粉末活性炭強(qiáng)化澄清工藝去除水庫原水有機(jī)物的研究

楊金月，楊曉英，鄭 正，何 堅(jiān)

(復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433)

天然有機(jī)物(Natural Organic Matter, NOM)是由多種不同的有機(jī)化合物組成的混合物，主要包括脂肪烴類和芳香族類物質(zhì)，廣泛存在于陸生和水生系統(tǒng)中[1]。飲用水源中的NOM通常會(huì)改變水體的感官性狀，如： 濁度、色度和嗅味等，且其作為細(xì)菌生長(zhǎng)的基質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重影響水質(zhì)[2]。飲用水處理廠(Drinking Water Treatment Plant, DWTP)在加氯消毒滅活病原微生物時(shí)會(huì)與水中天然有機(jī)物反應(yīng)，生成致癌消毒副產(chǎn)物(Disinfection By Products, DBPs)[3-4]，NOM作為DBPs的已知前體，會(huì)增強(qiáng)配水系統(tǒng)的生物活性[5]，同時(shí)也是有毒污染物和微量金屬的潛在轉(zhuǎn)運(yùn)體[6]，對(duì)人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害。此外，NOM數(shù)量和質(zhì)量的變化會(huì)對(duì)水處理工藝的選擇、設(shè)計(jì)和運(yùn)行產(chǎn)生重大影響[7]，在原水中NOM濃度增加時(shí)，供水廠需要提高混凝劑投加量，這將導(dǎo)致生成的污泥量增加[8]，提高了污泥處理成本。研究表明[5]，DWTP中常規(guī)處理工藝對(duì)NOM中小分子量組分的去除效率明顯低于大分子量組分，而小分子量組分會(huì)導(dǎo)致DBPs的形成。隨著人們對(duì)水質(zhì)要求的不斷提高，水中NOM(尤其是小分子量組分)的高效去除技術(shù)已成為目前水處理領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。

為強(qiáng)化有機(jī)物去除效果，國(guó)內(nèi)DWTP一般在常規(guī)工藝(混凝-沉淀/混凝-澄清)后加入深度處理工藝，如臭氧-活性炭、生物過濾、膜分離技術(shù)等。其中，“常規(guī)處理+臭氧活性炭”工藝應(yīng)用范圍較廣，技術(shù)成熟、出水水質(zhì)穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是建筑構(gòu)筑物多、流程較長(zhǎng)、占地面積大且總水頭損失較大，導(dǎo)致運(yùn)行成本較高。生物過濾工藝雖然可有效去除水中的有機(jī)和無機(jī)污染物質(zhì)[9-11]，但處理過程中可能會(huì)釋放大量的含氮消毒副產(chǎn)物的前體物[12-13]，并且該工藝濾料表面富含的大量微生物中可能包括病原微生物[14]。我國(guó)中小城鎮(zhèn)的供水規(guī)模較小，在建筑構(gòu)筑物和相關(guān)配套設(shè)備的投資、占地面積以及運(yùn)行管理等方面存在限制，難以采用深度處理技術(shù)，所以如何降低中小型水廠出水中NOM的含量，提高出廠水的品質(zhì)是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

澄清池是集藥劑混合、反應(yīng)和絮體分離3個(gè)過程于一體的水處理構(gòu)筑物，為混凝劑提供更集中的反應(yīng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)混凝劑的最大化利用(懸浮泥渣層中的絮體除了作為成核點(diǎn)外，還可以有效地捕獲更多的膠體)[15]。澄清工藝中混凝形成的小絮體隨原水在澄清柱中一起向上流動(dòng)，在上升過程由于不斷碰撞導(dǎo)致體積增大，形成體積較大的絮體，增加了絮體層濃度，從而提高了對(duì)顆粒物的截留效率[16]。我國(guó)水利部頒發(fā)的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL 310—2019)中也推薦將澄清工藝作為中小型水廠的水質(zhì)凈化工藝，但目前該工藝存在有機(jī)物去除率較低(一般在50%左右)的問題[17]。粉末活性炭巨大的比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的吸附負(fù)載能力[18]，可以有效去除水體中存在的有機(jī)污染物，尤其是可以顯著提高對(duì)體系中小分子有機(jī)物的去除效果[19]。澄清工藝中懸浮泥渣層有效延長(zhǎng)了絮體在系統(tǒng)內(nèi)的水力停留時(shí)間，可充分發(fā)揮粉末活性炭的吸附作用，而目前關(guān)于澄清工藝與活性炭吸附技術(shù)的聯(lián)用還缺乏系統(tǒng)性的研究。

