農(nóng)村飲用水凈化機制及調(diào)控研究

田 麗

(東營市小清河管理服務(wù)中心，山東 東營 257300)

0 引言

隨著國家飲水安全戰(zhàn)略的提出，計劃在2035年基本完善全國范圍內(nèi)的飲水安全保障體系，用以保障群眾的用水安全并建成符合社會主義現(xiàn)代化國家的飲用水保障系統(tǒng)[1-2]。在政策大方向的指導(dǎo)之下，需要對城鄉(xiāng)飲用水供水系統(tǒng)做出調(diào)查研究，目前相較于城鎮(zhèn)，農(nóng)村地區(qū)由于凈水設(shè)備較為落后導(dǎo)致居民飲水安全問題較為突出，對農(nóng)村地區(qū)的飲水凈化和調(diào)控成為當(dāng)務(wù)之急[3]。目前對于農(nóng)村地區(qū)飲水凈化和處理的方式，多借鑒于城鎮(zhèn)地區(qū)的相關(guān)調(diào)控和凈化經(jīng)驗，即采購大量供水、凈水設(shè)備。但由于農(nóng)村地區(qū)飲水供給系統(tǒng)中所存在的污染物主要以懸浮顆粒物、氨氮、致病微生物為主[5]，且多數(shù)未考慮農(nóng)村地區(qū)實際情況，因此往往造成凈水工藝流程復(fù)雜化、設(shè)備維護困難、設(shè)備能耗量太大造成農(nóng)村電力系統(tǒng)超載等一系列問題，最終反而使得飲水凈化未能達到預(yù)期效果。隨著生物膜技術(shù)的發(fā)展，目前以餅層過濾為核心的重力驅(qū)動膜濾飲水凈化技術(shù)(GDM)以其能耗量低、凈化效果高等優(yōu)勢逐漸推廣應(yīng)用，對于其實際凈化效果不少學(xué)者進行了研究論證，如，趙博[6]總結(jié)了超濾在地表水、廢水、灰水、雨水回收及海水預(yù)處理領(lǐng)域的應(yīng)用，并針對重力驅(qū)動膜的運行特征進行了分析，通過對家庭飲用水和海水的處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)重力驅(qū)動膜具備納米級除污效果且依靠間歇式運作模式使得能耗量進一步降低。

本文以某地農(nóng)村飲用水水源為對象，通過結(jié)合緩速濾池(GAC)與膜濾飲水凈化技術(shù)(GDM)進行飲水凈化試驗，并針對其凈水效果、膜通透量變化及污染物變化特征進行研究分析，為實際農(nóng)村地區(qū)的飲用水凈化及調(diào)控提供參考。

1 研究概況

飲用水源位于某市西北部的農(nóng)村區(qū)域，近5年當(dāng)?shù)啬昃乇硭Y源總量達98億m3，地下水資源總量達18.5億m3，其合計水資源總量達116.5億m3，人均水資源量約為3287m3，耕地平均每畝占有水資源總量約為4256m3。研究區(qū)域近5年平均降雨量為1253m3，近5年平均的徑流深度約為736mm，年均產(chǎn)水模數(shù)達74m3/km2。當(dāng)?shù)剡^境水量約為357億m3，研究區(qū)域水資源利用率約為8.4%，遠低于所屬地級市的平均水平。

依照GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，2020年該地級市飲水不安全的農(nóng)村人口多達121.4萬人，其中所研究的農(nóng)村區(qū)域飲水不安全的人口為2.65萬人，約占該地級市的2.2%。其中該市飲水不安全的人口中引用地表水的人數(shù)占比為63.2%，飲用地下水的人數(shù)占比為26.8%；研究區(qū)域飲水不安全的人口引用地表水的人數(shù)占比為79.8%，飲用地下水的人數(shù)占比為20.2%。按照水質(zhì)、水量、飲水方便程度、飲水保證率4個飲水安全指標(biāo)進行劃分，其中本文研究區(qū)域飲水水質(zhì)不達標(biāo)人數(shù)占飲水不安全人數(shù)總量的32.6%，引用水量不達標(biāo)人數(shù)占飲水不安全人數(shù)總量的38.3%，飲水不便者占比為20.5%，飲水保證率不達標(biāo)者占8.6%。在水質(zhì)不達標(biāo)問題中，鐵錳碘等元素超標(biāo)人數(shù)為1246人，細菌指標(biāo)超標(biāo)人數(shù)為3143人，污染水超標(biāo)人數(shù)為2986人，飲水苦咸人數(shù)為1264人。

