炭砂濾柱應(yīng)對突發(fā)水源污染的運(yùn)行效果

張曉娜 王蘇女 何嘉莉 巢 猛

（東莞市水務(wù)集團(tuán)供水有限公司，廣東東莞 523112）

水源水污染日益嚴(yán)重，人們對飲用水的要求越來越高，因此，如何提高飲用水水質(zhì)備受關(guān)注。常規(guī)處理工藝主要功能是去除濁度和殺菌，對水體中有機(jī)物和氨氮的去除能力有限。炭砂濾柱作為雙層濾料濾柱，上層活性炭通過物理吸附和生物降解作用提高對有機(jī)物的去除效果，下層砂濾料可以進(jìn)一步控制濁度，可以在保證對濁度去除的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對有機(jī)物和氨氮等污染物的去除[1～3]。本研究通過搭建炭砂濾柱試驗平臺，開展炭砂濾柱應(yīng)對排澇期、高藻期等應(yīng)急突發(fā)污染水源的研究，綜合評估炭砂濾柱應(yīng)對突發(fā)污染水源水的能力，為老舊水廠工藝升級改造及新建水廠工藝選型提供參考。

1.試驗部分

1.1 平臺搭建

濾柱裝置：濾柱管為不透明PVC水管，濾柱內(nèi)徑為0.042m，高0.8m，手工制作成。炭砂濾柱濾料填充從下到上依次為粗砂、石英砂和活性炭，承托層粗砂粒徑為2～4mm，厚度為50mm，石英砂層為均質(zhì)石英砂，有效粒徑d10=0.89mm，K80=1.58，厚度為100mm，活性炭層顆?；钚蕴亢穸葹?00mm，有效粒徑d10=0.42，K80=2.57，碘吸附值77.44mg/g，亞甲基藍(lán)吸附值46.8mg/g。砂濾柱石英砂有效粒徑d10=0.89mm，K80=1.58，厚度為700mm，承托層砂粒徑為2～4mm，厚度為50mm。兩套小試濾柱底部均設(shè)有獨立取水口，濾速為8m/h。

1.2 研究方法

1.2.1 對排澇期水體的去除效果

取排澇期水樣，投加2.5mg/L聚合氯化鋁進(jìn)行混凝沉淀，沉淀30min后取上清液，分別過炭砂濾柱和砂濾柱，運(yùn)行穩(wěn)定后分別取濾后水測定CODMn、DOC、UV254、氨氮以及熒光溶解性有機(jī)物指標(biāo)。

1.2.2 對高藻期水體的去除效果

取東江原水并放置在陽光下暴曬4天，水中藻類大量繁殖，水樣呈明顯淺綠色，測得原水pH＞8.0，溶解氧濃度10mg/L以上，投加聚氯化鋁4mg/L（以Al2O3計）進(jìn)行混凝攪拌（快攪500r/min，1min，慢 攪50r/min，15min），沉淀2h后，抽取上清液分別進(jìn)砂濾柱和炭砂濾柱過濾裝置過濾，分別取沉后水上清液、砂濾柱和炭砂濾柱出水，測定pH和鋁含量指標(biāo)。

1.3 分析項目及方法

CODMn：采用酸性高錳酸鉀滴定法；DOC：采用總有機(jī)碳分析儀；UV254：采用紫外可見分光光度計測定；氨氮采用水楊酸鹽分光光度法進(jìn)行測定；pH采用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液比色法進(jìn)行測定；鋁采用鉻天青S分光光度法進(jìn)行測定。

三維熒光光譜測量：采用日立三維熒光光度計測量。以氙燈為激發(fā)光源，激發(fā)波長200～400nm，步長為5nm；發(fā)射波長280～550nm，步長為2nm；狹縫寬度10nm，光電倍增管電壓為500V，掃描速度30000nm/min，取樣于1cm石英熒光比色皿中測量。

2.試驗結(jié)果與分析

2.1 對排澇期水體的去除效果

2.1.1 對有機(jī)物的去除效果

對比分析炭砂濾柱和砂濾柱對排澇期有機(jī)物的去除效果，結(jié)果如圖1～3所示。由圖1～3可以看出，炭砂濾柱和砂濾柱對CODMn的平均去除率分別為30%、15%；對DOC的平均去除率分別為15%、6%；對UV254的平均去除率分別為17%、6%。由此可見，炭砂濾柱對有機(jī)物的去除效果明顯優(yōu)于砂濾柱。這可能是因為有機(jī)物主要通過生物作用去除，而砂濾料表面比較光滑，不利于微生物附著生長，因此，砂濾柱對有機(jī)物的去除能力較差。炭砂濾柱活性炭濾料比表面積大，表面粗糙多孔，利于微生物生長繁殖[4]，因此，活性炭表面的微生物量較多，生物降解有機(jī)物的作用較強(qiáng)，對有機(jī)物的去除效果相對砂濾柱好。

