氣浮/超濾工藝處理微污染水試驗研究

唐凱峰，郭淑琴

(天津市市政工程設計研究院，天津300051)

20世紀末，飲用水中發現了新的致病原生動物－藍氏賈第蟲和隱孢子蟲(“兩蟲”)，水源水中出現了藻類大量繁殖以及藻毒素、嗅味、有害水生生物－劍水蚤和紅蟲等重大微生物安全問題.常規工藝以及以臭氧-活性炭為核心的第二代凈水工藝的生物安全性均得不到保障.于此同時，針對上述問題有更嚴格要求的新的國家標準(GB5749－2006)即將在2012年強制執行.數以千計的城市水廠面臨著提標改造問題.

超濾能將細菌、病毒、“兩蟲”、藻類、水生生物幾乎全部去除，是目前保障水的微生物安全性的最有效技術;同時可大幅度減少絮凝劑和消毒劑的用量，從而提高了出水的化學安全性［1］.氣浮較沉淀工藝能更好地去除藻類和藻毒素，更有效的消除異味［2］.預氧化及粉末活性炭吸附可有效去除水中溶解性污染物質.實驗采用高錳酸鉀預氧化/粉末活性炭吸附/混凝氣浮/超濾組合工藝，充分發揮活性炭吸附溶解性有機物、氣浮除藻以及超濾膜機械篩分的優勢，探討其對微污染水源水的處理效果.

1 水源水概況

水源水來自金壇市飲用水水源地錢資蕩，根據今年3月對水源水的水質檢測結果，總氮含量已達到2.5 mg/L，為地表水III類水體水質指標的2.5倍.已處于中營養化后期，基本上接近于富營養化.湖中藻類優勢種為綠藻和硅藻，葉綠素含量較高;一旦總磷含量不能控制，其富營養化過程將迅速加劇，出現藻類瘋長現象［3］.當地凈水廠采用常規工藝，出水已經不能滿足生活用水水質要求，尤其是夏季藻類曝發期，水廠出水有泥腥味，群眾反響強烈［4］.

2 試驗流程和裝置

2.1 試驗流程

試驗場地位于金壇市第三水廠，主體工藝流程如圖1所示.水源地為錢資蕩湖，泵房取水后經2.3 km的輸水管道送至凈水廠，管徑DN800.其中絮凝、氣浮工序利用廠區處理設施的一個序列，處理能力2.5萬m3/d;超濾為中試集成設備，處理能力250 m3/d.

圖1 試驗主體工藝流程

2.2 主要工藝參數

2.2.1 高錳酸鉀預氧化及活性炭吸附

高錳酸鉀投加點位于取水泵房的出水管上，投加質量濃度為0.7 mg/L.粉末活性炭投加點距離取水泵房800 m，距離凈水廠1 500 m，投加方式采用濕式投加，投加質量濃度20 mg/L.試驗期間取水泵房取水量為2.5萬m3/d，管道流速約為0.58 m/s.投加高錳酸鉀以后經23 min的混合及預氧化后與粉末活性炭接觸，經43 min的混合及吸附后進入水廠的混凝氣浮單元.

2.2.2 混凝氣浮池

凈水廠絮凝池與氣浮池合建.絮凝劑采用液態硫酸鋁，投加量為2 mg/L(以Al2O3計).絮凝池采用網格絮凝池，結構尺寸為L×H×B=14.0 m×3.5 m×4.0 m，絮凝時間11 min.氣浮工藝采用加壓容器氣浮，氣浮池結構尺寸為L×H×B=15.0 m× 14.0 m×4.0 m，沿寬度方向分為2格.集水管位于浮渣層以下3.0 m位置，集水管以下為深度為1.0 m的三角形排泥區，排泥區底部設排泥管.氣浮區接觸區停留時間約為6 min，分離區停留時間約為30 min，水流下降速度為1.65 mm/s，表面負荷6.0 m3/(m2·h).氣浮池頂部設機械刮渣設備，運行周期為24 h.加壓容氣系統采用部分容氣流程，容氣水量占總水量的10%.容氣罐3個，2用1備，直徑1.5 m，高約3.0 m，加壓水停留時間約為3 min，工作壓力0.3 MPa.

2.2.3 超濾

試驗采用Memcor連續流浸沒式超濾膜系統(CMF－S)，包括膜組件、膜池、進出水泵及儲水罐、空氣壓縮系統、PLC控制系統等，其中低壓空氣反洗系統為Memcor公司的關鍵技術.

系統包括S10V膜組件4支，單支膜面積27.9 m2，公稱孔徑為0.04 μm，材質為PVDF.每個膜組件有上千個中空纖維膜絲組成，膜絲束的外部有起保護作用的塑料格網，膜絲兩端由聚亞安酯材料密封.頂端的封面可以使產水通過中空膜的內腔后被收集到產水管中，底端的密封可以使低壓空氣通過小孔達到膜組件的表面，對膜絲進行清洗.

