粉末活性炭-超滤工艺处理微污染原水
水厂常规处理工艺难以有效去除微污染原水中的氨氮和有机物，而生物粉末活性炭/超滤(BPAC/UF)组合工艺是一种有效的深度处理技术，结合了活性炭吸附、微生物降解和膜分离技术的优点，对水中的氨氮和有机物具有良好的去除效果。该工艺出水水质稳定，操作灵活性高，实用性强。考察了BPAC/超滤组合工艺对微污染水中氨氮和有机污染物的去除效果以及化学强化反冲洗对跨膜压差的影响，以期为该工艺的实际应用提供参考。
一、试验材料和方法
1.1测试设备
如图1所示，BPAC/超滤小型试验装置由PVC中空纤维膜组件、反应器、清水箱、浮阀液位控制系统、曝气系统、反洗系统、排水系统、回流系统、蠕动泵、压力传感器和PLC控制系统组成。反应器由活性炭接触池、斜板沉淀池和膜池组成。活性炭接触池有效容积6.0L，斜板沉淀池有效容积8.4L，斜板高度100mm，倾角60°。膜池的有效容积为2.8L..反应器的高度为50毫米，溢流口的高度为30毫米
BPAC/超滤中试装置以30L/(m2·h)的恒定通量运行，进水在活性炭接触池中的停留时间约为2h。采用连续曝气搅拌24h，曝气流量为30L/h，搅拌器转速为20r/min。粉末活性炭一次性投加，投加量为2g/L，装置运行前，粉末活性炭已曝气一个月，絮体已初步形成。污泥每30分钟回流一次，沉淀池中的活性炭回流至活性炭接触池。膜中的水每两天清空一次。反洗间隔为30分钟，反洗时间为60s，出水流量为两倍。
实验采用苏州李生净水技术有限公司提供的浸没式聚氯乙烯中空纤维膜。膜丝的有效长度为25cm，有效膜面积为0.063m2，膜纤维的内径和外径分别为1.0 mm和2.0mm，平均膜孔径为0.02μm，分子量为50ku，较高的吸气工作压力为-80kPa，工作pH值范围为1-13。
1.2测试水
实验用水为江苏省微污染原水，存在季节性氨氮和有机物含量高的问题。微污染原水在进入BPAC/超滤组合工艺之前，要经过模拟混凝沉淀过程。混凝剂为聚合氯化铝，采用湿法投加，投加量为20mg/L，加药后用三级搅拌器在不同转速下模拟混凝沉淀的不同阶段:高速(80r/min)搅拌30秒模拟快速混合阶段，中速(40r/min)搅拌5分钟模拟混凝前期，低速(20r/min)搅拌15分钟模拟混凝中后期，然后静置沉淀2分钟用蠕动泵提取上清液，过滤后作为BPAC/超滤中试装置的进水。试验装置的进水水质为:浊度1.96-5.47NTU，cod Mn 1.75-4.70mg/L，uv 254 0.032-0.089cm-1-1，DOC 3.450-6.142mg/L，氨氮0.03-0.16mg/L
1.3检测项目和方法
COD:酸性高锰酸钾法，氨氮:纳氏试剂分光光度法，UV254:紫外-可见分光光度法，Doc: TOC-LCPH总有机碳分析仪。
二。结果和讨论
2.1氨氮的去除效果
装置运行前13天，由于温度较低，进水氨氮浓度较低，平均浓度仅为0.063 mg/L，有研究表明，当水中氨氮浓度超过0.25mg/L时，可以为硝化细菌的生长提供足够的营养。因此，在这种条件下，硝化细菌的活性较差，不能充分发挥生物降解作用。通过对微污染原水水质的检测，发现2017年原水中氨氮的平均浓度为0.61mg/L，所以NH < 1，这样进水氨氮的平均浓度为0.68mg/L，来模拟原水中氨氮浓度超标的情况。
