高 偉，梁 恒，韓 梅，常海慶，余華榮，陳 杰，李圭白 ，

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，hitgaowei@163.com;2.城市水資源開發(fā)利用(北方)國(guó)家工程研究中心，150090哈爾濱;3.蘇州立升膜分離科技有限公司，215152江蘇蘇州)

膜生物反應(yīng)器凈化微污染引黃水庫(kù)水效能

高 偉1，梁 恒2，韓 梅1，常海慶1，余華榮1，陳 杰3，李圭白1，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090哈爾濱，hitgaowei@163.com;2.城市水資源開發(fā)利用(北方)國(guó)家工程研究中心，150090哈爾濱;3.蘇州立升膜分離科技有限公司，215152江蘇蘇州)

為考察膜組合工藝處理微污染原水的可行性，研究膜生物反應(yīng)器(MBR)與膜粉末活性炭生物反應(yīng)器(PAC－MBR)對(duì)低溫低濁微污染引黃水庫(kù)水的處理效果及膜污染狀況.兩者對(duì)渾濁度均能保證穩(wěn)定的去除效果，去除率保持在97%以上;對(duì)有機(jī)物去除能力依次為PAC－MBR＞MBR＞常規(guī)處理工藝＞單獨(dú)的超濾膜(UF);單獨(dú)的超濾膜對(duì)氨氮幾乎沒(méi)有截留作用，掛膜后的PAC－MBR和MBR對(duì)氨氮的去除效果比較穩(wěn)定，平均去除率分別為3.39%、65.01%.跨膜壓差(TMP)的對(duì)比研究表明，以PAC為生物載體形成的活性污泥相對(duì)自然形成的活性污泥有較高的生物活性、較好的過(guò)濾特性，對(duì)膜污染具有一定的延緩作用.

膜生物反應(yīng)器;膜粉末活性炭生物反應(yīng)器;低溫;低濁;微污染水;膜污染

微污染原水中的有機(jī)物和氨氮是飲用水處理中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，通常采用的方法是預(yù)氧化，這樣增加了氧化劑(如氯)的投加量，同時(shí)提高了三鹵甲烷及其他消毒副產(chǎn)物的生成勢(shì).生物處理被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)有機(jī)物、氨氮污染的有效方法.但傳統(tǒng)生物處理法存在泥水分離不徹底、污泥產(chǎn)量大等缺點(diǎn).超濾膜本身作為第三代水處理工藝［1］，其篩分截留機(jī)理無(wú)法有效去除水源水中的有機(jī)物、氨氮［2］.浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器(submerged membrane bioreactor，MBR)自20世紀(jì)90年代開始受到關(guān)注［3－4］，是基于活性污泥法與膜分離技術(shù)的一項(xiàng)處理微污染原水的新技術(shù)［5］.MBR利用膜對(duì)活性污泥的完全截留作用，保證了出水水質(zhì)，同時(shí)可以在低水力停留時(shí)間下保持較高的污泥停留時(shí)間，能夠獲得較高的生物量.通過(guò)在穩(wěn)定運(yùn)行的MBR中投加粉末活性炭(PAC)，可以有效地提高M(jìn)BR對(duì)有機(jī)物的去除效果［6－7］，改善過(guò)濾液的過(guò)濾性能，從而延緩 MBR 中的膜污染［7－8］，但 PAC作為主生物載體(啟動(dòng)初期一次性投入定量PAC)，對(duì)膜生物反應(yīng)器性能的影響未見(jiàn)報(bào)道.

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比研究，以常規(guī)工藝出水、單獨(dú)的超濾膜出水作為參照，以低溫低濁微污染水庫(kù)水為處理對(duì)象，分析了PAC－MBR與MBR對(duì)有機(jī)物、氨氮的去除能力，及PAC對(duì)膜生物反應(yīng)器內(nèi)生物活性、過(guò)濾液的過(guò)濾性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程如圖1所示.膜組件采用中空纖維膜，材質(zhì)為改性 PVC膜，外徑為1.45 mm，截留分子量為 10萬(wàn) u，膜面積為0.05 m2，浸沒(méi)于反應(yīng)器內(nèi).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行3套完全相同的裝置:其中1號(hào)為MBR，由運(yùn)行開始到結(jié)束未投入任何水處理藥劑，且從未進(jìn)行排泥;2號(hào)為PAC－MBR，在運(yùn)行初期一次性投入PAC 0.5 g/L(分析純)，未進(jìn)行排泥;3號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置為空白實(shí)驗(yàn)，即在MBR和PAC－MBR取樣當(dāng)天，提前運(yùn)行3號(hào)(直接進(jìn)原水)1 h，運(yùn)行方式與1號(hào)、2號(hào)一致，取穩(wěn)定1 h后的進(jìn)、出水進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定，并在每次取樣后放空反應(yīng)器內(nèi)混合液，取出超濾膜組件進(jìn)行水力沖洗或化學(xué)清洗使其恢復(fù)至初始狀態(tài).3套裝置進(jìn)水完全相同，實(shí)驗(yàn)通量為10 L/(m2·h)，運(yùn)行方式為:抽吸8 min，停3 min，在停止3 min內(nèi)的最后10 s進(jìn)行反沖洗，反沖洗流量20 L/(m2·h)，并進(jìn)行連續(xù)曝氣，曝氣強(qiáng)度為20 m3/(m2·h)(以膜池有效面積計(jì))，水力停留時(shí)間為40 min，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中未進(jìn)行排泥.

