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        微污染水源水凈化集成技術(shù)研究

        2013-08-11 07:12:28陳友嵐長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院湖北荊州434023
        關(guān)鍵詞:處理工藝亞硝酸鹽臭氧

        陳友嵐 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州434023)

        李樹苑 (中國市政工程中南設(shè)計研究院,湖北 武漢430010)

        微污染水源是指受到有機(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。其成分主要包括有機(jī)物、氨、嗅味、三致物質(zhì)、鐵、錳等[1]。一般來說,這些污染物種類較多,性質(zhì)較復(fù)雜,但濃度比較低微,尤其是那些難于降解、易于生物積累和具有三致作用的有毒有機(jī)污染物,對人體健康毒害很大。近年來隨著工業(yè)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加速及農(nóng)用化學(xué)品種類和數(shù)量的增加,許多水源已受到不同程度的污染[2-4]。

        據(jù)2009年國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的年度 《中國環(huán)境狀況公報》報道,2009年七大水系總體為輕度污染,203條河流408個地表水國控監(jiān)測斷面中,Ⅰ~Ⅲ類、Ⅳ~Ⅴ類和劣Ⅴ類水質(zhì)的斷面比例分別為57.3%、24.3%和18.4%[5]。另外,目前中國90%以上的城市水域受到污染,50%的重點(diǎn)城鎮(zhèn)水源水質(zhì)不符合飲用水水源的標(biāo)準(zhǔn),都檢測出多種污染物,微污染現(xiàn)狀呈發(fā)展之勢。從目前國內(nèi)水域的污染現(xiàn)狀看,要顯著改善城市水源的水質(zhì)狀況,無論從時間上還是從資金投入上,均無力在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn),因此許多城市不得不以受污染的水體作為飲用水水源。

        然而,現(xiàn)有常規(guī)給水處理工藝 (混凝→沉淀→過濾→消毒)不能有效去除微污染水源水中的有機(jī)物、氨氮等污染物,同時液氯很容易與原水中的腐殖質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物 (DBPs),直接威脅飲用者的身體健康,無法滿足人們對飲用水安全性的需要[6-9]。2006年衛(wèi)生部和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布 《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)的水質(zhì)指標(biāo)由GB 5749-85的35項增加至106項,其中生物學(xué)指標(biāo)由2項增加至6項,飲用水消毒劑由1項增加至4項,毒理學(xué)指標(biāo)由15項增至74項,感官性狀和一般理化指標(biāo)由15項增至20項[10-13]。為適應(yīng)國內(nèi)供水行業(yè)的發(fā)展,研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的受污染水源水處理工藝,全面提高飲用水水質(zhì)是十分必要的。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)裝置與方法

        試驗(yàn)采用某城市受污染的水庫水源,以不同的工藝流程進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)施詳見圖1,其主要的凈化單元如下。

        預(yù)處理部分:生物預(yù)處理、預(yù)臭氧處理;

        常規(guī)處理部分:混合、絮凝、沉淀、石英砂過濾;

        圖1 工藝流程

        深度處理部分:顆?;钚蕴课綖V池 (GAC)、臭氧生物顆?;钚蕴刻幚?(O3-BAC)。

        由以上3個部分組合為常規(guī)處理流程、常規(guī)處理+顆?;钚蕴课綖V池 (GAC)深度處理流程、常規(guī)處理+臭氧生物顆?;钚蕴?(O3-BAC)深度處理流程3個平行運(yùn)行的工藝。將2組預(yù)處理和3條平行運(yùn)行的工藝流程組合為6條試驗(yàn)工藝流程,具體為:(1)常規(guī)處理工藝;(2)生物預(yù)處理+常規(guī)處理工藝;(3)生物預(yù)處理+常規(guī)+GAC深度處理工藝;(4)常規(guī)+GAC深度處理工藝;(5)常規(guī)+O3-BAC深度處理工藝;(6)生物預(yù)處理+常規(guī)+O3-BAC深度處理工藝。由此進(jìn)行各種組合工藝集成技術(shù)凈化效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較。其中,試驗(yàn)設(shè)施的主要設(shè)計參數(shù)如下。

        (1)生物預(yù)處理池井 設(shè)計水量3.3m3/d,水力負(fù)荷1.0m3/ (m2·h),氣水比1∶1,YDT彈性填料;池分3格,采用穿孔管曝氣,池內(nèi)設(shè)有中心導(dǎo)流筒,穿孔管位于中心導(dǎo)流筒下部,每格內(nèi)部通過中心導(dǎo)流筒連續(xù)曝氣的抽升作用,形成水的交替循環(huán),呈完全混合式。

        (2)臭氧系統(tǒng) 由臭氧接觸池和臭氧發(fā)生器組成。

        臭氧接觸池:內(nèi)徑300mm的圓柱形,總高度6.0m,最大有效水深5.7m,水從上部進(jìn)下端出,臭氧從下部進(jìn)上端出,逆向接觸。池體為不銹鋼。

