不同的常规与深度处理水厂工艺对水质保障的应用研究

城镇供水NO.6201661CITYANDTOWNWATERSUPPLY·研究与探讨·目前我国大部分的水厂仍采用的是常规处理工艺：混凝、沉淀、过滤、消毒，而随着水源水质日益受到污染以及社会对水质的要求越来越高的双重压力下，常规处理的水厂对部分有机物以及消毒副产物的去除有限，并时有超标的风险[1]。基于此有条件的地方纷纷升级改造现有水厂工艺或者建设深度处理水厂，以此来应对水质超标的风险，在深度处理水厂的建设过程中，尤以臭氧-生物活性炭深度处理工艺见多[2]。臭氧-生物活性炭深度处理工艺通过臭氧氧化水中有机物，将大分子有机物氧化断链成小分子有机物，同时在氧化过程中生成氧气，提高水中的溶解氧，为后续的生物处理提供生物降解所需的溶解不同的常规与深度处理水厂工艺对水质保障的应用研究刘清华　陈丽珠　陈卓华（东莞市东江水务有限公司，广东东莞523000）摘要：对比常规处理与臭氧-生物活性炭深度处理水厂的运行效果，通过生产试验研究两种工艺对有机物及消毒副产物的控制情况，试验结果表明：深度处理C水厂混凝沉淀效果较好，砂滤后出水浊度达到0.20NTU，混凝沉淀对浊度的去除率达到78.9%，炭滤池对浊度的去除效果有限。混凝沉淀对UV254的去除效果有限，去除率为11.7%～23.8%，砂滤池的去除率为19.0%～25.0%，深度处理C水厂生物活性炭滤池对UV254的去除效果较明显。混凝沉淀对溶解性的氨氮和亚硝态氮均无明显去除效果，经过砂滤后氨氮和亚硝态氮基本得到去除。混凝沉淀对CODMn的去除率约为14.1%，对TOC的去除率约为26.5%，石英砂过滤对CODMn的去除率约为31.0%，对TOC的去除率约为11.4%。常规加碱B水厂的去除效果优于常规A水厂，深度处理C水厂炭滤过程对CODMn的去除率约为43.9%，对TOC的去除率约为32.6%。加碱比不加碱的砂滤池对生成三卤甲烷的风险大大减低，经过臭氧-生物活性炭处理后可以进一步减低出厂水中消毒副产物浓度。关键词：常规处理　深度处理　臭氧-生物活性炭　消毒副产物氧，活性炭巨大的比表面积一方面有利于吸附水中的有机物等，另外为炭滤池中的微生物提供附着生长的环境，从而提高炭滤池中的微生物量，在一定溶解氧下降解臭氧氧化而来的小分子有机物，充分发挥臭氧与活性炭的协同作用，从而达到去除水中有机污染物，进而减少因氯消毒而产生的消毒副产物[3~4]。臭氧与生物活性炭协同作用为提升出厂水质作了巨大的贡献，但对臭氧-生物活性炭与常规处理两种工艺对有机物及消毒副产物的控制鲜有人进行过比较研究，为此笔者结合两种不同处理工艺的水厂来研究其对有机物、消毒副产物等的去除效果，通过生产应用试验来对比其中的差别，为将来水厂DOI:10.14143/j.cnki.czgs.2016.06.01462城镇供水NO.62016CITYANDTOWNWATERSUPPLY·研究与探讨·的升级改造及新建水厂提供技术参考。1.试验条件1.1试验工艺常规处理水厂的工艺为混凝、沉淀、过滤（石英砂）、消毒，其中常规加碱水厂是在混凝沉淀前加入石灰溶液，以此提高待滤水的pH至7.1左右，臭氧-生物活性炭深度处理水厂工艺为：混凝、沉淀、砂滤（石英砂）、臭氧、活性炭过滤、消毒，两种工艺的水厂均采用聚氯化铝作为混凝剂，原水均取自D江，通过取生产运行过程中各主要工艺段的水样，考察比较两种工艺对水中的污染物的去除效果，同时取各水厂消毒前的各工艺段出水进行模拟加氯试验及生成势试验，其中模拟加氯试验条件为水样中加入1.5mg/LNaClO溶液（以有效氯计），放置2h（模拟水厂消毒后的出厂水）后测定消毒副产物浓度。生成势试验条件为水样中加入20mg/LNaClO溶液（以有效氯计），密封、常温、黑暗放置72h（模拟出厂水从市政管网至水龙头过程）后测定消毒副产物浓度[5~6]。本次试验通过三次重复取样、测试、试验得到的平均值作为最终的结果进行讨论。