一、前言

微污染水源水是指受到有機(jī)物污染, 部分水質(zhì)指標(biāo)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002) Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)的水體。微污染水一般是由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活等方面產(chǎn)生的污水未經(jīng)適當(dāng)處理,直接排入供水水源導(dǎo)致的,微污染水主要含有微量有機(jī)物、農(nóng)藥、氨氮等有害污染物,常規(guī)水處理工藝很難將其除掉。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展, 微污染水源水污染日益嚴(yán)重,有害物質(zhì)逐年增多, 尤其是近年來水源水體的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象不斷加重, 水體中有機(jī)物種類和數(shù)量激增以及藻類大量繁殖, 現(xiàn)有常規(guī)處理工藝已不能有效保證水廠出水中有機(jī)物的去除效果, 無法滿足人們對(duì)飲用水安全性的需要；同時(shí), 隨著水質(zhì)分析技術(shù)的不斷提高, 我國(guó)《生活飲用水水質(zhì)指標(biāo)》標(biāo)準(zhǔn)逐步提高。但是在當(dāng)前水資源嚴(yán)重短缺的形勢(shì)下,微污染水源水仍將是重要水源,根據(jù)微污染水的水質(zhì)特點(diǎn)及供水水質(zhì)的要求,許多學(xué)者提出了各種微污染水源水的給水處理工藝,主要包括強(qiáng)化常規(guī)處理、預(yù)處理和深度處理技術(shù)。

1.1　微污染水源水中有機(jī)物的特性及危害

微污染水源水中的有機(jī)物可以分為2類:天然有機(jī)物( natural organic matter, NOM)和人工合成有機(jī)化合物( synthetic organic compounds, SOC )。NOM是指動(dòng)植物在自然循環(huán)過程中經(jīng)腐爛分解所產(chǎn)生的物質(zhì),分為腐殖質(zhì)和非腐殖質(zhì)2個(gè)部分。腐殖質(zhì)包含土壤浸析和從植物分解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)——腐殖酸和富里酸等,非腐殖質(zhì)包括親水酸類,蛋白質(zhì),氨基酸,糖類等。SOC大多為有毒有機(jī)污染物,包括農(nóng)藥、揮發(fā)性有機(jī)物以及其它由工業(yè)廢水帶來的各種有機(jī)物質(zhì)。

微污染水源水中有機(jī)物的存在,使得其對(duì)膠體的保護(hù)作用和穩(wěn)定性得到提高,給水處理增加了難度。同時(shí),水中有毒有機(jī)物難以降解,經(jīng)常規(guī)加氯消毒后所產(chǎn)生的有機(jī)鹵化物中有許多已被確認(rèn)為是直接致癌物或誘發(fā)物,對(duì)人體健康有極大的潛在危害。雖然微污染水源水中的有機(jī)物濃度較低,但是水中可同化有機(jī)物質(zhì)(assimilable organic compounds,AOC)會(huì)影響管網(wǎng)的穩(wěn)定,引起細(xì)菌繁衍,導(dǎo)致疾病的傳播;同時(shí),部分有機(jī)物質(zhì)具有生物富集性,易在人體組織內(nèi)蓄積,對(duì)人體造成危害;此外,在常規(guī)水處理工藝加氯消毒環(huán)節(jié)中,有機(jī)物的存在還會(huì)引起消毒副產(chǎn)物( disinfect by products, DBP s)的生成,如:三鹵甲烷類(THM s) 、鹵乙酸類(HAA s)等“三致物質(zhì)”。

1.2　我國(guó)給水水質(zhì)指標(biāo)的演變

近年來,隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)人口的劇增,大量工業(yè)廢水和生活污水不經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)而直接排放,使我國(guó)許多城鎮(zhèn)的地表水水源受到了不同程度的污染,有機(jī)物的種類和數(shù)量大大增加。逐步提高飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)成為世界各國(guó)保障飲用水水質(zhì)安全的重要手段,我國(guó)對(duì)水源水質(zhì)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)也在逐步增多,標(biāo)準(zhǔn)值不斷提高。2007年6月29 日, 我國(guó)新修訂《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)與目前執(zhí)行的1985年頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》( GB5749-85 )相比,水質(zhì)指標(biāo)由35項(xiàng)增加至106項(xiàng),新標(biāo)準(zhǔn)106項(xiàng)指標(biāo)包括微生物指標(biāo)6項(xiàng),毒理指標(biāo)74項(xiàng),感官性狀和一般理化指標(biāo)20項(xiàng),消毒劑指標(biāo)4項(xiàng),放射性指標(biāo)2項(xiàng)。各類指標(biāo)中,可能對(duì)人體健康產(chǎn)生危害或潛在威脅的指標(biāo)占80%左右,屬于影響水質(zhì)感官性狀和一般理化指標(biāo)即不直接影響人體健康的指標(biāo)約占20%。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生活飲用水的水源水要求套用了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如:以地表水為水源時(shí)應(yīng)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838 - 2002 )；以地下水為水源時(shí)應(yīng)符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB /T14848-93)的要求。水中有機(jī)物的控制與去除已經(jīng)成為嚴(yán)重影響凈水水質(zhì)進(jìn)一步提高的問題之一。

