曝氣生物(wù)濾池(BAF)預處理(lǐ)技(jì )術在飲用(yòng)水處理(lǐ)中具有

1. 前言

  飲用(yòng)水的淨化技(jì )術是人們在與污染作(zuò)鬥争的過程中出現的，并不斷得到 發展 、提高和完善。自第二次世界大戰之後，尤其是60年代以來，不少地區(qū)飲用(yòng)水水源水質(zhì)日益惡化;同時，随着水質(zhì)分(fēn)析技(jì )術逐漸改進，水源水和飲用(yòng)水中能(néng)夠測得的微污染物(wù)質(zhì)的種類不斷增加，使人們在飲用(yòng)水的水質(zhì)淨化中碰到了新(xīn)的 問題 。

  面對水源水質(zhì)的變化，常規飲用(yòng)水處理(lǐ)工藝已顯得力不從心。國(guó)内外的實驗 研究 和實際生産結果表明，受污染水源水經常規的混凝、沉澱及過濾工藝隻能(néng)去除水中有機物(wù)20%-30%，且由于溶解性有機物(wù)存在，不利于破壞膠體(tǐ)的穩定性而使常規工藝對原水濁度去除效果明顯下降(僅為(wèi)50%-60%)。用(yòng)增加混凝劑投加量的方式來改善處理(lǐ)效果，不僅使水處理(lǐ)成本上升，而且可(kě)能(néng)使水中金屬離子濃度增加，也不利于居民(mín)的身體(tǐ)健康。地面水源中普遍存在的氨氮問題常規處理(lǐ)也不能(néng)有效解決。 目前 國(guó)内大多(duō)數水廠都采用(yòng)折點氯化的 方法 來控制出廠水中的氨氮濃度，以獲得必要的活性餘氯，但由此産生的大量有機鹵化物(wù)又導緻水質(zhì)毒 理(lǐ)學(xué) 安(ān)全性下降。因此，常規的飲用(yòng)水處理(lǐ)工藝已不能(néng)與現有的水源和水質(zhì)标準相适應，必須開發新(xīn)的水處理(lǐ)技(jì )術。

目前已開發或正在開發的水處理(lǐ)技(jì )術主要包括兩方面：一是預處理(lǐ)技(jì )術，包括：活性炭吸附、臭氧氧化、生物(wù)活性炭、膜技(jì )術等;二是深度處理(lǐ)技(jì )術，包括氧化法和吸附法，其中氧化法又包括化學(xué)氧化和生物(wù)預處理(lǐ)技(jì )術。其中尤以生物(wù)預處理(lǐ)技(jì )術和膜技(jì )術倍受水處理(lǐ)工作(zuò)者的關注。

2. 生物(wù)預處理(lǐ)技(jì )術

  生物(wù)預處理(lǐ)是指在常規的淨水工藝之前增設生物(wù)處理(lǐ)工藝，借助于微生物(wù)群體(tǐ)的新(xīn)陳代謝(xiè)活動，對水中的有機污染物(wù)、氨氮、亞硝酸鹽及鐵、錳等無機污染物(wù)進行初步去除，這樣既改善了水的混凝沉澱性能(néng)，也減輕了常規處理(lǐ)和後續處理(lǐ)過程的負荷。另外，通過可(kě)生物(wù)降解的有機物(wù)的去除，不僅減少了水中“三緻”物(wù)前體(tǐ)物(wù)的含量，也減少了細菌在配水管網中重新(xīn)滋生的可(kě)能(néng)性。用(yòng)生物(wù)預處理(lǐ)代替常規的預氯化工藝，不僅起到了預氯化作(zuò)用(yòng)相同的效果，而且避免了由預氯化引起的鹵代有機物(wù)的生成，這對降低水的緻突變活性，控制三鹵甲烷物(wù)質(zhì)的生成是十分(fēn)有利的。

2.1 曝氣生物(wù)濾池(BAF)預處理(lǐ)技(jì )術

曝氣生物(wù)濾池(BAF)預處理(lǐ)技(jì )術在飲用(yòng)水處理(lǐ)中具有以下特點：

  ⑴水處理(lǐ)過程中的物(wù)理(lǐ)、化學(xué)和生物(wù)化學(xué)性質(zhì)存在較大差異，并且與其去除性存在一定的關系。從分(fēn)子量上來說，生物(wù)可(kě)降解有機物(wù)主要是低分(fēn)子量的有機物(wù)(分(fēn)子量<1500)。常規的給水處理(lǐ)工藝，即混凝、沉澱和過濾，主要是去除分(fēn)子量>10000以上的有機物(wù)，對低分(fēn)子量有機物(wù)去除率低，特别是對分(fēn)子量<500的有機物(wù)，幾乎沒有去除能(néng)力，甚至有所增加。而這部分(fēn)有機物(wù)可(kě)能(néng)是行成消毒副産物(wù)鹵乙酸的主要前體(tǐ)，也是飲用(yòng)水管網中細菌生長(cháng)的主要營養基質(zhì)，而生物(wù)預處理(lǐ)能(néng)有效去除這部分(fēn)有機物(wù)，對提高整個給水處理(lǐ)工藝對有機物(wù)的去除效果有重要意義。

