生物炭泥-超濾組合工藝處理高有機物、氨氮復(fù)合污染水源

雷曉玲，楊瀟，楊程，魏澤軍，顏海

(1.重慶市科學技術(shù)研究院，重慶 401123；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；3.中煤科工重慶設(shè)計研究院(集團)有限公司，重慶 401332；4.中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400000)

受降雨時空分布特征的影響，重慶地區(qū)飲用水資源存在分布不平衡的現(xiàn)象，特別是一些村鎮(zhèn)在水資源匱乏的同時，水處理工藝也相對簡易，因此村鎮(zhèn)飲用水合格率相對偏低。特別是重慶渝西地區(qū)一些村鎮(zhèn)飲用水水源受到周邊環(huán)境及人類活動的影響，有機物、氨氮污染問題較為突出。常規(guī)飲用水的處理工藝對于水中溶解性的有機物、氨氮的去除能力有限。因此高有機物、氨氮污染的水源對水廠常規(guī)處理工藝提出了很大的挑戰(zhàn)[1-3 ]。本文旨在通過在水廠原有的工藝基礎(chǔ)上增加活性炭[4]投加，同時對炭泥回流和生物培養(yǎng)富集，后端聯(lián)合超濾處理的方式，最終形成生物炭泥-超濾組合工藝來提高有機物、氨氮等污染物的去除率[5-8]，來達到改善水廠的目的，為類型水源條件提供技術(shù)參考。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 進水水質(zhì)

本中試以重慶某水廠高有機物、氨氮復(fù)合污染水為原水，水質(zhì)情況見表1。

表1 原水水質(zhì)Table 1 The raw water quality

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由機械絮凝池、斜管沉淀池、生物培養(yǎng)罐、超濾膜池、清水池和曝氣系統(tǒng)組成。處理水量為0.2 m3/h，污泥回流比為3%。具體試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of test device

試驗采用立升公司的聚偏氟乙烯中空纖維膜，膜的有效面積為1.9 m2，膜纖維內(nèi)、外徑分別為 0.85，1.45 mm，平均孔徑為0.02 μm，反洗周期為24 h。

1.3 試驗方法

1.3.1 生物培養(yǎng)富集 絮凝劑為聚合氯化鋁，投加量為20 mg/L，活性炭投加量為20 mg/L，系統(tǒng)運行正常后，將沉淀池污泥提升至生物培養(yǎng)罐，進行24 h不間斷的曝氣，曝氣量為30 L/min，每天更換生物培養(yǎng)罐原水，更換前取樣檢測，每2天取污泥測定生物量，培養(yǎng)期間溫度23 ℃左右。

1.3.2 活性炭補充及效果試驗 生物富集完成后，在進水流量保持在0.2 m3/h，回流比約3%的條件下分別補充0，10，20，30 mg/L粉末炭與回流污泥混合后，再提升至經(jīng)絮凝池入水口，與聚合氯化鋁協(xié)同反應(yīng)。分別取沉淀池出水和組合工藝超濾出水。

1.4 檢測指標及方法

水樣指標測定高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)和氨氮，污泥樣品測定生物量。其中CODMn：酸性高錳酸鉀法；氨氮：納氏試劑分光光度法；生物量：脂磷法[9]，結(jié)果用nmol/g表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物培養(yǎng)與富集

2.1.1 富集期的生物量變化 生物培養(yǎng)與富集期間，炭泥生物量變化見圖2。

圖2 富集期生物量隨時間的變化Fig.2 Varying curve of biomass with time

由圖2可知，隨培養(yǎng)時間增加炭泥生物量不斷增加，培養(yǎng)8～10 d，生物量逐漸趨于穩(wěn)定，第10天生物培養(yǎng)罐中炭泥生物量達到了90 nmol P/g左右。視為生物培養(yǎng)與富集期成功，進行下階段試驗。

2.1.2 富集期對CODMn、氨氮去除效果 生物培養(yǎng)富集期對CODMn和氨氮的去除可能有活性炭和污泥絮體的吸附，但主要還是微生物作用。生物培養(yǎng)富集期間，生物培養(yǎng)罐中CODMn的去除變化情況見圖3。

圖3 CODMn的去除效能 Fig.3 The removal efficiency of CODMn

由圖3可知，培養(yǎng)期間原水CODMn在6.8～8 mg/L 之間，CODMn的平均值為7.1 mg/L。試驗在開始階段，炭泥對水中有機物的去除，主要依靠炭泥的物理吸附作用。隨著炭泥的不斷曝氣，生物培養(yǎng)罐中的炭泥生物量增加，微生物和水中污染物之間的生化作用也越發(fā)明顯。裝置在運行到10 d以后，培養(yǎng)罐對CODMn的去除率穩(wěn)定到了40%以上，與生物量的變化呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，表明有機物的去除主要貢獻還是微生物作用。

