劉武平，劉皓林，呂錫武，朱光燦，周克梅

(1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，成都 610081;2.東南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，南京 210096;3.南京市自來(lái)水總公司，南京 210002)

常規(guī)水處理工藝的處理對(duì)象是水中的懸浮物、膠體雜質(zhì)和微生物，而對(duì)氨氮和溶解性有機(jī)物的去除能力有限［1，2］。目前很多水廠依然采用傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝，其局限性隨著水源水質(zhì)的惡化和飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高而日益突出。在普通砂濾池內(nèi)填裝活性炭將其改造成為生物活性濾池，與混凝、沉淀及消毒單元構(gòu)成強(qiáng)化常規(guī)工藝，可以在不增加新的處理設(shè)施的情況下實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、吸附和生物降解，提高水廠對(duì)氨氮和溶解性有機(jī)物的去除能力。

1 方法及分析方法

1.1 原水水質(zhì)

本中試試驗(yàn)在南京自來(lái)水總公司下屬的某自來(lái)水廠進(jìn)行，為水廠的改造和擴(kuò)建提供試驗(yàn)參數(shù)參考。原水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)重點(diǎn)考察強(qiáng)化了常規(guī)工藝對(duì)氨氮和有機(jī)物的去除效果，同時(shí)對(duì)柱狀活性炭和顆?；钚蕴刻盍系牟煌幚硇ЧM(jìn)行對(duì)比。因活性炭可能會(huì)導(dǎo)致出水濁度略升，故把濁度也作為一項(xiàng)考察指標(biāo)，以分析濁度對(duì)強(qiáng)化常規(guī)工藝可能帶來(lái)的負(fù)面影響。

表1 原水水質(zhì)情況表Tab.1 Water quality indexes of raw water

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。中試規(guī)模Q=1m3/h，其中機(jī)械攪拌絮凝池分為3個(gè)分格，每格內(nèi)裝設(shè)攪拌機(jī)一個(gè)，各格之間用設(shè)有過(guò)水孔的垂直隔墻導(dǎo)流，孔口位置采取上下交錯(cuò)方式排列，平均速度梯度為45.28s-1，GT 值為5.98 ×104，斜板沉淀池顆粒沉降速度 μ=0.40mm/s，表面負(fù)荷 q=5.55×10-4m/s。為保證混凝沉淀出水 (生物活性濾柱進(jìn)水)濁度在1NTU以下，混凝沉淀的藥劑投加量為20mg/L，雨季根據(jù)進(jìn)水濁度適時(shí)調(diào)整加藥量，最大加藥量在30～40mg/L。

圖1 強(qiáng)化常規(guī)工藝試驗(yàn)裝置流程Fig.1 Process diagram of experiment

生物活性濾柱材質(zhì)為有機(jī)玻璃，總高2500mm，直徑 DN250，底部承托層高度400mm，均質(zhì)石英砂層厚度為350mm，粒徑d10=0.55mm，不均勻系數(shù)K80＜2.0，活性炭層厚度650mm。為比較不同活性炭類型對(duì)強(qiáng)化常規(guī)工藝處理效果的影響，本研究采用2個(gè)生物活性濾柱，其中1#內(nèi)裝填柱狀活性炭，2#內(nèi)裝填顆粒狀活性炭。兩種活性炭的規(guī)格及特性詳見(jiàn)表2。

表2 柱狀及顆粒狀活性炭規(guī)格特性表Tab.2 Specification of columnar and granular activated carbon

鑒于自然掛膜的生物活性較高［3］，試驗(yàn)在濾柱空床接觸時(shí)間 (EBCT)為13.5 min的條件下自然掛膜，運(yùn)行40天后自然掛膜成功。穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月后，將濾柱的空床接觸時(shí)間調(diào)整為10 min，再連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行2月以后進(jìn)行連續(xù)全流程測(cè)樣 (每周3～4次)，濾柱反沖洗的強(qiáng)度控制參數(shù)為:低強(qiáng)度氣反沖5 L/m·s，歷時(shí)5min，高強(qiáng)度水反沖15 L/m2·s，反沖洗時(shí)間15min。濾柱反沖洗周期結(jié)合出水濁度和過(guò)濾水頭確定，一般為1～2d。反沖洗水為濾后出水。

1.3 分析方法

基本水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)項(xiàng)目包括溫度、濁度、pH值。

有機(jī)物用高錳酸鹽指數(shù) (CODMn)，紫外吸光度 (UV254)，溶解性有機(jī)物 (DOC)和可生物降解的溶解性有機(jī)物 (BDOC)四項(xiàng)指標(biāo)來(lái)表征，同時(shí)檢測(cè)氨氮 (NH3-N)和亞硝氮 (NO-2-N)。分析方法如下:

