低温条件下生物陶粒和活性炭两种超滤组合工艺处理微污染原水试验

李为星，顾军农，常思博，张 磊，刘 芬

(北京市自来水集团有限责任公司，北京 100031)

近年来，国内饮用水源受到不同程度的污染，且呈不断发展的趋势[1-3]，对水厂传统净水工艺的选择和稳定运行带来很大的挑战[4]。微污染水源水是指水体的物化指标或微生物指标达不到《地面水环境质量标准》(GB 3838—2002)[5]中关于生活饮用水水源水的要求，主要指的是有机物微污染水[6-7]。

为应对微污染水源，近年来国内外从工艺选择以及运行优化等方面开展了多种尝试。陶粒和活性炭等生物处理和以超滤膜为代表的其他水处理技术已成为水厂保障水质安全的重要技术手段。作为末端水质保障技术，超滤膜开始越来越多地应用于饮用水处理工程，国内上海、北京等多个水厂将其应用于生物活性炭之后，进一步保障了出水的生物安全性。对颗粒活性炭来说，随着使用周期的延长，其对污染物的去除也将以生物作用为主；生物陶粒在饮用水处理中实际应用不多，但其挂膜快、强度高及运行稳定等特点适宜作为生物载体。对比不同生物载体的处理效果和运行条件，处理工艺的选择和调整优化具有重要意义。另外，国内对这些处理技术的研究多着重于在常温下的应用研究[8-13]，且活性炭等的应用多集中在混凝沉淀之后；对于低温条件下，生物陶粒与颗粒活性炭工艺对原水污染物的去除效果，研究较少。南水进京以后，面对水源的复杂化，水厂原有处理工艺面临新的调整，本试验利用生物陶粒-浸没式超滤膜工艺和颗粒活性炭-压力式超滤膜工艺分别对北方某大型水厂原水进行处理，并重点考察低温条件下两种组合工艺的处理效果。

1 试验材料与方法

1.1 两种组合工艺示意图

本试验装置采用的是生物陶粒-浸没式超滤膜工艺和颗粒活性炭-压力式超滤膜工艺。装置的接触过滤设备采用的是2根圆形有机玻璃柱(简称陶粒柱和炭柱)，滤柱内径为800 mm，高度为2 800 mm，滤柱为承压容器，设计压力>3 m，均为下进水工艺，柱底部均装有曝气装置，试验过程中提供微生物生长代谢所需要的氧气，设计流量均为1.5 m3/h，气水比为1∶1，陶粒层与炭层厚度均为0.8 m，陶粒柱和炭柱的反洗周期分别为15 d和7 d。浸没式超滤膜和压力式超滤膜的产水量均为1 m3/h，过滤周期分别为60 min和45 min。具体流程如图1所示。

图1 两种组合工艺流程示意图Fig.1 Schematic Diagram of Two Combined Processes

1.2 试验场地及原水水质

本试验是在北方某大型水厂炭库进行，原水来自配水井，靠重力流经陶粒柱、炭柱，进入一级水箱，经泵送至超滤膜过滤，到达产水水箱。试验期间的原水水质及检测方法如表1所示，因原水中NH3-N含量远低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[14]要求，故研究中NH3-N去除效果未进行讨论。

表1 试验原水水质Tab.1 Raw Water Quality for Experiment

试验所用陶粒为北京某陶粒厂生产的页岩材质陶粒，颗粒活性炭为神华宁夏煤业集团生产的煤质柱状颗粒活性炭，其主要性能参数如表2所示。

表2 陶粒及颗粒活性炭主要性能参数Tab.2 Main Property Parameters of Ceramsite and GAC

试验所用浸没式和压力式超滤膜均为天津膜天膜公司生产的PVDF中空纤维膜，其主要参数如表3所示。

表3 两种超滤膜的主要性能参数Tab.3 Main Property Parameters of Two Kinds of UF Membranes

2 结果和讨论

2.1 两种组合工艺对浑浊度的去除效果

由图2可知，原水温度高于10 ℃时，原水浑浊度在1.91～3.88 NTU。经陶粒柱和炭柱的过滤截留及生物吸附后，陶粒柱出水浑浊度基本在1.11～2.55 NTU，对浑浊度的平均去除率为14%;炭柱出水浑浊度在0.78～2.08 NTU，对浑浊度的平均去除率为31%。炭柱对浑浊度的去除率高于陶粒柱，原因在于活性炭颗粒比陶粒小，颗粒之间的空隙小，更利于截留较大颗粒的杂质。