  ⑵對低濃度有機物(wù)有較好的去除效果。在BAF中，微生物(wù)利用(yòng)水中營養基質(zhì)進行生長(cháng)繁殖，在載體(tǐ)表面形成薄層結構的微生物(wù)聚合體(tǐ)，産生生物(wù)膜，有利于世代期較長(cháng)的微生物(wù)生長(cháng)。飲用(yòng)水中微量污染物(wù)濃度(mg/L數量級)有利于貧營養微生物(wù)的繁殖，如土壤杆菌、假單胞菌、嗜水氣單胞菌、黃杆菌、芽孢杆菌和纖毛菌等。這些貧營養微生物(wù)具有較大的比表面積，對可(kě)利用(yòng)基質(zhì)有較大的親合力，且呼吸速率低，有較小(xiǎo)的最大比增殖速度和Monod飽和常數(Ks)(約為(wèi)1-10μg/L左右)，所以在天然水體(tǐ)條件下，其對營養物(wù)的競争具有較大的優勢。Namkung和Rittmann的研究指出，幾種微量基質(zhì)生物(wù)降解的同時進行，與同樣濃度的單個基質(zhì)生物(wù)降解相比，能(néng)導緻更多(duō)的生物(wù)量積累和有更快的去除速率，這表明多(duō)種微量污染物(wù)的混合，可(kě)增加生物(wù)膜系統處理(lǐ)效果的穩定性，而受污染水源水中往往含有多(duō)種微量有機物(wù)。另外貧營養菌通過二級基質(zhì)的利用(yòng)能(néng)去除濃度極低的微量污染物(wù)，例如：貧營養菌在分(fēn)解利用(yòng)濃度為(wèi)1.1mg/L的富裏酸時，對濃度為(wèi)100μg/L得酚和萘的去除率分(fēn)别為(wèi)90%-92%，對土臭素和2-MIB(2-甲基異莰醇)的去除率分(fēn)别為(wèi)55%和44%，這表明利用(yòng)水中天然有機物(wù)形成的生物(wù)膜處理(lǐ)系統可(kě)較好的去除微量污染物(wù)、嗅味及色度物(wù)質(zhì)。

  ⑶能(néng)去除氨氮、鐵、錳等污染物(wù)。BAF中，生物(wù)膜固定生長(cháng)的特點使生物(wù)具有較長(cháng)的停留時間，一些生長(cháng)較慢的微生物(wù)如硝化菌等自養菌可(kě)在反應器内不斷積累。反應器内載體(tǐ)應具有足夠的溶解氧，這樣就能(néng)促進生物(wù)膜上好氧硝化菌的生長(cháng)和代謝(xiè)活動。對硝化反應動力學(xué)的分(fēn)析表明，即使在低溫下，生物(wù)膜去除氨氮的作(zuò)用(yòng)也是十分(fēn)有效的。

近年來，國(guó)内外學(xué)者對BAF對氨氮和有機物(wù)的去除效果進行了研究，表1和表2是國(guó)内外資料中所報道的曝氣生物(wù)濾池對氨氮和有機物(wù)的去除效果。

表1 BAF對氨氮的處理(lǐ)效果

表1 BAF對氨氮的處理(lǐ)效果

表2 BAF對有機物(wù)的處理(lǐ)效果

  自80年代以來，清華大學(xué)環境工程系對以陶粒作(zuò)填料的曝氣生物(wù)濾池進行了廣泛深入的研究。研究結果表明以陶粒作(zuò)為(wèi)填料的曝氣生物(wù)濾池其處理(lǐ)效果明顯優于其它類型的生物(wù)預處理(lǐ)技(jì )術，見表3和表4。

表3 各生物(wù)池工藝參數範圍以及對幾個常規水質(zhì)指标的淨化效果統計情況

表4 各生物(wù)池對幾種特殊水質(zhì)指标的淨化效果

2.2 曝氣生物(wù)濾池對後續常規處理(lǐ)藥耗和氯耗的 影響

2.2.1 對藥耗的影響

  水中有機物(wù)的存在将增加膠粒的Zeta電(diàn)位值，使膠體(tǐ)更趨于穩定，增加水處理(lǐ)混凝時藥劑投加量。經BAF生物(wù)預處理(lǐ)後，膠粒Zeta電(diàn)位值降低，易于脫穩，因此可(kě)以減少後續混凝單元的藥劑投加量，實際的燒杯實驗及生産性實驗均驗證了這一點。

