莫罹，黃霞 (清華大學環境科學與工程系，北京100084)

　　摘　要：通過靜態吸附試驗表明，粉末活性炭(PAC)為天然腐殖質類物質飽和后仍可吸附二氯酚(DCP)，并在連續運行試驗中進一步驗證了PAC-MBR抗DCP沖擊負荷的能力強于投加普通填料的MBR。通過測定進、出水有機物的表觀分子質量分布，發現PAC-MBR能有效去除1～4K(1K=1000u)的有機污染物，對4K～0.45μm有機物的去除與PAC的飽和程度有關，去除率隨運行時間延長而逐漸降低。PAC-MBR和普通填料-MBR均能有效去除可生物降解有機物，前者對可吸附有機物的去除率受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，連續運行中PAC-MBR內的微生物量為0.6×10⁸個活細胞/mL，與普通填料-MBR相當。耗氧速率測定結果 表明，PAC-MBR內的微生物活性略高于投加普通填料的MBR。?
　　關鍵詞：微污染原水；PAC；MBR；磷脂法；耗氧速率?
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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　試驗裝置與測定方法

1.1　工藝流程
　　一體式膜—生物反應器(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行，抽吸時間為15min、停抽時間為2.5min。鼓風機連續曝氣以提供充足的氧氣，同時清除膜表面的部分污染物。反應器內一次性投加粉末活性炭(PAC)2000mg/L。曝氣可促使PAC隨反應器內液、氣混合液一同循環流動，使PAC上附著的微生物膜、基質和氧氣充分接觸。為保持MBR內的液位恒定，采用液位控制器控制進水泵的開、停。
1.2　原水與監測指標
　　原水為人工配制(水質見表1)，主要含腐殖質、一般耗氧有機物、無機粘土成分及無機離子。其中腐殖質組分采用市售固態腐殖酸在強堿條件下的溶解組分；無機粘土采用高嶺土；耗氧有機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；微量無機離子成分包括PO₄^3-、NH₄⁺、Fe²⁺、Mg²⁺和K⁺。連續試驗期間選用難生物降解有機物—2,4-二氯酚(DCP)考察了PAC-MBR對人工合成有機物沖擊負荷的耐受能力。

表1　原水水質 水質指標 濁度(NTU) 高錳酸鹽指數(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：括號內數值為平均值。

　　常規監測指標包括高錳酸鹽指數、UV₂₅₄、氨氮和濁度，均按標準方法進行測定^［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。因為磷脂是細胞膜的主要組分，細胞死亡后會很快分解，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磷脂相當于10⁸個埃希氏桿菌(Escherichi acoli)。該法能測定出樣品中的絕大多數細菌且較靈敏，已在沉積物中微生物量的測定、飲用水生物處理中得到應用。另外，可通過測定微生物的耗氧速率（OUR）來評價微生物活性。

2　結果與討論?

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：同時含A、B，D：5mg/L的DCP溶液)通過兩組靜態試驗（恒溫25℃，搖床轉速175r/min，吸附時間為7d）考察了PAC對不同類型污染物的吸附性能，結果見圖2、3。?

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

表2　兩種MBR對不同分子質量有機物的去除特性 分子質量分布 PAC-MBR運行10d的去除率(%) PAC-MBR運行20d的去 除率(%) PAC-MBR運行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：“+”表示出水略高于進水；“++”表示出水高于進水；“-”表示幾乎沒有去除。

2.4　對可吸附、生物降解有機物的去除
　　有機物去除效果與有機物的可吸附性和可生物降解性密切相關。對進、出水有機物進行分類測定，比較了PAC-MBR運行初期（運行第10d）和后期（運行第57d）的有機物去除特性，結果如圖4所示。?

　　由圖4可見，PAC-MBR運行初期和后期均能有效去除BDOC，去除率可達85%～95%，而對NRDOC均無去除。對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內的活性微生物量，并與塊狀填料-MBR反應器內活性微生物總量進行了比較(見圖5)，發現二者數量相當。?

　　取反應器內泥樣100mL濃縮，以試驗原水作為基質，測得耗氧速率(OUR)曲線如圖6所示，并與塊狀填料-MBR進行比較。

　　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內生物量水平相當，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境有關。?

3　結論?

　　 ①靜態吸附試驗表明，當PAC為天然腐殖質類物質飽和后仍可吸附DCP。連續運行試驗進一步證明，PAC-MBR抗DCP沖擊負荷的能力強于投加普通填料的MBR。
　　 ②PAC-MBR對1～4K有機物的去除率較高，對4K～0.45μm的有機物的去除效果與PAC的飽和程度有關且隨運行時間降低。
　　 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物，PAC-MBR對可吸附有機物的去除受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內活性微生物量與塊狀填料-MBR相當，其微生物活性略高于后者。

參考文獻：

　　［1］ 國家環保局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法［M］.北京：中國環 境科學出版社,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］.中國環境科學,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