二、微污染水源水處理工藝

目前對(duì)微污染水源水的處理工藝主要包括以下三大類:

①深度處理。

②預(yù)處理。

③強(qiáng)化處理。

2.1 深度處理技術(shù)

深度處理通常是指在常規(guī)處理工藝以后,采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?將常規(guī)處理工藝不能有效去除的污染物或消毒劑副產(chǎn)物的前體物加以去除,提高和保證水質(zhì)。應(yīng)用較廣泛的有生物活性炭深度處理技術(shù)、膜分離處理技術(shù)、臭氧活性炭聯(lián)用深度處理技術(shù)、光催化氧化技術(shù)等。

2.1.1 生物活性炭深度處理技術(shù)

利用生長(zhǎng)在活性炭上的微生物的生物氧化作用可以達(dá)到去除污染物的目的。生物活性炭深度處理技術(shù)利用微生物的氧化作用來增加水中溶解性有機(jī)物的去除效率, 延長(zhǎng)活性炭的再生周期；同時(shí),水中的氨氮可以被生物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽, 從而減少了消毒環(huán)節(jié)氯氣的投加量, 降低了三鹵甲烷等“三致物質(zhì)”的生成量。

2.1.2 膜過濾深度處理技術(shù)

該技術(shù)是新興的高效分離、濃縮、提純、凈化技術(shù), 是采用高分子膜作介質(zhì), 以附加能量作推動(dòng)力, 對(duì)雙組分或多組分溶液進(jìn)行表面過濾分離的物理處理方法。

20 世紀(jì)80 年代后期, 該技術(shù)在歐美和澳大利亞開始進(jìn)入實(shí)用階段, 是深度處理的一種高效手段, 反滲透(RO)、超濾(UF)、微濾(MF)和納濾(NF)均能有效去除水中嗅味、色度、消毒副產(chǎn)物前體及其他有機(jī)物和微生物等，去除范圍廣, 且不需要投加藥劑。從膜濾法的功能上看,反滲透能有效的去除水中的農(nóng)藥、表面活性劑、消毒副產(chǎn)物、THM s、腐殖酸和色度等。納濾膜用于分子量在300～1 000 范圍內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)的去除,而超濾和微濾膜可去除腐殖酸等大分子量( > 1 000) 的有機(jī)物。近年來, 該技術(shù)在美國(guó)受到高度重視, 被EPA 推薦為控制消毒副產(chǎn)物的最佳工藝之一。它具有物質(zhì)不發(fā)生相變、分離系數(shù)大、在常溫下運(yùn)行、適用范圍廣、裝置簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。其技術(shù)特點(diǎn)是能提供穩(wěn)定可靠的水質(zhì)。膜法對(duì)進(jìn)水的要求較高, 其進(jìn)水必須要經(jīng)過嚴(yán)格的各種預(yù)處理和常規(guī)處理, 以改善膜的水通量, 避免因頻繁的膜淤塞和污染等問題而提高運(yùn)行成本, 同時(shí)RO 和NF 的濃縮液與常規(guī)水處理產(chǎn)生的廢水不同, 其處理也是必需考慮的一個(gè)棘手問題, 又由于該工藝產(chǎn)水量小、成本高等原因, 目前還難以在我國(guó)大規(guī)模推廣應(yīng)用, 僅少量用于特種行業(yè)的水處理中。然而, 隨著清洗方式的改進(jìn), 膜價(jià)格的降低,相信在不久的將來, 膜法一定會(huì)在給排水領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用。

2.1.3 臭氧氧化技術(shù)

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑, 不僅可用于預(yù)處理中,而且在深度處理中有更長(zhǎng)的應(yīng)用歷史。最初臭氧被用來作為消毒劑, 控制水的色度或嗅味, 又可用來去除水中有機(jī)物。受投放量的限制, 臭氧不能將水中有機(jī)物全部無機(jī)化, 但可將大分子有機(jī)物分解成分子較小的中間產(chǎn)物。臭氧預(yù)處理的水再經(jīng)氯化消毒, 水中“三致”物質(zhì)可能低于未預(yù)處理的水, 也可能更高, 其效果視水質(zhì)而定, 這是因?yàn)槌粞醺碑a(chǎn)物, 如醛、酮、醇、過氧化物氯化會(huì)產(chǎn)生三鹵甲烷(THMs)。

2.1.4 臭氧活性炭聯(lián)用深度處理技術(shù)

