BAF+常规工艺+UF工艺在微污染源水处理中的应用展望
摘要：由于各种污染物的排放，我国饮用水水源水质日益恶化，常规水厂的工艺已显得力不从心，因此，本文对微污染水源水的处理技术作了简要介绍。重点 分析 了作为预处理技术的曝气生物滤池技术和作为后续处理的膜分离技术(特别是超滤技术)。在分别对这两项技术作了介绍的基础上，提出了曝气生物滤池(BAF)+常规工艺+超滤(UF)的净水工艺，指出该工艺是提高饮用水水质的最佳工艺。同时，用有机物分子量的观点对此工艺进行了深入分析。
关键词：BAF UF 微污染源水
Prospects of BAF+Normal Process+UF Technology BEing Used In The Treatment of Micro-polluted Source Water
Abstract:For the discharge of all kinds of pollutants,the source water to poduce drinking water of our country is getting worse day by day.And this makes the normal process used in most water plants unable to do thEIr jobs well as usual.So,the paper briefly introduces the technologies to cope with the micro-polluted source water.It gives emphasis on the two technologies,biological aerated filter and the membrane technology(especially the UF).Based on the analysis of these two technologies,the paper poses a new technology to clean water: BAF+normal process+UF.It indicates that this is the best way to improve the quality of the drinking water.Meanwhile,it uses the organic substance molecular weight viewpoint to analyse this new technology.
Key words:BAF,UF,micro-polluted source water
1. 前言
饮用水的净化技术是人们在与污染作斗争的过程中出现的，并不断得到 发展 、提高和完善。自第二次世界大战之后，尤其是60年代以来，不少地区饮用水水源水质日益恶化;同时，随着水质分析技术逐渐改进，水源水和饮用水中能够测得的微污染物质的种类不断增加，使人们在饮用水的水质净化中碰到了新的 问题 。
面对水源水质的变化，常规饮用水处理工艺已显得力不从心。国内外的实验 研究 和实际生产结果表明，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去除水中有机物20%-30%，且由于溶解性有机物存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度去除效果明显下降(仅为50%-60%)。用增加混凝剂投加量的方式来改善处理效果，不仅使水处理成本上升，而且可能使水中金属离子浓度增加，也不利于居民的身体健康。地面水源中普遍存在的氨氮问题常规处理也不能有效解决。 目前 国内大多数水厂都采用折点氯化的 方法 来控制出厂水中的氨氮浓度，以获得必要的活性余氯，但由此产生的大量有机卤化物又导致水质毒 理学 安全性下降。因此，常规的饮用水处理工艺已不能与现有的水源和水质标准相适应，必须开发新的水处理技术。
