一種小型水庫(kù)自潔凈化裝置及中試效果

毛 維,彭 雪

(軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100036)

當(dāng)前，隨著我國(guó)綜合實(shí)力的增強(qiáng)，越來(lái)越多的國(guó)防建設(shè)及重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目在野外開(kāi)展，人員飲水安全是關(guān)系到項(xiàng)目能否順利實(shí)施的關(guān)鍵之一。盡管野外有不少可供飲用的天然水源，但是這些天然水源水長(zhǎng)期靜態(tài)，其自身?xiàng)l件及規(guī)模有限，很難形成具有自潔功能的生態(tài)系統(tǒng)[1]，若沒(méi)有殺菌裝置及試劑，微生物總數(shù)(菌落總數(shù))會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致水質(zhì)變差；其次，長(zhǎng)期靜態(tài)存放后，水中浮游生物的數(shù)量也會(huì)不斷增加[2]，空氣中的灰塵顆粒也會(huì)不斷沉積到水中，而水中浮游生物的種類(lèi)數(shù)量及顆粒物是影響水體濁度和色度的主要因素，浮游生物、有機(jī)物增多會(huì)引起水的色度和濁度變差[3]；第三，水中溶解氧與水溫、氣壓、風(fēng)力等因素有關(guān)，同時(shí)水中有機(jī)物會(huì)消耗溶解氧，有機(jī)物含量越高，耗氧越多；第四，由于靜態(tài)水長(zhǎng)期存放，空氣中的顆粒物會(huì)不斷沉積到水中，可能會(huì)引起電導(dǎo)率及TDS的變化[4]。因此，野外靜態(tài)水源經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期存放后，菌落總數(shù)、色度、濁度、溶解氧、TDS、電導(dǎo)率等參數(shù)隨著存放時(shí)間及存放環(huán)境的不同可能會(huì)發(fā)生一定的改變。如何保障部隊(duì)軍營(yíng)指戰(zhàn)員、野外施工作業(yè)人員的飲用水安全是目前急需解決的難題。

目前，地表水處理絕大多數(shù)采用的是常規(guī)工藝，包括加藥、混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒等步驟[5]，而常規(guī)工藝對(duì)部分有機(jī)微污染物、無(wú)機(jī)微污染物及富營(yíng)養(yǎng)水處理效果不盡如人意。特殊條件下，根據(jù)地表水典型水質(zhì)，采用以常規(guī)工藝為基礎(chǔ)，以預(yù)處理技術(shù)、深度處理技術(shù)、膜技術(shù)為補(bǔ)充的組合工藝[6]，形成地表水典型水質(zhì)處理技術(shù)。其中，預(yù)處理工藝主要包括顆?；钚蕴款A(yù)吸附工藝[7]、化學(xué)預(yù)氧化工藝和生物預(yù)氧化工藝；深度處理工藝主要包括活性炭吸附過(guò)濾工藝、臭氧生物活性炭過(guò)濾工藝；膜技術(shù)主要指超濾膜[8]和反滲透膜工藝。

盡管常規(guī)工藝與預(yù)處理技術(shù)、深度處理技術(shù)、膜技術(shù)等相結(jié)合的方法能夠解決地表水水質(zhì)存在的部分問(wèn)題[9]，然而考慮到野外飲用水處理的實(shí)際工作環(huán)境，這些方法還有著各自的不足之處，如處理后水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、處理過(guò)程中需要添加化學(xué)藥劑、水處理裝置復(fù)雜、需要經(jīng)常更換活性炭等一次性濾芯等，這些都不適合野外飲用水處理的實(shí)際場(chǎng)景。盡管，目前膜技術(shù)在水處理方面應(yīng)用較多[10]，然而其存在容易發(fā)生堵塞、使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水及運(yùn)行成本高等不足。

