“跌水曝气生物接触氧化－超滤”工艺处理富营养化湖泊水的试验研究
传统的水处理混凝、过滤、消毒工艺是以去除水体颗粒物、浊度与色度为主，对于溶解性有机物的和氨氮去除能力相对较差。而目前我国水源水的污染的形势十分严峻，水厂供水水质的安全性得不到保障，对人民的健康构成了极大的威胁。本文研究的跌水曝气生物接触氧化-超滤组合工艺可以有效去除水中溶解性有机物和氨氮，改善水质，同时投资少，运行成本低，为饮用水处理中所广泛研究和应用[1,2]。
1 试验流程和装置
1.1 试验流程
试验地点在无锡市充山水厂。太湖水经潜水泵提升至生物接触氧化池，经过三阶生物接触氧化出水预存于中间水池，再由自吸泵提升至砂滤池（为了减少超滤膜组件的污染，故设置砂滤池），砂滤出水至超滤前存水箱。超滤系统包括膜组件、加压泵和反冲洗水泵。流程图见图1。
1.2试验装置
在跌水曝气生物接触氧化池中采用弹性立体填料，一阶跌水曝气生物接触氧化池（简称阶一）填料层有效容积V=0.9m×0.9m×0.65m=0.53m3；二阶跌水曝气生物接触氧化池（简称阶二）填料层有效容积V=0.8m×0.8m×0.8m=0.51m3；阶三同阶一；砂滤柱：石英砂（粒径0.5-1.2mm）滤料层厚0.7m，下层承托层厚0.4m；超滤机：LG0650×1-B立升超滤机（海南立升净水科技实业有限公司生产），内压式，PVC合金，有效膜面积13m2，切割分子量10万Daltons。
进阶一、阶二、阶三的跌水高度分别为0.5m，0.4m和0.4m。
2 分析及试验方法
试验选用了与富营养化问题有关的藻类、有机物、氨氮、浊度、溶解氧等监测项目。检测方法为：
1）有机物（以下称CODMn）：酸性高锰酸钾法；
2）UV254（254nm波长下水样的紫外吸光度）：紫外分光光度法；
3）氨氮（以下称NH+4-N）：纳氏试剂分光光度法；
4）浊度：A22光电式浊度仪；
5）溶解氧：碘量法；
6）藻类：鲁哥试剂固定24小时，显微板框计数；
7）NO2―-N：分光光度法。
3 试验结果与分析
3.1 生物接触氧化池挂膜试验
填料采用自然挂膜方法，试验从2004年11月24日启动到12月30日结束，水力停留时间（HRT）为5.2h。三阶跌水高度分别为0.5m，0.4m和0.4m，水温1～13℃。挂膜第26天，氨氮去除率达到53.2%，第29天达到77.9%，之后几天处理效率较为稳定，平均去除率在60.1%，可以认为填料挂膜完成。笔者认为，在低温季节，当氨氮的去除率较为稳定且在50%以上时，可以认为挂膜基本完成，而CODMn的去除率可作参考，不宜作为挂膜成熟与否的主要依据。
3.2 跌水曝气生物接触氧化工艺处理特性
试验主要考察了在水力停留时间（HRT）为1.6h时，跌水曝气生物接触氧化对水中污染物的去除特性。试验期间平均水温为7.6℃，三阶跌水高度仍分别为0.5m，0.4m和0.4m，原水中溶解氧浓度在10.7～11.4mg/L，平均每阶跌水可充氧0.2 mg/L，0.5 mg/L和0.8 mg/L。
3.2.1 浊度的去除
水中形成浊度的因素较多，泥砂、悬浮物、胶体、微生物群落以及一部分有机物都可以产生浊度。从图2可以看出，当进水浊度为27～105NTU时，出水浊度为10～43NTU，浊度的去除率在31.7%～75.6％，平均约52.0%。在生物接触氧化预处理中，浊度的去除主要靠填料对悬浮物的截留、水中原生动物和后生动物对藻类及其它有机质的捕食作用和脱落于水中的生物膜的生物絮凝作用。
3.2.2 NH4+-N的去除
当进水NH4+-N浓度为3.27～4.37 mg/L时，出水浓度为2.03～3.04mg/L，NH4+-N的去除率在29.6%～46.6%，平均约35.9%。由于进水氨氮浓度较高，而水温较低（平均水温为7.6℃），硝化细菌的活性较弱，硝化程度低，故生化池出水氨氮浓度仍然较高。
