煤砂雙層濾料濾池對東營河口水廠高藻原水處理的試驗

李孟翰，張克峰,*，潘春雨，李 梅，任 杰，顧學林

(1.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250101；2.山東勝利水務有限責任公司，山東東營 257000)

為保障黃河流域城市發展有充足的水資源，黃河兩岸各城市建設了大量平原水庫以引流黃河水。黃河下游地區引黃水庫易出現藻類多、大量嗅味物質以及儲層水中的有機物質污染嚴重等問題[1-3]。常規工藝對藻類去除有局限性[4-5]，煤砂雙層濾料濾池對藻類的去除效果優于普通砂濾池，出水的渾濁度和對固體顆粒物的去除率也較高[6-11]。

東營市勝利油田河口水廠水源為孤河水庫引黃水，存在藻類季節性暴發的問題，常規工藝對藻類去除效果不佳。在河口水廠通過中試試驗，對比常規砂濾池與煤砂雙層濾料濾池對藻類的去除效果，目的是驗證河口水廠工藝升級改造和提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 檢測指標及方法

藻類的數量直接反映了水體受藻類污染的程度，并嚴重影響到水的色度、渾濁度、pH、臭味等指標，是評價水體水質的重要生物學指標之一[12-13]。藻類污染通常用葉綠素a(Chl-a)含量表征，藻類細胞中含有大量Chl-a[14]，因此，Chl-a含量的高低直接反映了水中藻類的種類、數量，水環境的質量也受其影響[15]。

為了給后期升級改造提供更多數據及技術支持，同時對水溫、pH、渾濁度、氨氮、TOC、UV254、CODMn等進行測定。各指標檢測方法如表1所示。

表1 檢測指標與儀器Tab.1 Test Indicators and Instruments

1.2 中試裝置

中試裝置如圖1所示。對比試驗采用2根直徑為0.5 m的試驗濾柱，其中：A濾柱填料為無煙煤和石英砂雙層濾料，無煙煤層厚度為1 000 mm，石英砂層厚度為500 mm，無煙煤有效粒徑d10=0.85 mm、K80≤2.0，石英砂有效粒徑d10=0.85 mm、K80=1.4；B濾柱填料為石英砂(河口水廠現為石英砂濾料)，濾料厚度為1 500 mm，石英砂有效粒徑d10=0.85 mm、K80=1.4。雙層濾料濾柱粒徑和高度參考室外給排水設計標準和河口水廠現有濾池實際進行裝填。試驗來水為河口水廠沉淀池出水，該中試裝置設氣水反沖洗系統，在濾料層每隔10 cm設水質取樣口和測壓管。

注：1—原水；2—沉淀池；3—混凝+機械攪拌；4—中間水箱；5—水質取樣口；6—測壓管；7—反沖洗進氣；8—反沖洗進水；A—煤砂雙層濾料濾池；B—石英砂濾池圖1 中試裝置圖Fig.1 Diagram of Pilot Plant

2 結果與討論

2.1 煤砂雙層濾料濾池對藻類處理效果分析

2.1.1 藻類總數去除效果分析

各工序的出水藻類總數如表2所示，對藻類去除效果如圖2所示。

表2 各工序出水藻類總數Tab.2 Quantities of Outflow Algae in Each Process

圖2 各工序出水藻類總數、去除率變化Fig.2 Changes of the Quantities and Removal Rate of Outflow Algae in Each Process

試驗從8月20日開始，濾池運行穩定后進行取樣，頻率為10 d/次。由表2和圖2可知：在9月、10月(3號—7號)，藻類數量呈暴發性增長；在11月(8號—10號)，藻類總數降低；到12月(11號—12號)，藻類總數回升。煤砂濾池的去除率一直穩定高于傳統砂濾池，去除率為90.75%，變化波動小，而傳統砂濾池的去除率較低，為77.55%。

無煙煤濾料既具有普通濾料的過濾功能，又具備活性炭的特點[16]，其顆粒表面能夠吸附大量化學物質，微生物也會被截留附著在其表面，形成生物膜[17]。由于無煙煤有著良好的吸附效果，大部分藻類被截留在無煙煤層，提升了對藻類的去除效果，去除率達到了90%以上。

2.1.2 Chl-a去除效果分析

各工序的出水Chl-a含量如表3所示，對藻類去除效果如圖3所示。

表3 各工序出水Chl-a含量Tab.3 Contents of Outflow Chl-a in Each Process

圖3 各工序出水Chl-a含量、去除率變化Fig.3 Changes of the Contents and Removal Rates of Outflow Chl-a in Each Process

由表3和圖3可知：在9月、10月(3號—7號)，Chl-a呈暴發性增長；在11月(8號—10號)，Chl-a降低；到12月(8號—10號)，Chl-a回升。煤砂濾池的去除率一直穩定高于傳統砂濾池，為90.84%，且去除率變化波動小。傳統砂濾池波動較大，且去除率較低，為79.15%。

藻類大部分在無煙煤層被截留，而Chl-a主要存在于藻類中，導致水中Chl-a的含量也大幅度下降，從而提升了對Chl-a的去除效果。

2.1.3 氨氮去除效果分析

各工序的出水氨氮質量濃度如表4所示，對氨氮去除效果如圖4所示。

表4 各工序出水氨氮分析Tab.4 Analysis of Outflow Ammonia Nitrogen in Each Process

圖4 各工序出水氨氮質量濃度、去除率變化Fig.4 Changes of the Concentrations and Removal Rates of Outflow Ammonia Nitrogen in Each Process

