（环境工程专业论文）mbr及其组合工艺处理微污染地表水的试验研究.pdf

中文摘要 针对我国淡水资源短缺，饮用水水源普遍存在有机污染的现状，为满足不断 提高的饮用水水质标准的要求，本研究以实际微污染地表水为原水，重点考察了 连续运行的膜生物反应器( m b r ) 分别在投加粉末活性炭( p a c ) 和不投p a c 时的出水水质。 连续运行的m b r 不论投加p a c 与否，出水的感官性状、n h 3 - n 等指标均 符合城市供水水质标准( c j ，r2 0 6 - 2 0 0 5 ) 的要求。投加p a c 后，可以保证出 水c o d 浓度完全达标，显著降低混合液中有机物的累积程度，减轻膜污染。 p a c 和活性污泥微生物对水中微量苯酚均有快速良好的去除效果。p a c 吸 附，2h 可达平衡，吸附容量为0 6m g g , 当进水苯酚浓度为1 4 9 4ug l 时， 9 0r a i n 即可全部被生物降解。 微滤膜对细菌、大肠菌群、耐热大肠菌群的平均截留率分别为9 8 4 2 、 9 5 9 9 和9 8 7 8 ，文中对较低的截留率给出了解释；折点加氯试验表明：当投 氯量为1 2 5 1 5m g l 时，可以保证出水余氯和微生物学指标达标。 有机污染和生物污染是主要膜污染形式，水力清洗和n a o c l 清洗是恢复通 量的有效清洗方法。分子量在5 0 0 - 1 00 0 0d a l t o n 的物质的去除主要由p a c 吸附 和生物降解来实现；分子量 1 00 0 0d a l t o n 的物质的去除主要由微滤膜来承担。 试验结果表明：以p a c m b r 组合工艺处理微污染地表水，出水水质优良， 浊度、c 0 功山i 、n h 3 - n 等指标完全达标；该工艺运行稳定，有一定的抗冲击负 荷能力。 关键词：微污染地表水；膜生物反应器；粉末活性炭；有机污染；膜污染 分子量分布 a b s t r a c t f r e s h w a t e rr e s o l 】r i si ns h o r ts u p p l yi nc h i n a , a n do r g a n i cp o l l u t i o nw i d e l y e x i s t si nt h e5 0 u r o eo fd r i n k i n gw a t e r , h o w e v e rt h es t a n d a r do fd r i n k i n gw a t e rq u a l i t y i su p g r a d i n g t os o l v et h e s ep r o b l e m sa n dp r o d u c es a f ed r i n k i n gw a t e r , at e s to f m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m a r ) f o rd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tw a sc a r d e do n t h e m i c r o - p o l l u t e ds u r f a c ew a t e r t a k e nf r o mal a k ei nt i a n j i nu n i v e r s i t yc a m p u sw a su s e d a sl a ww a t e ri nt h i st e s t ，q u a l i t yo f t r e a t e dw a t e rb e f o r ea n da f t e rp o w d e r e da c t i v a t e d c a r b o n ( p a c ) d o s i n g w a se x a m i n e d w h e t h e rd o s i n gp a co rn o t , t h ea e s t h e t i cq u a l i t ya n dn h 3 - no f t r e a t e dw a t e ra l l c o u l dr e a c ht h er e q u i r e m e n to fw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d sf o ru r b a nw a t e rs u p p l y ( c j t 2 0 6 - 2 0 0 5 ) p a cd o s i n ge n s u r e dt h a tc o d l 恤i nt h et r e a t e dm e tt h er e q u i r e m e n t o ft h es t a n d a r d i ta l s or e d u c e dt h ec u m u l a t i o no fo r g a n i cm a t t e ri nt h em i x e d l i q u o r a n dr e l i e v e dt h