低有機(jī)物負(fù)荷條件下水廠活性炭池與中試單元去除效能比較

蔣才芳，王 健，婁巖巖

(1.廣西綠城水務(wù)股份有限公司，廣西南寧 530031；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

臭氧-生物活性炭深度處理工藝與常規(guī)處理工藝相結(jié)合，具有去除多種污染物的能力，可提供高質(zhì)量的飲用水。相關(guān)研究[1]表明，臭氧-生物活性炭工藝對有機(jī)物的去除效果非常理想。在臭氧投加量高于1 mg/L的情況下，該工藝出水水質(zhì)提升明顯，這主要?dú)w因于活性炭池中活性炭濾料的吸附和生物降解能力[2]。因此，臭氧-生物活性炭工藝仍然是保障飲用水安全的一個(gè)重要工藝單元。

近年來，我國飲用水水源污染情況得到了一定程度的改善，部分水源地的污染物水平呈現(xiàn)下降的趨勢。生物活性炭池在低有機(jī)物(CODMn<1.5 mg/L)負(fù)荷條件下，有機(jī)物去除效率容易受到生產(chǎn)規(guī)模、流態(tài)、溫度、生物量等多種因素影響，改變實(shí)際運(yùn)行效果[3-4]。為了取得科學(xué)的依據(jù)，工程設(shè)計(jì)前往往在建設(shè)前通過中試模型來模擬水廠工程處理單元的運(yùn)行效果，并用此來作為工程設(shè)計(jì)的前置設(shè)計(jì)參數(shù)并投產(chǎn)運(yùn)行。由于中試試驗(yàn)和水廠實(shí)際單元生產(chǎn)在規(guī)模、水力流態(tài)、抗沖擊負(fù)荷等方面仍有較大區(qū)別。為了能夠在投產(chǎn)后繼續(xù)全面、科學(xué)揭示實(shí)際水廠工程單元和中試單元在低有機(jī)物負(fù)荷條件下生產(chǎn)單元和中試單元特性區(qū)別和偏差，本文以長江流域某大型水廠為試驗(yàn)基地，通過平行開展工程和中試單元的對比研究，觀察進(jìn)水出水水質(zhì)變化、溫度變化等多項(xiàng)條件，主要以紫外光吸光度(UV254)、CODMn、溶解性有機(jī)碳(DOC)、三維熒光光譜為指標(biāo)，連續(xù)半年對中試和水廠的單元出水進(jìn)行對比分析檢測，評估生物活性炭單元對有機(jī)物的去除效果，評價(jià)二者在投產(chǎn)后的有機(jī)負(fù)荷條件下實(shí)際凈水效能與運(yùn)行偏差數(shù)據(jù)，為工程設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1 研究條件

1.1 原水水質(zhì)

該水廠位于長江流域中下游區(qū)域，水源為長江水源，2021年原水的水質(zhì)情況如表1所示。由表1可知，總體水質(zhì)情況良好，長江下游水渾濁度呈現(xiàn)夏季高、冬季低的季節(jié)性變化[5]，渾濁度年均值不高，冬季期間氨氮含量偏高，有機(jī)物含量較少，CODMn質(zhì)量濃度均小于4.0 mg/L，受污染水平屬于較低情況。

表1 長江原水水質(zhì)匯總 (2021年試驗(yàn)月份)Tab.1 Summary of Raw Water Quality of the Yangtze River (Test Months in 2021)

1.2 水廠概況

設(shè)計(jì)規(guī)模為70萬m3/d。長江原水的主要特點(diǎn)是有機(jī)物負(fù)荷較低，冬夏季節(jié)溫度差異大，處理工藝的效率容易受到有機(jī)負(fù)荷和季節(jié)性溫度變化的影響。水廠工藝流程為：原水-預(yù)臭氧-混凝-沉淀-過濾-臭氧-生物活性炭池-消毒-出水。預(yù)臭氧接觸時(shí)間為3 min，絮凝沉淀時(shí)間為18 min，沉淀時(shí)間為90 min，后臭氧接觸時(shí)間為12 min，活性炭池碳層厚度為2.0 m，空床接觸時(shí)間為13 min，沖洗周期為5～7 d。

1.3 試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

(1)試驗(yàn)?zāi)康模涸诘陀袡C(jī)物負(fù)荷條件下，對比中試單元與水廠深度處理效能情況，評價(jià)運(yùn)行效能差異，為后續(xù)中試研究結(jié)論推導(dǎo)實(shí)際結(jié)論提供數(shù)據(jù)支持。

