生物炭泥-超滤组合工艺处理高有机物、氨氮复合污染水源

雷晓玲，杨潇，杨程，魏泽军，颜海

(1.重庆市科学技术研究院，重庆 401123；2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；3.中煤科工重庆设计研究院(集团)有限公司，重庆 401332；4.中机中联工程有限公司，重庆 400000)

受降雨时空分布特征的影响，重庆地区饮用水资源存在分布不平衡的现象，特别是一些村镇在水资源匮乏的同时，水处理工艺也相对简易，因此村镇饮用水合格率相对偏低。特别是重庆渝西地区一些村镇饮用水水源受到周边环境及人类活动的影响，有机物、氨氮污染问题较为突出。常规饮用水的处理工艺对于水中溶解性的有机物、氨氮的去除能力有限。因此高有机物、氨氮污染的水源对水厂常规处理工艺提出了很大的挑战[1-3 ]。本文旨在通过在水厂原有的工艺基础上增加活性炭[4]投加，同时对炭泥回流和生物培养富集，后端联合超滤处理的方式，最终形成生物炭泥-超滤组合工艺来提高有机物、氨氮等污染物的去除率[5-8]，来达到改善水厂的目的，为类型水源条件提供技术参考。

1 试验设计与方法

1.1 进水水质

本中试以重庆某水厂高有机物、氨氮复合污染水为原水，水质情况见表1。

表1 原水水质Table 1 The raw water quality

1.2 试验装置

试验装置主要由机械絮凝池、斜管沉淀池、生物培养罐、超滤膜池、清水池和曝气系统组成。处理水量为0.2 m3/h，污泥回流比为3%。具体试验装置见图1。

图1 试验装置结构图Fig.1 Structure chart of test device

试验采用立升公司的聚偏氟乙烯中空纤维膜，膜的有效面积为1.9 m2，膜纤维内、外径分别为 0.85，1.45 mm，平均孔径为0.02 μm，反洗周期为24 h。

1.3 试验方法

1.3.1 生物培养富集 絮凝剂为聚合氯化铝，投加量为20 mg/L，活性炭投加量为20 mg/L，系统运行正常后，将沉淀池污泥提升至生物培养罐，进行24 h不间断的曝气，曝气量为30 L/min，每天更换生物培养罐原水，更换前取样检测，每2天取污泥测定生物量，培养期间温度23 ℃左右。

1.3.2 活性炭补充及效果试验 生物富集完成后，在进水流量保持在0.2 m3/h，回流比约3%的条件下分别补充0，10，20，30 mg/L粉末炭与回流污泥混合后，再提升至经絮凝池入水口，与聚合氯化铝协同反应。分别取沉淀池出水和组合工艺超滤出水。

1.4 检测指标及方法

水样指标测定高锰酸钾指数(CODMn)和氨氮，污泥样品测定生物量。其中CODMn：酸性高锰酸钾法；氨氮：纳氏试剂分光光度法；生物量：脂磷法[9]，结果用nmol/g表示。

2 结果与讨论

2.1 生物培养与富集

2.1.1 富集期的生物量变化 生物培养与富集期间，炭泥生物量变化见图2。

图2 富集期生物量随时间的变化Fig.2 Varying curve of biomass with time

由图2可知，随培养时间增加炭泥生物量不断增加，培养8～10 d，生物量逐渐趋于稳定，第10天生物培养罐中炭泥生物量达到了90 nmol P/g左右。视为生物培养与富集期成功，进行下阶段试验。

2.1.2 富集期对CODMn、氨氮去除效果 生物培养富集期对CODMn和氨氮的去除可能有活性炭和污泥絮体的吸附，但主要还是微生物作用。生物培养富集期间，生物培养罐中CODMn的去除变化情况见图3。

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

由图3可知，培养期间原水CODMn在6.8～8 mg/L 之间，CODMn的平均值为7.1 mg/L。试验在开始阶段，炭泥对水中有机物的去除，主要依靠炭泥的物理吸附作用。随着炭泥的不断曝气，生物培养罐中的炭泥生物量增加，微生物和水中污染物之间的生化作用也越发明显。装置在运行到10 d以后，培养罐对CODMn的去除率稳定到了40%以上，与生物量的变化呈现显著正相关性，表明有机物的去除主要贡献还是微生物作用。

