陳妙蘭

(東莞市水務(wù)集團(tuán)供水有限公司，廣東東莞523112)

隨著水環(huán)境的日益惡化和水源污染問題的突出，以地表水為水源的水廠已無法以常規(guī)工藝應(yīng)對(duì)微污染水源。為滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工藝得到廣泛應(yīng)用與研究。該工藝將臭氧的化學(xué)氧化作用、活性炭的物理化學(xué)吸附作用和微生物的生物降解作用有機(jī)結(jié)合、相互促進(jìn)。從20世紀(jì)60年代以后，O3-BAC工藝逐漸被美國、加拿大、日本、 歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)廣泛地應(yīng)用到微污染水的深度處理中。國內(nèi)最早采用O3-BAC工藝的是1985年正式投產(chǎn)的北京田村山水廠。目前很多水廠的生物活性炭濾池已經(jīng)運(yùn)行多年，陸續(xù)出現(xiàn)炭濾料吸附值指標(biāo)和強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，活性炭濾料呈現(xiàn)不同程度的粉末化，正常反沖洗時(shí)出現(xiàn)炭粒磨損加重和破碎現(xiàn)象，炭粉增多，炭層厚度均有所下降。筆者通過向炭濾池組補(bǔ)充舊炭，研究對(duì)比補(bǔ)炭對(duì)炭濾池去除氨氮和亞硝酸鹽氮的效果的影響。試驗(yàn)中的水廠是其所在地級(jí)市首家采用O3-BAC深度處理工藝的水廠，于2009年9月正式投產(chǎn)至今。

1 材料與方法

1.1 水廠概況

南方某水廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為50×104m3/d，在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增加了O3-BAC工藝?；钚蕴繛V池分為2座，即東西流向各1座，每座分6格，每排3格，每格活性炭濾池面積為158.2 m2，濾料上層采用顆?；钚蕴?設(shè)計(jì)粒徑為0.65～0.75 mm)，濾料初始裝填厚度為2.3 m，下層采用粗砂(設(shè)計(jì)粒徑為2～3 mm)，濾料初始裝填厚度為0.3 m。預(yù)臭氧常規(guī)投加量為0.5 mg/L，主臭氧常規(guī)投加量為1.0 mg/L。該水廠水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 水處理工藝流程Fig.1 Water treatment process

1.2 濾池補(bǔ)炭后的炭層厚度

截至2019年9月，活性炭濾池已運(yùn)行10年，炭層厚度降低較多。2016年至2017年，對(duì)1號(hào)～5號(hào)炭濾池進(jìn)行了補(bǔ)炭，6號(hào)～12號(hào)炭濾池未補(bǔ)炭，所補(bǔ)充的活性炭與炭濾池原有活性炭為同一批次，即初始裝填活性炭濾池后剩下的未開封的袋裝顆粒活性炭。西邊炭濾池組包含1號(hào)～6號(hào)炭濾池，東邊炭濾池組包含7號(hào)～12號(hào)炭濾池，2018年測(cè)得西邊炭濾池組炭層總體平均厚度為2.03 m，東邊炭濾池組炭層總體平均厚度為1.77 m，如表1所示。

表1 炭濾池炭層平均厚度Tab.1 Average thickness of carbon layer in carbon filter

1.3 試驗(yàn)材料與方法

2018年至2019年排澇期間，當(dāng)砂濾后水氨氮大于0.02 mg/L時(shí)，分別取砂濾后水、炭濾后水檢測(cè)氨氮、亞硝酸鹽氮，取樣頻率為每4 h一次。砂濾后水指經(jīng)過V型砂濾池處理后的集中出水，炭濾后水是指分別經(jīng)過東邊、西邊炭濾池組處理后的集中出水。

按照《水楊酸鹽分光光度法》(GB/T 5750.5—2006)檢測(cè)氨氮，按照《重氮偶合風(fēng)光光度法》(GB/T 5750.5—2006)檢測(cè)氨氮，使用Shimadzu UV-2550可見紫外分光光度計(jì)檢測(cè)亞硝酸鹽氮。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)氨氮的去除效果

補(bǔ)炭后的西邊炭濾池組與未補(bǔ)炭的東邊炭濾池組對(duì)氨氮去除的效果，如圖2所示。取樣時(shí)間分別為2018年8月31日14:00、18:00和22:00(1#、2#、3#)，2018年9月1日2:00和6:00(4#、5#)；2019年4月20日2:00、6:00和10:00(6#、7#、8#)。其中2018年深度處理綜合池未投加臭氧，2019年3月26日恢復(fù)正常投加主臭氧，主臭氧有效投加量為1 mg/L。

圖2 炭濾池組對(duì)氨氮的去除效果Fig.2 Removal effect of carbon filter groups on ammonia nitrogen

由圖2可見，東、西邊炭濾池組對(duì)氨氮的去除效果差別不大，這是因?yàn)樯锘钚蕴繛V池對(duì)氨氮的去除主要是依靠硝化菌的硝化作用，東西邊炭濾池炭層厚度均大于硝化氨氮的最佳床層高度(300～900 mm)[1]，所以對(duì)氨氮的去除效果基本相同。硝化菌是自養(yǎng)型細(xì)菌，其從二氧化碳中獲取碳源，從氧化無機(jī)物過程中獲取能量，通常條件下生長速度很慢。而該水廠所處地區(qū)水源水的氨氮通常均較低，砂濾后水氨氮長期小于最低檢測(cè)值0.02 mg/L，限制了活性炭濾池內(nèi)硝化菌的生長繁殖和有效生物膜的形成，因此無法應(yīng)對(duì)低濃度和突發(fā)性高濃度氨氮進(jìn)水。但高濃度氨氮進(jìn)水維持一段時(shí)間后，活性炭濾池對(duì)氨氮的去除效果會(huì)顯著提高。

