微污染水源水净化集成技术研究

陈友岚 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

李树苑 （中国市政工程中南设计研究院，湖北 武汉430010）

微污染水源是指受到有机物污染，部分水质指标超过 《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）Ⅲ类水体标准的水体。其成分主要包括有机物、氨、嗅味、三致物质、铁、锰等［1］。一般来说，这些污染物种类较多，性质较复杂，但浓度比较低微，尤其是那些难于降解、易于生物积累和具有三致作用的有毒有机污染物，对人体健康毒害很大。近年来随着工业的发展、城市化进程的加速及农用化学品种类和数量的增加，许多水源已受到不同程度的污染［2－4］。

据2009年国家环境保护总局发布的年度 《中国环境状况公报》报道，2009年七大水系总体为轻度污染，203条河流408个地表水国控监测断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为57.3%、24.3%和18.4%［5］。另外，目前中国90%以上的城市水域受到污染，50%的重点城镇水源水质不符合饮用水水源的标准，都检测出多种污染物，微污染现状呈发展之势。从目前国内水域的污染现状看，要显著改善城市水源的水质状况，无论从时间上还是从资金投入上，均无力在短期内实现，因此许多城市不得不以受污染的水体作为饮用水水源。

然而，现有常规给水处理工艺 （混凝→沉淀→过滤→消毒）不能有效去除微污染水源水中的有机物、氨氮等污染物，同时液氯很容易与原水中的腐殖质结合产生消毒副产物 （DBPs），直接威胁饮用者的身体健康，无法满足人们对饮用水安全性的需要［6－9］。2006年卫生部和国家标准化管理委员会联合发布 《生活饮用水卫生标准》（GB 5749－2006）的水质指标由GB 5749－85的35项增加至106项，其中生物学指标由2项增加至6项，饮用水消毒剂由1项增加至4项，毒理学指标由15项增至74项，感官性状和一般理化指标由15项增至20项［10－13］。为适应国内供水行业的发展，研究技术经济可行的受污染水源水处理工艺，全面提高饮用水水质是十分必要的。

1 材料与方法

1.1 试验装置与方法

试验采用某城市受污染的水库水源，以不同的工艺流程进行。试验设施详见图1，其主要的净化单元如下。

预处理部分：生物预处理、预臭氧处理；

常规处理部分：混合、絮凝、沉淀、石英砂过滤；

图1 工艺流程

深度处理部分：颗粒活性炭吸附滤池 （GAC）、臭氧生物颗粒活性炭处理 （O3－BAC）。

由以上3个部分组合为常规处理流程、常规处理＋颗粒活性炭吸附滤池 （GAC）深度处理流程、常规处理＋臭氧生物颗粒活性炭 （O3－BAC）深度处理流程3个平行运行的工艺。将2组预处理和3条平行运行的工艺流程组合为6条试验工艺流程，具体为：（1）常规处理工艺；（2）生物预处理＋常规处理工艺；（3）生物预处理＋常规＋GAC深度处理工艺；（4）常规＋GAC深度处理工艺；（5）常规＋O3－BAC深度处理工艺；（6）生物预处理＋常规＋O3－BAC深度处理工艺。由此进行各种组合工艺集成技术净化效果和技术经济的比较。其中，试验设施的主要设计参数如下。

（1）生物预处理池井 设计水量3.3m3／d，水力负荷1.0m3／ （m2·h），气水比1∶1，YDT弹性填料；池分3格，采用穿孔管曝气，池内设有中心导流筒，穿孔管位于中心导流筒下部，每格内部通过中心导流筒连续曝气的抽升作用，形成水的交替循环，呈完全混合式。

（2）臭氧系统 由臭氧接触池和臭氧发生器组成。

臭氧接触池：内径300mm的圆柱形，总高度6.0m，最大有效水深5.7m，水从上部进下端出，臭氧从下部进上端出，逆向接触。池体为不锈钢。

臭氧发生器：Ozonia公司的LN103，以纯氧 （露点不高于－50℃）为气源，额定工作状态下 （氧气绝对压力1.6Bar，气温20℃），臭氧生成量2～5g／h，氧气利用率1.2%～8.8%，试验条件下氧气利用率约3%。

