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PAC-MBR处理微污染水实验中PAC剂量的影响

作者Jingyi Hu , Ran Shang , Huiping Deng , Sebastiaan G.J. Heijman , Luuk C. Rietveld

摘 要

为了解决水资源短缺问题，推进传统饮用水处理技术，一种粉末活性炭改性膜生物反应器（PAC–MBR）处理微污染地表水被提出了。通过最初向MBR中投加不同量的PAC，进行了试点试验。比较结果表明，在0、1、2和3 g/L PAC–MBR中，2 g/L在有机物和氨氮去除以及膜通量可持续性方面表现最好。与非PAC系统相比，1 g/L PAC–MBR在污染物去除方面表现出轻微的改善。3 g/L PAC–MBR混合液中有机物的积累导致有机物去除较差，膜污染更严重。2 g/L PAC中散装液体的分子量分布PAC-MBR展现出了PAC吸附/生物降解和膜截留对有机物去除的协同效应。此外，在21天的试验中，仅有较少量的可溶性细胞外聚合物物质散落。

关键词 MBR；微污染地表水；理想用量；PAC

介绍

由于过去几年工业的快速发展，越来越多的污染物在未经充分处理的情况下排入受纳地表水中，从而对饮用水水源的质量造成巨大威胁。这种受污染的地表水被称为微污染地表水（MPSW）。通常，其化学需氧量低于10 mg/L，有机碳和氨是主要污染物（Sagbo et，2008）。最重要的是，膜生物反应器（MBR）作为一种先进技术，在MPSW处理方面受到了广受普及（ (Ma et al., 2012, 2013; Tian et al., 2008），主要基于以下几个方面：

⑴ 生物降解有利于去除MPSW中的初级污染物，如氨。(Li et al., 2006; Xu et al., 2007)

⑵ MBR系统中膜排斥提供了阻止微生物进入产品水的屏障，提供了拥有理想品质的生物稳定水。(Oh et al., 2007;Tian et al., 2009)

然而，由于MPSW的低营养状态，最好采用污染物或是更利于微生物群落形成的载体作为额外材料补充。粉末活性炭（PAC）是一种具有较大表面积的商用多孔吸附剂，是用于上述用途的最合适材料。在PAC改良的MBR（PAC–MBR）系统中，可通过PAC吸附去除生物难降解物质（Liu et al., 2005）。因此，能同时吸附和生物降解而不是单一的生物反应反映了PAC–MBR系统的优势。(Ng et al.）, 2013此外，通过大块混合物中的絮体特征的改变和污染物浓度的降低证明了添加PAC有利于改善膜的可过滤性((Le-Clech et al., 2006).

尽管PAC–MBR混合技术已在MPSW处理中得到充分研究 (Ma et al., 2012, 2013; Tian et al., 2008)，这些实验大多是使用合成或模拟地表水在实验室规模上设计的，使用的是合成或模拟地表水，这可能不足以代表实际的PAC–MBR应用。在本研究中，一场小型MBR试验将启用凝固处理后的现场MPSW。本规程旨在证明MBR（或PAC–MBR）能在饮用水处理设施中替代传统的介质过滤。具体而言，通过比较不同PAC投加量下MBR的性能（如有机物、氨氮去除和膜通量可持续性），以确定全面应用的最佳PAC投加量。此外，为了更好地了解系统的运行性能，对最佳投加PAC–MBR中的大型混合物进行了分析。

方法

MBR设置和操作

工作容积为4000升的中规模MBR装置（长度、宽度和高度为1.8m*1.2m*2.4m）能简单设置完成。如图1所示，MBR中安装了71片超滤（UF）平板聚偏氟乙烯膜（Peier, Jiangsu Lantian Co., Ltd., China）每个超滤膜片的有效表面积为1㎡.制造商称，这种超滤膜的孔径约为0.1 mu;m.进入MBR的进水流量始终固定在1200 L/h，这相当于MBR中3.3 h的水力停留时间（HRT）。MBR底部安装了空气扩散器，为微生物生长和PAC的悬浮提供氧气。气流速度为6m3/h、 其目的是冲刷沉积物污染物，并在膜表面形成一个相对动态的层。在渗透泵（WILO, Germany）提供的0.1 MPa（1 bar）的恒定压力下暂时获得渗透膜。在每个系统的整个运行期间，PAC或MBR中的污泥均没有流出.