本文基于對(duì)我國(guó)現(xiàn)有野外水庫(kù)自潔設(shè)備市場(chǎng)的調(diào)研和需求分析，重點(diǎn)進(jìn)行野外水庫(kù)自潔處置設(shè)備的整體綜合評(píng)價(jià)研究，完成對(duì)現(xiàn)有水處理技術(shù)體系的梳理，充分考慮到野外水庫(kù)自潔水處理裝置的實(shí)際使用環(huán)境，開(kāi)發(fā)了一種小型機(jī)動(dòng)水庫(kù)自潔凈化裝置，對(duì)水庫(kù)自潔設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程、效果進(jìn)行科學(xué)研究，為野外水庫(kù)自潔凈化設(shè)備的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與方法

靜態(tài)水庫(kù)中的水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期存放后，菌落總數(shù)、色度、濁度、溶解氧、TDS、電導(dǎo)率等參數(shù)隨著存放時(shí)間及存放環(huán)境的不同可能會(huì)發(fā)生一定的改變。充分考慮到野外水處理裝置的實(shí)際使用環(huán)境，本文提出了一種可機(jī)動(dòng)的小型水庫(kù)自潔凈化系統(tǒng)，主要包含兩個(gè)部分，分別為水庫(kù)循環(huán)處理(一級(jí)裝置)及飲用水凈化裝置(二級(jí)裝置)。一級(jí)裝置主要是為了初步凈化并保持天然原水的水質(zhì)，避免其因長(zhǎng)期存放導(dǎo)致菌落總數(shù)、色度、濁度等水質(zhì)參數(shù)持續(xù)變差。一級(jí)裝置的處理能力為400～500 L/h，采用電絮凝(電極材料為鋁，電流密度為4～8 A/dm2)和陶瓷凈化器(孔徑為0.1 μm)工藝；二級(jí)裝置進(jìn)一步凈化水質(zhì)，使其達(dá)到飲用水的要求，二級(jí)裝置的處理能力為280～350 L/h，采用陶瓷碳纖維凈化器(孔徑為1～2 μm)。在野外選擇天然水源水作為待凈化處理的原水，一般會(huì)選擇水質(zhì)狀況較好的水源；本文為了檢驗(yàn)所研發(fā)小型機(jī)動(dòng)水庫(kù)凈化裝置的處理效果，特意選擇了水質(zhì)情況較差的合肥某校園景觀池塘水作為待處理原水。

一級(jí)裝置(水庫(kù)循環(huán)部分)先利用水泵從水庫(kù)取水，原水先進(jìn)入微電絮凝器進(jìn)行處理；隨后進(jìn)入陶瓷凈化器，陶瓷凈化器利用其微孔過(guò)濾特性將水凈化；然后水進(jìn)入殺菌裝置，在殺菌裝置對(duì)水中菌類(lèi)進(jìn)行處理后，進(jìn)入充氧器；在充氧器處理后，水最終進(jìn)入儲(chǔ)水箱。一級(jí)裝置系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1一級(jí)處理裝置處理流程圖
Fig.1 Flow Chart of Treatment

二級(jí)裝置(飲用水部分)將一級(jí)裝置處理后的水作為原水，原水經(jīng)水泵提取后進(jìn)入陶瓷碳纖維凈化器處理，后進(jìn)入殺菌裝置處理，最后進(jìn)入儲(chǔ)水箱待用。二級(jí)裝置系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示。

圖2二級(jí)處理裝置處理流程圖
Fig.2 Flow Chart of Secondary Treatment

1.2 試驗(yàn)材料及水庫(kù)原水水質(zhì)

試驗(yàn)所用試劑包括硫酸肼、環(huán)六亞甲基四胺、氯鉑酸鉀、氯化鈷、濃硫酸、草酸鈷、高錳酸鉀、碳酸鈉、氯化鉀、苯二甲酸氫鉀等常規(guī)藥劑。

一級(jí)裝置待處理的水庫(kù)原水取自合肥市某校園景觀池塘，水質(zhì)情況及出水標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)情況及出水標(biāo)準(zhǔn)

