曝氣吹脫及氣洗炭池對水廠三氯甲烷的控制

齊天天,張 靜,溫 穎,張曉嵐,柴 文,顧軍農

(北京市自來水集團有限責任公司技術研究院,北京 100012)

氯消毒劑因具有操作方便、價格低廉的優點,在飲用水生產中的消毒及預氧化階段被廣泛應用,而氯消毒劑會與天然有機物(NOM)和無機物離子(如溴化物、碘化物)反應生成多種類型的消毒副產物(DBPs),如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)、水合氯醛、氯苯酚、碘化DBPs等,其中三氯甲烷是形成的最普遍的DBPs[1]。采用氯化消毒的地表水源飲用水廠出水的THMs各組分濃度分布為三氯甲烷>二氯一溴甲烷>一氯二溴甲烷>三溴甲烷,其中三氯甲烷占80%以上[2-3]。國際癌癥研究機構(InternationaL Agency for Research on Cancer,IARC)將三氯甲烷歸類為2B類致癌物[4],它可通過非遺傳毒性作用在肝臟、腎臟引發癌癥[5-6],同時具有生殖毒性[1,7]。世界衛生組織規定飲用水中三氯甲烷指導值為300 μg/L[8],我國目前實施的《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)中規定三氯甲烷不得超過60 μg/L。

目前,針對飲用水領域的揮發性有機物去除技術主要有活性炭吸附、光化學氧化、曝氣吹脫等,其中曝氣吹脫技術利用揮發性污染物在液相、氣相間的濃度差,使液相中的污染物轉移到氣相當中隨氣體排出[9],中間不造成二次污染,且成本是活性炭吸附的1/3～1/4[10]。同時,在129種美國環保局(USEPA)重點控制的水環境污染物中,可用曝氣法去除包括三氯甲烷在內的26種揮發性鹵代烴類及3種苯系物[11],表明曝氣吹脫工藝具有低成本、綠色高效、廣譜等優勢,具有良好的應用前景。

曝氣吹脫的主要形式有表面曝氣、填料床曝氣、折板曝氣、噴淋曝氣、鼓泡曝氣等,影響曝氣吹脫效果的因素主要有單位面積曝氣量、污染物初始濃度、污染物種類和溫度等。在飲用水處理方面,噴淋曝氣[12]、鼓泡曝氣[13]、填料曝氣[14]研究較多,但主要集中在水源水處理和用水端。而地表水廠通常采用預氯化工藝應對原水藻類問題,此階段會產生大量三氯甲烷。如何在后續工藝段去除這些已生成的三氯甲烷,保障出水質量,是水廠面臨的問題。本研究通過對北方某地表水廠運行數據進行分析,明確三氯甲烷生成量最大的點位,并建立中試試驗研究曝氣吹脫去除三氯甲烷,并通過氣洗方式提升炭池運行效果,為水廠控制三氯甲烷提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

本研究中試裝置由砂濾池、砂濾出水集水罐、活性炭池、曝氣系統等組成(圖1),水源為水廠沉淀出水,試驗時間選在7月—10月。砂濾池采用石英砂,粒徑為1.0～2.0 mm,濾料高度為60 cm,流量為4 L/min。炭濾料來源于E水廠(20×50目),炭齡為2.5年,濾料高度為80 cm,進水流量為1.2 L/min,濾速為3.6 m/h,空床接觸時間為15 min。砂濾出水集水罐直徑為60 cm,有效容積為200 L,曝氣點設置在罐底正中。

圖1 中試裝置示意圖

1.2 分析方法

使用氣相色譜儀(GC,Thermo Fisher Trace-3100)測定三氯甲烷,采用總有機碳/總氮分析儀(AnaLytik Jena MuLti N/C 3100)測定溶解性有機碳,采用流式細胞儀(BD Accuri C6)來測定水體中藻類數量。

取100 mL水樣,加入0.5 mL磷酸二氫鉀緩沖液調節pH(pH值為7.2±0.2)。由于水樣藻類較多,按照Cl∶DOC=10∶1[15]的加氯率加入次氯酸鈉,密封容器后放置于室內避光處靜置48 h,加入過量硫代硫酸鈉終止反應,測定三氯甲烷生成勢。