本文旨在研究澄清工藝處理水庫水的凈化效能，著重分析在添加粉末活性炭進(jìn)行強(qiáng)化處理前后澄清工藝對(duì)水庫原水中有機(jī)物的去除效能，為澄清工藝在中小型水廠的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原水和實(shí)驗(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)于2020年9月—11月在上海某水廠(一期供水量330 000 m3/d)進(jìn)行，該水廠原水取自青草沙水庫型水源地，原水常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)期間原水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Indexes for experimental raw water quality

本實(shí)驗(yàn)的中試裝置為自制混凝裝置(圖1)。

圖1 中試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pilot plant

中試裝置由快速攪拌池(直徑140 mm，高300 mm)、慢速攪拌池(直徑300 mm，高300 mm)、澄清柱(直徑140 mm，高170 cm)構(gòu)成。其中澄清柱共有7個(gè)取樣口，每個(gè)間隔200 mm。試驗(yàn)原水、混凝劑、活性炭分別通過蠕動(dòng)計(jì)量泵1(Longer pump BT-300)和蠕動(dòng)計(jì)量泵2、3(BS-100)投加到快速攪拌池中，在池中快速混合后進(jìn)入慢速攪拌池，兩個(gè)攪拌池均有數(shù)位顯示攪拌器用以控制各自轉(zhuǎn)速。原水在慢速攪拌池充分絮凝反應(yīng)后從底部進(jìn)入澄清柱中。受重力和水流上升推力的雙重影響，絮體在設(shè)定的澄清柱高度處達(dá)到平衡狀態(tài)，并形成一定濃度的絮體層。絮體層的高度通過調(diào)整澄清柱不同高度處取樣口的側(cè)流量進(jìn)行控制。

中試實(shí)驗(yàn)中使用的混凝劑為聚合氯化鋁(PAC，氧化鋁含量為5%)，其最佳添加劑量在小試中事先確定。PAC在各種原水條件下，特別是在pH為堿性條件下[20]均可以保持原始成分。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 最佳混凝參數(shù)的確定

混凝實(shí)驗(yàn)中存在影響混凝效果的多種因素，由于不同因素的參數(shù)范圍較大，本研究首先基于混凝劑投加量、混合強(qiáng)度、混合時(shí)間、絮凝強(qiáng)度以及絮凝時(shí)間這5個(gè)因素設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，開展小試以確定最佳混凝工藝條件。表2列出了基于田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的16組運(yùn)行條件。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)組，均取1.0 L原水置于燒杯中，使用六聯(lián)混凝攪拌儀(ZR4-6)中開展混凝實(shí)驗(yàn)?；炷Y(jié)束后取上層水樣(距液面10 cm)檢測(cè)濁度，通過對(duì)比每個(gè)實(shí)驗(yàn)組的濁度去除率確定各因素的重要性排序和最佳運(yùn)行參數(shù)。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案表Tab.2 Scheme of orthogonal experiment

1.2.2 最佳上升流速的確定

絮體層的穩(wěn)定性由顆粒物的沉降速度和原水的上升流速等因素決定，需嚴(yán)格控制操作條件以防止絮凝層出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況[16]。上升流速是懸浮泥渣澄清系統(tǒng)的重要技術(shù)參數(shù)，較高的上升流速意味著更大的表面負(fù)荷[21]。若上升流速過高，大部分顆粒將被沖走，難以建立穩(wěn)定的絮體層；若上升流速過低，沉積作用會(huì)不可逆地改變絮凝顆粒的性質(zhì)，降低處理效率[22]。

本實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)側(cè)流將泥層控制在同一高度處(1.20 m)，同時(shí)通過調(diào)節(jié)計(jì)量蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速控制進(jìn)水流量，實(shí)現(xiàn)不同的上升流速。在不同上升流速(1.80～5.04 m/h)情景下，分別取測(cè)上層澄清水樣的濁度、CODMn、UV254等指標(biāo)和澄清柱中絮體層“泥渣”的30 min污泥沉降比(Sludge settling Velocity, SV30)、污泥(Suspended Solid, SS)濃度等指標(biāo)，綜合評(píng)判分析工藝的最佳運(yùn)行工況。有研究表明[23]，澄清池在占地面積、處理效果、污泥處置利用效率以及濁度控制等方面都比平流沉淀池表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，為此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了沉淀工藝與澄清工藝處理的對(duì)比試驗(yàn)。