由表4和圖4可知，試驗期間原水氨氮波動較大，煤砂濾池去除率為75.27%，砂濾池去除率為46.27%，煤砂濾池對氨氮的去除率明顯高于砂濾池，同時，煤砂濾池對氨氮的去除率逐漸增加。這是由于無煙煤濾料表面已經吸附截留的部分微生物，其中一些微生物可以將含氮有機物氧化降解為硝態氮和亞硝態氮，從而提升了水中氨氮的去除效果。

2.1.4 TOC去除效果分析

各工序的出水TOC質量濃度如表5所示，對TOC去除效果如圖5所示。

表5 各工序出水TOC分析Tab.5 Analysis of Outflow TOC in Each Process

圖5 各工序出水TOC質量濃度、去除率變化Fig.5 Changes of the Concentrations and Removal Rates of Outflow TOC in Each Process

由表5和圖5可知，煤砂雙層濾料過濾后的TOC基本都降到2 mg/L以下，去除效果顯著，去除率為65.13%，砂濾池去除率為21.24%，煤砂濾池對TOC的去除效果優于砂濾池。這是由于過濾過程中濾料表面附著的微生物會形成生物膜，通過微生物代謝作用可以去除水中有機物。研究表明，無煙煤與顆粒活性炭同樣具有多孔結構且表面粗糙，表面及孔結構中可以附著更多更穩定的生物膜，此外，多孔結構還使其對有機物具有良好的吸附性能。因此，無煙煤具有良好的去除有機物的性能。

2.1.5 CODMn去除效果分析

各工序的出水CODMn質量濃度如表6所示，對CODMn去除效果如圖6所示。

表6 各工序出水CODMn分析Tab.6 Analysis of Outflow CODMn in Each Process

圖6 各工序出水CODMn質量濃度、去除率變化Fig.6 Changes of the Concentrations and Removal Rates of Outflow CODMn in Each Process

由表6和圖6可知，砂濾濾后水和煤砂濾后水CODMn濃度都達到了飲用水標準，甚至煤砂雙層濾料過濾后的CODMn質量濃度基本都降到2.5 mg/L以下，去除率為47.58%，去除效果顯著，砂濾池去除率為37.42%左右，煤砂濾池對CODMn的去除效果優于單層砂濾池。這可能是由于石英砂濾料對有機物顆粒的吸附能力低，表層形成的生物膜較少，生物降解作用有限，只能通過物理截留去除很少部分的有機物；而煤砂雙層濾料無煙煤顆粒具有發達的孔隙結構，吸附能力強，無煙煤表層吸附的微生物也可對部分有機物進行生物降解。

2.2 藻類在濾料中的分布規律探討

試驗在濾池正常運行2個月后，對煤砂雙層濾料濾池不同厚度的濾層進行取樣處理，檢測濾料中截留的藻類總數。濾池每48 h進行1次反沖洗，在上一周期反沖洗結束后每隔16 h取樣1次，分別命名為“過濾初期”“過濾中期”“過濾后期”。

2.2.1 試驗設計及檢測方法

采取虹吸的方法，用水廠的取樣器在正常運行的濾池中分別取表層1～3、10、20、40 cm的濾料樣本各100 mL。

向250 mL錐形瓶中添加10 mL濾料樣本(量杯量取)。向錐形瓶中加入100 mL超純水后，錐形瓶置于振蕩器劇烈振蕩40 min，將錐形瓶中從濾料洗下的渾濁水倒入500 mL廣口瓶中。重復以上步驟4次，最終用500 mL超純水將無煙煤濾料表面吸附截留的藻類沖洗下來。在500 mL水樣中取100 mL加入1 mL魯哥試劑固定5 h，采用方格計數法統計藻類個數，則測量結果為2 mL濾料所含的藻類數量。

2.2.2 試驗結果及分析

由圖7可知，藻類在濾料層中的分布呈現明顯的規律：過濾初期藻類數量最少，中期藻類數量明顯增加，過濾后期藻類最多。表層1～3 cm藻類含量最多，且隨著過濾時間增加，數量增幅大；無煙煤濾料濾層下10、20 cm處，藻類略少，隨著過濾時間增加，增幅較小；藻類含量最少的部分位于濾層下40 cm處，且隨著過濾時間增加，增幅很小。這說明無煙煤濾料截污能力主要集中在表層，大量藻類被吸附截留在濾料表層，因此，在整個過濾過程中只有很少部分的藻類穿過濾層。

圖7 藻類總數在不同濾層內分布Fig.7 Distribution of Quantities of Algae in Different Filtration Layers

3 結論

(1)整個試驗周期中，河口水廠的藻類總數總體水平較高，水質整體為富營養化狀態。秋季為藻類總數最高的時期。沉淀池能夠混凝沉淀去除大量的藻類，但過濾單元對藻類的去除具有關鍵性的作用。

(2)與傳統砂濾池相比，煤砂濾池能夠有效地去除藻類和Chl-a，且受藻類暴發的影響更小，對藻類去除更徹底，可以獲得更穩定的出水。

(3)藻類大部分是在無煙煤濾料表層被吸附截留，因此，很少出現穿透濾層濾料黏附現象，能緩解反沖洗次數增多、時間長、難沖洗的問題，可以驗證河口水廠工藝升級改造和提供技術支持。

(4)煤砂雙層濾料依靠濾層截留、無煙煤吸附和生物降解作用可有效去除水中的有機物，尤其對小分子有機物去除效果較好。試驗期間，煤砂濾池對CODMn、氨氮、TOC的平均去除率分別達到47.58%、75.47%、65.13%。煤砂濾池出水CODMn、氨氮、TOC的質量濃度分別降到2.5、0.1、4 mg/L以下。在一定程度上更加確保出廠水的安全性。