强化常规工艺处理长江南京段水源水试验研究

刘武平，刘皓林，吕锡武，朱光灿，周克梅

(1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司，成都 610081;2.东南大学环境科学与工程系，南京 210096;3.南京市自来水总公司，南京 210002)

常规水处理工艺的处理对象是水中的悬浮物、胶体杂质和微生物，而对氨氮和溶解性有机物的去除能力有限［1，2］。目前很多水厂依然采用传统的常规处理工艺，其局限性随着水源水质的恶化和饮用水水质标准的提高而日益突出。在普通砂滤池内填装活性炭将其改造成为生物活性滤池，与混凝、沉淀及消毒单元构成强化常规工艺，可以在不增加新的处理设施的情况下实现过滤、吸附和生物降解，提高水厂对氨氮和溶解性有机物的去除能力。

1 方法及分析方法

1.1 原水水质

本中试试验在南京自来水总公司下属的某自来水厂进行，为水厂的改造和扩建提供试验参数参考。原水水质指标见表1。

1.2 试验设计及方法

试验重点考察强化了常规工艺对氨氮和有机物的去除效果，同时对柱状活性炭和颗粒活性炭填料的不同处理效果进行对比。因活性炭可能会导致出水浊度略升，故把浊度也作为一项考察指标，以分析浊度对强化常规工艺可能带来的负面影响。

表1 原水水质情况表Tab.1 Water quality indexes of raw water

试验工艺流程如图1所示。中试规模Q=1m3/h，其中机械搅拌絮凝池分为3个分格，每格内装设搅拌机一个，各格之间用设有过水孔的垂直隔墙导流，孔口位置采取上下交错方式排列，平均速度梯度为45.28s-1，GT 值为5.98 ×104，斜板沉淀池颗粒沉降速度 μ=0.40mm/s，表面负荷 q=5.55×10-4m/s。为保证混凝沉淀出水 (生物活性滤柱进水)浊度在1NTU以下，混凝沉淀的药剂投加量为20mg/L，雨季根据进水浊度适时调整加药量，最大加药量在30～40mg/L。

图1 强化常规工艺试验装置流程Fig.1 Process diagram of experiment

生物活性滤柱材质为有机玻璃，总高2500mm，直径 DN250，底部承托层高度400mm，均质石英砂层厚度为350mm，粒径d10=0.55mm，不均匀系数K80＜2.0，活性炭层厚度650mm。为比较不同活性炭类型对强化常规工艺处理效果的影响，本研究采用2个生物活性滤柱，其中1#内装填柱状活性炭，2#内装填颗粒状活性炭。两种活性炭的规格及特性详见表2。

表2 柱状及颗粒状活性炭规格特性表Tab.2 Specification of columnar and granular activated carbon

鉴于自然挂膜的生物活性较高［3］，试验在滤柱空床接触时间 (EBCT)为13.5 min的条件下自然挂膜，运行40天后自然挂膜成功。稳定运行2个月后，将滤柱的空床接触时间调整为10 min，再连续稳定运行2月以后进行连续全流程测样 (每周3～4次)，滤柱反冲洗的强度控制参数为:低强度气反冲5 L/m·s，历时5min，高强度水反冲15 L/m2·s，反冲洗时间15min。滤柱反冲洗周期结合出水浊度和过滤水头确定，一般为1～2d。反冲洗水为滤后出水。

1.3 分析方法

基本水质指标的检测项目包括温度、浊度、pH值。

有机物用高锰酸盐指数 (CODMn)，紫外吸光度 (UV254)，溶解性有机物 (DOC)和可生物降解的溶解性有机物 (BDOC)四项指标来表征，同时检测氨氮 (NH3-N)和亚硝氮 (NO-2-N)。分析方法如下:

(1)紫外吸光度:将经0.45μm膜过滤后的水样用1cm石英比色皿在254 nm下测定其吸光度值。

(2)溶解性有机物 (DOC):用岛津TOC仪测定。

(3)可生物降解的溶解性有机物 (BDOC):生物砂培养测定法测定。将待测水样经0.45 μm膜过滤后，去除其悬浮物、胶体和除微生物，然后向水样中接种含有同源细菌的生物砂，在恒温条件下 (一般为20℃)培养10天，测定培养前后DOC的差值即为BDOC。

(4)其余水质指标参考《饮用水标准检验方法》(GB5750-2006)检测［4］。

2 结果与讨论

2.1 对浊度的去除效果

工艺对浊度的去除效果见图2。强化常规工艺对浊度有较好的去除效果，并且两种活性炭滤料对浊度的去除效果差别不大。当原水在20.3～60 NTU范围内波动时，通过调整混凝沉淀的投药量，保证沉淀出水浊度小于1NTU的情况下，强化常规工艺出水浊度去除率均可保证在99%以上，出水浊度在0.2NTU以下。

这是因为当活性炭用于强化常规而非深度处理工艺时，其进水为沉淀池出水，浊度比起深度处理工艺进水的砂滤出水高很多，活性炭细微颗粒脱落为出水浊度带来的负面可以忽略。同时，活性炭层充分发挥了生物膜吸附、絮凝作用去除浊度，结合石英砂层起到的常规过滤作用，使得强化常规工艺对浊度去除率能够保证在95%以上，可以确保出水的浊度要求。