1.2.3 粉末活性炭強(qiáng)化有機(jī)物去除能效的研究

粉末活性炭具有較強(qiáng)的吸附負(fù)載能力[18]，可以顯著提高對(duì)體系中小分子有機(jī)物的去除效果[19]。本研究所使用的粉末活性炭規(guī)格為200目，比重為0.40～0.45，價(jià)格為6 500元/t。

配制1.0 g/L的粉末活性炭溶液，用磁力攪拌器以一定的轉(zhuǎn)速不斷攪拌，使得粉末活性炭溶液濃度均一。調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，將不同投加量(0.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0 mg/L)的粉末活性炭溶液泵入快速混合池中，研究粉末活性炭投加量對(duì)體系處理效果的影響。

目前，在水廠實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，粉末活性炭的停留時(shí)間一般不超過1 h，這可能造成其吸附效能未能充分發(fā)揮[24]。因此本研究進(jìn)一步探究了粉末活性炭投加運(yùn)行時(shí)間對(duì)澄清工藝去除有機(jī)物效能的影響。在投入粉末活性炭后1.0～9.5 h間，每隔30 min取樣測(cè)定，分析粉末活性炭停留時(shí)間對(duì)濁度、有機(jī)物的去除影響。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)中采用的檢測(cè)指標(biāo)與方法如表3所示。分別在原水箱、慢速攪拌池出水口、絮體層上方澄清區(qū)域取樣分析，測(cè)定沉淀0.5 h后水樣的濁度和主要污染因子濃度(CODMn、UV254)等指標(biāo)。另外，絮凝層的體積通量可以有效地評(píng)判澄清過程作為流化床的運(yùn)行狀態(tài)[25]，它表示單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上通過水平截面的顆粒數(shù)，其值為SV30與上升流速的乘積。

表3 檢測(cè)指標(biāo)與方法Tab.3 Index and method of detection

1.3.2 三維熒光分析

利用三維熒光光譜儀(Aqualog, HORIBA)測(cè)量水樣中有機(jī)物的三維熒光光譜(3D-EEM)。三維熒光光譜技術(shù)不會(huì)破壞樣品結(jié)構(gòu)，且具有較高的靈敏度和較好的選擇性[26]，可對(duì)水中存在的有機(jī)物進(jìn)行指紋性特征識(shí)別[27]。

實(shí)驗(yàn)中使用Milli-Q超純水(Millipore, 18.3 Ω·cm)作為空白水樣。三維熒光在1 cm石英熒光比色皿中測(cè)量，利用氘燈作為激發(fā)光源，激發(fā)波長(zhǎng)范圍為240～600 nm，波長(zhǎng)步進(jìn)間隔為2 nm；熒光發(fā)射波長(zhǎng)范圍為210～620 nm，波長(zhǎng)步進(jìn)間隔為1 nm，掃描速度為1 000 nm/min。

1.3.3 有機(jī)物分子量測(cè)定

有機(jī)物的分子量分布不僅可以反映自身特性，而且可為探究水處理工藝中有機(jī)物去除機(jī)理提供依據(jù)[28]。本研究采用切向流過濾系統(tǒng)對(duì)水樣進(jìn)行分子量分級(jí)實(shí)驗(yàn)。將經(jīng)0.45 μm濾膜預(yù)處理的水樣通過一系列對(duì)特定分子量具有截留作用的超濾膜包(30 kDa、10 kDa、5 kDa、3 kDa和1 kDa)，水樣中僅小于該分子量的有機(jī)物質(zhì)可滲透過膜，通過檢測(cè)經(jīng)過不同膜包過濾后水樣的CODMn含量和計(jì)算各級(jí)分子量間有機(jī)物含量的差值估算不同分子量范圍內(nèi)的有機(jī)物含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳混凝參數(shù)的確定

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，根據(jù)極差公式Rz=Kmax-Kmin，分析判斷各因素對(duì)于混凝效果(濁度去除率)的影響程度。式中：Rz表示極差，Kmax表示濁度去除率均值最大值，Kmin表示濁度去除率均值最小值。Rz數(shù)值越大，表示該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)效果影響越大。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal experiment