1.3 試驗方法

1.3.1 曝氣/非曝氣連續運行對比

將中試系統進行氣水聯合沖洗,之后將炭池放空。對砂濾出水集水罐進行曝氣強度為40 L/min的曝氣持續20 min,打開炭池進水泵正式運行。砂池流量為4 L/min,炭池流量為1.2 L/min(其余溢流),曝氣點水深約為0.6 m,曝氣量為40 L/min。第2 h及1、2、3、4 d取砂池出水、炭池出水進行即時三氯甲烷檢測和三氯甲烷生成勢檢測。在以上同樣的反洗條件下對系統進行反洗,之后不采取曝氣措施連續運行,第2 h及1、2、3、4 d取砂池出水、炭池出水進行即時三氯甲烷檢測和三氯甲烷生成勢檢測。

1.3.2 水洗/氣洗+氣水聯合反洗對炭池影響的對比

在反洗前使炭池連續運行5 d,之后進行水洗/氣洗+氣水聯合反洗,水洗方式為15 min(水沖強度為12～18 L/min)的變速沖洗;氣洗+氣水聯合反洗方式為3 min單獨氣洗(氣沖強度為1.5 L/min),7 min氣水聯合反沖洗(氣沖強度為1 L/min,水沖強度為15 L/min),3 min水洗(水沖強度為18 L/min)。之后炭池恢復運行,于2 h及1、2 d等時間點取樣檢測三氯甲烷及生成勢、DOC、藻類總數。

2 結果與討論

2.1 三氯甲烷在水廠工藝流程中的變化規律

對北方某市A水廠近年出水THMs數據進行分析,結果如圖2所示。出廠水三氯甲烷質量濃度為17.9～42.4 μg/L,均值為27.1 μg/L;二氯一溴甲烷質量濃度始終在10 μg/L以下,平均占比為12.6%;一氯二溴甲烷與三溴甲烷偶有檢出,均在3 μg/L以下。其中,三氯甲烷占總THMs濃度的85.1%,與THMs值強相關,Pearson相關系數R為0.969,且出廠水三氯甲烷濃度全年分布較為平均,7月—9月均值最高,為29.7 μg/L,1月—3月均值最低,為24.5 μg/L,說明三氯甲烷濃度是影響A水廠出水DBPs總體水平的主要因素。

圖2 A水廠出水THMs各組分濃度

三氯甲烷的生成量主要受氯消毒劑的劑量、接觸時間、前驅物濃度等因素影響[16],預氯化階段原水中DBPs前體物含量較多,氯消毒劑投加劑量大且有充足接觸時間,具備三氯甲烷大量生成的條件。通過對A水廠各工藝出水三氯甲烷濃度分析,得到三氯甲烷的主要生成點位和在水廠工藝流程中的變化規律。如圖3所示,機加池出水三氯甲烷質量濃度為14.7～55.9 μg/L,平均值為34.4 μg/L;濾池對三氯甲烷去除率僅為3.8%;炭池對三氯甲烷作用顯著,去除率為36.1%,但其質量濃度仍為機加池出水的61%左右,最高達到41.1 μg/L;最終出廠水三氯甲烷均值為27.6 μg/L,約為機加池出水的80.2%。表明預氧化階段是三氯甲烷集中生成的點位,并且深度處理工藝對三氯甲烷具有一定去除作用,但效果有限,在水體進入消毒工藝時仍具有較高的三氯甲烷濃度,導致出廠水三氯甲烷超標風險增高。

圖3 A水廠工藝段三氯甲烷變化規律

2.2 不同曝氣吹脫方法去除三氯甲烷效果

由于三氯甲烷具有揮發性(13.33 kPa,10.4 ℃),其在水處理過程中會暴露至水面自然揮發,根據雙膜理論,加大氣相主體流速和兩相接觸面積可提高氣液兩相間的傳質速率[17]。水廠設有沉淀池、濾池、布水渠等具有一定水面暴露面積的構筑單元,若能通過布設風機以表面通風的方式增強三氯甲烷揮發效果,則可以達到以低能耗去除三氯甲烷的目的。因此,本研究采用靜置水樣作為對照組,采用通風和曝氣兩種方式以及改變通風角度,探究不同吹脫方式對三氯甲烷的去除效果。試驗采用中試砂池出水,使用燒杯取1 L水樣,在室內無直射光處分別采用與水面平行的側向吹風、與水面45°吹風(風速均為8.9 m/s)和曝氣吹脫(曝氣強度為10 L/min),以普通靜置作為平行對照試驗,分別于0、1、3 min時取樣檢測三氯甲烷。試驗結果如圖4所示,砂濾池出水三氯甲烷質量濃度為36～42 μg/L,在靜置過程中三氯甲烷濃度無明顯下降,表明短時靜置過程中三氯甲烷自行傳質至表面揮發的量極小。當采用表面通風方式時,盡管調整了水樣表面通風角度,但3 min內三氯甲烷濃度均無明顯下降,去除率為2%～6%,這是因為雖然表面通風使三氯甲烷揮發速率加快,表面水層三氯甲烷濃度降低,但造成水樣內部擾動較小,水體內部傳質仍主要依靠分子擴散作用,使內部三氯甲烷無法快速擴散至表層。

