粉末活性炭—MBR工艺处理微污染原水

莫罹，黄霞 (清华大学环境科学与工程系，北京100084)

　　摘　要：通过静态吸附试验表明，粉末活性炭(PAC)为天然腐殖质类物质饱和后仍可吸附二氯酚(DCP)，并在连续运行试验中进一步验证了PAC-MBR抗DCP冲击负荷的能力强于投加普通填料的MBR。通过测定进、出水有机物的表观分子质量分布，发现PAC-MBR能有效去除1～4K(1K=1000u)的有机污染物，对4K～0.45μm有机物的去除与PAC的饱和程度有关，去除率随运行时间延长而逐渐降低。PAC-MBR和普通填料-MBR均能有效去除可生物降解有机物，前者对可吸附有机物的去除率受PAC饱和程度的影响较大。采用磷脂法可测定PAC上附着的活性微生物量，连续运行中PAC-MBR内的微生物量为0.6×10⁸个活细胞/mL，与普通填料-MBR相当。耗氧速率测定结果 表明，PAC-MBR内的微生物活性略高于投加普通填料的MBR。?
　　关键词：微污染原水；PAC；MBR；磷脂法；耗氧速率?
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2002)12-0016-04

Powdered Activated Carbon-MBR Process for Treatment of Micro-polluted Raw Water
MO Li,HUANG Xia
( Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084 ,China)

　　Abstract：It was indicated by the static adsorption test that even after the natural humus is saturated,powdered activated carbon (PAC) is still able to adsorb dichlorophen (DCP).It was also verified in continuous running test that PAC-MBR has stronger resistance to shock load of DCP than MBR filled with common carries.By means of measuring the distribution of apparent molecular weight of organics both in i nfluent and effluent,it was found that PAC-MBR can effectively remove organics with molecular weight 1～4K (1K =1 000 u),the removal of 4K～0.45μm of organics is affected by the saturation extent of PAC,and the removal rate is gradually lowered along with the operation time.Both PAC-MBR and MBR filled with common carries can effectively remove biodegradable organics,in PAC-MBR the removal of a dsorbable organics is more affected by the saturation extent of PAC.Use of phosp hatide method can determine the viable biomass absorbed on PAC.In continuous run ,the biomass in PAC-MBR had 0.6×10⁸ viable cells/mL,which was equivalent to t hat of MBR filled with common carries.The data of oxygen uptake rate showed that the microbial activity in PAC-MBR is a little higher than that in MBR with common carries.
　　Keywords:micro-polluted raw water;PAC;MBR;phosphatide method;oxygen uptake rate

1　试验装置与测定方法

1.1　工艺流程
　　一体式膜—生物反应器(MBR)的微滤膜为聚乙烯中空纤维膜，孔径为0.1μm，膜面积为0.2m²。工艺流程见图1。

　　原水由进水泵打入MBR，混合液在抽吸泵的作用下形成过滤出水。膜组件采用间歇方式运行，抽吸时间为15min、停抽时间为2.5min。鼓风机连续曝气以提供充足的氧气，同时清除膜表面的部分污染物。反应器内一次性投加粉末活性炭(PAC)2000mg/L。曝气可促使PAC随反应器内液、气混合液一同循环流动，使PAC上附着的微生物膜、基质和氧气充分接触。为保持MBR内的液位恒定，采用液位控制器控制进水泵的开、停。
1.2　原水与监测指标
　　原水为人工配制(水质见表1)，主要含腐殖质、一般耗氧有机物、无机粘土成分及无机离子。其中腐殖质组分采用市售固态腐殖酸在强碱条件下的溶解组分；无机粘土采用高岭土；耗氧有机物模拟低浓度生活污水，含葡萄糖、胰蛋白胨、玉米淀粉、尿素等；微量无机离子成分包括PO₄^3-、NH₄⁺、Fe²⁺、Mg²⁺和K⁺。连续试验期间选用难生物降解有机物—2,4-二氯酚(DCP)考察了PAC-MBR对人工合成有机物冲击负荷的耐受能力。