臭氧- 活性炭聯(lián)用法采取先臭氧氧化后活性炭吸附, 在活性炭吸附中又繼續(xù)氧化的工藝過程, 這樣可以揚(yáng)長(zhǎng)避短, 使活性炭的吸附作用發(fā)揮得更好。目前國(guó)內(nèi)水處理使用的活性炭能比較有效地去除小分子有機(jī)物, 但難以去除大分子有機(jī)物, 而水中有機(jī)物分子較大的多, 所以活性炭孔的表面面積將得不到充分利用, 勢(shì)必將加速飽和, 縮短產(chǎn)水周期, 但在炭前或炭層中投加臭氧后, 一方面可使水中大分子轉(zhuǎn)化為小分子, 改變其分子結(jié)構(gòu)形態(tài), 提供了有機(jī)物進(jìn)入較小孔隙的可能性; 另一方面可使大孔內(nèi)與炭表面的有機(jī)物得到氧化分解, 減輕了活性炭的負(fù)擔(dān), 使活性炭能充分吸附未被氧化的有機(jī)物, 從而達(dá)到水質(zhì)深度凈化的目的。但是該技術(shù)在臭氧破壞某些有機(jī)物結(jié)構(gòu)的同時(shí)也可能產(chǎn)生一些帶毒副作用的中間產(chǎn)物。在歐洲和美國(guó), 其地表水水廠大多使用臭氧活性炭工藝: 瑞士有40%的水廠使用臭氧處理地表水, 其中80%與活性濾池聯(lián)用; 德國(guó)有70 多家水廠應(yīng)用臭氧活性炭工藝; 美國(guó)自1976 年開始研究臭氧活性炭技術(shù), 現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行中。

2.1.4 光催化氧化技術(shù)

光催化氧化是以TiO2為代表的n型半導(dǎo)體為敏化劑的一種光敏化氧化, 氧化能力極強(qiáng), 能氧化去除水中常見的有機(jī)污染物(包括細(xì)菌等), 最終產(chǎn)物是CO2和水等。據(jù)報(bào)道, 在美國(guó)佛羅里達(dá)州, 利用TiO2能脫除源水中97%的有機(jī)鹵素化合物, 總有機(jī)碳(TOC)含量可降低90%以上,并能減少鹽分、重金屬等污染物。光催化氧化特點(diǎn)是氧化能力極強(qiáng), 對(duì)水中多種微量有機(jī)物, 自來水中常見的多種氯化有機(jī)物, 包括難被臭氧氧化的六六六、六氯苯等均有良好的去除效果。經(jīng)光催化氧化處理后, 有機(jī)氯化物已大量脫氫, 毒性大大降低, 使水質(zhì)大為提高。

2.1.5 吸附處理技術(shù)

吸附處理技術(shù)是指利用某些材料強(qiáng)大的吸附性能來去除水中污染物的技術(shù)。目前用于源水處理的吸附劑有活性炭(AC) 、硅藻土、二氧化硅、活性氧化鋁、沸石、離子交換樹脂,其中用得最多的是活性炭。

2.1.5.1 活性炭吸附

活性炭(AC)具有豐富微孔結(jié)構(gòu)和表面憎水性,其對(duì)水中某些污染物有極強(qiáng)的親和力,是污染物有效的去除方法?；钚蕴靠山?jīng)濟(jì)有效的去除嗅、味、色度、氯化有機(jī)物、農(nóng)藥及其它人工合成有機(jī)物,但是對(duì)于對(duì)大部分極性短鏈含氧有機(jī)物,如甲醇、乙醇、甲醛、丙酮、甲酸等不能去除。

2.1.5.2 沸石吸附

沸石對(duì)水中氨氮具有選擇吸附作用,除了吸附性能外沸石還具有離子交換性能,催化性能,熱穩(wěn)定性及耐酸性等。另外還具有化學(xué)反應(yīng)性、遠(yuǎn)紅外輻射性、可逆脫水性等工藝性能。在沸石晶格中的空腔中K、Na、Ca等陽離子和水分子與格架結(jié)合得不緊,極易與其周圍水溶液里的陽離子發(fā)生交換作用,交換后的沸石晶格結(jié)構(gòu)也不被破壞。改性后,某些本來吸附性能較差的沸石變成吸附能力極強(qiáng)的新型沸石,因此改性沸石在微污染水預(yù)處理工藝中有應(yīng)用推廣前景。

2.1.5.3 其它吸附材料

粘土由于價(jià)廉、儲(chǔ)量豐富、吸附效率高,作為水處理吸附劑被應(yīng)用于飲用水處理過程中,但大量粘土的投加造成沉淀池排泥量的增加,提高了運(yùn)行成本,造成了困難?；钚匝趸X是一種兩性物質(zhì),等電點(diǎn)為pH為9.5，當(dāng)原水pH低于其等電點(diǎn)時(shí),此吸附劑將吸附陰離子,反之,則吸附陽離子。對(duì)氧化鋁進(jìn)行適當(dāng)改性后,可提高其對(duì)特定污染物的吸附容量。

