臭氧生物活性炭與膜組合工藝在某水廠深度處理工藝中的應(yīng)用

彭 祥,張 曉,曹 勛,李寅森,丁新春 ,李冬梅

(1.鹽城大豐自來水有限公司,江蘇大豐 224100；2.南京大學(xué)鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院,江蘇鹽城 224000)

鹽城地處淮河下游，飲用水源屬于以氨氮和有機(jī)物污染為主的微污染水源，飲用水源全年大部分時(shí)段可以滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是豐水期由于水源地沿線農(nóng)業(yè)面源的大量入河，耗氧量、氨氮、總磷、溶解氧、鐵及錳等指標(biāo)偏高，超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)處理工藝以去除濁度和細(xì)菌為主，對水中有機(jī)物的去除能力有限[1-2]，在水廠進(jìn)行消毒過程中會產(chǎn)生一些“三致”消毒副產(chǎn)物(DBPs)，如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)等，對人體健康產(chǎn)生危害，并且水中的溶解性有機(jī)污染物(DOM)也會降低管網(wǎng)水質(zhì)生物穩(wěn)定性[3]。

近年我國陸續(xù)將臭氧-生物活性炭工藝應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐[4-6],取得了較好效果。但在該工藝運(yùn)行過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如出水微生物泄漏、藻類及水生動物過度繁殖等問題，成為威脅水安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)[7]。

隨著居民生活水平的提高，對供水水質(zhì)的要求也越來越高，膜處理技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，成為目前國內(nèi)外水處理研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[8-10]。膜處理工藝可以有效去除微量有機(jī)污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物，提高和保證飲用水水質(zhì)的安全。除此之外，還有如下優(yōu)勢：

(1)出水水質(zhì)優(yōu)良(超濾能夠有效去除隱孢子蟲、賈第蟲等傳統(tǒng)工藝不能去除的微生物，納濾可以去除殺蟲劑、除草劑及抗生素等突發(fā)性污染水體)；

(2)膜系統(tǒng)系統(tǒng)場地面積小、建設(shè)周期短；

(3)膜系統(tǒng)自動化程度高；

(4)膜系統(tǒng)工藝流程短，使用靈活。

1 水廠工藝介紹

水廠水源地地處淮河下游，水源水季節(jié)性污染嚴(yán)重，為保證豐水期供水安全，水廠將O3-BAC、膜處理工藝進(jìn)行耦合，水廠工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Water Treatment Plant

其中常規(guī)處理及O3-BAC深度處理工藝規(guī)模為15萬m3/d，超濾為5萬m3/d，納濾為2 000 m3/d。其中超濾、納濾為示范工程，從上一處理單元引入部分水量，出水都匯總至水庫進(jìn)行氯消毒。當(dāng)?shù)乇硭词艿絿?yán)重污染時(shí)，可以考慮采用地下水為水源，按照供水區(qū)域每天每人2 L飲水估算，深井取水設(shè)計(jì)水量定為2 000 m3/d。因此，納濾處理量定為2 000 m3/d，作為應(yīng)急供水的儲備水源。

表1 各工藝單元具體參數(shù)Tab.1 Specific Parameters of Each Process Unit

2 水廠工藝運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 不同水處理工藝對常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的影響

表2 各處理工藝出水常規(guī)指標(biāo)和陰離子平均值Tab.2 Conventional Indexes and Anion Mean Value of Each Process Effluent

由表2和圖2、圖3可知，由原水到最終納濾出水，水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及陰離子指標(biāo)均呈現(xiàn)整體降低趨勢，去除率呈整體上升趨勢，其中納濾工藝對于陰離子指標(biāo)去除效果明顯，納濾出水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)相關(guān)要求。

圖2 各處理工藝對常規(guī)指標(biāo)去除率Fig.2 Removal Rates of Each Process for Conventional Indexes