膜組件采用負壓抽吸的工作方式，在抽吸泵(揚程約為12 m)的作用下，處理水從中空纖維膜的外表面到中空內腔，水中的固體顆粒(大于0.2 μm)被截留在膜的外表面.一般認為外壓式較內壓式更有利于提高通量以及污染物質的清除［4－6］.

系統運行周期為30 min，其中過濾25 min，空氣擦洗30 s，汽水聯合反沖洗15 s，反洗水放空45 s，再進水45 s，返回過濾狀態145 s.運行通量控制在60～80 L/(m2·h)，跨膜壓差0.04～0.048 MPa.試驗期間(約3個月)，由于跨膜壓差一直沒有增長的跡象，只進行了2次維護性清洗，時間間隔為1個月，清洗藥劑采用2×10－8g/L的次氯酸鈉溶液.

3 試驗結果與討論

3.1 水源水微污染程度的變化規律

3.1.1 水溫變化

水溫直接影響水的理化性質及水中藻類等微生物的生理活動，試驗期間監測了原水的溫度變化，如圖2所示.水溫隨著季節的推移呈逐漸上升趨勢，且上升速度比較平緩.4月5日至5月1日，水溫在11～16℃之間波動;5月2日至6月4日，水溫在16.5～23℃之間波動.歷時2個月，水溫上升10℃左右.

3.1.2 藻類及濁度變化

如圖3所示，藻類數量隨溫度的變化比較明顯.5月1日以前，藻類數量一直穩定在6.2×104～8.5×104個/L;5月1日以后，藻類數量激增至25×104～50×104個/L，原水已經成為高藻水，隨著溫度的增高有繼續增高的趨勢.常規工藝出水已經明顯帶有泥腥味.水源水濁度一直穩定在20左右，隨藻類及溫度變化不明顯.

3.1.3 堿度及溶解氧變化

如圖4所示，隨著溫度的升高微生物活動逐漸活躍，水的堿度和溶解氧均成下降趨勢.堿度由100 mg/L逐漸降至80 mg/L左右，溶解氧由7.2 mg/L降至4.7 mg/L左右.堿度降低對絮凝不利.

圖4 堿度及溶解氧變化圖

3.1.4 CODMn、UV254及NH3—N的變化

如圖5所示，CODMn、UV254及NH3—N三項反映水體有機物質量濃度的指標均隨著溫度的升高、藻類的微生物的繁殖呈緩慢增長的趨勢.其中CODMn由3.5 mg/L振蕩增長至5.0 mg/L左右，接近Ⅲ類水體指標限值，常規工藝已經很難達到GB5749－2006標準要求;UV254由0.06振蕩增長至0.07;NH3—N由0.05 mg/L振蕩增長至0.25 mg/L，尚未對出水水質夠成威脅.

3.2 組合工藝處理效果分析

3.2.1 濁度

如圖6所示，原水濁度在18～42 ntu之間波動，平均值為24.8 ntu;氣浮出水濁度值在1.53～ 2.80 ntu之間波動，去除率為91.7%，平均值為2.05 ntu，可作為超濾的預處理單元;超濾出水濁度在0.16～0.46 ntu間波動，平均值為0.25 ntu，去除率達到98.8%.超濾出水濁度雖然遠好于GB5749－2006規定值(1.0 ntu)，但未達到一般認同的小于0.1 ntu的效果，可能是由于超濾膜組件存在一定的斷絲量及出水儲存罐被污染所致.

3.2.2 藻類

試驗采用顯微計數法監測藻類數量，原水中藻類數量在24.2～57.2萬個/L之間波動，平均值為36.7萬個/L，數量比較穩定;氣浮出水藻類數量在2～4.8萬個/L，平均值為3.46萬個/L，氣浮對藻類的去除率約為90.6%;超濾出水藻類數量在0.36～0.78萬個/L之間波動，平均值為0.52萬個/ L，超濾對藻類的去除率達到84.9%，且出水藻類含量較為穩定，波動較小.見圖7、8.由于藻類的個體粒徑遠大于超濾孔徑，理論上超濾對藻類的去除率應該達到100%，實驗結果卻不盡然，原因在于試驗采用的膜組件使用時間較長，可能存在一定的斷絲量，或者超濾出水的儲水罐或是管道內存在藻類繁殖的現象，實際工程中同樣存在類似情況.

3.2.3 TON

試驗采用感官分析法監測嗅閾值(TON).分析可知，原水的TON基本維持在60左右;氣浮出水TON大多數情況下為40，部分檢測結果與原水一致;超濾出水TON多數情況下與氣浮出水相同.TON為水中產生嗅味物質質量濃度的綜合性檢測指標，由于產生嗅味的物質多為溶解性有機物，通過粉末活性炭吸附可部分去除嗅味物質，氣浮超濾等物理方法對TON去除效果不明顯.由于感官分析法主觀性強，監測結果存在誤差的可能性很大，但目前仍是我國供水行業普遍采用的監測方法.