图2 两种组合工艺对浑浊度的去除效果Fig.2 Effect of Two Combined Processes on Turbidity Removal

水温低于10 ℃时，原水浑浊度只有0.58～1.15 NTU，陶粒柱和炭柱出水浑浊度在0.53～1.09 NTU，两者对浑浊度的去除率基本相同，仅为12%左右，原因在于低温低浊的原水中大颗粒杂质较小，滤料的截留效果不明显。两种超滤膜对浑浊度的平均去除率超过85%，出水浑浊度始终在0.08～0.18 NTU，远低于生活饮用水的最高限制，且不受原水水温和浑浊度的影响，说明超滤膜过滤是保障出水浑浊度的有力保障。

2.2 两种组合工艺对颗粒数的去除效果

由图3和表4可知，在低温条件下，陶粒柱和炭柱对颗粒物的去除率分别超过22%和34%。可见，炭柱对颗粒物的截留效果好于陶粒柱，两种超滤膜对<25 μm颗粒数的去除率均超过93%，没有明显差别。

图3 两种组合工艺对颗粒数的去除效果Fig.3 Effect of Two Combined Processes on Particle Count Removal

表4 两种组合工艺对颗粒数的去除率Tab.4 Removal Rate of Particle Count by Two Combined Processes

研究表明[15]，直径≤0.1 μm的颗粒不产生明显的浑浊度，直径>1 μm的颗粒产生的浑浊度偏高，直径再大的颗粒对光的反应又下降。杨艳玲等[16]的试验发现，浑浊度对<1 μm的颗粒较灵敏，对>1 μm的颗粒灵敏度较低，仅用浑浊度对水质进行检测是不够全面的。水中致病原生动物有痢疾变形虫、贾滴鞭毛虫、隐孢子虫以及各种细菌、病毒等，其中，贾滴鞭毛虫和隐孢子虫是近些年来发现的可以通过饮用水传播的致病原生动物。细菌大小一般在1～2 μm，病毒比细菌要小，贾滴虫大约是7～12 μm，隐孢子虫是4～6 μm的椭圆体，藻类的平均大小是5～100 μm。因此，颗粒数不仅可以反映浑浊度的高低，还对细菌、病毒、藻类有一定的预警作用。陶粒柱和炭柱对浑浊度、细菌等有一定的去除效果，两种超滤膜对<25 μm颗粒的去除率均超过93%，可见其对浑浊度、细菌、藻类等有非常高的去除效果，是保证饮用水安全的重要屏障。

2.3 低温条件下两种组合工艺对藻类的去除效果

由图4可知，低温条件下陶粒柱和炭柱对藻类的去除率分别为10%和27%。可见，活性炭柱对藻类的去除效果优于陶粒柱。生物去除藻类的途径有赖于以下几种作用：生物膜的吸附、附着，微生物的氧化分解，颗粒填料机械截留以及生物絮凝，原生动物等的捕食作用，脱落生物膜对藻类的生物絮凝、沉淀等[17]。但以何种途径为主，至今尚未有明确的权威性结论。浸没式超滤膜和压力式超滤膜对藻类的去除率达到98%以上，说明超滤膜对藻类起到了很好的物理截留作用。

图4 两种组合工艺对藻类的去除效果 (原水温度低于10 ℃)Fig.4 Effect of Two Combined Processes on Algae Removal (Raw Water Temperature Below 10 ℃)

2.4 两种组合工艺对CODMn的去除效果

由图5可知：试验期间，原水水温高于10 ℃时，原水CODMn基本在1.5～2.85 mg/L；低温条件下，原水CODMn含量在0.88～1.6 mg/L。试验初期，炭柱对耗氧量的去除率高于陶粒柱，原因在于水厂原水采用预加氯工艺，试验期间原水余氯含量在0.05～0.12 mg/L，次氯酸钠对微生物的生长有抑制作用，陶粒柱还未挂膜，活性炭在试验初期的吸附作用明显。

图5 两种组合工艺对CODMn的去除效果Fig.5 Effect of Two Combined Processes on CODMn Removal

2个多月后，挂膜成功，常温条件下，陶粒柱出水CODMn含量在1.12～1.3 mg/L，陶粒柱对耗氧量的平均去除率为32%；炭柱出水CODMn含量在1.4～1.52 mg/L，炭柱对耗氧量的平均去除率为19%。低温条件下，陶粒柱出水CODMn含量在0.64～1.1 mg/L，陶粒柱对耗氧量的平均去除率下降到25%；炭柱出水CODMn含量在0.86～1.52 mg/L，炭柱对耗氧量的平均去除率下降到16%。可见,陶粒柱去除效果好于炭柱，原因在于生物陶粒的生物膜比表面积较大，胞外聚合物中含有多聚糖等黏性物质[18]，可形成类似化学絮凝的作用，对水中大分子有机物具有较强的吸附凝聚能力，使其在反应器中被填料上的生物膜吸附截留，从而对分子量较大的有机物形成较好的去除效果，但是低温条件下微生物的生物活性受到抑制。