(1)紫外吸光度:將經(jīng)0.45μm膜過(guò)濾后的水樣用1cm石英比色皿在254 nm下測(cè)定其吸光度值。

(2)溶解性有機(jī)物 (DOC):用島津TOC儀測(cè)定。

(3)可生物降解的溶解性有機(jī)物 (BDOC):生物砂培養(yǎng)測(cè)定法測(cè)定。將待測(cè)水樣經(jīng)0.45 μm膜過(guò)濾后，去除其懸浮物、膠體和除微生物，然后向水樣中接種含有同源細(xì)菌的生物砂，在恒溫條件下 (一般為20℃)培養(yǎng)10天，測(cè)定培養(yǎng)前后DOC的差值即為BDOC。

(4)其余水質(zhì)指標(biāo)參考《飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB5750-2006)檢測(cè)［4］。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)濁度的去除效果

工藝對(duì)濁度的去除效果見(jiàn)圖2。強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)濁度有較好的去除效果，并且兩種活性炭濾料對(duì)濁度的去除效果差別不大。當(dāng)原水在20.3～60 NTU范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整混凝沉淀的投藥量，保證沉淀出水濁度小于1NTU的情況下，強(qiáng)化常規(guī)工藝出水濁度去除率均可保證在99%以上，出水濁度在0.2NTU以下。

這是因?yàn)楫?dāng)活性炭用于強(qiáng)化常規(guī)而非深度處理工藝時(shí)，其進(jìn)水為沉淀池出水，濁度比起深度處理工藝進(jìn)水的砂濾出水高很多，活性炭細(xì)微顆粒脫落為出水濁度帶來(lái)的負(fù)面可以忽略。同時(shí)，活性炭層充分發(fā)揮了生物膜吸附、絮凝作用去除濁度，結(jié)合石英砂層起到的常規(guī)過(guò)濾作用，使得強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)濁度去除率能夠保證在95%以上，可以確保出水的濁度要求。

圖2 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)濁度的去除效果Fig.2 Removal of Turbidity in enhanced conventional water treatment process

2.2 對(duì)NH3-N及NO-2-N的去除效果

強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)NH3-N去除效果如圖3所示。

試驗(yàn)期間原水氨氮的平均濃度為0.8mg/L，其中最小值為0.42mg/L，最大值達(dá)到1.11mg/L。從圖3可以看出，強(qiáng)化工藝出水NH3-N濃度均低于0.5mg/L，可以滿足《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于氨氮濃度的限制。

圖3 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)NH3-N的去除效果Fig.3 Removal of NH3-N in enhanced conventional water treatment process

生物活性濾柱1和2的出水平均氨氮濃度分別為0.21mg/L 和 0.07mg/L，最大值分別為 0.38mg/L和0.15mg/L，最小值分別為 0.02mg/L 和 0.07mg/L。兩套工藝對(duì)氨氮的平均去除率分別為71%和91%。由此可見(jiàn)顆?；钚蕴繉?duì)氨氮的去除效果要明顯優(yōu)于柱狀活性炭。這是由于活性炭的制作工藝不同，顆粒炭比柱狀炭具有更加豐富的微孔孔隙和比表面積，作為濾料來(lái)說(shuō)，更利于生物掛膜的附著，而該工藝對(duì)氨氮的降解無(wú)疑是依靠生物作用來(lái)進(jìn)行的，所以生物活性濾柱2對(duì)氨氮的降解能力更強(qiáng)。

強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)NO-2-N的去除效果圖4所示。

圖4 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)NO2--N的去除效果Fig.4 Removal of NO2--N in enhanced conventional water treatment process

從圖4中所示結(jié)果可以看出，生物活性濾柱1和2出水NO2--N濃度的最大值分別為0.025 mg/L和0.021mg/L，最小值均為0.001mg/L，平均值分別為0.008 mg/L和0.006mg/L，對(duì)NO2--N的平均去除率分別為80%和84%。由此可見(jiàn)，兩種填料對(duì)NO2--N的去除率相差并不大，生物活性濾柱2要略好與1。

值得注意的是，在試驗(yàn)取樣的前幾次，工藝對(duì)NO2--N去除率很低，后來(lái)才逐漸升高。這是由于前幾次取樣水溫基本在10℃以下，平均水溫僅為7℃。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，硝化細(xì)菌的活性降低，從而影響了水中NO2--N的硝化。另一方面，冬季原水中NH3-N較高，由于NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N的過(guò)程受阻，而NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2--N的過(guò)程仍進(jìn)行，這使得NO2--N發(fā)生累積，從而影響了NO2--N的去除率。

