由混凝或氣浮構成的組合工藝處理太湖原水比較

高夢鴻，高乃云，周金金，戎文磊，陸納新，袁 君

由混凝或氣浮構成的組合工藝處理太湖原水比較

高夢鴻1，高乃云1，周金金1，戎文磊2，陸納新2，袁 君2

（1.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，200092上海；2.無錫自來水總公司，214031江蘇無錫）

針對低溫東太湖原水，考察常規＋臭氧-生物活性炭（O3-BAC）處理中氣浮和沉淀兩種工藝對出水水質的影響.結果表明：氣浮工藝對原水濁度的去除效果明顯優于沉淀工藝，平均去除率高約10.1%，無論是氣浮還是沉淀工藝，經O3-BAC深度處理后出水濁度均穩定在1 NTU以下；氣浮工藝對有機物的去除效果略優于沉淀工藝，CODMn和DOC平均去除率分別高約5.4%和1.6%，常規處理工藝后出水有機物含量不能達標，O3-BAC工藝出水CODMn穩定在0.5～2.1 mg／L，DOC穩定在0.3～2.0 mg／L；沉淀／氣浮工藝只對腐殖質略有去除效果，砂濾對熒光物質幾乎無去除作用，而O3-BAC工藝是去除水中熒光類物質的主要手段；氣浮工藝對藻類的去除效果略優于沉淀工藝，深度處理后出水硅藻活性和葉綠素濃度降為0，藍藻仍保有部分活性.

太湖水；斜管沉淀；氣浮工藝；O3-BAC；去除效果

以東太湖水域為飲用水水源地的周邊水廠通常采用混凝-沉淀-過濾的常規處理加上臭氧-生物活性炭深度處理工藝流程.但因藻細胞微粒細小，屬于膠體類物質，并帶有較高的負電性，且不同原水中的藻細胞性質往往差異較大，故一般的混凝沉淀除藻效果不佳［1］.氣浮工藝利用微小氣泡與絮體結合使絮體上浮而達到固液分離的目的，對藻類與低溫低濁水有較好的處理效果［2］.本文針對典型的湖泊含藻微污染水體，通過中試考察在常規＋臭氧-生物活性炭（O3-BAC）處理過程中氣浮和沉淀兩種工藝對出水水質的影響，包括各處理單元的出水渾濁度、有機物（CODMn和DOC）含量，通過三維熒光光譜分析各工藝對熒光物質的去除效果以及藻類活性和葉綠素濃度的變化，比較兩種工藝在處理湖泊水體時的優缺點，為今后自來水廠凈水工藝的改進和優化提供指導和依據.

1 實 驗

1.1中試工藝流程

中試裝置包括A和B兩套水處理工藝流程，即常規處理＋O3?BAC深度處理，如圖1所示，中試進水取自梅梁灣（東太湖）原水，進水流量均為1.0 m3／h.

圖1 中試處理工藝流程

混凝-沉淀工藝設有3級攪拌混凝池，尺寸為1.2 m×0.4 m×0.5 m，槳板轉速分別為100、30和10 r／min；斜管沉淀池尺寸為1.5 m×0.7 m× 1.4 m，斜管材料采用0.4 mm塑料板熱壓成正六角形管，內切圓直徑25 mm，長0.5 mm，傾斜角度為45°.

混凝-氣浮工藝中混凝池尺寸為0.42 m× 0.42 m×0.61 m，上下兩個槳板，轉速為50 r／min；氣浮池直徑為0.7 m，池高1 m；氣浮系統溶氣罐為間歇式進氣、連續式進水，回流比為10%～15%，工作壓力為0.24～0.34 MPa；氣浮池采用TS型釋放器，連續刮渣.

砂濾柱直徑300 mm，承托層高450 mm，砂層高700 mm.臭氧接觸柱為串聯式多級U形不銹鋼柱，直徑為200 mm，柱高4 m，反應器底部裝有不銹鋼制曝氣頭，反應柱出口接尾氣吸收瓶.活性炭柱直徑300 mm，卵石承托層高250 mm，砂層高300 mm，活性炭層高1 000 mm.