目前已开发或正在开发的水处理技术主要包括两方面：一是预处理技术，包括：活性炭吸附、臭氧氧化、生物活性炭、膜技术等;二是深度处理技术，包括氧化法和吸附法，其中氧化法又包括化学氧化和生物预处理技术。其中尤以生物预处理技术和膜技术倍受水处理工作者的关注。
2. 生物预处理技术
生物预处理是指在常规的净水工艺之前增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陈代谢活动，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除，这样既改善了水的混凝沉淀性能，也减轻了常规处理和后续处理过程的负荷。另外，通过可生物降解的有机物的去除，不仅减少了水中“三致”物前体物的含量，也减少了细菌在配水管网中重新滋生的可能性。用生物预处理代替常规的预氯化工艺，不仅起到了预氯化作用相同的效果，而且避免了由预氯化引起的卤代有机物的生成，这对降低水的致突变活性，控制三卤甲烷物质的生成是十分有利的。
2.1 曝气生物滤池(BAF)预处理技术
曝气生物滤池(BAF)预处理技术在饮用水处理中具有以下特点：
⑴水处理过程中的物理、化学和生物化学性质存在较大差异，并且与其去除性存在一定的关系。从分子量上来说，生物可降解有机物主要是低分子量的有机物(分子量<1500)。常规的给水处理工艺，即混凝、沉淀和过滤，主要是去除分子量>10000以上的有机物，对低分子量有机物去除率低，特别是对分子量<500的有机物，几乎没有去除能力，甚至有所增加。而这部分有机物可能是行成消毒副产物卤乙酸的主要前体，也是饮用水管网中细菌生长的主要营养基质，而生物预处理能有效去除这部分有机物，对提高整个给水处理工艺对有机物的去除效果有重要意义。
⑵对低浓度有机物有较好的去除效果。在BAF中，微生物利用水中营养基质进行生长繁殖，在载体表面形成薄层结构的微生物聚合体，产生生物膜，有利于世代期较长的微生物生长。饮用水中微量污染物浓度(mg/L数量级)有利于贫营养微生物的繁殖，如土壤杆菌、假单胞菌、嗜水气单胞菌、黄杆菌、芽孢杆菌和纤毛菌等。这些贫营养微生物具有较大的比表面积，对可利用基质有较大的亲合力，且呼吸速率低，有较小的最大比增殖速度和Monod饱和常数(Ks)(约为1-10μg/L左右)，所以在天然水体条件下，其对营养物的竞争具有较大的优势。Namkung和Rittmann的研究指出，几种微量基质生物降解的同时进行，与同样浓度的单个基质生物降解相比，能导致更多的生物量积累和有更快的去除速率，这表明多种微量污染物的混合，可增加生物膜系统处理效果的稳定性，而受污染水源水中往往含有多种微量有机物。另外贫营养菌通过二级基质的利用能去除浓度极低的微量污染物，例如：贫营养菌在分解利用浓度为1.1mg/L的富里酸时，对浓度为100μg/L得酚和萘的去除率分别为90%-92%，对土臭素和2-MIB(2-甲基异莰醇)的去除率分别为55%和44%，这表明利用水中天然有机物形成的生物膜处理系统可较好的去除微量污染物、嗅味及色度物质。
⑶能去除氨氮、铁、锰等污染物。BAF中，生物膜固定生长的特点使生物具有较长的停留时间，一些生长较慢的微生物如硝化菌等自养菌可在反应器内不断积累。反应器内载体应具有足够的溶解氧，这样就能促进生物膜上好氧硝化菌的生长和代谢活动。对硝化反应动力学的分析表明，即使在低温下，生物膜去除氨氮的作用也是十分有效的。
近年来，国内外学者对BAF对氨氮和有机物的去除效果进行了研究，表1和表2是国内外资料中所报道的曝气生物滤池对氨氮和有机物的去除效果。
|
处理工艺
|
填料
|
地点
|
进水氨氮（mg/L）
|
氨氮去除率（%）
|
|
曝气生物滤池（中试）
|
细卵石
|
法国
|
>2.5
|
≈100
|
|
曝气生物滤池（生产性）
|
细卵石
|
法国（Annet Sur Marne）
|
≤4
≤1 0.3-0.5 |
97.5
79.5 78.3 |
|
曝气生物滤池（中试）
|
细卵石
|
英国（Medmenham）
|
3.0
|
82.5
|
|
曝气生物滤池
|
细卵石（20-40mm）
细卵石（20-50mm） 细卵石（10-20mm） |
