關(guān)鍵詞：炭砂濾池；炭層厚度；飲用水處理；污染物去除效能

中圖分類號：X523 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

自黨的十八大以來，中國水生態(tài)環(huán)境保護(hù)成效顯著，水污染防治措施堅決有效。根據(jù)《2023中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，全國地表水Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面比例增至89.4%，劣Ⅴ類降至0.7%，地級以上城市飲用水源達(dá)標(biāo)率達(dá)96.5%，水質(zhì)持續(xù)改善。

隨著《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2022）的實(shí)施，飲用水標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，新標(biāo)準(zhǔn)增加了嗅味指標(biāo)GSM和2-MIB，要求水廠在保障水質(zhì)安全的同時提升感官品質(zhì)。面對新挑戰(zhàn)，水廠需技術(shù)升級和創(chuàng)新。中國供水工藝主要依賴常規(guī)工藝，占比85.23%，受經(jīng)濟(jì)成本、用地和技術(shù)管理水平限制。在水質(zhì)持續(xù)改善和標(biāo)準(zhǔn)提升的背景下，優(yōu)化常規(guī)工藝是經(jīng)濟(jì)有效的提質(zhì)方法。

過濾工藝是飲用水處理的關(guān)鍵，能有效降低出水濁度，去除溶解性有機(jī)和無機(jī)污染物。研究表明，顆?；钚蕴繛V料的加入顯著提升濾池吸附性能和生物降解能力，有效提高有機(jī)物和氨氮去除效果，去除消毒副產(chǎn)物及其前驅(qū)物，對2-MIB去除效果良好。炭砂濾池因處理效果出色、改建／新建成本低、運(yùn)維管理簡便，成為中小型水廠提升工藝的首選，尤其適合有限空間和預(yù)算條件下的技術(shù)改造和升級。

此研究基于現(xiàn)有炭砂濾池成果，系統(tǒng)研究不同炭層厚度對污染物去除效能，旨在為水廠工藝提升改造提供技術(shù)支撐，為新建水廠濾池設(shè)計提供理論依據(jù)，確保供水安全性和可靠性。

1試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)

此研究通過并聯(lián)中試濾柱裝置模擬濾池工藝。濾柱由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為300mm，高度為4000 mm，設(shè)計為下向流進(jìn)水方式，進(jìn)水為水廠沉淀池的出水，反沖洗水為過濾出水。每個濾柱都配備氣沖和水沖功能，并配有流量計。濾柱內(nèi)濾料結(jié)構(gòu)自上而下依次為顆?；钚蕴繉印⑹⑸皩雍往Z卵石承托層。

在前期研究中，已經(jīng)系統(tǒng)地評估了不同類型和粒徑的顆?；钚蕴吭谌コ形廴疚锓矫娴男Ч；谶@些研究數(shù)據(jù)，此研究選擇了污染物去除效果較好且廣泛應(yīng)用的8*30目壓塊破碎炭作為研究對象，旨在深入探究不同厚度炭層在過濾過程中的去除效能。

1.2試驗(yàn)水質(zhì)

此試驗(yàn)選取南方某水廠的沉淀池出水作為炭砂濾池的進(jìn)水。該水廠原水總體水質(zhì)整體較好，但在特定季節(jié)，錳、氨氮、異嗅味等指標(biāo)會出現(xiàn)波動。近3年的檢測數(shù)據(jù)顯示，2-MIB的最高檢出值為42ng/L，超過了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2022）中10ng/L限值，表明該水廠面臨原水的嗅味挑戰(zhàn)。

試驗(yàn)期間炭砂濾池進(jìn)水水質(zhì)情況見表1。

1.3檢測方法

COD_Mn采用國標(biāo)（GB/T 5750.1-2023）中酸性高錳酸鉀滴定法；2-MIB采用行標(biāo)（CJ/T 141-2018）中頂空固相微萃?。瘹庀嗌V一質(zhì)譜法；掃描電鏡生物標(biāo)本制作采用叔丁醇冷凍真空干燥法；濾料表面結(jié)構(gòu)分析采用熱場掃描電子顯微鏡法（型號Apreo 2S HiVac）；生物量采用差量法。

