微污染水源水凈化集成技術研究

陳友嵐 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

李樹苑 （中國市政工程中南設計研究院，湖北 武漢430010）

微污染水源是指受到有機物污染，部分水質指標超過 《地表水環境質量標準》（GB3838－2002）Ⅲ類水體標準的水體。其成分主要包括有機物、氨、嗅味、三致物質、鐵、錳等［1］。一般來說，這些污染物種類較多，性質較復雜，但濃度比較低微，尤其是那些難于降解、易于生物積累和具有三致作用的有毒有機污染物，對人體健康毒害很大。近年來隨著工業的發展、城市化進程的加速及農用化學品種類和數量的增加，許多水源已受到不同程度的污染［2－4］。

據2009年國家環境保護總局發布的年度 《中國環境狀況公報》報道，2009年七大水系總體為輕度污染，203條河流408個地表水國控監測斷面中，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類水質的斷面比例分別為57.3%、24.3%和18.4%［5］。另外，目前中國90%以上的城市水域受到污染，50%的重點城鎮水源水質不符合飲用水水源的標準，都檢測出多種污染物，微污染現狀呈發展之勢。從目前國內水域的污染現狀看，要顯著改善城市水源的水質狀況，無論從時間上還是從資金投入上，均無力在短期內實現，因此許多城市不得不以受污染的水體作為飲用水水源。

然而，現有常規給水處理工藝 （混凝→沉淀→過濾→消毒）不能有效去除微污染水源水中的有機物、氨氮等污染物，同時液氯很容易與原水中的腐殖質結合產生消毒副產物 （DBPs），直接威脅飲用者的身體健康，無法滿足人們對飲用水安全性的需要［6－9］。2006年衛生部和國家標準化管理委員會聯合發布 《生活飲用水衛生標準》（GB 5749－2006）的水質指標由GB 5749－85的35項增加至106項，其中生物學指標由2項增加至6項，飲用水消毒劑由1項增加至4項，毒理學指標由15項增至74項，感官性狀和一般理化指標由15項增至20項［10－13］。為適應國內供水行業的發展，研究技術經濟可行的受污染水源水處理工藝，全面提高飲用水水質是十分必要的。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與方法

試驗采用某城市受污染的水庫水源，以不同的工藝流程進行。試驗設施詳見圖1，其主要的凈化單元如下。

預處理部分：生物預處理、預臭氧處理；

常規處理部分：混合、絮凝、沉淀、石英砂過濾；

圖1 工藝流程

深度處理部分：顆粒活性炭吸附濾池 （GAC）、臭氧生物顆粒活性炭處理 （O3－BAC）。

由以上3個部分組合為常規處理流程、常規處理＋顆粒活性炭吸附濾池 （GAC）深度處理流程、常規處理＋臭氧生物顆粒活性炭 （O3－BAC）深度處理流程3個平行運行的工藝。將2組預處理和3條平行運行的工藝流程組合為6條試驗工藝流程，具體為：（1）常規處理工藝；（2）生物預處理＋常規處理工藝；（3）生物預處理＋常規＋GAC深度處理工藝；（4）常規＋GAC深度處理工藝；（5）常規＋O3－BAC深度處理工藝；（6）生物預處理＋常規＋O3－BAC深度處理工藝。由此進行各種組合工藝集成技術凈化效果和技術經濟的比較。其中，試驗設施的主要設計參數如下。

（1）生物預處理池井 設計水量3.3m3／d，水力負荷1.0m3／ （m2·h），氣水比1∶1，YDT彈性填料；池分3格，采用穿孔管曝氣，池內設有中心導流筒，穿孔管位于中心導流筒下部，每格內部通過中心導流筒連續曝氣的抽升作用，形成水的交替循環，呈完全混合式。

（2）臭氧系統 由臭氧接觸池和臭氧發生器組成。

臭氧接觸池：內徑300mm的圓柱形，總高度6.0m，最大有效水深5.7m，水從上部進下端出，臭氧從下部進上端出，逆向接觸。池體為不銹鋼。

臭氧發生器：Ozonia公司的LN103，以純氧 （露點不高于－50℃）為氣源，額定工作狀態下 （氧氣絕對壓力1.6Bar，氣溫20℃），臭氧生成量2～5g／h，氧氣利用率1.2%～8.8%，試驗條件下氧氣利用率約3%。