经超滤膜过滤后，浸没式和压力式膜出水CODMn含量均在0.56～0.96 mg/L，超滤膜系统对耗氧量的平均去除率在49%左右，受温度影响较小，原因在于超滤膜对有机物的去除效果一般由膜孔径大小决定，对粒径小于孔径的有机颗粒的去除效果较差。

2.5 低温条件下两种组合工艺对溶解性有机物的去除效果

图6是采用三维荧光光谱技术(EEMs)测定水中溶解性有机物的三维图谱，并按区域对有机物进行分类[19]。低温条件下，原水最主要的发光区域在C区，表明色氨酸类芳香族蛋白质是原水中主要的溶解性有机物。原水荧光峰区域的位置与强度为Ex/Em：(225/335)677.9，陶粒柱出水和炭柱出水荧光峰区域的位置与强度分别为Ex/Em：(225/330)633.9和Ex/Em：(225/335)666.2，去除率仅为6%和2%，原因在于低温条件下微生物的活性受到抑制。浸没式超滤膜和压力式超滤膜出水荧光峰区域的位置与强度分别为Ex/Em：(225/330)624.5和Ex/Em：(225/335)575.2，去除率分别是8%和15%，可见膜丝及其滤饼层对溶解性有机物也有一定的去除效果。压力式超滤膜比浸没式超滤膜去除效果好的原因在于，其滤饼层的厚度可能比浸没式膜要厚一些。因原水中类富里酸类(B区)、类腐植酸类(A区)、微溶解性微生物代谢物(E区)和酪氨酸类芳香族蛋白质(D区)含量相对较低，后续工艺对其去除效果不明显，故这几类溶解性有机物的去除效果未进行讨论。

图6 各工艺段出水中溶解性有机物的变化Fig.6 Change of Dissolved Organic Matter in Effluent of Each Process

3 结论

(1)常温条件下， 陶粒柱和炭柱对浑浊度的平均去除率分别为14%和31%，炭柱对浑浊度的去除率高于陶粒柱，原因在于活性炭颗粒之间的空隙要小，更利于截留较大颗粒的杂质，物理截留效果优于陶粒柱。低温条件下，陶粒柱和炭柱对浑浊度的平均去除率基本相同，仅为12%左右，说明低温低浊的原水中大颗粒杂质较小，滤料的截留效果不明显。浸没式和压力式超滤膜对浑浊度的平均去除率超过85%，出水浑浊度始终在0.1～0.18 NTU，远低于生活饮用水的最高限制，且不受原水水温和浑浊度的影响。

(2)颗粒数不仅可以反映浑浊度的高低，还对细菌、病毒、藻类有一定的预警作用。低温条件下，陶粒柱和炭柱对颗粒物的去除率分别超过22%和34%，炭柱对颗粒物的物理截留效果优于陶粒柱，两种超滤膜对<25 μm颗粒的去除率均超过93%，没有明显差别。

(3)低温条件下，陶粒柱和炭柱对藻类的去除率分别为10%和27%，活性炭柱对藻类的去除效果要优于陶粒柱。浸没式和压力式超滤膜对藻类的去除率均达到98%以上，说明超滤膜对藻类起到了很好的物理截留作用。

(4)试验期间，水温低，原水中含次氯酸钠，NH3-N含量低，均对微生物的生长不利。试验初期,炭柱对CODMn的去除效果优于陶粒柱，原因在于试验初期活性炭的吸附效果显著；2个多月后，挂膜成功，随着温度的降低，陶粒柱和炭柱对CODMn的平均去除率分别从32%、19%下降到25%、16%；陶粒柱和炭柱对溶解性色氨酸类芳香族蛋白质有机物的去除率仅为6%和2%，陶粒柱对有机物微污染的去除效果优于炭柱。浸没式和压力式膜对CODMn的去除率一直在49%左右，受温度影响较小；浸没式和压力式膜对溶解性色氨酸类芳香族蛋白质有机物的去除率分别为8%和15%。