混凝-臭氧-超濾工藝處理活性炭濾池反沖洗廢水

　　隨著飲用水安全保障需求的提升，以臭氧-活性炭濾池為代表的深度處理工藝得到普遍應(yīng)用，這使水廠反沖洗廢水量進(jìn)一步增加。目前國(guó)內(nèi)大多水廠將反沖洗廢水直接排放，而對(duì)活性炭濾池反沖洗廢水進(jìn)行處理與利用，一方面可以提高水廠對(duì)水源水的利用率，另一方面可以降低廢水的排放量，從而對(duì)環(huán)境的保護(hù)、水資源的節(jié)約以及節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)具有重要意義。

　　近年來(lái)，超濾工藝普遍應(yīng)用于飲用水處理與廢水處理中，但膜污染成為其推廣應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。平板陶瓷膜較有機(jī)膜抗污染程度高，而且易清洗，使用壽命長(zhǎng)。因此，采用平板陶瓷膜超濾工藝對(duì)活性炭濾池反沖洗廢水進(jìn)行處理極具技術(shù)可行性。

　　活性炭濾池反沖洗廢水水質(zhì)特性復(fù)雜，想要實(shí)現(xiàn)超濾完全凈化回用，保證生物和化學(xué)安全性以及控制運(yùn)行過(guò)程中的膜污染，必須要組合一定的預(yù)處理工藝。董岳等采用混凝-超濾的方法來(lái)處理活性炭濾池反沖洗水，李平波等采用混凝-粉末活性炭-超濾工藝對(duì)濾池反沖洗水進(jìn)行處理，WANGH等采用預(yù)氧化減少飲用水再利用過(guò)程中的膜污染問(wèn)題。但少有人采用混凝-臭氧-超濾的方法來(lái)處理活性炭濾池反沖洗廢水，關(guān)注消毒副產(chǎn)物前體物和嗅味物質(zhì)去除效果的研究也較少。因此，本文采用混凝-臭氧-超濾組合工藝，對(duì)蘇州某水廠活性炭濾池反沖洗廢水進(jìn)行處理，研究組合工藝對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的凈化效能，以期為水廠反沖洗廢水的處理提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

　　一、材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)水樣

　　蘇州某水廠活性炭濾池共10座，日處理量30萬(wàn)t，反沖洗周期為7d，反沖洗程序?yàn)闅鉀_5min、靜置3min、水沖6min。其中氣沖強(qiáng)度為35~36m3/(m2·h)，水沖強(qiáng)度為17~18m3/(m2·h)。將水廠活性炭濾池反沖洗廢水作為試驗(yàn)水樣。試驗(yàn)水樣常規(guī)水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，活性炭濾池反沖洗廢水特點(diǎn)為高濁度與高有機(jī)物含量并存，且微生物含量也較高。

　　1.2 試驗(yàn)裝置與流程

　　采用小試試驗(yàn)進(jìn)行研究，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

　　試驗(yàn)流程院淤在反沖洗廢水中不投加任何藥劑與處理，直接經(jīng)過(guò)超濾膜組件進(jìn)行試驗(yàn)，于在反沖洗廢水中投加15mg/L硫酸鋁，經(jīng)過(guò)混凝沉淀10min后，再由2mg/L臭氧氧化，接觸時(shí)間為20min，最后由蠕動(dòng)泵吸入膜池中進(jìn)行超濾試驗(yàn)。2個(gè)流程的超濾試驗(yàn)均在通量為25L/(h·m2)下運(yùn)行，每30min對(duì)膜組件進(jìn)行物理反沖洗1min，反沖洗包括水洗和曝氣，沖洗強(qiáng)度為60L/(h·m2)，氣水比為150：1。當(dāng)跨膜壓差達(dá)到55kPa時(shí)，進(jìn)行化學(xué)清洗。膜組件在200mg/L的NaOH溶液中浸泡10h，之后用清水反沖5min。