圖1 炭砂濾柱與砂濾柱對CODMn的去除效果

圖2 炭砂濾柱與砂濾柱對DOC的去除效果

圖3 炭砂濾柱與砂濾柱對UV254的去除效果

2.1.2 對氨氮的去除效果

對比分析炭砂濾柱和砂濾柱對排澇期有機(jī)物的去除效果，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)待濾水氨氮濃度較低時，炭砂濾柱與砂濾柱出水氨氮濃度無明顯差別，氨氮去除率均能達(dá)到95%左右。當(dāng)待濾水氨氮濃度較高（＞2.0mg/L）時，砂濾柱對氨氮平均去除率為26%，炭砂濾柱對氨氮去除效果相對較好，平均去除率達(dá)到45%。原因主要是炭砂濾柱掛膜成熟后，活性炭巨大的比表面積為微生物附著提供場所，從而在過濾時通過微生物進(jìn)行硝化作用，降低出水中的氨氮濃度。

圖4 排澇期炭砂濾柱與砂濾柱對氨氮的去除效果

2.1.3 對熒光溶 解性有機(jī)物的去除效果

對原水、沉淀后水、砂濾柱出水以及炭砂濾柱出水溶解性有機(jī)物熒光光譜各區(qū)域的熒光強(qiáng)度進(jìn)行積分，得到各區(qū)的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)體積。如圖5所示。

圖5 炭砂濾柱與砂濾柱出水DOM熒光強(qiáng)度分布

從圖中可以看出，區(qū)域II和區(qū)域Ⅳ所占比例較高，說明水體中溶解性有機(jī)物主要以芳香性蛋白質(zhì)類物質(zhì)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物類物質(zhì)組成。炭砂濾柱對熒光溶解性有機(jī)物的去除效果較好，去除率為46.17%；砂濾柱對熒光溶解性有機(jī)物的去除效果較差，去除率僅為16.70%。主要原因是水體中顆粒物主要通過濾柱物理截留的方式去除，而對于溶解性有機(jī)物，主要通過生物降解作用去除，砂濾柱濾料表面生物量明顯少于炭砂濾料，因此，對熒光溶解性有機(jī)物的去除效果也明顯劣于炭砂濾柱。

2.2 對高藻期水體的去除效果

東江流域在枯水期，水流緩慢，光照增強(qiáng)，容易導(dǎo)致東江原水藻類繁殖，東江原水藻類豐度為5.6～7.6*106個/L。藻類白天大量吸收水體中二氧化碳，釋放出氧氣，導(dǎo)致東江原水pH和溶解氧升高，高pH原水會導(dǎo)致在混凝沉淀過程中混凝劑聚氯化鋁中鋁的溶出，存在一定的鋁超標(biāo)風(fēng)險，對水廠水處理工藝造成一定影響。

對比分析炭砂濾柱和砂濾柱對高藻期水體pH以及金屬鋁的去除效果，結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)待濾水pH為8.0～9.0，鋁含量為0.092～0.473mg/L時，通過濾柱過濾，砂濾柱出水的pH在7.1～7.3之間，鋁含量在0.026～0.044mg/L；炭砂濾柱出水pH在6.8～6.9之間，鋁含量穩(wěn)定在0.004～0.017mg/L，炭砂濾柱去除鋁的能力遠(yuǎn)優(yōu)于砂濾柱。運(yùn)行期間炭砂濾柱和砂濾柱對鋁的平均去除率分別為93.71%和80.98%。炭砂濾柱可有效降低高藻期待濾水的pH和鋁含量，解決由于原水pH升高導(dǎo)致鋁析出問題。究其原因主要是因為活性炭濾料表面疏松多孔，比表面積大，相對砂濾柱，更適宜微生物生長繁殖。炭砂濾柱在過濾過程中除了物理截留和吸附作用，還發(fā)揮了生物降解作用。高藻水溶解氧含量高，微生物可以充分利用水體中的溶解氧對有機(jī)物進(jìn)行生物降解，微生物在生物降解以及自身新陳代謝的過程中產(chǎn)酸，并釋放出二氧化碳，使濾后水pH值降低。金屬鋁屬于兩性金屬，當(dāng)pH較高時，會導(dǎo)致在混凝沉淀過程中混凝劑聚氯化鋁中鋁的溶出，導(dǎo)致待濾水中鋁含量偏高。通過炭砂過濾，水體中的pH得到降低，水體中金屬鋁從溶解態(tài)轉(zhuǎn)化為懸浮態(tài)，懸浮態(tài)的鋁在炭砂濾柱濾層中得到進(jìn)一步截留，濾柱出水金屬鋁濃度隨之降低。

圖6 高藻期炭砂濾柱與砂濾柱對pH的去除效果

圖7 高藻期炭砂濾柱與砂濾柱對鋁的去除效果

3.結(jié)論

對于排澇期水質(zhì)，炭砂濾柱對有機(jī)物的去除效果明顯優(yōu)于砂濾柱，對CODMn、DOC、UV254的平均去除率分別為30%、15%、17%，當(dāng)待濾水氨氮濃度較低時，炭砂濾柱與砂濾柱出水氨氮濃度無明顯差別，當(dāng)待濾水氨氮濃度較高時，，炭砂濾柱對氨氮去除效果相對較好。炭砂濾柱對熒光溶解性有機(jī)物的去除效果也較好，去除率為46.17%。

對于高藻期水體，炭砂濾柱可有效降低高藻期待濾水的pH和鋁含量，當(dāng)待濾水pH為8.0～9.0，鋁含量為0.092～0.473mg/L，炭砂濾柱出水pH穩(wěn)定在6.8～6.9，鋁含量穩(wěn)定在0.004～0.017mg/L，炭砂濾柱對鋁的平均去除率達(dá)到93.71%。