臭氧生物活性炭與膜組合工藝在某水廠深度處理工藝中的應(yīng)用

彭 祥,張 曉,曹 勛,李寅森,丁新春 ,李冬梅

(1.鹽城大豐自來水有限公司,江蘇大豐 224100；2.南京大學(xué)鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院,江蘇鹽城 224000)

鹽城地處淮河下游，飲用水源屬于以氨氮和有機物污染為主的微污染水源，飲用水源全年大部分時段可以滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是豐水期由于水源地沿線農(nóng)業(yè)面源的大量入河，耗氧量、氨氮、總磷、溶解氧、鐵及錳等指標(biāo)偏高，超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)處理工藝以去除濁度和細菌為主，對水中有機物的去除能力有限[1-2]，在水廠進行消毒過程中會產(chǎn)生一些“三致”消毒副產(chǎn)物(DBPs)，如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)等，對人體健康產(chǎn)生危害，并且水中的溶解性有機污染物(DOM)也會降低管網(wǎng)水質(zhì)生物穩(wěn)定性[3]。

近年我國陸續(xù)將臭氧-生物活性炭工藝應(yīng)用于生產(chǎn)實踐[4-6],取得了較好效果。但在該工藝運行過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如出水微生物泄漏、藻類及水生動物過度繁殖等問題，成為威脅水安全的潛在風(fēng)險[7]。

隨著居民生活水平的提高，對供水水質(zhì)的要求也越來越高，膜處理技術(shù)也應(yīng)運而生，成為目前國內(nèi)外水處理研究和應(yīng)用的熱點[8-10]。膜處理工藝可以有效去除微量有機污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物，提高和保證飲用水水質(zhì)的安全。除此之外，還有如下優(yōu)勢：

(1)出水水質(zhì)優(yōu)良(超濾能夠有效去除隱孢子蟲、賈第蟲等傳統(tǒng)工藝不能去除的微生物，納濾可以去除殺蟲劑、除草劑及抗生素等突發(fā)性污染水體)；

(2)膜系統(tǒng)系統(tǒng)場地面積小、建設(shè)周期短；

(3)膜系統(tǒng)自動化程度高；

(4)膜系統(tǒng)工藝流程短，使用靈活。

1 水廠工藝介紹

水廠水源地地處淮河下游，水源水季節(jié)性污染嚴(yán)重，為保證豐水期供水安全，水廠將O3-BAC、膜處理工藝進行耦合，水廠工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Water Treatment Plant

其中常規(guī)處理及O3-BAC深度處理工藝規(guī)模為15萬m3/d，超濾為5萬m3/d，納濾為2 000 m3/d。其中超濾、納濾為示范工程，從上一處理單元引入部分水量，出水都匯總至水庫進行氯消毒。當(dāng)?shù)乇硭词艿絿?yán)重污染時，可以考慮采用地下水為水源，按照供水區(qū)域每天每人2 L飲水估算，深井取水設(shè)計水量定為2 000 m3/d。因此，納濾處理量定為2 000 m3/d，作為應(yīng)急供水的儲備水源。

表1 各工藝單元具體參數(shù)Tab.1 Specific Parameters of Each Process Unit

2 水廠工藝運行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 不同水處理工藝對常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的影響

表2 各處理工藝出水常規(guī)指標(biāo)和陰離子平均值Tab.2 Conventional Indexes and Anion Mean Value of Each Process Effluent

由表2和圖2、圖3可知，由原水到最終納濾出水，水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及陰離子指標(biāo)均呈現(xiàn)整體降低趨勢，去除率呈整體上升趨勢，其中納濾工藝對于陰離子指標(biāo)去除效果明顯，納濾出水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)相關(guān)要求。

圖2 各處理工藝對常規(guī)指標(biāo)去除率Fig.2 Removal Rates of Each Process for Conventional Indexes

圖3 各處理工藝對陰離子指標(biāo)去除率Fig.3 Removal Rates of Each Process for Anion Indexes

經(jīng)過常規(guī)處理后，原水中常規(guī)指標(biāo)(濁度、氨氮及CODMn)得到有效去除，濁度由47.9 NTU降至0.44 NTU，氨氮由原來的0.58 mg/L降至0.31 mg/L，CODMn由5.57 mg/L降至3.08 mg/L，去除率分別達到99.1%、46.6%、44.7%，其中經(jīng)常規(guī)處理工藝后CODMn含量仍高于我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，說明僅僅依靠常規(guī)處理工藝不足以滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過O3-BAC工藝處理之后，污染物得到進一步去除，CODMn濃度低于標(biāo)準(zhǔn)限值(3 mg/L)。O3-BAC出水經(jīng)過超濾處理后，水質(zhì)變化不顯著，說明臭氧生物活性炭-超濾組合工藝對污染物的去除集中在臭氧生物活性炭階段，與許航等[11]、竇建軍[12]的研究結(jié)果一致。超濾出水進入納濾后，水質(zhì)進一步提升，濁度由0.25 NTU降至0.15 NTU，氨氮由0.18 mg/L降至0.03 mg/L，CODMn由1.9 mg/L降至0.65 mg/L，去除率分別達到99.7%、94.8%、88.3%。納濾出水濁度較高，可能是調(diào)試階段膜工程間歇式運行以及采樣的偶然誤差引起的，有待后續(xù)研究進一步認(rèn)證。

2.2 不同水處理工藝對消毒出水中消毒副產(chǎn)物的影響

為考察各處理工藝對消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物的去除效果，分別取砂濾、O3-BAC、超濾及納濾出水，測定消毒前各水質(zhì)指標(biāo)，之后加入一定量液氯溶液，保持水中初始余氯量為2.00 mg/L左右，靜置避光放置30 min后，測定消毒后各水質(zhì)指標(biāo)值。