1.3 分析方法

菌落總數(shù)采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法微生物指標(biāo)》(GB/T 5750.12—2006)中的1.1標(biāo)準(zhǔn)條款進(jìn)行測(cè)定，使用的儀器包括電熱恒溫培養(yǎng)箱等；濁度采用HACH公司的2100Q濁度計(jì)測(cè)定；pH采用HACH公司的便攜式pH測(cè)定儀測(cè)定；總磷采用IL500總磷自動(dòng)分析儀測(cè)定；色度采用鉑鈷比色法測(cè)定；溶解氧采用HACH公司的LDO溶解氧檢測(cè)儀測(cè)定；電導(dǎo)率和TDS采用上海雷磁DDBJ-350便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)定；COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定[11]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 一級(jí)裝置處理效果

利用一級(jí)裝置對(duì)原水進(jìn)行連續(xù)9 d凈化處理試驗(yàn)。一級(jí)裝置的實(shí)際處理能力為400 L/h，對(duì)該一級(jí)裝置處理前后的水質(zhì)參數(shù)，如pH、電導(dǎo)率、TDS、溫度、色度、濁度、溶解氧、菌落總數(shù)、流量、壓力等進(jìn)行匯總對(duì)比分析，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 一級(jí)處理前后的水質(zhì)變壓情況 (a)pH;(b)電導(dǎo)率;(c)TDS;(d)溫度;(e)色度;(f)濁度Fig.3 Variation of Water Quality before and after Primary Treatment(a)pH Value;(b)Conductivity;(c)TDS;(d)Temperature;(e)Chroma;(f)Turbidity

圖4 一級(jí)處理前后的水質(zhì)變化情況 (a)溶解氧；(b)菌落總數(shù)Fig.4 Variation of Water Quality before and after Primary Treatment (a)Do;(b)Total Colony Count

圖5 一級(jí)處理過(guò)程中的試驗(yàn)條件變化情況 (a)流量；(b)壓力Fig.5 Variation of Test Conditions during Primary Treatment Process (a)Flow Rate;(b)Pressure

由圖3(a)可知，一級(jí)裝置處理后水的pH變化很小，連續(xù)9 d的出水pH值都比較平穩(wěn)，均在8.0附近，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。由圖3(b)可知，雖經(jīng)一級(jí)裝置處理后水的電導(dǎo)率有略微波動(dòng)，但總體來(lái)看變化很小，連續(xù)9 d出水的電導(dǎo)率比較穩(wěn)定，維持在210 μS/cm上下。圖3(c)表明經(jīng)一級(jí)裝置處理后水的TDS變化不大，基本跟原水接近，連續(xù)9 d的TDS基本穩(wěn)定，與電導(dǎo)率曲線比較吻合，且TDS滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由圖3(d)可知，一級(jí)裝置處理前后水溫幾乎沒(méi)有變化，出水溫度和原水溫度基本一致。由圖3(e)及圖3(f)可知，經(jīng)一級(jí)裝置處理后，水的色度及濁度均有顯著下降，且出水的色度、濁度均比較穩(wěn)定，在國(guó)標(biāo)范圍之內(nèi)，說(shuō)明該裝置對(duì)原水濁度、色度的去除效果比較明顯。

由圖4(a)可知，經(jīng)一級(jí)裝置處理后，出水的溶解氧要略高于原水，且出水溶解氧比較穩(wěn)定，在7.2 mg/L上下波動(dòng)。由圖4(b)可知，經(jīng)過(guò)一級(jí)裝置處理，水中的菌落總數(shù)有了大幅度降低，從500 CFU/mL左右降至250 CFU/mL，降幅接近一半。

圖5(a)顯示一級(jí)處理裝置在連續(xù)9 d的試驗(yàn)中均保持著相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)水壓力。圖5(b)顯示出水流量基本保持在400 L/h左右。由此說(shuō)明，設(shè)備在處理水質(zhì)條件相對(duì)較差的原水時(shí)，連續(xù)運(yùn)行性能也是比較穩(wěn)定可靠的。

2.2 二級(jí)裝置處理效果

二級(jí)裝置以一級(jí)裝置處理后的水為待處理原水。對(duì)比分析二級(jí)裝置處理后的水質(zhì)參數(shù)，如pH、電導(dǎo)率、TDS、溫度、色度、濁度、溶解氧、菌落總數(shù)、流量、壓力等，結(jié)果如圖6～圖8所示。