实验材料和分析方法

平均粒径为70 mu;m的PAC将以0 g/L（无PAC）、1 g/L、2 g/L和3 g/L的初始浓度添加到MBR中。在启动下一个PAC–MBR时，清空前一个MBR中的大块混合物，并通过在稀释的NaClO（0.1%）和HCl（0.5%）溶液中浸泡来清洗膜，直到获得90%以上的净水通量。使用合适的潜水泵，直接从当地曹娥河（Shangyu City, Zhejiang Province, China）的干渠中对研究所需的MPSW进行采样。在MPSW凝固和沉淀作用后收集PAC-MBR的进水，然后在重力作用下流入MBR。必须指出的是，现场MPSW的质量因降雨量、季节变化和上游排放活动而异。因此，每天根据MPSW调整混凝剂（聚合氯化铝）用量，以维持PAC–MBR系统相对稳定的进水质量。表1总结了每个研究PAC–MBR进水的详细水质参数。

对于分析方案，遵循中国国家环境保护局标准方法（中国环保局，2002年）。采用高锰酸钾（）氧化法测定,通过使用分光光度计（中国北京新世纪T6）的比色法测定-N(-N and -N)，该分光光度计也用于254 nm（）下的紫外线吸光度测量。分析前，所有水样均通过0.45-mu;m注射器过滤器（Whatman,USA）过滤。通过聚醚砜超滤膜过滤，对MBR混合物中的散装液体进行分馏，以描述有机分子量分布（MWD）。在搅拌池装置（）中串联使用了可变分子量截止值为1、3、10和30 kDa（(Millipore, USA）的膜盘。根据值的质量平衡，计算每一部分相对于整个体积的百分比。根据之前的程序（(Chang and Lee,1998），对大型混合物中的可溶性EPS和结合EPS进行了区分和提取。分别采用lowry法和苯酚-硫酸法对可溶性EPS和结合EPS中的蛋白质和多糖进行定量（(Dubois et al., 1956; Lowry et al., 1951）；以牛血清白蛋白和葡萄糖为各自的标准，在蛋白质分析中考虑了腐殖物质的干扰。

表1

每个PAC–MBR系统的进水水质。

结果与讨论

3.1不同PAC投加量下MBR的运行性能

PAC用量对有机物去除的影响

PAC用量对有机物去除的影响是对可被高锰酸钾氧化的还原性物质的一种测量，被广泛接受为饮用水田中总有机物的替代参数。四种研究系统的去除率存在显著差异（图2（a））。在0 g/L PAC–MBR中，去除率从0%稳步增加到30%，而在PAC投加系统（1、2和3 g/L PAC–MBR）中，去除效率在开始时高达50%，随后显著下降。这主要是由于投加的PAC接近有机物的吸附平衡。与在整个运行过程中，1 g/L PAC-MBR的去除率从50%持续下降至20%相反，在2 g/L和3 g/L PAC-MBR中运行约6天后，去除效率得到了提高。这种不同的去除性能，意味着在较高PAC剂量下有对有机物的吸附动力学优势。此外，这些系统中的反弹表明异养微生物正在出现并逐渐适应环境，它们往往作为微生物群落附着在PAC表面，并有助于消除可生物降解的（Guo et al., 2008; Tian et al., 2009）。这种生物降解效应也可能发生在0和1 g/L PAC–MBR中，但与2和3 g/L PAC–MBR相比，更可能以滞后和低效的方式出现。

考虑到出水水质，0 g/L PAC–MBR能够在前10天后以持续降低的方式产生出水。然而，在1 g/L PAC–MBR中观察到出水稳步增加。接近30天结束时，与0 g/L PAC-MBR（1.3 mg/L）相比，在1 g/L PAC-MBR出水中检测到略高的（1.8 mg/L）。1 g/L PAC–MBR中的出水质量较差可能是由于调查期间出现的温度下降（从22℃降至12℃）。这将对微生物活性产生不利影响，并因此削弱生物降解效率。考虑到1 g/L PAC–MBR不足以在低温条件下提高去除率，因此采用2 g/L和3 g/L PAC剂量，以抵消这种负面温度影响。

在2 g/L和3 g/L PAC–MBR运行期间，平均温度为10°C的温度更低。然而，从第12天到30天结束，在2 g/L PAC–MBR中，出水仍可以稳定在1.1 mg/L以下。在3 g/L PAC–MBR中，尽管前20天的出水始终低于2 g/L PAC–MBR，但在最后10天内，出水中的逐渐增加，且高得多。同时，在这一特定时期（数据未显示），发现3 g/L PAC–MBR的大量液体中显著累积。这些观察结果可能归因于与进水相关的碳营养不足（贫营养状态），即微生物释放某些微生物产物，例如相关产物的利用率，以维持内源性代谢（）。因此，增加的微生物产物导致大型混合物中的负荷增加，从而导致去除效果不佳。特别是，假设这种现象发生在PAC投加量较高的系统（即3 g/L PAC–MBR）中，预计会有更多微生物和更多微生物产物。

在图2（b）中，显示了每个系统中的去除。总体而言，的去除表现出与相似的趋势，但效率相对较低。由于是芳香族和不饱和双键有机成分的指示剂（），它优先被活性炭吸附，但难以被微生物分解。因此，与相比，的去除率更高，这主要归因于异养细菌的生物降解。尽管如此，的去除仍能持续实现，尤其是在2g/L PAC–MBR中。这部分可以通过读取PAC上的生物再生效应来解释，其中先前在PAC孔隙中存在的可生物降解的有机污染物被消耗，从而使部分PAC孔隙得以继续吸附

PAC投加量对氨氮去除的影响

研究的PAC–MBR中-N的去除如图3（a）所示。一般来说，在每个系统运行的初始阶段，-N的去除量增加。

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