em e m b 眦ef o u l i n g t r a c e - q u a n t i t yp h e n o li nl a ww a t e rw a sr e m o v e dr a p i d l ya n de f f e c t i v e l yb yp a c a b s o r p t i o na n db i o d e g r a d a t i o n n l ea b s o r p t i o ne q u i l i b r i u mc o u l db er e a c h e dw i t h i n2 h o u r s ，a n dt h ea b s o r p t i o nc a p a b i l i t yw a s0 6m g g w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f p h e n o l i nl a ww a t e rw a s1 4 9 4 l i 叽，i tc o u l db eb i o - d e g r a d e dc o m p l e t e l yi n9 0m i n u t e s 1 1 圮a v e r a g em e m b r a n er e j e c f i o nl a t eo fb a c t e r i a , c o l i f o r ma n dt h e r m o t o l e r a n t c o l i f o r mw a s9 8 4 2 9 5 9 9 a n d9 8 7 8 r e s p e c t i v e l y n 地e x p l a n a t i o no fl o w e r r e j e c t i o nl a t ew a sd i s c u s s e d w h e nt h ed o s a g eo fc h l o r i n ew a s1 2 5 - 1 5 m g l ，t h e c o n c e n t r a t i o no fr e s i d u a lc h l o r i n ea n dt h em i c r o - b i o l o g i c a li n d e x e si nt h et r e a t e d w a t e rc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h es t a n d a r d o r g a n i ca n db i o l o g i c a lf o u l i n gw e r et h em a i nf o r mo fm e m b r a n ef o u l i n g p h y s i c a lc l e a n i n ga n dn a o c ic l e a n i n gr e s u m e dt h em e m b r a n ef l u xe f f e c t i v e l y 1 1 1 e r e m o v a lo f t h eo r g a n i cm a t t e rw i t hm o l e c u l a rw e i g h tb e t w e e n5 0 0 a n d1 00 0 0d a l t o n m o s t l yd e p e n d e do np a ca b s o r p t i o na n db i n d e g r a d a t i o n , w h i l et h em e m b r a n e s e p a r a t i o nw a sr e s p o n s i b l ef o rr e m o v i n gt h eo r g a n i cm a t e rw i t ht h em o l e c u l a rw e i g h t a b o v e1 00 0 0d a l t o n t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t u s i n g p a c m b rc o m b i n e d p r o c e s s f o r m i c r o - p o l l u t e ds u r f a c ew a t e rt r e a t m e n t , e x c e l l e n tq u a l i t yo ft r e a t e dw a t e rc o u l db e a b t a i n e d ，t h ei n d e x e ss u c ha st u r b i d i t y , c o d m na n dn h 3 - nc o u l dr e a c ht h e r e q u i r e m e n to f t h es t a n d a r de n t i r e l y t h es y s t e mr u ns t a b l ya n da l s oh a ds