3.2.4 CODMn

如圖9所示，原水CODMn波動范圍為4.36～10.88 mg/L，平均值為5.84 mg/L，水質波動幅度較大，污染較為嚴重;氣浮出水CODMn波動范圍為2.80～4.40 mg/L，平均值為3.16，波動幅度較小，在活性炭吸附及氣浮的共同作用下CODMn的去除率達到45.9%;超濾出水CODMn波動范圍為2.0～2.77 mg/L，平均值為2.45mg/L，超濾對CODMn的去除率為22.4%.通過對比試驗可知，實施高錳酸鉀預氧化和粉末活性炭吸附以后，原水CODMn多數情況下都大于5 mg/L，最大值已經達到10.88 mg/ L，氣浮去除率由28.4%提高至45.9%;超濾出水平均值由投加前的2.54 mg/L下降至2.45 mg/L，去除率由14%提高至22.4%，超濾出水CODMn質量濃度仍能穩定達到GB5749—2006標準限值的要求(3.0 mg/L).

3.2.5 UV254

UV254反映了水中能吸收254 nm波長紫外線的一類有機物(幾十或幾百種)的總質量濃度，其數值與TOC及THMFP具有較好的相關性［5］，是反映水質特性的重要參數.由圖10可知，原水UV254波動范圍為0.050～0.073 cm－1，平均值為0.064 8 cm－1;氣浮出水UV254波動范圍為0.045～0.057 cm－1，平均值為0.052 4 cm－1，氣浮去除率為19.2%;超濾出水UV254波動范圍為0.044～0.057 cm－1，平均值為0.050 8 cm－1，超濾去除率為3.1%.通過對比實驗可知，高錳酸鉀預氧化及粉末活性炭吸附單元沒有明顯提高工藝對UV254的去除效果.

3.2.6 NH3—N

由圖11可知，原水NH3—N質量濃度波動范圍為0.06～0.32 mg/L，平均值為0.16 mg/L，波動幅度較大，有振蕩上升的趨勢;氣浮出水NH3—N質量濃度波動范圍為0.11～0.40 mg/L，平均值為0.19 mg/L，氣浮出水氨氮含量較原水普遍偏高21.6%，可能在氣浮池停留期間，充分曝氣的條件下，存在一定程度的有機氮氨化現象.超濾出水NH3—N質量濃度波動范圍為0.03～0.4 mg/L，平均值為0.20 mg/L，NH3—N質量濃度較氣浮出水提高3.7%，在超濾過程中氨化現象進一步發展.盡管氣浮超濾過程使得NH3—N質量濃度增加約25%，但一直穩定達到GB5749—2006標準限值的要求(0.5 mg/L).

圖11 溫度變化曲線

4 結論

1)通過對錢資蕩水源水水質的跟蹤監測，當年5月1日以后，水溫上升至16.5℃時，出現了水中藻類數量激增的現象，其他水質指標也出現了相應變化.可根據水源水的水溫和藻類數量及時調整凈水廠運行工況，保證出水穩定達標.

2)采用高錳酸鉀預氧化/粉末活性炭吸附/混凝氣浮/超濾組合工藝處理金壇市錢資蕩微污染水源水，出水水質能夠穩定達到GB5749—2006的基本要求，可作為現有水廠升級改造的工藝方案.

3)高錳酸鉀預氧化以及活性炭吸附單元可明顯提高氣浮及超濾對CODMn的去除效果，即大幅度提高溶解性有機物的去除率，且運行管理方便，可根據原水水質變化隨時關停或調節投加量.

4)采用氣浮工藝代替傳統平流式沉淀池處理高藻水具有明顯的技術優勢，如果控制得當，出水濁度可穩定在1.0 ntu以下.采用浸沒式超濾系統處理微污染水源水是可行的，由于進水污染物含量較低，應進一步摸索超濾系統最優運行方式，努力延長過濾周期、減少反洗及化學清洗頻率，減少絮凝劑的投加量，達到節能減排的目的.

［1］ 李圭白，楊艷玲.超濾－第三代飲用水凈化工藝的核心技術［J］.供水技術，2007，4(1):1－3.

［2］ 胡澄澄，高乃云，楚文海.沉淀與氣浮工藝單元處理太湖原水效果比較［J］.給水排水，2010，36(2):13－17.

［3］ 盛學良，陳 建，鄭英銘，等.金壇市飲用水源地保護方案研究［J］.長江流域資源與環境，2001，10(2):179－184.

［4］ 何 卿，夏 晶，朱增銀，等.金壇市飲用水源地的安全保護機制探討［J］.污染防治技術，2008，21(3):37－39.

［5］ 蔣紹階，劉宗源.UV254作為水處理中有機物控制指標的意義［J］.重慶建筑大學學報，2002，24(2):61－65.

［6］ 史慧婷，楊艷玲，李 星.混凝－超濾處理受污染原水的試驗研究室［J］.哈爾濱商業大學學報:自然科學版，2011，27 (2):151－154.