李為星，顧軍農，常思博，張 磊，劉 芬

(北京市自來水集團有限責任公司，北京 100031)

近年來，國內飲用水源受到不同程度的污染，且呈不斷發展的趨勢[1-3]，對水廠傳統凈水工藝的選擇和穩定運行帶來很大的挑戰[4]。微污染水源水是指水體的物化指標或微生物指標達不到《地面水環境質量標準》(GB 3838—2002)[5]中關于生活飲用水水源水的要求，主要指的是有機物微污染水[6-7]。

為應對微污染水源，近年來國內外從工藝選擇以及運行優化等方面開展了多種嘗試。陶粒和活性炭等生物處理和以超濾膜為代表的其他水處理技術已成為水廠保障水質安全的重要技術手段。作為末端水質保障技術，超濾膜開始越來越多地應用于飲用水處理工程，國內上海、北京等多個水廠將其應用于生物活性炭之后，進一步保障了出水的生物安全性。對顆粒活性炭來說，隨著使用周期的延長，其對污染物的去除也將以生物作用為主；生物陶粒在飲用水處理中實際應用不多，但其掛膜快、強度高及運行穩定等特點適宜作為生物載體。對比不同生物載體的處理效果和運行條件，處理工藝的選擇和調整優化具有重要意義。另外，國內對這些處理技術的研究多著重于在常溫下的應用研究[8-13]，且活性炭等的應用多集中在混凝沉淀之后；對于低溫條件下，生物陶粒與顆粒活性炭工藝對原水污染物的去除效果，研究較少。南水進京以后，面對水源的復雜化，水廠原有處理工藝面臨新的調整，本試驗利用生物陶粒-浸沒式超濾膜工藝和顆粒活性炭-壓力式超濾膜工藝分別對北方某大型水廠原水進行處理，并重點考察低溫條件下兩種組合工藝的處理效果。

1 試驗材料與方法

1.1 兩種組合工藝示意圖

本試驗裝置采用的是生物陶粒-浸沒式超濾膜工藝和顆粒活性炭-壓力式超濾膜工藝。裝置的接觸過濾設備采用的是2根圓形有機玻璃柱(簡稱陶粒柱和炭柱)，濾柱內徑為800 mm，高度為2 800 mm，濾柱為承壓容器，設計壓力>3 m，均為下進水工藝，柱底部均裝有曝氣裝置，試驗過程中提供微生物生長代謝所需要的氧氣，設計流量均為1.5 m3/h，氣水比為1∶1，陶粒層與炭層厚度均為0.8 m，陶粒柱和炭柱的反洗周期分別為15 d和7 d。浸沒式超濾膜和壓力式超濾膜的產水量均為1 m3/h，過濾周期分別為60 min和45 min。具體流程如圖1所示。

圖1 兩種組合工藝流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Two Combined Processes

1.2 試驗場地及原水水質

本試驗是在北方某大型水廠炭庫進行，原水來自配水井，靠重力流經陶粒柱、炭柱，進入一級水箱，經泵送至超濾膜過濾，到達產水水箱。試驗期間的原水水質及檢測方法如表1所示，因原水中NH3-N含量遠低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[14]要求，故研究中NH3-N去除效果未進行討論。

表1 試驗原水水質Tab.1 Raw Water Quality for Experiment

試驗所用陶粒為北京某陶粒廠生產的頁巖材質陶粒，顆粒活性炭為神華寧夏煤業集團生產的煤質柱狀顆粒活性炭，其主要性能參數如表2所示。

表2 陶粒及顆粒活性炭主要性能參數Tab.2 Main Property Parameters of Ceramsite and GAC

試驗所用浸沒式和壓力式超濾膜均為天津膜天膜公司生產的PVDF中空纖維膜，其主要參數如表3所示。

表3 兩種超濾膜的主要性能參數Tab.3 Main Property Parameters of Two Kinds of UF Membranes

2 結果和討論

2.1 兩種組合工藝對渾濁度的去除效果

由圖2可知，原水溫度高于10 ℃時，原水渾濁度在1.91～3.88 NTU。經陶粒柱和炭柱的過濾截留及生物吸附后，陶粒柱出水渾濁度基本在1.11～2.55 NTU，對渾濁度的平均去除率為14%;炭柱出水渾濁度在0.78～2.08 NTU，對渾濁度的平均去除率為31%。炭柱對渾濁度的去除率高于陶粒柱，原因在于活性炭顆粒比陶粒小，顆粒之間的空隙小，更利于截留較大顆粒的雜質。

