炭砂濾池炭層厚度對飲用水處理效能的影響研究

關鍵詞：炭砂濾池；炭層厚度；飲用水處理；污染物去除效能

中圖分類號：X523 文獻標志碼：B

前言

自黨的十八大以來，中國水生態(tài)環(huán)境保護成效顯著，水污染防治措施堅決有效。根據《2023中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，全國地表水Ⅰ～Ⅲ類水質斷面比例增至89.4%，劣Ⅴ類降至0.7%，地級以上城市飲用水源達標率達96.5%，水質持續(xù)改善。

隨著《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2022）的實施，飲用水標準更加嚴格，新標準增加了嗅味指標GSM和2-MIB，要求水廠在保障水質安全的同時提升感官品質。面對新挑戰(zhàn)，水廠需技術升級和創(chuàng)新。中國供水工藝主要依賴常規(guī)工藝，占比85.23%，受經濟成本、用地和技術管理水平限制。在水質持續(xù)改善和標準提升的背景下，優(yōu)化常規(guī)工藝是經濟有效的提質方法。

過濾工藝是飲用水處理的關鍵，能有效降低出水濁度，去除溶解性有機和無機污染物。研究表明，顆粒活性炭濾料的加入顯著提升濾池吸附性能和生物降解能力，有效提高有機物和氨氮去除效果，去除消毒副產物及其前驅物，對2-MIB去除效果良好。炭砂濾池因處理效果出色、改建／新建成本低、運維管理簡便，成為中小型水廠提升工藝的首選，尤其適合有限空間和預算條件下的技術改造和升級。

此研究基于現有炭砂濾池成果，系統(tǒng)研究不同炭層厚度對污染物去除效能，旨在為水廠工藝提升改造提供技術支撐，為新建水廠濾池設計提供理論依據，確保供水安全性和可靠性。

1試驗設備與方法

1.1試驗設備及運行參數

此研究通過并聯中試濾柱裝置模擬濾池工藝。濾柱由有機玻璃制成，內徑為300mm，高度為4000 mm，設計為下向流進水方式，進水為水廠沉淀池的出水，反沖洗水為過濾出水。每個濾柱都配備氣沖和水沖功能，并配有流量計。濾柱內濾料結構自上而下依次為顆?；钚蕴繉?、石英砂層和鵝卵石承托層。

在前期研究中，已經系統(tǒng)地評估了不同類型和粒徑的顆?；钚蕴吭谌コ形廴疚锓矫娴男Ч??；谶@些研究數據，此研究選擇了污染物去除效果較好且廣泛應用的8*30目壓塊破碎炭作為研究對象，旨在深入探究不同厚度炭層在過濾過程中的去除效能。

1.2試驗水質

此試驗選取南方某水廠的沉淀池出水作為炭砂濾池的進水。該水廠原水總體水質整體較好，但在特定季節(jié)，錳、氨氮、異嗅味等指標會出現波動。近3年的檢測數據顯示，2-MIB的最高檢出值為42ng/L，超過了《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2022）中10ng/L限值，表明該水廠面臨原水的嗅味挑戰(zhàn)。

試驗期間炭砂濾池進水水質情況見表1。

1.3檢測方法

COD_Mn采用國標（GB/T 5750.1-2023）中酸性高錳酸鉀滴定法；2-MIB采用行標（CJ/T 141-2018）中頂空固相微萃?。瘹庀嗌V一質譜法；掃描電鏡生物標本制作采用叔丁醇冷凍真空干燥法；濾料表面結構分析采用熱場掃描電子顯微鏡法（型號Apreo 2S HiVac）；生物量采用差量法。

2炭砂濾池沿程去除效能研究

2.1 COD_Mn

COD_Mn通常用來代表水中有機物的總量，出水COD_Mn的去除情況可以反映濾池對有機物的去除能力。試驗期間對炭層厚度為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0m的沿程出水COD_Mn進行測定，COD_Mn沿程濃度變化見圖1。

由圖1可知，對于沉后水COD_Mn濃度在1.78～1.04mg/L的情況下，0.5m深度的炭層對COD_Mn的去除貢獻最大，平均去除率達到29.23%。而1.0m、1.5m和2.0m處的去除率分別為31.15%、34.07%和35.43%。0.5m深度炭層中的微生物與有機物接觸時間較長，且淺層微生物能獲取更多的溶解氧，從而促進了微生物代謝的活躍性，有效降解了COD_Mn。盡管1.0m深的濾柱在初期對COD_Mn的去除效果略低于0.5m深的濾柱，但隨著運行時間的延長，去除能力逐漸增強并最終超過了0.5m深的濾柱。這表明1.0m深濾柱中的微生物逐漸適應了水質條件，并提高了對COD_Mn的去除效率。相比之下，1.5 m和2.0m深的濾柱對COD_Mn的去除效果始終相對較差，這可能是由于這些深度的濾柱中營養(yǎng)物質較少，導致微生物代謝活性降低。此外，隨著運行時間的增加，濾柱對COD_Mn的去除效果整體呈現出先下降后上升的趨勢，這可能與濾柱中生物膜的成熟度提高有關，從而增強了對COD_Mn的去除能力。

