05 饮用水深度处理技术：王占生106

饮用水深度处理技术王占生清华大学环境科学与工程系，北京，100084一、生活饮用水水质标准是纲，纲举目张二、水质预处理三、深度处理四、消毒五、结语一、生活饮用水水质标准是纲，纲举目张1985年前定的国家水质标准仅规定了35项水质项目。2006年国家颁布的新《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006，水质检测项目由35个增加到106个，同时对各项目的限值做出了更严格的要求。有了水质标准作为依据，要全面达到标准，给水工作者就应针对水源水质情况采取切实措施满足常规各水质项目，然后逐步检测非常规项目中各项有机污染物，因此势必在净化过程中采用国际先进工艺与技术，改善输水与配水管网，将合格饮用水送给用户，这将有效地推动给水事业进步，继而推动水源保护与江、河、湖、库水质的提高。二、水质预处理1、化学氧化水质预处理常用氯氧化，当有机污染尚未得到去除时，会产生较多的有害消毒副产物。目前采用KMnO4与其复合剂（一种专门商品）的应用逐渐展开，对氧化有机物、改善混凝取得较好效果。根据当地水质采用KMnO4是否会产生有害氧化物，是否降低Ames致突活性，报道甚少，仍需作针对性的研究、测试。臭氧预氧化可以提高有机物的可生物降解性，又可除嗅、脱色，去除铁、锰，但往往结合后续深度处理臭氧－活性炭时才采用。二、水质预处理2、投加吸附剂粉末炭一般只有在消除冲击性污染时采用，因投加量需1020mg/L，耗费较高（约需0.05元/m3左右）。3、调节pH由于投加酸与碱，运行成本增加，又在原水中增加无机离子，在我国很少采用。4、投加絮凝剂投加絮凝剂量不多（小于1mg/L）往往能获得好的效果，但我国仍习惯于只加一种混凝剂。二、水质预处理5、生物预处理对水中氨氮的去除生物降解最有效，同时可去除一些有机物、铁、锰，现在上海与浙江嘉兴地区已有应用。(1)生物接触氧化一般情况下NH4+-N可去除80％左右，CODMn去除不稳定，溶解性CODMn约可去除5－10％。较多的采用弹性材料，利用混凝土骨架绑扎，价格便宜，主要问题是填料上积的泥不能自动脱落，填料上的生物膜不易更新。深圳水库400万m3/d生物接触氧化池就采用弹性材料。流化填料是塑料片组成的球，比重控制在0.96-0.98在水中悬浮滚动，采用多孔管曝气使球上下翻动处于流化状态，球上的膜不会积累，易更新，脱落的膜随水流带出。尚有待长时间运行的总结。目前，嘉兴地区大都采用流化填料。二、水质预处理5、生物预处理(2)生物陶粒滤池由于颗粒填料粒径小，比表面积大，生物膜量大，除具有生物絮凝、吸附、降解作用外，又有过滤作用，因此较其他填料去除氨氮效率较高，除生物降解有机物，还能有效去除悬浮、胶体态的有机物，由于反冲洗，滤料上生物膜易更新，CODMn去除约1020%。生物滤池的问题在于有水头损失，需定期（1星期左右）反冲，消耗水。普通陶粒约500元/吨,圆形颗粒约800元/吨，堆积容重约0.8。二、水质预处理5、生物预处理(3)卵石填料粒径2040mm，层厚3.4m，中试柱直径0.4m，滤速2.5m/h，曝气量2.5∶1，由美国水环纯水务集团与中国市政工程西北设计院浙江分院在嘉兴乍浦水厂及平湖古横桥水厂进行试验，可将NH4+-N从10mg/L降解到0.2mg/L，去除率98%。该研究拓宽了思路，将污水处理技术引入给水生物预处理取得初步结果。但可能存在的问题是滤池不设反冲系统，卵石填料积泥后不好运行。我国曾引入前苏联的接触滤池，水由底部进入，最终因长期运行后底部积泥而未得到推广；再有滤速仅2.5m/h，势必池子面积庞大。污水处理中曝气生物滤池可以将水中NH4+-N从2030mg/L降至1mg/L，问题在于给水处理是否要为去除NH4+-N付那么大代价。希望该技术能结合给水处理特点进行长时间的试验，从性价比来论证其应用的可能性。