7～7.8×106個(gè)/L（平均3.6×106個(gè)/L），出水中藻類濃度為0～1.3×106個(gè)/L（平均0.45×106個(gè)/L），去除率為61.8％～100％（平均84.2％）。超濾對(duì)藻類很好的去除效果。
3.3.5 UV254的去除
超濾對(duì)UV254的平均去除率為6.9％，如圖11所示，超濾進(jìn)水中UV254濃度變化對(duì)其去除率的影響不明顯，始終在平均去除率附近上下波動(dòng)。
3.3.6 超濾膜運(yùn)行特性
超濾運(yùn)行為死端式間歇運(yùn)行，每隔40min排放濃縮水一次，每2h進(jìn)行清水反沖洗，反沖洗流量為1800L/h，歷時(shí)2～3min。超濾濾前水平均濁度為13NTU，反沖洗用水為超濾出水。
在開始過濾的一段時(shí)間內(nèi)，膜通量下降迅速，大約經(jīng)過100min后膜通量下降越來越平緩，此時(shí)比滲透通量以已經(jīng)降低為初始通量的35％左右，經(jīng)定期排放濃縮水后膜通量有所回升，經(jīng)清水反沖洗后提高到初始值的45％左右。如此周期反復(fù)，膜通量平緩下降。當(dāng)比滲透通量下降為初始通量的32％左右，采用清水反沖洗已經(jīng)很難回復(fù)膜通量，遂決定化學(xué)清洗。清洗采用0.5％的NaOH加含有效氯量為10mg/L的NaClO混合溶液，進(jìn)行循環(huán)清洗40min。從圖13中看到，經(jīng)化學(xué)清洗后比滲透通量恢復(fù)到初始通量的80％左右，清洗比較徹底。但是之后累積運(yùn)行時(shí)間到達(dá)150min后，通量迅速下降為初始值的17.3％，說明清洗后的膜孔很快又被堵塞，形成凝膠層。經(jīng)清水反沖洗后通量恢復(fù)到35.9％。經(jīng)過周期反沖洗和排放濃縮水，膜污染得到有效控制。但是了四月份，膜的比滲透通量開始迅速回升。分析認(rèn)為主要原因是，水溫回升到15℃，加上超濾機(jī)擺在室外帳篷內(nèi)，篷內(nèi)溫度上升很快，最高時(shí)氣溫可達(dá)到35℃，也加速水溫的升高，減小水的粘度，提高透水能力。
3.4 組合工藝與水廠常規(guī)凈水效率對(duì)比
試驗(yàn)所在水廠規(guī)模為1萬噸/天，采用混凝、氣浮、過濾和消毒的工藝。從表1可以看到，組合工藝的處理效率優(yōu)于水廠工藝，其中以氨氮的去除率最為顯著，前者比后者的效率提高了29.5個(gè)百分點(diǎn)，濁度、藻類和UV254的去除率都有了一定的提高，而CODMn的去除率基本持平。試驗(yàn)組合工藝和水廠工藝凈水效率對(duì)比
4 結(jié)論
（1）跌水曝氣生物接觸氧化池HRT=1.6h時(shí)，濁度、氨氮、CODMn、藻類和UV254的平均去除率分別為：52％、35.9％、19.8％、71.0％和5.9％。
（2）超濾膜對(duì)濁度、氨氮、CODMn、藻類和UV254的平均去除率分別為95.5％、13.9％、16.3％、84.2％和6.9％。
（3）超濾開始一段時(shí)間內(nèi)膜通量下降迅速，大約經(jīng)過100min后膜通量下降越來越平緩；死端式運(yùn)行時(shí)，每隔40min排放濃縮水一次，歷時(shí)1min，每2h進(jìn)行清水反沖洗，反沖洗流量為1800L/h，歷時(shí)2～3min可以緩解膜污染。
（4）當(dāng)膜污染較為嚴(yán)重時(shí)，采用0.5％的NaOH加含有效氯量為10mg/L的NaClO混合溶液，進(jìn)行循環(huán)清洗40min后比滲透通量恢復(fù)到初始通量的80％左右。
（5）在平均水溫7.6℃，生物接觸氧化的水力停留時(shí)間（HRT）=1.6h時(shí)，組合工藝對(duì)濁度、氨氮、CODMn、藻類和UV254的去除率分別為99.1％、44.0％、35.3％、97.9％和6.9％，處理效率優(yōu)于常規(guī)工藝。
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