BPAC/超滤组合工艺对氨氮的去除效果如图2所示。装置运行前三天，氨氮去除率较高，平均值达到75.29%。这是因为在装置正式运行前，活性炭已经曝气一个月，硝化细菌已经成功形成生物膜，形成了生物粉末活性炭。但从第4天开始，氨氮的去除率迅速下降，进水中氨氮浓度过低，无法为硝化细菌的生长提供营养。第5 ~ 13天，由于碳池内持续曝气，部分硝化细菌仍能存活并发挥生物降解作用，碳池氨氮平均去除率为50.99%。但硝化菌随水流入膜池后，在营养和氧气较差的条件下，膜池内和吸附在膜表面的微生物会逐渐死亡，分解成蛋白质和无机盐，导致出水氨氮浓度高于进水。组合工艺出水氨氮浓度平均为0.063mg/L，有的日子甚至氨氮去除率为负值。在第15天向碳池中加入5g活性炭，经过5天的适应性生长，碳池中氨氮的去除率为92.23%，而组合工艺对氨氮的总去除率为92.13%，这说明BPAC/UF组合工艺对氨氮的去除主要依靠附着在活性炭颗粒上的硝化细菌的降解，超滤膜对氨氮几乎没有去除作用。
2.2 cod Mn的去除效果
BPAC/超滤组合工艺对CODMn的去除效果如图3所示。可以看出，组合工艺对CODMn的去除率波动较大，前14天CODMn的去除率在6.18% ~ 23.05%之间波动，而膜池出水CODMn浓度平均比膜池低0.08mg/L。这是因为流入膜池的粉末活性炭被超滤膜截留，在膜表面形成滤饼层。此时没有微生物附着在滤饼层上，所以CODMn的去除主要是由于滤饼层。14天后，进水氨氮浓度升高，微生物逐渐生长并再次成熟。组合工艺对CODMn的去除率有所提高，在13.39% ~ 47.67%之间波动。CODMn去除率的波动在第16-24天尤为严重，因为在连续曝气的条件下，第17天KIA硝化细菌的生长繁殖在水中产生了大量的亚硝酸盐(较高值约为0.75mg/L)，亚硝酸盐作为还原性无机物对CODMn的去除有明显的影响。随着硝化细菌活性的增加，水中的亚硝酸盐逐渐被氧化。24天后，CODMn的去除率逐渐上升并趋于稳定。在第24～27天，BPAC/超滤组合工艺对CODMn的平均去除率为27.39%。同时发现，在补充碳源的第15天后，CODMn的去除率急剧上升，说明补充的新碳源的吸附作用可以在短时间内提高有机物的去除效果。
2.3紫外线结合的去除效果
BPAC/超滤组合工艺对UV254的去除效果如图4所示。
组合工艺对UV254的去除效率在前14天不稳定，平均去除率为27.99%。第15天补碳后UV254的去除率有所提高，第15-22天平均去除率为38.49%，第23天趋于稳定，第23-27天平均去除率为30.79。认为生物粉末活性炭对UV254的去除是活性炭吸附和生物降解共同作用的结果。
2.4 DOC的去除效果
BPAC/超滤组合工艺对DOC的去除效果见图5。该工艺对DOC的去除率波动较大，从7.34%到34.92%不等。DOC代表水中溶解有机碳的含量，而溶解有机碳中溶解可生物降解有机碳(BDOC)的比例相对较小，且受微生物数量和活性的影响，所以微生物对DOC的去除作用极其有限，而腐殖质是DOC的主要成分，而腐殖质不易被细菌分解利用。因此，在前14天，组合工艺对DOC的去除率较低，平均去除率为16.17%。第15天投加碳后，由于活性炭的吸附，DOC去除率有所提高，第22天趋于稳定。稳定后，组合工艺对DOC的平均去除率为20.19%。
2.5苏瓦的去除效果
SUVA值是天然有机物芳香度的代表指标，定义为DOC每单位质量浓度的紫外吸收值。在本试验中，进水的SUVA值为0.84-1.6117(m & # 8226；Mg)，超滤膜出水的SUVA值低于进水。组合工艺对SUVA的平均去除率在前14天为14.01%，第15天加碳后逐渐升高，第23天后再次稳定，稳定后SUVA的平均去除率为14.41%。
苏瓦值反映了水中有机物的差异。SUVA值越高，水中疏水性大分子腐殖质越多；反之，小分子有机物越亲水。陈伟等人的研究表明，超滤截留的有机物主要是疏水性大分子有机物，这也为本次实验结果所证实。超滤后SUVA值会降低，主要是膜的截留作用。加炭后苏瓦值会增加，主要是粉末活性炭吸附了一些亲水性的小分子有机物，使得疏水性的大分子有机物比例增加。
