劉清華 張曉娜 何嘉莉

（東莞市水務(wù)集團(tuán)供水有限公司，廣東東莞 523000）

目前我國大部分的水廠仍采用傳統(tǒng)的工藝即混凝、沉淀、過濾、消毒來處理原水，而隨著水源水質(zhì)逐年下降，污染物種類和含量逐年增加的情況下，傳統(tǒng)的工藝流程面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]，特別是國家標(biāo)準(zhǔn)106項(xiàng)的實(shí)施后部分傳統(tǒng)水廠也相應(yīng)做了一些技術(shù)升級改造，以此來改善出水水質(zhì)，保障飲用水供水安全達(dá)標(biāo)。

目前水廠為了提高水質(zhì)而進(jìn)行的技術(shù)改造升級主要有：臭氧-生物活性炭[2]、膜處理[3]、砂濾池改造[4]、生物預(yù)處理[5]等，基于成本以及地方所限，部分傳統(tǒng)水廠主要會在原有構(gòu)筑物的基礎(chǔ)上或增設(shè)較少的構(gòu)筑物進(jìn)行改造，基于此臭氧-生物活性炭短流程工藝即混凝、沉淀、臭氧-生物活性炭過濾、消毒工藝具有較好的處理效果以及改造優(yōu)勢。

臭氧-生物活性炭短流程工藝將砂濾池改成活性炭濾池同時(shí)增設(shè)臭氧氧化，從而有效利用臭氧的強(qiáng)氧化性，將水中大分子有機(jī)物氧化成小分子和更容易被生物降解的有機(jī)物，同時(shí)臭氧氧化后也提高了水中的溶解氧濃度，活性炭巨大的比表面積有利于微生物的生長附著，這樣活性炭表面的微生物降解臭氧氧化后的有機(jī)物，達(dá)到去除水中有機(jī)污染物的目的[6～9]。目前國內(nèi)針對臭氧-生物活性炭短流程工藝應(yīng)對突發(fā)的高氨氮原水的研究鮮見于報(bào)道，為此筆者針對臭氧-生物活性炭短流程工藝的特點(diǎn)，開展中試研究，旨在研究此工藝對原水中高氨氮以及有機(jī)物的處理效果，為水廠升級改造提供技術(shù)參考。

1.試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)原水取自D江，經(jīng)過規(guī)模為5m3/h的中試裝置：混凝、沉淀（斜管沉淀）、集水池、主臭氧、活性炭過濾，其中混凝劑為聚氯化鋁，混凝沉淀后的水進(jìn)入集水池，隨后投加臭氧保證余臭氧濃度為0.05～0.10mg/L，臭氧后的水進(jìn)入活性炭濾池，濾池中裝有8*30目的煤質(zhì)顆粒活性炭，高度2.0m，下設(shè)0.3m的承托層，濾速為10m/h，每3天反沖一次，反沖后第二天取樣進(jìn)行測定相關(guān)指標(biāo)。

表1 活性炭濾池中活性炭基本性能指標(biāo)

1.2 分析項(xiàng)目及方法

濁度采用HACH 2100N型濁度儀測定，氨氮采用國標(biāo)（GB/T5750-2006）中水楊酸法測定，UV254采用紫外可見分光光度計(jì)測定（經(jīng)0.45μm濾膜過濾后測定），TOC采用TOC儀測定，CODMn采用高錳酸鉀法測定，活性炭碘吸附值、亞甲基藍(lán)值、強(qiáng)度度測試方法參考GB/T7702.18-2008煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼?yàn)方法進(jìn)行測定，消毒副產(chǎn)物采用吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜儀測定。