圖2 兩種組合工藝對渾濁度的去除效果Fig.2 Effect of Two Combined Processes on Turbidity Removal

水溫低于10 ℃時，原水渾濁度只有0.58～1.15 NTU，陶粒柱和炭柱出水渾濁度在0.53～1.09 NTU，兩者對渾濁度的去除率基本相同，僅為12%左右，原因在于低溫低濁的原水中大顆粒雜質較小，濾料的截留效果不明顯。兩種超濾膜對渾濁度的平均去除率超過85%，出水渾濁度始終在0.08～0.18 NTU，遠低于生活飲用水的最高限制，且不受原水水溫和渾濁度的影響，說明超濾膜過濾是保障出水渾濁度的有力保障。

2.2 兩種組合工藝對顆粒數的去除效果

由圖3和表4可知，在低溫條件下，陶粒柱和炭柱對顆粒物的去除率分別超過22%和34%。可見，炭柱對顆粒物的截留效果好于陶粒柱，兩種超濾膜對<25 μm顆粒數的去除率均超過93%，沒有明顯差別。

圖3 兩種組合工藝對顆粒數的去除效果Fig.3 Effect of Two Combined Processes on Particle Count Removal

表4 兩種組合工藝對顆粒數的去除率Tab.4 Removal Rate of Particle Count by Two Combined Processes

研究表明[15]，直徑≤0.1 μm的顆粒不產生明顯的渾濁度，直徑>1 μm的顆粒產生的渾濁度偏高，直徑再大的顆粒對光的反應又下降。楊艷玲等[16]的試驗發現，渾濁度對<1 μm的顆粒較靈敏，對>1 μm的顆粒靈敏度較低，僅用渾濁度對水質進行檢測是不夠全面的。水中致病原生動物有痢疾變形蟲、賈滴鞭毛蟲、隱孢子蟲以及各種細菌、病毒等，其中，賈滴鞭毛蟲和隱孢子蟲是近些年來發現的可以通過飲用水傳播的致病原生動物。細菌大小一般在1～2 μm，病毒比細菌要小，賈滴蟲大約是7～12 μm，隱孢子蟲是4～6 μm的橢圓體，藻類的平均大小是5～100 μm。因此，顆粒數不僅可以反映渾濁度的高低，還對細菌、病毒、藻類有一定的預警作用。陶粒柱和炭柱對渾濁度、細菌等有一定的去除效果，兩種超濾膜對<25 μm顆粒的去除率均超過93%，可見其對渾濁度、細菌、藻類等有非常高的去除效果，是保證飲用水安全的重要屏障。

2.3 低溫條件下兩種組合工藝對藻類的去除效果

由圖4可知，低溫條件下陶粒柱和炭柱對藻類的去除率分別為10%和27%。可見，活性炭柱對藻類的去除效果優于陶粒柱。生物去除藻類的途徑有賴于以下幾種作用：生物膜的吸附、附著，微生物的氧化分解，顆粒填料機械截留以及生物絮凝，原生動物等的捕食作用，脫落生物膜對藻類的生物絮凝、沉淀等[17]。但以何種途徑為主，至今尚未有明確的權威性結論。浸沒式超濾膜和壓力式超濾膜對藻類的去除率達到98%以上，說明超濾膜對藻類起到了很好的物理截留作用。

圖4 兩種組合工藝對藻類的去除效果 (原水溫度低于10 ℃)Fig.4 Effect of Two Combined Processes on Algae Removal (Raw Water Temperature Below 10 ℃)

2.4 兩種組合工藝對CODMn的去除效果

由圖5可知：試驗期間，原水水溫高于10 ℃時，原水CODMn基本在1.5～2.85 mg/L；低溫條件下，原水CODMn含量在0.88～1.6 mg/L。試驗初期，炭柱對耗氧量的去除率高于陶粒柱，原因在于水廠原水采用預加氯工藝，試驗期間原水余氯含量在0.05～0.12 mg/L，次氯酸鈉對微生物的生長有抑制作用，陶粒柱還未掛膜，活性炭在試驗初期的吸附作用明顯。

圖5 兩種組合工藝對CODMn的去除效果Fig.5 Effect of Two Combined Processes on CODMn Removal

2個多月后，掛膜成功，常溫條件下，陶粒柱出水CODMn含量在1.12～1.3 mg/L，陶粒柱對耗氧量的平均去除率為32%；炭柱出水CODMn含量在1.4～1.52 mg/L，炭柱對耗氧量的平均去除率為19%。低溫條件下，陶粒柱出水CODMn含量在0.64～1.1 mg/L，陶粒柱對耗氧量的平均去除率下降到25%；炭柱出水CODMn含量在0.86～1.52 mg/L，炭柱對耗氧量的平均去除率下降到16%。可見,陶粒柱去除效果好于炭柱，原因在于生物陶粒的生物膜比表面積較大，胞外聚合物中含有多聚糖等黏性物質[18]，可形成類似化學絮凝的作用，對水中大分子有機物具有較強的吸附凝聚能力，使其在反應器中被填料上的生物膜吸附截留，從而對分子量較大的有機物形成較好的去除效果，但是低溫條件下微生物的生物活性受到抑制。

