張曉娜 王蘇女 何嘉莉 巢 猛
(東莞市水務(wù)集團(tuán)供水有限公司,廣東東莞 523112)
水源水污染日益嚴(yán)重,人們對(duì)飲用水的要求越來(lái)越高,因此,如何提高飲用水水質(zhì)備受關(guān)注。常規(guī)處理工藝主要功能是去除濁度和殺菌,對(duì)水體中有機(jī)物和氨氮的去除能力有限。炭砂濾柱作為雙層濾料濾柱,上層活性炭通過(guò)物理吸附和生物降解作用提高對(duì)有機(jī)物的去除效果,下層砂濾料可以進(jìn)一步控制濁度,可以在保證對(duì)濁度去除的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物和氨氮等污染物的去除[1~3]。本研究通過(guò)搭建炭砂濾柱試驗(yàn)平臺(tái),開展炭砂濾柱應(yīng)對(duì)排澇期、高藻期等應(yīng)急突發(fā)污染水源的研究,綜合評(píng)估炭砂濾柱應(yīng)對(duì)突發(fā)污染水源水的能力,為老舊水廠工藝升級(jí)改造及新建水廠工藝選型提供參考。
濾柱裝置:濾柱管為不透明PVC水管,濾柱內(nèi)徑為0.042m,高0.8m,手工制作成。炭砂濾柱濾料填充從下到上依次為粗砂、石英砂和活性炭,承托層粗砂粒徑為2~4mm,厚度為50mm,石英砂層為均質(zhì)石英砂,有效粒徑d10=0.89mm,K80=1.58,厚度為100mm,活性炭層顆?;钚蕴亢穸葹?00mm,有效粒徑d10=0.42,K80=2.57,碘吸附值77.44mg/g,亞甲基藍(lán)吸附值46.8mg/g。砂濾柱石英砂有效粒徑d10=0.89mm,K80=1.58,厚度為700mm,承托層砂粒徑為2~4mm,厚度為50mm。兩套小試濾柱底部均設(shè)有獨(dú)立取水口,濾速為8m/h。
1.2.1 對(duì)排澇期水體的去除效果
取排澇期水樣,投加2.5mg/L聚合氯化鋁進(jìn)行混凝沉淀,沉淀30min后取上清液,分別過(guò)炭砂濾柱和砂濾柱,運(yùn)行穩(wěn)定后分別取濾后水測(cè)定CODMn、DOC、UV254、氨氮以及熒光溶解性有機(jī)物指標(biāo)。
1.2.2 對(duì)高藻期水體的去除效果
取東江原水并放置在陽(yáng)光下暴曬4天,水中藻類大量繁殖,水樣呈明顯淺綠色,測(cè)得原水pH>8.0,溶解氧濃度10mg/L以上,投加聚氯化鋁4mg/L(以Al2O3計(jì))進(jìn)行混凝攪拌(快攪500r/min,1min,慢 攪50r/min,15min),沉淀2h后,抽取上清液分別進(jìn)砂濾柱和炭砂濾柱過(guò)濾裝置過(guò)濾,分別取沉后水上清液、砂濾柱和炭砂濾柱出水,測(cè)定pH和鋁含量指標(biāo)。
CODMn:采用酸性高錳酸鉀滴定法;DOC:采用總有機(jī)碳分析儀;UV254:采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定;氨氮采用水楊酸鹽分光光度法進(jìn)行測(cè)定;pH采用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液比色法進(jìn)行測(cè)定;鋁采用鉻天青S分光光度法進(jìn)行測(cè)定。
三維熒光光譜測(cè)量:采用日立三維熒光光度計(jì)測(cè)量。以氙燈為激發(fā)光源,激發(fā)波長(zhǎng)200~400nm,步長(zhǎng)為5nm;發(fā)射波長(zhǎng)280~550nm,步長(zhǎng)為2nm;狹縫寬度10nm,光電倍增管電壓為500V,掃描速度30000nm/min,取樣于1cm石英熒光比色皿中測(cè)量。
2.1.1 對(duì)有機(jī)物的去除效果
對(duì)比分析炭砂濾柱和砂濾柱對(duì)排澇期有機(jī)物的去除效果,結(jié)果如圖1~3所示。由圖1~3可以看出,炭砂濾柱和砂濾柱對(duì)CODMn的平均去除率分別為30%、15%;對(duì)DOC的平均去除率分別為15%、6%;對(duì)UV254的平均去除率分別為17%、6%。由此可見(jiàn),炭砂濾柱對(duì)有機(jī)物的去除效果明顯優(yōu)于砂濾柱。這可能是因?yàn)橛袡C(jī)物主要通過(guò)生物作用去除,而砂濾料表面比較光滑,不利于微生物附著生長(zhǎng),因此,砂濾柱對(duì)有機(jī)物的去除能力較差。炭砂濾柱活性炭濾料比表面積大,表面粗糙多孔,利于微生物生長(zhǎng)繁殖[4],因此,活性炭表面的微生物量較多,生物降解有機(jī)物的作用較強(qiáng),對(duì)有機(jī)物的去除效果相對(duì)砂濾柱好。
圖1 炭砂濾柱與砂濾柱對(duì)CODMn的去除效果
圖2 炭砂濾柱與砂濾柱對(duì)DOC的去除效果
圖3 炭砂濾柱與砂濾柱對(duì)UV254的去除效果
2.1.2 對(duì)氨氮的去除效果