圖3 各處理工藝對陰離子指標(biāo)去除率Fig.3 Removal Rates of Each Process for Anion Indexes

經(jīng)過常規(guī)處理后，原水中常規(guī)指標(biāo)(濁度、氨氮及CODMn)得到有效去除，濁度由47.9 NTU降至0.44 NTU，氨氮由原來的0.58 mg/L降至0.31 mg/L，CODMn由5.57 mg/L降至3.08 mg/L，去除率分別達(dá)到99.1%、46.6%、44.7%，其中經(jīng)常規(guī)處理工藝后CODMn含量仍高于我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，說明僅僅依靠常規(guī)處理工藝不足以滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過O3-BAC工藝處理之后，污染物得到進(jìn)一步去除，CODMn濃度低于標(biāo)準(zhǔn)限值(3 mg/L)。O3-BAC出水經(jīng)過超濾處理后，水質(zhì)變化不顯著，說明臭氧生物活性炭-超濾組合工藝對污染物的去除集中在臭氧生物活性炭階段，與許航等[11]、竇建軍[12]的研究結(jié)果一致。超濾出水進(jìn)入納濾后，水質(zhì)進(jìn)一步提升，濁度由0.25 NTU降至0.15 NTU，氨氮由0.18 mg/L降至0.03 mg/L，CODMn由1.9 mg/L降至0.65 mg/L，去除率分別達(dá)到99.7%、94.8%、88.3%。納濾出水濁度較高，可能是調(diào)試階段膜工程間歇式運(yùn)行以及采樣的偶然誤差引起的，有待后續(xù)研究進(jìn)一步認(rèn)證。

2.2 不同水處理工藝對消毒出水中消毒副產(chǎn)物的影響

為考察各處理工藝對消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物的去除效果，分別取砂濾、O3-BAC、超濾及納濾出水，測定消毒前各水質(zhì)指標(biāo)，之后加入一定量液氯溶液，保持水中初始余氯量為2.00 mg/L左右，靜置避光放置30 min后，測定消毒后各水質(zhì)指標(biāo)值。

2.2.1 常規(guī)指標(biāo)及余氯變化情況分析

由表3可知，經(jīng)過消毒處理后，各處理工藝出水中余氯濃度、氨氮、CODMn都有所下降，各工藝出水消毒后余氯含量大小依次為砂濾

表3 消毒前后水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及余氯變化情況Tab.3 Water Quality Changes of Conventional Indexes and Residual Chlorine before and after Disinfection

氯易與水體中天然有機(jī)質(zhì)、還原性物質(zhì)以及氨氮發(fā)生反應(yīng)，這是氯在消毒過程中快速衰減的主要原因，相比于O3-BAC、超濾及納濾，砂濾出水含有較高的有機(jī)質(zhì)、氨氮等物質(zhì)，因此砂濾出水中余氯消耗最快，消毒30 min后，余氯含量最低，僅為0.84 mg/L。在消毒過程中，水中氨氮與水中的自由氯反應(yīng)產(chǎn)生化合性余氯氯胺，由于測氨氮未脫氯，導(dǎo)致水中氨氮濃度有所下降。

氯一方面可以將水體中的大分子難降解的有機(jī)物氧化成可降解的小分子有機(jī)物，另一方面可以將小分子有機(jī)物直接氧化成二氧化碳和水，而后者的作用大于前者，這是水體CODMn含量下降的主要原因[14]。

2.2.2 消毒后消毒副產(chǎn)物(DBPs)變化情況

三鹵甲烷(THMs)主要包括三氯甲烷(chloroform)、二氯一溴甲烷(BDCM)、一氯二溴甲烷(DBCM)及三溴甲烷(bromoform)，鹵乙酸(HAAs)主要包括一氯乙酸(MCAA)、一溴乙酸(MBAA)、二溴乙酸(DBAA)、二氯乙酸(DCAA)、三氯乙酸(TCAA)、三溴乙酸(TBAA)、溴氯代乙酸(BCAA)、一溴二氯乙酸(BDCAA)及二溴一氯乙酸(CDBAA)，檢測方法均依照《生活應(yīng)用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB 5750—2006)。