除上述的處理方法外，還有利用紫外線和臭氧(UV-O3)結(jié)合的方法去除飲用水中的三氯甲烷；利用臭氧和過氧化氫混合法，去除飲用水中的微量污染物，包括苯化物、二氯硝基苯、22甲基異丁醇、四氯乙烯等。必須看到，深度處理水中微污染的方法或因經(jīng)濟(jì)因素，或因處理作用問題,他們都有局限性。例如，在歐洲普遍應(yīng)用的生物活性炭法，由于活性炭的價(jià)格昂貴，在世界上的推廣受到限制. 另外，生長(zhǎng)有細(xì)菌的細(xì)小活性炭顆粒會(huì)在水力沖刷作用下，流入最后的消毒氯化處理，此時(shí)，由于附著在活性炭顆粒上的細(xì)菌聚合體，比單個(gè)的細(xì)菌細(xì)胞對(duì)消毒劑有更大的抗性，一般的氯化消毒往往難于殺死這些細(xì)菌。由于飲用水深度處理技術(shù)均存在各自的局限性，所以人們著手考慮采用一些新方法來彌補(bǔ)它們的不足，飲用水預(yù)處理技術(shù)正是在這樣的條件下發(fā)展起來的。

2.2  預(yù)處理技術(shù)

預(yù)處理技術(shù)采用物理、化學(xué)和生物方法對(duì)水中的污染物進(jìn)行初級(jí)去除, 使常規(guī)處理能更好地發(fā)揮作用, 減輕常規(guī)處理和深度處理的負(fù)擔(dān), 改善和提高飲用水水質(zhì)。常用的預(yù)處理技術(shù)有化學(xué)氧化預(yù)處理技術(shù)、生物預(yù)處理技術(shù)和吸附預(yù)處理技術(shù)。

2.2.1 化學(xué)氧化預(yù)處理技術(shù)　

化學(xué)氧化預(yù)處理技術(shù)是指依靠氧化劑的氧化能力,分解和破壞水中污染物的結(jié)構(gòu),達(dá)到轉(zhuǎn)化或分解污染物的目的。目前采用的氧化劑主要有氯氣、臭氧和高錳酸鉀等。預(yù)氯化氧化是應(yīng)用最早和目前應(yīng)用最為廣泛的方法。此法是在水源水輸送過程中或進(jìn)入常規(guī)處理工藝構(gòu)筑物之前,投加一定量氯氣,用以氧化因水源污染生成的微生物和藻類,控制其在管道內(nèi)或構(gòu)筑物內(nèi)的生長(zhǎng),也可以氧化一些有機(jī)物和提高混凝效果并減少混凝劑使用量。但是,由于預(yù)氯化導(dǎo)致大量鹵化有機(jī)污染物的生成,且不易被后續(xù)的常規(guī)處理工藝去除,可能造成處理后水質(zhì)下降,所以預(yù)氯化氧化處理應(yīng)慎重采用。由于臭氧具有很強(qiáng)的氧化能力,它通過破壞有機(jī)污染物的分子結(jié)構(gòu),以達(dá)到改變污染物性質(zhì)的目的,而且不會(huì)像預(yù)氯化那樣產(chǎn)生有害鹵代化合物,本身也不會(huì)殘留在水中,因此臭氧氧化法正逐漸被推廣使用。高錳酸鉀也是強(qiáng)氧化劑,馬軍教授、李圭白院士等對(duì)其助凝和除污染效能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,高錳酸鉀能顯著控制氯化消毒副產(chǎn)物,使水中有機(jī)物數(shù)量、濃度都有顯著降低,水的致突變活性由陽性轉(zhuǎn)為陰性或接近陰性。總之,化學(xué)氧化法對(duì)去除水中的污染物有很好的效果,但氧化劑費(fèi)用昂貴成了其全面推廣的限制性因素。

2.2.1.1　預(yù)氯化

液氯是水廠中最常用的強(qiáng)氧化劑,應(yīng)用較為廣泛且成本較低,但由于源水中的大量有機(jī)污染物能與氯氣反應(yīng),生成被懷疑具有三致作用的物質(zhì)--三鹵甲烷(THMs),同時(shí)源水中酚類物質(zhì)含量較高時(shí),預(yù)氯化可生成具有強(qiáng)烈刺激性氣味的氯酚類物質(zhì),所以預(yù)氯化處理微污染水源水受到人們的質(zhì)疑。

2.2.1.2 預(yù)臭氧化

臭氧能氧化有機(jī)物, 去除水中的色、嗅、味。可以與多種有機(jī)污染物反應(yīng),破壞有機(jī)物的不飽和鍵,降低有機(jī)物的分子量,但是預(yù)臭氧化也有一定的局限性,它的氧化作用使得水中可溶性有機(jī)物濃度升高,而且臭氧將大分子有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物,在中間產(chǎn)物中可能存在致突變物質(zhì)。此外臭氧氧化有機(jī)氮可造成水中氨氮含量的升高。而且,原水中溴離子含量高時(shí),會(huì)生成具有致癌作用的溴酸鹽和次溴酸鹽,后者與氯化消毒副產(chǎn)物前質(zhì)作用,會(huì)生成毒性更強(qiáng)的溴代三氯甲烷。

