微污染水源水處理技術的研究及發展現狀

朱雪燕，李 杰，邊云峰，陳泳帆

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730700)

1 引言

近年來由于地下水的過度開采利用，使得地下水位急劇下降，因而各種地表水源(江河、湖泊、水庫等)已經成為了人們用水的主要來源。現有常規處理工藝(混凝→沉淀→過濾→消毒)主要是去濁和殺菌，隨著微污染水中有機物種類和數量激增以及藻類的大量繁殖，對微污染水源水中的溶解性有機物、氨氮等的去除能力十分有限，已無法滿足人們對于飲用水安全性的需要[1]。；同時我國生活飲用水水質標準也與時俱進，日益嚴格，微污染水源水處理過程中的新問題將不斷出現。圍繞原水水質不同、出水水質要求各異以及技術經濟條件局限等特點，尋求行之有效的處理技術是目前研究和實踐的重點[2]。

2 微污染水源水水質特點

當前，微污染水主要是指受有機污染的水源水，有機污染物一部分源于生活性有機污染，其主要污染指標為高錳酸鹽指數和氨氮；另一部分來源于工業性有機污染，其主要污染指標為人工合成有機物，對飲用水水質和人體健康危害較大。污染水質的檢測指標主要有高錳酸鹽指數和氨氮濃度，污染水源水的物理、化學和微生物指標不能達到相關標準，具有有機物綜合指標較高、嗅味明顯和氨氮濃度較高的特點[3]。全國地表水所覆蓋的七大流域以及其他眾多河流域中Ⅰ類水質斷面占2.7%、Ⅱ類占38.1%、Ⅲ類占31.3%、Ⅳ類占14.3%、Ⅴ類占4.7%、劣Ⅴ類占8.9%，主要是集中在海河、淮河、遼河和黃河流域，主要污染指標為化學需氧量、五日生化學氧量和總磷[4]。

3 微污染水源水的處理技術現狀

3.1 強化常規處理技術的現狀

3.1.1 化學氧化預處理

在給水工藝前段加入強氧化劑，利用化學氧化劑的氧化能力氧化、分解有機污染物，從而提高后續工藝及整體工藝的處理效果[5]。高錳酸鉀及其復合藥劑在去除有機污染物、藻及藻臭、色度及濁度、重金屬離子等方面有很大優勢[6～8]。化學氧化預處理中的化學氧化劑雖然可以有效地去除水中的污染物，但是昂貴的運行費用限制了它前面的推廣應用。根據處理水質確定合理加藥量具有經濟效益，而且對于控制副產物的產生和防止氧化過度，對后續常規處理效果的不利影響有積極意義。

3.1.2 強化混凝

強化混凝處理過程是通過投加一些電解質使水中的細小顆粒相互聚集形成絮狀大顆粒，從而改變水中粘土和細菌等懸浮固體的存在性質和狀態，以利于后續工序的去除過程[9]。殼聚糖改性后的硅藻土可以提高微污染水處理中的混凝/絮凝/沉淀過程[10～13]。強化混凝傳統凈水處理是目前控制水廠出水有機物含量最經濟最有效的手段，它具有操作簡便、適應性好、投資少、運行費用低、周期短、見效快等優點，便于推廣應用[14]。

3.1.3 強化過濾

強化過濾的主要目標一是濾池有機污染物去除效果的提高，二是濾池濁度去除效果的提高[15]。臭氧—活性炭和BAF—生物強化過濾工藝處理微污染水,使得水中有機物和氨氮等污染物質被有效去除[16～18]。改性濾料還處于實驗階段,對改性濾料的實際運行情況濾料厚度、濾料的級配、濾速、反沖洗強度、過濾周期及表面涂層在反沖強度下的附著等有待做進一步的分析和研究[19]。生物強化過濾以經濟、高效的特點尤顯出在工程應用中的可行性，但國內相關研究的缺乏阻礙了生物強化過濾技術的應用。

3.2 生物預處理工藝的現狀

生物預處理工藝主要是借助于微生物群體的新陳代謝活動，去除水源水中的有機物，主要包括腐殖酸、氨氮和硝酸鹽等[20]。目前研究應用的生物預處理工藝主要有生物接觸氧化池、生物濾池、生物流化床、生物轉盤等。

3.2.1 生物接觸氧化池

生物接觸氧化池中齒輪型流化生物載體對氨氮的去除效果較好，但它對有機物的去除不穩定[21，22]。唐文鋒等[23]采用改性懸浮填料生物接觸氧化預處理微污染水源水，經過三周自然掛膜成功穩定運行后對氨氮有較好的去除效果，而對CODMn、TN和濁度去除效果相對較低。生物接觸氧化法的優點是處理能力大、對沖擊負荷有較強的適應性、污泥生成量少；缺點是填料間水流緩慢、水力沖刷小。另外填料價格較貴，加上填料的支撐結構導致投資費用較高。

3.2.2 生物濾池

輕質濾料生物濾池對微污染原水有較好的處理效果，同時有一定的抗沖擊負荷能力。在混合水質濃度變化不大的情況下，采用輕質濾料曝氣生物濾池對微污染源水進行處理，氨氮的去除率可達到80%；在溫度較低的情況下，氨氮的去除率仍能達到60%～80%[24～26]。曝氣生物濾池處理技術不僅可以減少消毒過程中的氯氣消耗量、減少水中鹵代有機物的生成量、降低給水管網中細菌滋生的可能性、提高飲用水的安全性，而且還可以降低混凝劑的投加量，降低運行成本，使后繼處理變得簡單容易[27]。