t r o n ga b i l i t y a g a i n s ts h o c kl o a d i n g k e yw o r d s ：m i c r o p o l l u t e ds u r f a c ew a t e r , m e m b r a n eb i o r e a c t o r , p o w d e r e d a c t i v a t e dc a r b o n ，o r g a n i cp o l l u t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n g ，m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：环亩 1 0 0 l i1 1 1 ) 、胶体部分( 颗 粒粒径介于0 0 5 1 0 0i im ) 和溶解性物质( 采用0 0 5 | lr a 的膜进行过滤所得) ，发 现总阻力的5 2 是由溶解性物质引起的刚。 ( 3 ) 操作条件 水力停留时间( m 与污泥停留时间( s r t ) 。h r t 与s r t 是通过改变活性污泥 的特性来影响膜污染的。较短的硒汀可以为m b r 中的微生物提供充足的营养 物质，提高污泥增长率，保持较高的m l s s 值，但过短会导致污水中溶解性有 机物的过度积累，吸附在膜表面形成凝胶层，影响膜通量。s r t 与膜污染有 很大的关系，它不但影响活性污泥的质量浓度，还影响活性污泥的组成和生 物特性，延长s r t 不但可增加m b r 中活性污泥的浓度，而且还可以简化污泥 处理设备，但过长会使e p s 浓度略有减少，污泥颗粒尺寸略有增加p ”。有报 道指出，高m l s s 浓度会导致高的污泥粘度，从而加重膜污染，应定期排泥以 保持较低的粘度【3 6 】。 操作压力。对于压力的影响，众多研究者【3 7 。8 1 都认为存在一临界压力值 ( t m p e ) ，当操作压力( t m p ) f g 于t m p c 时，膜通量随压力的增加而增加，而 高于此值时通量随压力的变化不大，却会引起膜污染的加剧。 膜面流速。较高的错流速度可以增加膜面水流紊动程度，减少污水中颗粒物 质在膜面的沉积，减缓膜污染，但过大的错流速度反而会使污泥絮体的粒径 减小，并可能破坏絮体中微生物、无机颗粒和胞外多聚物质间的相互联系， 促使菌胶团解体，释放e p s 到上清液中，增加溶解性物质的浓度，加剧膜污 染。 温度。温度的提高不但可以降低混合液的黏度，还可以改变膜面上污泥层的 厚度和膜孔径，从而减轻膜污染。彭跃莲等 3 9 1 对好氧m b r 的研究表明，升高 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 温度有利于膜的分离过程，温度升高1 0 ，膜透水率增大1 3 5 2 4l h m 2 。 曝气强度。一体式m b r ，膜通量在一定范围内，随着曝气量的增大而增加； 当曝气量增大到一定程度时，膜通量不再变化【加】。这说明，m b r 内的曝气量 存在最佳值，超过此值时，能耗增加，却不能提高膜通量。 操作方式。错流操作，料液流经膜表面时产生高剪切力，可使沉积在膜表面 的颗粒扩散回主液流，使污染层保持在一个较薄的稳定水平，一旦污染层达 到稳定，膜通量将在较长一段时间内保持相对高的水平。 1 3 3 3 膜清洗 为延缓膜污染，提高系统处理能力，降低运行费用，可以从影响膜污染的因 素出发，采取不同措施预防膜污染。主要包括：合理选用膜组件；进行膜面预 处理；改善污泥混合液的特性；对料液进行预外理；优化操作条件。 应当讲，膜污染是不可避免的，尽管采取了上述多种预防措施，也只是在一 定程度上延长了膜的清洗周期，经过长期使用，还会产生表面沉积、结垢和膜孔 堵塞现象，使产水量下降，因此对污染膜进行定期的清洗是必要的。清洗方式主 要有物理清洗、化学清洗和组合清洗。 ( 1 ) 物理清洗 清水或气、水混合液的正向冲洗和反向冲洗。采用少量膜出水对膜组件进行 周期性反冲洗，能显著提高膜通量，但需消耗一定量的净化水，过于频繁会 使膜出水量下降；间隔过长，反冲洗后膜通量衰减较快，无法长时间保持稳 定的反冲洗效果，因此，在m b r 系统中找到最佳反冲洗周期，使用最小反 冲洗水量来达到最佳反冲洗效果是十分重要的。另外，反冲洗应在较低的操 作压力下进行以免引起膜破裂。 水力输送海绵球去除软质堵塞物。对管式组件可采用软质泡沫塑料球、海绵 球( 直径略大于膜管内径) 对内压管膜进行清洗，在管内通过水力让泡沫、海 绵球反复经过膜表面，对污染物进行机械性去除。这种方法对软质垢几乎能 全部去除，但对于硬质垢不但不易去除且容易损伤膜表面。因此，该法特别 适用于以有机胶体为主要成分的污染膜表面的清洗。刘恩华等1 4 l 】比较了循环 冲洗和海绵球清洗两种方法对膜通量恢复情况，同样的清洗时间，海绵球清 洗恢复的通量均比循环清洗恢复的通量大。 超声波清洗。超声波清洗主要是利用超声波在液体中的空化作用达到清洗目 的。对于采用一般常规清洗方法难以达到要求、几何形状比较复杂的被清洗 物，超声波效果明显。