2炭砂濾池沿程去除效能研究

2.1 COD_Mn

COD_Mn通常用來代表水中有機(jī)物的總量，出水COD_Mn的去除情況可以反映濾池對有機(jī)物的去除能力。試驗(yàn)期間對炭層厚度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0m的沿程出水COD_Mn進(jìn)行測定，COD_Mn沿程濃度變化見圖1。

由圖1可知，對于沉后水COD_Mn濃度在1.78～1.04mg/L的情況下，0.5m深度的炭層對COD_Mn的去除貢獻(xiàn)最大，平均去除率達(dá)到29.23%。而1.0m、1.5m和2.0m處的去除率分別為31.15%、34.07%和35.43%。0.5m深度炭層中的微生物與有機(jī)物接觸時間較長，且淺層微生物能獲取更多的溶解氧，從而促進(jìn)了微生物代謝的活躍性，有效降解了COD_Mn。盡管1.0m深的濾柱在初期對COD_Mn的去除效果略低于0.5m深的濾柱，但隨著運(yùn)行時間的延長，去除能力逐漸增強(qiáng)并最終超過了0.5m深的濾柱。這表明1.0m深濾柱中的微生物逐漸適應(yīng)了水質(zhì)條件，并提高了對COD_Mn的去除效率。相比之下，1.5 m和2.0m深的濾柱對COD_Mn的去除效果始終相對較差，這可能是由于這些深度的濾柱中營養(yǎng)物質(zhì)較少，導(dǎo)致微生物代謝活性降低。此外，隨著運(yùn)行時間的增加，濾柱對COD_Mn的去除效果整體呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，這可能與濾柱中生物膜的成熟度提高有關(guān)，從而增強(qiáng)了對COD_Mn的去除能力。

2.2三維熒光

三維熒光光譜通常用來表征水中的可溶性有機(jī)物種類及其含量的變化。如圖2所示，沉后水溶解性有機(jī)物主要集中于Ⅳ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，分別包括微生物代謝物質(zhì)、色氨酸類蛋白質(zhì)和富里酸類物質(zhì)，其中以Ⅳ區(qū)微生物代謝物質(zhì)為主。Ⅰ、Ⅴ區(qū)的熒光強(qiáng)度較低，表明酪氨酸類蛋白質(zhì)和腐殖酸類物質(zhì)含量較少。整體而言，沉后水水質(zhì)熒光響應(yīng)值整體較低，表明天然溶解性有機(jī)物含量較低，水質(zhì)情況較好。經(jīng)過0.5 m炭層后，出水水質(zhì)中Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)熒光峰值降低，出水中類色氨酸物質(zhì)和富里酸類物質(zhì)得到控制；在1.0 m炭層出水，Ⅲ區(qū)富里酸類物質(zhì)得到進(jìn)一步的控制，表明炭砂濾池對富里酸類物質(zhì)有較好的控制效果。另一方面，隨著炭層深度的增加，出水中Ⅳ區(qū)微生物代謝物質(zhì)含量逐漸降低，但是相比于類色氨酸物質(zhì)和富里酸類物質(zhì)仍有相對較高的濃度，表明炭砂濾池中存在活躍的微生物代謝活動，微生物在分解有機(jī)物質(zhì)的過程中會產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，該微生物代謝活動可以提高炭砂濾池對于有機(jī)物等污染物的處理效率。

2.3 2-MIB

此研究期間沉后水2-MIB的濃度范圍為33.4～6.8ng/L，出廠水2-MIB都在10ng/L以下，達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2022）。通過對水廠工藝全流程檢測，混凝沉淀工藝出水2-MIB與原水基本相同，主要去除貢獻(xiàn)為過濾工藝。

炭砂濾池不同炭層厚度對2-MIB的去除情況如圖3所示，對于沉后水2-MIB濃度在33.4～6.8ng/L的情況下，炭層0.5m處2-MIB濃度明顯下降，1.0m、1.5m、2.0m處的濃度變化不明顯。在上部0.5m處就基本達(dá)到了50%以上的去除率，1m厚處的平均去除率為68.50%～74.08%，1.5m～2.0m厚處的平均去除率為75.87%～84.15%。此研究的沉后水2-MIB最高濃度為33.4ng/L，炭層厚度0.5m處可將2-MIB濃度基本去除低于10ng/L以下，而1.0m處即可穩(wěn)定并遠(yuǎn)低于10ng/L以下。