(2)試驗(yàn)內(nèi)容：建立與實(shí)際水廠主要設(shè)計(jì)參數(shù)一致的“預(yù)臭氧-混凝-沉淀-過濾-臭氧-生物活性炭濾柱-出水”的中試水廠單元，設(shè)計(jì)流量為1 000 L/h，采取平行試驗(yàn)的方式，模擬水廠實(shí)際工況，總結(jié)生物活性炭濾柱單元的處理效能，并與實(shí)際水廠的活性炭池效能進(jìn)行對比和分析。

(3)試驗(yàn)周期：6個(gè)月，包括夏季與冬季，體現(xiàn)水溫的周期性變化。

(4)試驗(yàn)項(xiàng)目：分別研究生物活性炭中試單元和水廠生物活性炭池進(jìn)出水對CODMn、DOC、UV254值和三維熒光光譜、凝膠色譜分析分子量分布的進(jìn)出水處理效果。

1.4 中試裝置

中試裝置由常規(guī)處理工藝和深度處理工藝兩部分組成。其中,包括原水箱、預(yù)臭氧接觸柱、三級絮凝池、上向流斜管沉淀池、砂濾池、中間水箱、后臭氧接觸柱、生物活性炭池及產(chǎn)水箱，具體情況如圖1所示。本中試裝置的設(shè)計(jì)主要參數(shù)與水廠工程設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致。

中試設(shè)計(jì)流量為1 000 L/h，在裝置運(yùn)行中，貯存在原水箱中的原水由增壓泵A提升到預(yù)臭氧接觸柱，預(yù)臭氧接觸柱的水力停留時(shí)間為3 min。之后進(jìn)入快速混合池，攪拌槳的轉(zhuǎn)速為350 r/min，在快速混合池中原水與經(jīng)加藥泵投加的混凝劑快速混合。三級絮凝池?cái)嚢铇霓D(zhuǎn)速從快到慢依次設(shè)置為200、100、40 r/min，每級的水力停留時(shí)間均為6 min。沉淀池的水力停留時(shí)間為90 min，沉淀池的排泥周期和砂濾池的反沖洗周期均為24 h。生物活性炭池選用顆粒炭，活性炭池高為3.1 m，內(nèi)徑為380 mm，炭層厚度為2.0 m，反沖洗周期為6～8 d，炭柱的空床停留時(shí)間約為13 min。在工藝末尾設(shè)置后置砂濾池用來防止活性炭泄漏。工藝流程如圖1所示。

圖1 中試裝置圖Fig.1 Diagram of Pilot Plant

2 效能對比試驗(yàn)

2.1 生物活性炭池對CODMn的去除

試驗(yàn)測試了低污染負(fù)荷情況下從夏季7月—冬季12月的月平均水質(zhì)。圖2表示了中試單元和水廠生物活性炭池進(jìn)出水的CODMn在不同水文條件下的變化情況。中試單元生物活性炭池進(jìn)水的CODMn質(zhì)量濃度在1.03～1.20 mg/L，出水的CODMn質(zhì)量濃度維持在0.86～1.05 mg/L。水廠生物活性炭池進(jìn)水的CODMn質(zhì)量濃度在1.10～1.15 mg/L，出水的CODMn質(zhì)量濃度維持在0.93～1.03 mg/L。

圖2 生物活性炭池對CODMn的去除Fig.2 Removal of CODMn by BAC Filter

總體來看，生物活性炭池出水的CODMn平均質(zhì)量濃度維持在1.0 mg/L的水平，出水水質(zhì)總體差異較小，去除效能并未受到原水季節(jié)性溫度變化的影響。從生物活性炭池對CODMn的去除率曲線來看，中試單元的生物活性炭池對CODMn的去除率在10.91%～16.50%，水廠生物活性炭池對CODMn的去除率集中在8.04%～16.96%。中試單元和工程單元去除率平均值單元偏差較小，二者去除率最大的偏差達(dá)到約35.5%，最小偏差為3.4%。中試單元的CODMn去除率比水廠單元穩(wěn)定，因此，在實(shí)際工程中會存在去除率偏低的情況出現(xiàn)。

2.2 生物活性炭池對DOC的去除

在上述低污染負(fù)荷條件下，不同季節(jié)水溫時(shí)，中試單元和水廠生物活性炭池進(jìn)出水的DOC變化情況如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，中試單元生物活性炭池進(jìn)水的DOC質(zhì)量濃度在1.345～2.017 mg/L，出水的DOC質(zhì)量濃度維持在1.269～1.742 mg/L。水廠生物活性炭池進(jìn)水的DOC質(zhì)量濃度在1.724～2.017 mg/L，出水的DOC質(zhì)量濃度在1.522～1.805 mg/L。

