應急凈水設備處理有機污染原水效能與分析

金 磊，劉 爽，韓雅瓊，張平允，葉 輝

(上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各類地表水源污染日益嚴重，水中有機物含量不斷增多，水質(zhì)成分越來越復雜[1]。近年來，國內(nèi)部分飲用水源地藍藻暴發(fā)、臭味等污染問題加劇，有機污染直接導致原水水質(zhì)惡化[2-3]。同時，原水中的有機物也是消毒副產(chǎn)物的前驅物，在水廠消毒工藝階段會加劇消毒副產(chǎn)物的生成[4-5]。這些日益凸顯的水源有機污染問題正在威脅飲用水安全。

水廠工藝也面臨水源有機污染帶來的巨大挑戰(zhàn)。在突發(fā)環(huán)境污染或自然災害事故中，集中式供水設施易被破壞，導致供水中斷[6]。面對復雜多變的原水水源，第一時間為事故現(xiàn)場穩(wěn)定提供生活飲用水，是迫在眉睫的問題。現(xiàn)有移動凈水工藝主要以混凝沉淀、多重過濾和“超濾+反滲透法”雙膜法為主[7-8]?；炷恋砉に囆枇砑踊炷齽?，雙膜法工藝存在需頻繁反沖洗、產(chǎn)水率低、需維護保養(yǎng)等問題，這都提高了應急供水時制水的物料成本及設備操作難度。本研究設計開發(fā)了一套“電絮凝-氣浮分離、超濾膜、活性炭吸附和氯消毒”的集成化飲用水應急處理設備，與其他應急供水設備相比，具有不用投加混凝劑、無需復雜預處理、模塊化設計、安裝簡單、出水穩(wěn)定達標等優(yōu)點。通過研究其對有機污染地表水源的凈化效果，為解決突發(fā)狀況下飲用水的供應問題提供了方法。

1 材料和方法

1.1 試驗水源

試驗水源地位于江蘇省宜興市徐舍鎮(zhèn)錢家灌區(qū)附近，處理的有機污染水源取自當?shù)匾粭l河流。該河流周邊水系分布較密集，最終與太湖相通。近年來，太湖水質(zhì)富營養(yǎng)化及其導致的藍藻暴發(fā)問題嚴重。藻類使水體的有機污染和臭味污染加劇。選擇該地區(qū)的地表水源作為移動凈水設備處理的試驗有機污染水源具有代表性。

1.2 試驗裝置

應急凈水設備的單元工藝設備主要由電絮凝反應器、微納米氣泡發(fā)生器、氣浮分離器、超濾膜、中間水箱、清水箱等組成，設備工藝流程如圖1所示。

圖1 有機污染原水處理試驗工藝流程簡圖Fig.1 Schematic Diagram of Process of Organic Polluted Raw Water Treatment

1.2.1 電絮凝-氣浮分離反應器

凈水裝置整體采用380 V交流電供電，其中電絮凝設備經(jīng)變壓整流，采用36 V直流電供電。電絮凝設備給多組并聯(lián)的極板接通直流電，在極板之間產(chǎn)生電場，使待處理的水流入極板的空隙。此時通電的極板會發(fā)生電化學反應，根據(jù)所采用極板的種類，會溶出Al3+等離子，并在水中水解而發(fā)生絮凝反應，在此過程中，同時發(fā)生電氣浮、氧化還原等其他作用。這些作用使水中的溶解性、膠體狀和懸浮態(tài)污染物得到有效轉化和去除。電絮凝反應器中，進水量為3.5～4.0 m3/h，鋁極板數(shù)量為43組，工作電壓為36 V，電流為4～6 A，停留時間為10～15 min，內(nèi)筒流速為10～20 mm/s，外筒流速為2～3 mm/s。電絮凝-氣浮分離反應器可節(jié)約設備內(nèi)部空間，同時免去了現(xiàn)場投加混凝劑，也有利于減少污泥的產(chǎn)量。

