預(yù)氯胺化對濾后水水質(zhì)影響的中試研究

陳偉仲，李 星，楊艷玲，溫 微

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000；2.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100022）

受污染水源的水經(jīng)常規(guī)的混凝、沉淀及過濾工藝去除水中有機物能力很弱，同時由于溶解性有機物的存在，不利于破壞膠體的穩(wěn)定性而使常規(guī)工藝對原水濁度的去除效果也明顯下降（50%～60%）［1］。加之低溫水黏度大，水流剪力增大，影響絮體的成長，布朗運動強度減弱，碰撞機會減少，膠體顆粒水化作用增強，妨礙膠體凝聚，而且水化膜內(nèi)的水由于黏度和重度的增大，影響了顆粒之間的黏附強度［2］，導(dǎo)致混凝效果下降。此外，地表水都含有不同來源、粒徑及種類的顆粒物，以及傳染性胞囊（賈滴蟲屬、隱孢子蟲屬），它們在水中對濁度的貢獻不大，歷史上曾發(fā)生過出水濁度低至0.1～0.2 NTU的情況下仍然暴發(fā)致病原生動物疾病的事件［3-5］。這些顆粒物會帶來衛(wèi)生問題，必須在供水之前進一步有效去除。

1 試驗部分

1.1 試驗原水水質(zhì)

試驗在中試系統(tǒng)上進行，原水為黃河下游段水源水，試驗期間原水水質(zhì)部分指標：水溫為0.6～4.2℃。濁度為6.4～12.6NTU，色度為15，堿度為176～182mg／L（質(zhì)量濃度，下同），氯化物質(zhì)量濃度（下同）為95～110mg／L，氨氮質(zhì)量濃度（下同）為0.1～0.25mg／L，有機氮質(zhì)量濃度（下同）為0.08～0.2mg／L，亞硝酸氮質(zhì)量濃度（下同）為0.030～0.091mg／L，CODMn為4.2～4.8mg／L（質(zhì)量濃度，下同），硬度為294～308mg／L（質(zhì)量濃度，下同），pH值為8.04～8.23，UV254為0.108～0.116cm-1。

1.2 試驗裝置

1）工藝流程

試驗在2套平行中試系統(tǒng)上進行，系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 中試系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow diagram of pilot-plant system

2）工藝參數(shù)

每套系統(tǒng)的設(shè)計流量為5.0m3／h，在其中一套系統(tǒng)的預(yù)氧化罐前投加氯2.0mg／L，氨氮0.32 mg／L，預(yù)氧化10min后余氯全部轉(zhuǎn)化為化合氯；混凝劑采用FeCl3，投量為6mg／L，機械混合1min，絮凝反應(yīng)時間為10min；氣浮池反應(yīng)時間為15 min；砂濾池濾速為7.86m／h，濾上水頭為1.1m，砂礫承托層厚200mm，雙層濾料，下層石英砂厚400mm，上層無煙煤厚600mm。另一套系統(tǒng)不投加預(yù)氧化劑，采用常規(guī)的混凝、氣浮、砂濾工藝，其混凝劑投加量及各工藝處理階段的時間均為與另外一套系統(tǒng)相同。運行穩(wěn)定后連續(xù)檢測濾后水的各項指標。

1.3 檢測指標

檢測濁度、CODMn、顆粒數(shù)、UV254等4項指標。

1.4 檢測儀器

Hach2100型濁度儀（美國HACH公司提供），酸式滴定管等儀器（天津玻璃儀器廠提供），752型紫外分光光度計（上海光學儀器廠提供），在線顆粒計數(shù)儀（美國IBR公司提供）。

1.5 測定方法

1）濁度：測定前先將濁度儀用標準樣品校正，然后將水樣裝入取樣瓶，再將取樣瓶放進樣品槽內(nèi)進行測定。量程為0～100NTU，檢測精度為0.001NTU。

2）CODMn：本試驗采用酸性法來測定CODMn，在一定條件下，以高錳酸鉀為氧化劑，處理水樣時所消耗的量以氧的質(zhì)量濃度（mg／L）來表示。

3）UV254：芳香族化合物或具有共軛雙鍵的化合物在波長254nm下有吸收峰。測定前需先將752紫外分光光度計設(shè)定波長在254nm下，再以純水作儀器的零點校正，隨后選取水樣經(jīng)過0.45μm濾膜過濾后，置于光程為1cm的石英比色皿內(nèi)，并將比色皿放入樣品槽中，測定吸光度，單位為cm-1。

4）顆粒數(shù)：在線顆粒計數(shù)儀的設(shè)計流量為60cc／min，將其連接到2套系統(tǒng)的濾后出水處，連續(xù)監(jiān)測濾后水中的顆粒總數(shù)以及不同粒徑顆粒的分布情況，數(shù)據(jù)傳輸至工作站進行存貯與處理。檢測數(shù)據(jù)為濾后水中2μm以上的顆粒總數(shù)，及不同顆粒粒徑（2～3，3～5，5～7，7～10，10～15，15～20，20～25，＞25μm）的分布情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)氯胺化助濾效果

預(yù)氯胺化工藝的助濾效果如圖2、圖3所示，常規(guī)工藝過濾出水的濁度在0.4～0.5NTU之間，經(jīng)過預(yù)氯胺化處理的過濾出水的濁度在0.2～0.35NTU之間；常規(guī)工藝對過濾濁度的平均去除率為94.16%，預(yù)氯胺化對過濾濁度的平均去除率達96.52%。試驗結(jié)果表明預(yù)氯胺化有較好的助凝助濾能力。

