微污染源水凈化處理工藝的研究

1、微污染源水凈化處理工藝的研究吳志超1，曾萍1，顧國(guó)維1，俞國(guó)平1，張祥余2，殷榮強(qiáng)錢(qián)松宇2，于大海（1 .同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092 2 .上海市給,水管理處，上海200092）的污染水源水進(jìn)行凈化處理的工藝研究。結(jié)果表明，在試驗(yàn)條件下，水源水氨氮10 mg/ L時(shí)，組合工濃度6 .0mg/ L.當(dāng)向生物曝氣池內(nèi)投,加10 mg/ L粉末活性炭形成炭污泥時(shí)，出水COD降低到3 .5 mg/L 當(dāng)投加量繼續(xù)增加到50 mg/L時(shí)，出水COD 3 .0 mg/ L.研究還表明，中空膜,可以應(yīng)用于混凝沉淀生物曝氣超濾工藝中，而且PAC的投加有利于膜水通量的提高。我國(guó)現(xiàn)有自來(lái)水廠處理

2、工藝主要為混凝沉淀過(guò)濾消毒，為保證處理后自來(lái)水水質(zhì)，對(duì)水源水水,質(zhì)要求COD隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)許多地區(qū)的水源水水質(zhì)（包括地下水）已遭到不同程度的污染，例如巢湖地區(qū)少數(shù)飲用水源水的COD濃度高達(dá)15 mg/ L左右。有鑒于此，開(kāi)發(fā),了生物預(yù)處理常規(guī)凈水技術(shù)的組合工藝 13，但該項(xiàng)技術(shù)受溫度影響較大，污染物去除率非常有限，操作要求高，無(wú)抗沖擊負(fù)荷能力。本文介紹了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行新型組合凈水工,藝的研究。試驗(yàn)流程、設(shè)備和分析指標(biāo)1.1工藝流程（見(jiàn)圖1）1.2設(shè)備和分析指標(biāo)微污染源水先進(jìn)行混凝沉淀，每天間歇式一次操作完成，然后由進(jìn)水泵定量提升進(jìn)入生物預(yù)曝氣池（,采用懸浮型生物法），水力停留時(shí)間在12

3、h之間，曝氣形式為微孔曝氣。超濾膜組件形式為中空纖維，材質(zhì)為聚砜，截留分子量分別為20 000 u、環(huán)采用電磁泵。消毒采用在,消毒池內(nèi)間歇式投加次氯酸鈉溶液完成。主要分析指標(biāo)為膜水通量、試驗(yàn)結(jié)果和分析進(jìn)水）水質(zhì)的變化情況。由圖2可見(jiàn)，水源水的有機(jī)污染相當(dāng)嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)混凝沉淀處理后，其COD濃度,一般仍然高達(dá)9 .15 mg/ L.同時(shí)，源水中氨氮濃度的變化幅度特別大，特別是在氣溫明顯轉(zhuǎn)換的時(shí)期。氨氮濃度一般在冬季或初春季節(jié)較高，其余季節(jié)較低，該水質(zhì)變化中國(guó)給,水排水特征非常不利于常規(guī)生物預(yù)曝氣混凝沉淀過(guò)濾工藝的進(jìn)行，因?yàn)槌Ｒ?guī)生物預(yù)曝氣只有在氣溫高時(shí)處理效率才高（而氣溫高時(shí)源水氨氮濃度本身就低）。

4、當(dāng)冬季氣溫低，進(jìn)水氨氮濃,度高時(shí)，常規(guī)生物預(yù)處理的效率又變得非常低，無(wú)法滿足飲用水水質(zhì)去除氨氮的要求。2.1對(duì)有機(jī)污染物的去除為了保證生物硝化作用的及時(shí)順利進(jìn)行，也為了減輕超濾膜的污染程度，延,長(zhǎng)清洗周期，對(duì)污染源水首先采用混凝沉淀，去除大部分的膠體和高分子有機(jī)物（混凝沉淀出水的有機(jī)物濃度如圖2所示）。在隨后進(jìn)行的生物預(yù)曝氣超濾膜分離過(guò)程中，根據(jù)混合液的是,否排放，有機(jī)污染物的去除呈現(xiàn)出顯著不同的結(jié)果（分別和表2）。的去除情況mg/ L混凝沉淀出水濃度曝氣混合液濾紙濾后COD濃度膜滲透液的COD濃度的去除情況mg/ L混,凝沉淀出水濃度曝氣混合液濾紙濾后COD濃度膜滲透液的COD濃度由表1可見(jiàn)

