低温下膜- 生物活性炭工艺深度处理回用水的试验研究3
孔祥辉1 刘红2 # 张山立1 闫怡新1 何韵华3
( 1. 北京师范大学环境学院,北京100875 ;2. 北京航空航天大学环境工程系,北京100083 ;
3. 国务院南水北调工程建设委员会办公室, 北京100053)
　　摘要　开展低温下膜- 生物活性炭工艺深度处理回用水的试验研究,探讨该工艺低温运行的可行性及作用机制。结果表明,
采用HRT为3 h 的膜- 生物活性炭反应器对回用水中有机物具有良好的去除效果,CODCr 、UV254 、UV410的去除率分别稳定在33 %、
35 %、40 %;对NH3
2N的去除效果不明显,其平均去除率在15 %左右,主要受原水浓度过高的影响。同时与其他工艺进行对比研究,
结果表明,由于该工艺结合了膜分离、活性炭吸附、生物降解三者的综合作用而表现出明显的优势。
　　关键词　膜- 生物活性炭反应器　有机物　氨氮　深度处理
Advanced treatment of effluents from sewage secondary treatment plant by membrane2biological activated carbon technol2
ogy at low temperature 　Kong Xianghui 1 , L i u Hong2 , Zhang S hanl i 1 , Yan Yi x in1 , He Yunhua3 . (1. S chool of
Envi ronment , Bei j ing N ormal Uni versi t y , Bei j ing 100875 ; 2. Department of Envi ronmental Engineering , Bei j ing
Uni versi t y of A eronautics and Ast ronautics , Bei j ing 100083 ; 3. Of f ice of S outh2to2N orth Water Di version Project
Commi ttee of S tate Counci l , Bei j ing 100053)
Abstract : 　The feasibility and mechanism of advanced t reatment effluent s sampled f rom a secondary t reatment
plant of sewage in Beijing by membrane2biological activated carbon technology at low temperature were studied. It was
found that the removal of organic compounds was quite effective at a hydraulic retention time ( HRT) of 3 h , with
33 % ,35 % , 40 % and 15 % CODCr ,UV254 , UV410 and ammonia removals , respectively , In comparison with the con2
ventional biological activated carbon process , it was considered that the process developed in this work has distinct ad2
vantages such as the synergistic effect s of membrane separation , activated carbon adsorption and biological degrada2
tion.
Keywords : 　Membrane2biological activated carbon technology 　Organic compound 　Ammonia nit rogen 　Ad2
vanced t reatment process
　　水资源短缺和水污染造成的水危机已成为我
国社会经济发展的制约因素。将城市污水加以回
