謝曙光^1*，唐孝炎¹，王占生²
(1. 北京大學環境學院環境科學系, 北京 100871; 2. 清華大學環境科學與工程系, 北京 100084)

　　摘要：采用MBBR預處理/常規處理/深度處理組合工藝對受污染黃河水進行了處理試驗，研究結果表明，該組合工藝對COD_Mn、UV₂₅₄、氨氮、亞硝酸鹽氮、色度和Chla具有很好的去除效果；常規工藝和臭氧活性炭深度處理工藝都有較好的污染物去除能力，而MBBR預處理工藝對氨氮、亞硝酸鹽氮和Chla具有較好的去除效果。
　　關鍵詞：組合工藝；移動床生物膜反應器；深度處理；黃河水

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

　　移動床生物膜反應器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)是近年來頗受國外研究者重視的一種革新型生物膜反應器，它是解決流化床需使載體流化和淹沒生物濾池需定期反沖洗和更換曝氣器的復雜操作而發展起來的。該工藝對有機物具有良好的去除率，適合于小型污水處理廠或已有的超負荷運轉的活性污泥系統的改造，運行管理十分方便，具有良好的發展和應用前景^[1-3]，但國內外目前尚未見運用MBBR工藝處理微污染原水的研究報道。臭氧氧化—生物活性炭深度處理技術集臭氧氧化、活性炭吸附、生物降解于一體，以除污染的獨特高效性成為當今世界各國飲用水深度處理技術的主流工藝。
　　汾河、涑水河、渭河和伊洛河等河流是黃河的主要支流，這些支流接受的污染物排放量大，直接影響著鄭州等黃河中下游城市的飲用水水源水質。由于黃河水中有機物含量高，水的色度較高，而以黃河水為源水的自來水廠，多數目前仍然沿用以除濁為目的的常規處理工藝（混凝/沉淀/砂濾），因而其出水水質不甚理想。目前國內對于以黃河為水源的自來水廠，如何改善出廠水水質的研究報道很少，特別是尚未見運用臭氧活性炭工藝深度處理黃河微污染原水的研究報道。雖然陶粒生物濾池是一種研究報道較多的生物預處理工藝，但需定期反沖洗和更換曝氣器來維持其正常處理效果，運行管理復雜；此外，黃河原水經沉砂處理后濁度一般不高，而經陶粒生物濾池處理后出水濁度會大大降低，形成了低濁水而增加了后續常規工藝除濁的難度，最終造成常規工藝處理出水濁度升高的現象。針對這一狀況，本文提出以MBBR為生物預處理，加常規處理和臭氧活性炭深度處理形成微污染原水的凈化組合工藝，對該組合工藝處理黃河微污染原水的適用性進行了初步的探索，并考察組合工藝各單元去除污染物的效果，以期為將來可能興建的以黃河為水源的安全供水工程或已有自來水廠的改造提供一定參考。

1 試驗裝置和方法

1.1試驗裝置
　　本研究在鄭州市柿園水廠內進行，采用中試規模的生物預處理、常規處理及深度處理組合工藝，原水為柿園水廠入廠水（黃河水經過兩次沉砂作用和泵提升作用引入）。MBBR工藝如圖1所示，由兩級反應器串聯組成，每個反應器（單池）面積為1 m²，有效工作容積為 3 m³。所用填料為 LT 型懸浮空心球（直徑為100 mm，孔隙率約為87%），其比重接近于1，比表面積為360 m²/m³，填料裝填體積為 50%。進水流量為 4 m³/h，總氣水比為 0.25:1（每個反應器進氣量都為0.5 m³/h），每個反應器中的溶解氧濃度維持在5 mg/L以上。排泥周期為5天。

圖1 處理微污染原水的MBBR結構示意圖
Fig. 1 Schematic diagram of MBBR for polluted raw water treatment

圖2 處理黃河水的組合工藝流程圖
Fig. 2 Schematic diagram of the combined process for polluted raw water treatment