2.結(jié)果與討論

2.1 臭氧-生物活性炭短流程工藝應(yīng)對高氨氮的響應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中在原水處加入適量的氯化銨溶液，配置出所需氨氮濃度的原水，且待中間集水池的水具有穩(wěn)定的氨氮濃度后才進(jìn)入臭氧接觸池及活性炭過濾，以此來模擬突發(fā)水源氨氮污染的情況。隨后依次取炭濾池出水測樣考察臭氧-生物活性炭短流程工藝對高氨氮濃度的響應(yīng)情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過程的中試工藝流程圖

從圖1（a）中可以看出，當(dāng)進(jìn)水的氨氮濃度突然增加到3.0mg/L左右時(shí)，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理后出水的氨氮濃度隨著時(shí)間的推移逐漸減低，在運(yùn)行27h后出水達(dá)到國標(biāo)限值0.5mg/L以下。圖1（a）中出水氨氮第一個(gè)點(diǎn)后突然增高的原因可能是運(yùn)行時(shí)間較短，炭濾池中殘留的以及活性炭吸附的低濃度氨氮水樣稀釋后的結(jié)果，導(dǎo)致第一個(gè)點(diǎn)的氨氮濃度較低，隨后的運(yùn)行過程中炭濾池中殘留的以及活性炭吸附的低氨氮水樣逐漸被替換，進(jìn)水的氨氮被炭濾池中的微生物處理，由于濾池中的微生物來不及應(yīng)對突發(fā)的高氨氮進(jìn)水，在3h后的出水時(shí)氨氮濃度較高，達(dá)到1.88mg/L，繼續(xù)運(yùn)行后出水的氨氮濃度逐漸降低。圖1（b）中當(dāng)進(jìn)水的氨氮濃度增加到4.0mg/L左右時(shí)，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理后出水的氨氮濃度逐漸減低，運(yùn)行至9h時(shí)，出水氨氮濃度達(dá)到0.47mg/L，隨后繼續(xù)增加進(jìn)水的氨氮濃度至4.5mg/L時(shí)，出水的氨氮濃度有一個(gè)短暫的增大，出水濃度由0.09mg/L升至0.44mg/L，隨后又逐漸穩(wěn)定至較低的水平，達(dá)到較好的去除氨氮的效果。圖1（c）中當(dāng)進(jìn)水的氨氮濃度增加到4.5mg/L左右時(shí)，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理3h后出水的氨氮濃度顯著減低，在運(yùn)行6h后出水氨氮濃度一直維持在0.5mg/L以下，具有較好的去除氨氮能力。

以上的三次試驗(yàn)雖然每次之間會有12天的間隔且在間隔的12d內(nèi)正常運(yùn)行原水，即炭濾池進(jìn)水的氨氮較低，以此來消除炭濾池中微生物因上次試驗(yàn)繁殖增長帶來的影響，但是從三次的數(shù)據(jù)可以看出，12d的低氨氮運(yùn)行并沒有完成完全降低炭濾池中硝化細(xì)菌的含量，從而每次的試驗(yàn)效果均好于前一次，應(yīng)對突發(fā)高氨氮進(jìn)水的能力逐漸增強(qiáng)，特別是在第三次試驗(yàn)過程中，進(jìn)水氨氮濃度突發(fā)增加到4.5mg/L時(shí)，臭氧-生物活性炭短流程工藝能及時(shí)應(yīng)對并在6h后處理的出水達(dá)到0.5mg/L以下，具有良好的應(yīng)對突發(fā)高氨氮的能力。另外因?yàn)槌粞?生物活性炭短流程工藝是將混凝沉淀后的水直接引入炭濾池，很好的保留了水中的有機(jī)物及氨氮等營養(yǎng)物，為炭濾池中的微生物的生長繁殖提供養(yǎng)分，使得微生物生長良好，能更好的有效應(yīng)對突發(fā)的高氨氮進(jìn)水。

2.2 短流程工藝中不同炭濾池高度對高氨氮的去除

為了更好的研究臭氧-生物活性炭短流程工藝中不同炭層高度對氨氮的去除效果，試驗(yàn)過程中通過穩(wěn)定進(jìn)水氨氮濃度約為4.5mg/L，長時(shí)間運(yùn)行情況下考察不同炭層高度對氨氮的去除效果，結(jié)果見圖2。