（3）常規處理 由混合、絮凝、沉淀、砂濾組成。設計水量3.0m3／h。

混合：靜態水力混合器，混合時間6s。

絮凝：孔室反應，絮凝時間23.2min。斗底重力排泥。

沉淀：斜管沉淀池，清水區上升速度1.39mm／s，

砂濾：石英砂均粒濾池，濾速6.49m／h。濾料粒徑0.8～1.0mm，水反沖洗。

（4）深度處理 采用粒狀活性炭 （GAC）濾池及臭氧－生物活性炭 （O3－BAC）濾池。

GAC濾池采用矩形，分為獨立的2格，每格處理水量1.5m3／h，濾速9.99m／h。濾料厚度2.0m。

1.2 水源水質狀況評價

采用GB3838－2002《地表水環境質量標準》、CJ3020－93《生活飲用水水源水質標準》評價水庫水源水質狀況。

水源水的錳、亞硝酸鹽、凱氏氮、總磷、氨氮超Ⅲ類水體的水質標準，高錳酸鹽指數 （CODMn）、BOD5、總大腸菌群超Ⅱ類水體水質指標，部分時間超過Ⅲ類水體水質標準。5～8月屬地面水Ⅲ類水質，個別項目超過Ⅲ類水質指標；按CJ3020－93的要求，該水源為二級飲用水水源水質。

藻類不是上述2個標準的評價項目，但水源的藻類數量較高，對水的常規凈化工藝正常運行影響較大，可導致出廠水水質下降，是不應忽視的水質項目。本研究中選用面積為20×20mm、容積為0.1ml的計數框，采用行格法計數測定。

2 結果與分析

2.1 常規處理及后續深度處理工藝流程比較

常規處理、常規－GAC深度處理以及常規－BAC深度處理工藝3個工藝流程平行對比試驗對幾個主要水質指標進行了測定，濁度、氨氮、亞硝酸鹽氮、CODMn、色度、TON （總有機氮）、UV254等常規項目的分析化驗方法基本以GB5750－85標準為依據，藻類采用計數框法測定。平均結果見表1。

表1 常規、常規－GAC、常規－BAC工藝單元及流程試驗結果

由表1可以看出：（1）濁度。3個工藝的出水濁度未見明顯差異，可以認為深度處理工藝相對于運行狀態良好的常規處理工藝，不能提高濁度的去除效率，濁度的去除主要在常規工藝中解決。（2）氨氮、亞硝酸鹽。常規工藝對氨氮、亞硝酸鹽氮去除率較小，有時呈負值，說明常規工藝對氨氮、亞硝酸鹽氮幾乎不能去除，且由于存在氨氮的硝化，出水中亞硝酸鹽還可能升高；BAC深度處理工藝，投加臭氧后，水中的溶解氧有較大幅度的增加，在顆粒活性炭濾池中形成良好的生物生長環境，因此形成生物濾池，對氨氮、亞硝酸鹽氮有較好的去除作用，氨氮的去除率達到85%左右。 （3）有機物。采用CODMn、UV254評價，常規、常規－GAC、常規－BAC3種工藝的CODMn去除率分別為14.42%、38.68%、58.19%；常規－GAC處理工藝中，GAC單元去除的CODMn總量占流程去除量的62%，而常規－BAC工藝中的BAC單元去除的CODMn總量占流程去除量的75%；說明投加臭氧后提高了深度處理的能力，有利于有機物的進一步降解；對UV254的去除效果與CODMn的趨勢一致。（4）藻。常規BAC處理工藝出水的藻含量最低，效果較好，但是出水仍有37萬個／L，對出水水質的穩定不利。（5）臭閾值、色度。2種深度處理工藝對臭閾值和色度的去除未見明顯差異，但是顯著優于常規處理工藝。