表1 組合工藝各單元運行參數
Table 1 Operating parameters of each unit of the combined process

名稱 尺寸D@H
/mm² 填料高度
/mm 填料粒徑
/mm 停留時間
/min 濾速
/m/h MBBR反應器 （單池） 1000@3000 1500* 100 45 4 混凝 300@670 3.6 斜管沉淀池 400@2000 19.2 砂濾 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

*指未進水時MBBR單池初始填裝高度。

　　整個試驗工藝流程和工藝運行參數分別如圖2和表1所示。本試驗研究時期為2004年8月23日(第1天)～2004年10月28日（第66天），臭氧活性炭深度處理單元中臭氧投加量約為1 mg/L，常規處理單元混凝劑(聚合氯化鋁)投加量為20 mg/L。MBBR進水流量為4 m³/h，但其出水只有1 m³/h直接進入后續工藝，其余出水從旁路支管排放。整個試驗期間水溫為15～27^oC，原水pH約為8。
1.2 分析方法
　　COD_Mn、氨氮、亞硝酸鹽氮、色度和葉綠素a（Chla）分析都采用標準分析方法^[4]，DO和pH 分別用DO儀和pH計測定，而UV₂₅₄用分光光度法測定。

2 試驗結果與討論

2.1 組合工藝對有機物的去除
　　圖3是組合工藝對COD_Mn的去除情況。由圖3中數據計算得知：整個試驗研究期間原水COD_Mn為3.2～4.08mg/L（平均值為3.6 mg/L）；MBBR預處理去除率為 5.4～19.8%（平均值為10.9%），而作者以前的研究結果表明，對于水質相似的黃河微污染原水（COD_Mn為3.32~4.81 mg/L，平均值為4.19 mg/L），陶粒生物濾池對COD_Mn的平均去除率也僅為10.4%，這說明MBBR對COD_Mn的去除效果與陶粒生物濾池相似；常規工藝去除率為 19.5～41.3％（平均值為28.8%）；深度處理工藝的去除率16.4～51.4%（平均值為28.7%）。此外，由圖3中數據還可得知，組合工藝對COD_Mn的總去除率為46.2～65.4%（平均值為55.3%），且組合工藝最終出水滿足生活飲用水標準規定的要求，即COD_Mn≤3 mg/L。

圖 3 組合工藝對COD_Mn的去除
Fig. 3 COD_Mn removal by the combined process

　　水和廢水中的一些有機物如木質素、腐殖質和各種芳香族有機物都是苯的衍生物，而且是天然水體和污水二級處理出水中的主要有機物，常用UV₂₅₄作為它們在水中含量的替代參數。圖4是組合工藝對UV₂₅₄的去除情況。由圖4中數據計算得知，整個試驗研究期間原水UV₂₅₄為0.1187～0.1983（平均值為0.1607）時，MBBR對UV₂₅₄去除率較低，為 1.2～20.3%（平均值為9%）。這是由于：在波長254nm下存在吸光度的物質主要為大分子的芳香族化合物，其分子結構復雜，生物降解性很差，因而微生物主要是通過吸附作用去除它們，而生物氧化作用不大^[5]；而移動床生物膜反應器內填料處于流化狀態，因此生物膜的生物絮凝作用與填料的截留作用較弱，對UV₂₅₄的生物吸附作用也較差。
　　常規工藝對UV₂₅₄ 的去除效果較好，去除率為16.1～62.9%(平均值為47.6％)，這也說明了了常規工藝對大分子有機物有較好的去除效果。深度處理工藝對UV₂₅₄ 的去除率為33.4～83%（平均值為61.5%）。這是由于：臭氧是一種強氧化劑，容易與水中有機物的—C=C—雙鍵反應，對苯環有破壞力，使有機物的芳香性降低或消失；活性炭具有巨大的比表面積和發達的空隙，因而易于吸附水中苯類化合物和小分子量腐殖質，從而能進一步有效去除UV₂₅₄代表的有機物。
　　此外，由圖4中數據還可得知，整個組合工藝對UV₂₅₄的總去除率為70.9～87.9%（平均值為80.9%）。

