微污染水源水处理技术研究进展

微污染水源水处理技术研究进展蔡世军，朱亮河海大学环境科学与工程学院，南京（210098）E-mail：[e-mail]摘要：根据当今饮用水源污染问题日益突出，论述了水源的污染现状和主要危害，分析了国内外微污染水处理技术的现状和发展，展望了微污染水源水处理技术的发展趋势。关键词：微污染水源水，强化常规工艺，预处理，深度处理中图分类号：X703.1文献标识码：A当前，我国大部分城镇饮用水源都不同程度地受到污染，致使水质较差，不仅会对人体健康造成威胁，而且水源污染加大了水源选择和处理的困难。[1]饮用水中有机物含量的增加导致了“三致”（致癌、致畸、致突变）的潜在威胁，水源微污染问题已经相当严重。因此，微污染原水饮用水处理技术的研究非常需要。1.水源的污染现状和主要危害近些年来，我国水源水质污染呈恶化趋势。《2006年中国环境状况公报》[2]显示，2006年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网（简称国控网）实际监测的745个地表水监测断面中（其中，河流断面593个，湖库点位152个），Ⅰ～Ⅲ类，Ⅳ、Ⅴ类，劣Ⅴ类水质的断面比例分别为40%、32%和28%。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类等。国控网七大水系（长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河）的197条河流408个监测断面中，Ⅰ～Ⅲ类，Ⅳ、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为46%、28%和26%。其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨氮。七大水系监测的98个国控省界断面中，Ⅰ～Ⅲ类，Ⅳ、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为43%、31%和26%。海河和淮河水系的省界断面水体为中度污染。163个城市的地下水水质监测结果表明，地下水水质以良好～较差为主。27个国控重点湖（库）中，满足Ⅱ类水质的湖（库）2个（占7%），Ⅲ类水质的湖（库）6个（占22%），Ⅳ类水质的湖（库）1个（占4%），Ⅴ类水质的湖（库）5个（占19%），劣Ⅴ类水质的湖（库）13个（占48%）。其中，巢湖水质为Ⅴ类，太湖和滇池为劣Ⅴ类。主要污染指标为总氮和总磷。水源水的污染不仅给人类的健康带来了较大的危害，而且对传统净水工艺和水质的影响所造成的各种损失更是难以估量。水源水质的恶化，一方面势必额外投加大量的混凝剂，使制水成本大大增加；另一方面由于传统净水工艺对水中微量有机污染物没有明显的去除效果，相反还可能使出水氯化后的致突变活性有所增加，水质毒理学安全性下降，对人体健康造成危害。世界卫生组织(WHO)调查结果表明，在发展中国家，80%的疾病和1/3的死亡率与水污染有关。与此同时，水源水的污染还加剧了水资源的危机。2.微污染水源水处理技术针对微污染水源水处理问题，国内外进行了大量的研究和实践。按照处理工艺的流程，可以分为预处理、常规处理、深度处理。常规处理工艺（混凝、沉淀、过滤、消毒）不能有效去除微污染原水中的有机物、氨氮等污染物；液氯很容易与原水中的腐殖质结合产生消毒副产物（DBPs）三卤甲烷（THMs），[3-4]直接威胁饮用者的身体健康。由于传统净水工艺已不能有效处理被污染的水源，而且限于目前的经济实力，我们无法在较短的时间内控制水源污染，改变水源水质低劣的现状，退而求其次，人们不得不采取新的方法来保证饮用水的安全和人们的健康。因此，从70年代开始，水处理研究人员开发出许多水的净化新技术，包括强化传统工艺、预处理技术和深度处理技术，这些技术中有的已经在实际中得到应用，取得了较好的效果。2.1强化传统工艺强化传统工艺目前主要有强化混凝和强化过滤技术，它们不增加任何新设施，只是在原有工艺基础上略做改动，是控制出厂水有机物含量最经济，最具实效的手段。