　　1.3 超濾膜規(guī)格和性能

　　試驗(yàn)中采用的超濾膜是平板陶瓷膜，過(guò)濾方式為負(fù)壓抽吸。平板陶瓷膜的規(guī)格和性能見(jiàn)表2。

　　1.4 檢測(cè)方法

　　(1)常規(guī)指標(biāo)

　　pH值和濁度分別由pH計(jì)和便攜式濁度儀測(cè)得，將水樣經(jīng)過(guò)0.45μm膜處理后，CODMn采用高錳酸鉀滴定法，UV254在波長(zhǎng)254的分光光度計(jì)下測(cè)定吸光值，DOC由TOC檢測(cè)儀檢測(cè)，顆粒物濃度使用IBR顆粒計(jì)數(shù)儀。

　　(2)微生物指標(biāo)

　　菌落總數(shù)參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》最新版測(cè)定，因?yàn)樗畼又屑?xì)菌濃度過(guò)高，先將水樣按要求稀釋一定倍數(shù)，取稀釋后的1mL加入營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)，于37℃培養(yǎng)48h后計(jì)數(shù)形成菌落后計(jì)數(shù)。大腸菌群采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)三步法。浮游動(dòng)物選取劍水蚤為典型浮游動(dòng)物，采用直接過(guò)濾方法，過(guò)濾后直接計(jì)數(shù)。

　　(3)消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)

　　消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)試驗(yàn)參考文獻(xiàn)方法，消毒劑選用次氯酸鈉溶液。檢測(cè)方法參照USEPA551.1，生成的三氯甲烷、二氯乙腈和二氯乙酰胺經(jīng)過(guò)液液萃取后用氣象色譜-微電子捕捉檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

　　(4)土嗅素(GSM)和2-甲基異茨醇(MIB)試驗(yàn)采用氣相色譜法對(duì)水樣中的MIB和GSM進(jìn)行分析，分析方法參考文獻(xiàn)方法。

　　(5)超濾膜運(yùn)行跨膜壓差采用壓力傳感器將超濾運(yùn)行時(shí)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)由電子記錄儀自動(dòng)記錄，數(shù)據(jù)用origin處理。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 對(duì)濁度和顆粒數(shù)的凈化效能

　　超濾工藝過(guò)程中濁度和顆粒數(shù)的變化情況見(jiàn)表3和圖2。由表3和圖2可知，無(wú)論超濾膜前是否存在混凝-臭氧氧化的預(yù)處理，超濾膜后顆粒數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于膜前的顆粒數(shù)，出水濁度均小于1NTU，滿足GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。由此可以得出，超濾工藝對(duì)反沖洗水中的濁度和顆粒數(shù)有很好的去除效果，同時(shí)這也意味著過(guò)多的顆粒物容易對(duì)超濾膜造成嚴(yán)重的堵塞污染，降低膜通量。膜前加入預(yù)處理后顆粒數(shù)有明顯的降低，尤其是反沖洗水中>15μm的大粒徑顆粒物基本被混凝-臭氧氧化完全去除。因此在活性炭濾池反沖洗廢水中加入預(yù)處理可以有效降低顆粒數(shù)，從而控制顆粒物對(duì)超濾膜造成的膜污染，保障出水濁度達(dá)標(biāo)。

　　超濾過(guò)程中不同粒徑顆粒物所占比例見(jiàn)圖3�；钚蕴繛V池反沖洗廢水直接超濾時(shí)，顆粒數(shù)從小粒徑到大粒徑所占比例呈遞減趨勢(shì)，且2~5μm所占比例最大為49.44%。當(dāng)反沖洗廢水在膜前加入混凝-臭氧氧化預(yù)處理后，2~5μm粒徑的顆粒物所占比例明顯升高至74.31%，而其他粒徑顆粒物所占比例都有所下降，特別是大粒徑顆粒物減少最明顯，說(shuō)明混凝-臭氧氧化對(duì)大顆粒有較好的去除效果并將大顆粒氧化成小顆粒。不論是否加入預(yù)處理，超濾膜后水中都是2~5μm粒徑的顆粒物占主體，而且所占比例有所增大，在加入預(yù)處理后所占比例最大，為78.4%，說(shuō)明在不同粒徑顆粒物中，2~5μm的顆粒物不是引起膜污染的主要污染物，同時(shí)也說(shuō)明超濾工藝對(duì)顆粒數(shù)有很好的控制效果，包括對(duì)顆粒數(shù)總量的降低和對(duì)各個(gè)粒徑區(qū)間顆粒比例的控制。