1.2.2 超濾膜工藝

經(jīng)電絮凝-氣浮分離預處理后的水進入超濾膜，進一步去除污染物以提升水質(zhì)。為保證超濾膜進水量穩(wěn)定，膜前設置有效容積為1 m3的中間水箱調(diào)節(jié)水量。超濾工藝可以有效去除顆粒狀物質(zhì)，確保出水濁度穩(wěn)定達標。采用海南立昇凈水科技實業(yè)有限公司生產(chǎn)的LH3-1060-V型PVC合金內(nèi)壓式超濾膜組件，正常工作的膜通量為70～120 L/(m2·h)，超濾膜進出水流量在3 m3/h左右，自控系統(tǒng)每隔15 min對膜組件自動正反洗。

1.2.3 活性炭吸附

超濾膜對于溶解于水體中的小分子有機物，特別是會導致水體產(chǎn)生臭味的物質(zhì)的去除效果欠佳。因此，為了改善水質(zhì)的感官性狀，保證供水水質(zhì)滿足飲用水指標，在超濾工藝之后加入活性炭吸附工藝?；钚蕴靠赏ㄟ^吸附作用，去除水體中的溶解性小分子有機污染物。活性炭吸附工藝單元的主要設計參數(shù)如下：吸附濾柱總高度為2.05 m，吸附濾柱直徑為800 mm，顆粒活性炭裝填高度為1.0 m，進出水量為2.7～3.0 m3/h，顆粒活性炭選用吸附容量較高的果殼活性炭，粒徑在3 mm左右，碘吸附值為800～1 100 mg/g，亞甲基藍吸附值為120～150 mg/g。

1.3 試驗方法

試驗運行時間為2016年9月22日～2016年10月27日，實際運行期為30 d，每天運行時間不少于8 h，每隔2 h現(xiàn)場取樣測pH、濁度和余氯，每4 h取樣并冷藏運至實驗室對CODMn、UV254、氨氮、消毒副產(chǎn)物等指標進行檢測分析。消毒出水106項飲用水指標的分析委托第三方有資質(zhì)檢測機構依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準 檢驗方法》(GB/T 5750—2006)中的分析方法進行檢測。

2 結果與討論

2.1 原水水質(zhì)分析

原水部分水質(zhì)情況如表1所示。按《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，其中原水水質(zhì)指標總氮為Ⅲ～Ⅴ類，糞大腸菌為Ⅳ類，高錳酸鹽指數(shù)為Ⅲ～Ⅳ類，總磷為Ⅱ～Ⅳ類，化學需氧量和溶解氧分別為Ⅱ～Ⅲ類和Ⅰ～Ⅱ類。該水源受氮、磷營養(yǎng)元素和有機物污染較嚴重，原水中的總氮和總磷最高分別為0.27 mg/L和4.20 mg/L，其中總氮指標甚至是Ⅴ類水的標準。高錳酸鹽指數(shù)作為反應水源有機物的重要指標，其濃度最高達6.46 mg/L。

除此之外，原水的微生物風險也值得關注，大腸桿菌為16 000個/L。綜合分析，原水存在有機污染較嚴重和微生物指標超標的問題。

表1 有機污染水源的水質(zhì)情況

2.2 污染物去除效果

2.2.1 濁度和色度

處理工藝對濁度和色度的去除如圖2所示。原水濁度為17.3～34.5 NTU，平均值為24.8 NTU，最高值為37.9 NTU，最低值為14.0 NTU；清水池出水濁度為0.10～0.32 NTU，平均值為0.20 NTU。其中電絮凝-氣浮工藝和超濾工藝對濁度的去除效果明顯，如圖3所示。電絮凝-氣浮工藝出水濁度為0.60～25.4 NTU，平均值為5.53 NTU，濁度去除率為77.7%。超濾工藝可進一步去除97.3%的濁度，超濾出水濁度降至0.08～0.21 NTU，平均值為0.15 NTU。隨后經(jīng)活性炭吸附工藝和加氯消毒，出水的濁度為0.10～0.32 NTU，相比于前段超濾出水，濁度一定程度上略有增加，可能是活性炭單元有少量炭進入水體所致。經(jīng)過整體工藝處理，濁度去除率達到99.1%。