三、深度处理深度处理技术常用的是臭氧－生物活性炭（O3-BAC）。目前在深圳、广州、上海都已实施，从其发展趋势看，今后当水源水质超过II类时，必须采用，才能满足水质标准中CODMn的要求。三、深度处理1、臭氧氧化与臭氧发生器臭氧是强氧化剂，可以除嗅、脱色、去除有机物与增加有机污染物的可生物降解性，在给水处理中得到广泛应用。臭氧发生装置在我国目前还正处于发展阶段，臭氧发生器几乎被美国OZONIA与德国维得克垄断。我国企业正在努力突破，迎头赶上，在价格上占有优势（1kgO3/h国际上要30万元，我国20万元），在售后服务方面较之国外公司更有长处，可望不断提高产品质量满足我国需求。制氧装置多有生产，原理皆同，就是设备、零部件的供应不如国外，在必要的气动阀、分子筛方面从国外引进、提高质量，就能够适应臭氧生产需要。三、深度处理2、活性炭与生物活性炭活性炭市场上有粉碎炭、柱状炭、压块粉碎炭，价格不一，粉碎炭多在4500元5000元/吨，柱状炭约为5500元/吨，压块炭在6500元/吨左右。粉碎炭系将煤直接粉碎、筛分、烘熔、活化。压块炭系将煤磨成粉，加入石油基粘结剂压成块，再粉碎后按需要425℃去除有机物，严格控制近1000℃进行活化。压块炭吸附性能有很大提高，密度高，耐磨，可再生56次。三、深度处理2、活性炭与生物活性炭(1)炭的选择与O3-BAC将压块炭（泰兴）与柱状炭（ZJ-15）对原水的CODMn做吸附等温线，代入Freundrich公式，分析可知压块炭具有吸附性能优势。用压块炭进行O3-BAC试验，此时活性炭成为生物活性炭，进水平均CODMn1.34mg/L，经O3氧化为1.14mg/L,活性炭后0.51mg/L，8个月的试验，平均去除率为62.2%，不考虑运行初期炭的吸附率高的因素，平均去除率约为55%。该试验进水水质较好，臭氧投量稍高34mg/L，但总的吸附效果要比其他试验点O3-BAC（用柱状炭）长期运行平均去除率3040%为高。三、深度处理2、活性炭与生物活性炭(2)两级O3-BAC宁波自来水公司曾进行两级O3-BAC工艺试验，在进水CODMn5.6mg/L时：一级O3-BAC（O3投量3.0mg/L）去除43％，出水CODMn为3.2mg/L；二级O3投量1.5mg/L，O3-BAC在进水CODMn为3.2mg/L时去除率达47％，出水达到1.7mg/L。两级O3-BAC总去除CODMn约70%，较一级O3-BAC大有提高。三、深度处理2、活性炭与生物活性炭(2)两级O3-BAC以常规处理去除CODMn35%计，两级O3-BAC进一步去除70％，综合工艺总去除率约为80％，可以推算出原水CODMn可达15mg/L，出水仍然达标。值得置疑的是第二级O3-BAC能否长期地维持有效去除率，试验采用的炭是新炭还是老炭，试验维持多久，如真采用两级O3-BAC可以取得70％左右效果，则不失为O3-BAC的突破。目前，国内平湖市采用的是两级O3-BAC。三、深度处理3、活性炭再生活性炭吸附饱和后应该再生处理，不应丢弃，再生后吸附能力不但不会降低，还能稍有增加，再生时损耗（包括运输过程损失与升温损失）约为10%，每再生1吨约需2000元，补充新炭500元，总共2500元。据嘉兴地区统计，活性炭如用一年换炭每m3水需0.09元，用2年为0.06元，3年则仅需0.03元，用后再生，则运转费还将经济。三、深度处理3、活性炭再生当上海、广州、浙江、杭州、嘉兴地区大规模采用O3-BAC工艺前，应在各地区设置活性炭再生厂以便就地再生补充，为提高居民生活饮用水水质服务。O3-BAC工艺将广泛得到应用，工程投资约在250元/m3/d左右，运转费0.2元0.3元/m3，在当今水位每m31元2元之际增加0.20.3元应可被接受。三、深度处理4、膜技术的应用各种膜技术：微滤、超滤、纳滤、反渗透在分质给水系统制取纯净水与饮用净水中都已有效地应用。