有试验表明1 2 3 】超声波能够在清洗溶液中形成极大的扰 动，并伴有强大的冲击波和微射流，能与污染膜充分接触和作用，较常规的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 物理清洗方法更好，能够使膜通量恢复5 4 。使用超声波清洗膜需针对不同 的膜组件和污染程度选用适当频率和功率的超声波，以达到较好的清洗效果。 物理清洗具有不造成环境污染、对工人健康损害小、对清洗物基本没有腐蚀 破坏等优点，其缺点是清洗不够彻底，存在死角。 ( 2 ) 化学清洗 经过长期运行，随着膜污染的加剧，当物理清洗后的膜通量不能有效恢复， 就必须对膜进行化学清洗。化学清洗利用的是化学药品的反应能力，具有作用强 烈、反应迅速等特点，化学药品通常都是配成水溶液形式使用，由于液体流动性 好、渗透力强，容易均匀分布到所有清洗表面，所以清洗形状复杂的物体时不至 于产生清洗不到的死角。 根据不同膜污染的情况，所采用的清洗剂也有差别。酸洗剂在去除诸如碳酸 钙和磷酸钙等钙基垢、氧化铁和金属硫化物方面是有效的；碱洗剂包括磷酸盐、 碳酸盐和氢氧化物，这些溶液可使沉淀物松动、乳化和分散，为了能去除润滑脂 和生物物质，通常加入表面活性剂增加碱清洗剂的脱垢性；交替使用碱洗剂和酸 洗剂可去除诸如硅酸盐等特别难去除的沉积物。螫合剂，常用的螫合剂有乙二胺 四醋酸( e d t a ) 、磷羧基羧酸、葡萄糖酸和柠檬酸等，其中，葡萄糖酸在强碱溶 液中螫合铁离子通常是有效的，e d t a 常用于溶解碱土金属硫酸盐，e d t a 加 n a o h 清洗液可去除二氧化硅、有机物及微生物污染物：用柠檬酸加氨水清洗液 可去除碳酸盐垢及金属胶体：n a c l o 水溶液可有效去除蛋白质等有机污染物及膜 内微生物，可控制膜的生物污染。刘锐等【4 2 l 进行了一体式m b r 处理生活污水在 线化学清洗控制膜污染的研究，发现微生物在膜孔内表面的滋生是重要膜污染因 素之一，系统运行至第9 9d 和2 6 1d 时采用了2 5 的n a c l 0 溶液进行了在线药洗， 膜过滤压差分别下降了7 7k p a 和5 2 0k p a ，说明n a c i o 对防止微生物在膜内表面 的滋生，减轻膜污染是非常有效。 化学清洗的效果与清洗剂的种类、浓度、温度和p h 值等密切相关。对不同 的膜，选择化学试剂要慎重，以防化学清洗剂对膜的损害。 ( 3 ) 组合清洗 在实际的操作过程中，通常是物理清洗与化学清洗联合使用，不但可以恢复 膜通量，而且可节省化学清洗剂，节省运营费用。针对不同材质和形式的膜组件、 不同的分离对象，应当选择不同的清洗剂和清洗程序。特别是在选择清洗剂时， 还必须考虑整个管路系统及循环泵各部件的耐受能力。黄霞等【4 珂对污染膜进行物 理和化学清洗的试验表明，常规物理清洗可使滤饼层大部分脱落，但对膜过滤性 能的恢复效果较差；碱洗对膜过滤性能的恢复作用显著，有机污染对膜阻力的“贡 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 献”最大，附着生长型m b r 的污染膜表面黏性较大，常规物理清洗效果差，采 用超声波清洗可使膜过滤性能恢复约3 0 ，与超声波结合的化学清洗效果优于常 规化学清洗。付婉霞等h 4 】研究了m b r 处理盥洗废水时膜的清洗方法，结果表明： 碱洗比酸洗更有效，清水冲洗后用o 0 5 n a c l 0 浸泡lh ，再用o 5 的l 王2 s 0 4 浸泡lh 是有效的清洗方法，清水膜通量可恢复至1 0 0 。刘晓东等【4 钉采用不同 的清洗方法对污染的膜进行清洗，清水冲洗能消除纤维膜之问淤积的污泥和膜表 面松散的污染层，膜通量可恢复l o 3 ；用n a c l 0 浸泡可以清除膜表面的微生 物和有机污染物，膜通量可恢复5 1 ；用h 2 s 0 4 浸泡去除部分无机结垢污染物， 膜通量可恢复1 7 8 ；柠檬酸能清除剩下的无机垢污染物，膜通量可恢复9 2 。 1 4 本课题研究目的和内容 1 4 1 试验背景 对于饮用水水源普遍存在的有机污染现象，我国现阶段的经济发展水平还不 可能使水源水质在短时期内得到根本改善，与此同时人们生活水平的提高使得对 饮用水提出了更高的水质要求，我国饮用水水质标准在不断提高，继2 0 0 1 年卫 生部颁布了生活饮用水水质卫生规范后，建设部又于2 0 0 5 年6 月发布实施 了城市供水水质标准( c j t 2 0 6 - 2 0 0 5 ) ，该标准在增加多项检测指标的同时对 原有检测指标的限值做了更为严格的规定。如何针对现有水源水质状况，改进水 厂的处理工艺或开辟新的经济有效的、可靠的水处理工艺已成为缓解我国水资源 短缺、水源污染和高品质饮用水需求间矛盾的重要思路。 本研究拟采用向膜生物反应器( m b r ) 中投加粉末活性炭( p a c ) 的方法， 以实际的微污染地表水为原水制备生活饮用水。该工艺集物理吸附、生物净化和 膜分离于一体。另外，将活性炭吸附、生物处理和膜分离技术联合起来作为主体 工艺进行饮用水处理的研究目前在国内尚处于探索阶段，工程应用的实例尚未见 报道，通过试验如果能够证明该组合工艺出水水质优良、系统运行稳定，那么从 技术角度上讲它将成为缓解上述窘困局面的一种新的有效的饮用水处理技术。 