圖2 臭氧-生物活性炭短流程工藝對高氨氮的響應(yīng)

圖3 不同炭層高度對氨氮的去除

從圖2中可以看出，隨著炭層深度的增加，氨氮濃度逐漸降低，即氨氮去除率逐漸增加，且隨著運(yùn)行時(shí)間延長至69h時(shí)炭濾池對氨氮均有較好的去除效果。在0～110cm炭層中，隨著炭層深度的增加，三個(gè)運(yùn)行時(shí)間后炭濾池均對氨氮的處理效果顯著增加，在110cm處時(shí)分別達(dá)到63.0%、76.8%和79.6%，在110cm～200cm的炭層處，隨著炭層深度的增加炭濾池對氨氮的去除效果也是逐漸增加，但是增加幅度不大，其原因可能是，在0～110cm的炭層內(nèi)，炭濾池中活性炭表面附著的微生物較多、活性較好，且能獲取到充足的溶解氧來進(jìn)行硝化作用氧化氨氮，從而該層次中的微生物能有效降解氨氮使得氨氮的去除率顯著，而在110cm～200cm的炭層中由于溶解氧、營養(yǎng)物等的受限，使得該炭層深度范圍內(nèi)的微生物不能更好的進(jìn)行硝化作用，從而使得110cm深度以下的炭層去除氨氮效果有限。

2.3 臭氧-生物活性炭短流程工藝對有機(jī)物等的去除試驗(yàn)

為了研究臭氧-生物活性炭短流程工藝對氨氮去除的同時(shí)對有機(jī)物等的去除效果，試驗(yàn)過程中測定了四次炭濾池對有機(jī)物等的去除，四次的平均效果見表2所示。

表2 試驗(yàn)期間原水水質(zhì)情況表

表3 臭氧-生物活性炭短流程對有機(jī)物等的去除

從表中數(shù)據(jù)可以看出，臭氧-生物活性炭短流程工藝在去除氨氮的同時(shí)，對有機(jī)物和濁度都有較好的去除效果，且隨著炭層深度的增加，去除效果也逐漸增加，整個(gè)活性炭層都發(fā)揮了作用。炭濾池對TOC、CODMn、UV254和濁度的去除率分別達(dá)到42.5%、23.4%、41.2%和86.2%，與文獻(xiàn)[10～11]中報(bào)道的去除效果略差。試驗(yàn)中炭濾池出水的濁度維持在較低的水平，與普通砂濾池的出水濁度相當(dāng)，完全可以滿足出廠水濁度的控制要求。說明臭氧-生物活性炭短流程工藝不僅能有效應(yīng)對突發(fā)的高氨氮原水，同時(shí)由于炭濾池中微生物長期能維持較好的營養(yǎng)物及溶解氧，能在突發(fā)的高氨氮進(jìn)水的情況下，及時(shí)作出響應(yīng)來降解氨氮的同時(shí)降解有機(jī)物，截留濁度，保障出水的水質(zhì)。

2.4 臭氧-生物活性炭短流程工藝討論

臭氧-生物活性炭短流程工藝相比于臭氧-生物活性炭全流程工藝而言，減少了砂濾池的過濾，水廠減少了砂濾池構(gòu)筑物，水廠構(gòu)筑物明顯減少，同時(shí)也減少了水頭提升費(fèi)用。

