新型组合工艺对受污染黄河水的处理研究

谢曙光^1*，唐孝炎¹，王占生²
(1. 北京大学环境学院环境科学系, 北京 100871; 2. 清华大学环境科学与工程系, 北京 100084)

　　摘要：采用MBBR预处理/常规处理/深度处理组合工艺对受污染黄河水进行了处理试验，研究结果表明，该组合工艺对COD_Mn、UV₂₅₄、氨氮、亚硝酸盐氮、色度和Chla具有很好的去除效果；常规工艺和臭氧活性炭深度处理工艺都有较好的污染物去除能力，而MBBR预处理工艺对氨氮、亚硝酸盐氮和Chla具有较好的去除效果。
　　关键词：组合工艺；移动床生物膜反应器；深度处理；黄河水

Research on the Treatment of Polluted Yellow River Water Using a Novel Combined Process
XIE Shu-guang^1*, TANG Xiao-yan¹, WANG Zhan-sheng²
(1.Dept. of Environmental Sciences, College of Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 2.Dept.of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:The combined process containing MBBR pretreatment, conventional treatment and advanced treatment, was used for the treatment of polluted Yellow River water in this study. The results indicated that the combined process had very high removal efficiency for COD_Mn, UV₂₅₄, ammonia, nitrite, color and chlorophyll a. Both conventional treatment unit and O₃-BAC unit demonstrated good performance in pollutant reduction, and the MBBR pretreatment unit could effectively remove ammonia, nitrite and chlorophyll a.
Key words:combined process; moving bed biofilm reactor; advance treatment; Yellow River water

　　移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)是近年来颇受国外研究者重视的一种革新型生物膜反应器，它是解决流化床需使载体流化和淹没生物滤池需定期反冲洗和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。该工艺对有机物具有良好的去除率，适合于小型污水处理厂或已有的超负荷运转的活性污泥系统的改造，运行管理十分方便，具有良好的发展和应用前景^[1-3]，但国内外目前尚未见运用MBBR工艺处理微污染原水的研究报道。臭氧氧化—生物活性炭深度处理技术集臭氧氧化、活性炭吸附、生物降解于一体，以除污染的独特高效性成为当今世界各国饮用水深度处理技术的主流工艺。
　　汾河、涑水河、渭河和伊洛河等河流是黄河的主要支流，这些支流接受的污染物排放量大，直接影响着郑州等黄河中下游城市的饮用水水源水质。由于黄河水中有机物含量高，水的色度较高，而以黄河水为源水的自来水厂，多数目前仍然沿用以除浊为目的的常规处理工艺（混凝/沉淀/砂滤），因而其出水水质不甚理想。目前国内对于以黄河为水源的自来水厂，如何改善出厂水水质的研究报道很少，特别是尚未见运用臭氧活性炭工艺深度处理黄河微污染原水的研究报道。虽然陶粒生物滤池是一种研究报道较多的生物预处理工艺，但需定期反冲洗和更换曝气器来维持其正常处理效果，运行管理复杂；此外，黄河原水经沉砂处理后浊度一般不高，而经陶粒生物滤池处理后出水浊度会大大降低，形成了低浊水而增加了后续常规工艺除浊的难度，最终造成常规工艺处理出水浊度升高的现象。针对这一状况，本文提出以MBBR为生物预处理，加常规处理和臭氧活性炭深度处理形成微污染原水的净化组合工艺，对该组合工艺处理黄河微污染原水的适用性进行了初步的探索，并考察组合工艺各单元去除污染物的效果，以期为将来可能兴建的以黄河为水源的安全供水工程或已有自来水厂的改造提供一定参考。

1 试验装置和方法

1.1试验装置
　　本研究在郑州市柿园水厂内进行，采用中试规模的生物预处理、常规处理及深度处理组合工艺，原水为柿园水厂入厂水（黄河水经过两次沉砂作用和泵提升作用引入）。MBBR工艺如图1所示，由两级反应器串联组成，每个反应器（单池）面积为1 m²，有效工作容积为 3 m³。所用填料为 LT 型悬浮空心球（直径为100 mm，孔隙率约为87%），其比重接近于1，比表面积为360 m²/m³，填料装填体积为 50%。进水流量为 4 m³/h，总气水比为 0.25:1（每个反应器进气量都为0.5 m³/h），每个反应器中的溶解氧浓度维持在5 mg/L以上。排泥周期为5天。

图1 处理微污染原水的MBBR结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of MBBR for polluted raw water treatment

图2 处理黄河水的组合工艺流程图
Fig. 2 Schematic diagram of the combined process for polluted raw water treatment