實驗用混凝劑為聚合氯化鋁，前期中試運行數據表明，氣浮工藝混凝劑投加量為15～20 mg／L、沉淀工藝為20～30 mg／L時，深度處理出水濁度保持在1 NTU以下，故選取混凝-氣浮投藥量為20 mg／L，混凝-沉淀投藥量為25 mg／L，中試運行穩定后各工藝出水濁度、CODMn等采樣頻率為每天一次，TOC采樣4 d一次，連續監測.

1.2原水水質

10～12月實驗期間測得的中試工藝原水水質指標如表1所示.由于暴雨和風浪作用，實驗期間原水水質波動較大，濁度最高可達118 NTU，CODMn最大時超過6 mg／L，按照國家規定的單因子評價法整體水質依據最高指標確定，屬于Ⅳ類水質.近年充山水廠原水水質統計數據表明，太湖梅梁灣屬于Ⅳ～V類水體，氨氮和藻類含量常年偏高，有機物污染嚴重，故實驗期間原水水質的波動范圍對梅梁灣近年水質的整體水平具有一定的代表性.

表1 中試期間原水水質指標

1.3測定方法

三維熒光光譜（EEM）檢測采用F-4500型熒光光譜分析儀（Hitachi，日本）.檢測池為光路長度1 cm的石英熒光樣品池，檢測溫度為室溫，空白樣采用去離子水.基本檢測參數為：激發光源，150 W氨弧燈；PMT電壓，700 V；光柵夾縫，Ex＝10 nm，Em＝10 nm；響應時間，0.5 s；掃描速度，1 200 nm／min；掃描光譜進行儀器自動校正.掃描范圍為Ex／Em＝200～450 nm／280～550 nm，掃描間隔為5 nm.

CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法測定；渾濁度采用HACH2100P型便攜式濁度儀測定；溶解性有機碳（DOC）采用TOC-VCPH型TOC儀（Shimadzu，日本）測定；藻類活性及葉綠素a濃度采用PHYTO-PAM熒光儀（Walz，德國）測定.

2 結果與討論

2.1對濁度的去除效果對比

實驗期間A、B兩組工藝各單元出水渾濁度見圖2.由圖2（a）可以看出，A組沉淀出水濁度降為20～60 NTU，平均去除率為50%；砂濾池出水濁度降為1～10 NTU，平均去除率為90%；經O3-BAC單元后，濁度進一步降低到0～1 NTU，該組工藝對渾濁度的總去除率達99%以上.由圖2（b）可以看出，B組氣浮出水濁度降為5～50 NTU，平均去除率為60.1%；砂濾池出水濁度降為0.9～5.0 NTU，平均去除率為90%；經O3-BAC單元后，濁度進一步降低到0～0.8 NTU，該組合工藝對渾濁度的總去除率達99.5%以上.

圖2 各水處理單元出水渾濁度

對比A、B兩組工藝可知，氣浮工藝對濁度的去除效果優于沉淀工藝，這與胡澄澄等［3］研究結論相同.其原因是實驗在11～12月低溫低濁期間，原水黏度增大，顆粒外圍吸附水化膜增厚，親水性加強，布朗運動減弱，從而使顆粒在水中穩定地存在，不易形成大顆粒；低溫低濁水中的膠體顆粒物質數量較少，主要以細而均勻的膠體顆粒為主，其Zeta電位負值很高，碰撞效率較低，不利于礬花的形成；沉淀需要較大尺寸的絮體顆粒，而氣浮對絮體顆粒尺寸的要求沒有沉淀嚴格，且低溫時水中溶解氣體增多，吸附于形成的絮體周圍，使得絮體易于上浮［4-5］.故針對低溫低濁太湖原水，在控制出水濁度上，氣浮工藝比沉淀工藝具有更大的優勢，而沉淀工藝則需要通過加大投藥量達到相同的出水水質效果.