2.2 生物預處理、常規處理后續深度處理工藝比較

本試驗的后續3個工藝流程是在前述3個工藝流程基礎上增加了生物預處理凈化單元，主要目的是解決水源水中的氨氮、亞硝酸鹽氮等可生物降解的污染物。濁度、氨氮、亞硝酸鹽氮、CODMn、色度、UV254等常規項目的分析化驗基本以GB5750－85標準為依據，藻類采用計數框法測定。試驗結果見表2。

由表2可以看出：（1）濁度。各工藝對濁度去除無明顯差異，深度處理不能提高濁度的去除率，這與前述3個工藝的結果一致。（2）氨氮、亞硝酸鹽氮。由于有前置的生物預處理凈化單元的生物作用，因此能夠解決氨氮、亞硝酸鹽氮的問題，生物處理后續的3個工藝流程出水的氨氮、亞硝酸鹽氮基差異不很大。（3）有機物。當源水的CODMn在3mg／L左右時，生物預處理后續3個工藝流程出水平均值均低于1.5mg／L，生物預處理－常規工藝、生物預處理－常規－GAC深度處理工藝以及生物預處理－常規－BAC深度處理工藝的出水CODMn平均值分別為1.34、1.02、0.73mg／L。可見投加臭氧的生物活性炭濾池深度處理工藝對CODMn的去除效果最好.分析各凈化單元對CODMn去除率的貢獻，生物預處理所占比率最大，其次是BAC，常規和GAC相差不大。以CODMn總量為1，各凈化單元的CODMn去除量的比率見圖2。從試驗結果看，不同凈化單元對水源水中的CODMn去除率相差較大，實際的去除效果與水中有機物構成有關。

表2 生物＋常規＋GAC（BAC）工藝流程試驗結果

2.3 各工藝流程出水水質達標率比較

試驗期間共進行4次水質項目的全分析，所得結果表明：

常規處理工藝為大部分水廠所使用的工藝流程，該工藝的超標項目主要有氨氮、亞硝酸鹽氮、有機氯 （總量），偶爾出現苯并 （a）芘及萘的超標。與其他流程的出廠水相比，水質最差。

生物預處理＋常規處理工藝的水質指標中超標項目主要為有機氯 （總量）。原有項目35項指標全部達標，新增的53項指標達標率為92.45%，大于80%要求。

生物預處理＋常規＋GAC處理工藝的出水基本滿足所有水質指標要求。

常規＋GAC處理工藝不能解決氨氮、亞硝酸鹽氮的超標情況，出廠水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度超出標準。

常規＋O3－BAC處理工藝試驗次數少，但其出廠水水質好，處理效果顯著，出水只有1項萘超標，接近生物預處理＋常規＋GAC處理工藝。

比較氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數以及臭味幾項常規項目，流程 （3）、流程 （6）的處理效果最好，既有生物吸附降解作用，又有活性炭的吸附作用；其次是流程 （2）、流程 （4），流程 （2）的優勢體現在氨氮、亞硝酸鹽氮及臭味的處理上，流程 （4）則對有機物與生物臭的處理效果好。

圖2 不同凈化工藝單元有機物去除量占總去除量的比例

3 結論

本研究結果表明，對受污染水源水的處理，要達到飲用水水質標準或提高水質，應根據源水水質的特點進行工藝的選擇。

（1）當原水中氨氮濃度高時應選擇有生物作用的水處理工藝流程，如生物預處理＋常規處理工藝或常規＋臭氧生物顆粒活性炭處理工藝，在沒有生物處理工藝單元的流程中氨氮基本上無去除效果；

（2）當原水中藻含量較高時，一般應選擇有前處理除藻的工藝單元，否則對后續的砂濾池運行產生不利影響，如可采用生物預處理工藝單元；

（3）當原水中的臭閾值、有機物、色度較高時，應采用常規處理工藝后接深度處理 （GAC、O3－BAC）工藝。

本研究進行的6種工藝流程，從出水水質看，生物預處理＋常規＋O3－BAC工藝最好，其次是生物預處理＋常規和常規＋O3－BAC工藝以及常規＋GAC工藝。不同的水源水水質條件、目標差異、經濟條件等因素，對水處理工藝的選擇都有一定的影響。

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