表1　原水水质 水质指标 浊度(NTU) 高锰酸盐指数(mg/L) UV₂₅₄ 氨氮(mg/ L) 变化范围 1.0～24.6 1.4～6.2(3.8) 0.025～0.1 06 0.3～14.5 注：括号内数值为平均值。

　　常规监测指标包括高锰酸盐指数、UV₂₅₄、氨氮和浊度，均按标准方法进行测定^［1］。采用高效液相色谱法测定DCP。
1.3　微生物量的测定
　　由于PAC难以与其上附着的微生物分离，故选择磷脂法来测定PAC上附着的微生物量。因为磷脂是细胞膜的主要组分，细胞死亡后会很快分解，因此通过测定磷脂(phospholipid)含量可以间接地测定活性微生物量，1nmol磷脂相当于10⁸个埃希氏杆菌(Escherichi acoli)。该法能测定出样品中的绝大多数细菌且较灵敏，已在沉积物中微生物量的测定、饮用水生物处理中得到应用。另外，可通过测定微生物的耗氧速率（OUR）来评价微生物活性。

2　结果与讨论?

2.1　PAC的吸附性能?
　　采用以下4种原水(A：模拟低浓度生活污水，B：人工配制的腐殖酸，C：同时含A、B，D：5mg/L的DCP溶液)通过两组静态试验（恒温25℃，摇床转速175r/min，吸附时间为7d）考察了PAC对不同类型污染物的吸附性能，结果见图2、3。?

　　第一组分别对原水A和B进行静态吸附试验，第二组先对原水C进行静态吸附后，取出被腐殖质等物质饱和后的PAC对原水D继续进行吸附。
　　因为原水A在254nm处吸收很少，故只考虑TOC的去除。由图2可见，PAC对原水B的吸附效果优于原水A，即对腐殖质类物质的吸附能力强于对葡萄糖、淀粉类物质的吸附。从去除率来看，对UV₂₅₄的去除率高于TOC，说明PAC对254nm以下光吸收强的物质吸附效果好。从工艺的角度来看，糖类、淀粉类物质虽难被PAC吸附，但易生物降解；腐殖质类物质的生物降解性差，但可被PAC吸附，因此PAC的吸附与生物降解作用在对有机污染物的去除上可相互补充。
　　由图3可见，达到一定饱和程度的PAC对DCP仍表现出良好的吸附效果，其对TOC和UV₂₅₄的去除率与新PAC吸附试验结果相差不大，表明当PAC吸附一定量以天然腐殖质为主的有机物后仍对DCP有吸附。Woo等也曾报道被天然有机物饱和后的PAC仍能有效去除农药^［2］。
2.2　对DCP冲击负荷的响应
　　连续运行的PAC-MBR中的PAC会逐渐被以腐殖质类物质为主的有机物饱和。考虑到生物吸附或降解对DCP去除的影响，将PAC-MBR对DCP冲击负荷的响应与块状填料-MBR进行了对比试验。结果表明当DCP冲击负荷到来时，块状填料-MBR在约1h内的混合液、出水DCP的浓度略低于进水，这可能与生物吸附作用有关，但之后混合液、出水浓度均与进水相当；而PAC-MBR混合液中DCP浓度较进水低，出水更低，对DCP的平均去除率＞50%。上述结果说明，连续运行的PAC-MBR较投加普通填料的MBR抗人工合成有机物冲击负荷的能力强。对于会受到微量有机物冲击负荷影响的原水，PAC-MBR工艺在保证出水的稳定性方面具有很大优势。
2.3　对不同分子质量有机物的去除
　　活性炭对有机物的吸附与其分子质量分布有关。研究表明，活性炭主要吸附小分子质量有机物，特别是对分子质量为1～5K的有机物吸附作用较强^［3］。在PAC-MBR中PAC的吸附作用对系统的有机物去除有贡献，其作用大小会受PAC饱和程度的影响，因此还考察了连续运行下不同时期系统进、出水有机物的表观分子质量分布(采用滤膜过滤法^［4］)，分析了对不同分子质量有机物的去除效果，并与块状填料-MBR进行比较，结果如表2所示。
　　由表2可以推知分子质量＜1K的有机物易生物降解。对于分子质量为1～15K的有机物，PAC-MBR较块状填料-MBR去除率高，且受PAC饱和程度的影响较小，据此推测PAC 对这部分有机物的吸附作用较强。对于4K～0.45μm的有机物，块状填料-MBR系统出水与进水相差不大或略增加，这可能受微生物代谢产物的影响，而PAC-MBR出水浓度增加的情况较少。比较PAC-MBR运行不同阶段的去除效果，可得出其对4K～0.45μm有机物的去除受PAC饱和程度影响较大。