2.2對有機物的去除效果對比

有機污染物含量的綜合指標主要包括化學需氧量（CODCr和CODMn）和總有機碳（TOC）.其中CODMn主要反映水中能夠被高錳酸鉀氧化的一類還原物質，可作為水中易被氧化降解有機物的良好替代參數，表征水中有機污染物被氧化的程度或污染物的還原能力；TOC則代表了水體中全部含碳有機物的質量濃度，由于水樣中的大顆粒懸浮物不能進入TOC測定儀，測定前采用0.45μm膜過濾預處理，得到的結果實際為溶解性有機碳（DOC）.CODMn和DOC相互補充，可以對水體中的有機污染物質量濃度作更全面的表達.實驗期間A和B兩組工藝各單元出水CODMn和DOC質量濃度見圖3、4.

圖3 各水處理單元出水CODMn

由圖3可以看出，A組沉淀工藝對CODMn平均去除率為29.3%，而B組氣浮工藝對CODMn平均去除率為34.7%；兩套工藝中砂濾和O3-BAC單元對CODMn的去除效果差別不大，CODMn平均去除率分別為14.3%和56.3%；A和B兩組工藝對CODMn的總去除率分別達74.6%和79.0%.

圖4 各水處理單元出水DOC

由圖4可以看出，兩套工藝各處理單元對DOC的去除變化趨勢基本與CODMn類似，但DOC的去除效果要優于CODMn.A組沉淀工藝對DOC平均去除率為50.3%，而B組氣浮工藝DOC平均去除率為51.9%；砂濾和O3-BAC單元對DOC的平均去除率分別為3.8%和61.3%；A、B兩組工藝對DOC的總去除率分別達80.6%和82.5%.

比較各處理單元對CODMn和TOC的去除效能可知，氣浮工藝對有機物的去除效果稍強于沉淀工藝，無論對A組還是B組，沉淀／氣浮和O3-BAC單元均對水中有機物的去除起主要控制作用，且受進水水質波動影響較小.兩套工藝深度處理后出水CODMn穩定在0.5～2.1 mg／L，DOC穩定在0.3～2.0 mg／L，滿足生活飲用水衛生標準（GB5749—2006）中規定的出水CODMn不得超過3 mg／L、TOC不得超過5 mg／L的要求.

2.3對熒光強度的去除效果對比

三維熒光光譜（EEM）以特征熒光峰中心最大熒光強度（FI）作為表征水中某類溶解性有機物含量的指標，與傳統表征有機物含量的水質參數相比，不僅能反映有機物的濃度，還可以提供有機物組成成分信息，具有快速、高靈敏度、高選擇性、預處理簡單、所需樣品少及不會破壞樣品結構等特點［6-7］.根據各種溶解有機質（DOM）的Ex／Em熒光峰位置，三維熒光光譜通常可以分為5個區：第Ⅰ區（Ex／Em＝220～250 nm／60～330 nm）和第Ⅱ區（Ex／Em＝220～250 nm／330～380 nm）均為芳香族蛋白質熒光；第Ⅲ區（Ex／Em＝220～250 nm／380～500 nm）為類富里酸熒光；第Ⅳ區（Ex／Em＝250～400 nm／260～380 nm）為溶解性微生物類代謝產物熒光；第Ⅴ區（Ex／Em＝250～400 nm／380～500 nm）為類腐殖酸熒光［8］.實驗期間A和B兩組工藝各單元出水三維熒光光譜圖及對應的FI值見圖5，6.可以看出，沉淀／氣浮及砂濾工藝對熒光物質去除率很低，其中砂濾后出水微生物溶解性蛋白含量反而提高，這可能是砂濾池受到異養性微生物的污染導致有機氮泄漏的緣故.而O3-BAC能有效去除有機氮及腐殖酸，但對富里酸的去除率較低，A組和B組對應的O3-BAC工藝對微生物溶解性蛋白的去除率分別為74.16%和72.01%，對芳香性蛋白的去除率為78.34%和83.06%，對腐殖酸的去除率為80.45%和81.48%，對富里酸的去除率則相對較低，分別為39.78%和40.15%.