2.4掃描電鏡表征及生物量

為驗(yàn)證進(jìn)一步研究不同炭層深度的降解能力，進(jìn)行了SEM掃描電鏡表征分析。對比不同深度厚度炭層表面生物膜生長情況，見圖4和圖5。

不同厚度的活性炭濾料表面上的生物膜在1000倍以下，大部分表面覆蓋生物膜，放大到5000～10000倍后可以看到，炭層表面和表面下0.3m兩個位置的生物面膜密度較大，且較為緊致、完整；表面下0.6m和表面下0.9m兩個位置的生物膜則相對較為松散，膜上“孔洞”明顯變多。

進(jìn)一步對生物膜表面的微生物群落進(jìn)行分析（放大倍數(shù)10000倍），炭層表面和表面下0.3m濾料表面覆蓋緊致的微生物代謝物質(zhì)；而表面下0.6m和表面下0.9m兩個位置的生物膜表面有著較為豐富的微生物群落，并且表面下60cm生物膜與微生物群落深入到活性炭孔道內(nèi)部，充分利用了活性炭的微孔結(jié)構(gòu)。因此，炭層表面下0.6m生物作用明顯。

采用差量法對濾料表面生物膜進(jìn)行測量，將不同炭層深度表面的生物量進(jìn)行對比。生物量隨著炭層深度遞減的特征，表層生物量最高為28.214mg/g，0.3m處為18.711mg/g，0.6m為14.105 mg/g，0.9m為3.551mg/g，進(jìn)一步說明活性炭濾料的生物作用主要發(fā)揮在炭層下0.6 m范圍附近。

活性炭表面生物量從表層到底層逐漸下降，這可能是由于濾池內(nèi)不同深度濾層的運(yùn)行環(huán)境不一致，尤其是營養(yǎng)水平不一致。隨著濾池深度的增加，溶解氧含量與有機(jī)物濃度逐漸下降。表層活性炭在溶解氧充足并且濾料與有機(jī)污染物充分接觸的條件下，污染物在很短時間內(nèi)即可被去除。

有研究顯示，生物活性炭系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)定期后，活性炭吸附作用和微生物作用協(xié)同共同去除有機(jī)物?；谖墨I(xiàn)調(diào)研及此研究結(jié)果，污染物在上層被快速吸附完成，而下層則需要相對較長的接觸時間才能完成吸附作用。另一方面，在水力分級的作用下，表層活性炭粒徑較小，下層粒徑較大，有研究表明活性炭粒徑越小越有利于對有機(jī)物的去除，故下層活性炭吸附效果沒有上層好。對于降解作用，上層微生物群落的活性較高，使得易于生物降解的有機(jī)物得以迅速轉(zhuǎn)化。相較之下，下層微生物的降解能力較弱，限制了對有機(jī)物的去除效率。因此，炭砂濾池的吸附和生物降解過程在空間分布上呈現(xiàn)出層級性，上層活性炭因其物理特性和微生物活性的優(yōu)勢，對污染物的整體去除效率起著決定性作用。

3結(jié)論

此研究通過分析COD_Mn和2-MIB去除效果，結(jié)合SEM觀察生物膜形態(tài)及測定濾料表面生物量可知，活性炭層厚度在0.5m～1.0m的炭砂濾池處理微污染水源水及應(yīng)對季節(jié)性水質(zhì)波動時，可發(fā)揮吸附與生物降解雙重作用，實(shí)現(xiàn)高效水質(zhì)凈化。新建／改擴(kuò)建水廠宜采用此厚度設(shè)計活性炭層。在受到經(jīng)濟(jì)成本、用地限制以及技術(shù)與管理水平限制的水廠升級改造中，普通砂濾池改炭砂濾池可行，是應(yīng)對原水有機(jī)微污染的有效方式。為提升炭砂濾池效能，可實(shí)施曝氣等強(qiáng)化措施增強(qiáng)生物活性，并考慮與微絮凝、預(yù)氧化等工藝集成，具體依原水水質(zhì)與水廠實(shí)際情況選擇，以充分發(fā)揮過濾工藝在飲用水處理中的優(yōu)勢。