        臭氧發(fā)生器:Ozonia公司的LN103,以純氧 (露點(diǎn)不高于-50℃)為氣源,額定工作狀態(tài)下 (氧氣絕對壓力1.6Bar,氣溫20℃),臭氧生成量2~5g/h,氧氣利用率1.2%~8.8%,試驗(yàn)條件下氧氣利用率約3%。

        (3)常規(guī)處理 由混合、絮凝、沉淀、砂濾組成。設(shè)計水量3.0m3/h。

        混合:靜態(tài)水力混合器,混合時間6s。

        絮凝:孔室反應(yīng),絮凝時間23.2min。斗底重力排泥。

        沉淀:斜管沉淀池,清水區(qū)上升速度1.39mm/s,

        砂濾:石英砂均粒濾池,濾速6.49m/h。濾料粒徑0.8~1.0mm,水反沖洗。

        (4)深度處理 采用粒狀活性炭 (GAC)濾池及臭氧-生物活性炭 (O3-BAC)濾池。

        GAC濾池采用矩形,分為獨(dú)立的2格,每格處理水量1.5m3/h,濾速9.99m/h。濾料厚度2.0m。

        1.2 水源水質(zhì)狀況評價

        采用GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、CJ3020-93《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》評價水庫水源水質(zhì)狀況。

        水源水的錳、亞硝酸鹽、凱氏氮、總磷、氨氮超Ⅲ類水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),高錳酸鹽指數(shù) (CODMn)、BOD5、總大腸菌群超Ⅱ類水體水質(zhì)指標(biāo),部分時間超過Ⅲ類水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。5~8月屬地面水Ⅲ類水質(zhì),個別項目超過Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo);按CJ3020-93的要求,該水源為二級飲用水水源水質(zhì)。

        藻類不是上述2個標(biāo)準(zhǔn)的評價項目,但水源的藻類數(shù)量較高,對水的常規(guī)凈化工藝正常運(yùn)行影響較大,可導(dǎo)致出廠水水質(zhì)下降,是不應(yīng)忽視的水質(zhì)項目。本研究中選用面積為20×20mm、容積為0.1ml的計數(shù)框,采用行格法計數(shù)測定。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 常規(guī)處理及后續(xù)深度處理工藝流程比較

        常規(guī)處理、常規(guī)-GAC深度處理以及常規(guī)-BAC深度處理工藝3個工藝流程平行對比試驗(yàn)對幾個主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測定,濁度、氨氮、亞硝酸鹽氮、CODMn、色度、TON (總有機(jī)氮)、UV254等常規(guī)項目的分析化驗(yàn)方法基本以GB5750-85標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),藻類采用計數(shù)框法測定。平均結(jié)果見表1。

        表1 常規(guī)、常規(guī)-GAC、常規(guī)-BAC工藝單元及流程試驗(yàn)結(jié)果

        由表1可以看出:(1)濁度。3個工藝的出水濁度未見明顯差異,可以認(rèn)為深度處理工藝相對于運(yùn)行狀態(tài)良好的常規(guī)處理工藝,不能提高濁度的去除效率,濁度的去除主要在常規(guī)工藝中解決。(2)氨氮、亞硝酸鹽。常規(guī)工藝對氨氮、亞硝酸鹽氮去除率較小,有時呈負(fù)值,說明常規(guī)工藝對氨氮、亞硝酸鹽氮幾乎不能去除,且由于存在氨氮的硝化,出水中亞硝酸鹽還可能升高;BAC深度處理工藝,投加臭氧后,水中的溶解氧有較大幅度的增加,在顆?;钚蕴繛V池中形成良好的生物生長環(huán)境,因此形成生物濾池,對氨氮、亞硝酸鹽氮有較好的去除作用,氨氮的去除率達(dá)到85%左右。 (3)有機(jī)物。采用CODMn、UV254評價,常規(guī)、常規(guī)-GAC、常規(guī)-BAC3種工藝的CODMn去除率分別為14.42%、38.68%、58.19%;常規(guī)-GAC處理工藝中,GAC單元去除的CODMn總量占流程去除量的62%,而常規(guī)-BAC工藝中的BAC單元去除的CODMn總量占流程去除量的75%;說明投加臭氧后提高了深度處理的能力,有利于有機(jī)物的進(jìn)一步降解;對UV254的去除效果與CODMn的趨勢一致。(4)藻。常規(guī)BAC處理工藝出水的藻含量最低,效果較好,但是出水仍有37萬個/L,對出水水質(zhì)的穩(wěn)定不利。(5)臭閾值、色度。2種深度處理工藝對臭閾值和色度的去除未見明顯差異,但是顯著優(yōu)于常規(guī)處理工藝。

        2.2 生物預(yù)處理、常規(guī)處理后續(xù)深度處理工藝比較

        本試驗(yàn)的后續(xù)3個工藝流程是在前述3個工藝流程基礎(chǔ)上增加了生物預(yù)處理凈化單元,主要目的是解決水源水中的氨氮、亞硝酸鹽氮等可生物降解的污染物。濁度、氨氮、亞硝酸鹽氮、CODMn、色度、UV254等常規(guī)項目的分析化驗(yàn)基本以GB5750-85標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),藻類采用計數(shù)框法測定。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