3.2.3CODMn的去除
进水CODMn的浓度为6～8.4mg/L, 出水浓度为4.6～6.4mg/L，去除率在13.1％～35.7％，平均约19.8％。分析生物接触氧化对有机物的去除机理主要有以下几个方面[3]：（1）微生物对小分子有机物的降解。由于微生物生长代谢中物质和能量的需要，将部分低分子有机物分解成二氧化碳和水，同时也将降解中生成的部分中间产物合成微生物体。（2）微生物胞外酶对对大分子有机物的分解作用。（3）生物吸附絮凝作用。生物膜的比表面积较大，能吸附部分有机物。微生物分泌物多聚糖等粘性物质有类似化学絮凝的作用，使部分大分子有机物在生物反应器中被填料上生物膜吸附下来，随生物膜脱落而被排出反应器。
3.2.4 UV254的去除
进水UV254的浓度为0.096～0.109cm-1, 出水浓度为0.092～0.104 cm-1，去除率在0％～11.0％，平均约5.9％。UV254是指254nm波长下水样的紫外吸光度，它对于测量水中天然有机物如腐殖质等有重要意义，可作为TOC（总有机碳）及THMs（三卤甲烷）前体物的代用参数。试验结果表明，生物接触氧化法对UV254的有一定的去除效果，但是不够理想。主要原因是水源水中的可生物降解有机物主要是非腐殖酸类有机物，腐殖质本身是微生物分解形成的相对稳定的化合物，所以在较短的水力停留时间内，这部分有机物难以去除[3]。
3.2.5 藻类的去除
进水藻类的浓度为13×106～31×106个/L，出水浓度为2.5×106～10×106个/L，去除率在61.1％～78.4％，平均约71.0％。生物接触氧化法除藻依赖于以下几种作用：生物膜的吸附、附着，微生物的氧化分解，填料间的生物絮凝、沉淀等。
3.2.6 NO2--N的去除
NO2--N去除效果不明显，绝大多数时表现为亚硝酸盐（NO2--N）的少量积累。主要原因是进水NO2--N浓度很低（0.05～0.08mg/L）而出水中NO2--N浓度在0.06～0.09 mg/L，说明水中氨氮亚硝化后形成的NO2--N已经基本得到硝化。
3.3 超滤对污染物的去除效果及膜运行特性
在试验中，生物接触氧化出水的浊度较高（平均20NTU左右），为了减少对超滤膜的污染和破坏，在超滤前采用普通砂滤池进行预处理，砂滤滤料为0.5～1.2mm，厚70cm，滤速6～7m/h。
3.3.1 浊度的去除
试验表明超滤在去除浊度方面具有很大的优越性，从图8可以看到，无论进水浊度如何变化，超滤出水浊度始终<1NTU，平均浊度为0.5NTU，平均去除率为95.5％。超滤出水的浊度远优于我国饮用水水质标准中规定的3NTU。试验选用的PVC合金超滤膜组件，其截留分子量（或称切割分子量，MWCO）为10万Daltons，膜孔径<0.1μm。因此可以实现对水中泥沙、悬浮物、微生物群落等浊度形成物的有效截留。超滤膜除污染的作用机理认为主要存在以下三种情形：
（1）溶质在膜表面及微孔壁上产生吸附；
（2）溶质的粒径大小与膜孔径相仿，溶质在孔中停留，引起阻塞；
（3）溶质的粒径大于膜孔径，溶质在膜表面被机械截留，实现筛分。
三种作用的协同效应构成了超滤膜分离物质的基础[4,5]。
3.3.2 氨氮的去除
运行期间超滤进水氨氮浓度0.63～3.25mg/L，出水浓度为0.3～2.92 mg/L，去除率为0％～77.9％，平均去除率为13.9％。笔者认为，超滤对氨氮的去除主要还在于微生物的硝化作用，在砂滤出水中仍然含有大量硝化细菌，由于超滤膜对细菌的截留，使得中空纤维膜的内表面成为生物生长新的载体，但由于超滤运行时进行定期排污和反冲洗，微生物膜多数被排出膜组件，加之水和生物膜之间的接触时间短，因此氨氮的去除率不高。
3.3.3 CODMn的去除