5、，經(jīng)過(guò)混凝沉淀剩余的膠體和高分子有機(jī)物在生物曝氣池中的濃度依然較高，這是由于高分子有機(jī)物和膠體,可被生物極其緩慢地降解成小分子，最終成為可以透過(guò)超濾膜的物質(zhì)。同時(shí)，高分子有機(jī)物的累積也提高了膜表面凝膠極化層中污染物的濃度，擴(kuò)散梯度增大，導(dǎo)致膜透過(guò)液中污染物濃度升,高。兩方面的共同作用使得膜透過(guò)液中濃度甚至高過(guò)進(jìn)水的濃度。而由表2可見(jiàn)，當(dāng)對(duì)曝氣池混合液進(jìn)行適時(shí)排放時(shí)，生物曝氣池內(nèi)有機(jī)物的累積得到了明顯控制， COD濃度平均下降了,3 mg/L ，并出現(xiàn)小于進(jìn)水濃度的現(xiàn)象。此時(shí)，上述高分子有機(jī)物濃差擴(kuò)散引起的滲透得到有效控制，膜透過(guò)液COD濃度也明顯下降。由表1和表2還可以發(fā)現(xiàn)，截留分子量不同的,

6、超濾膜，其出水COD濃度顯著不同。在同步測(cè)定濃度有80 90 明顯低于PS200膜透過(guò)液，造成這種特殊現(xiàn)象的原因也在于膜表面污染物的累積。PS500膜的水通量高，累,積透水量大，被膜截留的污染物質(zhì)相對(duì)較多，而兩根膜共用一個(gè)生物曝氣池，微生物在PS500膜表面的截留量也明顯大于PS200膜。這樣，一方面由于PS500膜表面被截留物質(zhì),多，膜的堵塞更加嚴(yán)重，使得實(shí)際透過(guò)通道顯著減小另一方面，因?yàn)槲勰嗟慕亓袅慷?，有機(jī)物不僅在曝氣池內(nèi)得到降解，同時(shí)在透過(guò)膜的表面時(shí)，有機(jī)物也得到比PS200膜表面更多的降,解，而PS200膜透過(guò)液的COD濃度偶爾低于PS500膜透過(guò)液的現(xiàn)象與此前進(jìn)行了膜清洗有關(guān)。2.2

7、對(duì)氨氮的去除進(jìn)水膜類型出水進(jìn)水膜類型出水由表3可知，盡管混凝沉淀出水,的氨氮濃度變氣超濾工藝仍然對(duì)氨氮具有良好的去除能力。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)和硝化細(xì)菌的增多，出水氨氮濃度越來(lái)越低，最終處于一個(gè)低水平上。表3中不同截留分子量的PS200,膜和PS500膜對(duì)氨氮的去除能力表現(xiàn)出一定的差別，且基本沒(méi)有規(guī)律。從分子量大小考慮，氨氮完全能夠順利透過(guò)PS200膜和PS500膜，但對(duì)相同的曝氣池混合液，兩種膜的透,過(guò)液氨氮濃度明顯不同，造成該現(xiàn)象的原因也是由被膜表面截留的微生物作用引起的。2.3投加粉末炭的去除效果由于微污染源水中難生物降解有機(jī)物的濃度較高（達(dá)到1115 mg,/L左右），盡管混凝沉淀生物曝

8、氣超濾工藝對(duì)有機(jī)污染物具有較高的去除能力，但最終出水中的COD濃度仍然較高（5 .0 mg/L），作為飲用水來(lái)說(shuō)應(yīng)盡可能再降低一些。,根據(jù)國(guó)外的研究，粉末活性炭吸附超濾工藝不僅能有效降低超濾出水中有機(jī)物的含量，而且還能在一定程度上改善膜的水通量。為了進(jìn)一步提高有機(jī)物的去除能力，在生物曝氣池內(nèi)定量投,加粉末活性炭（PAC），以期形成活性炭污泥顆粒。表4為投加PAC并穩(wěn)定運(yùn)行10 d后采樣的分析結(jié)果。機(jī)污染物和氨氮的去除mg/ L項(xiàng)目膜類型粉末活性炭投加量膜透過(guò)液C,OD濃度膜透過(guò)液COD濃度膜透過(guò)液N濃度膜透過(guò)液N濃度膜透過(guò)液N濃度由表4可知，投加粉末活性炭后，有機(jī)物濃度得到顯著降低， PAC投