培养富集期间，对氨氮的去除见图4。

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

由图4可知，试验期间原水氨氮在0.38～1.3 mg/L 之间，氨氮平均值为0.8 mg/L。培养富集前期对氨氮去除率约28%，培养前期氨氮的去除与有机物去除类似，主要依靠活性炭及絮体吸附，随着反应的进行，系统内的生物量增加，硝化细菌逐渐富集并开始发挥作用， 到第10天生物量稳定后，氨氮去除率从27%逐渐上升并稳定到了42%左右。

2.2 活性炭补充对炭泥回流工艺效果的影响

2.2.1 活性炭补充对生物量影响 系统稳定运行后，活性炭补充量分别为0(即仅回流排泥水)，10，20，30 mg/L，以考察活性炭补充对生物量及效果的影响，对生物量影响见图5。

图5 生物量随补充炭量的变化Fig.5 Effect of biochar on CODMn removal efficiencyof Mn and ammonia nitrogen

由图5可知，生物量随着补充炭量的增加而增加，表明补充活性炭有利于炭泥中微生物的增长，且当粉末炭补充量为30 mg/L时，稳定后生物量可达 115 nmol P/g，比不投加活性炭生物量高近3倍，可见适当的活性炭补充对生物量具有重要影响。

2.2.2 补充炭量对CODMn、氨氮的影响 试验在粉末活性炭补充量为0，10，20，30 mg/L的情况下，CODMn、氨氮去除情况见图6、图7。

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

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

由图可知，当补充活性炭量为0 mg/L时，装置稳定运行后对CODMn、氨氮的去除率分别为25%和24%。当补充炭量增长到30 mg/L时，去除率分别提高到了45%和47%，表明随着活性炭补充量的增加，一方面生物量随之增加，污染物去除的生物作用越明显；另一方面，补充的活性炭量的增加对污染物的吸附量也增加，因此有机物、氨氮的去除效果也提高。

2.3 生物炭泥-超滤组合工艺的去除效能

综合考虑去除效果及活性炭投加量后，以活性炭补充量为20 mg/L，在生物炭泥-超滤组合工艺在运行稳定后，对10次取样CODMn、氨氮结果进行分析，结果见图8、图9。

图9 中试装置对原水氨氮的去除效能Fig.9 The removal effect on NH3-N of pilot plant

由图8可知，原水的CODMn的值在6.1～7.3 mg/L 之间，平均值为6.77 mg/L；组合工艺滤后水出水CODMn的值在2.7～3.4 mg/L之间，滤后水CODMn平均值为2.9 mg/L，滤后水平均去除率为56%。比装置的沉淀后出水平均去除率(42%)提高了14%；比水厂常规处理工艺CODMn去除率 29.1%，提高了26.9%。并且10次滤后出水CODMn皆在 5 mg/L 以下，均达到(GB 5749—2006)《生活饮用水卫生标准》的要求。

图8 中试装置对原水CODMn的去除效能Fig.8 The removal effect on CODMn of pilot plant

由图9可知，原水的氨氮值在0.63～1.1 mg/L之间，平均值为0.78 mg/L；滤后水氨氮值在0.34～0.46 mg/L之间，平均值为0.4 mg/L。中试装置滤后水氨氮去除率在53%～62%之间，去除率平均值为60%。比水厂常规氨氮去除率22%，高出了38%。并且10次滤后出水氨氮皆在0.5 mg/L以下。值均可达到(GB 5749—2006)《生活饮用水卫生标准》的要求。

3 结论

(1)连续曝气好氧条件下，温度约23 ℃，生物培养富集10 d左右生物量达到稳定，炭泥生物量达到90 nmol P/g，培养罐CODMn和氨氮去除率分别达到40%和42%。

(2)粉末活性炭补充量为20 mg/L，进水量为0.2 m3/h，污泥回流比3%的条件下稳定运行后，组合工艺对CODMn和氨氮的平均去除率分别达到56%和60%，比水厂常规处理对CODMn和氨氮平均去除率29.1%和22%，分别提高了26.9%和38%，组合工艺出水均满足(GB 5749—2006)《生活饮用水卫生标准》的要求。