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某自来水厂水源水受到微污染,为保证出水水质达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)要求,需对现有的常规处理工艺进行升级改造。改造工程采用新型水处理集成技术———PAC-MBR,即投加粉末活性炭(PAC)的膜生物反应器(MBR)组合工艺,该工艺具有水质调节能力良好、污染物去除范围广、设备紧凑、易于自动控制与一体式管理等优点,故可形成性能可靠、操作简单、适合县镇管理条件的饮用水安全保障技术。
笔者采用模型实验来模拟实际改造工程的工艺流程,针对改造工程中主体工艺的设计参数、运行方式等重要影响因素,设计了一组4因素3水平的正交试验,采用数学建模中的层次分析法建立运行工况的评价模型,综合应用隶属度评分、极差分析、方差计算等数据处理手段进行分析,最终得到实验最优的运行工况,以指导改造工程的实际运行工况的确定,对研究适合老水厂改造的饮用水安全保障技术具有一定的参考价值。
1试验装置与方法
1.1试验装置
本试验组合工艺流程如图1所示。采用一体式膜生物反应器,反应器(膜池)内置2个中空纤维膜组件,同时添加一定量的粉末活性炭[粒度0.075mm(200目)]。试验用膜为海南立升净水科技实业有限公司提供的浸没式PVC合金中空纤维膜,孔径为0.10μm,膜丝内径为1.00mm,外径为1.60mm,有效膜面积0.11m2,截留分子质量50000u。
图1试验装置
试验原水由一定量的腐殖酸和NH4Cl配制而成,CODMn约为4mg/L,氨氮约为2.5mg/L,该模拟配水与自来水厂沉淀池出水具有较好相似性,且可保证每个工况进水水质的一致性。进水经吸水隔膜泵打入生物反应器内,处理后的出水由吸水隔膜泵抽出,由安置在超滤膜组件和出水隔膜泵间的真空表测定跨膜压,膜组件采用间歇方式运行。通过小型气泵及设置在膜组件底部的穿孔管进行曝气,具体曝气量根据运行工况确定。反应器底部设有排泥阀,定期排泥以保证池内微生物活性。每个试验工况结束后,另设1台隔膜泵将膜出水反方向打入反应器对膜进行反冲洗。
1.2工艺运行方法
进水流量为6L/h,出水抽吸泵工作时流量为8L/h,通过调节阀门保持出水流量恒定,以跨膜压力(真空表读数)来表征膜污染程度。每个试验工况的进水时间和工艺运行时间均相同,运行过程中取样6次。膜池中粉末活性炭的投加量为2g/L,为了保证每次工况下膜池内的生物量和活性一致,每个工况结束后排掉一定体积混合液,再补充相应质量的新炭,维持池内的粉末活性炭浓度不变。每个工况结束后用膜出水对膜组件进行反冲洗,冲洗水流量为20L/h,冲洗时间为5min,后用质量分数为1%的NaOH溶液浸泡30min,直到膜的纯水通量恢复至新膜初始通量的95%以上为止。
1.3测试方法
UV254采用T6新世纪紫外可见光分光光度计(北京普析通用公司)测定;氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮采用标准分析方法测定。脂类物质是所有细胞中生物膜的主要成分,在细胞死亡后会很快分解,且超过95%的生物膜脂类是以磷脂形式存在,故用总磷含量来表示反应器中生物的活性具有可行性,总磷的测定采用钼锑抗分光光度法。胞外聚合物(EPS)可用来衡量膜池中对膜过滤产生不利影响的成分,本试验测定了混合液中溶解态蛋白质、多糖的含量,溶解态EPS的提取采用低速离心法,蛋白质用福林酚法在波长750nm下测定吸光度,多糖用蒽酮-硫酸法在波长625nm下测定吸光度。
2模型建立与数据分析
2.1正交试验设计
安排了一组4因素3水平的正交试验,以确定因素的主次性和显著性。根据文献确定影响因素为膜池内的曝气强度、膜池沉泥的刮泥间隔、膜抽吸泵的抽停时间、膜池内的曝气模式。膜池内的曝气强度根据气水比设计,选定3个曝气强度120、80、40L/h。膜池内的刮泥间隔通过公式t=TlnC0/Ce确定,其中T为膜池的水力停留时间(HRT=1.44h),C0为粉末活性炭初始质量浓度(2g/L),Ce为粉末活性炭剩余质量浓度,选定3个刮泥间隔1、0.75、0.5h。膜抽吸泵的抽、停时间根据进出水量确定,以水位不超过膜池超高以及不低于膜组件标高为准,选定3个抽、停时间组合30、10min,15、5min,9、3min。膜池内的曝气模式分别采用不曝气、间歇曝气(膜停抽时曝气,工作时不曝气)、连续曝气。正交试验方案见表1。
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