圖2 濾后水濁度比較Fig.2 Comparison of filtered water turbidity

氯胺及其在水中的水解產(chǎn)物次氯酸、二氯胺等通過破壞膠體顆粒表面的有機涂層，降低膠體顆粒表面負電荷和雙電層排斥作用，達到有利于顆粒間的碰撞效果，使水中膠體顆粒易于脫穩(wěn)，形成較大的絮體顆粒，從而有利于后繼氣浮﹑過濾工藝對顆粒物的去除［6-7］。

圖3 濾后水濁度去除率Fig.3 Removal ratio of filtered water turbidity

2.2 預(yù)氯胺化去除濾后水有機物效果

預(yù)氯胺化工藝去除濾后水有機物的效果如圖4所示，常規(guī)工藝的過濾出水與預(yù)氯胺化后過濾出水的UV254去除率分別為18.66%與23.17%。常規(guī)工藝的過濾出水與預(yù)氯胺化后過濾出水的CODMn去除率分別為20.53%與25.06%。預(yù)氯胺化工藝在去除UV254與CODMn方面具有很好的效果。

圖4 預(yù)氯胺化去除有機物效果Fig.4 Effect of organic matter removal by pechloramination

2.3 預(yù)氯胺化去除濾后水顆粒物質(zhì)效果

歐美等國曾多次爆發(fā)了由于原生動物穿透濾池而引起的大規(guī)模水媒傳染病惡性事件，中國山東、安徽等地的微污染水源水中已檢測發(fā)現(xiàn)“兩蟲”類致病原生動物的存在［8］，影響了飲用水的水質(zhì)，威脅到了人類的健康［9］，調(diào)查表明當時過濾出水濁度指標良好，說明僅以濁度作為致病原生動物衛(wèi)生安全性指標是不夠的［10］。

水中含有的穩(wěn)態(tài)微顆粒難以由濁度值來生動的體現(xiàn)，而粒徑為微米量級的顆粒恰為細菌、微生物和藻類等［11］，例如致病原生動物賈滴蟲的粒徑為8～12μm，隱孢子蟲的粒徑為4～6μm。它們對城市供水水質(zhì)的安全性產(chǎn)生極大的隱患。顆粒檢測技術(shù)能有效測試出粒徑大于2μm的顆粒，可以彌補濁度檢測的不足［12］。顆粒數(shù)量指標對于保證出水水質(zhì)、嚴防介水傳染病的爆發(fā)有著重要的作用，近幾年在水處理中越來越受到重視［13］。因此濾后水中的顆粒數(shù)在此粒徑范圍內(nèi)被大幅度去除具有重要的實際意義。

預(yù)氯胺化工藝去除濾后水顆粒物質(zhì)的效果如圖5、圖6所示，常規(guī)工藝對低溫水的混凝效果不好，過濾出水顆粒總數(shù)平均為3 237個／mL，顆粒數(shù)很高，顆粒物粒徑主要集中在2～10μm之間。預(yù)氯胺化濾后水顆粒總數(shù)平均降到1 468個／mL，較常規(guī)工藝少了54.6%，其中2～10μm的顆粒數(shù)減少了1 654個／mL，減少了55%；10～20μm的顆粒數(shù)減少了101個／mL，減少了54.3%；20μm以上的顆粒數(shù)減少了14個／mL，減少了70%。由于氯胺與其在水中的水解產(chǎn)物的氧化性降低了膠體顆粒表面負電荷和雙電層排斥作用，使水中膠體顆粒易于脫穩(wěn)，形成較大的絮體顆粒，從而有利于后續(xù)工藝對顆粒物的去除，因此預(yù)氯胺化過濾出水顆粒數(shù)穩(wěn)定在較低水平。

圖5 濾出水顆粒總數(shù)比較Fig.5 Comparison of total particle counts

圖6 不同粒徑顆粒數(shù)比較Fig.6 Comparison of particle counts with different diameter

天然水體的病原微生物個體表面一般都帶負電荷，經(jīng)過混凝后，大多數(shù)隱孢子蟲和賈滴蟲的卵囊都可以吸附到絮凝體上，通過沉淀和過濾去除。病原原生動物的去除程度與顆粒污染物的去除有相同的數(shù)量級。因此，預(yù)氯胺化對過濾工藝的強化是一個重要的微生物安全屏障。

3 結(jié) 論

1）預(yù)氯胺化工藝具有良好的強化助濾、去除水中污染物的作用，可改善常規(guī)過濾工藝對受污染水源水的處理效果［14-16］。

2）常規(guī)過濾工藝對顆粒物質(zhì)去除能力有限，預(yù)氯胺化工藝的對濾后水中不小于2μm顆粒物質(zhì)以及不同粒徑范圍的顆粒數(shù)的去除效果均大大優(yōu)于常規(guī)工藝。過濾出水顆粒數(shù)穩(wěn)定，波動較小，降低了對過濾工藝的沖擊，同時降低了致病微生物穿透濾池的風險，提高了出水的生物穩(wěn)定性。

3）針對高氨氮原水的處理，預(yù)氯胺化為水處理預(yù)氧化技術(shù)提供了一種新思路，是降低微生物風險和化學風險的一個新途徑，提高事故處理的應(yīng)變能力［17］。

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