（3）常规处理 由混合、絮凝、沉淀、砂滤组成。设计水量3.0m3／h。

混合：静态水力混合器，混合时间6s。

絮凝：孔室反应，絮凝时间23.2min。斗底重力排泥。

沉淀：斜管沉淀池，清水区上升速度1.39mm／s，

砂滤：石英砂均粒滤池，滤速6.49m／h。滤料粒径0.8～1.0mm，水反冲洗。

（4）深度处理 采用粒状活性炭 （GAC）滤池及臭氧－生物活性炭 （O3－BAC）滤池。

GAC滤池采用矩形，分为独立的2格，每格处理水量1.5m3／h，滤速9.99m／h。滤料厚度2.0m。

1.2 水源水质状况评价

采用GB3838－2002《地表水环境质量标准》、CJ3020－93《生活饮用水水源水质标准》评价水库水源水质状况。

水源水的锰、亚硝酸盐、凯氏氮、总磷、氨氮超Ⅲ类水体的水质标准，高锰酸盐指数 （CODMn）、BOD5、总大肠菌群超Ⅱ类水体水质指标，部分时间超过Ⅲ类水体水质标准。5～8月属地面水Ⅲ类水质，个别项目超过Ⅲ类水质指标；按CJ3020－93的要求，该水源为二级饮用水水源水质。

藻类不是上述2个标准的评价项目，但水源的藻类数量较高，对水的常规净化工艺正常运行影响较大，可导致出厂水水质下降，是不应忽视的水质项目。本研究中选用面积为20×20mm、容积为0.1ml的计数框，采用行格法计数测定。

2 结果与分析

2.1 常规处理及后续深度处理工艺流程比较

常规处理、常规－GAC深度处理以及常规－BAC深度处理工艺3个工艺流程平行对比试验对几个主要水质指标进行了测定，浊度、氨氮、亚硝酸盐氮、CODMn、色度、TON （总有机氮）、UV254等常规项目的分析化验方法基本以GB5750－85标准为依据，藻类采用计数框法测定。平均结果见表1。

表1 常规、常规－GAC、常规－BAC工艺单元及流程试验结果

由表1可以看出：（1）浊度。3个工艺的出水浊度未见明显差异，可以认为深度处理工艺相对于运行状态良好的常规处理工艺，不能提高浊度的去除效率，浊度的去除主要在常规工艺中解决。（2）氨氮、亚硝酸盐。常规工艺对氨氮、亚硝酸盐氮去除率较小，有时呈负值，说明常规工艺对氨氮、亚硝酸盐氮几乎不能去除，且由于存在氨氮的硝化，出水中亚硝酸盐还可能升高；BAC深度处理工艺，投加臭氧后，水中的溶解氧有较大幅度的增加，在颗粒活性炭滤池中形成良好的生物生长环境，因此形成生物滤池，对氨氮、亚硝酸盐氮有较好的去除作用，氨氮的去除率达到85%左右。 （3）有机物。采用CODMn、UV254评价，常规、常规－GAC、常规－BAC3种工艺的CODMn去除率分别为14.42%、38.68%、58.19%；常规－GAC处理工艺中，GAC单元去除的CODMn总量占流程去除量的62%，而常规－BAC工艺中的BAC单元去除的CODMn总量占流程去除量的75%；说明投加臭氧后提高了深度处理的能力，有利于有机物的进一步降解；对UV254的去除效果与CODMn的趋势一致。（4）藻。常规BAC处理工艺出水的藻含量最低，效果较好，但是出水仍有37万个／L，对出水水质的稳定不利。（5）臭阈值、色度。2种深度处理工艺对臭阈值和色度的去除未见明显差异，但是显著优于常规处理工艺。