（1）强化混凝地面水的天然有机物主要是腐殖酸和富里酸，它们与水形成大分子胶体真溶液。对于某一确定的原水，必定有一最佳混凝剂。[5]强化混凝是指提高金属盐混凝剂的投加量，调节水源水的pH值，或者同时进行两种处理，在现有工艺上改造和强化，改善絮凝条件，提高常规混凝工艺有机物去除率，达到更有效去除NOM及悬浮物的目的[6]。其机理主要包括胶体状NOM的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉作用，其去除率的大小受混凝剂的种类和性质、混凝剂的投加量以及pH值等因素的影响。美国的水处理工作者普遍认为，强化混凝是实现消毒物/消毒副产物规定的第一阶段目标的最佳途径。因此，目前国内外有很多研究学者采用强化混凝法去除有机物。[7]据有关报导，在去除天然有机物时，铁盐的混凝效果比铝盐好；阳离子高分子絮凝剂可单独作为混凝剂，但阴离子型和非离子型絮凝剂单独应用效果不佳，但当被用作助凝剂时，则可发挥其提高固液分离的功能，可有效地提高TOC的去除率。与常规处理工艺相比，强化混凝虽然提高了有机物去除率，但是需多投混凝剂或另投其他药剂，过量的混凝剂的投加有可能使水中金属离子增加，不利于居民的身体健康，而且势必会增加药剂费用与污泥处理费用。（2）强化过滤强化过滤是对普通滤池进行生物强化，滤料由生物滤料和石英砂滤料组合而成。据研究表明[8]，通过对传统工艺中的普通滤池进行生物强化，可以使源水中的氨氮去除率由原来的30%~40%，提高到93%；亚硝酸盐氮的去除率由零提高到95%；有机物（CODMn）的去除率由20%提高到40%左右，出水浊度保证在1NTU以下，消毒后能满足卫生学指标的要求。美国也有研究表明[9]，以生物快滤池作为末级处理，能得到低浊且具有生物稳定性的出水。该工艺无须新增处理构筑物，既可以起到生物作用，又可以起到过滤作用，在经济和技术上是可行的[10]，但对于其前处理的要求、运行管理的方法以及微生物的控制等各方面的特性，还需进一步研究。2.2预处理技术预处理通常是指在常规工艺前面，采用适当的物理、化学和生物的处理方法，对水中的污染物进行初级去除，同时可以使常规处理更好地发挥作用，减轻常规处理和深度处理的负担，改善和提高饮用水水质，主要包括吸附预处理、化学氧化预处理和生物氧化预处理技术。（1）吸附预处理吸附预处理是指通过直接在混合池中投加吸附剂，利用其强大的吸附性能或交换作用或改善混凝沉淀效果，达到有效去除源水中有害溶解性物质的目的，去除水中的污染物。主要吸附剂有粉末活性炭和粘土等。研究表明：这些吸附剂有较好的吸附去除作用，活性炭能减低水的致突变活性，对TOC的去除率大约为20%~30%，但活性炭对致突变物质的吸附有一定的局限性，常受到一些外部因素的影响，如：致突变物质的种类、有机物含量、水处理工艺、运行条件和炭的类型等，而且粉末活性炭投加后无法回收再利用，作为预处理费用相对较高；粘土虽货源充足、价格便宜，但大量投加会增加沉淀池的排泥量，给生产运行带来了一定的困难。（2）化学氧化预处理化学氧化预处理技术是指依靠氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构，达到转化或分解污染物的目的。目前采用的氧化剂有氯气、高锰酸钾、高铁酸钾、紫外光和臭氧等。这些氧化剂投加到水中，能够使一小部分有机物被彻底氧化为水和二氧化碳，大部分有机物转化为中间产物，如芳香族化合物的苯环被打开，长链大分子化合物被氧化成短链的小分子物质或分子的某些基团被改变，从而有效去除水中有机污染物的数量，并使有机物的可生化性提高。化学预氧化处理方法对微污染水源水有一定处理效果，能改善水质，但额外投加药剂会使处理成本增大，同时也可能使出水氯化后的致突变性或多或少地增加，产生一些致突变性及致癌的副产物，而且这些卤代有机物难以有效地在后续工艺中被去除[11-13,14]。（3）生物氧化预处理生物氧化预处理是指在常规净水工艺之前，增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陈代谢活动，去除水中的污染物。