1 4 2 试验目的 针对水源有机污染现状，对照城市供水水质标准( c j t 2 0 6 2 0 0 5 ) ，检测 出水有机物指标是否达标，系统运行是否稳定，以证明该工艺的技术可行性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 3 试验内容 ( 1 ) 检测投加p a c 与不投p a c 两种情况下反应器进、出水的浊度、p h 值、c o d m 、 u v 2 5 4 、u v 4 1 0 、n i - 1 3 - n 、及混合液的c o d m 、u v 2 5 4 、u v 4 l o ，以确定投加p a c 在处理效果上的优势。 ( 2 ) 进行p a c 对苯酚吸附的小试试验和活性污泥( 曝气) 对苯酚降解的小试，以 预测组合工艺对原水中微量苯酚的去除效果。 ( 3 ) 膜出水的微生物学试验和折点加氯小试试验，确定微滤膜对各项微生物指标 的截留效果，及在实验室条件下的投氯量。 “) 进行低基质浓度下活性污泥的培养实验。 ( 5 ) 监测反应器膜通量的变化，对污染膜上的污染物质进行分子量组成的分析， 进行膜清洗。 天津大学硕士学位论文第二章试验装置与分析方法 第二章试验装置与分析方法 2 1 试验装置与工艺流程 2 1 1 装置示意图 试验采用一体式膜生物反应器，所用装置如图2 1 所示。 高位水箱 图2 - 1 试验装置示意图 天津大学硕士学位论文 第二章试验装置与分析方法 2 1 2 装置组成 ( 1 ) 原水箱：储备试验原水，尺寸为( l w 功：0 8m x 0 7 4m o 7 8m ，有效 水深：0 6 m ，有效容积为：3 5 5l 。 ( 2 ) 高位水箱：储备原水弗向恒位水箱补水，尺寸为( l w 功：0 2 3m 0 2m o 3 8m ，有效水深：0 3m ，有效容积为：1 3 8l 。 ( 3 ) 恒位水箱：向膜生物反应器补水，由浮球阀控制水位恒定，有效容积为1 6l 。 ( 4 ) 膜生物反应器：试验的核心装置，活性炭吸附、生物降解、膜分离均在这里 完成，尺寸为( h ) ：o 1 5 m x l 5 m ，有效水深：1 3 5 m ，有效容积为：2 4 l 。 下部设有进水口、曝气装置和排泥口。 ( 5 ) 膜组件：采用聚偏氟乙烯( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e , p v d f ) 中空纤维微滤膜， 膜组件被弯成u 形，两端并拢固化粘合，切齐装入塑料封头，露出膜内孔径， 加封盖( 顶部有汇集出水口) 。试验共用了两个膜组件，有效面积均为：0 7 5m 2 ， 膜表面平均孔径均为：o 2 2i im 。 ( 6 ) 自动控制箱：由可编程序逻辑控制器( p m 掣a m m a b l el o 西c a lc o n 仃0 1 l e r ，p l c ) 控制系统向高位水箱进水，即当其水位下降到设计低水位时，开启提升泵，由原 水箱向高位水箱补水，当水位升至其设计高水位时，停止进水；控制间歇出水和 空曝气；控制停止曝气时出水电磁阀自动关闭。 ( 7 ) 其它设备如表2 1 所示 表2 - i 试验设备简表 名称型号规格 提升泵u p s l 5 6 01 3 0h m , = 1 0 0 0k p a ，p l = 4 5w ，f 2 - - 6 0w ，i 3 = 9 0w 鼓风机a c o 3 8 8 d排气量1 2 0l m i n ，p - - 1 2 0w ，h = 0 0 4m p a 液体流量计l z b 玻璃转子流量计d g - - 4m m ，量程2 5 - 2 5l h 气体流量计l z b 玻璃转子流量计d g - - 6h i m ，量程o 加6m 3 h 2 1 3 工艺流程简述 反应器2 4h 连续运行。试验用水取自天津大学青年湖，经细纱窗滤去粗大 悬浮物后与自来水按大约l ：1 的比例配制成系统进水，注入原水箱。提升泵将原 水箱中的试验进水送至高位水箱，当高位水箱中液面达高水位时，提升泵停止工 作，水位下降至低水位时提升泵再次启动，如此循环。进水在位差的作用下自流 入恒位水箱并补给到反应器。出水采用位差出水，跨膜压力为反应器与恒位出水 天津大学硕士学位论文 第二章试验装置与分析方法 槽问的液位差，采用出水8r a i n 停止2m i n 的间歇出水方式，出水流量由液体流 量计显示并控制。系统采用连续曝气的方式，气体由空气压缩机供应，气量由气 体流量计调节并显示。上述过程均由p l c 控制。 2 2 工艺参数的选择 ( 1 ) 跨膜压力 试验中膜的工作压力由反应器与恒位出水槽间的液位差来提供，这一方面可 节约能耗，另一方面也简化了设备，提高了系统运行的可靠性。 ( 2 ) 水力停留时间( 汀) 与固体停留时间( s r t ) 由于进水基质浓度很低，故采用了较短的h r t 以增大微生物生长所必需的 基质的供给量；为对氨氮有效的去除，使世代期较长的硝化菌得以增殖，减少排 泥量，选择了较长的s r t 。 