2.2.2 對氯耗的影響

  水的氯耗與水中有機物(wù)和氨氮的含量密切相關。曝氣生物(wù)濾池對有機物(wù)和氨氮均有較好去除，因此也将影響氯耗量，有試驗表明曝氣生物(wù)濾池與常規工藝的組合其耗氯量比單一常規工藝氯耗節約10%-15%(常規工藝加氯量為(wèi)2.5-2.7mg/L)。氯耗的減少既可(kě)以節約水廠運行成本，又能(néng)降低氯代有機消毒副産物(wù)的生成量，改善出水水質(zhì)，保障飲用(yòng)者身體(tǐ)健康。

3. 膜分(fēn)離技(jì )術

  以壓力為(wèi)推動力的膜分(fēn)離技(jì )術有反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)、以及微孔過濾(MF)。膜分(fēn)離技(jì )術的特點是能(néng)提供穩定可(kě)靠的水質(zhì)，這是由于膜分(fēn)離水中雜質(zhì)的主要原理(lǐ)是機械篩分(fēn)，因而出水水質(zhì)僅僅依據膜孔徑的大小(xiǎo)，與原水水質(zhì)以及運行條件無關。此外，膜分(fēn)離還會使水廠用(yòng)地大大減少，運行操作(zuò)自動化，使水廠成為(wèi)真正意義上的“造水工廠”。

RO運行壓力高，為(wèi)1-10Mpa，能(néng)耗大，而且由于良好的截留性能(néng)将大多(duō)數無機離子(包括對人體(tǐ)有益的)從水中去除。長(cháng)期飲用(yòng)這種水，會 影響 人體(tǐ)健康，因此不适宜作(zuò)為(wèi)水廠處理(lǐ)工藝。

  NF膜具有松散的表面層結構。其進水要求幾乎不含濁度，故僅适用(yòng)于地下水處理(lǐ)，且由于NF去除了大部分(fēn)的硬度，故其出水會對管網産生腐蝕。

  UF和MF運行壓力低且可(kě)截留水中絕大部分(fēn)懸浮、膠體(tǐ)和細菌，其作(zuò)用(yòng)相當于以除濁為(wèi)目的的傳統處理(lǐ)工藝。因而是一種适合于水廠的水處理(lǐ)工藝。

3.1 超率(UF)在淨水處理(lǐ)中的 應用(yòng) 前景

  超濾所分(fēn)離的組分(fēn)直徑為(wèi)0.005-10μm，一般相對分(fēn)子質(zhì)量大于500的分(fēn)子量和膠體(tǐ)，這種液體(tǐ)的滲透壓很(hěn)小(xiǎo)，可(kě)以忽略。因而采用(yòng)的操作(zuò)壓力較小(xiǎo)，一般為(wèi)0.1-0.5Mpa，所以膜常用(yòng)非對稱膜，膜的水透過率為(wèi)0.5-5.0m3/(m2·d)。

超濾在小(xiǎo)孔徑範圍與反滲透相重疊，在大孔徑範圍内與微孔過濾相重疊。因此它可(kě)以分(fēn)離溶液中的大分(fēn)子、膠體(tǐ)、蛋白質(zhì)、微粒等。由于它使用(yòng)的壓力低、産水量大，因此更便于操作(zuò)，應用(yòng)範圍十分(fēn)廣泛， 發展 速度很(hěn)快，前景是美好的。

3.2 超濾的 研究 與應用(yòng)中存在的 問題

  日本從1992年開始，由厚生省牽頭，以國(guó)立公衆衛生院和水道淨水協會為(wèi)主，組成“膜應用(yòng)新(xīn)型淨水系統委員會”，丹保憲仁任委員長(cháng)，實施所謂“MAC21計劃(Membrane Aqua Century21)”，對MF和UF膜應用(yòng)于淨水處理(lǐ)進行了3年的大規模研究。根據其研究結果UF的處理(lǐ)效果如表5所示。