9、加量越高，膜透過(guò)液中COD濃度越低,。當(dāng)PAC投加量為10 mg/L時(shí)，被PAC吸附去除的有機(jī)物最多，超濾出水的COD濃度可以降低到5 .0mg/L以下當(dāng)PAC投加量繼續(xù)增加到40 mg/ L和50 m,g/L時(shí)，超濾出水的有機(jī)物濃度由表4還可以發(fā)現(xiàn)，與混凝沉淀生物曝氣超濾工藝相比，混凝沉淀PAC生物曝氣超濾工藝不僅能夠進(jìn)一步提高有機(jī)污染物的去除率，還能有效提,高氨氮和亞硝酸鹽氮的去除能力。此時(shí)，膜透過(guò)液中NH N濃度和NO N濃度均低于檢測(cè)限，同時(shí)硝酸氮的濃度也低于5 .0mg/L.表4同時(shí)表明， PS200膜透過(guò)液的CO,D濃度明顯低于PS500膜，該現(xiàn)象與混凝沉淀生物曝氣超濾工藝的試驗(yàn)結(jié)

10、果發(fā)生了明顯的變化。該結(jié)果能否用投加的PAC顯著改善膜表面的污染狀況，使得PS200膜發(fā)揮了本,該具有的截留特性來(lái)解釋，還有待進(jìn)一步試驗(yàn)和對(duì)膜表面進(jìn)行切片檢查得出。由于超濾膜的表面孔徑遠(yuǎn)小于細(xì)菌的大小，本試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)不作特別考察，僅隨機(jī)取了一次水樣測(cè)定,細(xì)菌總數(shù)，超濾膜出水為13個(gè)/mL ，濁度0 .3 2.4超濾膜水通量的變化由于條件限制，膜組件的操作壓力為49 kPa，膜面流速為0 .4m/s.圖3為試驗(yàn)初期水通,量的變化情況。由圖3可知，由于PS500膜的表面孔徑大于PS200膜，其累積透水量明顯高于PS200膜，運(yùn)行到18 d時(shí)，PS500膜累積透水量仍然達(dá)到1 000 m,

11、L/ d ， PS200膜累積透水量為750 mL/d.從兩種膜的透水量變化趨勢(shì)看，PS200膜的透水量在運(yùn)行初期沒(méi)有出現(xiàn)明顯下降現(xiàn)象，PS500膜的透水量則在經(jīng)過(guò)一,周的顯著下降后逐漸趨于穩(wěn)定。圖4和圖5分別是運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)期的瞬時(shí)透水量和累積透水量的變化。該時(shí)期膜的透水性能和運(yùn)行初期基本相似，PS500膜的透水量下降比較明顯， PS,200膜透水量的下降則非常緩慢。但與運(yùn)行初期的累積透水量相比，PS500膜基本沒(méi)有衰減， PS200膜則出現(xiàn)了明顯衰減現(xiàn)象，從運(yùn)行初期的750 mL/d下降為穩(wěn)定時(shí)的,變化情況。由圖6、7可知， PAC的投加對(duì)PS500膜的透水量影響不大，卻顯著改善了PS200膜

12、的透水量。PS200膜的透水量甚至出現(xiàn)了一定程度的恢復(fù)。值得注意的是，,此時(shí)膜過(guò)濾對(duì)象的SS濃度達(dá)到1 000在整個(gè)研究過(guò)程中，膜的化學(xué)清洗除了一次采用雙氧水外，其余均為振動(dòng)清水沖洗10 min 浸泡20 h左右清水沖洗10 min,左右1 NaOH浸泡20 h左右清水沖洗10 min.由圖可以發(fā)現(xiàn)，在膜組件的運(yùn)行過(guò)程中，盡管長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行任何清洗，膜透水量的下降還是比較緩慢的，其下降的幅度也,是可以承受的，尤其是結(jié)論研究結(jié)果表明，當(dāng)源水污染物主要為氨氮，相對(duì)較低時(shí)，采用生物曝氣超濾工藝不僅可以有效去除氨氮污染，而且能夠進(jìn)一步降低有機(jī)污染物。當(dāng)原水污染物中,氨氮和COD濃度均高時(shí)，需要采用混凝沉淀生物曝氣超濾組合工藝，當(dāng)源水氨氮濃度10 mg/L時(shí)，組合工藝的出水氨濃度為11 .015 .0mg/L左右時(shí)，組合工藝,在合理的控制條件下，其出水COD 6 .0 m