载体生物与超滤耦合工艺去除应急备用水源水污染物的研究

刘颖诗，董浩韬，李振兴

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060）

引言

广州市石门自来水厂原取水口—珠江西航道（白云段）水源水，是广州市应急备用水源，该水源受污染程度日益加剧，现已呈现微污染的现状，主要污染物是氨氮、有机物、藻类，常规工艺难以进行处理。

超滤具有占地面积小、易于实现自动化的优点[1]，并可有效去除水中的悬浮物和胶体物质[2]；载体生物工艺作为生物膜法的一种[3]，可有效去除氨氮，此外还具有填料比表面积大、微生物附着量多、耐冲击负荷、无剩余污泥、无需污泥回流的优点[4]。本研究建立了处理水量为1 m3/h的载体生物与超滤耦合工艺中试装置，考察其对微污染水源水中浊度、有机物和氨氮的去除效果。

1 试验条件及方法

1.1 原水水质

根据近年来所测得的珠江西航道江水水质资料显示，水质情况如表1所示。

表1 广州市珠江西航道河段水质

1.2 试验装置与工艺流程

如图1所示，载体生物由超滤耦合工艺中试装置载体生物与超滤膜过滤两部分组成，中试模型设计总处理量为1.0 m3/h。试验过程中，原水经取水泵送至载体生物区再进入超滤膜过滤区，检测进水、出水水质，并判断处理效果。

图1 工艺流程图

1.3 试验方法

以氨氮和有机物的去除效果为控制目标，对载体生物运行参数进行优化；以超滤膜跨膜压差的增长速度为控制目标，对超滤膜反冲洗参数进行优化；以优化后的载体生物和超滤膜运行参数耦合应用处理受污染的水源水，以氨氮、有机物和藻类的去除率作为判定工艺效果的指标。

2 结果与分析

2.1 载体生物工艺运行参数的优化

水力停留时间、气水比与氨氮、有机物CODMn的去除率如表2、表3所示。

表2 水力停留时间与氨氮、有机物CODMn的去除率

表3 气水比与氨氮、有机物CODMn的去除率

水力停留时间在0.5～1.5 h、气水比在1∶1～2.5∶1的范围内时，出水CODMn和NH4+-N的去除率不断增加。CODMn和NH4+-N的去除主要依靠生物膜内的好氧异养菌，随着停留时间和溶解氧的增加，生物膜中的有机物不断进行氧化分解，当停留时间在1.0 h以上，气水比为2.5∶1时，出水CODMn和NH4+-N浓度均满足标准。

2.2 超滤膜反冲洗参数的优化

试验采用的反冲洗方式是气水联合冲洗，即在膜组件跨膜压差达到0.06 Mpa时，使用滤后水对膜组件进行清洗，同时，通过鼓风机曝气，向水流中加入空气。通过不同反洗时的水量、气量条件考察跨膜压差的变化，如图2所示。

图2 不同反洗水量、气量对跨膜压差的影响

跨膜压差在过滤周期内随着过滤时间的增加而不断上升，经过气水联合反洗后，随着反洗水量、气量的不同均有不同程度的恢复，这说明在过滤周期内随着过滤时间的延长，吸附在膜表面的污染物越来越多，膜污染越来越严重，而通过气水联合反冲洗后，膜表面的污染物能够得到一定程度的清洗，使跨膜压差得到一定程度的恢复。经综合比较后认为，反洗水量为1.2 m3/h、气量为6 m3/h时为理想的运行方案。跨膜压差增长趋势比较平缓，膜组件在整个运行期间运行稳定，而且经济性较好。

2.3 耦合工艺对受污染水源水的处理效果

载体生物与超滤耦合工艺运行参数为：停留时间为1.5 h、气水比为2.5∶1、反冲洗时间为5 min，反洗水量为1.2 m3/h，反冲洗气量为6 m3/h。在此种条件下，耦合工艺对浊度、氨氮、有机物的处理效果如图3所示。

图3 载体生物-超滤膜耦合工艺对水中浊度、氨氮、有机物的去除效果

当耦合工艺系统稳定运行后，取30天的原水进行分析。载体生物对原水浊度的去除率较低，但对氨氮、有机物均有很好的去除效果。当进水浊度较低（低于30 NTU）的情况下，载体生物出水的浊度有所增加，这可能是由于进水通过冲刷使得填料上附着的微生物掉落的原因；而经过超滤膜过滤后，浊度的去除率基本可以达到99.50%以上，且出水浊度均低于0.02 NTU。

3 结论

通过建立载体生物与超滤耦合工艺，从试验得出系统的运行参数为：水力停留时间为1.5 h、气水比为2.5∶1；浸没式中空纤维超滤膜反冲洗时间为5 min、水量为1.2 m3/h、气量为6 m3/h。工艺稳定运行后，对氨氮的去除率可达到94%，出水氨氮小于0.5 mg/L；对CODMn的去除率可达39%，出水CODMn小于3 mg/L；浊度去除率基本可以达到99.50%以上，出水浊度均低于0.02 NTU，满足国家生活饮用水卫生标准。

由于载体生物工艺中活性污泥的存在，载体工艺生物段的出水浊度有所增加。载体生物工艺可以有效去除水中的氨氮和有机物。超滤膜工艺可以保证输水浊度低于0.02NTU，但对有机物和氨氮的去除效果不明显。

相关技术人员今后将进一步调试耦合工艺的运行参数，并研究其对原水的抗冲击能力，同时优化自动控制系统，以最大程度地节省能耗。