在試驗(yàn)后續(xù)階段，水溫開始升高，基本維持在20℃左右，硝化細(xì)菌的活性開始增強(qiáng)，亞硝酸細(xì)菌的比增長(zhǎng)速度 (μN(yùn)S)小于硝酸細(xì)菌的比增長(zhǎng)速度(μN(yùn)R)，且硝化反應(yīng)常數(shù)很小，所以在穩(wěn)態(tài)條件下亞硝酸鹽的積累量很少［5］。此時(shí)強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)NO-2-N的去除率基本能夠維持在95%左右。

2.3 對(duì)有機(jī)物的去除效果

2.3.1 對(duì) CODMn的去除效果

常規(guī)工藝對(duì)CODMn的去除率一般在20% ～40%［6］，而強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì) CODMn的去除率可以達(dá)到50%～70%，明顯優(yōu)于常規(guī)工藝。這是由于生物活性濾柱中活性炭層的吸附作用以及生物降解作用增強(qiáng)了濾柱對(duì)CODMn的去除能力。

本試驗(yàn)中強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)CODMn的去除效果見(jiàn)圖5。可以看出，生物活性濾柱2的處理效果優(yōu)于1，這是因?yàn)轭w粒狀活性炭比柱狀活性炭有更發(fā)達(dá)的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)，一方面有利于活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附，另一方面也有利于微生物的附著生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)了生物活性濾柱2對(duì)CODMn的去除效果。

圖5 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)CODMn的去除效果Fig.5 Removal of CODMnin enhanced conventional water treatment process

2.3.2 對(duì) UV254的去除效果

強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)UV254去除效果如圖6所示。

UV254代表在紫外光在254 nm下有吸收峰的有機(jī)物，此類多含有羥基和羧基等極性基團(tuán)，在天然水體中呈負(fù)電性。投加混凝劑形成水解產(chǎn)物絕大部分帶正電，因此可以很好地發(fā)揮壓縮雙電層、電性中和的作用，使這些有機(jī)物脫穩(wěn)、聚集，并在沉淀過(guò)程中得以去除，常規(guī)工藝對(duì)UV254的去除率約為30%［7］，而強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)UV254的平均去除率在50%左右，可以看出生物活性濾柱對(duì)UV254的去除效果相對(duì)常規(guī)工藝并沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，原因可能是UV254代表的溶解性有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物降解性差，生物氧化作用不明顯。

圖6 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)UV254的去除效果Fig.6 Removal of UV254in enhanced conventional water treatment process

2.3.3 對(duì)有機(jī)物指標(biāo)的去除效果

強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)DOC及BDOC的去除效果如圖7、圖8所示。

圖7 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)DOC的去除Fig.7 Removal of DOC in enhanced conventional water treatment process

圖8 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)BDOC的去除效果Fig.8 Removal of BDOC in enhanced conventional water treatment process

DOC代表溶解性有機(jī)物的總量，也包括中性和弱極性的有機(jī)物，混凝沉淀過(guò)濾等常規(guī)工藝對(duì)該類物質(zhì)的去除效果很差。BDOC代表的是可生物降解的溶解性有機(jī)物，容易被微生物利用降解，原水中BDOC的含量直接反映了該種水質(zhì)的可生化性。從圖8及表3可知，原水中可生物降解的溶解性有機(jī)物所占比重較高，BDOC/DOC在54%左右，可生化性較好，說(shuō)明了原水適應(yīng)與生物降解有關(guān)的處理工藝。

表3 水質(zhì)DOC與BDOC的相關(guān)分析Tab.3 Correlation analysis of water quality of DOC and BDOC

強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)BDOC的平均去除率在63%左右，最高可達(dá)75%以上，且波動(dòng)范圍不大，說(shuō)明工藝對(duì)可生化有機(jī)物的去除效果良好，工藝穩(wěn)定運(yùn)行后微生物的生物作用發(fā)揮得較好，而常規(guī)工藝對(duì)BDOC的去除效果不佳，平均去除率在25%左右，這是因?yàn)樯盀V柱中填裝的石英砂不具備能夠生長(zhǎng)微生物的環(huán)境，生物作用很弱，而其經(jīng)常的反沖洗會(huì)使微弱的生物作用進(jìn)一步降低，導(dǎo)致了常規(guī)工藝對(duì)BDOC的去除率很低。強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)DOC的去除率可達(dá)到73%，甚至更高，這是由于生物活性濾柱對(duì)DOC具有很好的吸附和生物氧化作用，在生物活性濾柱中，活性炭將大部分有機(jī)物吸附，與此同時(shí)微生物首先將BDOC利用，然后繼續(xù)通過(guò)生化作用利用活性炭上吸附的有機(jī)物，提高了工藝DOC的去除率。吸附和氧化的雙重作用強(qiáng)化了工藝對(duì)DOC及BDOC的去除，這也是強(qiáng)化常規(guī)工藝較常規(guī)工藝在有機(jī)物的去除方面更具優(yōu)勢(shì)的原因。