1.2 原水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)原水采用黃河下游某引黃水庫(kù)水，在冬季進(jìn)行.該水質(zhì)呈現(xiàn)出低溫低濁且微污染的特性，水質(zhì)具體參數(shù)如下:水溫4～8℃，渾濁度2.87～7.79 NTU，TOC 2.95～3.64 mg/L，氨氮 0.15～0.34 mg/L，UV2540.081～0. 094，pH 值 7.89～8.45.3套裝置實(shí)驗(yàn)用水與常規(guī)工藝進(jìn)水水質(zhì)完全一致.

1.3 分析項(xiàng)目及方法

渾濁度采用哈希2100渾濁度儀測(cè)定;總有機(jī)炭采用德國(guó)Liquid TOC儀測(cè)定;UV254采用北京普析通用儀器公司產(chǎn)的TU－1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定;氨氮采用納氏試劑分光光度法，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB5749－2006);pH值采用HANNA pH211酸度計(jì)測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物去除效果比較

渾濁度是飲用水水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，能夠反應(yīng)水中部分顆粒物和膠體物質(zhì).渾濁度的去除代表水中泥土、微細(xì)有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、浮游生物等懸浮物和膠體物質(zhì)的減少.有研究表明，控制渾濁度在0.3 NTU以下時(shí)，隱孢子蟲和賈第蟲含量均可以控制在檢測(cè)限以下［9］.隨著飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，對(duì)渾濁度的控制也越來(lái)越嚴(yán)格.

常規(guī)工藝中，常常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榛炷Ч缓谩V池穿透等原因造成出水渾濁度不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象.尤其是低溫低濁期，混凝效果難以控制.如圖2所示，在低溫低濁期，無(wú)論原水渾濁度如何波動(dòng)，單獨(dú)的超濾膜系統(tǒng)、MBR和PAC－MBR從掛膜啟動(dòng)期到整個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行期，出水渾濁度均維持在0.2 NTU以下，去除率保持在97%以上.表明超濾膜工藝對(duì)水中顆粒物和膠體物質(zhì)的物理篩分作用機(jī)理完全可以保障出水渾濁度，且對(duì)渾濁度的去除與膜池內(nèi)混合液性質(zhì)無(wú)關(guān).而常規(guī)工藝出水最低僅能達(dá)到0.3 NTU，且受原水波動(dòng)較大，不能完全保證出水渾濁度.

圖2 MBR和PAC－MBR對(duì)渾濁度的去除效果

2.2 有機(jī)物去除效果比較

水中的有機(jī)物主要以顆粒狀、膠體狀和全溶液狀3種形式存在.水中有機(jī)物不僅是消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物，也是造成色度、嗅味的重要原因.

常規(guī)工藝中，有機(jī)物的去除常常依靠化學(xué)藥劑的氧化作用;超濾膜本身對(duì)大分子有機(jī)物具有一定的截留作用，但其去除效果依賴于原水中有機(jī)物的性質(zhì);膜生物反應(yīng)器則是利用生物降解的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的去除.

總有機(jī)炭(TOC)代表水體中含有碳元素的有機(jī)物，常用來(lái)概指水體中天然有機(jī)物的質(zhì)量濃度;UV254則代表水體中含有羧酸基和羥基等帶負(fù)電官能團(tuán)的一類或多類有機(jī)物.

