吳志超¹，曾萍¹，顧國維¹，俞國平¹，張祥余²，殷榮強²，?錢松宇²，于大海²
（1 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2 上海市給水管理處，上海200092）

　　摘要：采用混凝沉淀—生物曝氣—超濾—消毒組合工藝對含較高濃 度氨氮和COD_Mn的污染水源水進行凈化處理的工藝研究。結果表明，在試驗條件下，水源水氨氮＜10mg/L時，組合工藝出水的氨氮＜1.0mg/L，亞硝酸鹽氮＜1.0mg/L，硝酸鹽氮＜5.0mg/L；當水源水COD_Mn濃度為11.0～15.0mg/L左右時，出水COD_Mn＜6.0mg/L。當向生物曝氣池內投加10mg/L粉末活性炭形成炭污泥時，出水COD_Mn＜5.0mg/L；當投加量增加為40mg/L時，出水COD_Mn降低到3.5mg/L；當投加量繼續增加到50mg/L時，出水COD_Mn＜3.0mg/L。研究還表明，中空膜可以應用于混凝沉淀—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。?
　　關鍵詞：微污染源水；生物處理；粉末炭；超濾?
　　中圖分類號：R123
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)07-0053-04

我國現有自來水廠處理工藝主要為混凝沉淀→過濾→消毒，為保證處理后自來水水質，對水源水水質要求COD_Mn＜6mg/L，NH₃-N＜10mg/L。但隨著經濟的發展，我國許多地區的水源水水質(包括地下水)已遭到不同程度的污染，例如巢湖地區少數飲用水源水的COD_Mn濃度高達15mg/L左右。有鑒于此，開發了生物預處理—常規凈水 技 術的組合工藝^［1～3］，但該項技術受溫度影響較大，污染物去除率非常有限，操作要求高，無抗沖擊負荷能力。本文介紹了在實驗室內進行新型組合凈水工藝的研究。

1 試驗流程、設備和分析指標?

1.1工藝流程(見圖1)

1.2設備和分析指標
　　微污染源水先進行混凝沉淀，每天間歇式一次操作完成，然后由進水泵定量提升進入生物預 曝氣池(采用懸浮型生物法)，水力停留時間在1～2h之間，曝氣形式為微孔曝氣。超濾膜組件形式為中空纖維，材質為聚砜，截留分子量分別為20000u、50000u，以PS200和PS500表示，膜組件的進水循環采用電磁泵。消毒采用在消毒池內間歇式投加次氯酸 鈉溶液完成。主要分析指標為膜水通量、COD_Mn、NH₃-N。?

2 試驗結果和分析

　　圖2是研究階段混凝沉淀出水(即生物曝氣池進水)水質的變化情況。?

　　由圖2可見，水源水的有機污染相當嚴重，經過混凝沉淀處理后，其COD_Mn濃度一般仍然高達9.15mg/L。同時，源水中氨氮濃度的變化幅度特別大，特別是在氣溫明顯轉換的時期。氨氮濃度一般在冬季或初春季節較高，其余季節較低，該水質變化特征非常不利于常規生物預曝氣→混凝沉淀→過濾工藝的進行，因為常規生物預曝氣只有在氣溫高時處理效率才高 (而氣溫高時源水氨氮濃度本身就低)。當冬季氣溫低，進水氨氮濃度高時，常規生物預處理的效率又變得非常低，無法滿足飲用水水質去除氨氮的要求。
2.1 對有機污染物的去除
　　為了保證生物硝化作用的及時順利進行，也為了減輕超濾膜的污染程度，延長清洗周期，對 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物(混凝沉淀出水的有機物濃度如圖2所示)。在隨后進行的生物預曝氣→超濾膜分離過程中，根據混合液的是否排放， 有機污染物的去除呈現出顯著不同的結果(分別見表1和表2)。

　　由表1可見，經過混凝沉淀剩余的膠體和高分子有機物在生物曝氣池中的濃度依然較高，這是由于高分子有機物和膠體可被生物極其緩慢地降解成小分子，最終成為可以透過超濾膜的物質。同時，高分子有機物的累積也提高了膜表面凝膠極化層中污染物的濃度，擴散梯度增大，導致膜透過液中污染物濃度升高。兩方面的共同作用使得膜透過液中COD_Mn濃度甚至高過進水的濃度。而由表2可見，當對曝氣池混合液進行適時排放時，生物曝氣池內有機物的累積得到了明顯控制，COD_Mn濃度平均下降了3mg/L，并出現小于進 水濃度的現象。此時，上述高分子有機物濃差擴散引起的滲透得到有效控制，膜透過液COD_Mn濃度也明顯下降。?
　　由表1和表2還可以發現，截留分子量不同的超濾膜，其出水COD_Mn濃度顯著不同。在同步測定中，PS500膜透過液COD_Mn濃度有80%～90%明顯低于PS200膜透過液，造成這種特殊現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相對較多，而兩根膜共用一個生物曝氣池，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膜表面被截留物質多，膜的堵塞更加嚴重，使 得實際透過通道顯著減小；另一方面，因為污泥的截留量多，有機物不僅在曝氣池內得到降解，同時在透過膜的表面時，有機物也得到比PS200膜表面更多的降解，而PS200膜透過液的COD_Mn濃度偶爾低于PS500膜透過液的現象與此前進行了膜清洗有關。
2.2 對氨氮的去除
　　表3為該工藝運行期間氨氮的去除情況。