由圖6(a)可知，二級(jí)裝置處理前后水的pH變化不大，連續(xù)9 d出水的pH值都比較平穩(wěn)，均在7.9附近，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由圖6(b)可知，二級(jí)裝置處理前后水的電導(dǎo)率略有波動(dòng)，但總體變化很小，連續(xù)9 d出水的電導(dǎo)率比較穩(wěn)定，維持在210 μS/cm上下。圖6(c)表明經(jīng)二級(jí)裝置處理后水的TDS變化不大，保持在100 mg/L左右，基本跟原水一致，連續(xù)9 d的TDS基本穩(wěn)定，與電導(dǎo)率曲線比較吻合，且TDS在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。由圖6(d)可知，二級(jí)裝置處理后水的溫度幾乎沒(méi)有變化，出水溫度和二級(jí)處理進(jìn)水溫度基本一致。由圖6(e)及圖6(f)可知，經(jīng)二級(jí)裝置處理后，水的色度及濁度在原有一級(jí)裝置處理的基礎(chǔ)上均進(jìn)一步顯著下降。色度約為二級(jí)裝置進(jìn)水的50%左右，濁度約為二級(jí)裝置進(jìn)水的30%左右，且出水的色度、濁度都比較穩(wěn)定，在國(guó)標(biāo)規(guī)定的范圍之內(nèi)，說(shuō)明該二級(jí)裝置對(duì)降低水的濁度、色度的效果同樣比較明顯。

由圖7(a)可知，經(jīng)二級(jí)裝置處理后，出水的溶解氧與二級(jí)進(jìn)水基本保持一致，且出水溶解氧比較穩(wěn)定，在7.2～7.5 mg/L上下波動(dòng)。由7(b)可知，水中的菌落總數(shù)進(jìn)一步大幅度降低，從250 CFU/mL左右降至100 CFU/mL，降幅接近60%。

圖8(a)顯示二級(jí)處理裝置在連續(xù)9 d的試驗(yàn)中同樣保持了相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)水壓力。圖8(b)顯示出水流量基本保持在280 L/h左右。由此說(shuō)明，二級(jí)裝置的連續(xù)運(yùn)行性能也是比較穩(wěn)定可靠的。

圖6 二級(jí)處理前后的水質(zhì)變化情況 (a)pH;(b)電導(dǎo)率;(c)TDS;(d)溫度;(e)色度；(f)濁度Fig.6 Variation of Water Quality before and after Secondary Treatment(a)pH Value;(b)Conductivity;(c)TDS;(d)Temperature;(e)Chroma;(f)Turbidity

圖7 二級(jí)處理前后的水質(zhì)變化情況 (a)溶解氧；(b)菌落總數(shù)Fig.7 Variation of Water Quality before and after Secondary Treatment (a)DO;(b)Total Colony Count

圖8 一級(jí)處理過(guò)程中的試驗(yàn)條件變化情況 (a)流量；(b)壓力Fig.8 Variation of Test Conditions during Primary Treatment Process (a)Flow Rate;(b)Pressue

綜上所述，該二級(jí)裝置作為該小型機(jī)動(dòng)水庫(kù)自潔裝置的飲用水處理單元，處理后水的色度、濁度、菌落總數(shù)、pH、電導(dǎo)率、TDS等水質(zhì)參數(shù)能達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，其中菌落總數(shù)略微高于集中式供水出廠限值，但是遠(yuǎn)低于小型集中式供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 CODCr總磷處理效果

由于該小型水庫(kù)自潔凈化設(shè)備中的一級(jí)裝置主要是為了初步凈化并保持天然原水的水質(zhì)，避免因長(zhǎng)期存放導(dǎo)致菌落總數(shù)、色度、濁度等水質(zhì)參數(shù)持續(xù)變差。

因此，本文除研究一級(jí)裝置對(duì)菌落總數(shù)、色度、濁度等水質(zhì)參數(shù)的處理效果外，還研究了一級(jí)裝置對(duì)CODCr、總磷的處理效果。

利用一級(jí)裝置進(jìn)行水處理試驗(yàn)，詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 一級(jí)裝置對(duì)CODCr及總磷的處理效果