一 ( 3 ) 曝气方式与曝气量 采用连续曝气，不仅可向活性污泥微生物提供生长必需的氧气，而且可使泥 水混合物充分混合，同时还起到减轻浓差极化，延缓膜污染的作用；曝气量过小 不能实现上述作用，曝气量过大不仅增加能耗，而且可能会造成膜丝损伤、影响 混合液的性状，考虑到系统污泥浓度较低，故采用较污水处理系统气水比经验值 较低的气水比值。 ( 4 ) 出水方式 为延缓膜污染，防止连续出水造成的膜通量的迅速衰减，延长系统稳定运行 时间，选择了间歇出水方式，以1 0r a i n 为一周期，出水与间歇时间比为8 ：2 。 ( 5 ) 活性炭浓度 投加p a c 时采用每天定量排泥和补投新炭的方式维持反应器内p a c 浓度一 定。 具体工艺参数见表2 - 2 。 表2 2 装置工艺参数 塑生亟量墨垄些旦曼! 曼!堕壁匡垄f 垒生坠竺鎏壁堑鲞量 ! ；丛! ! ；!；垫! ! 生! ：i 翌垡2 q! 吐! 堡吐 天津大学硕士学位论文第二章试验装置与分析方法 2 3 监测项目与分析方法 试验中所有项目的检测都采用国家环保总局推荐的标准方法阁，监测项目、 分析方法和所用仪器见表2 3 。 表2 - 3 监测项目与分析方法 喜监测项目 分析方法仪器 1 浊度 2 p h 值 3c o d m 4u v 2 “ 5u v 4 l o 6n h 3 - n 7 b o d s 8d o 9 ，s s 便携式浊度计法 玻璃电极法 酸性高锰酸钾法 分光光度法 分光光度法 纳氏试剂光度法 稀释接种法 便携式溶解氧仪法 烘干减重法 1 0m l v s s烘干减重法 1 l 挥发酚鬈。林 总氯 n , n 二乙基1 ，4 一苯二胺 游离氯硫酸亚铁铵滴定法 1 3 细菌总数平皿计数法 1 4 总大肠菌群滤膜娑 - s 矣嚣菌群 滤膜法 1 5 大肠菌群 滤膜法 h a c h2 1 0 0 p 便携式浊度仪 p h s 3 c 精密p a 计 d k - 9 8 - i 电子恒温水浴锅 t u 1 8 0 0 紫外，可见分光光度计 t u - 1 8 0 0 紫外同见分光光度计 t u 1 8 0 0 紫外，可见分光光度计 2 5 0 b 数显生化培养箱( 2 0 ) m o 1 2 8 便携式溶解氧仪 d g g 一1 0 1 1 电热鼓风干燥箱 b s l l 0s 电子天平 箱式电阻炉( 6 0 0 ) b s l l os 电子天平 t u 1 8 0 0 紫外可见分光光度计 酸式滴定管 d h p 9 0 8 2 电热恒温培养箱( 3 7 ) d h p 9 0 8 2 电热恒温培养箱( 3 7 ) 抽滤器 h h b 1 1 - 3 6 0 电热恒温培养箱( 4 5 ) 抽滤器 ! ! 坌王量坌查窒塑苎堕堡塑鱼堂堡垒亟! ! 垡! ! q q 旦! 兰堡童塑壅塑鱼堂 天津大学硕士学位论文第三章试验结果与分析 第三章试验结果与分析 3 1 反应器运行情况概述 3 1 1 试验内容及运行概述 本课题研究的重点在于考察l v i b r 在投加p a c 与不投加p a c 的情况下的出 水水质，特别是对有机物和氨氮的去除；监测膜污染进程，分析膜污染的主要物 质，进行膜清洗。 试验共进行了2 5 2d ，分为两个阶段，具体情况见表3 1 。 表3 1 反应器运行情况 3 1 2 进水水质情况 试验进水采用天津大学青年湖湖水与自来水按大约1 ：l 的比例配制，每天取 湖水一次，倒入原水箱，加入自来水混合均匀即为试验进水。冬季冰冻期，由于 湖水结冰，采用自来水稀释生活污水的方式配制进水，配制比例依据地表水环 境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中i 一i v 类水，以c o d 为评价指标，控制其浓 度在缸l om g l 。各阶段进水主要水质参数见表3 2 。 天津大学硕士学位论文第三章试验结果与分析 表3 - 2 进水水质参数 水质参数 第一阶段 第一部分第二部分 第二阶段 第一部分第二部分 n h7 8 1 - 8 1 27 0 6 - 8 0 17 7 4 8 0 77 3 l 7 8 4 浊度( n t u )7 4 州6 1 3 4 2 5 8 1 07 0 8 8 33 1 2 - 2 9 1 3 c o d ( r a g l ) 4 3 弘9 7 7 5 5 4 , - 0 1 8 1 5 9 3 54 9 8 - 1 6 4 7 u v 2 5 4 ( c m “) 0 0 7 4 d 1 5 7 0 1 0 3 - 4 ) 1 3 40 1 2 和d 1 2 80 0 6 8 - 0 1 3 2 u v 4 1 0 ( c m 1 ) 0 0 0 7 - 4 3 0 5 5 0 0 1 3 - 0 0 3 9 0 0 0 3 - 4 ) 0 1 4 n h 3 - n ( r a g l ) 0 3 4 5 5 2 4 1 0 7 4 5 - - 4 8 5 00 0 8 - 1 4 6 50 3 0 - , 1 7 8 3 2 出水的感官性状 由于膜的高效截留作用，不论投加p a c 与否，反应器出水均晶莹剔透，感 官性状良好。出水无色、无嗅、无味、无肉眼可见物，完全达到建设部2 0 0 5 年 6 月1 日颁布实施的c j t2 0 6 2 0 0 5 城市供水水质标准( 以下简称标准) 的要 求。