培養(yǎng)富集期間，對氨氮的去除見圖4。

圖4 氨氮的去除效能Fig.4 The removal efficiency of NH3-N

由圖4可知，試驗期間原水氨氮在0.38～1.3 mg/L 之間，氨氮平均值為0.8 mg/L。培養(yǎng)富集前期對氨氮去除率約28%，培養(yǎng)前期氨氮的去除與有機物去除類似，主要依靠活性炭及絮體吸附，隨著反應(yīng)的進行，系統(tǒng)內(nèi)的生物量增加，硝化細菌逐漸富集并開始發(fā)揮作用， 到第10天生物量穩(wěn)定后，氨氮去除率從27%逐漸上升并穩(wěn)定到了42%左右。

2.2 活性炭補充對炭泥回流工藝效果的影響

2.2.1 活性炭補充對生物量影響 系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，活性炭補充量分別為0(即僅回流排泥水)，10，20，30 mg/L，以考察活性炭補充對生物量及效果的影響，對生物量影響見圖5。

圖5 生物量隨補充炭量的變化Fig.5 Effect of biochar on CODMn removal efficiencyof Mn and ammonia nitrogen

由圖5可知，生物量隨著補充炭量的增加而增加，表明補充活性炭有利于炭泥中微生物的增長，且當粉末炭補充量為30 mg/L時，穩(wěn)定后生物量可達 115 nmol P/g，比不投加活性炭生物量高近3倍，可見適當?shù)幕钚蕴垦a充對生物量具有重要影響。

2.2.2 補充炭量對CODMn、氨氮的影響 試驗在粉末活性炭補充量為0，10，20，30 mg/L的情況下，CODMn、氨氮去除情況見圖6、圖7。

圖6 CODMn的去除效能Fig.6 The removal efficiency of CODMn

圖7 氨氮的去除效能Fig.7 The removal efficiency of NH3-N

由圖可知，當補充活性炭量為0 mg/L時，裝置穩(wěn)定運行后對CODMn、氨氮的去除率分別為25%和24%。當補充炭量增長到30 mg/L時，去除率分別提高到了45%和47%，表明隨著活性炭補充量的增加，一方面生物量隨之增加，污染物去除的生物作用越明顯；另一方面，補充的活性炭量的增加對污染物的吸附量也增加，因此有機物、氨氮的去除效果也提高。

2.3 生物炭泥-超濾組合工藝的去除效能

綜合考慮去除效果及活性炭投加量后，以活性炭補充量為20 mg/L，在生物炭泥-超濾組合工藝在運行穩(wěn)定后，對10次取樣CODMn、氨氮結(jié)果進行分析，結(jié)果見圖8、圖9。

圖9 中試裝置對原水氨氮的去除效能Fig.9 The removal effect on NH3-N of pilot plant

由圖8可知，原水的CODMn的值在6.1～7.3 mg/L 之間，平均值為6.77 mg/L；組合工藝濾后水出水CODMn的值在2.7～3.4 mg/L之間，濾后水CODMn平均值為2.9 mg/L，濾后水平均去除率為56%。比裝置的沉淀后出水平均去除率(42%)提高了14%；比水廠常規(guī)處理工藝CODMn去除率 29.1%，提高了26.9%。并且10次濾后出水CODMn皆在 5 mg/L 以下，均達到(GB 5749—2006)《生活飲用水衛(wèi)生標準》的要求。

圖8 中試裝置對原水CODMn的去除效能Fig.8 The removal effect on CODMn of pilot plant

由圖9可知，原水的氨氮值在0.63～1.1 mg/L之間，平均值為0.78 mg/L；濾后水氨氮值在0.34～0.46 mg/L之間，平均值為0.4 mg/L。中試裝置濾后水氨氮去除率在53%～62%之間，去除率平均值為60%。比水廠常規(guī)氨氮去除率22%，高出了38%。并且10次濾后出水氨氮皆在0.5 mg/L以下。值均可達到(GB 5749—2006)《生活飲用水衛(wèi)生標準》的要求。

3 結(jié)論

(1)連續(xù)曝氣好氧條件下，溫度約23 ℃，生物培養(yǎng)富集10 d左右生物量達到穩(wěn)定，炭泥生物量達到90 nmol P/g，培養(yǎng)罐CODMn和氨氮去除率分別達到40%和42%。

(2)粉末活性炭補充量為20 mg/L，進水量為0.2 m3/h，污泥回流比3%的條件下穩(wěn)定運行后，組合工藝對CODMn和氨氮的平均去除率分別達到56%和60%，比水廠常規(guī)處理對CODMn和氨氮平均去除率29.1%和22%，分別提高了26.9%和38%，組合工藝出水均滿足(GB 5749—2006)《生活飲用水衛(wèi)生標準》的要求。