富營養化條件下聯合處理濾池適應優化研究

聶榮飛，趙 曦

（1.山東省絲路投資發展有限公司，山東 濟南；2.山東省工程咨詢院，山東 濟南）

前言

近些年，由于大量施加化肥農藥、污水排放不規范等原因，我國眾多地區地表水中磷、氮總量嚴重超標，進而導致藻類雜質急劇增長，出現了富營養化的問題，這給水廠濾水處理帶來了嚴峻的挑戰[1-2]：在沉淀階段，藻類分泌物與混凝劑水解物發生反應，降低絮凝效果，較小體積的藻類雜質不可避免地混入濾池；在濾水階段，藻類細胞及其分解物黏附于濾層，導致濾料結塊堵塞，出水濁度上升，過濾周期縮短。對此，本文在濾柱模擬實驗基礎上，結合多年實際應用經驗，提出化學- 物理- 生物聯合處理濾池優化方法，為富營養化進水條件下水廠濾池工藝改進提供技術支撐。

1 實驗背景

1.1 水源水質

本文所做實驗主要依托于黃河下游某水廠進行，該水廠水源為引黃水庫。作為黃河下游城市重要水源之一，許多引黃水庫在近些年出現了氮磷元素含量超標、有機質污染、藻類爆發等富營養化問題。

本次實驗季節為夏季，使用玻璃濾柱裝置進行，以水廠運行過程中的沉淀池斜管出水作為實驗進水。在實驗期間，盡管水廠在前段工序中已經投加高錳酸鉀（12 mg/l）和二氧化氯（7～8 mg/l）進行預處理，但沉淀出水中藻類仍達到近2 000 萬個/升。期間濾柱進水水質主要指標如表1 所示。

表1 濾柱進水水質主要指標

1.2 水廠當前工藝及存在的問題

該水廠建成已近30 年，當前供水能力為5 萬方/天。其濾池濾料為均質石英砂，厚度120 cm，砂質粒經為0.85 mm～1.1 mm；承托層厚10 cm，礫石粒經為2 mm～8 mm；單濾池過濾面積為46 m2，濾速一般為為8 m/h，氣沖 強 度 15 L/m2.s，水 流 反 沖 洗 強 度 約8 L/m2.s。

實驗期間處于夏季，正是藻類爆發期，經過對水廠的出水檢測，發現隨著夏季的到來，進水水源中藻類增加，水廠濾池出現嚴重的顆粒穿透問題，出水顆粒數達到其他季節的8 倍，濁度也相應升高，過濾周期更是由原來的24 h 減少到8 h。富營養化進水條件下水廠的出水效率和水質已經受到嚴重影響。

2 優化實驗

2.1 煤- 砂雙層濾料物理優化

2.1.1 實驗設計

本項實驗通過變換濾料和濾層來模擬四種濾池[3-4]，分別是常規的級配石英砂濾柱（A）、本水廠的V 型均質石英砂濾柱（B）、無煙煤- 石英砂雙層濾柱（C）和活性炭- 石英砂雙層濾柱（D）。在相同進水條件下，監測各濾柱出水的顆粒數、濁度和水頭損失情況，對比分析在富營養化進水條件下的濾水效果，從而篩選出更能適應富營養化高藻水體的濾料結構。各濾柱參數如表2 所示。

表2 實驗濾柱參數

2.1.2 實驗結果

實驗發現，在富營養化水體進水條件下，各濾柱的出水濁度有比較明顯的下降趨勢，其中活性炭- 石英砂雙層濾柱出水濁度較其他濾柱明顯更好。同時出水顆粒數與濁度基本呈現正相關，但是不同濾柱存在明顯差異，單層砂質濾料的處理效果要比雙層濾料更差。在水頭損失方面，均質和級配石英砂濾柱的水頭損失主要在表層，未能發揮中下層的截污能力，過濾周期較短；活性炭- 石英砂雙層濾柱吸附能力強，水頭損失在11 h 就增長到150 cm，過濾周期同樣較短；無煙煤- 石英砂雙層濾料濾柱在過濾周期上具有明顯的優勢。

2.1.3 物理優化分析

在富營養化水質條件下，級配石英砂和均質石英砂濾料的過濾功能均受影響。藻類在石英砂濾料表層聚集形成絮狀物，嚴重堵塞，大幅縮短過濾周期；砂雙層濾池吸附能力強，出水濁度和顆粒數表現較好的同時堵塞也加快，水頭損失增長迅速。相比之下，無煙煤- 石英砂雙層濾柱表現出更好的適應能力，是因為表層無煙煤的粒徑在1.2 mm以上，能夠防止藻類堵塞濾料表層，從而延長過濾周期。因此可以考慮在傳統石英砂濾料表層增加10 cm無煙煤，來增強濾池對富營養化水體的適應性[5]。

圖1 不同濾柱的濁度及過濾時間

實驗中發現出水濁度和顆粒數下降速度加快的同時水頭損失也明顯增長，說明對富營養化水體中的藻類等雜質主要依靠濾料的機械阻攔，凈化機理過于單一，即使是物理優化后的無煙煤雙層濾柱，對出水濁度和顆粒數的控制效果也并不佳，需要進一步改善。

2.2 次氯酸鈉助濾劑化學優化

2.2.1 實驗設計

實驗期間，進水中含藻類8 000～12 000 萬個/L，盡管水廠在預處理環節添加了大量二氧化氯和高錳酸鉀，但濾柱進水中藻類仍然達到約2 000 萬個/升，可見僅靠預處理效果并不理想。因此本實驗考慮繼續利用前一節的實驗濾柱，投加次氯酸鈉助濾劑，利用其強氧化性進一步殺死并分解藻類。本實驗使用的是有效氯（Cl）≥10%的純次氯酸鈉溶液，同時利用3 mg/L 的聚合氯化鋁鐵進行混凝，使用蠕動泵將助濾劑與濾柱進水充分混合，并進行了0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L 劑量下的對比試驗，以各組出水顆粒數對比結論為依據選出最優劑量，然后在最優劑量下測試水頭損失和出水濁度情況[6]。

