莫罹，黃霞 (清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084)

　　摘　要：通過靜態(tài)吸附試驗(yàn)表明，粉末活性炭(PAC)為天然腐殖質(zhì)類物質(zhì)飽和后仍可吸附二氯酚(DCP)，并在連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證了PAC-MBR抗DCP沖擊負(fù)荷的能力強(qiáng)于投加普通填料的MBR。通過測定進(jìn)、出水有機(jī)物的表觀分子質(zhì)量分布，發(fā)現(xiàn)PAC-MBR能有效去除1～4K(1K=1000u)的有機(jī)污染物，對(duì)4K～0.45μm有機(jī)物的去除與PAC的飽和程度有關(guān)，去除率隨運(yùn)行時(shí)間延長而逐漸降低。PAC-MBR和普通填料-MBR均能有效去除可生物降解有機(jī)物，前者對(duì)可吸附有機(jī)物的去除率受PAC飽和程度的影響較大。采用磷脂法可測定PAC上附著的活性微生物量，連續(xù)運(yùn)行中PAC-MBR內(nèi)的微生物量為0.6×10⁸個(gè)活細(xì)胞/mL，與普通填料-MBR相當(dāng)。耗氧速率測定結(jié)果 表明，PAC-MBR內(nèi)的微生物活性略高于投加普通填料的MBR。?
　　關(guān)鍵詞：微污染原水；PAC；MBR；磷脂法；耗氧速率?
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)12-0016-04

Powdered Activated Carbon-MBR Process for Treatment of Micro-polluted Raw Water
MO Li,HUANG Xia
( Dept of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084 ,China)

　　Abstract：It was indicated by the static adsorption test that even after the natural humus is saturated,powdered activated carbon (PAC) is still able to adsorb dichlorophen (DCP).It was also verified in continuous running test that PAC-MBR has stronger resistance to shock load of DCP than MBR filled with common carries.By means of measuring the distribution of apparent molecular weight of organics both in i nfluent and effluent,it was found that PAC-MBR can effectively remove organics with molecular weight 1～4K (1K =1 000 u),the removal of 4K～0.45μm of organics is affected by the saturation extent of PAC,and the removal rate is gradually lowered along with the operation time.Both PAC-MBR and MBR filled with common carries can effectively remove biodegradable organics,in PAC-MBR the removal of a dsorbable organics is more affected by the saturation extent of PAC.Use of phosp hatide method can determine the viable biomass absorbed on PAC.In continuous run ,the biomass in PAC-MBR had 0.6×10⁸ viable cells/mL,which was equivalent to t hat of MBR filled with common carries.The data of oxygen uptake rate showed that the microbial activity in PAC-MBR is a little higher than that in MBR with common carries.
　　Keywords:micro-polluted raw water;PAC;MBR;phosphatide method;oxygen uptake rate

1　試驗(yàn)裝置與測定方法

1.1　工藝流程
　　一體式膜—生物反應(yīng)器(MBR)的微濾膜為聚乙烯中空纖維膜，孔徑為0.1μm，膜面積為0.2m²。工藝流程見圖1。

　　原水由進(jìn)水泵打入MBR，混合液在抽吸泵的作用下形成過濾出水。膜組件采用間歇方式運(yùn)行，抽吸時(shí)間為15min、停抽時(shí)間為2.5min。鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)曝氣以提供充足的氧氣，同時(shí)清除膜表面的部分污染物。反應(yīng)器內(nèi)一次性投加粉末活性炭(PAC)2000mg/L。曝氣可促使PAC隨反應(yīng)器內(nèi)液、氣混合液一同循環(huán)流動(dòng)，使PAC上附著的微生物膜、基質(zhì)和氧氣充分接觸。為保持MBR內(nèi)的液位恒定，采用液位控制器控制進(jìn)水泵的開、停。
1.2　原水與監(jiān)測指標(biāo)
　　原水為人工配制(水質(zhì)見表1)，主要含腐殖質(zhì)、一般耗氧有機(jī)物、無機(jī)粘土成分及無機(jī)離子。其中腐殖質(zhì)組分采用市售固態(tài)腐殖酸在強(qiáng)堿條件下的溶解組分；無機(jī)粘土采用高嶺土；耗氧有機(jī)物模擬低濃度生活污水，含葡萄糖、胰蛋白胨、玉米淀粉、尿素等；微量無機(jī)離子成分包括PO₄^3-、NH₄⁺、Fe²⁺、Mg²⁺和K⁺。連續(xù)試驗(yàn)期間選用難生物降解有機(jī)物—2,4-二氯酚(DCP)考察了PAC-MBR對(duì)人工合成有機(jī)物沖擊負(fù)荷的耐受能力。

表1　原水水質(zhì) 水質(zhì)指標(biāo) 濁度(NTU) 高錳酸鹽指數(shù)(mg/L) UV₂₅₄ 氨氮(mg/ L) 變化范圍 1.0～24.6 1.4～6.2(3.8) 0.025～0.1 06 0.3～14.5 注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為平均值。