法国（Groissy）
法国（Vermoukle） 法国（Anbergen） |
3.2
2.3 1.8 |
99.4
93.5 68.7 |
|
曝气生物滤池（中试）
（生产性） （生产性） （生产性） |
砂+煤
砂+煤 砂+煤 砂+煤 |
法国（Choisy）
法国（Choisy） 法国（Mery） 德国（Miilheim） |
0.08-0.68
0.5 0.34 1.0 |
66%(平均)
≈100 ≈100 ≈100 |
|
曝气生物滤池（小试）
|
碎石（2.7-4.8mm）
|
韩国
|
0.2-0.5
|
90-100
|
|
曝气生物滤池（小试）
|
碎石
|
武汉
|
0.41-1.16
|
81.0-98.8
|
|
曝气生物滤池（小试）
|
陶粒（2-5mm）
|
北京
|
1.4-2.0
|
99
|
|
曝气生物滤池（小试）
|
海蛎子壳
|
上海
|
-
|
21
|
|
工艺
|
填料（括号内为填料尺寸）
|
试验地点
|
进水有机物浓度
|
有机物去除滤
|
|
臭氧-曝气生物滤池（生产性）
|
细卵石+活性炭（2×3mm）
|
法国Annet Sur Mane
|
3.2mg TOC/L
|
38%
|
|
曝气生物滤池（小试）
|
碎石（0.6-1.2mm）
|
南朝鲜
|
BOD5 3.2-59g/L
CODMn14-20mg/L |
35-60%
27-30% |
|
曝气生物滤池（小试）
|
碎石
|
武汉
|
CODMn3.7-5.6mg/L
|
10.4-27.5%
|
|
曝气生物滤池（小试）
|
海蛎子壳
|
上海
|
(CODMn)
|
7.1-9.8%
|
|
曝气生物滤池（小试）
|
陶粒（2-4mm）
|
北京
|
20-30mgCODCr/L
|
43.1%
|
自80年代以来，清华大学环境工程系对以陶粒作填料的曝气生物滤池进行了广泛深入的研究。研究结果表明以陶粒作为填料的曝气生物滤池其处理效果明显优于其它类型的生物预处理技术，见表3和表4。
|
生物池类型 |
Ⅰ型
|
Ⅱ型
|
Ⅲ型
|
|
|
水力负荷
|
4-6m/h
|
0.91-1.67m3/(m3h)
|
0.78-1.12 m3/(m3h)
|
|
|
气水比范围
|
0.77-1.2:1
|
1-1.5:1
|
0.7-1.2:1
|
|
|
CODMn
|
2.12-5.98/3.11mg/L①
|
24.6%②
|
14.6%
|
11.9%
|
|
氨氮
|
0.16-3.94/2.22mg/L
|
94%
|
82.6%
|
84.7%
|
|
亚硝酸盐氮
|
0.023-0.79/0.231mg/L
|
98%
|
79.9%
|
76.3%
|
|
TOC
|
2.1-5.3/3.5mg/L
|
28.1%
|
8.7%
|
11.9%
|
|
藻类
|
68-688/251万个/L
|
61.5%
|
58.9%
|
51.1%
|
|
浊度
|
3.1-43.3/7.56NTU
|
64.6%
|
56.3%
|
51.7%
|
|
TON
|
8.0-40.0/15稀释倍数
|
47.9%
|
47.9%
|
47.1%
|
|
锰
|
0.09-0.68/0.28mg/L
|
73.8%
|
64.5%
|
62.5%
|
|
色度
|
23-73/34度
|
41.8%
|
37.3%
|
31.8%
|
|
注：试验温度范围13.8-31℃。 ①原水浓度范围/均值；②平均去除率。 Ⅰ型为淹没式曝气生物滤池，Ⅱ型为中心导流筒曝气循环式生物滤池，Ⅲ型为直接微孔曝气器生物接触氧化池。 |
||||
|
水质项目
|
原水（浓度范围/均值）
|
生物池类型（去除率（%）范围/均值）
|
||
|
Ⅰ型
|
Ⅱ型
|
Ⅲ型
|
||
|
TOC
|
2.3-5.3mg/L
|
3.7-57.9/29.5
|
0-48.6/14.3
|
0-36.8/11.9
|
|
T-THMFP
|
0.078-0.125/0.087 mg/L
|
10.4-24.8/18.3