圖4 組合工藝對UV₂₅₄的去除
Fig. 4 UV₂₅₄ removal by the combined process

　　表2是組合工藝對Chla（常用作藻類個數的代用參數）的去除情況。由表2中數據計算得知，整個試驗研究期間原水Chla為1.65～7.8mg/L（平均值為3.56mg/L）時，MBBR對Chla的去除率為 35.2～44.9%（平均值為39.3%）；常規工藝對Chla 的去除率高達57.1～93.9%(平均值為74.1%)；而深度處理工藝對Chla的去除率為30～82.3%（平均值為66.4%）；這說明了組合工藝各單元都能有效地去除Chla。此外，由表2中數據還可得知，整個組合工藝對Chla的去除效果很好，總去除率為95.1～97.4%（平均值為96.3%）。

表2 組合工藝對Chla的去除
Table 2 Chlorophyll removal by the combined process

進水/mg/L 1.65 2.27 2.55 7.80 3.51 預處理去除率/% 40.6 44.9 35.2 36.5 39.3 常規工藝去除率/% 57.1 80 93.9 68.5 70.9 深度處理工藝去除率/% 80.1 60 30 79.5 82.3 總去除率/% 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 組合工藝對氮的去除
　　圖5 反映了組合工藝對氨氮的去除情況。由圖5中數據計算得知，整個試驗研究期間原水 NH₄⁺-N為0.16～0.33mg/L（平均值為0.24 mg/L）時，MBBR對NH₄⁺-N有良好的去除效果，去除率為46.7～90%（平均值為64.8%）；而常規工藝對NH₄⁺-N也有較好的去除作用，去除率為 0～75%（平均值為22.3％）。經過臭氧活性炭深度處理工藝后，其出水NH₄⁺-N濃度已經很低，經常低于檢測限（≤0.02 mg/L）。

圖5 組合工藝對氨氮的去除
Fig. 5 Ammonia removal by the combined process

圖6 組合工藝對亞硝酸鹽氮的去除
Fig. 6 Nitrite removal by the combined process

　　圖6是組合工藝對亞硝酸鹽氮的去除情況。由圖6可知，組合工藝各單元出水中亞硝酸鹽氮濃度逐漸降低，組合工藝最終出水中亞硝酸鹽氮濃度都很低（< 0.002 mg/L），有時甚至低于檢測限。
2.3 組合工藝對色度的去除
　　地表水中形成色度的物質主要是膠體有機物和分子量大于1000的有機物^[6]。由圖7可知，MBBR預處理工藝對色度的去除效果較低（去除率為0～33.3%，平均值為14%），這與該工藝對膠體有機物和大分子量有機物有較弱的吸附和降解能力相一致。而常規工藝具有較好的除色效果（去除率為42.8～75%，平均值為56%），這與常規工藝對膠體有機物和大分子量有機物有較好去除效果的特性相一致。臭氧活性炭工藝能進一步有效除色（去除率為33.3～66.7%，平均值為48.3%），使組合工藝最終出水的色度不超過5度。

圖7 組合工藝對色度的去除
Fig. 7 Color removal by the combined process

3 結論

　　本文采用MBBR生物預處理、常規處理及深度處理組合工藝進行了處理黃河微污染原水的研究，其結果表明：組合工藝對COD_Mn、UV₂₅₄、氨氮、亞硝酸鹽氮、色度和Chla具有很好的去除效果；MBBR預處理工藝對氨氮、亞硝酸鹽氮和Chla具有較好的去除效果，而對COD_Mn、UV₂₅₄和色度去除效果較差；常規工藝和臭氧活性炭深度處理工藝都有較好的去除污染物的能力。

參考文獻:

[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.
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[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] 國家環保局.水和廢水的標準分析方法（第三版）. 北京：中國環境科學出版社. 1989.
[5] 方振東．飲用水生物處理工藝中的生物陶粒技術的應用研究．清華大學環境科學與工程系. 1995.
[6] 王占生，劉文君．微污染水源飲用水處理．北京：中國建筑工業出版社．1999.

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資助項目：國家自然科學基金資助項目 （50408006）；環境模擬與污染控制國家重點實驗室開放基金
作者簡介：謝曙光（1975~），男，江蘇常州人，工學博士，主要從事安全飲水理論與技術研究。
*通訊作者：E-mail: xiesg@pku.edu.cn