圖4 靜置、吹風、曝氣去除三氯甲烷效果對比

采用曝氣方式時,1 min內三氯甲烷去除率即達到30%,由于氣泡劇烈攪動水體,增大了氣液兩相接觸面積,從而提升了三氯甲烷從液相傳質至氣相的速率,并使液相內三氯甲烷濃度均勻,檢測結果浮動較小。曝氣吹脫3 min后,三氯甲烷去除率可達到100%,說明曝氣工藝對于靜態水體的三氯甲烷去除效果顯著,且設備簡單,便于加設在水廠原有的工藝單元上。

2.3 曝氣-生物活性炭池連續運行去除三氯甲烷

若將曝氣工藝布設在砂濾池之前,氣泡可能打碎礬花造成砂濾池出水渾濁度升高,而炭池的主要作用是去除水中有機物和嗅味,曝氣不會直接影響其運行效果,因此,炭池前的布水渠或炭池池面具備加設曝氣裝置的條件。為探究在工藝流程中加設曝氣工藝的三氯甲烷去除效果,試驗將曝氣點位設置在砂濾出水集水罐底部,以氣水比為10∶1的條件動態運行。試驗中砂濾出水三氯甲烷質量濃度約為35.4 μg/L,曝氣出水三氯甲烷質量濃度為4.6～11.3 μg/L,三氯甲烷平均去除率達到78.8%,去除作用顯著。但如圖5所示,從恢復運行的第2～36 h,炭池出水三氯甲烷質量濃度始終維持在33.0 μg/L左右,顯著高于進水,且連續運行36 h仍未出現明顯下降,說明炭濾料持續向水體釋放三氯甲烷。此現象可能是本周期試驗開始前,炭柱僅進行水洗反洗,不能有效洗脫活性炭上已吸附飽和的三氯甲烷,導致在本運行周期進水三氯甲烷較低的情況下發生解吸現象。

圖5 水洗/氣洗+氣水聯合反洗后中試裝置連續運行出水三氯甲烷對比

因此,后續試驗選擇同樣穩定運行5 d的炭柱,進行氣洗+氣水聯合反洗(反沖強度見1.3.2小節)后以同樣曝氣條件連續運行。此時砂濾出水三氯甲烷質量濃度為24.0～34.0 μg/L,曝氣出水三氯甲烷質量濃度為4.6～8.5 μg/L,三氯甲烷去除率在75.3%～82.7%,平均去除率達到80.4%,去除作用顯著。炭池出水2 h時三氯甲烷質量濃度為19.0 μg/L,高于進水濃度,這是反洗會將炭濾料縱向混合,導致解吸現象發生[18],但可以觀察到本次運行的解吸量顯著小于僅水洗反洗的試驗周期。隨著運行時長增加,炭池出水三氯甲烷持續降低,在3 d后與進水持平,達到吸附平衡,4 d時則炭池出水三氯甲烷質量濃度為3.7 μg/L,去除率達到86.8%,表現出炭池進一步去除三氯甲烷的作用。說明曝氣工藝結合氣洗+氣水聯合反洗炭池可有效控制炭池出水三氯甲烷。

從經濟角度看,工程上建議的氣水比應小于15∶1[19],試驗表明將曝氣工藝加設在炭池前以10∶1的氣水比運行,仍可有效降低炭池出水三氯甲烷濃度,說明在工藝流程中加設曝氣設備在運行效果和經濟方面具備可行性,如在氣泡直徑、氣泡分布、平衡水深方面做調整,使充入的氣體被充分利用,可以進一步提升三氯甲烷去除效率,減少經濟成本。此外,研究[20]表明,三氯甲烷、二氯一溴甲烷、二氯乙酸在活性炭上存在吸附競爭,在炭池前曝氣去除三氯甲烷及其他揮發性DBPs,有利于提升活性炭對其他DBPs的吸附效果,對水廠控制DBPs具有正面意義。