2.2 生物预处理、常规处理后续深度处理工艺比较

本试验的后续3个工艺流程是在前述3个工艺流程基础上增加了生物预处理净化单元，主要目的是解决水源水中的氨氮、亚硝酸盐氮等可生物降解的污染物。浊度、氨氮、亚硝酸盐氮、CODMn、色度、UV254等常规项目的分析化验基本以GB5750－85标准为依据，藻类采用计数框法测定。试验结果见表2。

由表2可以看出：（1）浊度。各工艺对浊度去除无明显差异，深度处理不能提高浊度的去除率，这与前述3个工艺的结果一致。（2）氨氮、亚硝酸盐氮。由于有前置的生物预处理净化单元的生物作用，因此能够解决氨氮、亚硝酸盐氮的问题，生物处理后续的3个工艺流程出水的氨氮、亚硝酸盐氮基差异不很大。（3）有机物。当源水的CODMn在3mg／L左右时，生物预处理后续3个工艺流程出水平均值均低于1.5mg／L，生物预处理－常规工艺、生物预处理－常规－GAC深度处理工艺以及生物预处理－常规－BAC深度处理工艺的出水CODMn平均值分别为1.34、1.02、0.73mg／L。可见投加臭氧的生物活性炭滤池深度处理工艺对CODMn的去除效果最好.分析各净化单元对CODMn去除率的贡献，生物预处理所占比率最大，其次是BAC，常规和GAC相差不大。以CODMn总量为1，各净化单元的CODMn去除量的比率见图2。从试验结果看，不同净化单元对水源水中的CODMn去除率相差较大，实际的去除效果与水中有机物构成有关。

表2 生物＋常规＋GAC（BAC）工艺流程试验结果

2.3 各工艺流程出水水质达标率比较

试验期间共进行4次水质项目的全分析，所得结果表明：

常规处理工艺为大部分水厂所使用的工艺流程，该工艺的超标项目主要有氨氮、亚硝酸盐氮、有机氯 （总量），偶尔出现苯并 （a）芘及萘的超标。与其他流程的出厂水相比，水质最差。

生物预处理＋常规处理工艺的水质指标中超标项目主要为有机氯 （总量）。原有项目35项指标全部达标，新增的53项指标达标率为92.45%，大于80%要求。

生物预处理＋常规＋GAC处理工艺的出水基本满足所有水质指标要求。

常规＋GAC处理工艺不能解决氨氮、亚硝酸盐氮的超标情况，出厂水氨氮、亚硝酸盐氮浓度超出标准。

常规＋O3－BAC处理工艺试验次数少，但其出厂水水质好，处理效果显著，出水只有1项萘超标，接近生物预处理＋常规＋GAC处理工艺。

比较氨氮、亚硝酸盐氮、高锰酸盐指数以及臭味几项常规项目，流程 （3）、流程 （6）的处理效果最好，既有生物吸附降解作用，又有活性炭的吸附作用；其次是流程 （2）、流程 （4），流程 （2）的优势体现在氨氮、亚硝酸盐氮及臭味的处理上，流程 （4）则对有机物与生物臭的处理效果好。

图2 不同净化工艺单元有机物去除量占总去除量的比例

3 结论

本研究结果表明，对受污染水源水的处理，要达到饮用水水质标准或提高水质，应根据源水水质的特点进行工艺的选择。

（1）当原水中氨氮浓度高时应选择有生物作用的水处理工艺流程，如生物预处理＋常规处理工艺或常规＋臭氧生物颗粒活性炭处理工艺，在没有生物处理工艺单元的流程中氨氮基本上无去除效果；

（2）当原水中藻含量较高时，一般应选择有前处理除藻的工艺单元，否则对后续的砂滤池运行产生不利影响，如可采用生物预处理工艺单元；

（3）当原水中的臭阈值、有机物、色度较高时，应采用常规处理工艺后接深度处理 （GAC、O3－BAC）工艺。

本研究进行的6种工艺流程，从出水水质看，生物预处理＋常规＋O3－BAC工艺最好，其次是生物预处理＋常规和常规＋O3－BAC工艺以及常规＋GAC工艺。不同的水源水水质条件、目标差异、经济条件等因素，对水处理工艺的选择都有一定的影响。

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