煤砂双层滤料滤池对东营河口水厂高藻原水处理的试验

李孟翰，张克峰,*，潘春雨，李 梅，任 杰，顾学林

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2.山东胜利水务有限责任公司，山东东营 257000)

为保障黄河流域城市发展有充足的水资源，黄河两岸各城市建设了大量平原水库以引流黄河水。黄河下游地区引黄水库易出现藻类多、大量嗅味物质以及储层水中的有机物质污染严重等问题[1-3]。常规工艺对藻类去除有局限性[4-5]，煤砂双层滤料滤池对藻类的去除效果优于普通砂滤池，出水的浑浊度和对固体颗粒物的去除率也较高[6-11]。

东营市胜利油田河口水厂水源为孤河水库引黄水，存在藻类季节性暴发的问题，常规工艺对藻类去除效果不佳。在河口水厂通过中试试验，对比常规砂滤池与煤砂双层滤料滤池对藻类的去除效果，目的是验证河口水厂工艺升级改造和提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 检测指标及方法

藻类的数量直接反映了水体受藻类污染的程度，并严重影响到水的色度、浑浊度、pH、臭味等指标，是评价水体水质的重要生物学指标之一[12-13]。藻类污染通常用叶绿素a(Chl-a)含量表征，藻类细胞中含有大量Chl-a[14]，因此，Chl-a含量的高低直接反映了水中藻类的种类、数量，水环境的质量也受其影响[15]。

为了给后期升级改造提供更多数据及技术支持，同时对水温、pH、浑浊度、氨氮、TOC、UV254、CODMn等进行测定。各指标检测方法如表1所示。

表1 检测指标与仪器Tab.1 Test Indicators and Instruments

1.2 中试装置

中试装置如图1所示。对比试验采用2根直径为0.5 m的试验滤柱，其中：A滤柱填料为无烟煤和石英砂双层滤料，无烟煤层厚度为1 000 mm，石英砂层厚度为500 mm，无烟煤有效粒径d10=0.85 mm、K80≤2.0，石英砂有效粒径d10=0.85 mm、K80=1.4；B滤柱填料为石英砂(河口水厂现为石英砂滤料)，滤料厚度为1 500 mm，石英砂有效粒径d10=0.85 mm、K80=1.4。双层滤料滤柱粒径和高度参考室外给排水设计标准和河口水厂现有滤池实际进行装填。试验来水为河口水厂沉淀池出水，该中试装置设气水反冲洗系统，在滤料层每隔10 cm设水质取样口和测压管。

注：1—原水；2—沉淀池；3—混凝+机械搅拌；4—中间水箱；5—水质取样口；6—测压管；7—反冲洗进气；8—反冲洗进水；A—煤砂双层滤料滤池；B—石英砂滤池图1 中试装置图Fig.1 Diagram of Pilot Plant

2 结果与讨论

2.1 煤砂双层滤料滤池对藻类处理效果分析

2.1.1 藻类总数去除效果分析

各工序的出水藻类总数如表2所示，对藻类去除效果如图2所示。

表2 各工序出水藻类总数Tab.2 Quantities of Outflow Algae in Each Process

图2 各工序出水藻类总数、去除率变化Fig.2 Changes of the Quantities and Removal Rate of Outflow Algae in Each Process

试验从8月20日开始，滤池运行稳定后进行取样，频率为10 d/次。由表2和图2可知：在9月、10月(3号—7号)，藻类数量呈暴发性增长；在11月(8号—10号)，藻类总数降低；到12月(11号—12号)，藻类总数回升。煤砂滤池的去除率一直稳定高于传统砂滤池，去除率为90.75%，变化波动小，而传统砂滤池的去除率较低，为77.55%。

无烟煤滤料既具有普通滤料的过滤功能，又具备活性炭的特点[16]，其颗粒表面能够吸附大量化学物质，微生物也会被截留附着在其表面，形成生物膜[17]。由于无烟煤有着良好的吸附效果，大部分藻类被截留在无烟煤层，提升了对藻类的去除效果，去除率达到了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，对藻类去除效果如图3所示。

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

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

由表3和图3可知：在9月、10月(3号—7号)，Chl-a呈暴发性增长；在11月(8号—10号)，Chl-a降低；到12月(8号—10号)，Chl-a回升。煤砂滤池的去除率一直稳定高于传统砂滤池，为90.84%，且去除率变化波动小。传统砂滤池波动较大，且去除率较低，为79.15%。

藻类大部分在无烟煤层被截留，而Chl-a主要存在于藻类中，导致水中Chl-a的含量也大幅度下降，从而提升了对Chl-a的去除效果。

2.1.3 氨氮去除效果分析

各工序的出水氨氮质量浓度如表4所示，对氨氮去除效果如图4所示。

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

图4 各工序出水氨氮质量浓度、去除率变化Fig.4 Changes of the Concentrations and Removal Rates of Outflow Ammonia Nitrogen in Each Process