　　常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)、UV₂₅₄、氨氮和濁度，均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定^［1］。采用高效液相色譜法測定DCP。
1.3　微生物量的測定
　　由于PAC難以與其上附著的微生物分離，故選擇磷脂法來測定PAC上附著的微生物量。因?yàn)榱字羌?xì)胞膜的主要組分，細(xì)胞死亡后會(huì)很快分解，因此通過測定磷脂(phospholipid)含量可以間接地測定活性微生物量，1nmol磷脂相當(dāng)于10⁸個(gè)埃希氏桿菌(Escherichi acoli)。該法能測定出樣品中的絕大多數(shù)細(xì)菌且較靈敏，已在沉積物中微生物量的測定、飲用水生物處理中得到應(yīng)用。另外，可通過測定微生物的耗氧速率（OUR）來評(píng)價(jià)微生物活性。

2　結(jié)果與討論?

2.1　PAC的吸附性能?
　　采用以下4種原水(A：模擬低濃度生活污水，B：人工配制的腐殖酸，C：同時(shí)含A、B，D：5mg/L的DCP溶液)通過兩組靜態(tài)試驗(yàn)（恒溫25℃，搖床轉(zhuǎn)速175r/min，吸附時(shí)間為7d）考察了PAC對(duì)不同類型污染物的吸附性能，結(jié)果見圖2、3。?

　　第一組分別對(duì)原水A和B進(jìn)行靜態(tài)吸附試驗(yàn)，第二組先對(duì)原水C進(jìn)行靜態(tài)吸附后，取出被腐殖質(zhì)等物質(zhì)飽和后的PAC對(duì)原水D繼續(xù)進(jìn)行吸附。
　　因?yàn)樵瓵在254nm處吸收很少，故只考慮TOC的去除。由圖2可見，PAC對(duì)原水B的吸附效果優(yōu)于原水A，即對(duì)腐殖質(zhì)類物質(zhì)的吸附能力強(qiáng)于對(duì)葡萄糖、淀粉類物質(zhì)的吸附。從去除率來看，對(duì)UV₂₅₄的去除率高于TOC，說明PAC對(duì)254nm以下光吸收強(qiáng)的物質(zhì)吸附效果好。從工藝的角度來看，糖類、淀粉類物質(zhì)雖難被PAC吸附，但易生物降解；腐殖質(zhì)類物質(zhì)的生物降解性差，但可被PAC吸附，因此PAC的吸附與生物降解作用在對(duì)有機(jī)污染物的去除上可相互補(bǔ)充。
　　由圖3可見，達(dá)到一定飽和程度的PAC對(duì)DCP仍表現(xiàn)出良好的吸附效果，其對(duì)TOC和UV₂₅₄的去除率與新PAC吸附試驗(yàn)結(jié)果相差不大，表明當(dāng)PAC吸附一定量以天然腐殖質(zhì)為主的有機(jī)物后仍對(duì)DCP有吸附。Woo等也曾報(bào)道被天然有機(jī)物飽和后的PAC仍能有效去除農(nóng)藥^［2］。
2.2　對(duì)DCP沖擊負(fù)荷的響應(yīng)
　　連續(xù)運(yùn)行的PAC-MBR中的PAC會(huì)逐漸被以腐殖質(zhì)類物質(zhì)為主的有機(jī)物飽和。考慮到生物吸附或降解對(duì)DCP去除的影響，將PAC-MBR對(duì)DCP沖擊負(fù)荷的響應(yīng)與塊狀填料-MBR進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明當(dāng)DCP沖擊負(fù)荷到來時(shí)，塊狀填料-MBR在約1h內(nèi)的混合液、出水DCP的濃度略低于進(jìn)水，這可能與生物吸附作用有關(guān)，但之后混合液、出水濃度均與進(jìn)水相當(dāng)；而PAC-MBR混合液中DCP濃度較進(jìn)水低，出水更低，對(duì)DCP的平均去除率＞50%。上述結(jié)果說明，連續(xù)運(yùn)行的PAC-MBR較投加普通填料的MBR抗人工合成有機(jī)物沖擊負(fù)荷的能力強(qiáng)。對(duì)于會(huì)受到微量有機(jī)物沖擊負(fù)荷影響的原水，PAC-MBR工藝在保證出水的穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
2.3　對(duì)不同分子質(zhì)量有機(jī)物的去除
　　活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附與其分子質(zhì)量分布有關(guān)。研究表明，活性炭主要吸附小分子質(zhì)量有機(jī)物，特別是對(duì)分子質(zhì)量為1～5K的有機(jī)物吸附作用較強(qiáng)^［3］。在PAC-MBR中PAC的吸附作用對(duì)系統(tǒng)的有機(jī)物去除有貢獻(xiàn)，其作用大小會(huì)受PAC飽和程度的影響，因此還考察了連續(xù)運(yùn)行下不同時(shí)期系統(tǒng)進(jìn)、出水有機(jī)物的表觀分子質(zhì)量分布(采用濾膜過濾法^［4］)，分析了對(duì)不同分子質(zhì)量有機(jī)物的去除效果，并與塊狀填料-MBR進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。
　　由表2可以推知分子質(zhì)量＜1K的有機(jī)物易生物降解。對(duì)于分子質(zhì)量為1～15K的有機(jī)物，PAC-MBR較塊狀填料-MBR去除率高，且受PAC飽和程度的影響較小，據(jù)此推測PAC 對(duì)這部分有機(jī)物的吸附作用較強(qiáng)。對(duì)于4K～0.45μm的有機(jī)物，塊狀填料-MBR系統(tǒng)出水與進(jìn)水相差不大或略增加，這可能受微生物代謝產(chǎn)物的影響，而PAC-MBR出水濃度增加的情況較少。比較PAC-MBR運(yùn)行不同階段的去除效果，可得出其對(duì)4K～0.45μm有機(jī)物的去除受PAC飽和程度影響較大。

