飲用水預臭氧化與預氯化工藝處理效果對比

趙 宇， 張怡然， 陳卓然， 魏振彥

(1. 天津泰達水業有限公司， 天津 300457； 2.天津泰達津聯自來水有限公司， 天津 300457)

水廠的前處理工藝中投加氯進行預氧化，既可氧化部分有機物，還能提高混凝沉淀效果[1-2]。但預氯化過程中會產生鹵代消毒副產物，當水源中酚類物質含量較高時，易生成具有強烈刺激性氣味的氯酚類物質[3]。與其他常用的化學氧化劑相比，臭氧具有較強的氧化能力，可以氧化分解水中許多有機污染物，且具有殺菌、脫色、除藻和改善絮凝等作用[4-8]，已經逐漸應用于對原水的預氧化處理。筆者通過考察相關水質指標，對比分析了預氯化和預臭氧化工藝在水廠實際運行中的效果。

1 試驗概況

1.1 水廠工藝流程

天津某水廠總設計產水能力為32.5×104m3/d，分三期建成。二期采用常規處理工藝，即：預氯化—管道式靜態混合器—雙層回轉隔板反應池—斜管沉淀池—V型濾池和濾前濾后兩點加氯消毒[9]。

三期工程設計產水能力為15×104m3/d，于2009年7月底建成通水[10]，原水與二期工程相同。其水處理工藝為：預臭氧—機械混合—上向流炭吸附脈沖澄清池—V型濾池—紫外線+氯聯合消毒處理，其中紫外線+氯聯合消毒技術是國內城市凈水廠工程中首次投產使用[9]。

1.2 水廠取樣點

如圖1所示，在三期工藝設置5個取樣點，分別記為原水、預臭氧、濾前臭氧、濾后臭氧和UV+氯。二期工藝設置4個取樣點，分別記為預氯化、濾前氯、濾后未加氯和濾后加氯。

圖1 水廠工藝流程與取樣點示意Fig.1 Process flow of waterworks and sampling sites

1.3 原水水質

試驗期間，原水處于高溫高藻期，濁度較高，藻類數量較大，水質見表1。

表1 原水水質Tab.1 Quality of raw water

1.4 檢測指標與方法

pH：玻璃電極法，Mettler Toledo 320型pH計；濁度，分光光度法，HACH 2100N濁度儀；UV254，紫外分光光度法，HACH DR/4000U紫外可見分光光度計；藻類，固定染色計數法，Nikon SMZ1000顯微鏡；葉綠素a，分光光度法，HACH DR/4000U紫外可見分光光度計。

2 結果與討論

2.1 對濁度的去除效果

濁度主要是不溶性的絮狀物或膠狀物[11]。從圖2可以看出，原水經預臭氧化處理后，濁度并未明顯下降，有時反而會略有升高。這是因為在臭氧氧化有機物的過程中，有機物分子中許多碳原子的位置由氧原子占據，形成羧酸、醛、酮、醇。這些產物比未經臭氧處理的化合物具有更高的極性，能夠與氫結合，提高分子量，與鐵、鋁這類多價金屬陽離子接觸后會導致氧化產物出現絮凝現象，引起濁度升高[12]。

圖2 各工藝單元對濁度的去除效果Fig.2 Removal effect of turbidity by each process unit

原水經過預氯化處理后，濁度有較大幅度的下降，去除率可達到30%～50%，減輕了后續常規處理的壓力。經過三期和二期工藝處理后，出水濁度分別在(0.183～0.602)和(0.250～0.502) NTU，最高去除率分別為99.06%和97.42%。雖然預臭氧化處理對濁度的去除效果微弱，但整套工藝對濁度的去除效果較高。預臭氧化工藝具有一定的助凝效果，有利于后續工藝對濁度的去除。

2.2 對UV254的去除效果

圖3 各單元對UV254的去除效果Fig.3 Removal effect of UV254 by each process unit

經過整個三期工藝處理后，UV254去除率最高可達70.85%，平均去除率為55.29%，出水最低UV254為0.014 4 cm-1。而整個二期工藝對UV254的去除率較低，最高去除率為55.92%，平均去除率只有33%。可見，預臭氧化對UV254有明顯的去除作用，整個預臭氧工藝對UV254的去除效果明顯優于傳統的預氯化工藝，有助于降低消毒副產物的生成。

2.3 對藻類的去除效果

藻類會影響混凝和沉淀的處理效果，高濃度的藻類會提高混凝劑投加量，并造成濾池的堵塞，縮短濾池過濾周期。此外，藻類容易致臭并產生藻毒素，和氯作用形成氯化消毒副產物，降低飲用水安全性[16]。試驗期間，灤河水大都處于高溫高藻期，如何去除原水中大量的藻類成了該水廠的一個難題。

原水經預臭氧化處理后，藻類數量有了較大幅度下降，去除率在12.50%～73.76%之間，平均去除率為40.37%，見圖4。臭氧能夠破壞藻類細胞組織，氧化藻細胞內的葉綠素，提高藻細胞的可沉降性，這也有利于后續混凝除藻[17]。而預氯化對藻類去除效果較差，平均去除率僅為27.73%。原水經三期工藝處理后，藻類去除率最高可達96.53%，平均去除率為87.54%。二期工藝對藻類的最高去除率為93.75%，平均去除率為84.90%。相對于預氯化，預臭氧化可以使藻類釋放胞外有機質，使藻細胞變小，并且有效減少藻類的數量，減輕后續處理單元的負荷。

圖4 各單元對藻類的去除效果Fig.4 Removal effect of algae by each process unit

2.4 對葉綠素a的去除效果

葉綠素a數值的高低與水體中的藻類密度有直接關系，并可反映水體富營養化程度。從圖5可以看出，原水經預臭氧化處理后，葉綠素a有一定程度的下降，最高去除率可達93.95%，平均去除率為55.53%。預氯化對葉綠素a的最高去除率為84.99%，但平均去除率高于預臭氧，為82.31%。

圖5 各單元對葉綠素a的去除效果Fig.5 Removal effect of chlorophyll-a by each process unit

原水經過二期或者三期工藝處理后，對葉綠素a的最高去除率都達到了100%，平均去除率分別為99.23%和96.93%。這說明，雖然預臭氧化處理對藻類的去除程度顯著高于預氯化，但是單獨預臭氧化對葉綠素a的去除效果不如預氯化單元。總體上，三期整個工藝對葉綠素a的去除效果略好于二期工藝，這也間接說明預臭氧化工藝更有利于藻類的去除。

3 結論

① 預臭氧化單元對濁度和葉綠素a的去除效果不及預氯化單元，但“預臭氧化—紫外線+氯聯合消毒”工藝對兩者的去除率略高于傳統的“預氯化—加氯消毒”工藝。

② 預臭氧化單元對UV254和藻類的平均去除率分別為34%和40.37%，優于預氯化單元的9.35%和27.73%。預臭氧化不僅大大減輕了后續處理單元的負擔，還有助于減少消毒副產物的生成，提高飲用水的安全性。

③ 水廠三期“預臭氧化—紫外線+氯聯合消毒”工藝對UV254和藻類的平均去除率分別為55.29%和87.54%，優于 “預氯化—加氯消毒”工藝的33%和84.54%。