　　2.2 對(duì)微生物的凈化效能

　　超濾工藝過(guò)程中微生物指標(biāo)的變化情況見(jiàn)表4。由表4可知，不管膜前是否有預(yù)處理，膜后菌落總數(shù)均小于1CFU/mL，低于國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)100CFU/mL。說(shuō)明超濾膜對(duì)細(xì)菌等微生物有很好的的截留去除效果。膜前進(jìn)行混凝處理后細(xì)菌總數(shù)降低，是因?yàn)轭w粒物通過(guò)混凝、沉降被去除，同時(shí)將顆粒物上附著的細(xì)菌也一并去除，這可以減輕超濾膜截留細(xì)菌的工作負(fù)擔(dān)，有助于緩解膜污染，但出水中仍有部分微生物。臭氧投加后，對(duì)微生物進(jìn)行了氧化滅活，使膜前反沖洗廢水中的微生物含量進(jìn)一步降低，超濾膜后出水微生物各項(xiàng)指標(biāo)均為0，保證了出水微生物指標(biāo)的安全性。同時(shí)，混凝-臭氧預(yù)處理降低了超濾膜中微生物生長(zhǎng)和繁殖的風(fēng)險(xiǎn)，從而控制了微生物對(duì)超濾膜造成的生物污染，保證了超濾工藝的長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

　　2.3 對(duì)有機(jī)物的凈化效能

　　超濾過(guò)程中有機(jī)物的變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可知，直接進(jìn)行超濾工藝對(duì)反沖洗廢水中溶解性有機(jī)物的凈化效果不明顯，UV254和DOC的去除率分別僅為3.9%和6.2%，膜后出水的有機(jī)物含量仍然較高。膜前加入混凝-臭氧氧化預(yù)處理，混凝通過(guò)電性中和、卷掃、吸附架橋等作用，去除了大部分大分子有機(jī)物和疏水性有機(jī)物，隨后臭氧將剩余的大分子有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)物，兩者共同作用使有機(jī)物的含量有了很大程度的降低，UV254和DOC的含量分別下降了68.1%和70.5%，保證了超濾膜后出水的化學(xué)安全性，同時(shí)又使超濾膜截留較少的有機(jī)物，膜孔不易被堵塞，從而減輕有機(jī)物對(duì)膜造成的膜污染。

　　2.4 對(duì)消毒副產(chǎn)物前體物的凈化效能

　　超濾工藝過(guò)程中消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)的變化情況見(jiàn)圖5。由圖5可知，經(jīng)過(guò)直接超濾處理后，反沖洗廢水中的消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)沒(méi)有明顯變化。三氯甲烷生成勢(shì)下降了10.7%，二氯乙腈和二氯乙酰胺生成勢(shì)分別下降了6.7%和8.6%。不同的消毒副產(chǎn)物下降程度不同可能是因?yàn)槿�氯甲烷的主要前體物是大分子類腐殖質(zhì)，而二氯乙腈和二氯乙酰胺主要前體物是小分子。因此，直接超濾工藝對(duì)三氯甲烷前體物的去除比對(duì)二氯乙腈和二氯乙酰胺前體物的效果好。然而，直接超濾膜后出水的三氯甲烷生成勢(shì)約為162μg/L，遠(yuǎn)超GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的限值60μg/L，對(duì)消毒副產(chǎn)物指標(biāo)凈化不合格。

