基于常規(guī)處理的微污染水源水處理工藝改進(jìn)措施

（東北石油大學(xué)秦皇島分校 石油與化學(xué)工程系，河北 秦皇島066004）

1 我國(guó)飲用水源地污染現(xiàn)狀

微污染水源水是指受到工農(nóng)業(yè)和生活污水污染，部分項(xiàng)目超過(guò)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中III 類水體規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的飲用水源水，尤其以高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和濁度等指標(biāo)超標(biāo)為主。隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥的濫用，我國(guó)城鄉(xiāng)居民生存環(huán)境遭受到了極大破壞，且以水環(huán)境破壞最為明顯。據(jù)2012年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)[1]，我國(guó)地表水總體為輕度污染，湖泊（水庫(kù)）富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題嚴(yán)重；其中全國(guó)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的62個(gè)湖泊中僅有61.3%達(dá)到了III 類及III 類以上水質(zhì)；全國(guó)4 929個(gè)地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較差和極差水質(zhì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例高達(dá)57.3%。由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所等完成的《華北平原地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)》結(jié)果顯示[2]，華北平原區(qū)域地下水綜合質(zhì)量整體較差，直接可以飲用地下水（I～I(xiàn)II 類）僅占36.49%，經(jīng)適當(dāng)處理可飲用的地下水（IV 類）也僅占24.25%，有39.37%的地下水資源不能直接利用（Ⅴ類）和需經(jīng)專門處理后才可利用。當(dāng)前，我國(guó)飲用水安全與衛(wèi)生保障正面臨著更嚴(yán)峻的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

2 微污染源水源水處理技術(shù)及改進(jìn)措施

目前我國(guó)飲用水處理技術(shù)廣泛采用的工藝是：混凝-沉淀-過(guò)濾-氯氣消毒（又稱常規(guī)工藝），該工藝僅對(duì)水中懸浮物有一定的去除效果，同時(shí)在懸浮物表面吸附去除少量的有機(jī)物，對(duì)水中微量有機(jī)物、氨氮、賈第鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)等去除能力很低；而且經(jīng)混凝沉淀后，水中未被去除的微量有機(jī)物經(jīng)氯氣消毒時(shí)，會(huì)被氧化產(chǎn)生三氯甲烷、二氯乙酸等致癌物，成為影響人們生活健康的潛在危害。因此根據(jù)我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)常規(guī)給水處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于提高居民飲用水安全、改善居民生活條件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前我國(guó)大多數(shù)水廠主要通過(guò)改變操作條件，對(duì)原有工藝進(jìn)行強(qiáng)化，或在原有工藝基礎(chǔ)上增加前處理或后處理的方式，達(dá)到改善出水水質(zhì)的目的。

2.1 強(qiáng)化常規(guī)工藝

強(qiáng)化常規(guī)處理技術(shù)是在原有的處理工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)強(qiáng)化混凝、強(qiáng)化沉淀和強(qiáng)化過(guò)濾技術(shù)環(huán)節(jié)，改善出水水質(zhì)。由于它可充分利用現(xiàn)有的工藝設(shè)施，投資低，見(jiàn)效快，效果好，對(duì)水中濁度、重金屬、消毒副產(chǎn)物前體物、藻類、賈第鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)具有較好的去除效果，而成為水廠應(yīng)對(duì)水源污染的首要措施。

2.1.1 強(qiáng)化混凝工藝

傳統(tǒng)混凝工藝僅通過(guò)吸附作用對(duì)水中懸浮性有機(jī)物有一定的處理效果，但對(duì)于溶解性和膠體性有機(jī)物處理效果甚微。而強(qiáng)化混凝可通過(guò)膠體狀天然有機(jī)物（NOM）的電中和、腐殖質(zhì)共沉淀和混凝劑表面共沉淀等方式達(dá)到對(duì)水中有機(jī)物的去除作用。根據(jù)美國(guó)D/DBP條例有關(guān)定義，強(qiáng)化混凝是在傳統(tǒng)混凝的基礎(chǔ)上，通過(guò)加大混凝劑、助凝劑投加量，或投加新型高效混凝劑、助凝劑，控制一定的pH值，提高NOM的去除效果，最大限度地去除消毒副產(chǎn)物前體物，保證飲用水消毒副產(chǎn)物符合飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的方法。它以去除水中天然有機(jī)物為目的，從而達(dá)到對(duì)消毒副產(chǎn)物的控制，成為我國(guó)當(dāng)前水處理的一項(xiàng)重要任務(wù)。