出水p h 范围分别为：8 1 6 - 8 3 1 ，7 9 2 - 8 0 7 ，亦达到上述标准的规定。 由于浊度间接代表了水中悬浮物和胶体物质的含量，降低浊度可在满足感官 性状要求的同时部分降低有机物和有毒有害物质的含量，低浊度水使细菌、病毒 失去保护而更容易在消毒过程中被杀灭，因此，浊度在历次水质标准的修订中都 被列为出厂水的每日必检项目，在上述标准中更要求浊度的合格率必须达到 9 5 。试验结果显示：m b r 对浊度的去除效果良好，且不受水温和迸水浊度波 动的影响，表3 3 列出了在投加p a c 与不投p a c 的情况下m b r 出水的浊度值。 表3 3m b r 对浊度的去除情况 由表3 - 3 可以看出微滤膜对水中浊度的去除表现出了卓越的性能，无论在哪 种情况下，出水浊度始终 2 n时，难于吸附。 h h 因试验水样为具有不同亲和性的多组分溶液，p a c 吸附不同分子量的多组分 溶液是剂量依赖型：在活性炭用量较少时，由于有效吸附位有限，低分子量的有 天津大学硕士学位论文 第三章试验结果与分析 机物更易进入活性炭微孔而被优先吸附；随着活性炭用量的增多，有效吸附位的 增多使高分子量组分也被吸附到活性炭表面上。这样，在每一活性炭用量都得到 不同的溶液和活性炭表面的有机物分子量分布，因此，用平衡浓度与活性炭用量 的比值来表达平衡液相条件更为合理【4 9 】。据此将式( 3 3 ) 修正为式( 3 - 4 ) ： l g g = 培置+ i 1l g 五c ( 3 - 4 ) 式中d 一活性炭用量，m g l 其它符号同前。 试验采用修正后的f r e u n d l i c h 经验公式为吸附模型。 ( 2 ) 试验结果与分析 于8 个5 0 0m l 锥形瓶中加入已加标的试验用水各3 0 0m l ，精确称取已经预 处理的1 5 - 6 0 0m g 不等量的p a c ，分别加入各瓶，密封瓶口后放入1 0 0r p m 、3 5 的恒温摇床振荡，为保证充分吸附，采用了较3 5 1 2 节所确定的吸附平衡时 间更长的振摇时间( 6 h ) ，水样经过滤后，测定苯酚含量。绘制吸附等温线如图 3 - 4 所示。 5 4 5 4 ：3 5 3 2 5 2 4 5 - i g ( c d ) 图3 - 4p a c 对苯酚的吸附等温线 6 由图3 - 4 可以看出，苯酚较容易被p a c 吸附，f r e u n d l i c h 常数三为0 9 1 7 1 ， 月 大于o 5 、小于2 ，经计算活性炭对苯酚的平均吸附容量为0 6ug m g 。分析原因 主要是由于试验用水为湖水与自来水配制，湖水中含有大量以腐殖质为主的天然 有机物，而p a c 对这类物质是很容易吸附的，这从3 3 2 节中，投加p a c 后系 统对u v 2 5 4 的去除率大幅提高可以得到证实，因此苯酚与湖水中的天然有机物存 天津大学硕士学位论文 第三章试验结果与分折 在着竞争吸附，加之苯酚浓度较低，导致了p a c 对苯酚的吸附容量较低的现象。 但是仍可以肯定，活性炭对苯酚具有良好的吸附效果，因为在苯酚初始浓度为 1 0 9 8ug 几情况下，经过6h 的吸附，其在水中的平均残留浓度仅为3 3p g ，l ， 平均吸附率为9 7 。 3 5 2 生物作用对苯酚的去除情况 为考察活性污泥微生物对苯酚的去除作用，进行了混合液对苯酚降解的小试 试验。 取圆柱形容器，加入反应器内的活性污泥混合液( 未投p a c ) 4l ，以微孔 曝气头进行曝气，事先调整曝气量，使小试反应器内的溶解氧浓度与连续运行的 反应器内的溶解氧浓度( 6 5m g 几) 接近。非曝气的条件下，加入苯酚标准贮备 液，使其在混合液中的浓度与活性炭试验时试验用水的苯酚浓度接近( 1 0 0 # g l ) ，混匀后开始曝气并计时，每隔一段时间取样过滤，测定混合液中的苯酚浓 度，绘制苯酚浓度对时间的变化曲线，如图3 5 所示。 ol o2 03 04 05 06 0 7 08 09 0 1 0 0 1 1 01 2 01 3 0 时间( n i l n ) 图3 - 5 活性污泥对苯酚的降解速率曲线 由图3 5 可见，活性污泥对苯酚具有良好的去除作用，在本试验条件下初始 浓度为1 4 9 4pg ，l 时，9 0r a i n 即可全部降解。由于苯酚是易挥发的酚类，那么 会不会是曝气的作用将其从混合液中吹脱了呢? 或者是湖水自身所含的微生物 将其降解了昵? 为此分别进行了补充试验。 试验条件与上述活性污泥试验完全相同，只是将混合液分别换成了蒸馏水和 湖水，由于苯酚标准贮备液自身的不稳定性，三次试验的苯酚初始浓度略有差异， 酏们 曲 柏 如 o 1*tfv越璐禽将 天津大学硕士学位论文第三章试验结果与分析 不过均满足 1 0 0 g 几。结果如图3 - 6 所示。 