常規(guī)工藝通過(guò)化學(xué)混凝、平流沉淀、砂濾、消毒過(guò)程對(duì)TOC的平均去除率為27.32%;單獨(dú)的超濾膜系統(tǒng)只能依靠膜篩分作用實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的去除作用，其對(duì)TOC與UV254平均去除率分別為20.25%、12.33%.由圖3、4 可知，PAC －MBR 對(duì)TOC、UV254平均去除率分別為40.63%、39.08%，而MBR的平均去除率為28.89%、22.91%.因此，對(duì)有機(jī)物的去除能力依次為:PAC－MBR＞MBR＞常規(guī)處理工藝＞獨(dú)立的超濾膜(UF).

圖3 MBR和PAC－MBR對(duì)TOC的去除效果

圖4 MBR和PAC－MBR對(duì)UV254的去除效果

自啟動(dòng)開始，PAC－MBR與MBR均未進(jìn)行排泥，保持了較高的活性污泥濃度及生物活性，穩(wěn)定運(yùn)行期間，通過(guò)微生物對(duì)水體中有機(jī)物的降解能力及超濾膜對(duì)活性污泥的完全截留作用，使得兩種膜生物反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除效果優(yōu)于常規(guī)處理工藝和UF.膜生物反應(yīng)器運(yùn)行中，不添加任何水處理藥劑，是應(yīng)對(duì)微污染原水的一種有效、綠色措施.

PAC－MBR中的活性污泥以PAC為主體，較大的PAC比表面積為微生物的附著提供了基礎(chǔ);而MBR中，活性污泥中微生物的載體為原水中的固體或膠體物質(zhì)，比表面積較小，微生物生長(zhǎng)空間較小.因此對(duì)于TOC、UV254，PAC－MBR都表現(xiàn)出了相對(duì)于MBR較強(qiáng)的生物降解能力.

2.3 氨氮去除效果比較

圖5表明，PAC－MBR和MBR對(duì)氨氮的平均去除率分別為73.39%、65.01%，而單獨(dú)的超濾膜實(shí)驗(yàn)表明，超濾膜本身對(duì)氨氮并無(wú)截留作用，常規(guī)工藝出水中氨氮濃度雖低，平均值為0.05 mg/L，但通常以加氯來(lái)完成，而氨氮與氯反應(yīng)生成的氯胺類物質(zhì)卻對(duì)人體有害.

分析認(rèn)為，PAC－MBR和MBR中氨氮的去除主要依靠硝化細(xì)菌的硝化作用.除上述所講的高濃度微生物的積累因素外，筆者認(rèn)為PACMBR與MBR能夠高效去除氨氮的因素還有如下兩個(gè)方面:有機(jī)物的生物降解作用本身屬于放熱反應(yīng)，在高濃度硝化細(xì)菌存在的前提下，活性污泥內(nèi)部依然能夠保持相對(duì)進(jìn)水較高的溫度，硝化細(xì)菌的活性雖受抑制，但其活性要比傳統(tǒng)活性污泥法高10～15倍［10］;硝化細(xì)菌本身為自養(yǎng)型微生物，不受原水中有機(jī)物質(zhì)量濃度低的影響，且膜生物反應(yīng)器均在低溫水中自然啟動(dòng)，低溫菌應(yīng)該是優(yōu)勢(shì)菌群.

圖5 MBR和PAC－MBR對(duì)氨氮的去除效果

2.4 PAC對(duì)過(guò)濾液性質(zhì)的影響

PAC－MBR與MBR兩套反應(yīng)器同時(shí)啟動(dòng)，前者達(dá)到對(duì)有機(jī)物、氨氮穩(wěn)定去除的時(shí)間為20 d以后，而后者則用了30 d.穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)兩組膜均進(jìn)行了水力清洗及化學(xué)清洗至最初狀態(tài)，然后用清水浸泡24 h以上(中間換水4次)，保證膜組件上化學(xué)藥劑的脫落，避免其對(duì)微生物的影響.隨后，將膜絲放入反應(yīng)器混合液中，進(jìn)行穩(wěn)定期的實(shí)驗(yàn)研究.

膜生物反應(yīng)器中的混合懸浮液主要由微生物絮凝物組成(有載體的包括載體在內(nèi))，由于膜生物反應(yīng)器中的微生物均處于高度內(nèi)源呼吸相，其代謝產(chǎn)物如胞外聚合物、溶解性微生物代謝產(chǎn)物等膠體物質(zhì)或溶解性大分子僅占相當(dāng)少的分量.