2.6各单元出水的分子量分布
为了进一步研究BPAC/超滤组合工艺去除有机污染物的机理，对工艺进水、膜池出水和膜出水的有机物分子量进行了分级分析。以第24天的数据为例，结果表明，进水分子量
BPAC/超滤组合工艺对分子量的影响
2.7各单元出水的亲和性和疏水性
BPAC/超滤组合工艺进水中亲水性物质、弱疏水性物质和强疏水性物质的比例分别为11.65%、41.98%和46.37%，且以疏水性物质为主。强疏水性物质主要是腐殖酸，弱疏水性物质主要是黄腐酸，亲水性物质主要是小分子物质，如多糖、蛋白质等。超滤膜对亲水性、弱疏水性和强疏水性物质的去除率分别为83.64%、22.78%和25.53%，亲水性物质的去除率较高。一是进水中亲水性物质较少，二是生物粉末活性炭对亲水性小分子有较好的吸附降解效果。由于腐殖酸大分子物质不易生物降解，弱疏水性和强疏水性物质的去除率较低。组合工艺对疏水性物质的去除一是依靠生物粉末活性炭的吸附和降解，二是膜表面滤饼层的强化截留。研究表明，水中不同亲水性和疏水性有机物对膜污染的贡献率大小顺序为:强疏水性物质>:弱疏水性物质>:亲水性物质。疏水性物质是组合工艺进水中的主要成分，疏水性物质的去除主要依靠膜表面滤饼层的截留，这会加速跨膜压差的增加，所以强疏水性物质和弱疏水性物质是造成膜污染的主要物质。
2.8 naclo强化反冲洗条件对清洗效果的影响
设定NaClO反洗持续时间为10min，NaClO浓度为200、300和400mg/L时，超滤膜的跨膜压差变化如图6所示。可以看出NaClO反洗后的跨膜压差明显低于清洗前。用超滤膜浓度为200.300和400mg/L的NaClO溶液反洗10min后，反洗效率分别为243.78%、84.21%和446.67%，反洗后第一周期的大跨膜压差分别下降了16.67%、13.99%和32.74%。因此，NaClO浓度为400mg/L时，反冲洗效果较好。
NaClO清洗浓度设定为400mg/L，考察了NaClO清洗时间分别为5、10和15min时跨膜压差的变化。结果表明，NaClO反冲洗时间为5、10和15min时，反冲洗效率分别为170.00%、446.67%和453.85%，反冲洗后第一周期的大跨膜压差比反冲洗前分别降低了3.28%、32.74%和27.12%。因此，反洗时间为10min时，反洗效果较好。说明NaClO维持化学反冲洗的持续时间并不是越长越好，这可能是因为超滤膜丝上低浓度NaClO能去除的物质有限，达到一定的冲洗时间才能达到更大的效果。
三。结论
①当进水氨氮浓度低于0.25mg/L时，BPAC/UF系统中硝化菌活性较差，不能充分发挥生物降解作用，氨氮去除率较低。当进水氨氮浓度约为0.6mg/L时，可形成稳定的生物活性炭，组合工艺对氨氮的去除率约为92%。
②②BPAC/UF组合工艺运行前14天，进水氨氮浓度低，导致微生物活性差、数量少，有机物去除率低且不稳定。随着氨氮浓度的增加和补碳量的增加，通过活性炭的吸附，有机物的去除率会在短时间内提高。当生物粉末活性炭稳定形成时，组合工艺对CODMn、UV254和DOC的平均去除率分别为27.39%、30.79%和20.19%。
③BPAC/超滤组合工艺的进水中，分子量
④NaClO强化反冲洗可以减少膜污染，减缓跨膜压差的增长速度。在本实验中，当次氯酸钠浓度为400mg/L，反冲洗时间为10min时，可以获得较好的清洗效果。(来源:同济大学环境科学与工程学院、上海同济城市规划设计研究院有限公司)
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