2.2.1.3  高錳酸鉀預(yù)氧化

高錳酸鉀預(yù)氧化技術(shù)目前研究較多,并在多種源水中取得了較好的效果,通用性較好,高錳酸鉀預(yù)氧化可控制氯酚、THMs的生成,并有一定的色、嗅、味去除效果,對(duì)烯烴、醛、酮類化合物也有較好的去除能力。哈爾濱建筑大學(xué)研制的高錳酸鉀復(fù)合藥劑去除水中有機(jī)污染物效果好,能顯著地降低水的致突變性。但高錳酸鉀氧化效果與原水的pH值有一定的關(guān)系,堿性條件下氧化效果不好,生成堿基置換類物質(zhì)。

2.2.1.4　二氧化氯預(yù)氧化

二氧化氯(ClO2 )可有效破壞藻類、酚,改善水的色、嗅、味。二氧化氯不會(huì)與水體中的有機(jī)物發(fā)生鹵代反應(yīng)而生成對(duì)人體有害的、致癌的有機(jī)鹵代物。有研究認(rèn)為,甚至ClO2 本身的氧化作用也能去除THMs的前體物。但是,往往由于氧化不徹底,一些小分子有機(jī)物在遇到氯消毒時(shí)更易生成三鹵甲烷。

2.2.1.5　其他預(yù)氧化技術(shù)

過氧化氫的氧化性較強(qiáng)但單獨(dú)使用時(shí),分解速度較慢,效果不很明顯,目前主要用于水的高級(jí)氧化( Fenton試劑,UV /H2O2,O3 /H2O2等)；高鐵酸鹽合成難度較大,穩(wěn)定性需要提高,因而沒有在水處理中推廣應(yīng)用的先例,但卻是一種很有研究開發(fā)潛力的氧化劑。

2.2.2　生物預(yù)處理技術(shù)

生物預(yù)處理方法主要是借助微生物群體的新陳代謝活動(dòng),去除源水中多種有機(jī)物,包括腐殖酸、氨氮和硝酸鹽氮等。目前研究應(yīng)用的生物預(yù)處理工藝主要有生物接觸氧化、生物陶粒濾料濾池、生物流化床、膜生物反應(yīng)器、生物塔濾、生物流化床、生物轉(zhuǎn)盤和淹沒式生物濾池等。

2.2.2.1　生物接觸氧化

生物接觸氧化工藝是利用填料作為生物載體,微生物在曝氣充氧的條件下生長(zhǎng)繁殖,富集在填料表面上形成生物膜,其生物膜上的生物相豐富,有細(xì)菌、真菌、絲狀菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等組成比較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),溶解性的有機(jī)污染物與生物膜接觸過程中被吸附、分解和氧化,氨氮被氧化或轉(zhuǎn)化成高價(jià)形態(tài)的硝態(tài)氮。生物接觸氧化法的主要優(yōu)點(diǎn)是處理能力大,對(duì)沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性,污泥生成量少；缺點(diǎn)是填料間水流緩慢,水力沖刷小,如果不另外采取工程措施,生物膜只能自行脫落,更新速度慢,膜活性受到影響,某些填料,如蜂窩管式填料還易引起堵塞,布水布?xì)獠灰走_(dá)到均勻。另外填料價(jià)格較貴,加上填料的支撐結(jié)構(gòu),投資費(fèi)用較高。

2.2.2.2　生物陶粒濾料濾池

陶粒濾料是一種新型的生物膜截體填料,具有質(zhì)輕,比表面積大、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與石英砂相比,比表面積為同體積石英砂的2～3倍,孔隙率為石英砂的1. 3～2.0倍。與砂濾池比較,平均濾速高(20～25 m /h),產(chǎn)水量大,過濾周期長(zhǎng),沖洗頻率小,沖洗強(qiáng)度低。

2.2.2.3　生物流化床

流化床中的填料隨水、氣流的上升流速的增加而逐漸由固定床經(jīng)膨脹床最后成為流化床。由于顆粒在反應(yīng)器中處于流化狀態(tài),避免了生物濾池的堵塞現(xiàn)象,提高了水與生物顆粒的接觸機(jī)會(huì);同時(shí)可控制水流紊動(dòng)對(duì)生物顆粒表面的剪力水平,從而控制填料上生物膜的厚度,有利于形成均勻、致密、厚度較薄且活性較高的生物膜。強(qiáng)化了水中可生物降解基質(zhì)向生物膜內(nèi)的傳遞過程,使生物流化床的單位容積的基質(zhì)降解速率得到提高。但是生物流化床動(dòng)力費(fèi)用較高,且維護(hù)管理復(fù)雜。

2.2.2.4　膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)臺(tái)的新型水處理技術(shù),以膜組件取代二沉池在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度減少污水處理設(shè)施占地,并通過保持低污泥負(fù)荷減少污泥量。與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)比,MBR具有以下主要特點(diǎn):處理效率高、出水水質(zhì)好；設(shè)備緊湊、占地面積?。灰讓?shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。20世紀(jì)80年代以來,該技術(shù)愈來愈受到重視,成為研究的熱點(diǎn)之一。