图2 强化常规工艺对浊度的去除效果Fig.2 Removal of Turbidity in enhanced conventional water treatment process

2.2 对NH3-N及NO-2-N的去除效果

强化常规工艺对NH3-N去除效果如图3所示。

试验期间原水氨氮的平均浓度为0.8mg/L，其中最小值为0.42mg/L，最大值达到1.11mg/L。从图3可以看出，强化工艺出水NH3-N浓度均低于0.5mg/L，可以满足《生活饮用水标准》对于氨氮浓度的限制。

图3 强化常规工艺对NH3-N的去除效果Fig.3 Removal of NH3-N in enhanced conventional water treatment process

生物活性滤柱1和2的出水平均氨氮浓度分别为0.21mg/L 和 0.07mg/L，最大值分别为 0.38mg/L和0.15mg/L，最小值分别为 0.02mg/L 和 0.07mg/L。两套工艺对氨氮的平均去除率分别为71%和91%。由此可见颗粒活性炭对氨氮的去除效果要明显优于柱状活性炭。这是由于活性炭的制作工艺不同，颗粒炭比柱状炭具有更加丰富的微孔孔隙和比表面积，作为滤料来说，更利于生物挂膜的附着，而该工艺对氨氮的降解无疑是依靠生物作用来进行的，所以生物活性滤柱2对氨氮的降解能力更强。

强化常规工艺对NO-2-N的去除效果图4所示。

图4 强化常规工艺对NO2--N的去除效果Fig.4 Removal of NO2--N in enhanced conventional water treatment process

从图4中所示结果可以看出，生物活性滤柱1和2出水NO2--N浓度的最大值分别为0.025 mg/L和0.021mg/L，最小值均为0.001mg/L，平均值分别为0.008 mg/L和0.006mg/L，对NO2--N的平均去除率分别为80%和84%。由此可见，两种填料对NO2--N的去除率相差并不大，生物活性滤柱2要略好与1。

值得注意的是，在试验取样的前几次，工艺对NO2--N去除率很低，后来才逐渐升高。这是由于前几次取样水温基本在10℃以下，平均水温仅为7℃。一般说来，当温度低于15℃时，硝化细菌的活性降低，从而影响了水中NO2--N的硝化。另一方面，冬季原水中NH3-N较高，由于NO2--N转化为NO3--N的过程受阻，而NH3-N转化为NO2--N的过程仍进行，这使得NO2--N发生累积，从而影响了NO2--N的去除率。

在试验后续阶段，水温开始升高，基本维持在20℃左右，硝化细菌的活性开始增强，亚硝酸细菌的比增长速度 (μNS)小于硝酸细菌的比增长速度(μNR)，且硝化反应常数很小，所以在稳态条件下亚硝酸盐的积累量很少［5］。此时强化常规工艺对NO-2-N的去除率基本能够维持在95%左右。

2.3 对有机物的去除效果

2.3.1 对 CODMn的去除效果

常规工艺对CODMn的去除率一般在20% ～40%［6］，而强化常规工艺对 CODMn的去除率可以达到50%～70%，明显优于常规工艺。这是由于生物活性滤柱中活性炭层的吸附作用以及生物降解作用增强了滤柱对CODMn的去除能力。

本试验中强化常规工艺对CODMn的去除效果见图5。可以看出，生物活性滤柱2的处理效果优于1，这是因为颗粒状活性炭比柱状活性炭有更发达的比表面积和微孔结构，一方面有利于活性炭对有机物的吸附，另一方面也有利于微生物的附着生长，从而增强了生物活性滤柱2对CODMn的去除效果。

图5 强化常规工艺对CODMn的去除效果Fig.5 Removal of CODMnin enhanced conventional water treatment process

2.3.2 对 UV254的去除效果

强化常规工艺对UV254去除效果如图6所示。

UV254代表在紫外光在254 nm下有吸收峰的有机物，此类多含有羟基和羧基等极性基团，在天然水体中呈负电性。投加混凝剂形成水解产物绝大部分带正电，因此可以很好地发挥压缩双电层、电性中和的作用，使这些有机物脱稳、聚集，并在沉淀过程中得以去除，常规工艺对UV254的去除率约为30%［7］，而强化常规工艺对UV254的平均去除率在50%左右，可以看出生物活性滤柱对UV254的去除效果相对常规工艺并没有绝对的优势，原因可能是UV254代表的溶解性有机物分子结构复杂，生物降解性差，生物氧化作用不明显。

图6 强化常规工艺对UV254的去除效果Fig.6 Removal of UV254in enhanced conventional water treatment process

2.3.3 对有机物指标的去除效果

强化常规工艺对DOC及BDOC的去除效果如图7、图8所示。

图7 强化常规工艺对DOC的去除Fig.7 Removal of DOC in enhanced conventional water treatment process

图8 强化常规工艺对BDOC的去除效果Fig.8 Removal of BDOC in enhanced conventional water treatment process