表2　兩種MBR對(duì)不同分子質(zhì)量有機(jī)物的去除特性 分子質(zhì)量分布 PAC-MBR運(yùn)行10d的去除率(%) PAC-MBR運(yùn)行20d的去 除率(%) PAC-MBR運(yùn)行57d的去除率(%) 塊狀填料-MBR的去除率(%) ＜1K 23 16 17 17 1～4 K ＞90 ＞90 ＞90 76 4～20K 24 + + - 20～50K 34 11 20 + 50 K～0.45 μm 100 52 67 ++ 注：“+”表示出水略高于進(jìn)水；“++”表示出水高于進(jìn)水；“-”表示幾乎沒有去除。

2.4　對(duì)可吸附、生物降解有機(jī)物的去除
　　有機(jī)物去除效果與有機(jī)物的可吸附性和可生物降解性密切相關(guān)。對(duì)進(jìn)、出水有機(jī)物進(jìn)行分類測定，比較了PAC-MBR運(yùn)行初期（運(yùn)行第10d）和后期（運(yùn)行第57d）的有機(jī)物去除特性，結(jié)果如圖4所示。?

　　由圖4可見，PAC-MBR運(yùn)行初期和后期均能有效去除BDOC，去除率可達(dá)85%～95%，而對(duì)NRDOC均無去除。對(duì)ADOC和A&BDOC的去除效果受PAC飽和程度的影響，初期的去除率較后期分別高10%和20%。?
2.5　微生物量及其活性?
　　采用磷脂法測定了PAC-MBR內(nèi)的活性微生物量，并與塊狀填料-MBR反應(yīng)器內(nèi)活性微生物總量進(jìn)行了比較(見圖5)，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)量相當(dāng)。?

　　取反應(yīng)器內(nèi)泥樣100mL濃縮，以試驗(yàn)原水作為基質(zhì)，測得耗氧速率(OUR)曲線如圖6所示，并與塊狀填料-MBR進(jìn)行比較。

　　由圖6可見，PAC-MBR的OUR比塊狀填料-MBR的略高，表明前者混合液中微生物的活性較后者高。塊狀填料-MBR和PAC-MBR內(nèi)生物量水平相當(dāng)，而后者微生物活性略高，推測與PAC表面存在適合微生物生長的微環(huán)境有關(guān)。?

3　結(jié)論?

　　 ①靜態(tài)吸附試驗(yàn)表明，當(dāng)PAC為天然腐殖質(zhì)類物質(zhì)飽和后仍可吸附DCP。連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)一步證明，PAC-MBR抗DCP沖擊負(fù)荷的能力強(qiáng)于投加普通填料的MBR。
　　 ②PAC-MBR對(duì)1～4K有機(jī)物的去除率較高，對(duì)4K～0.45μm的有機(jī)物的去除效果與PAC的飽和程度有關(guān)且隨運(yùn)行時(shí)間降低。
　　 ③投加PAC和普通填料的MBR都能有效地去除可生物降解有機(jī)物，PAC-MBR對(duì)可吸附有機(jī)物的去除受PAC飽和程度的影響較大。
?　 ④磷脂法可用于測定PAC上附著的活性微生物量，PAC-MBR內(nèi)活性微生物量與塊狀填料-MBR相當(dāng)，其微生物活性略高于后者。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］ 國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京：中國環(huán) 境科學(xué)出版社,1998.?
　　［2］ Woo Hang Kim,Wataru Nishijima,Baes Aloysius U,?et al?.Micropollutant removal with saturated biological activated varbon (BAC) in ozonation-BAC process［J］.Wat Sci Tech,1997,36(12):283-298.
　　［3］ Amy Gary L,Sierka Raymond A,James Bedessen,et al.Molecular size distributions of dissolved organic matter［J］.Journal AWWA,1992,6:67-75.
　　［4］莫罹,黃霞,吳金玲，等.混凝-微濾膜組合凈水工藝的膜污染特征及其清洗［J］.中國環(huán)境科學(xué),2002，22(3):258-262.

　　作者簡介：莫罹（1973-），女，湖南湘潭人，博士，主要從事膜法水處理技術(shù)方面的研究。
　　電　　話：(010)84032402
　　E-mail:moli00@mails.tsinghua.edu.cn
　　　　　　xhuang@tsinghua.edu.cn
　　收稿日期：2002-09-08