超滤对CODMn有一定的去除率，且进水CODMn浓度在4～6.7mg/L变化时对去除率的影响较小，平均去除率为16.3％。超滤出水CODMn的平均浓度为4.5mg/L，达不到卫生部“生活饮用水水质卫生规范”中规定的<3mg/L的要求。因此还必须采取相关措施加以解决。如：在生物接触氧化前预臭氧化以提高水的可生化性；在超滤前投加适量混凝剂和粉末活性炭，有试验[6,7]表明这样可以提高有机物的去除率同时减轻膜污染。
3.3.4 藻类的去除
试验期间，超滤进水中藻类浓度为0.7～7.8×106个/L（平均3.6×106个/L），出水中藻类浓度为0～1.3×106个/L（平均0.45×106个/L），去除率为61.8％～100％（平均84.2％）。超滤对藻类很好的去除效果。
3.3.5 UV254的去除
超滤对UV254的平均去除率为6.9％，如图11所示，超滤进水中UV254浓度变化对其去除率的影响不明显，始终在平均去除率附近上下波动。
3.3.6 超滤膜运行特性
超滤运行为死端式间歇运行，每隔40min排放浓缩水一次，每2h进行清水反冲洗，反冲洗流量为1800L/h，历时2～3min。超滤滤前水平均浊度为13NTU，反冲洗用水为超滤出水。
在开始过滤的一段时间内，膜通量下降迅速，大约经过100min后膜通量下降越来越平缓，此时比渗透通量以已经降低为初始通量的35％左右，经定期排放浓缩水后膜通量有所回升，经清水反冲洗后提高到初始值的45％左右。如此周期反复，膜通量平缓下降。当比渗透通量下降为初始通量的32％左右，采用清水反冲洗已经很难回复膜通量，遂决定化学清洗。清洗采用0.5％的NaOH加含有效氯量为10mg/L的NaClO混合溶液，进行循环清洗40min。从图13中看到，经化学清洗后比渗透通量恢复到初始通量的80％左右，清洗比较彻底。但是之后累积运行时间到达150min后，通量迅速下降为初始值的17.3％，说明清洗后的膜孔很快又被堵塞，形成凝胶层。经清水反冲洗后通量恢复到35.9％。经过周期反冲洗和排放浓缩水，膜污染得到有效控制。但是了四月份，膜的比渗透通量开始迅速回升。分析认为主要原因是，水温回升到15℃，加上超滤机摆在室外帐篷内，篷内温度上升很快，最高时气温可达到35℃，也加速水温的升高，减小水的粘度，提高透水能力。
3.4 组合工艺与水厂常规净水效率对比
试验所在水厂规模为1万吨/天，采用混凝、气浮、过滤和消毒的工艺。从表1可以看到，组合工艺的处理效率优于水厂工艺，其中以氨氮的去除率最为显著，前者比后者的效率提高了29.5个百分点，浊度、藻类和UV254的去除率都有了一定的提高，而CODMn的去除率基本持平。试验组合工艺和水厂工艺净水效率对比
4 结论
（1）跌水曝气生物接触氧化池HRT=1.6h时，浊度、氨氮、CODMn、藻类和UV254的平均去除率分别为：52％、35.9％、19.8％、71.0％和5.9％。
（2）超滤膜对浊度、氨氮、CODMn、藻类和UV254的平均去除率分别为95.5％、13.9％、16.3％、84.2％和6.9％。
（3）超滤开始一段时间内膜通量下降迅速，大约经过100min后膜通量下降越来越平缓；死端式运行时，每隔40min排放浓缩水一次，历时1min，每2h进行清水反冲洗，反冲洗流量为1800L/h，历时2～3min可以缓解膜污染。
（4）当膜污染较为严重时，采用0.5％的NaOH加含有效氯量为10mg/L的NaClO混合溶液，进行循环清洗40min后比渗透通量恢复到初始通量的80％左右。
（5）在平均水温7.6℃，生物接触氧化的水力停留时间（HRT）=1.6h时，组合工艺对浊度、氨氮、CODMn、藻类和UV254的去除率分别为99.1％、44.0％、35.3％、97.9％和6.9％，处理效率优于常规工艺。
参考文献
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