從生物活性炭池對DOC的去除率曲線可知，中試單元的生物活性炭池對DOC的去除率在5.65%～14.89%，水廠的生物活性炭池對DOC的去除率在6.50%～18.19%。中試單元和工程單元去除率平均值單元偏差較小，二者去除率最大的偏差達(dá)到約24.7%，最小偏差為2.6%。夏季期間，水廠單元的DOC去除率較高，但是隨著水溫降低，水廠單元的DOC去除率比中試單元低，因此，低溫條件與低有機(jī)負(fù)荷條件下水廠實(shí)際去除效率更低。

圖3 生物活性炭池對DOC的去除Fig.3 Removal of DOC by BAC Filter

圖4 生物活性炭池對UV254的去除Fig.4 Removal of UV254 by BAC Filter

2.3 生物活性炭池對UV254的去除

圖4為上述水質(zhì)條件下中試單元和水廠生物活性炭池進(jìn)出水的UV254變化情況。中試單元生物活性炭池進(jìn)水的UV254在0.013～0.019 cm-1，出水的UV254在0.011～0.015 cm-1。水廠生物活性炭池進(jìn)水的UV254在0.015～0.019 cm-1，出水的UV254在0.011～0.015 cm-1。從生物活性炭池對UV254的去除率曲線可知，中試單元的生物活性炭池對UV254的去除率集中在12.50%～26.67%，水廠的生物活性炭池對UV254的去除率集中在16.67%～26.67%。

總體上，水廠單元和中試單元的去除率區(qū)間較為吻合，低污染負(fù)荷條件下UV254的去除仍有較為理想的效果。二者去除率最大的偏差達(dá)到約48.3%(11月)，最小偏差為3.5%(9月)。全年水廠的UV254去除率較高，平均值高于中試單元的平均去除率。但是隨著水溫降低，中試單元的UV254去除率有所下降，而在實(shí)際工程中去除率較為穩(wěn)定。

2.4 生物活性炭池對三維熒光光譜的影響

中試單元和水廠生物活性炭池進(jìn)出水的三維熒光光譜圖如圖5所示。從中觀察可知進(jìn)出水三維熒光光譜圖中主要響應(yīng)峰出現(xiàn)在Ⅲ區(qū)域、Ⅴ區(qū)域，Ⅱ區(qū)域也有一定的響應(yīng)，這表明污染物的成分較為復(fù)雜，主要存在的有機(jī)污染物為富里酸類(Ⅲ)、腐植酸類(Ⅴ)和蛋白質(zhì)類(Ⅱ)，但整體熒光響應(yīng)強(qiáng)度不高，這表明長江原水受有機(jī)物污染水平較低，屬于低污染負(fù)荷水平[6]。

由圖5深度處理處理工藝進(jìn)出水的三維熒光光譜圖可知，區(qū)域Ⅲ、區(qū)域Ⅴ的熒光響應(yīng)強(qiáng)度有明顯降低，這表明不論中試單元還是水廠深度處理工藝可以有效去除富里酸類(Ⅲ)和腐植酸類(Ⅴ)。

經(jīng)觀察可知，在7月—10月，中試單元的生物活性炭池進(jìn)水的三維熒光響應(yīng)值高于水廠，而11月—12月水廠的生物活性炭池進(jìn)水的三維熒光響應(yīng)值較高。生物活性炭池進(jìn)水的三維熒光響應(yīng)峰主要出現(xiàn)在區(qū)域Ⅲ(富里酸類)和Ⅱ(蛋白質(zhì)類)，經(jīng)過活性炭柱的吸附降解后，各區(qū)域的熒光強(qiáng)度都有所降低，這表明生物活性炭池可以有效地去除水體中的溶解性有機(jī)物[7]。二者的不同體現(xiàn)出了中試單元在描述實(shí)際水廠生產(chǎn)時(shí)仍有季節(jié)性偏差，原因可能是中試單元的常規(guī)處理工藝效果不及水廠單元常規(guī)處理的效果，7月—10月水廠的深度處理進(jìn)出水效果均較為理想。但二者相比光譜峰值差異不明顯，仍能證明對有機(jī)物去除的效果是良好的。

圖5 生物活性炭池進(jìn)出水的三維熒光光譜圖Fig.5 3D Fluorescence Spectrum of Inflow and Treated Water by BAC Filter

圖6 分子量分布圖Fig.6 Distribution Map of Molecular Weight

2.5 凝膠色譜法分析分子量分布特點(diǎn)

