城市污水MBR處理工藝出水回用消毒副產(chǎn)物的生成與控制.pdf

1、水資源短缺已經(jīng)成為制約全球社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一，是未來50年人類社會發(fā)展亟需解決的重大問題。城市污水再生利用不僅可以改善水環(huán)境污染現(xiàn)狀，還可以有效緩解水資源短缺問題，是提高水資源綜合利用率的有效途徑。但是，再生水利用過程中健康和生態(tài)風(fēng)險的分析和控制是污水再生回用領(lǐng)域面臨的重要問題。本文研究了膜生物反應(yīng)器(MBR)在城市污水處理與回用中的污染物去除效能，分析了MBR出水氯消毒過程中消毒副產(chǎn)物(DBPs)的生成情況，系統(tǒng)研究了消毒條件

2、、MBR出水溶解性有機(jī)物(DOM)特性對氯消毒DBPs生成的影響，并通過實驗手段，將不同生長時期微生物分泌的代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離，分析了其DBPs生成情況，研究了MBR系統(tǒng)內(nèi)微生物代謝活動特征對出水消毒DBPs生成的影響;利用差異光譜技術(shù)定量分析了消毒導(dǎo)致的DOM光譜特性變化與DBPs生成的相關(guān)性，探討MBR出水消毒DBPs的生成機(jī)制;同時，本研究還分析了粉末狀活性炭(PAC)對MBR出水氯消毒DBPs生成的控制作用。
　　主要研究結(jié)

3、果如下:
　　1.MBR對城市污水中的懸浮物和可降解有機(jī)物有較高的去除能力，去除效率分別達(dá)100％和98％。MBR出水可滿足我國城市非飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和其他多種再生水水質(zhì)要求。城市污水經(jīng)MBR處理后，大分子量、疏水酸性有機(jī)物相對含量增加，分子量大于100 kDa的DOM比例由20％提高至50％左右，疏水酸性有機(jī)物(HoA)的比例由25％左右升至40％以上;與城市污水原水相比，MBR出水氯消毒三鹵甲烷生成勢(THMFP)明顯升高。MB

4、R出水中高濃度的Br-導(dǎo)致氯消毒后溴代三鹵甲烷（Br-THMs）產(chǎn)量增加。提高加氯量和消毒時間導(dǎo)致THMs生成量增加，而且提高了氯代三鹵甲烷(Cl-THMs)的相對含量，降低了Br-THMs的含量。
　　2.MBR出水DOM以大分子量有機(jī)物為主，分子量大于30 kDa的DOM占50％以上，分子量小于1 kDa的有機(jī)物不足10％，而且大分子量有機(jī)物的SUVA值高于小分子量有機(jī)物;MBR出水中52％的DOM為親水性有機(jī)物(HiS)，疏

5、水性有機(jī)物中以疏水酸性有機(jī)物(HoA)為主，HoA約占總DOM的38％，且疏水性有機(jī)物的SUVA值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于親水性組分，其中HoA組分的SUVA值最高，約為2.75 L/mg·m。MBR出水氯消毒后，三氯甲烷(THMs)生成活性隨著分子量增加而升高，且大分子量有機(jī)物組分對MBR出水氯消毒THMFP的貢獻(xiàn)高于小分子量組分，其中分子量大于30 kDa的DOM對THMFP的貢獻(xiàn)超過50％。小分子量有機(jī)物有較高的溴結(jié)合因子，容易與水體中的Br結(jié)合

6、形成Br-THMs。疏水性有機(jī)物的THMs生成活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于親水性有機(jī)物。其中HoA組分具有最高的THMs生成活性，而且對MBR出水氯消毒THMFP貢獻(xiàn)率高達(dá)71％。此外，HiS組分的溴結(jié)合因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于疏水性有機(jī)物，有較高的Br-THMs生成能力。MBR出水的熒光性有機(jī)物中，芳香蛋白和類腐殖酸有較高的THMs生成活性，類溶解性微生物代謝產(chǎn)物和類富里酸有較高的Br結(jié)合能力。而且，類腐殖酸的熒光峰強(qiáng)度與THMs生成活性呈線性正相關(guān)，類溶解性微

7、生物代謝產(chǎn)物與THMs生成活性呈線性負(fù)相關(guān)。
　　3.處于內(nèi)源呼吸期的微生物其溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP)的分泌量增加。與增長期的微生物分泌的溶解性微生物代謝產(chǎn)物(與基質(zhì)利用相關(guān)的產(chǎn)物，UAP)相比，處于內(nèi)源呼吸期的微生物分泌的溶解性微生物代謝產(chǎn)物（與生物量相關(guān)的產(chǎn)物，BAP）具有較低的SUVA值。UAP和BAP均以大分子量有機(jī)物為主，但是UAP的平均分子量小于BAP，且含有一部分分子量小于500 Da的小分子量有機(jī)物。UAP中