2.4 強(qiáng)化常規(guī)工藝處理過(guò)程分子量分布特性分析

鑒于強(qiáng)化常規(guī)工藝2的處理效果要好于1，故在本節(jié)討論分子量分布特性時(shí)，選取強(qiáng)化常規(guī)工藝2作為研究對(duì)象，以常規(guī)工藝作為參照對(duì)象，考察工藝處理過(guò)程中分子量分布的變化特性，結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 原水及工藝出水中有機(jī)物分子量分布Tab.4 MW distribution of organics in raw water and effluent of different processes

表5 工藝對(duì)不同分子量區(qū)間有機(jī)物的去除效果Tab.5 Removal efficiency of organic matters with different MW

一般來(lái)說(shuō)，混凝沉淀及常規(guī)工藝可以有效去除分子量在3k以上的有機(jī)物，分子量在1k～3k間的有機(jī)物只能部分去除，分子量在0.5k～1k間的有機(jī)物反而會(huì)增加，而對(duì)分子量小于0.5k的有機(jī)物基本無(wú)效［8］。

強(qiáng)化常規(guī)工藝及常規(guī)工藝進(jìn)出水的分子量分布情況及不同分子量區(qū)間的去除情況如表4所示。原水中分子量小于1k的占48%，1 k～5 k的有機(jī)物占27%，大于5k的占25%。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)江南京段原水中的溶解性有機(jī)物主要是由小分子的有機(jī)物構(gòu)成。因此，常規(guī)工藝對(duì)原水中溶解性有機(jī)物的去除可能會(huì)存在一定的局限性。

常規(guī)工藝及強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)各種分子量區(qū)間的有機(jī)物去除效果見(jiàn)表5及圖9。從表中可以看出，分子量小于0.5 k的有機(jī)物在強(qiáng)化常規(guī)工藝中有較好的去除效果，去除率為39%，而常規(guī)工藝的去除率僅為4%，效果甚微。在分子量0.5 k～1 k段、1 k～5 k段和5k～10k段，強(qiáng)化常規(guī)工藝的處理效果均不同程度的優(yōu)于常規(guī)工藝。在10 k～100 k和＞100 k段的去除率則要略低于常規(guī)工藝。同時(shí)，通過(guò)表4可知，這兩個(gè)分子量段的有機(jī)物僅占總有機(jī)物量的11%左右。因此，強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)于小分子有機(jī)物有很好的去除效果，能夠彌補(bǔ)常規(guī)工藝對(duì)小分子有機(jī)物去除效果不理想的缺陷。在水廠的改建擴(kuò)建中，根據(jù)實(shí)際情況，可考慮采用強(qiáng)化常規(guī)工藝來(lái)提高出水水質(zhì)。

圖9 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)不同分子量區(qū)間有機(jī)物的去除效果Fig.9 Removal of organic matters with different MW in enhanced conventional water treatment process

3 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)江南京段水源水呈現(xiàn)一定的微污染態(tài)勢(shì)，利用生物活性濾池代替砂濾池形成的強(qiáng)化常規(guī)工藝進(jìn)行中試試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

3.1 在沉淀出水濁度控制在小于1NTU時(shí)，采用強(qiáng)化常規(guī)工藝能有效地去除水中的濁度，出水濁度在0.2NTU左右，去除率可以達(dá)到95%以上，不會(huì)因活性炭細(xì)小粉末脫落而引起出水濁度的升高。

3.2 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)NH3-N及NO-2-N去除率可分別達(dá)到70%，80%凸顯了生物濾柱的生物作用，處理效果明顯優(yōu)于常規(guī)工藝。

3.3 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果也較為明顯，對(duì)CODMn，UV254，DOC及BDOC的去除率分別達(dá)到90%，50%，75%，60%，提高了出水水質(zhì)安全性。

3.4 強(qiáng)化常規(guī)工藝對(duì)分子量小于1k的溶解性有機(jī)物去除效果良好，彌補(bǔ)了常規(guī)工藝對(duì)小分子有機(jī)物去除效果不理想的不足，可以有效地提高出水水質(zhì)，在利用微污染水源水的城市自來(lái)水廠改造等方面具有很好的參考價(jià)值。

3.5 填裝有顆粒狀活性炭的生物活性濾柱的處理效果要優(yōu)于填裝柱狀活性炭的生物活性濾柱。

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