在污水回用、工业给水中也已有应用实例，惟在市政供水中尚未见报道。广东东莞虎门曾建成10,000m3/d的微滤工程净化受污染的东江水，但因去除溶解性有机物不理想并未成功。三、深度处理4、膜技术的应用(1)微滤、超滤当原水水质好，且有浊度、细菌需去除的情况，如清洁的水库水、泉水，此时微滤、超滤都将有好的净化效果。在地下水中硬度、硝酸盐超标时，采用纳滤膜能很好地去除无机盐与有机污染。北京水源三厂进行着有效的试验。天津郊区利用纳滤去除地下水中的氟很有成效。当附近无其他水源，远距离调水成本太高，目前取水水源又遭到较为严重污染，即使增加O3-BAC工艺仍不能达标时，纳滤技术的应用将不可避免。三、深度处理4、膜技术的应用(1)微滤、超滤利用微滤、超滤直接净化地表水，以及采用混凝－微滤、混凝－过滤－微滤（或超滤）已有试验结果。对于微污染水源采用混凝－沉淀－投加粉末炭－微滤也都有试验。清华大学、上海荏原环保公司、嘉源给水排水公司联合在嘉兴南门水厂做了较长时间试验。原想利用膜生物反应器加入粉末炭有效地去除CODMn，但试验结果不甚理想，膜反应器中投加粉末炭只有吸附效果，未能起到生物炭的作用，不如先进入颗粒活性炭滤池然后再进入微滤。这样，膜生物反应器并不适宜于处理微污染原水。三、深度处理4、膜技术的应用(2)纳滤纳滤技术在滤池后一般可去除CODMn6070％，再加上前处理去除35％，总去除率可达7580％，较之常规处理加O3-BAC总去除CODMn5565％为高。因此在O3-BAC工艺中仍达不到要求时，高效去除CODMn的技术当属纳滤。当无机离子不高，主要去除有机物时可选与之相适应的纳滤膜。纳滤膜我国尚不能生产，国际上膜价格已逐渐下降。目前纳滤装置（与反渗透相当）的投资约为600元/m3/d，超滤膜我国可生产且质量不差，超滤装置投资约为300元/m3/d，国外超滤装置也需600元/m3/d。三、深度处理4、膜技术的应用(2)纳滤纳滤技术每m3水的运行费用需视原水水质、膜清洗的耗药费、水费、升压0.8-1.0MPa所需电费以及占重要比重的膜价格与使用寿命而定。一般正常情况下纳滤膜可使用23年，超滤膜约为35年。三、深度处理5、关于净化工艺中氨氮的去除在具有预处理、常规处理、深度处理（O3-BAC）综合工艺中，水中NH4+-N有可能在以下环节去除：(1)在预加氯过程中氯与氨的化合或在生物预处理中得到去除；(2)在混凝沉淀过程中去除以悬浮颗粒、胶体态存在的有机氮与氨氮；(3)在滤池滤层中长有生物膜的砂粒层的生物降解作用；(4)经O3氧化得到充氧的水再流过生物炭层被生物降解；(5)最后加氯消毒时部分氨被化合。三、深度处理5、关于净化工艺中氨氮的去除原水中氨氮经过以上多级屏障得到去除，其中伴随着NO2--N被生物氧化成NO3--N的作用。因此不用过分强调生物预处理的氨氮去除率，而采用诸如降低滤速、增加接触时间、增加气水比等耗费过大的代价来换取高氨氮去除率。只需充分发挥每一技术环节的生物作用（例如斜板上的生物膜等）就能较好地、全面地去除。三、深度处理5、关于净化工艺中氨氮的去除生物预处理可以有效降低氨氮（70%90%）与去除部分CODMn（视不同填料约为5%20%），能产生生物絮凝而减少混凝剂（约1/3）。但由于停留时间11.5h，构筑物体积大、占地面积大，需投入适当资金（100120元/m3/d）。因此生物预处理适用于在只有常规处理工艺、原水氨氮较高、CODMn较高，当采用生物预处理后整个工艺就能较好去除氨氮与CODMn，使出水达标的情况。当有深度处理O3-BAC时，如氨氮并不很高（如小于3mg/L），可以不设生物预处理，采用预O3氧化（如上海周家渡水厂），使后续混凝沉淀过程、过滤滤料层与BAC发挥生物降解作用，有效去除氨氮。四、消毒消毒是给水处理工艺的的重要组成部分。氯消毒是国内外最主要的消毒技术，美国自来水厂中约有94.5%采用氯消毒，中国据估计99.5%以上自来水厂采用氯消毒。四、