圖2 各工藝對原水(a)濁度和(b)色度的去除Fig.2 Removal of (a)Turbidity and (b) Chroma in Raw Water by Different Processes

圖3 電絮凝-氣浮分離的浮渣及出水Fig.3 Scum and Effluent of Electrocoagulation-Air Flotation Process

色度的去除主要是在電絮凝-氣浮分離工藝階段，原水色度從23～41度降至10～24度，平均色度由31度降至14度，平均去除率為54.8%。超濾工藝和活性炭吸附-加氯工藝對色度也有一定的去除作用，清水箱出水色度基本低于5度。

2.2.2 CODMn和UV254

不同處理單元對原水中的CODMn和UV254的去除規(guī)律如圖4所示。CODMn和UV254作為反應水體有機物含量的指標，在處理過程中的變化趨勢相似，CODMn和UV254的去除主要發(fā)生在電絮凝-氣浮分離工藝和活性炭吸附-消毒工藝階段，而超濾對兩者的去除效果均不明顯。原水CODMn和UV254的質(zhì)量濃度分別為3.92～5.96 mg/L和0.0 552～0.126 cm-1，平均值分別為4.82 mg/L和0.0 927 cm-1。

圖4 各工藝對原水(a)CODMn和(b)UV254的去除Fig.4 Removal of (a) CODMn and (b) UV254 in Raw Water by Different Processes

電絮凝-氣浮工藝出水的CODMn和UV254分別為3.26～5.07 mg/L和0.021～0.087 cm-1，平均值分別為3.23 mg/L和0.0 635 cm-1。氣浮分離出水經(jīng)超濾后，CODMn和UV254分別降至2.10～3.68 mg/L和0.017～0.085 cm-1。超濾出水再經(jīng)活性炭吸附和氯消毒，最終出水中CODMn為1.02～2.13 mg/L，平均值為1.57 mg/L，UV254為0.0 084～0.072 cm-1，平均值為0.0 313 cm-1。

電絮凝-氣浮分離工藝、超濾工藝和活性炭過濾-氯消毒工藝對CODMn的去除率分別是32.9%、10.2%和24.3%，總去除率為67.5%；對UV254的去除率分別是31.5%、3.81%和30.8%，總去除率為66.2%。結果表明，電絮凝-氣浮分離對有機物去除起主要作用，活性炭吸附-氯消毒工藝也可去除相當一部分的有機物，而超濾工藝對有機物的去除效率則相對較低。

電絮凝-氣浮分離對有機物去除明顯，是因為鋁極板在電解過程中產(chǎn)生鋁鹽混凝劑，捕集水中的懸浮固體，并在后續(xù)的氣浮分離設備中去除；同時電極陽極的氧化作用和陰極的還原作用，也能去除水中部分的有機物[9]。超濾膜可進一步去除氣浮分離后的懸浮固體，然而對水中的溶解性小分子有機物截留效果較為有限?；钚蕴靠梢晕剿胁糠值娜芙庑杂袡C物；在加氯消毒階段，借助游離氯的強氧化性可進一步去除水中的溶解性有機物。

2.2.3 氨氮

圖5為氨氮在各處理單元的變化特征。原水氨氮的質(zhì)量濃度為0.040～0.48 mg/L，平均值為0.23 mg/L，最終出水氨氮為0.020～0.49 mg/L，平均值為0.17 mg/L，整個工藝對氨氮的平均去除效率為26.1%。值得注意的是，電絮凝-氣浮分離會使原水中的氨氮升高。氣浮出水中氨氮的質(zhì)量濃度為0.030～0.58 mg/L，平均值為0.31 mg/L，相對于原水氨氮的平均質(zhì)量濃度升高了0.08 mg/L。這可能是電解過程使水中的有機氮分解，生成了氨氮。電解反應中陰極生成具有還原能力的新生態(tài)氫原子[H]，可將氨基酸等有機物中的氨基還原為氨氮[10]。