2.2.1 常規(guī)指標(biāo)及余氯變化情況分析

由表3可知，經(jīng)過消毒處理后，各處理工藝出水中余氯濃度、氨氮、CODMn都有所下降，各工藝出水消毒后余氯含量大小依次為砂濾

表3 消毒前后水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)及余氯變化情況Tab.3 Water Quality Changes of Conventional Indexes and Residual Chlorine before and after Disinfection

氯易與水體中天然有機質(zhì)、還原性物質(zhì)以及氨氮發(fā)生反應(yīng)，這是氯在消毒過程中快速衰減的主要原因，相比于O3-BAC、超濾及納濾，砂濾出水含有較高的有機質(zhì)、氨氮等物質(zhì)，因此砂濾出水中余氯消耗最快，消毒30 min后，余氯含量最低，僅為0.84 mg/L。在消毒過程中，水中氨氮與水中的自由氯反應(yīng)產(chǎn)生化合性余氯氯胺，由于測氨氮未脫氯，導(dǎo)致水中氨氮濃度有所下降。

氯一方面可以將水體中的大分子難降解的有機物氧化成可降解的小分子有機物，另一方面可以將小分子有機物直接氧化成二氧化碳和水，而后者的作用大于前者，這是水體CODMn含量下降的主要原因[14]。

2.2.2 消毒后消毒副產(chǎn)物(DBPs)變化情況

三鹵甲烷(THMs)主要包括三氯甲烷(chloroform)、二氯一溴甲烷(BDCM)、一氯二溴甲烷(DBCM)及三溴甲烷(bromoform)，鹵乙酸(HAAs)主要包括一氯乙酸(MCAA)、一溴乙酸(MBAA)、二溴乙酸(DBAA)、二氯乙酸(DCAA)、三氯乙酸(TCAA)、三溴乙酸(TBAA)、溴氯代乙酸(BCAA)、一溴二氯乙酸(BDCAA)及二溴一氯乙酸(CDBAA)，檢測方法均依照《生活應(yīng)用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》(GB 5750—2006)。

常規(guī)處理、O3-BAC、超濾、納濾四種工藝消毒出水的DBPs(包括THMs及HAAs)含量依次呈現(xiàn)降低趨勢(圖4、圖5)。

圖4 各處理工藝出水消毒后鹵乙酸生成情況Tab.4 Haloacetic Acid Generation of Each Treatment Process Effluent after Disinfection

圖5 各處理工藝出水消毒后三鹵甲烷生成情況Tab.5 THMs Generation of Each Treatment Process Effluent after Disinfection

三鹵甲烷含量分別為36.6、17.8、15.0、2.0 μg/L，鹵乙酸含量分別為356.9、108.4、88.6、50.8 μg/L。經(jīng)過O3-BAC工藝后，消毒出水THMs、HAAs含量分別降低18.8、248.5 μg/L，去除率達到51.4%、69.6%，說明O3-BAC可以有效降低水中的天然有機質(zhì)(NOM)含量，從而有效地抑制THMs及HAAs的生成。和O3-BAC相比，超濾出水THMs、HAAs含量僅降低了2.8、37.8 μg/L。經(jīng)納濾工藝后，消毒出水中THMs、HAAs含量進一步降低，濃度分別降至2.0、50.8 μg/L。各工藝消毒出水DBPs含量與水體CODMn含量成正相關(guān)關(guān)系，與牛志廣等[3]、陳卓華等[15]研究結(jié)果一致。由此可見，相比于傳統(tǒng)常規(guī)處理工藝，深度處理工藝能夠顯著削減水體天然有機質(zhì)(NOM)含量，從而有效地降低DBPs的生成風(fēng)險。

3 各工藝建設(shè)及運行成本分析

其中運行成本主要包括水費、電費、藥劑費、折舊費、膜更換費用、人工費等。

由表4可知，與超濾膜工藝相比，O3-BAC工藝建設(shè)成本相對較低，僅為207.88 元/t，但運行成本相對較高，平均高出0.054元/t；結(jié)合表2及圖3、圖4、圖5，O3-BAC工藝與超濾膜工藝對水質(zhì)指標(biāo)的效果相差較小，因此在實際工程應(yīng)用中建議考慮水源水質(zhì)情況，合理選用兩種工藝。納濾膜工藝建設(shè)成本及運行成本比超濾膜工藝分別高出2.6倍及2.1倍，相對而言，納濾膜處理工藝對常規(guī)及陰離子水質(zhì)指標(biāo)去除率也提高了20%以上，并且明顯降低了消毒出水DBPs含量。

表4 各工藝建設(shè)及運行成本Tab.4 Construction and Operation Costs of Each Process

4 小結(jié)與展望

(2)各處理工藝出水經(jīng)消毒處理后，THMs、HAAs生成量大小依次為常規(guī)處理>O3-BAC>超濾>納濾，其中O3-BAC工藝出水與超濾出水DBPs生成量相差不大，因此建議后期運行過程中采用O3-BAC+納濾或超濾+納濾，或兩者并聯(lián)使用，節(jié)約運行成本。

(3)相對于O3-BAC、超濾，納濾對飲用水濁度、CODMn、氨氮以及無極陰離子有較好的去除效果，且納濾能更好地抑制飲用水消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，但是其建設(shè)成本和運行相對較高，建議各水廠根據(jù)水質(zhì)情況，合理選擇納濾工藝。

(4)考慮到各工藝建設(shè)及運行成本，建議根據(jù)原水水質(zhì)情況，合理選用處理工藝，在枯水期水源水質(zhì)較好的情況下，單獨常規(guī)處理+O3-BAC工藝出水水質(zhì)即可達到我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，豐水期可聯(lián)合使用O3-BAC工藝+膜處理工藝，保證供水安全。

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