臭氧-生物活性炭短流程工藝因?yàn)闇p少了砂濾池的過濾，混凝沉淀后的水直接進(jìn)入活性炭濾池，使得水中的有機(jī)物直接進(jìn)入活性炭濾池，活性炭濾池中的微生物有較多的營養(yǎng)物來進(jìn)行生長繁殖，這樣微生物得以繁殖生長來降解有機(jī)物和氨氮等，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。避免了經(jīng)過臭氧-生物活性炭全流程中的砂濾池后再經(jīng)過炭濾池而帶來的營養(yǎng)物缺乏，炭濾池中微生物長期處于貧營養(yǎng)的狀態(tài)，不能很好的進(jìn)行生物降解去除有機(jī)物的目標(biāo)。

臭氧-生物活性炭短流程工藝對氨氮、有機(jī)物等均有較好的去除，特別是應(yīng)對突發(fā)的高氨氮的進(jìn)水時(shí)，活性炭濾池能很好的應(yīng)對?；钚蕴繛V池中的微生物因?yàn)殚L期能得到混凝沉淀后水中的營養(yǎng)物進(jìn)行生長，在遇到突發(fā)的高氨氮進(jìn)水時(shí)，微生物能進(jìn)行快速響應(yīng)，利用活性炭和微生物膜的吸附作用，先對水中的氨氮進(jìn)行吸附，同時(shí)微生物利用水中充足的溶解氧進(jìn)行硝化作用去除氨氮，達(dá)到降低水中氨氮濃度的能力，且降解能力是可持續(xù)的。

臭氧-生物活性炭短流程工藝對氨氮具有較好的去除，且炭層的深度與氨氮的去除有一定的關(guān)系。試驗(yàn)過程中110cm厚的炭層已對氨氮具有較好的去除效果，在實(shí)際改造過程中可以結(jié)合實(shí)際情況來填加一定厚度的活性炭，以此來降低改造成本得到更好的出水水質(zhì)。

臭氧-生物活性炭短流程工藝在應(yīng)對高氨氮的原水的同時(shí)，對濁度的去除能力也較好，出水的濁度也能滿足要求。活性炭由于表面粗糙無規(guī)則，具有一定的棱角且粒徑分布均勻即有大、小顆粒的活性炭同時(shí)存在，堆疊時(shí)能形成致密的微小縫隙讓水通過、過濾，對水中的懸浮物等濁度物質(zhì)具有良好的截留作用。特別是中試試驗(yàn)的活性炭炭層厚度為2m，能很好的截留去除水中的濁度，且過濾周期長，截留物質(zhì)不易滲漏。

3.結(jié)論

臭氧-生物活性炭短流程工藝應(yīng)對突發(fā)的高氨氮進(jìn)水時(shí)，能有效的及時(shí)響應(yīng)并達(dá)到去除的目的。進(jìn)水突然增加氨氮濃度達(dá)到3.0mg/L左右時(shí)，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理后出水的氨氮濃度隨著時(shí)間的推移逐漸減低，在運(yùn)行27h后出水達(dá)到國標(biāo)限值0.5mg/L以下。

當(dāng)進(jìn)水的氨氮濃度增加到4.5mg/L左右時(shí)，經(jīng)過臭氧-生物活性炭短流程處理3h后出水的氨氮濃度顯著減低，在運(yùn)行6h后出水氨氮濃度一直維持在0.5mg/L以下，具有較好的去除氨氮能力，且出水濃度低于0.5mg/L的響應(yīng)時(shí)間越來越及時(shí)。

隨著炭層深度的增加，氨氮濃度逐漸降低，且隨著運(yùn)行時(shí)間延長至69h時(shí)炭濾池對氨氮均有較好的去除效果。

炭濾池中0～110cm炭層對氨氮的去除發(fā)揮著63.0%～79.6%的作用，在110cm～200cm的炭層處，隨著炭層深度的增加炭濾池對氨氮的去除效果也是逐漸增加，但是增加幅度不大。

臭氧-生物活性炭短流程工藝在去除氨氮的同時(shí)，對有機(jī)物和濁度都有較好的去除效果，且隨著炭層深度的增加，去除效果也逐漸增加，整個(gè)活性炭層都發(fā)揮了作用