總體上看，沉淀／氣浮工藝只對腐殖質略有去除效果，砂濾對熒光物質幾乎無去除作用，而O3-BAC工藝是去除水中熒光類物質的主要手段，其原因是在O3-BAC聯用工藝中，O3能有效地將大分子有機物氧化分解為小分子有機物，而小分子有機物則被活性炭吸附或炭層中微生物降解，兩者在去除不同分子質量的有機物過程中存在較好的互補性［9］.

2.4對藻類的去除效果對比

利用熒光脈沖檢測器（PAM）可以方便快捷地研究藻類的光合作用，其中光合活性表示細胞色素有效利用所吸收光能的效率，活性高說明細胞生長旺盛，活性低則表明細胞可能受到某種脅迫或者處于衰亡期，從而判別細胞的生存狀態；而葉綠素濃度可間接表征藻類的濃度.A和B組工藝各單元出水藻類的光合活性和葉綠素濃度去除效果如圖7所示.可以看出，各工藝對藻類活性均有一定的去除作用，O3-BAC工藝是去除藻類活性的主要作用單元.A組和B組工藝深度處理后出水的硅藻活性分別由0.36和0.33降至0，藍藻活性由0.48和0.51降至0.21和0.15，表明常規＋O3-BAC出水對硅藻活性的抑制效果高于藍藻.常規處理工藝對葉綠素已有較好的去除效果，A組和B組砂濾出水藍藻葉綠素的去除率分別達97.87%和97.89%，硅藻葉綠素的去除率分別達91.58%和96.31%，而經O3-BAC后出水藍藻和硅藻葉綠素濃度已低于檢出限，表明經常規＋O3-BAC處理工藝后出水藻類可基本完全去除.

對比A和B組工藝可知，氣浮工藝對藻類的去除效果略優于沉淀工藝.這是因為對于低溫低濁的含藻水，水中泥沙顆粒較少，混凝生成的絮體密度較低，故沉速較慢，出水效果不佳；而氣浮工藝形成的微小氣泡有利于黏附絮體顆粒上浮，從而達到良好的除藻效果［10-11］.

圖5 各單元出水EEM圖

圖6 各工藝對熒光強度（FI）的去除效果

圖7 各工藝出水藻類活性及葉綠素去除效果

3 結 論

1）針對低溫東太湖源水，氣浮工藝對原水濁度的去除效果明顯優于沉淀工藝，平均去除率高10.1%.無論是氣浮還是沉淀工藝，經O3-BAC深度處理后出水濁度均穩定在1 NTU以下，滿足飲用水衛生標準規定的出水濁度要求.

2）從有機物的去除效果看，氣浮工藝略優于沉淀工藝，CODMn和DOC的平均去除率分別高5.4%和1.6%.常規工藝出水CODMn和DOC并不能滿足要求.因此，O3-BAC工藝對控制穩定出水有機物含量不可缺少，兩套工藝深度處理后出水CODMn穩定在0.5～2.1 mg／L，DOC穩定在0.3～2.0 mg／L.

3）沉淀／氣浮工藝只對腐殖質略有去除效果，砂濾對熒光物質幾乎無去除作用，而O3-BAC工藝是去除水中熒光類物質的主要手段.氣浮工藝對藻類的去除效果略優于沉淀工藝，深度處理后出水硅藻活性和葉綠素濃度降為0，藍藻仍保有部分活性.

4）總體上看，氣浮工藝對太湖水的處理效果優于沉淀工藝，且節約了混凝劑投藥量，但氣浮池的汽水比難以控制，管理較復雜.在以湖泊水為水源水的中小水廠新建或改建中可考慮采用自動控制汽水比的氣浮池，嚴格控制投藥量，有利于后續工藝的運行.

［1］劉麗娟，汪琳，李明玉，等.不同混凝劑強化除藻、除濁的研究［J］.中國給水排水，2010，26（5）：80-83.