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，該一級(jí)處理裝置除可以有效降低原水的色度、濁度、菌落總數(shù)外，還可以有效去除原水中總磷、CODCr等污染物，總磷從0.60 mg/L降到0.23 mg/L，CODCr從4.80 mg/L降到2.10 mg/L。處理后水中的總磷、CODCr含量均顯著降低。

3 結(jié)論

水庫(kù)自潔凈化系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)連續(xù)多天運(yùn)行試驗(yàn)，裝置運(yùn)行正常，出水流量穩(wěn)定，水質(zhì)得到明顯改善。原水水質(zhì)狀況較差的池塘水，經(jīng)過(guò)一級(jí)裝置(水庫(kù)循環(huán)部分)處理后，水溫幾乎保持不變，pH、電導(dǎo)率、TDS有微小變化，色度、濁度、總磷、CODCr、氨氮及菌落總數(shù)均有明顯下降。以一級(jí)裝置處理后的水為待處理水，經(jīng)過(guò)二級(jí)裝置(飲用水部分)的進(jìn)一步處理后，水溫幾乎沒(méi)有變化，pH、電導(dǎo)率、TDS略有微小變化，色度、濁度及菌落總數(shù)則進(jìn)一步顯著下降，pH、電導(dǎo)率、TDS、色度、濁度及菌落總數(shù)等參數(shù)均在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的范圍之內(nèi)。

因此，該水庫(kù)自潔凈化系統(tǒng)樣機(jī)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，一級(jí)裝置(水庫(kù)循環(huán)部分)能夠明顯提升水質(zhì)較差的原水水質(zhì)，二級(jí)裝置(飲用水凈化部分)能在一級(jí)裝置處理的基礎(chǔ)上，對(duì)水作進(jìn)一步凈化處理，使得出水符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，以滿(mǎn)足部隊(duì)軍營(yíng)指戰(zhàn)員、野外施工作業(yè)人員的飲用水安全需求。

野外水庫(kù)自潔設(shè)備的研究工作在我國(guó)才剛剛起步，適于野外作業(yè)的水庫(kù)自潔凈化系統(tǒng)作為一種在特殊條件下工作的綜合水凈化系統(tǒng)，因其工作環(huán)境復(fù)雜多變，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)功能還需要在實(shí)踐中繼續(xù)完善，實(shí)用性與普適性還有待提高。

[1]陶曉東,嚴(yán)志程,崔勇.濱海平原水庫(kù)的主要水環(huán)境問(wèn)題及對(duì)策分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2012(4):17-18,53.

[2]張俊山,嚴(yán)愛(ài)東.寒冷地區(qū)水庫(kù)水凈化技術(shù)研究與探討[J].北方環(huán)境,2000(1):39-40.

[3]張曉燕.張?jiān)?傅建彬.淺析平原地區(qū)小型供水水庫(kù)水質(zhì)改善技術(shù)[J].上海水務(wù),2015,31(2):81-84.

[4]張博庭.大型水庫(kù)的水質(zhì)凈化作用[J].中國(guó)能源,2012(7):96-97.

[5]李樹(shù)苑,楊文進(jìn),張懷宇,等.微污染水庫(kù)水處理工藝研究[J].給水排水,2005,31(8):26-29.

[6]盧兆曾.強(qiáng)化常規(guī)工藝凈化處理受污染水庫(kù)水技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[7]桂萍,程小文,蔣艷靈,等.引黃水庫(kù)水源系統(tǒng)水質(zhì)改善技術(shù)研究與示范[J].給水排水,2012,38(11):19-26.

[8]夏圣驥,李圭白,彭劍鋒.超濾膜凈化水庫(kù)水試驗(yàn)研究[J].膜科學(xué)與技術(shù),2006,26(2):56-59.

[9]左銳,尹芝華,孟利,等.保障飲用水安全的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析[J].科技導(dǎo)報(bào),2017,35(5):54-58.

[10]吳禮光,趙海洋,張林.膜技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國(guó)工程科學(xué),2014,16(7):106-112.

[11]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].4版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.