強(qiáng)化混凝去除有機(jī)物的影響因素主要有混凝劑種類和投加量以及外界操作條件（pH值）。徐亞斌等[3]研究表明，通過(guò)以聚合氯化鋁為混凝劑，以硅藻土為助凝劑，能明顯提高原水濁度和NOM 去除率；Crozes G.等[4]通過(guò)將pH值調(diào)整至6.0±0.2，可同時(shí)達(dá)到降低混凝劑用量（60%）和增加NOM 去除率（65%）的效果；Volk[5]等人通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化混凝可將溶解性有機(jī)碳（DOC）平均去除率從29%提高到43%。

2.1.2 強(qiáng)化過(guò)濾工藝

傳統(tǒng)過(guò)濾工藝為增加過(guò)濾周期，常采用預(yù)氯化來(lái)抑制濾料表面微生物生長(zhǎng)，從而僅對(duì)水中濁度和細(xì)菌有一定的去除效果。而強(qiáng)化過(guò)濾則是通過(guò)在濾料表面培養(yǎng)微生物，在去除水中濁度和細(xì)菌的同時(shí)，利用微生物作用去除水中有機(jī)物和氨氮。也可以通過(guò)使用新型、改性濾料等來(lái)改善過(guò)濾工藝對(duì)濁度、有機(jī)物等的去除效果。

馬軍[6]等通過(guò)在石英砂表面涂覆一層金屬氧化物，提高了濾池對(duì)含藻水的處理效果；曾植[7]通過(guò)用碳砂濾池和砂濾池處理微污染地表水進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，碳砂濾池不僅能增強(qiáng)濾池的處理負(fù)荷，還能降低出水濁度、COD、氨氮、U254 等指標(biāo)；雷國(guó)元等[8]通過(guò)氧化鈦對(duì)石英砂濾料進(jìn)行改性發(fā)現(xiàn)，相同條件下，其對(duì)濁度、有機(jī)物、藻細(xì)胞等的去除效果比普通石英砂濾料好。

2.2 常規(guī)工藝改進(jìn)措施

常規(guī)工藝改進(jìn)措施主要是在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上，增加前處理或后處理的工藝方法，常用的有在常規(guī)工藝之前增加預(yù)處理和在常規(guī)處理工藝之后增加深度處理的方法。

2.2.1 預(yù)處理工藝

預(yù)處理是在常規(guī)處理工藝之前對(duì)原水中污染物進(jìn)行物理、化學(xué)或生物的初步處理，以降低水中污染負(fù)荷，降低膠體穩(wěn)定性，從而提高常規(guī)處理工藝的效果。常用的預(yù)處理技術(shù)包括預(yù)吸附、化學(xué)預(yù)氧化和生物預(yù)氧化。

2.2.1.1 預(yù)吸附工藝

預(yù)吸附是利用具有吸附性能的物質(zhì)來(lái)去除水中污染物，凈化水質(zhì)。常用的吸附劑有粉末活性炭、硅藻土、沸石、離子交換樹(shù)脂等。由于活性炭具有疏水特性和強(qiáng)吸附能力，故應(yīng)用最為廣泛。為提高活性炭對(duì)水中有機(jī)物、金屬離子等的去除效果，近年來(lái)針對(duì)活性炭改性的研究也越來(lái)越多。

劉冰等[9]將活性炭吸附和硫酸鋁混凝聯(lián)用，可使水中溶解性有機(jī)氮（DON）去除率達(dá)到82%，濃度降至0.23 mg/L；周琦等[10]通過(guò)回流沉淀池污泥中的粉末活性炭，使原水氨氮去除率達(dá)到40%～50%，UV254去除率達(dá)到45%左右，CODMn去除率達(dá)到60%左右；2005年9～11月間，由于密云水庫(kù)嗅味物質(zhì)含量高，北京自來(lái)水集團(tuán)第九水廠采用了在輸水管道中投加粉末炭的方法，有效地去除了異味。

2.2.1.2 化學(xué)預(yù)氧化工藝

化學(xué)預(yù)氧化是利用強(qiáng)氧化劑氧化分解水中污染物，主要去除水中還原性無(wú)機(jī)物、藻類和微生物，并初步降解水中有機(jī)物。常用氧化劑有高錳酸鉀、臭氧、氯氣、二氧化氯等。但由于水中的有機(jī)污染物與氯氣作用，會(huì)生成三致物質(zhì)三鹵甲烷（THMs），而有機(jī)物經(jīng)高錳酸鉀或臭氧氧化，產(chǎn)物中存在堿基置換突變物，經(jīng)氯化后易轉(zhuǎn)變?yōu)橹峦蛔兾?，因此利用這些氧化劑進(jìn)行單獨(dú)氧化，會(huì)降低飲用水的毒理學(xué)安全性。