圖5 各工藝對原水氨氮的去除Fig.5 Removal of Ammonia Nitrogen in Raw Water by Different Processes

超濾工藝對氨氮幾乎沒有去除效果，超濾出水氨氮的質(zhì)量濃度為0.030～0.59 mg/L，濃度平均值為0.31 mg/L，與氣浮出水的氨氮質(zhì)量濃度水平基本一致?；钚蕴课?氯消毒工藝對氨氮有一定的去除，相比于超濾出水，消毒出水的氨氮濃度降至0.020～0.49 mg/L，主要是因為部分氨氮在加氯消毒過程中生成了氯胺[11]。

2.2.4 鐵

鐵是人體不可缺少的微量元素，一般認為鐵過多對人體無害。在我國，鐵只作為感觀性狀指標，飲用水中鐵超標不僅會影響水的色度，甚至會有明顯的金屬味。圖6為各工藝對水中鐵的去除情況，可見原水鐵含量的變化較大，最高為0.80 mg/L，最低為0.060 mg/L，平均濃度為0.32 mg/L。電絮凝-氣浮分離工藝可去除原水中大部分的鐵，氣浮出水中鐵的平均質(zhì)量濃度為0.10 mg/L，最低質(zhì)量濃度小于0.010 mg/L。水中剩余的鐵在超濾工藝中幾乎被完全去除，超濾出水中鐵的質(zhì)量濃度基本低于 0.010 mg/L。經(jīng)過處理，最終出水中的鐵含量低于0.010 mg/L，遠低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》的限值0.3 mg/L。

電絮凝反應器的陽極會將水中部分的Fe2+氧化成Fe3+，最后水解生成Fe(OH)3膠體，并在混凝和氣浮分離過程被共同去除；同時，氣浮分離過程會在水中形成無數(shù)的微小氣泡，使得未被氧化的Fe2+進一步氧化成Fe3+，形成的膠體被后續(xù)的超濾膜截留。

圖6 各工藝對原水中鐵的去除Fig.6 Removal of Iron in Raw Water by Different Processes

2.3 各工藝單元凈水效果分析

移動式應急供水設備的各工藝單元對原水各污染指標的去除情況如圖7所示。

圖7 各單元工藝對污染物的去除Fig.7 Removal of Pollutants by Different Processes

由圖7可知，電絮凝-氣浮分離工藝對原水濁度、色度、CODMn、UV254及鐵的去除率分別為77.7%、55.0%、32.9%、31.5%和68.7%，說明電絮凝-氣浮分離工藝作為應急凈水設備重要的預處理單元，有效提高了預處理出水的水質(zhì)。超濾膜工藝對濁度和鐵的去除率分別為97.3%和80.0%，明顯高于其他工藝，但對CODMn和UV254的去除率僅為15.2%和6.25%，說明超濾工藝對水體中的懸浮物和膠體具有非常好的去除效果，但對溶解性有機物的去除率較低?；钚蕴?氯消毒工藝單元對進水的色度、CODMn和UV254分別有39.5%、42.7%和48.3%的去除率，說明活性炭對水中的溶解性有機污染物具有一定的吸附作用。整體工藝濁度、色度和鐵的去除率為80.6%～99.1%，對CODMn和UV254的去除率為67.5%和66.2%。