2.2.2.5  塔式生物濾池

輕質(zhì)濾料的開發(fā)與采用,為塔式生物濾池的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。生物塔濾增加了濾池高度,分層放置填料,通風(fēng)良好,克服了普通生物濾池(非曝氣) 溶解氧不足的缺陷。國(guó)外廣泛采用塑料材質(zhì)大孔徑波紋孔板濾料,我國(guó)常采用環(huán)氧樹脂固化玻璃鋼蜂窩填料。塔式生物濾池的凈化作用也是通過填料表面生物膜的新陳代謝活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。塔式濾池的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)荷高,產(chǎn)水量大,占地面積小,對(duì)沖擊負(fù)荷水量和水質(zhì)的突變適應(yīng)性較強(qiáng)。缺點(diǎn)是動(dòng)力消耗較大,基建投資高,運(yùn)行管理不便。

2.2.2.6  生物膨脹床與流化床

生物膨脹床是介于固定床和流化床之間的一種過渡狀態(tài),流化床中的填料隨水、氣流的上升流速的增加而逐漸由固定床經(jīng)膨脹床最后成為流化床。生物膨脹床與流化床通過選用適度規(guī)格粒徑(約為0. 2 mm～1. 0 mm) 的生物載體,如砂、焦炭、活性炭、陶粒等。采用生物膨脹床與流化床,可解決固定填料床中常出現(xiàn)的堵塞問題,進(jìn)一步提高凈化效率,且占地面積少。但由于保持膨脹或流化狀態(tài),消耗的動(dòng)力費(fèi)用較高,且維護(hù)管理復(fù)雜,在運(yùn)行過程中還存在流化介質(zhì)跑料現(xiàn)象,其工程應(yīng)用還很少見。

2.2.2.7  生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器

生物轉(zhuǎn)盤在污水處理中已廣泛采用,目前在給水處理領(lǐng)域,對(duì)某些污染程度較為嚴(yán)重的微污染水進(jìn)行了一些研究。生物轉(zhuǎn)盤的優(yōu)點(diǎn)是有較好的耐沖擊負(fù)荷能力,脫落膜易于清理處置。但存在的不足是生物氧化接觸時(shí)間較長(zhǎng),構(gòu)筑物占地面積大,盤片價(jià)格較貴,基建投資高。

2.2.2.8  新型生物反應(yīng)器處理技術(shù)

膜生物反應(yīng)器是膜處理和生物處理相結(jié)合的一種新工藝,它是指以超濾膜組件作為取代二沉池的泥水分離單元設(shè)備,并與生物反應(yīng)器組合構(gòu)成的一種新型生物處理裝置。由于超濾膜能很好地截流來自生物反應(yīng)器混合液中的微生物絮體、分子量較大的有機(jī)物及固體懸浮物質(zhì),并使之重新返回到生化反應(yīng)器中,這就使反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥濃度得以大大提高,從而能有效的提高有機(jī)物的去除率。另外,膜濾出水水質(zhì)很好,系統(tǒng)所排放剩余污泥也很少。

2.2.3　吸附處理技術(shù)

吸附處理技術(shù)是指利用某些材料強(qiáng)大的吸附性能來去除水中污染物的技術(shù)。目前用于源水處理的吸附劑有活性炭(AC)、硅藻土、二氧化硅、活性氧化鋁、沸石、離子交換樹脂,其中用得最多的是活性炭。

2.2.3.1　活性炭吸附

活性炭(AC)具有豐富微孔結(jié)構(gòu)和表面憎水性,其對(duì)水中某些污染物有極強(qiáng)的親和力,是污染物有效的去除方法?；钚蕴靠山?jīng)濟(jì)有效的去除嗅、味、色度、氯化有機(jī)物、農(nóng)藥及其它人工合成有機(jī)物,但是對(duì)于對(duì)大部分極性短鏈含氧有機(jī)物,如甲醇、乙醇、甲醛、丙酮、甲酸等不能去除。

2.2.3.2  沸石吸附

沸石對(duì)水中氨氮具有選擇吸附作用,除了吸附性能外沸石還具有離子交換性能,催化性能,熱穩(wěn)定性及耐酸性等。另外還具有化學(xué)反應(yīng)性、遠(yuǎn)紅外輻射性、可逆脫水性等工藝性能。在沸石晶格中的空腔中K、Na、Ca等陽離子和水分子與格架結(jié)合得不緊,極易與其周圍水溶液里的陽離子發(fā)生交換作用,交換后的沸石晶格結(jié)構(gòu)也不被破壞。改性后,某些本來吸附性能較差的沸石變成吸附能力極強(qiáng)的新型沸石,因此改性沸石在微污染水預(yù)處理工藝中有應(yīng)用推廣前景。

2.2.3.3　其它吸附材料

粘土由于價(jià)廉、儲(chǔ)量豐富、吸附效率高,作為水處理吸附劑被應(yīng)用于飲用水處理過程中,但大量粘土的投加造成沉淀池排泥量的增加,提高了運(yùn)行成本,造成了困難?；钚匝趸X是一種兩性物質(zhì),等電點(diǎn)為pH為9. 5,當(dāng)原水pH低于其等電點(diǎn)時(shí),此吸附劑將吸附陰離子,反之,則吸附陽離子。對(duì)氧化鋁進(jìn)行適當(dāng)改性后,可提高其對(duì)特定污染物的吸附容量。