由表4和图4可知，试验期间原水氨氮波动较大，煤砂滤池去除率为75.27%，砂滤池去除率为46.27%，煤砂滤池对氨氮的去除率明显高于砂滤池，同时，煤砂滤池对氨氮的去除率逐渐增加。这是由于无烟煤滤料表面已经吸附截留的部分微生物，其中一些微生物可以将含氮有机物氧化降解为硝态氮和亚硝态氮，从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质量浓度如表5所示，对TOC去除效果如图5所示。

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

图5 各工序出水TOC质量浓度、去除率变化Fig.5 Changes of the Concentrations and Removal Rates of Outflow TOC in Each Process

由表5和图5可知，煤砂双层滤料过滤后的TOC基本都降到2 mg/L以下，去除效果显著，去除率为65.13%，砂滤池去除率为21.24%，煤砂滤池对TOC的去除效果优于砂滤池。这是由于过滤过程中滤料表面附着的微生物会形成生物膜，通过微生物代谢作用可以去除水中有机物。研究表明，无烟煤与颗粒活性炭同样具有多孔结构且表面粗糙，表面及孔结构中可以附着更多更稳定的生物膜，此外，多孔结构还使其对有机物具有良好的吸附性能。因此，无烟煤具有良好的去除有机物的性能。

2.1.5 CODMn去除效果分析

各工序的出水CODMn质量浓度如表6所示，对CODMn去除效果如图6所示。

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

图6 各工序出水CODMn质量浓度、去除率变化Fig.6 Changes of the Concentrations and Removal Rates of Outflow CODMn in Each Process

由表6和图6可知，砂滤滤后水和煤砂滤后水CODMn浓度都达到了饮用水标准，甚至煤砂双层滤料过滤后的CODMn质量浓度基本都降到2.5 mg/L以下，去除率为47.58%，去除效果显著，砂滤池去除率为37.42%左右，煤砂滤池对CODMn的去除效果优于单层砂滤池。这可能是由于石英砂滤料对有机物颗粒的吸附能力低，表层形成的生物膜较少，生物降解作用有限，只能通过物理截留去除很少部分的有机物；而煤砂双层滤料无烟煤颗粒具有发达的孔隙结构，吸附能力强，无烟煤表层吸附的微生物也可对部分有机物进行生物降解。

2.2 藻类在滤料中的分布规律探讨

试验在滤池正常运行2个月后，对煤砂双层滤料滤池不同厚度的滤层进行取样处理，检测滤料中截留的藻类总数。滤池每48 h进行1次反冲洗，在上一周期反冲洗结束后每隔16 h取样1次，分别命名为“过滤初期”“过滤中期”“过滤后期”。

2.2.1 试验设计及检测方法

采取虹吸的方法，用水厂的取样器在正常运行的滤池中分别取表层1～3、10、20、40 cm的滤料样本各100 mL。

向250 mL锥形瓶中添加10 mL滤料样本(量杯量取)。向锥形瓶中加入100 mL超纯水后，锥形瓶置于振荡器剧烈振荡40 min，将锥形瓶中从滤料洗下的浑浊水倒入500 mL广口瓶中。重复以上步骤4次，最终用500 mL超纯水将无烟煤滤料表面吸附截留的藻类冲洗下来。在500 mL水样中取100 mL加入1 mL鲁哥试剂固定5 h，采用方格计数法统计藻类个数，则测量结果为2 mL滤料所含的藻类数量。

2.2.2 试验结果及分析

由图7可知，藻类在滤料层中的分布呈现明显的规律：过滤初期藻类数量最少，中期藻类数量明显增加，过滤后期藻类最多。表层1～3 cm藻类含量最多，且随着过滤时间增加，数量增幅大；无烟煤滤料滤层下10、20 cm处，藻类略少，随着过滤时间增加，增幅较小；藻类含量最少的部分位于滤层下40 cm处，且随着过滤时间增加，增幅很小。这说明无烟煤滤料截污能力主要集中在表层，大量藻类被吸附截留在滤料表层，因此，在整个过滤过程中只有很少部分的藻类穿过滤层。

图7 藻类总数在不同滤层内分布Fig.7 Distribution of Quantities of Algae in Different Filtration Layers

3 结论

(1)整个试验周期中，河口水厂的藻类总数总体水平较高，水质整体为富营养化状态。秋季为藻类总数最高的时期。沉淀池能够混凝沉淀去除大量的藻类，但过滤单元对藻类的去除具有关键性的作用。

(2)与传统砂滤池相比，煤砂滤池能够有效地去除藻类和Chl-a，且受藻类暴发的影响更小，对藻类去除更彻底，可以获得更稳定的出水。

(3)藻类大部分是在无烟煤滤料表层被吸附截留，因此，很少出现穿透滤层滤料黏附现象，能缓解反冲洗次数增多、时间长、难冲洗的问题，可以验证河口水厂工艺升级改造和提供技术支持。

(4)煤砂双层滤料依靠滤层截留、无烟煤吸附和生物降解作用可有效去除水中的有机物，尤其对小分子有机物去除效果较好。试验期间，煤砂滤池对CODMn、氨氮、TOC的平均去除率分别达到47.58%、75.47%、65.13%。煤砂滤池出水CODMn、氨氮、TOC的质量浓度分别降到2.5、0.1、4 mg/L以下。在一定程度上更加确保出厂水的安全性。