|
8.7-14.3/11.2
|
6.8-13.3/9.6
|
|
CODMn
|
2.49-3.86/2.63 mg/L
|
13.2-27.3/22.3
|
4.3-20.1/12.4
|
5.2-14.4/9.8
|
|
D-CODMn
|
2.21-2.92/2.46 mg/L
|
8.6-35.6/20.4
|
5.0-22.8/14.3
|
5.4-29.7/12.1
|
|
UV254
|
0.047-0.070/0.055（cm-1）
|
6.4-21.4/14.3
|
2.2-11.8/7.8
|
5.1-16.7/8.2
|
2.2 曝气生物滤池对后续常规处理药耗和氯耗的 影响
2.2.1 对药耗的影响
水中有机物的存在将增加胶粒的Zeta电位值，使胶体更趋于稳定，增加水处理混凝时药剂投加量。经BAF生物预处理后，胶粒Zeta电位值降低，易于脱稳，因此可以减少后续混凝单元的药剂投加量，实际的烧杯实验及生产性实验均验证了这一点。
2.2.2 对氯耗的影响
水的氯耗与水中有机物和氨氮的含量密切相关。曝气生物滤池对有机物和氨氮均有较好去除，因此也将影响氯耗量，有试验表明曝气生物滤池与常规工艺的组合其耗氯量比单一常规工艺氯耗节约10%-15%(常规工艺加氯量为2.5-2.7mg/L)。氯耗的减少既可以节约水厂运行成本，又能降低氯代有机消毒副产物的生成量，改善出水水质，保障饮用者身体健康。
3. 膜分离技术
以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)、以及微孔过滤(MF)。膜分离技术的特点是能提供稳定可靠的水质，这是由于膜分离水中杂质的主要原理是机械筛分，因而出水水质仅仅依据膜孔径的大小，与原水水质以及运行条件无关。此外，膜分离还会使水厂用地大大减少，运行操作自动化，使水厂成为真正意义上的“造水工厂”。
RO运行压力高，为1-10Mpa，能耗大，而且由于良好的截留性能将大多数无机离子(包括对人体有益的)从水中去除。长期饮用这种水，会 影响 人体健康，因此不适宜作为水厂处理工艺。
NF膜具有松散的表面层结构。其进水要求几乎不含浊度，故仅适用于地下水处理，且由于NF去除了大部分的硬度，故其出水会对管网产生腐蚀。
UF和MF运行压力低且可截留水中绝大部分悬浮、胶体和细菌，其作用相当于以除浊为目的的传统处理工艺。因而是一种适合于水厂的水处理工艺。
3.1 超率(UF)在净水处理中的 应用 前景
超滤所分离的组分直径为0.005-10μm，一般相对分子质量大于500的分子量和胶体，这种液体的渗透压很小，可以忽略。因而采用的操作压力较小，一般为0.1-0.5Mpa，所以膜常用非对称膜，膜的水透过率为0.5-5.0m3/(m2·d)。
超滤在小孔径范围与反渗透相重叠，在大孔径范围内与微孔过滤相重叠。因此它可以分离溶液中的大分子、胶体、蛋白质、微粒等。由于它使用的压力低、产水量大，因此更便于操作，应用范围十分广泛， 发展 速度很快，前景是美好的。
3.2 超滤的 研究 与应用中存在的 问题
日本从1992年开始，由厚生省牵头，以国立公众卫生院和水道净水协会为主，组成“膜应用新型净水系统委员会”，丹保宪仁任委员长，实施所谓“MAC21计划(Membrane Aqua Century21)”，对MF和UF膜应用于净水处理进行了3年的大规模研究。根据其研究结果UF的处理效果如表5所示。
|
水质指标 |
原水
|
混凝沉淀出水
|
膜分离出水
|
|||
|
范围
|
平均值
|
平均值
|
去除率
|
范围
|
去除率
|
|
|
浊度/NTU
|
3.36-51
|
14.1
|
1.39
|
89.9
|
0.00-0.17
|
98.9-100
|
|
色度/度
|
7-22
|
11
|
4
|
68
|
1.6-4
|
60-84
|
|
CODMn
|
3.3-17.6
|
6.9
|
2.8
|
60
|
1.4-3.1
|
46-84
|
|
UV26050mm比色皿
|
0.118-0.228
|
0.158
|
0.120