表2　两种MBR对不同分子质量有机物的去除特性 分子质量分布 PAC-MBR运行10d的去除率(%) PAC-MBR运行20d的去 除率(%) PAC-MBR运行57d的去除率(%) 块状填料-MBR的去除率(%) ＜1K 23 16 17 17 1～4 K ＞90 ＞90 ＞90 76 4～20K 24 + + - 20～50K 34 11 20 + 50 K～0.45 μm 100 52 67 ++ 注：“+”表示出水略高于进水；“++”表示出水高于进水；“-”表示几乎没有去除。

2.4　对可吸附、生物降解有机物的去除
　　有机物去除效果与有机物的可吸附性和可生物降解性密切相关。对进、出水有机物进行分类测定，比较了PAC-MBR运行初期（运行第10d）和后期（运行第57d）的有机物去除特性，结果如图4所示。?

　　由图4可见，PAC-MBR运行初期和后期均能有效去除BDOC，去除率可达85%～95%，而对NRDOC均无去除。对ADOC和A&BDOC的去除效果受PAC饱和程度的影响，初期的去除率较后期分别高10%和20%。?
2.5　微生物量及其活性?
　　采用磷脂法测定了PAC-MBR内的活性微生物量，并与块状填料-MBR反应器内活性微生物总量进行了比较(见图5)，发现二者数量相当。?

　　取反应器内泥样100mL浓缩，以试验原水作为基质，测得耗氧速率(OUR)曲线如图6所示，并与块状填料-MBR进行比较。

　　由图6可见，PAC-MBR的OUR比块状填料-MBR的略高，表明前者混合液中微生物的活性较后者高。块状填料-MBR和PAC-MBR内生物量水平相当，而后者微生物活性略高，推测与PAC表面存在适合微生物生长的微环境有关。?

3　结论?

　　 ①静态吸附试验表明，当PAC为天然腐殖质类物质饱和后仍可吸附DCP。连续运行试验进一步证明，PAC-MBR抗DCP冲击负荷的能力强于投加普通填料的MBR。
　　 ②PAC-MBR对1～4K有机物的去除率较高，对4K～0.45μm的有机物的去除效果与PAC的饱和程度有关且随运行时间降低。
　　 ③投加PAC和普通填料的MBR都能有效地去除可生物降解有机物，PAC-MBR对可吸附有机物的去除受PAC饱和程度的影响较大。
?　 ④磷脂法可用于测定PAC上附着的活性微生物量，PAC-MBR内活性微生物量与块状填料-MBR相当，其微生物活性略高于后者。

参考文献：

　　［1］ 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.北京：中国环 境科学出版社,1998.?
　　［2］ Woo Hang Kim,Wataru Nishijima,Baes Aloysius U,?et al?.Micropollutant removal with saturated biological activated varbon (BAC) in ozonation-BAC process［J］.Wat Sci Tech,1997,36(12):283-298.
　　［3］ Amy Gary L,Sierka Raymond A,James Bedessen,et al.Molecular size distributions of dissolved organic matter［J］.Journal AWWA,1992,6:67-75.
　　［4］莫罹,黄霞,吴金玲，等.混凝-微滤膜组合净水工艺的膜污染特征及其清洗［J］.中国环境科学,2002，22(3):258-262.

　　作者简介：莫罹（1973-），女，湖南湘潭人，博士，主要从事膜法水处理技术方面的研究。
　　电　　话：(010)84032402
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　　收稿日期：2002-09-08