2.3 強(qiáng)化處理技術(shù)

強(qiáng)化主要包括混凝、過濾、沉淀、消毒的強(qiáng)化。

2.3.1　強(qiáng)化混凝

天然水體中懸浮、膠態(tài)部分有機(jī)物主要是通過電性中和、吸附架橋、網(wǎng)捕沉淀得以去除,而且去除率較高。而水中分子質(zhì)量較小、溶解度較大的有機(jī)物在一般混凝條件下去除率較低,通過強(qiáng)化混凝可以提高其去除率。強(qiáng)化混凝是指向水中投加過量的混凝劑并控制一定的pH值,從而提高常規(guī)處理中天然有機(jī)物(NOM)的去除效果,最大限度地去除消毒副產(chǎn)物的前體物(DBPFP),保證飲用水消毒副產(chǎn)物符合飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的方法。美國(guó)的水處理工作者普遍認(rèn)為, 強(qiáng)化混凝是實(shí)現(xiàn)消毒物/消毒副產(chǎn)物規(guī)定的第一階段目標(biāo)的最佳途徑。因此, 目前采用強(qiáng)化混凝法去除有機(jī)物的研究很多。地面水的天然有機(jī)物主要是腐殖酸和富里酸, 它們與水形成大分子膠體真溶液。對(duì)于某一確定的原水, 必定有一最佳混凝劑。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo), 在去除天然有機(jī)物時(shí), 鐵鹽的混凝效果比鋁鹽好；陽離子高分子絮凝劑可單獨(dú)作為混凝劑, 但陰離子型和非離子型絮凝劑單獨(dú)應(yīng)用效果不佳, 但當(dāng)被用作助凝劑時(shí), 則可發(fā)揮其提高固液分離的功能, 可有效地提高TOC的去除率。強(qiáng)化混凝去除天然有機(jī)物機(jī)理主要有:

(1) 混凝劑生成氫氧化物(Al(OH)3或Fe(OH)3)絮體對(duì)天然有機(jī)物吸附而將其去除；

(2) 天然有機(jī)物與混凝劑一起形成不溶性的絡(luò)合物(鋁的腐質(zhì)酸鹽和富里酸鹽或鐵的腐質(zhì)酸鹽和富里酸鹽),該機(jī)理類似于電性中和。

強(qiáng)化混凝通常有以下幾種方法:

(1) 增加混凝劑的投加量,使水中有機(jī)物的水化層壓縮,水解陽離子與有機(jī)物陰離子電中和,消除由于有機(jī)物對(duì)無機(jī)膠體的影響,使無機(jī)膠體脫穩(wěn)；

(2) 投加絮凝劑,增強(qiáng)吸附、架橋作用,使有機(jī)物易被絮體吸附而下沉；

(3) 完善混合、絮凝設(shè)備,調(diào)整混合與絮凝反應(yīng)的時(shí)間,改善水力條件條件；

(4) 調(diào)整pH值,實(shí)踐表明,一般有機(jī)物多時(shí),pH值5～6效果較好；

(5) 投加氧化劑等如高錳酸鉀復(fù)劑,強(qiáng)化混凝效果。

強(qiáng)化混凝去除天然有機(jī)物的效果受很多因素的影響, 主要包括:天然有機(jī)物種類組成和含量、混凝劑的種類和投加量、pH 值、堿度、水源水中的金屬離子種類。混凝劑的種類是影響混凝效果的重要影響因素之一。中國(guó)科學(xué)研究院選用復(fù)合混凝劑處理高堿度、高pH 值的原水時(shí)發(fā)現(xiàn): 復(fù)合混凝劑去除有機(jī)物效率比傳統(tǒng)的混凝劑( 氯化鋁和氯化鐵)、聚合氯化鋁高出了30%, 特別是在去除SUVA 和高分子量的親水溶解性有機(jī)物時(shí), 更顯示出復(fù)合混凝劑的優(yōu)勢(shì)。L.Rizzo 等人對(duì)比了明礬、氯化鐵及聚合氯化鋁強(qiáng)化混凝去除三鹵甲烷前體的效果,發(fā)現(xiàn)聚合氯化鋁在去除濁度方面比明礬和氯化鐵的效果更好, 但是在去除三鹵甲烷前體物方面的效果不及明礬和氯化鐵。混凝劑的投加量是天然有機(jī)物凈化的關(guān)鍵。同濟(jì)大學(xué)董秉直等采用強(qiáng)化混凝去除黃浦江水中的有機(jī)物研究表明: 就黃浦江水而言, 達(dá)到最佳有機(jī)物去除效果的硫酸鋁投加量為8 mg/L(以Al計(jì)),pH為5.5時(shí),DOC和UV254的去除率可分別達(dá)到46% 和57%。Jian- Jun Qin 等研究表明: pH值為5.2, 明礬投加量為5mgAl/L 是混凝去除水中的NOM的最優(yōu)條件。此時(shí),DOC的去除率達(dá)到45%, 比傳統(tǒng)的混凝效果( 去除率為35%) 要高。