收利用,实现污水资源化,是解决水资源短缺经济
的有效途径[ 1 ] 。但随着社会对水质要求的提高,
传统的水处理工艺已不能满足安全、优质的供水
水质要求,即使是水中存在的微量污染物对人体
健康也具有长期潜在的危害[ 2 ] ,因此必须对城市
回用水进行深度处理。生物活性炭技术由于其处
理效果良好、操作方便简单、成本低廉而成为污水
深度处理的有效手段。
　　生物活性炭(BAC) 工艺同时存在对难生物降
解物质的吸附作用和对可生物降解物质的氧化作
用[3 ] ,是活性炭吸附与微生物降解协同作用过程。
活性炭为微生物提供适宜的环境,促进微生物的生
长,同时微生物膜又改变活性炭的物理吸附平衡而
使活性炭得以再生,所以可溶性有机物可同时被活
性炭吸附和微生物降解而得以去除[4 ] 。
　　膜- 生物活性炭(BPAC2MF) 工艺充分结合膜
分离与生物降解的作用[5 ] ,在污水处理领域的可行
性已取得共识。本文以北京市北小河污水处理厂二
沉池出水作为试验原水,研究该工艺对回用水中有
机综合指标及氨氮的处理效果,并探讨该工艺低温
运行的可行性,为其大规模实际工程提供设计参考。
1 　试验材料与试验方法
1. 1 　试验材料
　　试验原水来自北京市北小河污水处理厂二沉池
出水,试验期间进水水质如表1 所示。
　　试验采用载体是太原某化工厂生产的FJ 074煤
质粉末活性炭,其湿度≤5 % ,碘值900 mg/ g ,亚甲
基蓝吸附值150 mg/ g。
　　试验所用膜组件采用天津某工程技术有限公司

表1 　试验期间原水水质状况
水质指标水温/ ℃ p H CODCr / (mg ·L - 1) UV254/ cm- 1 UV410/ cm - 1 NH3
2N/ (mg ·L - 1)
测试数据4～10 7. 1～9. 0 33. 216～56. 467 0. 149～0. 161 0. 020～0. 025 55. 112～60. 007
生产的微滤膜,型号为FP2T (实验型) ,膜材质为聚
偏氟乙烯(PDVF) ,膜面积为1. 0 m2 ,膜孔径为0. 22
μm ,纤维内径0. 5 mm ,外径0. 8 mm。
1. 2 　试验装置及参数
　　本试验采用的设备是一体式膜- 生物活性炭反
应器,此系统是生物粉末活性炭与中空纤维微滤膜
组件结合的工艺,系统的流程见图1 。反应器材料
为有机玻璃,有效容积为30 L 。反应器中设有隔
板,并把反应器分成两个区,中空纤维膜组件架于隔
板之上而置于反应器内。膜组件下设有多孔曝气
管,气泵通过其向反应器提供空气,一方面是为水中
的微生物提供氧气,另一方面则造成反应区粉末炭
的扰动。空气的鼓动可在一区产生上升流,形成错
流微滤,同时在另一区形成下降流,促进了粉末活性
炭的流化。
图1 　膜- 生物活性炭反应器流程图
1 - 二沉池;2 - 进水泵;3 - 流量计;4 - 阀门;5 - 进水;6 - 鼓风机;7
- 多孔曝气管;8 - 一体式膜- 生物活性炭反应器;9 - 中空纤维膜组
件;10 - 煤质粉末活性炭;11 - 负压表;12 - 抽吸泵;13 - 出水
　　系统内的HRT 保持在1. 5 h ,活性炭质量浓度
为24 g/ L ,DO 维持在4～6 mg/ L ,膜压常规操作条
件下控制在15～30 kPa 。系统采取间歇操作(运行
8 min ,停2 min) 来减小膜压力,控制膜污染。反应
器采用PLC 自动控制。
1. 3 　试验过程
　　本次试验过程如下:首先将煤质粉末活性炭用
去离子水多次清洗,然后在去离子水中浸泡48 h ,
去除活性炭在生产过程中吸附的杂质,再将清洗后
的活性炭放在烘箱内烘干,然后一次性投加到反应
器中,使反应器中活性炭质量浓度达到24 g/ L ,启
动反应器。此反应器先是在北京三家店水库进行微
污染水源水现场试验,连续运行一段时间之后,将反
应器连同其中的混合液体移至北小河污水处理厂进
行污水回用深度处理试验,在水温10 ℃以下的条件
下运行两个月。试验期间平均每3～4 d 取原水水
样和反应器出水水样进行测试。
1. 4 　测试指标及方法
　　本试验采用的测试指标及方法、仪器如表
2 所示。
表2 　试验中采用的测试指标及方法仪器
测试指标分析方法测试仪器
水温- 温度计
p H - p H 计
CODCr 滴定法HACH COD 测定仪