通過對(duì)比各因素的RZ大小，得到混凝效果影響因素的重要性排序?yàn)椋?混凝劑投加量>絮凝強(qiáng)度>絮凝時(shí)間>混合時(shí)間>混合強(qiáng)度。對(duì)比表4中不同參數(shù)條件下的濁度去除率，可以看出隨著混凝劑投加量逐漸增加，濁度的去除率先升高后下降，這是因?yàn)楫?dāng)混凝劑的用量達(dá)到一定值后，混凝效果達(dá)到最優(yōu)，再增加混凝劑用量則會(huì)發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象[29]，從而導(dǎo)致混凝效果下降。其他因素在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的范圍內(nèi)也存在各自的最優(yōu)解，于是得出以下最佳混凝參數(shù)： 混凝劑投加量為30 mg/L，混合強(qiáng)度為800 s-1，混合時(shí)間為10 s，絮凝強(qiáng)度為20 s-1，絮凝時(shí)間為15 min。

2.2 最佳上升流速的確定

上升流速的變化會(huì)影響絮體在澄清柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和懸浮泥渣層的特性，并最終影響澄清工藝的出水質(zhì)量。從圖2中可以看出，上升流速為2.16～4.68 m/h時(shí)(表面負(fù)荷為2.16～4.68 m3/(m2·h))，沉淀工藝中，濁度去除率在79.80%～88.69%，UV254去除率在46.82%～57.37%，CODMn去除率在39.79%～49.74%；澄清工藝中，濁度去除率在90.83%～94.59%，UV254去除率在48.71%～58.90%，CODMn去除率在45.55%～51.83%。澄清工藝的出水濁度、UV254、CODMn去除率均優(yōu)于沉淀工藝出水，尤其是對(duì)濁度的去除率。一方面可能是因?yàn)槌吻逯行躞w停留時(shí)間長(zhǎng)，使混凝后仍有剩余吸附位點(diǎn)的絮體在絮體層中能夠更加充分的發(fā)揮吸附作用。另一方面，在上升水流的推動(dòng)下，小絮體之間不斷碰撞形成較大絮體，增加了懸浮泥渣層的密度，從而增強(qiáng)了對(duì)顆粒物的截留作用。

圖2 不同上升流速下沉淀工藝和澄清工藝的處理效果Fig.2 Treatment effect by sedimentation and clarification process under different rising velocity

值得注意的是，在較低上升流速(1.80 m/h)和較高上升流速(5.04 m/h)下，澄清工藝的出水效果不如沉淀工藝。這可能是由于較小的上升速度不足以抵消絮凝粒子的末端沉降速度，澄清池底部不再流化，而只是在沉淀的污泥中形成小的流動(dòng)通道，此時(shí)上升流速很可能導(dǎo)致絮體破裂，并產(chǎn)生無法被絮體層有效捕獲的小絮體顆粒；較高的上升流速可能會(huì)大于大多數(shù)絮凝顆粒的沉降速度，導(dǎo)致絮體層界面模糊、顆粒物逃竄，從而降低了出水水質(zhì)，該結(jié)果與Hurst等[30]的研究結(jié)果一致，即較高和較低的上升流速均會(huì)降低絮體層的處理效果。

澄清工藝的上升流速與出水濁度、絮體層濃度以及絮體層通量之間的關(guān)系如圖3所示。利用質(zhì)量通量理論確定上升流速是評(píng)估絮體層穩(wěn)定性和處理性能的關(guān)鍵。隨著上升流速的增加，絮體層濃度不斷降低。澄清出水濁度隨上升流速和絮體層濃度的增加均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)上升流速為3.60 m/h時(shí)，絮體層濃度為0.56 g/L，澄清出水濁度最低，達(dá)到0.37 NTU，遠(yuǎn)低于自來水廠的快速砂濾池的設(shè)計(jì)進(jìn)水濁度(<10 NTU)，因此可顯著降低后續(xù)處理工藝的負(fù)荷。

圖3 上升流速與出水濁度、絮體層濃度以及絮體層通量的關(guān)系Fig.3 The relationship between rising velocity and effluent turbidity, floc layer concentration and floc layer flux