經超濾膜過濾后，浸沒式和壓力式膜出水CODMn含量均在0.56～0.96 mg/L，超濾膜系統對耗氧量的平均去除率在49%左右，受溫度影響較小，原因在于超濾膜對有機物的去除效果一般由膜孔徑大小決定，對粒徑小于孔徑的有機顆粒的去除效果較差。

2.5 低溫條件下兩種組合工藝對溶解性有機物的去除效果

圖6是采用三維熒光光譜技術(EEMs)測定水中溶解性有機物的三維圖譜，并按區域對有機物進行分類[19]。低溫條件下，原水最主要的發光區域在C區，表明色氨酸類芳香族蛋白質是原水中主要的溶解性有機物。原水熒光峰區域的位置與強度為Ex/Em：(225/335)677.9，陶粒柱出水和炭柱出水熒光峰區域的位置與強度分別為Ex/Em：(225/330)633.9和Ex/Em：(225/335)666.2，去除率僅為6%和2%，原因在于低溫條件下微生物的活性受到抑制。浸沒式超濾膜和壓力式超濾膜出水熒光峰區域的位置與強度分別為Ex/Em：(225/330)624.5和Ex/Em：(225/335)575.2，去除率分別是8%和15%，可見膜絲及其濾餅層對溶解性有機物也有一定的去除效果。壓力式超濾膜比浸沒式超濾膜去除效果好的原因在于，其濾餅層的厚度可能比浸沒式膜要厚一些。因原水中類富里酸類(B區)、類腐植酸類(A區)、微溶解性微生物代謝物(E區)和酪氨酸類芳香族蛋白質(D區)含量相對較低，后續工藝對其去除效果不明顯，故這幾類溶解性有機物的去除效果未進行討論。

圖6 各工藝段出水中溶解性有機物的變化Fig.6 Change of Dissolved Organic Matter in Effluent of Each Process

3 結論

(1)常溫條件下， 陶粒柱和炭柱對渾濁度的平均去除率分別為14%和31%，炭柱對渾濁度的去除率高于陶粒柱，原因在于活性炭顆粒之間的空隙要小，更利于截留較大顆粒的雜質，物理截留效果優于陶粒柱。低溫條件下，陶粒柱和炭柱對渾濁度的平均去除率基本相同，僅為12%左右，說明低溫低濁的原水中大顆粒雜質較小，濾料的截留效果不明顯。浸沒式和壓力式超濾膜對渾濁度的平均去除率超過85%，出水渾濁度始終在0.1～0.18 NTU，遠低于生活飲用水的最高限制，且不受原水水溫和渾濁度的影響。

(2)顆粒數不僅可以反映渾濁度的高低，還對細菌、病毒、藻類有一定的預警作用。低溫條件下，陶粒柱和炭柱對顆粒物的去除率分別超過22%和34%，炭柱對顆粒物的物理截留效果優于陶粒柱，兩種超濾膜對<25 μm顆粒的去除率均超過93%，沒有明顯差別。

(3)低溫條件下，陶粒柱和炭柱對藻類的去除率分別為10%和27%，活性炭柱對藻類的去除效果要優于陶粒柱。浸沒式和壓力式超濾膜對藻類的去除率均達到98%以上，說明超濾膜對藻類起到了很好的物理截留作用。

(4)試驗期間，水溫低，原水中含次氯酸鈉，NH3-N含量低，均對微生物的生長不利。試驗初期,炭柱對CODMn的去除效果優于陶粒柱，原因在于試驗初期活性炭的吸附效果顯著；2個多月后，掛膜成功，隨著溫度的降低，陶粒柱和炭柱對CODMn的平均去除率分別從32%、19%下降到25%、16%；陶粒柱和炭柱對溶解性色氨酸類芳香族蛋白質有機物的去除率僅為6%和2%，陶粒柱對有機物微污染的去除效果優于炭柱。浸沒式和壓力式膜對CODMn的去除率一直在49%左右，受溫度影響較小；浸沒式和壓力式膜對溶解性色氨酸類芳香族蛋白質有機物的去除率分別為8%和15%。