　　添加混凝-臭氧預(yù)處理后，各項(xiàng)消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)明顯降低。三氯甲烷生成勢(shì)降低約74.9%，二氯乙腈生成勢(shì)降低43.1%，二氯乙酰胺生成勢(shì)降低39.8%。說(shuō)明在混凝-臭氧氧化的作用下，羥基自由基與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，將消毒副產(chǎn)物前體物的生成潛能降低或是轉(zhuǎn)變?yōu)榉乔绑w物，對(duì)消毒副產(chǎn)物的前體物有很好的凈化效能。因此，經(jīng)預(yù)處理后，超濾膜后出水的三氯甲烷生成勢(shì)降低到了生活飲用水限值以下，進(jìn)一步保障了膜后出水水質(zhì)，提高水質(zhì)的安全性。

　　2.5 對(duì)嗅味物質(zhì)的凈化效能

　　反沖洗廢水中存在大量微生物，其代謝過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生較多的嗅味物質(zhì)，選取2種典型的嗅味物質(zhì)要土嗅素(GSM)和2-甲基異茨醇(MIB)作為超濾過(guò)程對(duì)嗅味物質(zhì)凈化效能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。超濾過(guò)程中嗅味物質(zhì)的變化情況見(jiàn)圖6。由圖6可知，直接超濾處理工藝對(duì)嗅味物質(zhì)的凈化效能相當(dāng)有限，對(duì)GSM和MIB的去除率分別為4.9%和5.3%，ρ(GSM)為16.2ng/L，ρ(MIB)為20.1ng/L，兩者均超過(guò)了人體可感知質(zhì)量濃度10ng/L，說(shuō)明直接超濾處理對(duì)于反沖洗廢水中嗅味物質(zhì)的凈化效能較差，影響飲用水的口感。

　　添加混凝-臭氧預(yù)處理后，嗅味物質(zhì)的去除效果有了明顯的提升。對(duì)GSM的去除率約為44.9%，對(duì)MIB的去除率約為52.7%。這是因?yàn)槌粞跹趸�產(chǎn)生的羥基自由基，與2種嗅味物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，將其降解，使超濾膜后出水水質(zhì)中的2種嗅味物質(zhì)濃度均降低到人體能感知的限值10ng/L以下。

　　2.6 混凝-臭氧預(yù)處理對(duì)膜污染的控制

　　直接超濾處理與混凝-臭氧-超濾處理過(guò)程中的跨膜壓差變化情況見(jiàn)圖7。由圖7可知，直接超濾處理過(guò)程中的跨膜壓差增長(zhǎng)速度更快，在第3天就達(dá)到55kPa，需要進(jìn)行化學(xué)清洗。而添加混凝-臭氧預(yù)處理后，降低了跨膜壓差的增長(zhǎng)速度，緩解了膜污染�；瘜W(xué)清洗時(shí)間推遲了1.5d，可以減少長(zhǎng)期運(yùn)行中化學(xué)藥劑對(duì)超濾膜造成的損害，有利于超濾膜持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

　　三、結(jié)論

　　混凝-臭氧-超濾組合工藝一方面對(duì)活性炭濾池反沖洗廢水的顆粒物、微生物、有機(jī)物、嗅味物質(zhì)等各項(xiàng)指標(biāo)都有很好的控制與安全凈化的作用，可以解決反沖洗廢水中存在的重點(diǎn)問(wèn)題-高顆粒數(shù)與高有機(jī)物以及大量微生物的特性，膜后出水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)廢水回用的節(jié)水工作具有重要意義。另一方面，可以有效緩解膜污染，提高通量，從而提高生產(chǎn)效率，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

　　直接超濾處理反沖洗廢水可以有效去除顆粒物和細(xì)菌等微生物，出水生物安全性提高。但對(duì)有機(jī)物、消毒副產(chǎn)物前體物和嗅味物質(zhì)的去除率低，出水中三氯甲烷、土嗅素和2-甲基異茨醇依舊超過(guò)飲用水限值。同時(shí)，直接超濾過(guò)程中跨膜壓差增長(zhǎng)過(guò)快，膜污染嚴(yán)重，化學(xué)清洗頻繁，不利于長(zhǎng)期運(yùn)行。(來(lái)源：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院;河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;南京市給排水工程設(shè)計(jì)院有限公司)