　　表3可知，盡管混凝沉淀出水的氨氮濃度變化很大，從0.54mg/L變化到20.10mg/L，生物曝氣→超濾工藝仍然對氨氮具有良好的去除能力。隨著運行時間的延長和硝化細菌的增多，出水氨氮濃度越來越低，最終處于一個低水平上。表3中不同截留分子量的PS200膜和PS500膜對氨氮的去除能力表現出一定的差別，且基本沒有規律。從分子量大小考慮，氨氮完全能 夠順利透過PS200膜和PS500膜，但對相同的曝氣池混合液，兩種膜的透過液氨氮濃度明顯不同，造成該現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物的濃度較高(達到11～15mg/L左右)，盡管混凝沉淀→ 生物曝氣→超濾工藝對有機污染物具有較高的去除能力，但最終出水中的COD_Mn濃度 仍然較高(＞50mg/L)，作為飲用水來說應盡可能再降低一些。根據國外的研究^［4］，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物的含量，而且還能在一定 程度上改善膜的水通量。為了進一步提高有機物的去除能力，在生物曝氣池內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并穩定運行10d后采樣的分析結果。

　　由表4可知，投加粉末活性炭后，有機物濃度得到顯著降低，PAC投加量越高，膜透過液中COD_Mn濃度越低。當PAC投加量為10mg/L時，被PAC吸附去除的有機物最多，超濾出水的COD_Mn濃度可以降低到5.0mg/L以下；當PAC投加量繼續增加到40 mg/L和50mg/L時，超濾出水的有機物濃度可分別降低到3.15 mg/L和2.83 mg/L。
　　由表4還可以發現，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 工藝不僅能夠進一步提高有機污染物的去除率，還能有效提高氨氮和亞硝酸鹽氮的去除能力。此時，膜透過液中NH₃-N濃度和NO₂^--N濃度均低于檢測限，同時硝酸氮的濃度也低于50mg/L。表4同時表明，PS200膜透過液的COD_Mn濃度明顯低于PS500膜，該現象與混凝沉淀→生物曝氣→超濾工藝的試驗結果發生了明顯的變化。該結果能否用投加的PAC顯著改善膜表面的污染狀況，使得PS200膜發揮了本該具有的截留特性來解釋，還有待進一步試驗和對膜表面進行切片檢查得出。由于超濾膜的表面孔徑遠小于細菌的大小，本試驗過程 中對衛生學指標不作特別考察，僅隨機取了一次水樣測定細菌總數，超濾膜出水為13個/mL，濁度＜0.3NTU。
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0.4 m/s。圖3為試驗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，運行到 18d時，PS500膜累積透水量仍然達到1000mL/d，PS200膜累積透水量為750mL/d。從兩種膜的透水量變化趨勢看，PS200膜的透水量在運行初期沒有出現明顯下降現象，PS500膜的透水量則在經過一周的顯著下降后逐漸趨于穩定。圖4和圖5分別是運行穩定時期的瞬時透水量和累積透水量的變化。

　　該時期膜的透水性能和運行初期基本相似，PS500膜的透水量下降比較明顯，PS200膜透水量 的下降則非常緩慢。但與運行初期的累積透水量相比，PS500膜基本沒有衰減，PS200膜則出現了明顯衰減現象，從運行初期的750mL/d下降為穩定時期的250mL/d。
圖6和圖7則是投加粉末活性炭前后膜透水量的變化情況。

　　由圖6、7可知，PAC的投加對PS500膜的透水量影響不大,卻顯著改善了PS200膜的透水量.PS200膜的透水量甚至出現了一定程度的恢復.值得注意的是,此時膜過濾對象的SS濃度達到1000mg/L左右。
　　在整個研究過程中，膜的化學清洗除了一次采用雙氧水外，其余均為①振動清水沖洗10min；②1%H₂SO₄浸泡20h左右；③清水沖洗10min左右；④1%NaOH浸泡20h左右；⑤清水沖洗10min。由圖可以發現，在膜組件的運行過程中，盡管長時間沒有進行任何清洗，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PS200膜。 ?

3 結論

　　研究結果表明，當源水污染物主要為氨氮，COD_Mn相對較低時，采用生物曝氣→超濾工藝不僅可以有效去除氨氮污染，而且能夠進一步降低有機污染物。當原水污染物中氨氮和COD_Mn濃度均高時，需要采用混凝沉淀→生物曝氣→超濾組合工藝，當源水氨氮濃度＜10mg/L時，組合工藝的出水氨氮濃度＜1.0mg/L，亞硝酸鹽氮＜1.0mg/L，硝酸鹽氮＜5.0mg/L。當源水COD_Mn濃度為11.0～15.0mg/L左右時，組合工藝在合理的控制條件下，其出水COD_Mn＜6.0mg/L；當向生物曝氣池內投加10mg/L粉末活性炭形成活性炭污泥時，出水COD_Mn＜5.0mg/L；投加量增加到40mg/L時，出水COD_Mn可以降低到3.5mg/L；投加量繼續增加到50mg/L時，出水COD_Mn＜3.0mg/L。研究結果還表明，中空纖維超濾膜完全可以應用于混凝沉淀→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。

參考文獻：
［1］李家新，錢望新富營養化湖泊水源水生物預處理研究［J］中國給水排水 ，1992，8(3)：5-8?
［2］鄧志光生物預處理在給水處理中的應用［J］中國給水排水，1991，7(5) ：41-43?
［3］Jae-sok KimComparison of ultrafiltration characteristics between activated sludge and BAC sludge［J］Wat Res，1998，32(11):3443-3451

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收稿日期：2000-01-17