2.2.2 實驗結果

水中顆粒懸浮物會導致致病微生物的大量繁殖，要想保證出水水質，必須增強濾池對顆粒物的去除能力。實驗中，如圖2 所示，投加次氯酸鈉后出水顆粒總數呈現下降趨勢，且在2 mg/l 的投加量下，顆粒數下降至600 個/ml；同時檢測對比顆粒物粒徑可以發現，次氯酸鈉對2～5 μm的較小粒徑顆粒物去除效果最好。基于顆粒數實驗結果，我們選取兼具處理效果和用量控制2 mg/l 投加量，繼續進行出水濁度和水頭損失實驗研究。數據如圖3 所示，投加次氯酸鈉大大降低水頭損失，過濾周期增長近1.5 倍；但投加次氯酸鈉后的出水濁度不降反升。

圖2 不同次氯酸鈉投加量下出水顆粒數情況

圖3 2 mg/l 次氯酸鈉投加量下出水濁度和水頭損失情況

2.2.3 化學優化實驗分析

化學優化后各濾柱出水顆粒數明顯降低，出水水質得到改善；當投加2 mg/L 的次氯酸鈉時，過濾效果較之前下降更為明顯，過濾周期會延長一倍。對此，本文認為，一方面，次氯酸鈉能殺死藻類，防止在濾料表層形成絮狀阻塞[7]；另一方面，投加次氯酸鈉可能改變了藻類顆粒物表面的排斥作用，并且破壞水中雜質表面的包裹物，使濾料更容易地將雜質捕獲，因此而實現了濾柱優化的效果。然而，在顆粒數下降的同時出水濁度反而升高，本文分析認為，可能是次氯酸鈉在殺死藻類以后釋放了許多脂質、果膠類、纖維素等大分子物質，對此需要進一步優化[8]。

2.3 酶法輔助作用下的聯合處理優化

前文分別講述了富營養化進水條件下添加次氯酸鈉助濾劑和改用雙濾層兩種濾池優化方式，但均存在一定的局限性，難以兼容出水水質和過濾周期，特別是在夏季藻類爆發期，出水濁度更難以控制。對此，本節在已有實驗基礎上引入生物酶法進行聯合處理優化。聯合處理是指將化學法、物理法和生物法進行三維技術耦合，發揮三種技術的多維協同作用，克服單一優化方式的不足，進而較大程度提高過濾效率。

2.3.1 生物酶的特點及作用機理

生物酶具有高催化效率、高度專一性和溫和條件反應等特點。其催化效果比一般無機催化劑高105～108倍；大多數生物酶只針對一種底物進行催化反應，從而能夠更加便捷地用于工業控制；同時生物酶對于反應溫度要求不苛刻，也有利于拓展增加應用場景，減少能耗。當然影響生物酶活性的因素也有很多：隨著pH 值變化，其活性曲線基本都呈鐘罩形，存在一個最適pH；隨著溫度升高，活化分子數量增加，酶促反應速率加快，但高溫也會使得酶失活，因此同樣存在最適溫度問題；生物酶的催化效果與濃度基本正相關，但隨著濃度增加，速率增長會偏離直線關系并趨于平緩；適當機械攪動也可以促進生物酶進入底物分子孔隙的機會，從而提高催化反應速率。

生物酶的作用機理[9]有多種，比如通過互補形狀的活性口袋與底物結合形成暫時的共價中間體、改變底物形態結構、或者創建分布電荷互補的環境等方式，降低主反應過渡態的能量躍遷，從而在不被消耗的條件下，加快反應效率。

2.3.2 生物酶在聯合處理濾池優化中的應用建議

富營養化水體中的藻類是一種單細胞植物或細胞聚合群落。藻類細胞中含有大量的果膠類物質，其中果膠分子羧基上的H+容易被水中游離的Mg2+、Ca2+等正價離子取代產生不易溶于水的鈣鹽、果膠酸鎂等；另外，這類羧基還可能與纖維素中的羥基形成酯鍵、氫鍵，這些分子形態均會使網狀的果膠物質疏水性更加強烈，外在表現為水的濁度升高[10]。

結合前節優化實驗結果，本文認為在濾池環節引入生物處理工藝，先后經過掛膜及人工馴化過程，最終使微生物穩定附著在濾料表面形成生物膜[11]，并代謝繁殖產生以果膠酶為主、輔以脂肪酶、纖維素酶的復合酶，將藻類物質分解后產生的果膠類疏水大分子催化水解為小分子和無機元素，從而有效緩解投加次氯酸鈉后出水濁度上升的問題。

結束語

為研究解決富營養化進水條件下濾料結塊堵塞、過濾周期縮短、出水濁度上升等問題，本文以夏季藻類爆發期某水廠的沉淀池出水為實驗進水，利用玻璃濾柱裝置模擬了物理、化學兩種優化場景，發現：無煙煤- 石英砂雙層濾料針對富營養化水體的適應性更好，但存在凈化機理過于單一、對出水濁度和顆粒數的控制效果不佳等問題；次氯酸鈉對出水顆粒數有明顯的優化效果，但導致出水濁度升高。最后，在前述實驗結論、多年實際應用經驗以及對生物酶機理分析的基礎上，本文給出了酶法輔助作用下的聯合處理優化方式，將化學法、物理法和生物法進行三維技術耦合，從而較大程度提高濾池針對富營養化水體的適應效能。