1 2 0 1 s o 6 0 4 0 2 0 o o 2 04 06 08 0 l o o 1 2 01 4 0 时间( n n ) ( a ) 蒸馏水曝气 1 2 0 总l l o 0 1 0 0 篓9 0 i 七8 0 t 7 k 、 02 04 06 08 01 0 0 1 2 01 4 0 时间( m i n ) ( b ) 湖水曝气 图3 - 6 曝气吹脱与湖水自身生物降解对苯酚的去除作用 图3 - 6 ( a ) 显示，以蒸馏水加苯酚并曝气，各时段苯酚含量会略有波动，并非 像湖水和活性污泥那样呈总体下降趋势，经计算，波动范围为5 3 4 i ig l ，这可 能是由于测定微量苯酚的预处理过程比较复杂，操作过程中难免引入微小误差， 可以肯定：以本试验的苯酚初始浓度( 1 1 8i lg ，l ) 和曝气强度，基本不会有苯酚 以被吹脱的形式从系统中被去除，分析原因可能是由于苯酚的浓度较低，不足以 达到大量从系统中被吹脱的程度。由图3 6 可以看出，湖水中含有可以降解苯 酚的微生物，但对苯酚去除作用微弱，1 2 0m i n 苯酚浓度仅下降了2 5 7 5p 虮， 分析原因可能是因为生物量低且活性不佳。 综合图3 5 和图3 - 6 所示的试验结果，可以认为活性污泥系统内对苯酚较为 迅速的去除速率和良好的去除效果主要是由活性污泥微生物承担的。 3 5 3 小结 通过小试试验的结果。可以预测p a c - m b r 工艺对原水中微量苯酚具有快速 且良好的去除能力，当进水苯酚含量为1 0 0 - - 1 5 0ug l 时，在本次试验所设定的 水力停留时间下( 2h ) ，出水预期可以达标。有文献报迨5 膜对苯酚具有一定的 吸附作用，但吸附容量有限，且为可逆的物理吸附，结合本次试验结果，可以认 为苯酚从进水中的去除主要是依靠生物降解和活性炭吸附来完成的。 3 6 消毒试验 3 6 1 消毒技术概述 嚣jv一缸禽将 天津大学硕士学位论文第三章试验结果与分析 消毒是给水处理中必不可少的一个环节，对控制饮用水水质、保持管网水质 稳定起着关键作用。常用的消毒技术主要有：氯消毒、二氧化氯消毒、紫外线消 毒和臭氧消毒等。 ( 1 ) 氯消毒川 氯是使用得最广泛的消毒剂，与水反应生成次氯酸和盐酸。一般认为氯消毒 主要通过次氯酸起作用。次氯酸是体积很小的中性分子，能扩散到带负电的细菌 表面，穿透细胞壁进入细菌内部，氧化破坏细菌的酶系统，使得细菌的生命活动 受到阻碍而死亡。 氯化消毒具有价格较低，操作简便，杀菌力强，方法成熟且具有持续消毒能 力等优点。但氯气本身有毒，不便运输管理，杀菌力的大小易受水温、p h 等影 响，另外氯消毒的严重弊病是当水源中有机物含量稍高时，将产生具有“三致” 作用的氯代有机物。 ( 2 ) 二氧化氯消毒【躅 二氧化氯是广谱消毒剂，对多种细菌、病毒均有极强的灭活效果。二氧化 氯消毒主要是通过吸附和渗透作用，使大量c 1 0 2 分子聚集在细胞周围，通过封 锁、抑制其呼吸系统，进而渗透到细胞内部，以其强氧化能力有效的氧化细菌赖 以生存的酶，快速抑制微生物蛋白质合成，最终导致微生物死亡。 二氧化氯消毒具有杀菌效果好、用量少，作用快，杀菌率高等优点；它具有 一定的持久性和防止再污染的能力；消毒作用受p h 影响小，能有效地控制色度、 嗅和味，不与酚形成氯酚臭，去除铁、锰的效果较氯强；二氧化氯几乎不产生三 卤甲烷及其它卤化物，能降低致突活性，不会和水中氨反应产生消毒效果较低的 氯胺删。但二氧化氯制备过程操作复杂，试剂价格高或纯度低，运输、储藏 的安全性较差，消毒成本约为氯气消毒的2 4 倍【5 5 】。 ( 3 ) 紫外线消毒 紫外线主要是通过对微生物( 细菌、病毒等病原体) 的辐射损伤和破坏核酸 的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的【5 6 1 。 紫外线消毒1 5 7 5 鄹具有杀菌广谱、效率高、接触时间短、消毒设备占地少， 操作简单、便于运行管理、易于实现自动化等优点。紫外线消毒不影响水的物理 性质和化学成分，不增加水的臭和昧：不产生有毒有害的副产物，消毒效果受水 温、p h 影响小。但它不具备持续消毒能力，且存在紫外灯使用寿命短和需经常 清洗石英套管外壁等问题。 ( 4 ) 臭氧消毒 臭氧是一种高效消毒剂，可以杀灭各种微生物，包括细菌、芽孢、病毒、真 菌乃至寄生虫。侥具有极强的氧化能力和渗入细胞壁的能力，通过破坏菌体上 天津大学硕士学位论文 第三章试验结果与分析 的脱氢酶，干扰细胞的呼吸作用，从而导致细菌死亡瞄9 】。 臭氧消毒 6 0 l 具有杀菌范围广，作用快，效果好等优点。消毒效果基本不受 温度和p h 值变化的影响，不受水中的氨的影响；臭氧消毒能同时控制水中铁、 锰、色、味、嗅；亦可根据需要控制臭氧的发生量和投入量：其缺点是：基建 投资大、耗电量大、费用较氯化消毒高；水中0 3 不稳定，不能在配水管网中继 续保持杀菌能力，起不到防止二次污染的作用，另外0 3 需边制备边使用，不能 贮存，对水量和水质变化的适应性差，也存在消毒副产物问题。 3 6 2 消毒方法的选择 本试验选择加氯消毒的方法对膜出水进行了消毒试验。之所以采用该方法， 主要考虑了如下几方面因素：一、加氯消毒设备简单、操作方便，易于在试验室 的条件下进行；= 、从将来工程应用角度，必须要保证管道内的持续杀菌能力； 三、m b r 对有机物保持了良好且稳定的去除效果( 特别是投加了p a c 后) ，大大 降低了消毒副产物生成的风险。消毒剂采用n a o c l ，消毒剂量以有效氯计。试验 目的有二：在实验室的条件下确定折点加氯量；考察该投氯量下出水余氯量是否 达标。 3 6 3