富营养化条件下联合处理滤池适应优化研究

聂荣飞，赵 曦

（1.山东省丝路投资发展有限公司，山东 济南；2.山东省工程咨询院，山东 济南）

前言

近些年，由于大量施加化肥农药、污水排放不规范等原因，我国众多地区地表水中磷、氮总量严重超标，进而导致藻类杂质急剧增长，出现了富营养化的问题，这给水厂滤水处理带来了严峻的挑战[1-2]：在沉淀阶段，藻类分泌物与混凝剂水解物发生反应，降低絮凝效果，较小体积的藻类杂质不可避免地混入滤池；在滤水阶段，藻类细胞及其分解物黏附于滤层，导致滤料结块堵塞，出水浊度上升，过滤周期缩短。对此，本文在滤柱模拟实验基础上，结合多年实际应用经验，提出化学- 物理- 生物联合处理滤池优化方法，为富营养化进水条件下水厂滤池工艺改进提供技术支撑。

1 实验背景

1.1 水源水质

本文所做实验主要依托于黄河下游某水厂进行，该水厂水源为引黄水库。作为黄河下游城市重要水源之一，许多引黄水库在近些年出现了氮磷元素含量超标、有机质污染、藻类爆发等富营养化问题。

本次实验季节为夏季，使用玻璃滤柱装置进行，以水厂运行过程中的沉淀池斜管出水作为实验进水。在实验期间，尽管水厂在前段工序中已经投加高锰酸钾（12 mg/l）和二氧化氯（7～8 mg/l）进行预处理，但沉淀出水中藻类仍达到近2 000 万个/升。期间滤柱进水水质主要指标如表1 所示。

表1 滤柱进水水质主要指标

1.2 水厂当前工艺及存在的问题

该水厂建成已近30 年，当前供水能力为5 万方/天。其滤池滤料为均质石英砂，厚度120 cm，砂质粒经为0.85 mm～1.1 mm；承托层厚10 cm，砾石粒经为2 mm～8 mm；单滤池过滤面积为46 m2，滤速一般为为8 m/h，气冲 强 度 15 L/m2.s，水 流 反 冲 洗 强 度 约8 L/m2.s。

实验期间处于夏季，正是藻类爆发期，经过对水厂的出水检测，发现随着夏季的到来，进水水源中藻类增加，水厂滤池出现严重的颗粒穿透问题，出水颗粒数达到其他季节的8 倍，浊度也相应升高，过滤周期更是由原来的24 h 减少到8 h。富营养化进水条件下水厂的出水效率和水质已经受到严重影响。

2 优化实验

2.1 煤- 砂双层滤料物理优化

2.1.1 实验设计

本项实验通过变换滤料和滤层来模拟四种滤池[3-4]，分别是常规的级配石英砂滤柱（A）、本水厂的V 型均质石英砂滤柱（B）、无烟煤- 石英砂双层滤柱（C）和活性炭- 石英砂双层滤柱（D）。在相同进水条件下，监测各滤柱出水的颗粒数、浊度和水头损失情况，对比分析在富营养化进水条件下的滤水效果，从而筛选出更能适应富营养化高藻水体的滤料结构。各滤柱参数如表2 所示。

表2 实验滤柱参数

2.1.2 实验结果

实验发现，在富营养化水体进水条件下，各滤柱的出水浊度有比较明显的下降趋势，其中活性炭- 石英砂双层滤柱出水浊度较其他滤柱明显更好。同时出水颗粒数与浊度基本呈现正相关，但是不同滤柱存在明显差异，单层砂质滤料的处理效果要比双层滤料更差。在水头损失方面，均质和级配石英砂滤柱的水头损失主要在表层，未能发挥中下层的截污能力，过滤周期较短；活性炭- 石英砂双层滤柱吸附能力强，水头损失在11 h 就增长到150 cm，过滤周期同样较短；无烟煤- 石英砂双层滤料滤柱在过滤周期上具有明显的优势。

2.1.3 物理优化分析

在富营养化水质条件下，级配石英砂和均质石英砂滤料的过滤功能均受影响。藻类在石英砂滤料表层聚集形成絮状物，严重堵塞，大幅缩短过滤周期；砂双层滤池吸附能力强，出水浊度和颗粒数表现较好的同时堵塞也加快，水头损失增长迅速。相比之下，无烟煤- 石英砂双层滤柱表现出更好的适应能力，是因为表层无烟煤的粒径在1.2 mm以上，能够防止藻类堵塞滤料表层，从而延长过滤周期。因此可以考虑在传统石英砂滤料表层增加10 cm无烟煤，来增强滤池对富营养化水体的适应性[5]。

图1 不同滤柱的浊度及过滤时间

实验中发现出水浊度和颗粒数下降速度加快的同时水头损失也明显增长，说明对富营养化水体中的藻类等杂质主要依靠滤料的机械阻拦，净化机理过于单一，即使是物理优化后的无烟煤双层滤柱，对出水浊度和颗粒数的控制效果也并不佳，需要进一步改善。

2.2 次氯酸钠助滤剂化学优化

2.2.1 实验设计

实验期间，进水中含藻类8 000～12 000 万个/L，尽管水厂在预处理环节添加了大量二氧化氯和高锰酸钾，但滤柱进水中藻类仍然达到约2 000 万个/升，可见仅靠预处理效果并不理想。因此本实验考虑继续利用前一节的实验滤柱，投加次氯酸钠助滤剂，利用其强氧化性进一步杀死并分解藻类。本实验使用的是有效氯（Cl）≥10%的纯次氯酸钠溶液，同时利用3 mg/L 的聚合氯化铝铁进行混凝，使用蠕动泵将助滤剂与滤柱进水充分混合，并进行了0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L 剂量下的对比试验，以各组出水颗粒数对比结论为依据选出最优剂量，然后在最优剂量下测试水头损失和出水浊度情况[6]。

