臭氧生物活性炭是目前主流的深度处理工艺,通常前置混凝-沉淀-砂滤的常规工艺,有较好的去除有机物以及各种污染物的效果^[1,2]。由于饮用水水质标准的日益严格以及对高品质饮用水水质的追求,将常规工艺提升为深度工艺日益成为趋势。但是,对于经济发达地区,土地成为稀缺资源,常规-臭氧生物活性炭工艺占地面积大,实施困难。

超滤膜与深度工艺的组合目前采用的形式是将膜置于活性炭之后,其目的是防止活性炭的生物泄漏对饮用水的影响。这种做法的弊端是膜的利用价值大为降低,甚至可有可无。膜用于饮用水处理的初衷是替代混凝-沉淀-过滤-消毒的常规工艺来去除浊度和细菌,大为缩短处理时间,节省大量的用地。因此,用膜替代常规工艺,形成膜-臭氧生物活性炭的深度工艺,既能大大节省占地,也能满足出水水质要求,但目前鲜见相关的试验报道。

本试验以太湖原水为研究对象,通过中试,研究超滤-臭氧生物活性炭工艺去除氨氮、有机物藻类等的效果,并与常规-臭氧生物活性炭进行比较,为生产实践提供技术支撑和依据。

试验的原水为东太湖水,试验期间的主要水质如表1所示。

中试流程见图1。超滤为直接过滤和在线混凝两种运行方式,平行同时运行。超滤-臭氧生物活性炭工艺采用在线混凝,混凝剂采用聚氯化铝(PAC),投加量为4 mg/L(以Al计)。臭氧投加量为1 mg/L,臭氧接触时间为15 min,炭层高度为1 m,活性炭滤速为6.37 m/h,空床接触时间为10 min。

超滤膜材质为聚醚砜,平均截留相对分子质量为150 000,过滤面积为6.5 m²,内压死端过滤,运行方式采用恒定流量过滤,运行通量为65 L/(m²·h)。每30 min进行反冲洗,每24 h进行一次化学强化反冲洗。

常规-臭氧生物活性炭工艺的预臭氧投加量为0.5 mg/L,后臭氧投加量为2.5 mg/L,混凝剂投加量为50 mg/L,混凝时间30 min,沉淀时间1.5 h,砂滤滤速7 m/h,活性炭空床接触时间为15 min。处理规模为0.88 m³/h。

将最初的膜压差(TMP₀)与任何时间的膜压差(TMP)之比作为表达膜压差的变化,如图2所示。在近3个月的运行中,直接过滤的膜压差增加了112%,而在线混凝的仅增加58%,可见在线混凝可有效控制膜压差的上升。混凝形成的矾花会在膜表面形成多孔的滤饼层,截留有机物和藻类等,可避免这些污染物与膜的直接接触,从而缓解了膜污染;其次是矾花可吸附部分有机物,防止其进入膜孔对膜造成污染。

如图3所示,在线混凝-超滤对COD_Mn、TOC和UV₂₅₄的平均去除率分别为45%、19%和24.2%,而直接过滤分别为36%、10%和0.82%。在线混凝作为预处理,可以有效提高有机物的去除效果。由于在线混凝没有沉淀环节,混凝形成的矾花在膜表面形成动态的滤饼层,可吸附和截留部分的有机物,从而提高了有机物的去除效果。

试验以叶绿素a浓度表示藻类细胞浓度。由图4可知,直接过滤和在线混凝-超滤对藻类有较高的去除率,直接过滤的平均去除率为88.5%,在线混凝的平均去除率为95.5%。由此可见,超滤的直接过滤对藻类有很高的去除效果,而在线混凝会进一步提升去除。对于有藻类问题的原水如太湖,由于藻类在常规工艺中没有得到有效的去除,剩余的藻类会在后臭氧中氧化并释放出胞内有机物,这些有机物通过进一步的氧化会产生臭味和消毒副产物等^[3,4]3,4]。以超滤膜或在线混凝-超滤替代常规,就可避免这些问题的产生,从而有效提高水质。

图5为在线混凝与直接过滤去除氨氮效果的比较。令人欣慰的是,无论是在线混凝还是直接过滤均对氨氮有去除效果,并且在线混凝的效果优于直接过滤。超滤的孔径远大于氨氮,所以就截留原理而言,超滤不可能去除氨氮。但是,就超滤去除氨氮的现象已有报道^[5]5]。可能的机理是膜表面截留杂质所形成的滤饼层对氨氮具有吸附作用,而在线混凝所产生的矾花吸附氨氮的效果更佳。

由于在线混凝无论是超滤运行的稳定性还是去除各种污染物的效果均优于直接过滤,故以在线混凝-臭氧生物活性炭与常规-臭氧生物活性炭,进行各种污染物处理效果的比较。表2表明超滤去除浊度的效果远优于常规,超滤-臭氧生物活性炭的浊度也明显低于常规-臭氧生物活性炭。

图6表明,常规工艺去除TOC的效果优于超滤,但经过臭氧生物活性炭后,几乎没有差别。这种现象说明,当活性炭前置的工艺去除有机物效果差时,活性炭会提高去除效果。超滤和常规去除UV₂₅₄的效果相当。

图7为氨氮的去除效果比较,尽管超滤也可去除部分氨氮,但常规工艺的去除效果明显优于超滤。常规工艺去除氨氮主要在砂滤,由于预臭氧的缘故,水中的溶解氧含量增加,有效提高了氨氮的去除。经过臭氧活性炭后,又看到了类似于TOC的情况,两种工艺的出水氨氮几乎相同。

图8为超滤-臭氧生物活性炭与常规-臭氧生物活性炭对于藻类去除的比较,以超滤作为深度工艺的前置,藻类的去除明显优于常规。超滤-臭氧生物活性炭出水的藻类几乎检测不出,而常规-臭氧生物活性炭仍然有藻类的存在。当水中有藻类的存在时,预臭氧虽然有效杀灭藻类,但会使藻细胞的破裂,导致胞内有机物流出,这些有机物在臭氧的作用下,产生消毒副产物以及臭味,从而影响饮用水的水质。超滤作为处理工艺的最前端,可最大限度去除藻类,从而避免了藻类存在对水质的影响。

(1)在线混凝可有效控制膜污染,对各种污染物的去除效果优于直接过滤。

(2)超滤作为臭氧生物活性炭的前置,去除有机物效果与常规-臭氧生物活性炭的相似,但去除浊度和藻类的效果明显优于常规-臭氧生物活性炭。