        由表2可以看出:(1)濁度。各工藝對濁度去除無明顯差異,深度處理不能提高濁度的去除率,這與前述3個工藝的結(jié)果一致。(2)氨氮、亞硝酸鹽氮。由于有前置的生物預(yù)處理凈化單元的生物作用,因此能夠解決氨氮、亞硝酸鹽氮的問題,生物處理后續(xù)的3個工藝流程出水的氨氮、亞硝酸鹽氮基差異不很大。(3)有機(jī)物。當(dāng)源水的CODMn在3mg/L左右時,生物預(yù)處理后續(xù)3個工藝流程出水平均值均低于1.5mg/L,生物預(yù)處理-常規(guī)工藝、生物預(yù)處理-常規(guī)-GAC深度處理工藝以及生物預(yù)處理-常規(guī)-BAC深度處理工藝的出水CODMn平均值分別為1.34、1.02、0.73mg/L。可見投加臭氧的生物活性炭濾池深度處理工藝對CODMn的去除效果最好.分析各凈化單元對CODMn去除率的貢獻(xiàn),生物預(yù)處理所占比率最大,其次是BAC,常規(guī)和GAC相差不大。以CODMn總量為1,各凈化單元的CODMn去除量的比率見圖2。從試驗(yàn)結(jié)果看,不同凈化單元對水源水中的CODMn去除率相差較大,實(shí)際的去除效果與水中有機(jī)物構(gòu)成有關(guān)。

        表2 生物+常規(guī)+GAC(BAC)工藝流程試驗(yàn)結(jié)果

        2.3 各工藝流程出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率比較

        試驗(yàn)期間共進(jìn)行4次水質(zhì)項目的全分析,所得結(jié)果表明:

        常規(guī)處理工藝為大部分水廠所使用的工藝流程,該工藝的超標(biāo)項目主要有氨氮、亞硝酸鹽氮、有機(jī)氯 (總量),偶爾出現(xiàn)苯并 (a)芘及萘的超標(biāo)。與其他流程的出廠水相比,水質(zhì)最差。

        生物預(yù)處理+常規(guī)處理工藝的水質(zhì)指標(biāo)中超標(biāo)項目主要為有機(jī)氯 (總量)。原有項目35項指標(biāo)全部達(dá)標(biāo),新增的53項指標(biāo)達(dá)標(biāo)率為92.45%,大于80%要求。

        生物預(yù)處理+常規(guī)+GAC處理工藝的出水基本滿足所有水質(zhì)指標(biāo)要求。

        常規(guī)+GAC處理工藝不能解決氨氮、亞硝酸鹽氮的超標(biāo)情況,出廠水氨氮、亞硝酸鹽氮濃度超出標(biāo)準(zhǔn)。

        常規(guī)+O3-BAC處理工藝試驗(yàn)次數(shù)少,但其出廠水水質(zhì)好,處理效果顯著,出水只有1項萘超標(biāo),接近生物預(yù)處理+常規(guī)+GAC處理工藝。

        比較氨氮、亞硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)以及臭味幾項常規(guī)項目,流程 (3)、流程 (6)的處理效果最好,既有生物吸附降解作用,又有活性炭的吸附作用;其次是流程 (2)、流程 (4),流程 (2)的優(yōu)勢體現(xiàn)在氨氮、亞硝酸鹽氮及臭味的處理上,流程 (4)則對有機(jī)物與生物臭的處理效果好。

        圖2 不同凈化工藝單元有機(jī)物去除量占總?cè)コ康谋壤?/p>

        3 結(jié)論

        本研究結(jié)果表明,對受污染水源水的處理,要達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或提高水質(zhì),應(yīng)根據(jù)源水水質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行工藝的選擇。

        (1)當(dāng)原水中氨氮濃度高時應(yīng)選擇有生物作用的水處理工藝流程,如生物預(yù)處理+常規(guī)處理工藝或常規(guī)+臭氧生物顆粒活性炭處理工藝,在沒有生物處理工藝單元的流程中氨氮基本上無去除效果;

        (2)當(dāng)原水中藻含量較高時,一般應(yīng)選擇有前處理除藻的工藝單元,否則對后續(xù)的砂濾池運(yùn)行產(chǎn)生不利影響,如可采用生物預(yù)處理工藝單元;

        (3)當(dāng)原水中的臭閾值、有機(jī)物、色度較高時,應(yīng)采用常規(guī)處理工藝后接深度處理 (GAC、O3-BAC)工藝。

        本研究進(jìn)行的6種工藝流程,從出水水質(zhì)看,生物預(yù)處理+常規(guī)+O3-BAC工藝最好,其次是生物預(yù)處理+常規(guī)和常規(guī)+O3-BAC工藝以及常規(guī)+GAC工藝。不同的水源水水質(zhì)條件、目標(biāo)差異、經(jīng)濟(jì)條件等因素,對水處理工藝的選擇都有一定的影響。

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