對(duì)比分析炭砂濾柱和砂濾柱對(duì)排澇期有機(jī)物的去除效果,結(jié)果如圖4所示。當(dāng)待濾水氨氮濃度較低時(shí),炭砂濾柱與砂濾柱出水氨氮濃度無(wú)明顯差別,氨氮去除率均能達(dá)到95%左右。當(dāng)待濾水氨氮濃度較高(>2.0mg/L)時(shí),砂濾柱對(duì)氨氮平均去除率為26%,炭砂濾柱對(duì)氨氮去除效果相對(duì)較好,平均去除率達(dá)到45%。原因主要是炭砂濾柱掛膜成熟后,活性炭巨大的比表面積為微生物附著提供場(chǎng)所,從而在過(guò)濾時(shí)通過(guò)微生物進(jìn)行硝化作用,降低出水中的氨氮濃度。
圖4 排澇期炭砂濾柱與砂濾柱對(duì)氨氮的去除效果
2.1.3 對(duì)熒光溶 解性有機(jī)物的去除效果
對(duì)原水、沉淀后水、砂濾柱出水以及炭砂濾柱出水溶解性有機(jī)物熒光光譜各區(qū)域的熒光強(qiáng)度進(jìn)行積分,得到各區(qū)的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積。如圖5所示。
圖5 炭砂濾柱與砂濾柱出水DOM熒光強(qiáng)度分布
從圖中可以看出,區(qū)域II和區(qū)域Ⅳ所占比例較高,說(shuō)明水體中溶解性有機(jī)物主要以芳香性蛋白質(zhì)類物質(zhì)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類物質(zhì)組成。炭砂濾柱對(duì)熒光溶解性有機(jī)物的去除效果較好,去除率為46.17%;砂濾柱對(duì)熒光溶解性有機(jī)物的去除效果較差,去除率僅為16.70%。主要原因是水體中顆粒物主要通過(guò)濾柱物理截留的方式去除,而對(duì)于溶解性有機(jī)物,主要通過(guò)生物降解作用去除,砂濾柱濾料表面生物量明顯少于炭砂濾料,因此,對(duì)熒光溶解性有機(jī)物的去除效果也明顯劣于炭砂濾柱。
東江流域在枯水期,水流緩慢,光照增強(qiáng),容易導(dǎo)致東江原水藻類繁殖,東江原水藻類豐度為5.6~7.6*106個(gè)/L。藻類白天大量吸收水體中二氧化碳,釋放出氧氣,導(dǎo)致東江原水pH和溶解氧升高,高pH原水會(huì)導(dǎo)致在混凝沉淀過(guò)程中混凝劑聚氯化鋁中鋁的溶出,存在一定的鋁超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),對(duì)水廠水處理工藝造成一定影響。
對(duì)比分析炭砂濾柱和砂濾柱對(duì)高藻期水體pH以及金屬鋁的去除效果,結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖中可以看出,當(dāng)待濾水pH為8.0~9.0,鋁含量為0.092~0.473mg/L時(shí),通過(guò)濾柱過(guò)濾,砂濾柱出水的pH在7.1~7.3之間,鋁含量在0.026~0.044mg/L;炭砂濾柱出水pH在6.8~6.9之間,鋁含量穩(wěn)定在0.004~0.017mg/L,炭砂濾柱去除鋁的能力遠(yuǎn)優(yōu)于砂濾柱。運(yùn)行期間炭砂濾柱和砂濾柱對(duì)鋁的平均去除率分別為93.71%和80.98%。炭砂濾柱可有效降低高藻期待濾水的pH和鋁含量,解決由于原水pH升高導(dǎo)致鋁析出問(wèn)題。究其原因主要是因?yàn)榛钚蕴繛V料表面疏松多孔,比表面積大,相對(duì)砂濾柱,更適宜微生物生長(zhǎng)繁殖。炭砂濾柱在過(guò)濾過(guò)程中除了物理截留和吸附作用,還發(fā)揮了生物降解作用。高藻水溶解氧含量高,微生物可以充分利用水體中的溶解氧對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解,微生物在生物降解以及自身新陳代謝的過(guò)程中產(chǎn)酸,并釋放出二氧化碳,使濾后水pH值降低。金屬鋁屬于兩性金屬,當(dāng)pH較高時(shí),會(huì)導(dǎo)致在混凝沉淀過(guò)程中混凝劑聚氯化鋁中鋁的溶出,導(dǎo)致待濾水中鋁含量偏高。通過(guò)炭砂過(guò)濾,水體中的pH得到降低,水體中金屬鋁從溶解態(tài)轉(zhuǎn)化為懸浮態(tài),懸浮態(tài)的鋁在炭砂濾柱濾層中得到進(jìn)一步截留,濾柱出水金屬鋁濃度隨之降低。
圖6 高藻期炭砂濾柱與砂濾柱對(duì)pH的去除效果
圖7 高藻期炭砂濾柱與砂濾柱對(duì)鋁的去除效果
對(duì)于排澇期水質(zhì),炭砂濾柱對(duì)有機(jī)物的去除效果明顯優(yōu)于砂濾柱,對(duì)CODMn、DOC、UV254的平均去除率分別為30%、15%、17%,當(dāng)待濾水氨氮濃度較低時(shí),炭砂濾柱與砂濾柱出水氨氮濃度無(wú)明顯差別,當(dāng)待濾水氨氮濃度較高時(shí),,炭砂濾柱對(duì)氨氮去除效果相對(duì)較好。炭砂濾柱對(duì)熒光溶解性有機(jī)物的去除效果也較好,去除率為46.17%。
對(duì)于高藻期水體,炭砂濾柱可有效降低高藻期待濾水的pH和鋁含量,當(dāng)待濾水pH為8.0~9.0,鋁含量為0.092~0.473mg/L,炭砂濾柱出水pH穩(wěn)定在6.8~6.9,鋁含量穩(wěn)定在0.004~0.017mg/L,炭砂濾柱對(duì)鋁的平均去除率達(dá)到93.71%。