UV254 紫外分光光度法755 可见- 紫外分光光度计
UV410 可见分光光度法755 可见- 紫外分光光度计
NH3
2N 纳氏试剂光度法755 可见- 紫外分光光度计
DO 电极检测法YSI2MODEL95 溶氧仪
2 　试验结果分析与讨论
2. 1 　水力停留时间的确定
　　生物粉末活性炭(BPAC) 对水中有机物生物降解
动力学曲线见图2 ,其目的是为了研究BPAC 在膜-
生物活性炭反应器工艺中的作用机制。图中纵座标
为水样中由UV254 表征的残余有机物浓度。生物活
性炭吸收能力与温度和压力有关,但由于本试验是在
实验室常温常压下进行,故影响可以忽略。分析图2
可以看出,90 min 以后BPAC 对有机物的降解速率很
低,去除率基本保持不变,但考虑到实际现场试验低
温对微生物活性的影响,实际的HRT 选择3 h。
图2 　生物活性碳工艺中有机物随时间的降解曲线
2. 2 　操作压力的选择
　　郑祥[6 ] 研究表明,膜组件的操作压力是系统运
行的重要参数,对膜通量和膜污染同时有影响。保
持较低的操作压力(0. 02～0. 04 MPa) 不仅有利于
降低能耗,而且能够长期保持较高的膜通量。在较
高的操作压力下能获得较大的膜通量,但会加快膜
污染速度,增加膜系统能耗;在较低的操作压力下,
虽然能降低膜污染速度,但膜通量就不能达到较大
值。因此,在实际运行中,操作压力的选择必须从膜
通量与能耗两方面进行综合考虑。图3 是膜分离系
统的微滤膜组件的膜通量与膜面操作压力的关系。
由图3 可以看出,膜通量随操作压力的增加而增加,
但增加速度逐渐降低并趋向平缓,这主要是由于膜

分离是一种压力驱动的过滤过程,有机物质通过微
滤膜的过滤阻力来自微滤膜微孔本身的阻力及有机
物在膜表面形成的凝胶层的阻力,该凝胶层厚度与
密实程度对膜通量具有直接影响。膜表面的凝胶层
在高的操作压力下变得更加密实,使过滤阻力增加,
从而降低膜通量增加的速度。系统存在着一个最佳
操作压力范围,在这个压力范围内,在尽量降低系统
的能耗的条件下获得较大的膜通量。试验表明,在
本试验的条件下,适宜的操作压力在15～30 kPa ,
此时的膜通量维持在18 L/ ( h ·m2 ) 左右。试验运
行期间的膜通量一直保持较好的稳定趋势(见图
4) ,说明该反应器可在较长的时间内稳定运行。
图3 　膜通量随操作压力的变化
图4 膜生物反应器工艺的膜通量情况随时间的变化
2. 3 　有机综合指标的去除
　　本次试验采用CODCr 、UV254 、UV410 来代表水
中有机物的综合指标。图5 给出膜- 生物活性炭工
艺在温度低于10 ℃的条件下对水中CODCr 、UV254 、
UV410 三者的净化能力。从图5 可以看出, 进水
CODCr为50 mg/ L 左右时,出水CODCr 基本能达到
35 mg/ L 以下,净化效率在33 %以上;进水UV254 值
在0. 15 cm- 1 左右时,出水达到0. 09 cm- 1 以下,
UV254 的去除率平均在35 %以上; UV410 值由平均
0. 022 cm- 1 降为平均0. 012 cm- 1 ,其平均去除率在
45 %以上,这说明本工艺对水中有机物具有良好的
净化效果,三者的去除率分别稳定在33 %、35 %和
40 %以上。
　　通过三者的对比分析可知,本工艺对三种参数
(CODCr 、UV254 和UV410 ) 表征有机物的去除效果基
本上呈现依次增强的趋势,这主要是由于它们分别
代表水中不同的有机物。CODCr 是以重铬酸钾的氧
化能力为基准的,其氧化能力有限,并不能够将水中
的有机物完全氧化,特别是一些大分子和结构复杂
的有机物,因此CODCr 主要代表水中较易氧化分解
的较小分子量的有机物; UV254 是一个以光学原理
为基础的参数,芳香族化合物或具有共轭双键的化
合物在波长254 nm 处有吸收峰,可作为TOC 及T2
THMFP 的代用参数[7 ] ;UV410主要反映水中具有较
大共扼体系的有机化合物,如水中的大分子腐殖质
等,是主要成色物质。三种参数反映不同分子量大
小的化合物。系统经长时间运行后,在生物降解作
用下,水中一些大分子成色物质不断转化成小分子
物质,从而加大CODCr去除的难度,这也就是三者去
除效果基本上依次增强的原因。
　　本工艺主要结合微滤膜的分离、活性炭的吸附