此外，絮體層通量隨上升流速的增加先升高后降低，并在3.60 m/h時(shí)達(dá)到最大通量值(61.20 %m/h)。Wilson等[31]根據(jù)試點(diǎn)工廠的測(cè)試和操作經(jīng)驗(yàn)得出，在絮體層通量最大時(shí)，絮體層操作性能最佳，處理效率最高。因此，當(dāng)上升流速為3.60 m/h時(shí)，澄清工藝的處理效率與處理效果均達(dá)到最佳。

2.3 粉末活性炭強(qiáng)化沉淀工藝和澄清工藝對(duì)污染物的去除性能

已有研究證明，吸附和混凝處理相結(jié)合可以有效提高小分子量溶解性有機(jī)物(DOM)[32]以及僅通過混凝無法有效去除的微污染物的去除率[19,33]，故為進(jìn)一步提高工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果，在上述實(shí)驗(yàn)得到的最佳工況下將粉末活性炭分別投加到沉淀和澄清工藝中，比較兩者對(duì)污染物的去除效能。

2.3.1 粉末活性炭投加量對(duì)污染物去除性能的影響

圖4比較了粉末活性炭投加量不同對(duì)沉淀和澄清處理單元去除污染物效果的影響。由圖4(a)可看出，隨著粉末活性炭投加量的增加，沉淀和澄清處理對(duì)原水濁度的去除效果無顯著提升，均在90%左右。在投加量為15.0 mg/L時(shí)，濁度去除率最高，達(dá)95.28%。圖4(b、c)的結(jié)果表明，投加粉末活性炭后，沉淀和澄清工藝對(duì)CODMn和UV254的去除率均有顯著提升。其中，沉淀和澄清工藝對(duì)CODMn的去除率分別從48.09%、51.00%提高到61.03%、63.00%；對(duì)UV254的去除率分別從49.63%、52.10%提高到79.90%、88.69%。在澄清工藝中，粉末活性炭的最佳投加量為15.0 mg/L，繼續(xù)增加粉末活性炭投加量對(duì)有機(jī)物的去除率無明顯提升，這可能是由于過量投加粉末活性炭會(huì)占據(jù)絮體對(duì)有機(jī)物的有效吸附位點(diǎn)。

圖4 粉末活性炭投加量對(duì)沉淀工藝和澄清工藝處理效果的影響Fig.4 Effect of the dosage of powdered activated carbon on the treatment effect sedimentation and clarification process

綜合圖4結(jié)果可得，粉末活性炭吸附-沉淀工藝處理效果不及粉末活性炭吸附-澄清工藝處理，這歸因于澄清工藝中可以增加粉末活性炭在絮體層中的停留時(shí)間，更好地發(fā)揮其吸附性能；此外，澄清工藝中一定的上升水流也可增加顆粒物與絮體層中粉末活性炭的有效碰撞幾率，提高了粉末活性炭的利用效率，充分發(fā)揮其吸附性能。

2.3.2 粉末活性炭投加量對(duì)絮體層濃度和絮體層通量的影響

為考察投加粉末活性炭是否會(huì)對(duì)澄清工藝中絮體層的特性產(chǎn)生影響，研究了不同投加量下絮體層濃度和絮體層通量的變化(圖5)，可以看出隨著投加量的增加，絮體層濃度逐漸增加，從投加前的0.560 g/L增加到0.605 g/L，濃度增加較少，這可能是因?yàn)榉勰┗钚蕴勘旧肀戎剌^小，故投加到絮體層中引起單位體積絮體質(zhì)量的變化較小。絮體層通量隨粉末活性炭投加量增加整體呈下降趨勢(shì)，但投加10.0 mg/L和15.0 mg/L的粉末活性炭較投加前絮體層通量都沒有發(fā)生改變，即該投加量不會(huì)影響絮體層的處理效率。綜上可知粉末活性炭的投加對(duì)絮體層本身性質(zhì)的影響較小，再結(jié)合2.3.1節(jié)的討論可知粉末活性炭主要是通過自身對(duì)污染物的吸附作用來加強(qiáng)絮體層的處理性能。

圖5 粉末活性炭投加量對(duì)絮體層濃度和絮體層通量的影響Fig.5 Effect of powdered activated carbon dosage on floc layer concentration and floc layer flux