表5 日本“MAC21計劃”UF處理(lǐ)效果

  從表中數據可(kě)知，超濾對濁度、總鐵、細菌和大腸菌群均有很(hěn)好的去除效果，但對水中的有機物(wù)和氨氮的去除率相對較低。

張捍民(mín)等在用(yòng)淹沒式中空纖維膜過濾裝(zhuāng)置去除飲用(yòng)水中污染物(wù)的實驗研究中也發現，淹沒式中空纖維膜過濾裝(zhuāng)置對懸浮固體(tǐ)、膠體(tǐ)、細菌的去除效果很(hěn)好。試驗中出水濁度始終保持在0.25NTU以下，并且出水中檢不出細菌。但對有機物(wù)的去除效果不理(lǐ)想，不能(néng)可(kě)靠的保證出水有機物(wù)濃度，出水有機物(wù)濃度随進水有機物(wù)濃度的升高而升高。

  大量的研究均表明，膜對天然水中的溶解性有機物(wù)(DOM)的去除率不高，尤其是低分(fēn)子的有機物(wù)。天然水中有相當大一部分(fēn)溶解性有機物(wù)的分(fēn)子量低于UF的截留分(fēn)子量(5000-100 000daltons)，導緻UF膜對其的攔截效果很(hěn)差。事實上，天然水中這一類的低分(fēn)子溶解性有機物(wù)所占的比例往往較大。Laine等人報告美國(guó)以利諾伊州的Decatur湖(hú)中低于1000daltons有機物(wù)占總有機物(wù)的60%;Schnoor報告lowa河有90%有機物(wù)分(fēn)子量低于3000daltons;董秉直、曹達文(wén)等對我國(guó)長(cháng)江、黃浦江、太湖(hú)、淮河的原水進行了分(fēn)子量測定，發現分(fēn)子量小(xiǎo)于4000daltons的溶解性有機物(wù)所占的比例分(fēn)别為(wèi)66%、52%、62%、56%。而Collins發現三鹵甲烷形成潛力(THMFP)主要是由分(fēn)子量小(xiǎo)于10 000daltons引起的。

  目前 公認這部分(fēn)低分(fēn)子量溶解性有機物(wù)不僅是三鹵甲烷的前驅物(wù)，而且還常常是膜污染的主要因素。因此，選擇适當的預處理(lǐ)來減輕膜污染以及去除低分(fēn)子溶解性有機物(wù)就顯得很(hěn)重要。

4. BAF+常規工藝+UF組合工藝

  從以上對BAF與UF工藝的 分(fēn)析 中可(kě)以看到，兩者在處理(lǐ)上有互補性，從而可(kě)以依此開發出新(xīn)的淨水工藝，即BAF→常規處理(lǐ)→UF。下面進一步用(yòng)有機物(wù)分(fēn)子量分(fēn)析的觀點來說明此工藝的優勢。具體(tǐ)參見http://www.shtaijiang.com更多(duō)相關技(jì )術文(wén)檔。

  水中有機物(wù)種類繁多(duō)，不同形态有機物(wù)要用(yòng)不同的工藝加以去除。一般而言，常規處理(lǐ)主要去除分(fēn)子量大于10000的有機物(wù)，對于分(fēn)子量10000以下的有機物(wù)隻能(néng)部分(fēn)去除，對分(fēn)子量小(xiǎo)于1000的有機物(wù)基本無去除作(zuò)用(yòng)甚至于有所增加。BAF主要去除水中分(fēn)子量小(xiǎo)于1000的親水性有機物(wù)，對更大分(fēn)子量的有機物(wù)由于細胞膜的屏障作(zuò)用(yòng)而難以進入細胞内部。BAF的生産性試驗說明BAF對DOC的去處似乎主要與分(fēn)子量500以下的有機物(wù)占DOC的百分(fēn)比有關。水中有機物(wù)也可(kě)劃分(fēn)為(wèi)懸浮态有機物(wù)、膠體(tǐ)有機物(wù)和溶解性有機物(wù)。根據能(néng)否被微生物(wù)去除分(fēn)為(wèi)可(kě)生物(wù)降解和不可(kě)生物(wù)降解的有機物(wù)等。水中可(kě)生物(wù)降解的有機物(wù)用(yòng)BAF去除，而不可(kě)生物(wù)降解的有機物(wù)則不能(néng)用(yòng)BAF去除，同時對于懸浮狀态和膠體(tǐ)狀态的有機物(wù)，采用(yòng)混凝沉澱 方法 則有好的去除效果，特别對于大分(fēn)子有機物(wù)(分(fēn)子量大于10000)常規工藝對其去除效果較好。對分(fēn)子量小(xiǎo)于3000的有機物(wù)，親水性的可(kě)生化部分(fēn)可(kě)用(yòng)BAF加以去除，憎水、難降解部分(fēn)以及細菌和病毒用(yòng)UF去除。總之，BAF、UF和常規處理(lǐ)三者基本呈互補關系。如果 經濟 上許可(kě)，該組合工藝應是提高飲用(yòng)水水質(zhì)的最佳工藝。