赵 宇, 张怡然, 陈卓然, 魏振彦
(1. 天津泰达水业有限公司, 天津 300457; 2.天津泰达津联自来水有限公司, 天津 300457)
水厂的前处理工艺中投加氯进行预氧化,既可氧化部分有机物,还能提高混凝沉淀效果[1-2]。但预氯化过程中会产生卤代消毒副产物,当水源中酚类物质含量较高时,易生成具有强烈刺激性气味的氯酚类物质[3]。与其他常用的化学氧化剂相比,臭氧具有较强的氧化能力,可以氧化分解水中许多有机污染物,且具有杀菌、脱色、除藻和改善絮凝等作用[4-8],已经逐渐应用于对原水的预氧化处理。笔者通过考察相关水质指标,对比分析了预氯化和预臭氧化工艺在水厂实际运行中的效果。
天津某水厂总设计产水能力为32.5×104m3/d,分三期建成。二期采用常规处理工艺,即:预氯化—管道式静态混合器—双层回转隔板反应池—斜管沉淀池—V型滤池和滤前滤后两点加氯消毒[9]。
三期工程设计产水能力为15×104m3/d,于2009年7月底建成通水[10],原水与二期工程相同。其水处理工艺为:预臭氧—机械混合—上向流炭吸附脉冲澄清池—V型滤池—紫外线+氯联合消毒处理,其中紫外线+氯联合消毒技术是国内城市净水厂工程中首次投产使用[9]。
如图1所示,在三期工艺设置5个取样点,分别记为原水、预臭氧、滤前臭氧、滤后臭氧和UV+氯。二期工艺设置4个取样点,分别记为预氯化、滤前氯、滤后未加氯和滤后加氯。
图1 水厂工艺流程与取样点示意Fig.1 Process flow of waterworks and sampling sites
试验期间,原水处于高温高藻期,浊度较高,藻类数量较大,水质见表1。
表1 原水水质Tab.1 Quality of raw water
pH:玻璃电极法,Mettler Toledo 320型pH计;浊度,分光光度法,HACH 2100N浊度仪;UV254,紫外分光光度法,HACH DR/4000U紫外可见分光光度计;藻类,固定染色计数法,Nikon SMZ1000显微镜;叶绿素a,分光光度法,HACH DR/4000U紫外可见分光光度计。
浊度主要是不溶性的絮状物或胶状物[11]。从图2可以看出,原水经预臭氧化处理后,浊度并未明显下降,有时反而会略有升高。这是因为在臭氧氧化有机物的过程中,有机物分子中许多碳原子的位置由氧原子占据,形成羧酸、醛、酮、醇。这些产物比未经臭氧处理的化合物具有更高的极性,能够与氢结合,提高分子量,与铁、铝这类多价金属阳离子接触后会导致氧化产物出现絮凝现象,引起浊度升高[12]。
图2 各工艺单元对浊度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity by each process unit
原水经过预氯化处理后,浊度有较大幅度的下降,去除率可达到30%~50%,减轻了后续常规处理的压力。经过三期和二期工艺处理后,出水浊度分别在(0.183~0.602)和(0.250~0.502) NTU,最高去除率分别为99.06%和97.42%。虽然预臭氧化处理对浊度的去除效果微弱,但整套工艺对浊度的去除效果较高。预臭氧化工艺具有一定的助凝效果,有利于后续工艺对浊度的去除。
图3 各单元对UV254的去除效果Fig.3 Removal effect of UV254 by each process unit
经过整个三期工艺处理后,UV254去除率最高可达70.85%,平均去除率为55.29%,出水最低UV254为0.014 4 cm-1。而整个二期工艺对UV254的去除率较低,最高去除率为55.92%,平均去除率只有33%。可见,预臭氧化对UV254有明显的去除作用,整个预臭氧工艺对UV254的去除效果明显优于传统的预氯化工艺,有助于降低消毒副产物的生成。
藻类会影响混凝和沉淀的处理效果,高浓度的藻类会提高混凝剂投加量,并造成滤池的堵塞,缩短滤池过滤周期。此外,藻类容易致臭并产生藻毒素,和氯作用形成氯化消毒副产物,降低饮用水安全性[16]。试验期间,滦河水大都处于高温高藻期,如何去除原水中大量的藻类成了该水厂的一个难题。
原水经预臭氧化处理后,藻类数量有了较大幅度下降,去除率在12.50%~73.76%之间,平均去除率为40.37%,见图4。臭氧能够破坏藻类细胞组织,氧化藻细胞内的叶绿素,提高藻细胞的可沉降性,这也有利于后续混凝除藻[17]。而预氯化对藻类去除效果较差,平均去除率仅为27.73%。原水经三期工艺处理后,藻类去除率最高可达96.53%,平均去除率为87.54%。二期工艺对藻类的最高去除率为93.75%,平均去除率为84.90%。相对于预氯化,预臭氧化可以使藻类释放胞外有机质,使藻细胞变小,并且有效减少藻类的数量,减轻后续处理单元的负荷。
图4 各单元对藻类的去除效果Fig.4 Removal effect of algae by each process unit
叶绿素a数值的高低与水体中的藻类密度有直接关系,并可反映水体富营养化程度。从图5可以看出,原水经预臭氧化处理后,叶绿素a有一定程度的下降,最高去除率可达93.95%,平均去除率为55.53%。预氯化对叶绿素a的最高去除率为84.99%,但平均去除率高于预臭氧,为82.31%。
图5 各单元对叶绿素a的去除效果Fig.5 Removal effect of chlorophyll-a by each process unit
原水经过二期或者三期工艺处理后,对叶绿素a的最高去除率都达到了100%,平均去除率分别为99.23%和96.93%。这说明,虽然预臭氧化处理对藻类的去除程度显著高于预氯化,但是单独预臭氧化对叶绿素a的去除效果不如预氯化单元。总体上,三期整个工艺对叶绿素a的去除效果略好于二期工艺,这也间接说明预臭氧化工艺更有利于藻类的去除。
① 预臭氧化单元对浊度和叶绿素a的去除效果不及预氯化单元,但“预臭氧化—紫外线+氯联合消毒”工艺对两者的去除率略高于传统的“预氯化—加氯消毒”工艺。
② 预臭氧化单元对UV254和藻类的平均去除率分别为34%和40.37%,优于预氯化单元的9.35%和27.73%。预臭氧化不仅大大减轻了后续处理单元的负担,还有助于减少消毒副产物的生成,提高饮用水的安全性。
③ 水厂三期“预臭氧化—紫外线+氯联合消毒”工艺对UV254和藻类的平均去除率分别为55.29%和87.54%,优于 “预氯化—加氯消毒”工艺的33%和84.54%。