|
22
|
0.074-0.172
|
4-54
|
|
氨氮
|
<0.01-0.6
|
0.17
|
0.16
|
10
|
0.01-0.3
|
0-84
|
|
总锰
|
0.024-0.13
|
0.049
|
0.023
|
50
|
0.004-0.034
|
23-100
|
|
总铁
|
0.25-3.8
|
0.8
|
0.08
|
90
|
0.00-0.01
|
98-100
|
|
THMFP
|
0.03-0.057
|
0.042
|
0.026
|
38
|
0.017-0.045
|
0-66
|
|
项目
|
范围
|
范围
|
范围
|
检出率
|
||
|
细菌/个/mL
|
4100-160000
|
220-38000
|
230-9700
|
0/24-24/26
|
||
|
大肠菌/个/mL
|
52-1900
|
3-200
|
0-180
|
0/26-3/24
|
||
从表中数据可知，超滤对浊度、总铁、细菌和大肠菌群均有很好的去除效果，但对水中的有机物和氨氮的去除率相对较低。
张捍民等在用淹没式中空纤维膜过滤装置去除饮用水中污染物的实验研究中也发现，淹没式中空纤维膜过滤装置对悬浮固体、胶体、细菌的去除效果很好。试验中出水浊度始终保持在0.25NTU以下，并且出水中检不出细菌。但对有机物的去除效果不理想，不能可靠的保证出水有机物浓度，出水有机物浓度随进水有机物浓度的升高而升高。
大量的研究均表明，膜对天然水中的溶解性有机物(DOM)的去除率不高，尤其是低分子的有机物。天然水中有相当大一部分溶解性有机物的分子量低于UF的截留分子量(5000-100 000daltons)，导致UF膜对其的拦截效果很差。事实上，天然水中这一类的低分子溶解性有机物所占的比例往往较大。Laine等人报告美国以利诺伊州的Decatur湖中低于1000daltons有机物占总有机物的60%;Schnoor报告lowa河有90%有机物分子量低于3000daltons;董秉直、曹达文等对我国长江、黄浦江、太湖、淮河的原水进行了分子量测定，发现分子量小于4000daltons的溶解性有机物所占的比例分别为66%、52%、62%、56%。而Collins发现三卤甲烷形成潜力(THMFP)主要是由分子量小于10 000daltons引起的。
目前 公认这部分低分子量溶解性有机物不仅是三卤甲烷的前驱物，而且还常常是膜污染的主要因素。因此，选择适当的预处理来减轻膜污染以及去除低分子溶解性有机物就显得很重要。
4. BAF+常规工艺+UF组合工艺
从以上对BAF与UF工艺的 分析 中可以看到，两者在处理上有互补性，从而可以依此开发出新的净水工艺，即BAF→常规处理→UF。下面进一步用有机物分子量分析的观点来说明此工艺的优势。
水中有机物种类繁多，不同形态有机物要用不同的工艺加以去除。一般而言，常规处理主要去除分子量大于10000的有机物，对于分子量10000以下的有机物只能部分去除，对分子量小于1000的有机物基本无去除作用甚至于有所增加。BAF主要去除水中分子量小于1000的亲水性有机物，对更大分子量的有机物由于细胞膜的屏障作用而难以进入细胞内部。BAF的生产性试验说明BAF对DOC的去处似乎主要与分子量500以下的有机物占DOC的百分比有关。水中有机物也可划分为悬浮态有机物、胶体有机物和溶解性有机物。根据能否被微生物去除分为可生物降解和不可生物降解的有机物等。水中可生物降解的有机物用BAF去除，而不可生物降解的有机物则不能用BAF去除，同时对于悬浮状态和胶体状态的有机物，采用混凝沉淀 方法 则有好的去除效果，特别对于大分子有机物(分子量大于10000)常规工艺对其去除效果较好。对分子量小于3000的有机物，亲水性的可生化部分可用BAF加以去除，憎水、难降解部分以及细菌和病毒用UF去除。总之，BAF、UF和常规处理三者基本呈互补关系。如果 经济 上许可，该组合工艺应是提高饮用水水质的最佳工艺。
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