傅金祥等[11]以臭氧預(yù)氧化，PAC為混凝劑處理白石水庫(kù)微污染水源水，不僅使出水的濁度、高錳酸鹽指數(shù)等大大降低，而且還減少了混凝劑投量，取得了較好效果；員建等[12]以臭氧預(yù)氧化處理低溫低濁度水后直接過(guò)濾，使?jié)岫?、U254和CODMn去除率分別達(dá)到了97%、57%和57%，較直接過(guò)濾分別提高了3.5%、42%和40%。

2.2.1.3 生物預(yù)氧化工藝

生物預(yù)氧化是通過(guò)微生物群體的新陳代謝活動(dòng)降解水中有機(jī)物和氨氮，從而改善后續(xù)混凝沉淀效果。微污染水源水的生物預(yù)氧化一般采用生物膜法，主要采用生物接觸氧化、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤等。嘉興石臼漾水廠二期擴(kuò)建采用生物接觸氧化工藝[13]，預(yù)處理對(duì)濁度、亞硝酸鹽氮、細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群均有30%以上的去除率，對(duì)總Fe 有26%的去除率，對(duì)色度也有5%～8%的去除率。該預(yù)處理池對(duì)改善和提高原水水質(zhì)起到一定的作用。馬曉輝等[14]研究了曝氣生物濾池對(duì)微污染水處理的效果，結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為3.5～8 m3/（m2·h）及氣水比0.7∶1～2∶1的工藝條件下，CODMn和NH3-N、濁度的去除效果均較好。

2.2.2 深度處理工藝

深度處理是在常規(guī)處理工藝之后，增加能去除常規(guī)工藝出水中污染物或消毒副產(chǎn)物前體物的工藝技術(shù)。目前，研究和應(yīng)用較多的深度處理技術(shù)主要有：臭氧氧化、膜分離技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)、光氧化技術(shù)等，以及這些技術(shù)之間的相互結(jié)合的處理方式。

2.2.2.1 臭氧-活性炭技術(shù)

臭氧-活性炭技術(shù)是利用臭氧的氧化性和活性炭的吸附作用，聯(lián)合去除水中大分子有機(jī)物。由于該工藝在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝中微量有機(jī)污染物和消毒副產(chǎn)物殘留的問(wèn)題，故常被稱作第二代凈水工藝。在實(shí)踐運(yùn)行中，通過(guò)在活性炭表面附著微生物，對(duì)提高有機(jī)物的去除率起到了更為積極的作用，從而形成了臭氧-生物活性炭濾池技術(shù)。昆山?jīng)芎铀畯S采用臭氧-活性炭技術(shù)進(jìn)行改造，砂濾池出水經(jīng)臭氧活性炭后NH3-N 和CODMn的去除率比改造前分別提高27.9%和32.8%，同時(shí)出水色度、嗅和味等感官指標(biāo)也有大幅度改善[15]。孟建斌等[16]以廣州東江北干流河水為原水，考察了臭氧-生物活性炭技術(shù)處理微污染水源水的效果，結(jié)果表明該工藝對(duì)COD、NH3-N、NO2--N 和濁度去除率分別達(dá)到55%、80%、85%和95%。

2.2.2.2 膜處理技術(shù)

以微濾、超濾、反滲透和電滲析為代表的膜處理技術(shù)可有效去除水中的細(xì)菌、懸浮顆粒和膠體，甚至金屬離子和溶解性有機(jī)物。其在微污染飲用水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?；谖覈?guó)發(fā)展現(xiàn)狀，超濾由于其操作壓力小，去除膠體直徑小而被廣泛應(yīng)用。張宗耀、康華、田寶義等人分別研究在常規(guī)處理工藝上通過(guò)超濾膜改造處理灤河水，對(duì)水中CODMn、U254、氨氮等的去除取得了良好的效果。

3 結(jié)論

隨著飲用水水源地污染的加劇，以及新的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 5749-2006）的全面實(shí)施，當(dāng)前我國(guó)廣泛采用的給水處理技術(shù)已不能滿足人們對(duì)飲用水質(zhì)量的要求，針對(duì)傳統(tǒng)給水處理的改進(jìn)工藝已迫在眉睫。強(qiáng)化處理僅通過(guò)調(diào)整操作條件，未改變?cè)刑幚砉に嚵鞒蹋茨芨纳瞥鏊|(zhì)；原有工藝基礎(chǔ)上增加預(yù)處理和后處理，也僅在原工藝設(shè)施上增加處理設(shè)施，就能使出水達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，這些處理工藝均充分利用了原處理工藝設(shè)施，具有投資少、見(jiàn)效快的特點(diǎn)。而且改進(jìn)工藝能根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，分期分階段進(jìn)行改造，符合我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀。隨著新的給水處理技術(shù)的發(fā)展，以及給水輸送模式的轉(zhuǎn)變等，一些新的給水處理工藝將被用于保障人們的飲用水安全，為飲用水安全保障體系的構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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