2 研究方法

2.1 試驗用水水質(zhì)檢測

本文取當(dāng)?shù)剞r(nóng)村區(qū)域未做加工處理的飲用水源為試驗用水，采用紫外分光光度計、TOC檢測儀、氣相分子吸收法分別對水中的UV254濃度、可溶性有機碳(DOC)濃度、和氨氮濃度進行測定，其中測得未做任何處理的試驗用水(后文簡稱原水)的水質(zhì)各參數(shù)見表1。

表1 原水水質(zhì)各參數(shù)測量結(jié)果

2.2 試驗裝置

考慮到GDM凈水技術(shù)存在的缺陷問題，結(jié)合緩速濾池GAC對其進行優(yōu)化處理并構(gòu)建出了如圖1所示的GAC/GDM凈水工藝流對試驗用水進行凈化處理[7-8]。

圖1 試驗組合裝置工藝流程

將試驗用原水儲存于水桶中，水桶通過重力自流的方式流入恒位水箱之中，并在水箱中停留1h，通過配水管道流入到GAC緩速濾池之中過濾處理，過濾處理完成后出水流入至超濾膜組件中進行過濾處理。其中GAC池底面積為20cm2，濾池高度為50cm，濾池內(nèi)部放置GAC顆粒用以過濾，設(shè)計流動水速為0.0007L/h。超濾膜組件與緩速濾池之間設(shè)計高度差為60cm，用以作為重力驅(qū)動壓力，在裝置底部放置集水瓶收集凈化后的水體并取樣測定各參數(shù)。同時，設(shè)置對照組，即應(yīng)用GDM凈水技術(shù)不做GAC過濾。為了研究不同的凈水運行方式對裝置運行效率的影響，設(shè)置循環(huán)組(CGAC/GMD)和曝氣組(AGAC/GMD)，其中循環(huán)流量設(shè)置為2.5L/h，曝氣量設(shè)定為1.25m3/(m2·h)，每組分別測定3次，且每日定時查看GDM膜通量和水質(zhì)變化情況。試驗中GAC顆粒粒徑為1.5mm，GDM中使用的超濾膜類型為平板膜。

3 結(jié)果分析

3.1 GDM膜通量變化分析

GMD凈水技術(shù)能否應(yīng)用于實際凈水的重要標(biāo)準(zhǔn)是其膜通量的穩(wěn)定性。通過持續(xù)的監(jiān)測記錄，得到了對照組、試驗組和循環(huán)組、曝氣組4者在凈水過程中的超濾膜膜通量變化趨勢。

裝置運行過程中各組超濾膜膜通量隨時間的變化趨勢圖和運行最后10d的膜通量統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在裝置運行的60d中，各組的膜通量變化趨勢較為相近，均可分為2個階段，其中1～7d為第1階段，8～60d為第2階段。在第1階段過程中，隨時間進行膜通量下降幅度較大，對照組、試驗組(GAC/GMD)、循環(huán)組(CGAC/GMD)和曝氣組(AGAC/GMD)的通量大小下降程度也較為接近，造成此種現(xiàn)象的可能原因在于試驗過程中過濾膜均采用不清洗的形式，致使降污過程中污染物在膜表面累積并形成濾餅層污染；第2階段過程中，隨時間進行，各組的膜通量變化均區(qū)域穩(wěn)定，不再大幅度減小，但相較于對照組，試驗組、循環(huán)組和曝氣阻的最終膜通量分別提高了約29%、33%和42.7%，此結(jié)果表明對比不做任何處理的GDM技術(shù)，采用GAC/GDM組合的凈化工藝能夠顯著提高GDM的膜通量大小，且在組合工藝中采取循環(huán)和曝氣處理更有利于膜通量的提高。其中曝氣處理對膜通量提升效果最大，主要原因在于曝氣處理提高了水中的溶解氧量，有利于水中微生物對濾餅層污染物的消除。

圖2 裝置運行過程中的膜通量隨時間變化情況

3.2 有機質(zhì)去除效能分析

對于水中有機質(zhì)本文采用UV254進行表征，UV254大小為水中有機質(zhì)在254nm波長中的吸光度大小，可以有效反映水中的腐殖質(zhì)和芳香化合物等大分子有機質(zhì)的含量。借助紫外光分光光度計測得的UV254隨時間變化和其去除效果如圖3(a)—(b)所示。待GDM通量穩(wěn)定后，使用TOC檢測儀分別對對照組、試驗組、循環(huán)組和曝氣組水中的可溶性有機碳(DOC)含量進行測定并得到其去除率如圖3(c)所示。