1.2分析项目及方法浊度采用HACH2100N型浊度仪测定，氨氮采用国标（GB/T5750-2006）中水杨酸法测定，NO2--N采用重氮偶合分光光度法测定，UV254采用紫外可见分光光度计测定（经0.45μm滤膜过滤后测定），TOC采用TOC仪测定，CODMn采用高锰酸钾法测定，消毒副产物采用吹扫捕集/气相色谱-质谱仪测定。2.结果与讨论2.1常规与深度处理工艺对浊度、UV254的去除常规与深度处理水厂对浊度、UV254的去除效果如图1、2所示。A、C二间水厂的原水浊度基本相当，均为8.70NTU左右，而B水厂的原水浊度相对低一点，为7.50NTU。通过混凝沉淀后的待滤水浊度呈现一定的差别，深度处理C水厂混凝沉淀效果较好，砂滤后出水浊度达到0.20NTU，混凝沉淀对浊度的去除率达到78.9%，砂滤后的水经过活性炭过滤后浊度基本上没有什么变化，说明炭滤池对浊度的去除效果有限，这与文献[7]研究的结果一致。而常规处理A水厂混凝沉淀对浊度的去除率也较高，达到73.4%，三间水厂对浊度的控制均较好，能够全面满足国标对浊度的要求。从图2中可以明显看出，混凝沉淀对UV254的去除效果有限，去除率为11.7%～23.8%，而砂滤也可以去除一部分，去除率为19.0%～25.0%，从深度处理C水厂的数据可以看出，生物活性炭滤池过滤对UV254的去除效果较明显，UV254代表水中带共轭双键的烯烃类有机物，混凝沉淀可以将此类有机物一起形成絮体并沉淀去除一部分，随后再通过砂滤来截留部分絮体，进而对有机物进行部分去除，生物活性炭滤池可以通过生物降解和活性炭吸附双重作用来去除水中的有机物，从而保证炭滤出水的带共轭双键的烯烃类有机物含量大大减少。图1　常规与深度处理工艺对浊度的去除城镇供水NO.6201663CITYANDTOWNWATERSUPPLY·研究与探讨·图2　常规与深度处理工艺对UV254的去除2.2常规与深度处理工艺对氨氮、亚硝态氮的去除常规与深度处理水厂对氨氮、亚硝态氮的去除效果如图3、4所示。从图3、图4可以看出水厂的混凝沉淀对氨氮和亚硝态氮去除有限，基本上无去除能力，由于混凝沉淀主要是通过絮体去除水中的胶体、悬浮物等，而氨氮及亚硝态氮均是溶解在水中，所以在混凝沉淀时均对其无明显去除效果。而经过砂滤后，氨氮和亚硝态氮基本得到去除，砂滤池是水厂去除氨氮及亚硝态氮的主要工艺单元，砂滤池中的微生物附着于石英砂表面，从而亚硝酸菌将氨氮氧化成亚硝态氮，同时硝酸菌进一步将亚硝态氮氧化成硝态氮，大大减少了水中亚硝态氮的积累。深度处理的C水厂由于待滤水的氨氮不高，在砂滤过程后氨氮及亚硝态氮就得到了很好的控制，从而使得炭滤池在去除氨氮和亚硝态氮方面没有机会发挥作用。2.3常规与深度处理工艺对CODMn、TOC的去除常规与深度处理水厂对CODMn、TOC的去除效果如图5、6所示。图5和图6中可以看出，混凝沉淀过程能去除一部分有机物，对CODMn的去除率约为14.1%，对TOC的去除率约为26.5%，石英砂过滤能去除部分有机物，对CODMn的去除率约为31.0%，对TOC的去除率约为11.4%，深度处理C水厂经砂滤后再经过臭氧-生物活性炭处理，炭滤过程能去除部分有机物，对CODMn的去除率约为43.9%，对TOC的去除率约为32.6%，常规加碱B水厂的去除效果优于常规A水厂，原因是由于加碱对滤池中的微生物生长有利，从而在滤池处理过程中能够更好的发挥其作用来降解有机物。原水中一部分CODMn、TOC会在混凝沉淀过程中随絮体沉淀而被去除，随后在砂滤过程中一方面继续随絮体被截留而去除，另一方面会有部分被微生物降解去除，而在臭氧-生物活性炭深度处理过程中，臭氧会将难于被沉淀或生物降解的大分子有机物等氧图3　常规与深度处理工艺对氨氮的去图4　常规与深度处理工艺对亚硝态氮的去除64城镇供水NO.62016CITYANDTOWNWATERSUPPLY·研究与探讨·化成小分子有机物，同时在氧化过程中会分解产生O2，增加炭滤池待滤水的溶解氧，为炭滤池中的微生物提供氧源进而降解有机物，因此其在去除有机物方面发挥着重要作用。