自70年代以来，生物法被移植到微污染水源给水处理中是饮用水技术领域的一个重大进展，在欧洲应用较普遍，我国目前正处于推广应用阶段，采用的反应器基本上全是生物膜型的，主要有生物滤池、生物转盘、生物塔滤、生物接触氧化、生物流化床等[15]。其处理对象就是那些常规处理方法不能有效去除的污染物，如可生物降解的有机物，人工合成的有机物和氨氮、亚硝酸盐氮、铁、锰等[16,17]。生物预处理的优点是对污染物的去除经济有效，不产生“三致”物质，减少混凝剂和消毒剂的用量，在降低制水成本的同时还改进水质，且该技术适宜于自来水厂的改造。该工艺的不足之处主要是运行效果受到诸多因素的影响，尤其是原水水质、水温、操作管理水平高低的影响，而且与常规工艺相比，启动时间稍长，需要一定的成熟期[18]。2.3深度处理技术深度处理技术是指在常规处理之后，用于将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前体物加以去除，以提高和保证饮用水质的处理技术。[19]应用较为广泛的深度处理技术有：臭氧氧化、活性炭吸附、生物活性炭法、臭氧—活性炭吸附联用、臭氧—生物活性炭技术、膜过滤、光催化氧化等技术。2.3.1臭氧氧化技术臭氧作为一种强氧化剂，不仅可用于预处理中，而且在深度处理中有更长的应用历史。最初臭氧被用来作为消毒剂，控制水的色度或嗅味，又可用来去除水中有机物。[20]受投放量的限制，臭氧不能将水中有机物全部无机化，但可将大分子有机物分解成分子较小的中间产物。臭氧预处理的水再经氯化消毒，水中“三致”物质可能低于未预处理的水，也可能更高，其效果视水质而定，这是因为臭氧副产物如醛、酮、醇、过氧化物等氯化会产生三卤甲烷(THMs)。活性炭吸附活性炭是一种由大孔、中孔、微孔组成的多孔性物质，对有机物的去除主要靠其巨大的比表面积和发达的空隙吸附，其中主要是中孔和微孔的吸附作用。常用的活性炭主要有粉末活性炭(PAC)、颗粒活性炭(GAC)和生物活性炭(BAC)三大类。活性炭对水量、水质、水温变化的适应性强，可经济有效地去除污水中的臭味、色度、重金属、消毒副产物、氯化有机物、农药、放射性有机物等，其对分子量在500-3000的有机物具有十分明显的去除效果，去除率一般为70.0%-86.7%。在各种改善水质处理效果的深度处理技术中，活性炭吸附是完善常规处理工艺的去除水中有机污染物最成熟有效的方法之一。因此活性炭吸附法是一种具有广阔应用前景的深度处理技术。2.3.3生物活性炭技术活性炭是微生物生长的良好载体，只要合理运作，活性炭上的微生物对提高水处理效果，特别是延长活性炭使用周期都会起到积极的作用。所以，活性炭用于水处理不单纯是作为吸附剂，还可利用活性炭吸附与微生物降解的协同作用，以取得经济上的良好效果，这种协同技术被称为生物活性炭技术(BAC)。[21]该技术利用微生物的氧化作用来增加水中溶解性有机物的去除效率，延长活性炭的再生周期，减少运行费用，同时水中的氨氮可以被生物转化为硝酸盐，从而减少了氯化的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量。有资料表明，活性炭附着的硝化菌还可以转化水中的氨氮化合物，降低水中的NH3-N的浓度，NH3-N去除率可达75%-96.7%。[22]生物活性炭通过有效的去除水中有机物和嗅味，从而提高饮用水化学、微生物安全性，是自来水深度净化的一个重要途径。2.3.4臭氧—活性炭联用法臭氧—活性炭联用法采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化的工艺过程，这样可以扬长避短，使活性炭的吸附作用发挥得更好。[23]目前国内水处理使用的活性炭能比较有效地去除小分子有机物，但难以去除大分子有机物，而水中大分子有机物较多，所以活性炭孔的表面面积将得不到充分利用，势必将加速饱和，缩短产水周期，但在炭前或炭层中投加臭氧后，一方面可使水中大分子转化为小分子，改变其分子结构形态，给有机物提供进入较小孔隙的可能性；另一方面可使大孔内与炭表面的有机物得到氧化分解，减轻了活性炭的负担，使活性炭能充分吸附未被氧化的有机物，从而达到水质深度净化的