表1 组合工艺各单元运行参数
Table 1 Operating parameters of each unit of the combined process

名称 尺寸D@H
/mm² 填料高度
/mm 填料粒径
/mm 停留时间
/min 滤速
/m/h MBBR反应器 （单池） 1000@3000 1500* 100 45 4 混凝 300@670 3.6 斜管沉淀池 400@2000 19.2 砂滤 350@3000 700 1~1.5 4.7 10.4 臭氧氧化柱 350@3000 17.3 10.4 活性炭柱 350@3000 1200 1~2 6.9 10.4

*指未进水时MBBR单池初始填装高度。

　　整个试验工艺流程和工艺运行参数分别如图2和表1所示。本试验研究时期为2004年8月23日(第1天)～2004年10月28日（第66天），臭氧活性炭深度处理单元中臭氧投加量约为1 mg/L，常规处理单元混凝剂(聚合氯化铝)投加量为20 mg/L。MBBR进水流量为4 m³/h，但其出水只有1 m³/h直接进入后续工艺，其余出水从旁路支管排放。整个试验期间水温为15～27^oC，原水pH约为8。
1.2 分析方法
　　COD_Mn、氨氮、亚硝酸盐氮、色度和叶绿素a（Chla）分析都采用标准分析方法^[4]，DO和pH 分别用DO仪和pH计测定，而UV₂₅₄用分光光度法测定。

2 试验结果与讨论

2.1 组合工艺对有机物的去除
　　图3是组合工艺对COD_Mn的去除情况。由图3中数据计算得知：整个试验研究期间原水COD_Mn为3.2～4.08mg/L（平均值为3.6 mg/L）；MBBR预处理去除率为 5.4～19.8%（平均值为10.9%），而作者以前的研究结果表明，对于水质相似的黄河微污染原水（COD_Mn为3.32~4.81 mg/L，平均值为4.19 mg/L），陶粒生物滤池对COD_Mn的平均去除率也仅为10.4%，这说明MBBR对COD_Mn的去除效果与陶粒生物滤池相似；常规工艺去除率为 19.5～41.3％（平均值为28.8%）；深度处理工艺的去除率16.4～51.4%（平均值为28.7%）。此外，由图3中数据还可得知，组合工艺对COD_Mn的总去除率为46.2～65.4%（平均值为55.3%），且组合工艺最终出水满足生活饮用水标准规定的要求，即COD_Mn≤3 mg/L。

图 3 组合工艺对COD_Mn的去除
Fig. 3 COD_Mn removal by the combined process

　　水和废水中的一些有机物如木质素、腐殖质和各种芳香族有机物都是苯的衍生物，而且是天然水体和污水二级处理出水中的主要有机物，常用UV₂₅₄作为它们在水中含量的替代参数。图4是组合工艺对UV₂₅₄的去除情况。由图4中数据计算得知，整个试验研究期间原水UV₂₅₄为0.1187～0.1983（平均值为0.1607）时，MBBR对UV₂₅₄去除率较低，为 1.2～20.3%（平均值为9%）。这是由于：在波长254nm下存在吸光度的物质主要为大分子的芳香族化合物，其分子结构复杂，生物降解性很差，因而微生物主要是通过吸附作用去除它们，而生物氧化作用不大^[5]；而移动床生物膜反应器内填料处于流化状态，因此生物膜的生物絮凝作用与填料的截留作用较弱，对UV₂₅₄的生物吸附作用也较差。
　　常规工艺对UV₂₅₄ 的去除效果较好，去除率为16.1～62.9%(平均值为47.6％)，这也说明了了常规工艺对大分子有机物有较好的去除效果。深度处理工艺对UV₂₅₄ 的去除率为33.4～83%（平均值为61.5%）。这是由于：臭氧是一种强氧化剂，容易与水中有机物的—C=C—双键反应，对苯环有破坏力，使有机物的芳香性降低或消失；活性炭具有巨大的比表面积和发达的空隙，因而易于吸附水中苯类化合物和小分子量腐殖质，从而能进一步有效去除UV₂₅₄代表的有机物。
　　此外，由图4中数据还可得知，整个组合工艺对UV₂₅₄的总去除率为70.9～87.9%（平均值为80.9%）。