2.4 氣洗+汽水聯合沖洗增強炭池去除三氯甲烷前體物的性能

活性炭池可通過吸附和微生物協同作用去除部分作為三氯甲烷前體物的有機物,但隨著運行時間增長,活性炭對有機物的吸附降解效果逐漸下降、水頭損失升高,并可能在進水有機物濃度較低時發生解吸現象污染水質。如果反沖洗強度過低,則不能將活性炭吸附的顆粒充分洗脫,并不足以去除活性炭在運行過程中積累的生物量,導致下一運行周期水頭損失快速增大、出水水質下降,而反沖洗強度過高可能會造成過多的生物量損失,損害炭池性能[21]。因此,選用合理有效的反洗方式,保證適當的反洗強度對炭池運行十分重要。

從2.3小節發現,氣洗+氣水聯合沖洗對于洗脫活性炭吸附的三氯甲烷效果顯著,因此,后續對比兩種反洗方式對于炭池運行的其他影響,特別是對有機物的去除效果的影響。如圖6(a)所示,普通水洗后炭池出水三氯甲烷生成勢僅在2 h時(52.9 μg/L)低于砂濾出水,去除率為6.8%,之后炭池出水均高于砂濾出水,說明活性炭吸附的前體物未得到有效洗脫,解吸現象較為明顯;而氣洗+氣水聯合沖洗后,炭池出水三氯甲烷生成勢在2 h時為46.9 μg/L,去除率達到31.2%,隨后呈現先降后增趨勢,在48 h時與砂濾出水持平,72 h時去除率回升至5.4%,生成勢去除效果較為穩定。圖6(b)表明水洗后炭池出水DOC去除率在-6.8%～19.8%,平均去除率為8.9%,而氣洗+氣水聯合沖洗方式去除率在-0.5%～25.6%,平均去除率為13.7%,兩者浮動區間相似,氣洗方式的去除率稍高。圖6(c)顯示普通水洗后炭池內存在藻類滋生現象,藻類總數出水較進水增長3.8%～107.1%,而氣洗+氣水聯合反洗方式時炭池下一運行階段對藻類去除率在-9.8%～57.3%,表明氣洗+氣水聯合反洗方式可以增強炭池藻類攔截作用并控制炭池中的藻類生長,還可以保持DOC的去除效果,對活性炭池穩定運行無不利影響。

圖6 水洗/氣洗+氣水聯合反洗后中試裝置連續運行出水水質指標變化

氣洗方式使濾料充分摩擦,洗脫活性炭吸附的有機物和部分松散生物膜,使炭池下一階段去除三氯甲烷前體物的效果增強,進而降低出水三氯甲烷超標風險,同時氣洗可降低炭池出水藻類數量,減少耗氯量,達到降耗效果。因此,在加設曝氣工藝與活性炭池聯用的水廠,還可以考慮加設炭池底部氣管和氣洗濾頭使炭池具備氣洗條件,提升鼓風機利用率,同時優化炭池運行效果,達到提升出水水質的目的。

3 結論

(1)地表水廠在預氧化階段生成三氯甲烷量最高,常規工藝及活性炭過濾等深度處理工藝對三氯甲烷去除效果有限,導致工藝出水的三氯甲烷濃度維持在高位,加劇出水三氯甲烷超標風險。曝氣吹脫工藝在中試動態連續運行測試下去除三氯甲烷效果穩定,在氣水比為10∶1的條件下,曝氣出水三氯甲烷質量濃度降至10 μg/L以下。

(2)活性炭會通過解吸作用會向水體釋放三氯甲烷造成污染,但通過氣洗+氣水聯合方式對炭池進行反洗,可使炭池三氯甲烷解吸量顯著減少,配合曝氣工藝,炭池出水三氯甲烷質量濃度可降至3.7 μg/L。同時,對炭池進行氣洗+氣水聯合沖洗可使炭池下一運行階段的三氯甲烷前體物去除效果增強,減少消毒階段三氯甲烷生成量,提升出水水質。

(3)對于已建成的水廠,可以考慮將曝氣裝置加設在布水渠道、炭池池面等位置,在水廠原有工藝鏈條中與活性炭過濾工藝協同作用,同時加設活性炭池氣洗系統,達到水廠控制以三氯甲烷為首的揮發性DBPs的目的。