［2］EDZWALD J K.Principles and applications of dissolved air flotation［J］.Water Science and Technology，1995，31（34）：1-24.

［3］胡澄澄，高乃云，楚文海.沉淀與氣浮工藝單元處理太湖原水的效果比較［J］.給水排水，2010，36（2）：13-16.

［4］BRAUL L，VIRARAGHAVAN T，CORKAL D.Cold water effects on enhanced coagulation of high DOC，low turbidity water［J］.Water Quality Research Journal of Canada，2001，36（4）：70-717.

［5］霍明昕，劉鬢遠.低溫低濁水質特性的分析［J］.中國給水排水，1998，14（6）：33-34.

［6］COBLE P G.Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation emission matrix spectroscopy［J］.Marine Chemistry，1996，51（4）：325-346.

［7］COBLE P G，GREEN S A，BLOUGH N V，et al.Characterization of dissolved organic matter in the Black Sea by fluorescence spectroscopy［J］.Nature，1990，348：432-435.

［8］廖日紅，戰楠，申穎潔，等.活性炭吸附受污染河水中有機物的三維熒光分析［J］.中國給水排水，2011（1）：92-95.

［9］韓幫軍，馬軍，陳忠林，等.臭氧催化氧化與BAC聯用控制氯化消毒副產物［J］.給水排水，2006，22（17）：18-23.

［10］HENDERSON R K，PARSONS S A，JEFFERSON B.Successful removal of algae through the control of zeta potential［J］.Separation Science and Technology，2008，43（7）：1653-1666.

［11］HENDERSON R K，PARSONS S A，JEFFERSON B.Surfactants as bubble surface modifiers in the flotation of algae：dissolved air flotation that utilizes a chemically modified bubble surface［J］.Environmental Science＆Technology，2008，42（13）：4883-4888.

（編輯劉 彤）

Comparison of pilot effect between sedimentation and dissolved air flocculation for the treatment of Taihu Lake water

GAO Menghong1，GAO Naiyun1，ZHOU Jinjin1，RONG Wenlei2，LU Naxin2，YUAN Jun2
（1.Pollution Control and Resource Reuse State Key Laboratory，Tongji University，200092 Shanghai，China；2.Wuxi Water Works Co.，Ltd，214031 Wuxi，Jiangsu，China）

The effluent quality of combined process containing O3?BAC treatment between sedimentation process and dissolved air flocculation（DAF）process for the treatment of East Taihu Lake raw water were compared.The results showed that the removal efficiency of turbidity by DAF was 10.1%higher than that by sedimentation process，and the effluent turbidity was stabled at 1 NTU or less after the treatment of the O3?BAC.Compared with the sedimentation process，the CODMnand DOC removal efficiencies of DAF were increased by 5.4%and 1.6%，respectively.The CODMnand DOC were stabled at 0.5-2.1 mg／L and 0.3-2.0 mg／L after O3?BAC process respectively，while the organic concentration could not reach to effluent standard after conventional treatment.O3?BAC process played a dominant role in the decrease of fluorescence intensity，while conventional treatment process had only a slight or no effect on the removal of fluorescent material.The experimental results indicated that the DAF was slightly better for algae removal efficiency than sedimentation process.The concentration of diatom activity and chlorophyll decreased to 0 and cyanobacteria still retained part of the activity after advanced treatment.

Taihu Lake water；tube sedimentation process；dissolved air flocculation process；O3?BAC；removal efficiency

TU991

A

0367-6234（2014）08-0090-06

2014-05-10.

國家自然科學基金資助項目（51178321）；國家科技重大專項（2012ZX07403?001；2008ZX07421?002）；高等學校博士點基金資助項目（20120072110050）；住房和城鄉建設部研究開發項目（2009?K7?4）.

高夢鴻（1990—），女，碩士研究生；

高乃云（1950—），女，教授，博士生導師.

高乃云，gaonaiyun＠sina.com.