2.3.3 粉末活性炭停留時(shí)間對(duì)污染物去除性能的影響

圖6比較了粉末活性炭停留時(shí)間對(duì)沉淀和澄清處理單元去除污染物效果的影響。由圖可知，粉末活性炭停留時(shí)間對(duì)沉淀和澄清出水的濁度無顯著影響，兩種處理工藝在1.0 h內(nèi)對(duì)顆粒物的去除率均可達(dá)到90%以上。對(duì)UV254的去除，隨著停留時(shí)間的增加，兩種工藝的去除率均有所上升，并在4.0 h時(shí)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)，此時(shí)澄清工藝對(duì)UV254去除率可達(dá)到93.55%。在8.5 h，對(duì)UV254的去除率開始下降，此時(shí)可能出現(xiàn)粉末活性炭解吸附現(xiàn)象?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果，建議粉末活性炭吸附-澄清一體化工藝的適宜排泥時(shí)間范圍為4.0～7.5 h。此外，由圖6(b)可知，粉末活性炭吸附-澄清工藝相對(duì)于粉末活性炭吸附-沉淀工藝可顯著提高系統(tǒng)對(duì)CODMn的去除率。

圖6 運(yùn)行時(shí)間對(duì)粉末活性炭強(qiáng)化沉淀工藝和澄清工藝處理效果的影響Fig.6 Effect of running time on treatment effect of sedimentation and clarification process enhanced with powdered activated carbon

2.4 有機(jī)物去除性能分析

2.4.1 不同組分有機(jī)物的去除性能分析

圖7(第360頁)為原水及經(jīng)4種工藝處理后出水的三維熒光光譜圖。由圖可看出原水具有4個(gè)明顯的熒光峰，其中熒光峰A代表類富里酸物質(zhì)，熒光峰B代表腐殖酸類物質(zhì)，熒光峰C代表芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ類物質(zhì)，熒光峰D代表溶解性微生物產(chǎn)物類物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、多肽和氨基酸類物質(zhì)。

圖7 各個(gè)工藝下有機(jī)物去除的三維熒光光譜圖Fig.7 Three-dimensional fluorescence spectra of organic matter removal under each process

在經(jīng)過沉淀處理后，峰A、B、C的強(qiáng)度明顯減弱，峰D的強(qiáng)度有所減弱但不明顯，說明沉淀去除了大部分的富里酸、腐殖酸以及芳香族蛋白質(zhì)類物質(zhì)，但對(duì)于溶解性產(chǎn)物類物質(zhì)去除效果不明顯。經(jīng)過澄清處理后，峰D的強(qiáng)度有所降低，峰A、B、C的強(qiáng)度變化不大，說明澄清處理可進(jìn)一步去除部分溶解性產(chǎn)物類物質(zhì)，但對(duì)小分子有機(jī)物的去除效果有待提升。

當(dāng)在系統(tǒng)中投加15.0 mg/L粉末活性炭時(shí)，在沉淀工藝和澄清工藝的出水中峰D均完全消失，峰A、B、C的強(qiáng)度也大大減弱，在澄清后峰B也完全消失。因此，在沉淀工藝和澄清工藝中投加粉末活性炭后，兩種工藝出水的三維熒光光譜圖均發(fā)生較大變化，尤其是粉末活性炭吸附-澄清工藝，水中一些溶解性微生物產(chǎn)物類、芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ類物質(zhì)的去除效果均得到了顯著提升，即粉末活性炭吸附-澄清工藝可有效去除深度處理工藝的兩類首要去除對(duì)象[34]。

2.4.2 不同分子量有機(jī)物的去除性能分析

有機(jī)物的分子量分布特性可影響不同工藝對(duì)其的去除效果[28]，在水庫水中的天然有機(jī)污染物的分子量主要集中在3 kDa以下。圖8(a，b)(見第361頁)給出了原水、沉淀和澄清工藝出水有機(jī)物(CODMn)的分子量分布，可以看出原水中小分子(小于3 kDa)占比最多，達(dá)到59%，其中小于1 kDa的有機(jī)物為主要組成部分。沉淀和澄清工藝對(duì)大于3 kDa的有機(jī)物的去除率分別為58.89%和70%(圖8(a))，對(duì)小于3 kDa的有機(jī)物的去除率僅為30.71%和38.80%(圖8(b))，Ho等[35]的研究結(jié)果也表明，混凝劑對(duì)小分子有機(jī)物的去除效果較差。這可能是因?yàn)檫@部分有機(jī)物在水中呈現(xiàn)為溶解態(tài)，混凝劑對(duì)其去除效果不佳[36]。從圖8 (d)可得， 粉末活性炭吸附-沉淀工藝和粉末活性炭吸附-澄清工藝對(duì)大分子有機(jī)物(>3 kDa)的去除率分別為70.22%和76.22%，分別比沉淀工藝和澄清工藝提升了11.33%和6.22%；對(duì)小分子有機(jī)物(<3 kDa)的去除率分別為57.09%和57.87%，較沉淀工藝和澄清工藝分別提升了26.38%和19.07%。