如圖6所示，穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，壓力處于緩慢增加狀態(tài);直至設(shè)定值60 kPa，跨膜壓差(TMP)增長(zhǎng)速度均比較緩慢.形成此現(xiàn)象的原因?yàn)?首先濃差極化現(xiàn)象引起細(xì)菌絮凝物、膠體和溶解性物質(zhì)在膜表面富集，此過(guò)程中，有極少數(shù)溶解性物質(zhì)吸附在膜表面或孔道內(nèi)和懸浮物沉積在膜表面，但大部分懸浮物被曝氣所形成的剪切力與慣性提升力帶走;隨后微生物絮凝污泥逐漸在膜表面沉積形成了濾餅層.所以，會(huì)出現(xiàn)圖6中整個(gè)周期內(nèi)TMP增長(zhǎng)速率不勻的現(xiàn)象.

但在整個(gè)運(yùn)行期間，PAC－MBR的壓力均低于MBR的跨膜壓差，且對(duì)于設(shè)定的膜清洗值60 kPa，PAC－MBR運(yùn)行時(shí)間明顯長(zhǎng)于MBR的73～75 h，可達(dá)90～93 h.分析認(rèn)為，以活性炭為生物載體形成的活性污泥，能夠截留更多的膠體物質(zhì)、溶解性有機(jī)物，減少進(jìn)入膜孔內(nèi)壁或吸附在膜表面有機(jī)物的量，這一點(diǎn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了PAC－MBR對(duì)有機(jī)物的去除效果優(yōu)于MBR的現(xiàn)象.

圖6 達(dá)到設(shè)定壓力限值(60 kPa)前MBR和PACMBR內(nèi)TMP變化

3 結(jié)論

1)超濾膜對(duì)水中顆粒數(shù)有極強(qiáng)的截留作用，能夠有效地控制出水渾濁度，且不受原水水質(zhì)渾濁度波動(dòng)的影響，平均值遠(yuǎn)低于常規(guī)工藝的出水值.

2)超濾膜本身對(duì)有機(jī)物的截留率較低，PAC－MBR和MBR通過(guò)生物降解作用對(duì)TOC的平均去除率分別為40.63%、28.89%;對(duì)UV254的平均去除率分別為39.08%、22.91%;對(duì)氨氮的平均去除率為73.39%、65.01%;其去除效果均優(yōu)于常規(guī)工藝及單獨(dú)的超濾膜系統(tǒng)，是一種有效的綠色水處理工藝.

3)PAC的投加不僅可以作為微生物生長(zhǎng)的載體，有利于膜生物反應(yīng)器的掛膜啟動(dòng)，且表現(xiàn)出比常規(guī)自然掛膜更強(qiáng)的生物活性;同時(shí)PAC的投加還可以有效地改善反應(yīng)器中混合液的特性，從而延緩膜污染．

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Purification of micro-polluted reservoir water from Huanghe river by membrane bioreactors

GAO Wei1，LIANG Heng2，HAN Mei1，CHANG Hai－qing1，YU Hua－rong1，CHEN Jie3，LI Gui－bai1，2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(SKLUWRE)，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，hitgaowei@163.com;2.National Engineering Research Center of Urban Water Resources，150090 Harbin，China;3.Suzhou Litree Ultra－filtration Membrane Technology Co.，Ltd，215152 Suzhou，Jiangsu，China)

To investigate the feasibility of hybrid membrane process for treating micro－polluted water，the treatment of micro－polluted reservoir water from Huanghe river，which presented low turbidity and low temperature were carried out，and the submerged membrane bioreactors without(MBR)and with(PAC －MBR)powdered activated carbon(PAC)were evaluated for drinking water production，while the fouling mechanism of the two membrane were discussed too.Both of the MBR and PAC －MBR guaranteed the turbidity removal above 97%.The ability of organic substances removal were:PAC－MBR＞MBR＞conventional process＞ultrafiltration(UF)alone.No effect of UF alone on NH3－N removal was observed，while PAC－MBR and MBR gave an average removal rate of 73.39%and 65.01% ，respectively.By comparing the trans－membrane pressure(TMP)trend of two bioreactors，it could be concluded that activated sludge，with PAC as a carrier，showed higher activity and better filterability than the activated sludge naturally formed，and PAC －MBR appeared a slower membrane fouling.

MBR;PAC － MBR;low temperature;low turbidity;micro－polluted water;membrane fouling

TU991.2

A

0367－6234(2011)08－0031－04

2010－04－20.

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“水專項(xiàng)”資助項(xiàng)目(2008ZX07422－005);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金青年科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2009RFQXS010).

高 偉(1984—)，男，博士研究生;

李圭白(1931—)，男，博士生導(dǎo)師，中國(guó)工程院院士.

(編輯 劉 彤)