及微生物降解三者的共同作用。微滤膜通过其机械
筛分过程,将大分子的悬浮物、细菌微粒等作为浓缩
液截留,而一些小分子的有机物可以透过膜表面;活
性炭是一种良好的吸附剂,凭借其发达的孔隙和巨
大的比表面积不仅对水中有机物表现出良好的吸附
性能,同时还为微生物提供生活场所;微生物则以水
中基质污染物作为其获得能量和营养的源泉,通过
其自身的新陈代谢过程完成对有机物的降解。正是
这三种作用的完美结合才保证反应器对水中有机物
的良好的去除效果。
图5 　膜- 生物活性炭工艺对水中有机物的净化效果
　　反应器是在低温环境下运行的,温度无疑成为
工艺中的重要影响因素。膜分离作用基本上受温度
影响很小;而对于活性炭的吸附来说,由于大多数有
机物随温度下降溶解度下降,低温下更容易被吸附,
所以随温度下降活性炭吸附能力反而提高;而温度
降低,主要影响的是微生物的降解作用,温度下降会
导致微生物活性降低,正是这三种作用的综合保证
反应器低温运行的可能性及稳定性。

2. 4 　N H3
2N 的去除
　　对N H3
2N 的去除主要是依靠硝化细菌的硝化
作用。硝化菌是自养性细菌,其生理活动不需要有
机性营养物质。通常条件下,硝化菌的生长速度很
慢,各种硝化细菌的比生长率比异养细菌的比生长
率至少小一个数量级[7 ] 。因此,自养性的硝化细菌
一般得不到竞争优势, 不能成为优势种。另外,
N H3
2N 的硝化作用对DO 的要求很高,N H3
2N 去
除率与水中的DO 消耗有正相关性。图6 记录出膜
- 生物活性炭工艺对N H3
2N 的去除效果。由图中
可以看出,该工艺对于去除N H3
2N 具有一定的作
用,但效果并不是很理想,去除率只有15 %左右。
分析原因可能有三:其一,系统的运行时间并不长,
硝化菌的生长速度比较缓慢,其积累需要很长的时
间;其二,尽管该工艺中膜的分离作用可以促使微生
物有效截留,持续的曝气可以保证充足的DO ,但是
低温环境却造成生物活性的抑制,这对于本身就生
长缓慢的硝化细菌来说就更加不利;其三,硝化细菌
将N H3
2N 作为氮源,但一定的微生物量所利用的
N H3
2N 是有限的,本次试验中原水的N H3
2N 平均
值达到了60 mg/ L ,这对于脆弱的微生物来说是无
法承受的。基于以上原因,导致了去除N H3
2N 的
效果不佳。
图6 　膜- 生物活性炭工艺对N H3
2N 的去除效果
图7 　本工艺与其他工艺的比较
2. 5 　与其他工艺的对比
　　在采用本工艺进行试验期间,还同时进行采用
单纯生物活性炭工艺深度处理回用水的对比试验。
二者对比试验结果如图7 所示。由图中可以看出,
膜- 生物活性炭工艺相对于单纯生物活性炭工艺具
有明显的优势, UV254 、UV410 的去除率平均高出
20 %～30 % ,这主要是因为膜—生物活性炭反应器
结合膜分离、活性炭吸附、生物降解三者的综合作用
而使其优势得以充分发挥的结果。
3 　结　论
　　膜- 生物活性炭工艺结合微滤膜分离、活性炭
吸附及微生物氧化三者的综合作用,有效地保证本
工艺低温运行的可行性和稳定性。
　　HRT 是影响系统工程运行的重要参数,通过
系统对水中有机物的生物降解动力学曲线可知,选
择HRT 为3 h 是比较适宜的。
　　膜组件的操作压力对膜通量和膜污染同时有影
响,系统存在着一个最佳操作压力范围。试验结果
表明,在本试验的条件下,适宜的操作压力为15～
30 kPa ,此时的膜通量稳定维持在18 L/ (h ·m2 ) 左
右,说明该反应器可在较长的时间内稳定运行。
　　在温度低于10 ℃的条件下,本工艺对回用水中
有机物具有良好的去除效果。结果表明,系统对
CODCr 、UV254 、UV410 的去除率分别稳定在33 %、
35 %和40 %以上。
　　系统对去除回用水中N H3
2N 具有一定作用,
但效果不是非常理想,其平均去除率为15 %左右,
这不仅与低温环境造成的生物活性抑制性有关,同
时还与原水浓度过高有关。
　　本工艺与其他工艺相比具有比较明显的优势,
其UV254 、UV410 的去除率平均高出20 %～30 % ,是
一种值得推广应用并具有良好发展前景的污水深度
处理工艺。
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