2.2三維熒光

三維熒光光譜通常用來表征水中的可溶性有機物種類及其含量的變化。如圖2所示，沉后水溶解性有機物主要集中于Ⅳ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，分別包括微生物代謝物質、色氨酸類蛋白質和富里酸類物質，其中以Ⅳ區(qū)微生物代謝物質為主。Ⅰ、Ⅴ區(qū)的熒光強度較低，表明酪氨酸類蛋白質和腐殖酸類物質含量較少。整體而言，沉后水水質熒光響應值整體較低，表明天然溶解性有機物含量較低，水質情況較好。經過0.5 m炭層后，出水水質中Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)熒光峰值降低，出水中類色氨酸物質和富里酸類物質得到控制；在1.0 m炭層出水，Ⅲ區(qū)富里酸類物質得到進一步的控制，表明炭砂濾池對富里酸類物質有較好的控制效果。另一方面，隨著炭層深度的增加，出水中Ⅳ區(qū)微生物代謝物質含量逐漸降低，但是相比于類色氨酸物質和富里酸類物質仍有相對較高的濃度，表明炭砂濾池中存在活躍的微生物代謝活動，微生物在分解有機物質的過程中會產生各種代謝產物，該微生物代謝活動可以提高炭砂濾池對于有機物等污染物的處理效率。

2.3 2-MIB

此研究期間沉后水2-MIB的濃度范圍為33.4～6.8ng/L，出廠水2-MIB都在10ng/L以下，達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2022）。通過對水廠工藝全流程檢測，混凝沉淀工藝出水2-MIB與原水基本相同，主要去除貢獻為過濾工藝。

炭砂濾池不同炭層厚度對2-MIB的去除情況如圖3所示，對于沉后水2-MIB濃度在33.4～6.8ng/L的情況下，炭層0.5m處2-MIB濃度明顯下降，1.0m、1.5m、2.0m處的濃度變化不明顯。在上部0.5m處就基本達到了50%以上的去除率，1m厚處的平均去除率為68.50%～74.08%，1.5m～2.0m厚處的平均去除率為75.87%～84.15%。此研究的沉后水2-MIB最高濃度為33.4ng/L，炭層厚度0.5m處可將2-MIB濃度基本去除低于10ng/L以下，而1.0m處即可穩(wěn)定并遠低于10ng/L以下。

2.4掃描電鏡表征及生物量

為驗證進一步研究不同炭層深度的降解能力，進行了SEM掃描電鏡表征分析。對比不同深度厚度炭層表面生物膜生長情況，見圖4和圖5。

不同厚度的活性炭濾料表面上的生物膜在1000倍以下，大部分表面覆蓋生物膜，放大到5000～10000倍后可以看到，炭層表面和表面下0.3m兩個位置的生物面膜密度較大，且較為緊致、完整；表面下0.6m和表面下0.9m兩個位置的生物膜則相對較為松散，膜上“孔洞”明顯變多。

進一步對生物膜表面的微生物群落進行分析（放大倍數10000倍），炭層表面和表面下0.3m濾料表面覆蓋緊致的微生物代謝物質；而表面下0.6m和表面下0.9m兩個位置的生物膜表面有著較為豐富的微生物群落，并且表面下60cm生物膜與微生物群落深入到活性炭孔道內部，充分利用了活性炭的微孔結構。因此，炭層表面下0.6m生物作用明顯。

采用差量法對濾料表面生物膜進行測量，將不同炭層深度表面的生物量進行對比。生物量隨著炭層深度遞減的特征，表層生物量最高為28.214mg/g，0.3m處為18.711mg/g，0.6m為14.105 mg/g，0.9m為3.551mg/g，進一步說明活性炭濾料的生物作用主要發(fā)揮在炭層下0.6 m范圍附近。

活性炭表面生物量從表層到底層逐漸下降，這可能是由于濾池內不同深度濾層的運行環(huán)境不一致，尤其是營養(yǎng)水平不一致。隨著濾池深度的增加，溶解氧含量與有機物濃度逐漸下降。表層活性炭在溶解氧充足并且濾料與有機污染物充分接觸的條件下，污染物在很短時間內即可被去除。

有研究顯示，生物活性炭系統(tǒng)在進入穩(wěn)定期后，活性炭吸附作用和微生物作用協(xié)同共同去除有機物?；谖墨I調研及此研究結果，污染物在上層被快速吸附完成，而下層則需要相對較長的接觸時間才能完成吸附作用。另一方面，在水力分級的作用下，表層活性炭粒徑較小，下層粒徑較大，有研究表明活性炭粒徑越小越有利于對有機物的去除，故下層活性炭吸附效果沒有上層好。對于降解作用，上層微生物群落的活性較高，使得易于生物降解的有機物得以迅速轉化。相較之下，下層微生物的降解能力較弱，限制了對有機物的去除效率。因此，炭砂濾池的吸附和生物降解過程在空間分布上呈現出層級性，上層活性炭因其物理特性和微生物活性的優(yōu)勢，對污染物的整體去除效率起著決定性作用。

3結論

此研究通過分析COD_Mn和2-MIB去除效果，結合SEM觀察生物膜形態(tài)及測定濾料表面生物量可知，活性炭層厚度在0.5m～1.0m的炭砂濾池處理微污染水源水及應對季節(jié)性水質波動時，可發(fā)揮吸附與生物降解雙重作用，實現高效水質凈化。新建／改擴建水廠宜采用此厚度設計活性炭層。在受到經濟成本、用地限制以及技術與管理水平限制的水廠升級改造中，普通砂濾池改炭砂濾池可行，是應對原水有機微污染的有效方式。為提升炭砂濾池效能，可實施曝氣等強化措施增強生物活性，并考慮與微絮凝、預氧化等工藝集成，具體依原水水質與水廠實際情況選擇，以充分發(fā)揮過濾工藝在飲用水處理中的優(yōu)勢。