圖8 不同工藝對(duì)各個(gè)分子量的有機(jī)污染物的去除效果和對(duì)應(yīng)分子量區(qū)間物質(zhì)的占比Fig.8 Removal effect of organic pollutants with different molecular weights by different processes and the proportion of substances in the corresponding molecular weight interval

添加了粉末活性炭后的兩種工藝，對(duì)小分子有機(jī)物去除率提升的效果優(yōu)于對(duì)大分子有機(jī)物的，這主要是由于原水中分子量大于3 kDa的有機(jī)物可在混凝過程中形成礬花從而被去除，但分子量小于3 kDa的部分較難通過混凝去除，而粉末活性炭對(duì)這部分有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附作用[32,37]，可以看出混凝和粉末活性炭吸附對(duì)有機(jī)物的去除存在協(xié)同作用，這與文獻(xiàn)[35]和[38]的研究結(jié)果一致。由于消毒副產(chǎn)物前體物主要是分子量小于3 kDa的有機(jī)物[39]，因此推測(cè)粉末活性炭吸附-澄清工藝也可對(duì)消毒副產(chǎn)物起到較好的控制效果[40-41]。

3 結(jié)論及展望

本文確定了澄清工藝絮體層形成的最佳條件，并比較了澄清工藝在添加粉末活性炭強(qiáng)化處理前后對(duì)水庫原水中有機(jī)物的去除效能，得到如下結(jié)論：

1) 上升流速對(duì)絮體層的形成以及處理效果具有顯著影響。當(dāng)上升流速為3.60 m/h時(shí)，懸浮泥渣澄清工藝的絮體層達(dá)到最大通量值(61.20% m/h)，此時(shí)，澄清出水濁度最低，為0.37 NTU。與中等上升流速(2.16～4.68 m/h)相比，在較低上升流速(1.80 m/h)和較高上升流速(5.04 m/h)下，澄清出水水質(zhì)效果低于沉淀出水。

2) 在澄清工藝最佳工況下投加粉末活性炭可顯著提高工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果，同時(shí)發(fā)現(xiàn)粉末活性炭的投加對(duì)絮體層特性不會(huì)產(chǎn)生較大影響。當(dāng)投加量為15.0 mg/L時(shí)，活性炭吸附-澄清工藝對(duì)CODMn和UV254的去除率提升的效果最優(yōu)，比澄清工藝分別提高了30.77%和12.85%，并且該工藝能夠有效提升對(duì)分子量小于3 kDa的有機(jī)物的去除效果，去除率為57.87%，較澄清工藝提升了19.07%。此外，粉末活性炭吸附-澄清工藝對(duì)溶解性微生物產(chǎn)物類和芳香族蛋白質(zhì)Ⅱ類物質(zhì)的去除效果均得到了顯著提升。

粉末活性炭吸附-澄清工藝流程簡(jiǎn)單、處理效果良好，為常規(guī)水處理工藝的出水水質(zhì)提升提供了新的技術(shù)方案和理論依據(jù)，該工藝在中小型自來水廠具有廣泛的應(yīng)用前景。

1) 本研究沒有涉及工藝對(duì)某一特定污染物的去除，后續(xù)需要進(jìn)一步探究粉末活性炭強(qiáng)化澄清工藝對(duì)微污染原水中具體某種有機(jī)污染物(如抗生素等)的處理效能并闡明相關(guān)機(jī)理。

2) 投加粉末活性炭可以強(qiáng)化澄清工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果，但該吸附材料成本較高，后續(xù)研究可以進(jìn)一步探討和對(duì)比低成本吸附劑如黏土類物質(zhì)的投加對(duì)澄清工藝處理性能的影響，為資金受限的中小型水廠尋求更為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案。