同时本试验中的深度处理C水厂炭滤池中的活性炭已经使用六年，其亚甲基蓝和碘吸附值均下降至较低的水平，即活性炭的吸附功能下降，但在实际运行过程中去污效果良好，原因可能是活性炭的吸附功能虽然退化，但是其巨大的比表面积为微生物提供了附着及生长的场所，在运行过程中，活性炭滤池中微生物的生物作用发挥积极作用，使其去除有机物效果良好，由此在实际生产中可以将炭滤池对有机物的去除效果作为一个活性炭的更换周期指标，而不是仅将其吸附性能作为更换周期的指标，为水厂实际运行提供参考和借鉴。图5　常规与深度处理工艺对CODMn的图6　常规与深度处理工艺对TOC的去除2.4常规与深度处理工艺对消毒副产物的去除常规与深度处理水厂对三卤甲烷及三卤甲烷生成势的去除效果如图7、8所示。三间水厂砂滤后出水在投加相同的次氯酸钠浓度后，反应2h后三卤甲烷的生产量差别不大，但臭氧-生物活性炭深度处理对三卤甲烷有很好的去除效果。图8对三卤甲烷生成势的去除显示，加碱比不加碱的砂滤池对生成三卤甲烷的风险大大减低，说明提高待滤水的pH可以有利于生物降解去除水中三卤甲烷消毒副产物的前体物，使得三卤甲烷生成势风险大大减低，经过炭滤池后其风险进一步减低，可以进一步减低出厂水中消毒副产物浓度。三卤甲烷的前体物主要是腐殖酸、富里酸等可溶性有机物，这类有机物在混凝沉淀过程中可以附着于絮体中，并随絮体污泥图7　常规与深度处理工艺对三卤甲烷的去除图8　常规与深度处理工艺对三卤甲烷生成势的去除城镇供水NO.6201665CITYANDTOWNWATERSUPPLY·研究与探讨·一并沉淀下来得以去除，砂滤过程可以截留部分细小的絮体同时通过砂滤池中的微生物降解部分有机物，而微生物在降解有机物或氨氮的过程中会产生大量的酸，通过提高待滤水的pH有利于补偿微生物降解过程中产生的酸，更有利于微生物的生长代谢，从而提高砂滤池去除有机物的可能性。在臭氧-生物活性炭深度处理中，臭氧可氧化前体有机物生成酸、醛、酮和醇等小分子极性有机物，这些小分子有机物会在活性炭滤池中被吸附和生物降解，使炭滤后的水中消毒副产物风险进一步降低，发挥臭氧和生物活性炭滤池的协同作用，相互补偿使水中主要污染物的去除效果得到增强，减少后续消毒过程中产生的消毒副产物含量。3.结论（1）深度处理工艺中炭滤池对浊度的去除效果不明显，生物活性炭滤池过滤对UV254的去除效果较明显。（2）混凝沉淀对UV254及溶解性的污染物氨氮、亚硝态氮的去除效果不佳，其主要通过砂滤池的生物作用来去除，待滤水的氨氮较低时，炭滤池不能很好的发挥吸附、生物降解氨氮的作用。（3）常规加碱B水厂对CODMn、TOC的去除效果优于常规A水厂，深度处理C水厂臭氧-生物活性炭工艺对CODMn的去除率约为43.9%，对TOC的去除率约为32.6%，去除有机物效果较好。（4）在实际生产中可以将炭滤池对有机物的去除效果作为一个活性炭的更换周期指标，而不仅仅将其吸附性能作为更换周期的指标。（5）加碱比不加碱的砂滤池对生成三卤甲烷的风险大大减低，经过臭氧-生物活性炭滤池后其风险进一步减低，可以进一步减低出厂水中消毒副产物浓度。参考文献：[1]王占生，刘文君.微污染水源饮用水处理[M].北京：中国建筑工业出版社，1999[2]左金龙，崔福义，赵志伟等.国内外臭氧活性炭工艺在饮用水处理中的应用实例[J].中国给水排水，2006，22（10）：68～72[3]王华然，王尚，李昀桥.臭氧在水中的溶解特性及其影响因素研究[J].中国消毒学杂志，2009，26（5）：481～483[4]张晓平，朱斌，段冬.上海源江水厂臭氧-生物活性炭工艺生产运行优化研究[J].给水排水，2013，39（10）：31～35[5]王丽花，周鸿，张晓健等．常规工艺对消毒副产物及前体物的去除[J].中国给水排水，2006，22（4）：9～2[6]陈超，张晓健，何文杰等.消毒副产物前体物的指标体系[J].给水排水，2001，27（4）：35～37[