图4 组合工艺对UV₂₅₄的去除
Fig. 4 UV₂₅₄ removal by the combined process

　　表2是组合工艺对Chla（常用作藻类个数的代用参数）的去除情况。由表2中数据计算得知，整个试验研究期间原水Chla为1.65～7.8mg/L（平均值为3.56mg/L）时，MBBR对Chla的去除率为 35.2～44.9%（平均值为39.3%）；常规工艺对Chla 的去除率高达57.1～93.9%(平均值为74.1%)；而深度处理工艺对Chla的去除率为30～82.3%（平均值为66.4%）；这说明了组合工艺各单元都能有效地去除Chla。此外，由表2中数据还可得知，整个组合工艺对Chla的去除效果很好，总去除率为95.1～97.4%（平均值为96.3%）。

表2 组合工艺对Chla的去除
Table 2 Chlorophyll removal by the combined process

进水/mg/L 1.65 2.27 2.55 7.80 3.51 预处理去除率/% 40.6 44.9 35.2 36.5 39.3 常规工艺去除率/% 57.1 80 93.9 68.5 70.9 深度处理工艺去除率/% 80.1 60 30 79.5 82.3 总去除率/% 95.1 95.6 97.3 95.9 97.4 日期 (2004年) 9-16 9-23 9-29 10-14 10-28

2.2 组合工艺对氮的去除
　　图5 反映了组合工艺对氨氮的去除情况。由图5中数据计算得知，整个试验研究期间原水 NH₄⁺-N为0.16～0.33mg/L（平均值为0.24 mg/L）时，MBBR对NH₄⁺-N有良好的去除效果，去除率为46.7～90%（平均值为64.8%）；而常规工艺对NH₄⁺-N也有较好的去除作用，去除率为 0～75%（平均值为22.3％）。经过臭氧活性炭深度处理工艺后，其出水NH₄⁺-N浓度已经很低，经常低于检测限（≤0.02 mg/L）。

图5 组合工艺对氨氮的去除
Fig. 5 Ammonia removal by the combined process

图6 组合工艺对亚硝酸盐氮的去除
Fig. 6 Nitrite removal by the combined process

　　图6是组合工艺对亚硝酸盐氮的去除情况。由图6可知，组合工艺各单元出水中亚硝酸盐氮浓度逐渐降低，组合工艺最终出水中亚硝酸盐氮浓度都很低（< 0.002 mg/L），有时甚至低于检测限。
2.3 组合工艺对色度的去除
　　地表水中形成色度的物质主要是胶体有机物和分子量大于1000的有机物^[6]。由图7可知，MBBR预处理工艺对色度的去除效果较低（去除率为0～33.3%，平均值为14%），这与该工艺对胶体有机物和大分子量有机物有较弱的吸附和降解能力相一致。而常规工艺具有较好的除色效果（去除率为42.8～75%，平均值为56%），这与常规工艺对胶体有机物和大分子量有机物有较好去除效果的特性相一致。臭氧活性炭工艺能进一步有效除色（去除率为33.3～66.7%，平均值为48.3%），使组合工艺最终出水的色度不超过5度。

图7 组合工艺对色度的去除
Fig. 7 Color removal by the combined process

3 结论

　　本文采用MBBR生物预处理、常规处理及深度处理组合工艺进行了处理黄河微污染原水的研究，其结果表明：组合工艺对COD_Mn、UV₂₅₄、氨氮、亚硝酸盐氮、色度和Chla具有很好的去除效果；MBBR预处理工艺对氨氮、亚硝酸盐氮和Chla具有较好的去除效果，而对COD_Mn、UV₂₅₄和色度去除效果较差；常规工艺和臭氧活性炭深度处理工艺都有较好的去除污染物的能力。

参考文献:

[1] Pastorelli G., Andreottola G. and Canziani R. et al. Pilot-plant experiments with moving-bed biofilm reactors. Wat. Sci. Tech. 1997, 36(1): 43~50.
[2] Rusten B., Siljudalen J.G. and Strand H. Upgrading of a biological-chemical treatment palnt for cheese factory wastewater. Wat. Sci. Tech. 1996, 34(11):41~49.
[3] Aspegren H., Nyberg U. and Andersson B. et al. Post denitrification in a moving bed biofilm reactor process. Wat. Sci. Tech. 1998, 38(1): 31~38.
[4] 国家环保局.水和废水的标准分析方法（第三版）. 北京：中国环境科学出版社. 1989.
[5] 方振东．饮用水生物处理工艺中的生物陶粒技术的应用研究．清华大学环境科学与工程系. 1995.
[6] 王占生，刘文君．微污染水源饮用水处理．北京：中国建筑工业出版社．1999.

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资助项目：国家自然科学基金资助项目 （50408006）；环境模拟与污染控制国家重点实验室开放基金
作者简介：谢曙光（1975~），男，江苏常州人，工学博士，主要从事安全饮水理论与技术研究。
*通讯作者：E-mail: xiesg@pku.edu.cn