常規(guī)處理、O3-BAC、超濾、納濾四種工藝消毒出水的DBPs(包括THMs及HAAs)含量依次呈現(xiàn)降低趨勢(圖4、圖5)。

圖4 各處理工藝出水消毒后鹵乙酸生成情況Tab.4 Haloacetic Acid Generation of Each Treatment Process Effluent after Disinfection

圖5 各處理工藝出水消毒后三鹵甲烷生成情況Tab.5 THMs Generation of Each Treatment Process Effluent after Disinfection

三鹵甲烷含量分別為36.6、17.8、15.0、2.0 μg/L，鹵乙酸含量分別為356.9、108.4、88.6、50.8 μg/L。經(jīng)過O3-BAC工藝后，消毒出水THMs、HAAs含量分別降低18.8、248.5 μg/L，去除率達(dá)到51.4%、69.6%，說明O3-BAC可以有效降低水中的天然有機(jī)質(zhì)(NOM)含量，從而有效地抑制THMs及HAAs的生成。和O3-BAC相比，超濾出水THMs、HAAs含量僅降低了2.8、37.8 μg/L。經(jīng)納濾工藝后，消毒出水中THMs、HAAs含量進(jìn)一步降低，濃度分別降至2.0、50.8 μg/L。各工藝消毒出水DBPs含量與水體CODMn含量成正相關(guān)關(guān)系，與牛志廣等[3]、陳卓華等[15]研究結(jié)果一致。由此可見，相比于傳統(tǒng)常規(guī)處理工藝，深度處理工藝能夠顯著削減水體天然有機(jī)質(zhì)(NOM)含量，從而有效地降低DBPs的生成風(fēng)險(xiǎn)。

3 各工藝建設(shè)及運(yùn)行成本分析

其中運(yùn)行成本主要包括水費(fèi)、電費(fèi)、藥劑費(fèi)、折舊費(fèi)、膜更換費(fèi)用、人工費(fèi)等。

由表4可知，與超濾膜工藝相比，O3-BAC工藝建設(shè)成本相對較低，僅為207.88 元/t，但運(yùn)行成本相對較高，平均高出0.054元/t；結(jié)合表2及圖3、圖4、圖5，O3-BAC工藝與超濾膜工藝對水質(zhì)指標(biāo)的效果相差較小，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中建議考慮水源水質(zhì)情況，合理選用兩種工藝。納濾膜工藝建設(shè)成本及運(yùn)行成本比超濾膜工藝分別高出2.6倍及2.1倍，相對而言，納濾膜處理工藝對常規(guī)及陰離子水質(zhì)指標(biāo)去除率也提高了20%以上，并且明顯降低了消毒出水DBPs含量。

表4 各工藝建設(shè)及運(yùn)行成本Tab.4 Construction and Operation Costs of Each Process

4 小結(jié)與展望

(2)各處理工藝出水經(jīng)消毒處理后，THMs、HAAs生成量大小依次為常規(guī)處理>O3-BAC>超濾>納濾，其中O3-BAC工藝出水與超濾出水DBPs生成量相差不大，因此建議后期運(yùn)行過程中采用O3-BAC+納濾或超濾+納濾，或兩者并聯(lián)使用，節(jié)約運(yùn)行成本。

(3)相對于O3-BAC、超濾，納濾對飲用水濁度、CODMn、氨氮以及無極陰離子有較好的去除效果，且納濾能更好地抑制飲用水消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，但是其建設(shè)成本和運(yùn)行相對較高，建議各水廠根據(jù)水質(zhì)情況，合理選擇納濾工藝。

(4)考慮到各工藝建設(shè)及運(yùn)行成本，建議根據(jù)原水水質(zhì)情況，合理選用處理工藝，在枯水期水源水質(zhì)較好的情況下，單獨(dú)常規(guī)處理+O3-BAC工藝出水水質(zhì)即可達(dá)到我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，豐水期可聯(lián)合使用O3-BAC工藝+膜處理工藝，保證供水安全。

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