圖3 UV254及COD隨時間變化的去除效果

從圖3中可以看出在原水之中UV254濃度為0.053cm-1，在經(jīng)過對照組膜濾之后，UV254濃度下降了約6%左右，但縱觀整個周期內(nèi)的變化過程，對照組試驗中UV254濃度變化波動較大，期間可能會出現(xiàn)UV254含量大于原水的情況，其原因在于被截留在膜中的大分子物質(zhì)在微生物的作用下分解產(chǎn)生小分子物質(zhì)，進而透過膜體導(dǎo)致水質(zhì)的污染程度加重。在采用GAC/GDM的組合工藝中，可以看出UV254含量顯著下降，對UV254的去除率平均值達到了73%左右，主要原因在于GAC顆粒物對大分子有機質(zhì)有吸附作用，且基于緩速濾池的低濾速，有利于水中微生物對有機質(zhì)的充分降解。但循環(huán)組和曝氣組的平均去除率均低于試驗組，表明循環(huán)和曝氣的作用會加速微生物水解作用，使截留的大分子有機物通過水解作用穿過超濾膜。

從圖3(c)中可以看出對照組對水中有機碳DOC的去除率最低，因此在水中溶解性有機碳含量較高時，不能僅采用GDM對水質(zhì)進行加工處理。而相較于對照組，試驗組的DOC去除率最高，大于80%，其次為曝氣組和循環(huán)組，其原因與UV254的去除效果相一致，此處不再過多贅述。

3.3 氨氮去除效能分析

氨氮作為水體常見污染物之一，由于其親水性和小分子等特性，因此常規(guī)的濾水技術(shù)難以對其進行去除，為了評價本文GAC/GDM的組合工藝水質(zhì)凈化效果通過氣相分子吸收法分別對對照組、試驗組、循環(huán)組和曝氣組處理過的水質(zhì)進行氨氮濃度測定，得到了的氨氮濃度隨時間的去除結(jié)果如圖4所示。

圖4 氨氮濃度隨時間的去除率效果

從圖4中可以看出在短期處理過程中，由于GAC對氨氮的吸附效果較差，因此各組對氨氮的去除效果均較低，但在10～20d階段中，氨氮去除效果大幅提升，對照組提升至80%左右，其余各組均在96%以上，其原因在于隨著過濾的進行，GDM表面產(chǎn)生濾餅層，使氨氮產(chǎn)生了硝化作用從而大幅降低氨氮濃度，GAC/GDM組合工藝則在此基礎(chǔ)之上通過GAC緩速濾池的微生物吸附作用進一步加大了氨氮濃度的生物分解效應(yīng)，循環(huán)組和曝氣組則在此基礎(chǔ)之上，強化了生物作用，使得相較于對照組，試驗組、循環(huán)組和曝氣組的去除率進一步提升。但在20d之后，受制于原水的氨氮濃度波動效果和水體本身的氨氮濃度已較低，使得氨氮濃度難以大幅度去除，因此維持穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)果表明在GAC緩速濾池優(yōu)化下GDM凈水系統(tǒng)能夠大幅提升原水的氨氮去除效果。

4 結(jié)論

本文以某地農(nóng)村飲用水水源為對象，結(jié)合緩速濾池(GAC)與重力驅(qū)動膜濾飲水凈化技術(shù)(GDM)進行飲水凈化試驗，結(jié)果表明GAC/GMD組合工藝將最終膜通量提高約29%、增加曝氣處理提高水中溶氧量增加微生物活性的方法提升42.7%；GAC顆粒物對大分子有機質(zhì)有吸附作用，結(jié)合緩速濾池的低濾速大幅提高原水中有機質(zhì)去除效果，但增加循環(huán)和曝氣處理產(chǎn)生的水解作用使截留的大分子有機物通過水解作用穿過超濾膜造成水體污染；GAC/GDM組合工藝在長期作用下能夠大幅截留氨氮，可應(yīng)用在農(nóng)村飲用水凈化處理中。由于試驗數(shù)據(jù)存在一定誤差，在應(yīng)用中需要進行再次確認。