DOC代表溶解性有机物的总量，也包括中性和弱极性的有机物，混凝沉淀过滤等常规工艺对该类物质的去除效果很差。BDOC代表的是可生物降解的溶解性有机物，容易被微生物利用降解，原水中BDOC的含量直接反映了该种水质的可生化性。从图8及表3可知，原水中可生物降解的溶解性有机物所占比重较高，BDOC/DOC在54%左右，可生化性较好，说明了原水适应与生物降解有关的处理工艺。

表3 水质DOC与BDOC的相关分析Tab.3 Correlation analysis of water quality of DOC and BDOC

强化常规工艺对BDOC的平均去除率在63%左右，最高可达75%以上，且波动范围不大，说明工艺对可生化有机物的去除效果良好，工艺稳定运行后微生物的生物作用发挥得较好，而常规工艺对BDOC的去除效果不佳，平均去除率在25%左右，这是因为砂滤柱中填装的石英砂不具备能够生长微生物的环境，生物作用很弱，而其经常的反冲洗会使微弱的生物作用进一步降低，导致了常规工艺对BDOC的去除率很低。强化常规工艺对DOC的去除率可达到73%，甚至更高，这是由于生物活性滤柱对DOC具有很好的吸附和生物氧化作用，在生物活性滤柱中，活性炭将大部分有机物吸附，与此同时微生物首先将BDOC利用，然后继续通过生化作用利用活性炭上吸附的有机物，提高了工艺DOC的去除率。吸附和氧化的双重作用强化了工艺对DOC及BDOC的去除，这也是强化常规工艺较常规工艺在有机物的去除方面更具优势的原因。

2.4 强化常规工艺处理过程分子量分布特性分析

鉴于强化常规工艺2的处理效果要好于1，故在本节讨论分子量分布特性时，选取强化常规工艺2作为研究对象，以常规工艺作为参照对象，考察工艺处理过程中分子量分布的变化特性，结果见表4和表5。

表4 原水及工艺出水中有机物分子量分布Tab.4 MW distribution of organics in raw water and effluent of different processes

表5 工艺对不同分子量区间有机物的去除效果Tab.5 Removal efficiency of organic matters with different MW

一般来说，混凝沉淀及常规工艺可以有效去除分子量在3k以上的有机物，分子量在1k～3k间的有机物只能部分去除，分子量在0.5k～1k间的有机物反而会增加，而对分子量小于0.5k的有机物基本无效［8］。

强化常规工艺及常规工艺进出水的分子量分布情况及不同分子量区间的去除情况如表4所示。原水中分子量小于1k的占48%，1 k～5 k的有机物占27%，大于5k的占25%。由此可见，长江南京段原水中的溶解性有机物主要是由小分子的有机物构成。因此，常规工艺对原水中溶解性有机物的去除可能会存在一定的局限性。

常规工艺及强化常规工艺对各种分子量区间的有机物去除效果见表5及图9。从表中可以看出，分子量小于0.5 k的有机物在强化常规工艺中有较好的去除效果，去除率为39%，而常规工艺的去除率仅为4%，效果甚微。在分子量0.5 k～1 k段、1 k～5 k段和5k～10k段，强化常规工艺的处理效果均不同程度的优于常规工艺。在10 k～100 k和＞100 k段的去除率则要略低于常规工艺。同时，通过表4可知，这两个分子量段的有机物仅占总有机物量的11%左右。因此，强化常规工艺对于小分子有机物有很好的去除效果，能够弥补常规工艺对小分子有机物去除效果不理想的缺陷。在水厂的改建扩建中，根据实际情况，可考虑采用强化常规工艺来提高出水水质。

图9 强化常规工艺对不同分子量区间有机物的去除效果Fig.9 Removal of organic matters with different MW in enhanced conventional water treatment process

3 结论

针对长江南京段水源水呈现一定的微污染态势，利用生物活性滤池代替砂滤池形成的强化常规工艺进行中试试验，得出如下结论:

3.1 在沉淀出水浊度控制在小于1NTU时，采用强化常规工艺能有效地去除水中的浊度，出水浊度在0.2NTU左右，去除率可以达到95%以上，不会因活性炭细小粉末脱落而引起出水浊度的升高。

3.2 强化常规工艺对NH3-N及NO-2-N去除率可分别达到70%，80%凸显了生物滤柱的生物作用，处理效果明显优于常规工艺。

3.3 强化常规工艺对有机物的去除效果也较为明显，对CODMn，UV254，DOC及BDOC的去除率分别达到90%，50%，75%，60%，提高了出水水质安全性。

3.4 强化常规工艺对分子量小于1k的溶解性有机物去除效果良好，弥补了常规工艺对小分子有机物去除效果不理想的不足，可以有效地提高出水水质，在利用微污染水源水的城市自来水厂改造等方面具有很好的参考价值。

3.5 填装有颗粒状活性炭的生物活性滤柱的处理效果要优于填装柱状活性炭的生物活性滤柱。

［1］严煦世，范瑾初.给水工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

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［6］左金龙，崔福义.饮用水中污染物质及处理工艺的研究进展［J］.癌变畸变突变，2007，(19):174-180.

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