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(jì)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(yàn)，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(shí)際情況，因此往往造成凈水工藝流程復(fù)雜化、設(shè)備維護(hù)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(dá)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(shí)際凈化效果不少學(xué)者進(jìn)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(yùn)行特征進(jìn)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(yùn)作模式使得能耗量進(jìn)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(jìn)行飲水凈化試驗(yàn)，并針對其凈水效果、膜通透量變化及污染物變化特征進(jìn)行研究分析，為實(shí)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(dá)98億m3，地下水資源總量達(dá)18.5億m3，其合計(jì)水資源總量達(dá)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(dá)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(yuǎn)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(dá)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(jìn)行劃分，其中本文研究區(qū)域飲水水質(zhì)不達(dá)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(dá)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(dá)標(biāo)者占8.6%。在水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問題中，鐵錳碘等元素超標(biāo)人數(shù)為1246人，細(xì)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(yàn)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(yàn)用水，采用紫外分光光度計(jì)、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(jī)碳(DOC)濃度、和氨氮濃度進(jìn)行測定，其中測得未做任何處理的試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)用水進(jìn)行凈化處理[7-8]。

圖1 試驗(yàn)組合裝置工藝流程

將試驗(yàn)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(jìn)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(jì)流動水速為0.0007L/h。超濾膜組件與緩速濾池之間設(shè)計(jì)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(yùn)行方式對裝置運(yùn)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(yùn)行過程中各組超濾膜膜通量隨時間的變化趨勢圖和運(yùn)行最后10d的膜通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在裝置運(yùn)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(jìn)行膜通量下降幅度較大，對照組、試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)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(yùn)行過程中的膜通量隨時間變化情況

3.2 有機(jī)質(zhì)去除效能分析

對于水中有機(jī)質(zhì)本文采用UV254進(jìn)行表征，UV254大小為水中有機(jī)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(jī)質(zhì)的含量。借助紫外光分光光度計(jì)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(yàn)組、循環(huán)組和曝氣組水中的可溶性有機(jī)碳(DOC)含量進(jìn)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(yàn)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(jìn)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(dá)到了73%左右，主要原因在于GAC顆粒物對大分子有機(jī)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(jī)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(yàn)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(jī)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(jī)碳DOC的去除率最低，因此在水中溶解性有機(jī)碳含量較高時，不能僅采用GDM對水質(zhì)進(jìn)行加工處理。而相較于對照組，試驗(yàn)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(jìn)行去除，為了評價(jià)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(yàn)組、循環(huán)組和曝氣組處理過的水質(zhì)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)化了生物作用，使得相較于對照組，試驗(yàn)組、循環(huán)組和曝氣組的去除率進(jìn)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(jìn)行飲水凈化試驗(yàn)，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(jī)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(jī)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(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差，在應(yīng)用中需要進(jìn)行再次確認(rèn)。