2.4 余氯和消毒副產(chǎn)物

在清水池中投加次氯酸鈉，控制最終出水的微生物指標。相比于紫外、臭氧等其他消毒方式，氯的消毒作用更具持續(xù)性。試驗投加次氯酸鈉的濃度為1.0 mg/L左右，如圖8所示，實際測得清水池中的余氯為0.71～1.50 mg/L，平均值為0.88 mg/L。在整個運行過程中，剛開始運行時氯的投加量稍高，其余運行時間余氯量趨于穩(wěn)定，基本在1.0 mg/L附近波動。

圖8 消毒出水余氯量Fig.8 Concentration of Residual Chlorine in Disinfected Effluent

氯作為消毒劑，在消毒過程中會和水中的有機物反應生成含氯消毒副產(chǎn)物。氯消毒副產(chǎn)物具有“三致”作用，是飲用水安全控制的重要指標。該應急處理設備的出水中，三鹵甲烷的濃度為0.038～0.055 mg/L，二氯一溴甲烷的濃度為0.00 116～0.00 151 mg/L，三氯甲烷的濃度為0.00 079～0.00 151 mg/L，其余兩種消毒副產(chǎn)物的含量均只有0.00 025 mg/L。結果表明，所研究的這幾種含氯消毒副產(chǎn)物均遠低于GB 5749—2006中相應的指標限值。

2.5 產(chǎn)水量及供水水質(zhì)

由于應急供水的特殊性，在突發(fā)事故供水中斷等條件下，需首要保證供水水質(zhì)的安全性，同時也要保障供水水量的充足。如圖9所示，在初始運行的10 d內(nèi)，產(chǎn)水量較高，最高達到2.87 m3/h，運行一段時間后產(chǎn)水量趨于平穩(wěn)，約在2.20 m3/h；其中，第20～24 d產(chǎn)水量降至最低，只有1.39 m3/h，在對設備進行清洗維護后，產(chǎn)水量恢復。整體來分析，產(chǎn)水量較為平穩(wěn)，且實際運行時的平均產(chǎn)水量為2.24 m3/h，若按24 h連續(xù)運行計算，日產(chǎn)水量達到53.4 m3，滿足日供水量大于50 m3的要求。按每天每人5 L用水量來估算，可滿足10 000人/d的飲用水用量。

圖9 應急凈水設備產(chǎn)水量Fig.9 Water Supply Capacity of Emergency Water Purification Equipment

設備運行期間，水質(zhì)pH略有上升，但整體變化幅度不明顯。消毒出水相比于原水，pH值從7.41～7.89上升至7.59～8.02，平均值升高0.14。pH升高發(fā)生在電絮凝和氯消毒階段，pH平均值分別升高了0.03和0.11。出水細菌總數(shù)小于1 CFU/mL，大腸桿菌未檢出。對供水水質(zhì)進行飲用水106項檢測，結果表明，出水CODMn等有機物指標可穩(wěn)定達標，非常規(guī)指標多數(shù)未檢出，有機污染原水應急處理出水水質(zhì)達到GB 5749—2006的要求。

3 結論

針對原水存在水質(zhì)有機污染問題，開展了水質(zhì)應急處理研究，重點研究了電絮凝-氣浮分離、超濾膜、活性炭吸附和氯消毒工藝對原水濁度、CODMn、UV254等水質(zhì)指標的去除效果，同時也對消毒副產(chǎn)物進行了密切的關注，形成的主要結論如下。

(1)電絮凝-氣浮分離工藝對原水中濁度、色度、鐵和有機物的去除起主要作用，但會使水中的氨氮升高；超濾膜對水中的濁度和鐵可進一步去除，對CODMn、UV254和氨氮的去除效果不明顯；活性炭吸附和氯消毒則對CODMn、UV254有較明顯的去除。

(2)有機污染原水應急處理出水的CODMn、氨氮等有機物指標均可穩(wěn)定達標，非常規(guī)指標多數(shù)未檢出，水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)。出水水量能達到53.4 m3/d，在突發(fā)應急情況下可滿足10 000人/d的飲用水供應量。

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