3.2.3 生物流化床

生物流化床反應器是將傳統活性污泥法和生物膜法相結合并引入流態化技術應用于水處理的一種新型生物膜水處理工藝。方建文[28]以兩級串聯生物流化池反應器為研究對象，結果表明流化床在常溫條件下運行，水力停留時間為2 h，曝氣強度為5 m3/m2時對有機物和氨氮的處理效果最佳。生物流化床在生物氧化的同時具有很好的生物絮凝效果，源水經生物流化床處理濁度降低，去除氨氮可相應節省80%左右的加氯量，并可適當節省加礬量，從而降低了日常運行的費用，并且解除了人們因過量加氯引起的飲水安全方面的擔憂[29]。

3.2.4 生物轉盤

納米凹凸棒土復合親水性聚氨酯泡沫作為新型載體材料負載在生物轉盤上處理微污染河水，實驗結果表明生物轉盤上負載聚氨酯泡沫可強化生物轉盤的處理效果[30]。新型改性生物轉盤雖然吸附性能好，盤片比表面積大，但改性活性炭和石英砂材料存在機械強度差缺陷、盤片易開裂，聚氯乙烯盤片存在老化的現象，限制了其在實際水處理工程中的推廣應用[31～34]。生物轉盤上生物膜的表面積大，生物量豐富，硝化過程充分，且能解決濾料堵塞的情況，清理維修較方便；生物轉盤還存在接觸時間較長、占地大、塑料盤片價格高的缺點。

3.3 深度處理技術現狀

深度處理技術是目前微污染水源水處理領域研究和關注的熱點，也是應對地表水源污染日益嚴重、保證水廠出水達標、保障飲用水安全的最有效的對策之一[35]。

3.3.1 臭氧―活性炭深度處理

為了提高城市生活飲用水的水質， Kyoung Suk Kim[36，37]等在飲用水常規處理單元的基礎上增加了臭氧氧化―活性炭處理，經試驗發現臭氧氧化對比紫外吸光值有明顯的降解效果，同時可改善水質的親水特性。賈鼎等[38，39]將生物濾池和臭氧活性炭工藝聯用處理微污染河水，結果表明各個單元單獨處理河水的效果不理想，但單元間的聯用對河水有很好的處理效果。針對臭氧活性炭工藝處理飲用水水質安全性問題，調查結果表明臭氧活性炭技術并沒有存在微生物安全問題，但應該加強運行管理[40，41]。

3.3.2 膜過濾深度處理技術

膜過濾技術在微污染水處理中具有廣闊的應用前景，它可以有效地去除水中的嗅味、色度、消毒副產物前體物及細菌等[42，43]。鑒于陶瓷超濾膜對于水中小分子量天然有機物去除的局限性，可采用離子交換樹脂來提高超濾膜的滲透性能進而顯著地提高出水水質[44～46]。循環式磁力絮凝膜過濾結合了循環凝聚、磁力強化絮凝及膜過濾等多個單元，成為地表微污染水處理的新型方式[47～49]。Tengfei Ma等人[50]通過研究濾速對溶解性有機氮濃度的影響來控制DON的產生，試驗表明濾速為0.5 m/h時DON的濃度呈現出急劇增長地趨勢。PAC-UF及氯化鐵-UF組合工藝對于微污染水體中的天然大分子有機物和小分子有機物均具有較好的去除效果[51，52]。

3.3.3 光催化氧化技術

隨著對環境污染控制研究的日益重視，光催化氧化法被應用于氣相和液相一些難降解污染物的治理研究并取得了顯著效果[53]。趙緒蘭等人[54]提出了一種新型的生物-光催化氧化集成工藝來處理微污染水源水，對比實驗處理效果得出停留時間和初始濃度對氨氮的去除效果影響較明顯。高湘等[55，56]研究了以光催化微臭氧氧化為主體的光化學激發氧化技術，結果表明利用光催化微臭氧氧化法能有效地去除水中腐殖酸。納米二氧化鈦具有降解有機物和無機物的能力，同時還具有殺死細菌的功效；將二氧化鈦固定在玻璃纖維網上形成催化膜深度凈化飲用水，有機物總量的去除率達60%以上、細菌總數也明顯降低[57～60]。用光催化氧化法對微污染水進行一次處理，再用載有銀活性炭吸附法進行二次處理從而得到最終出水，該法對微污染水表現出較好的水處理性能而且在技術、經濟上也具有較大的優勢[61，62]。

4 結語

面對有機污染物日益嚴重的水源水，生產合格的飲用水是水處理工藝選擇的基本原則，基建投資、運行成本和維護管理是水處理工藝選擇的必要條件以及不同水源水水處理工藝選擇的關鍵因素。總體來說,生物法處理是一種經濟有效且在毒理學上較安全的方法，強化混凝、強化過濾是目前最經濟最有效的方法之一，可它在基本維持水廠原有處理設施的情況下實現，而且其作用存在一定的局限性；化學預氧化給水處理效果很高，但設備相對復雜，較高的運行和操作以及設備成本限制了它們的推廣使用；深度處理工藝處理效果好，但處理成本較高難以滿足廣泛使用的目的；生物處理技術呈現出經濟、有效且在毒理學上安全的方法，可有效地減少水中“三致物質”的生成量，并且運行費用低、投資少是處理微污染水源水的優選方法。

ResearchandDevelopmentStatusofWaterTreatmentTechnologyforMicro-pollutedWaterSource

Zhu Xueyan, Li Jie, Bian Yunfeng, Chen Yongfan

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou, 730700,China)

Abstract: In recent years, with the rapid growth of China’s economy and the continuous improvement of urbanization level, the problem of water environment pollution is becoming more and more serious. According to the requirement of the drinking water quality standards in China,this article discussed the domestic micro-polluted source water treatment technology and analyzed its suitable development direction.

Keywords: micro-polluted source water;water quality characteristic;enhanced conventional treatment; biological pretreatment; advanced treatment