2.2.2 实验结果

水中颗粒悬浮物会导致致病微生物的大量繁殖，要想保证出水水质，必须增强滤池对颗粒物的去除能力。实验中，如图2 所示，投加次氯酸钠后出水颗粒总数呈现下降趋势，且在2 mg/l 的投加量下，颗粒数下降至600 个/ml；同时检测对比颗粒物粒径可以发现，次氯酸钠对2～5 μm的较小粒径颗粒物去除效果最好。基于颗粒数实验结果，我们选取兼具处理效果和用量控制2 mg/l 投加量，继续进行出水浊度和水头损失实验研究。数据如图3 所示，投加次氯酸钠大大降低水头损失，过滤周期增长近1.5 倍；但投加次氯酸钠后的出水浊度不降反升。

图2 不同次氯酸钠投加量下出水颗粒数情况

图3 2 mg/l 次氯酸钠投加量下出水浊度和水头损失情况

2.2.3 化学优化实验分析

化学优化后各滤柱出水颗粒数明显降低，出水水质得到改善；当投加2 mg/L 的次氯酸钠时，过滤效果较之前下降更为明显，过滤周期会延长一倍。对此，本文认为，一方面，次氯酸钠能杀死藻类，防止在滤料表层形成絮状阻塞[7]；另一方面，投加次氯酸钠可能改变了藻类颗粒物表面的排斥作用，并且破坏水中杂质表面的包裹物，使滤料更容易地将杂质捕获，因此而实现了滤柱优化的效果。然而，在颗粒数下降的同时出水浊度反而升高，本文分析认为，可能是次氯酸钠在杀死藻类以后释放了许多脂质、果胶类、纤维素等大分子物质，对此需要进一步优化[8]。

2.3 酶法辅助作用下的联合处理优化

前文分别讲述了富营养化进水条件下添加次氯酸钠助滤剂和改用双滤层两种滤池优化方式，但均存在一定的局限性，难以兼容出水水质和过滤周期，特别是在夏季藻类爆发期，出水浊度更难以控制。对此，本节在已有实验基础上引入生物酶法进行联合处理优化。联合处理是指将化学法、物理法和生物法进行三维技术耦合，发挥三种技术的多维协同作用，克服单一优化方式的不足，进而较大程度提高过滤效率。

2.3.1 生物酶的特点及作用机理

生物酶具有高催化效率、高度专一性和温和条件反应等特点。其催化效果比一般无机催化剂高105～108倍；大多数生物酶只针对一种底物进行催化反应，从而能够更加便捷地用于工业控制；同时生物酶对于反应温度要求不苛刻，也有利于拓展增加应用场景，减少能耗。当然影响生物酶活性的因素也有很多：随着pH 值变化，其活性曲线基本都呈钟罩形，存在一个最适pH；随着温度升高，活化分子数量增加，酶促反应速率加快，但高温也会使得酶失活，因此同样存在最适温度问题；生物酶的催化效果与浓度基本正相关，但随着浓度增加，速率增长会偏离直线关系并趋于平缓；适当机械搅动也可以促进生物酶进入底物分子孔隙的机会，从而提高催化反应速率。

生物酶的作用机理[9]有多种，比如通过互补形状的活性口袋与底物结合形成暂时的共价中间体、改变底物形态结构、或者创建分布电荷互补的环境等方式，降低主反应过渡态的能量跃迁，从而在不被消耗的条件下，加快反应效率。

2.3.2 生物酶在联合处理滤池优化中的应用建议

富营养化水体中的藻类是一种单细胞植物或细胞聚合群落。藻类细胞中含有大量的果胶类物质，其中果胶分子羧基上的H+容易被水中游离的Mg2+、Ca2+等正价离子取代产生不易溶于水的钙盐、果胶酸镁等；另外，这类羧基还可能与纤维素中的羟基形成酯键、氢键，这些分子形态均会使网状的果胶物质疏水性更加强烈，外在表现为水的浊度升高[10]。

结合前节优化实验结果，本文认为在滤池环节引入生物处理工艺，先后经过挂膜及人工驯化过程，最终使微生物稳定附着在滤料表面形成生物膜[11]，并代谢繁殖产生以果胶酶为主、辅以脂肪酶、纤维素酶的复合酶，将藻类物质分解后产生的果胶类疏水大分子催化水解为小分子和无机元素，从而有效缓解投加次氯酸钠后出水浊度上升的问题。

结束语

为研究解决富营养化进水条件下滤料结块堵塞、过滤周期缩短、出水浊度上升等问题，本文以夏季藻类爆发期某水厂的沉淀池出水为实验进水，利用玻璃滤柱装置模拟了物理、化学两种优化场景，发现：无烟煤- 石英砂双层滤料针对富营养化水体的适应性更好，但存在净化机理过于单一、对出水浊度和颗粒数的控制效果不佳等问题；次氯酸钠对出水颗粒数有明显的优化效果，但导致出水浊度升高。最后，在前述实验结论、多年实际应用经验以及对生物酶机理分析的基础上，本文给出了酶法辅助作用下的联合处理优化方式，将化学法、物理法和生物法进行三维技术耦合，从而较大程度提高滤池针对富营养化水体的适应效能。