利用凝膠過濾色譜儀測試水樣來表征水體中有機(jī)物質(zhì)、合成高分子物質(zhì)的相對分子量及分布情況。試驗(yàn)檢測通道掃描波長為254 nm，樣品進(jìn)樣4 μL，流速為1 mL/min，(試驗(yàn)檢測器為ACQUITY-UPLC-348UV/Visible Detector)。中試單元和水廠活性炭池進(jìn)水出水的分子量分布圖如圖6所示。由圖6可知，有機(jī)物主要分布在3個(gè)區(qū)間。通過對比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)出峰時(shí)間和分子量的轉(zhuǎn)化關(guān)系(圖7)，推算出分別對應(yīng)的分子量為6 800～32 000、4 300～6 800、210～4 300 Da的物質(zhì)，其中第三區(qū)峰值最大，推測為腐殖質(zhì)或其他含有羧酸基、碳碳雙鍵基團(tuán)結(jié)構(gòu)的小分子物質(zhì)。原水經(jīng)過混凝沉淀和砂濾后，大分子物質(zhì)能得到有效去除，但常規(guī)處理工藝對小分子物質(zhì)的去除作用不明顯[8]。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)分子量樣品與出峰時(shí)間Fig.7 Samples and Peak Time of Standard Molecular Weight

根據(jù)凝膠色譜出峰特點(diǎn)，分子量大的有機(jī)物出峰時(shí)間早于分子量較小的有機(jī)物。從進(jìn)水可以看出，大分子物質(zhì)的響應(yīng)值較低，中分子和小分子物質(zhì)的響應(yīng)值有略微升高。這表明經(jīng)過后臭氧氧化，有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)發(fā)生了改變，在后臭氧出水中小分子有機(jī)物所占比例明顯增加，溶解性有機(jī)物的可吸附性和可生物降解性得到提高。進(jìn)入生物活性炭池內(nèi)，小分子溶解性有機(jī)物也會被有效地去除[9]。表2為凝膠色譜儀分子分布曲線的峰值時(shí)間和相應(yīng)強(qiáng)度峰值的記錄情況。由表2可知，水廠和中試單元的相對分子量處峰時(shí)間有1.5%的差異，相應(yīng)強(qiáng)度峰值差異為12.5%，二者在運(yùn)行中分子量的分布近乎一致，分子濃度差異存在但不明顯，屬于中試試驗(yàn)與生產(chǎn)運(yùn)行的合理范圍。

表2 分子分布曲線峰值時(shí)間與強(qiáng)度峰值Tab.2 Peak Time and Peak Intensity of Molecular Distribution Curve

3 結(jié)論

根據(jù)生物活性炭在中試單元和水廠單元長期運(yùn)行對比試驗(yàn)分析，結(jié)論認(rèn)為在低有機(jī)污染負(fù)荷條件下，生物活性炭單元對水中有機(jī)物的去除效果、出水污染物水平基本吻合，但是部分指標(biāo)在季節(jié)性溫度變化條件下仍然存在明顯差異，主要結(jié)論如下。

(1)深度處理工藝中試單元和水廠單元出水在CODMn去除率方面有明顯差別明顯，最大的偏差達(dá)到約35.5%，最小偏差為3.4%。而水溫變化是主要影響因素：夏季期間，水廠的DOC去除率較高，但是隨著水溫降低，水廠單元的DOC去除率比中試單元低。深度處理工藝出水的UV254指標(biāo)中，全年水廠的UV254平均去除率高于中試單元的平均去除率。出水的三維熒光、有機(jī)物分子量分布等指標(biāo)的差異不明顯。

(2)低有機(jī)負(fù)荷條件下，水廠生產(chǎn)構(gòu)筑物和中試單元在池形構(gòu)造差異、反應(yīng)器效率、水力條件有明顯不同，此外還有濾池反沖洗效果等因素的疊加影響，因此，兩條平行試驗(yàn)中產(chǎn)生了在不同季節(jié)條件下上述主要指標(biāo)的明顯差異，其對效能的影響作用不容忽視。因?yàn)闇囟鹊挠绊懽饔幂^為明顯，初步判斷是水力黏滯系數(shù)差異和生物種群在低溫低污染負(fù)荷條件下適應(yīng)性有較大不同，造成去除率方面存在一定差異[10]。

綜上，還需要進(jìn)一步針對池形的水力條件、反應(yīng)效率、生物種群和濃度對比等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行研究，揭示低污染負(fù)荷條件下效能變化的主要影響機(jī)理和理論模型。在實(shí)際工程試驗(yàn)和設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)目標(biāo)對上述不同的水質(zhì)指標(biāo)已知去除率差異的特點(diǎn)上，考慮氣溫變化時(shí)有針對性地對該指標(biāo)去除效能留有相應(yīng)的安全富余系數(shù)。