強(qiáng)化混凝需多投混凝劑或另投其它藥劑,勢(shì)必引起藥劑費(fèi)用與污泥處理費(fèi)用的增加。

2.3.2 強(qiáng)化過濾

強(qiáng)化過濾是指通過選擇合適的濾料,采取一定的措施和技術(shù),使得濾料在去除濁度的同時(shí)又能降低有機(jī)物, 降低氨氮和亞硝酸鹽氮的含量。去除氨氮極其鹽類主要通過生物作用,普通快濾池由于采用了預(yù)加氯工藝,抑制了濾料中生物的生長(zhǎng),因此濾料層沒有生物降解作用。強(qiáng)化過濾即要求在濾料中形成生物膜,既要有亞硝化桿菌,又要有硝化桿菌,去除一定量的氨氮、亞硝酸鹽氮。該技術(shù)運(yùn)行管理方面有較大的困難,例如要控制反沖洗強(qiáng)度,既能沖去積泥,又能保持一定的生物膜;要控制濾池的微環(huán)境有利于微生物的生長(zhǎng)。通常強(qiáng)化過濾可采用的技術(shù)措施有:

(1) 選擇合適的濾料,表面要有利于細(xì)菌的生長(zhǎng),并具有足夠的比表面積,濾料的粒徑和厚度必須保證濾后水濁度的要求；

(2) 選擇合適的沖洗方法和沖洗強(qiáng)度,確保反沖洗既能有效地沖去積泥,又能保存濾料表面一定的生物膜；

(3) 濾池進(jìn)水需保證足夠的溶解氧以維持氨氮的硝化過程；

(4) 余氯的存在會(huì)抑制細(xì)菌生長(zhǎng),因此取消濾前加氯工藝,為了控制出廠水細(xì)菌指標(biāo)在規(guī)定范圍之內(nèi),需要對(duì)濾池出水進(jìn)行消毒。

2.3.3  強(qiáng)化沉淀

新的強(qiáng)化沉淀分離技術(shù)基于幾個(gè)論點(diǎn)：

(1)高效新型高分子絮凝劑的應(yīng)用，強(qiáng)化和增加了絮凝體的凈化特性；

(2)改善沉淀水流流態(tài)，減少沉降距離，大幅度提高沉淀效率；

(3)提高絮凝顆粒的有效濃度，促進(jìn)絮凝體整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的快速形成。

當(dāng)水進(jìn)入沉淀區(qū)后，在水中很快形成懸浮狀態(tài)的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過濾層，進(jìn)池原水通過該濾層以自下而上的分離清水和自上而下濃縮絮凝泥渣的過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)原水有機(jī)物進(jìn)行連續(xù)性網(wǎng)捕、掃裹、吸附、共沉等一系列綜合進(jìn)化，達(dá)到以強(qiáng)化常規(guī)工藝處理受污染水的目的。據(jù)介紹，該凈化工藝在國(guó)外已有應(yīng)用。聶小保等采用強(qiáng)化混凝與活性炭聯(lián)用技術(shù)對(duì)贛江微污染水源水處理進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)化混凝與活性炭聯(lián)用較常規(guī)工藝能減小出水濁度，顯著提高COD 和UV 的去除率，并有效控制出水余鋁含量。原水COD為4.10~4.25 mg/L右，UV0.2~0.3 mg/L時(shí)，中試系統(tǒng)出水濁度降低了12 %左右，出水COD和UV分別為0.5~0.7 mg/L和0.015~0.025 mg/L，各自去除率較傳統(tǒng)工藝分別提高了36 %和40 %左右。試驗(yàn)出水余鋁濃度均<0.2 mg/L，NH4-N去除率沒有明顯提高。

三、小結(jié)

水處理工作者經(jīng)過幾十年來的研究和探索, 開發(fā)出多種針對(duì)微污染水源水的處理方法, 主要有預(yù)處理、深度處理和常規(guī)處理的強(qiáng)化。但是, 任何一個(gè)處理單元都有各自的去除對(duì)象, 沒有哪一個(gè)單元具有廣譜的去污能力。這就要求我們?cè)谶x擇微污染水源水處理工藝時(shí), 必須根據(jù)水源水質(zhì)的特點(diǎn)和處理后水質(zhì)的要求, 對(duì)各種處理單元進(jìn)行有效合理的組合, 形成組合工藝, 充分發(fā)揮組合工藝中各處理單元的去污能力, 同時(shí)發(fā)揮各單元間協(xié)同互補(bǔ)的特點(diǎn), 來獲得經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的飲用水。

要從根本上解決水源水水質(zhì)問題, 須從多方面下手, 除開發(fā)新的水處理技術(shù)外, 還應(yīng)從源頭上控制污染物, 努力提高人們的環(huán)保意識(shí)。這不僅有利于飲用水水質(zhì)的提高, 水源水水質(zhì)的改善, 也是恢復(fù)生態(tài)平衡, 造福子孫后代的大事, 更是一個(gè)值得全人類共同關(guān)注的問題。

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