8、蛋白質(zhì)與多糖的含量比值高于BAP，且UAP中最主要的發(fā)熒光有機(jī)物為類蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸物質(zhì)，而BAP中主要的發(fā)熒光有機(jī)物為腐殖質(zhì)，包括腐殖酸和富里酸。UAP中含有芳香族蛋白質(zhì)/多肽/氨基酸，以及芳香族仲胺類物質(zhì)，而BAP含有較多碳水化合物和脂肪族伯胺類化合物。氯消毒后，BAP產(chǎn)生的DBPs總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于UAP。并且，BAP具有很高的鹵代DBPs生成活性，其中三氯乙腈(TCAN)的生成活性極高，是UAP中TCAN生成活性的276倍左右。而

9、UAP具有較高的二甲基亞硝胺(NDMA)生成活性，約為BAP的3倍。
　　4.MBR出水氯消毒后，鹵代DBPs的生成量極高;采用一氯胺替代氯消毒，可有效降低鹵代DBPs生成量，但是卻極大地提高了NDMA的生成量。MBR出水氯和一氯胺消毒后，生成的鹵代DBPs以THMs為主;延長消毒時間，會增加DBPs的生成量。
　　差異對數(shù)轉(zhuǎn)換吸收光譜理論可用于定量分析MBR出水中鹵代DBPs的生成，而且對氯和氯胺消毒過程均適用。四種三鹵甲

10、烷生成量(THM4)與波長350 nm下差異對數(shù)轉(zhuǎn)換光譜（-DLnA350）和在吸收波長300-340 nm范圍內(nèi)的差分吸收光譜(-DSlooP300-340)之間均存在很強(qiáng)的指數(shù)正相關(guān)性，相關(guān)性指數(shù)R2＞0.99;四種鹵乙腈生成量(HAN4)與-DLnA350和-DSlooP300-340之間均呈線性正相關(guān)。MBR出水中有兩類DOM都與氯和氯胺有較高的反應(yīng)活性，說明MBR出水中有兩類不同性質(zhì)的消毒副產(chǎn)物前體物。
　　氯和氯胺消毒

11、均會引起MBR出水DOM熒光淬滅，差異熒光區(qū)域積分以及差異三維熒光峰值可用于定量分析鹵代DBPs的生成。THM4與總差異熒光區(qū)域積分值（-ΦT，n）、區(qū)域Ⅱ差異熒光區(qū)域積分值（-ΦⅡ，n）、區(qū)域Ⅲ差異熒光區(qū)域積分值（-ΦⅢ,n）之間均呈指數(shù)正相關(guān)，相關(guān)性指數(shù)R2＞0.99; HAN4與上述3個差異熒光區(qū)域積分參數(shù)之間均呈線性正相關(guān)。區(qū)域Ⅰ差異熒光區(qū)域積分值與鹵代DBPs生成量之間無明確定量關(guān)系，但是區(qū)域Ⅰ的差異三維熒光峰值-DI(λ28

12、0λ310)與THM4呈指數(shù)正相關(guān)，相關(guān)性指數(shù)R2＞0.99，與HAN4呈線性正相關(guān)。
　　芳香族蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)類物質(zhì)是MBR出水中兩類主要的鹵代DBPs前體物。MBR出水氯和氯胺消毒過程中，在DOM鹵化反應(yīng)的初始階段，并沒有DBPs生成，且鹵乙腈(HANs)在THMs之前生成。
　　MBR出水氯和氯胺消毒過程中，吸收光譜和三維熒光光譜(EEM)的光譜學(xué)參數(shù)變化與NDMA生成量之間無明確相關(guān)性。
　　5.向MBR反應(yīng)器

13、內(nèi)投加PAC明顯提高了MBR工藝出水水質(zhì)，增強(qiáng)了MBR對城市污水中DOM的去除效能，降低了MBR出水中DBPs前體物的含量。投加PAC明顯改善了MBR反應(yīng)器內(nèi)污泥的聚集特性，有效地降低了MBR工藝的膜污染。投加PAC提高了MBR出水DOM中大分子量組分和疏水性組分的百分比;PAC/MBR出水DOM中約有50％為HoA，而MBR出水DOM中HoA僅為42％。PAC/MBR出水DOM中分子量小于1 kDa的組分占12％，而MBR出水中為16

14、％。PAC/MBR出水中芳香蛋白組分百分比高于MBR出水，而類溶解性微生物代謝產(chǎn)物和類富里酸物質(zhì)百分比低于MBR出水。
　　投加PAC對MBR出水氯消毒后THMFP沒有明顯影響，但明顯降低了氯消毒過程中Br-THMs產(chǎn)量，有利于降低MBR出水氯消毒產(chǎn)生的毒性;此外，投加PAC提高了MBR出水DOM氯消毒后THMs生成活性。MBR出水中52％的THMs前體物為快反應(yīng)物質(zhì)。而投加PAC后，MBR出水中快反應(yīng)物質(zhì)含量明顯降低，82％的T