溫度對(duì)硝化菌的生長增殖速率和代謝活性也有較大影響，一般認(rèn)為硝化菌最適宜生長的溫度在30 ℃左右，低于15 ℃時(shí)硝化速率顯著下降[2]。2018年8月31日和9月1日，環(huán)境溫度較高，硝化菌生長繁殖速率較快，因此兩邊炭濾池組對(duì)氨氮的處理效果均較好。而2019年4月20日是春季，剛經(jīng)歷了冬季硝化菌活性較低、生長繁殖速率較低的階段，所以對(duì)氨氮的處理能力均較差。同時(shí)從2018年和2019年的數(shù)據(jù)可以看出，兩組活性炭濾池去除氨氮的效果與深度處理工藝是否投加臭氧無關(guān)。

2.2 對(duì)亞硝酸鹽氮的去除效果

補(bǔ)炭后的西邊炭濾池組與未補(bǔ)炭的東邊炭濾池組去除亞硝酸鹽氮的效果，如圖3所示。其中1#、2#、3#的取樣時(shí)間分別是2018年8月31日14:00、18:00、22:00；4#為2018年9月1日2:00，期間深度處理綜合池未投加臭氧。

圖3 炭濾池組對(duì)亞硝酸鹽氮的去除效果Fig.3 Removal effect of carbon filter groups on nitrite nitrogen

由圖3可見，東、西邊炭濾后水的亞硝酸鹽氮濃度基本高于砂濾后水，東邊炭濾池組出水亞硝酸鹽氮濃度比西邊炭濾池組稍低。生物活性炭濾池氮化循環(huán)分為硝化作用和反硝化作用，其中硝化作用分為氨氧化和亞硝酸氧化兩個(gè)階段，分別由亞硝酸菌先將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，硝酸菌再將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮[3]。由此可見，亞硝酸菌的氧化產(chǎn)物是后者的氧化底物。因此硝酸菌所去除的亞硝酸鹽氮由兩部分組成，分別是進(jìn)水原有的亞硝酸鹽氮及由氨氮轉(zhuǎn)化而來的亞硝酸鹽氮。

由圖2和圖3可見，砂濾后水中氨氮遠(yuǎn)大于亞硝酸鹽氮，即由氨氮轉(zhuǎn)化而來的亞硝酸鹽氮所占比例更大。所以亞硝酸鹽氮存在兩種進(jìn)水濃度，分別是表觀進(jìn)水濃度和實(shí)際進(jìn)水濃度。對(duì)于一般微污染原水，亞硝酸菌比硝酸菌的生長速率大[4]。當(dāng)進(jìn)水亞硝酸鹽氮含量比較低時(shí)，生物活性炭濾池中硝酸菌的生長代謝較慢、繁殖速率較低，而亞硝酸菌相對(duì)增殖更快、活性更高、代謝更旺盛，在此環(huán)境下硝酸菌在氮化生物循環(huán)過程中未能及時(shí)將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，即表觀進(jìn)水濃度比較低時(shí)會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽積累現(xiàn)象。Anthonisen等[5]認(rèn)為游離氨對(duì)硝酸菌的抑制閾值為0.1～1.0 mg/L，對(duì)亞硝酸菌的抑制閾值為10～150 mg/L。

由圖2和圖3可見，當(dāng)砂濾后水能檢測(cè)出亞硝酸鹽氮時(shí)，砂濾后水對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的氨氮為0.21～0.99 mg/L。這說明對(duì)應(yīng)時(shí)段硝酸菌的生長繁殖受到游離氨的抑制作用，而亞硝酸菌并未受影響，因此同樣表現(xiàn)為亞硝酸鹽氮積累。該水廠的生物活性炭濾池在建設(shè)時(shí)，已經(jīng)按固定點(diǎn)設(shè)定恒定水位1.25 m來自動(dòng)調(diào)節(jié)出水閥開度的大小。東邊炭濾池組相對(duì)西邊炭濾池組總體炭層高度要低，恒定水位情況下兩組炭濾池的出水閥開度基本一致，而東邊炭濾池組上方水量較多，水與濾料的接觸時(shí)間相對(duì)更長，硝酸菌有更多的時(shí)間將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，因此東邊炭濾池組出水亞硝酸鹽氮比西邊炭濾池組稍低。

3 結(jié)論與建議

① 補(bǔ)炭后的炭濾池組與未補(bǔ)炭的炭濾池組對(duì)氨氮的去除效果幾乎沒有區(qū)別，補(bǔ)炭的炭濾池組對(duì)亞硝酸鹽氮的去除效果稍差，但區(qū)別不大，生物活性炭濾池對(duì)氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果主要與硝化菌的生物量和生物活性、炭層厚度、接觸時(shí)間等因素相關(guān)。因此，若只考慮對(duì)氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果，那么經(jīng)過多年運(yùn)行的活性炭濾池只要厚度不低于1 m，就沒有必要補(bǔ)充放置較長時(shí)間的顆粒活性炭。

② 考慮到活性炭濾池長期使用后出現(xiàn)大量粉化，濾料間粘度和阻力增大，水頭損失增加，可能造成炭粉穿透承托層影響出水濁度的風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合活性炭濾料的亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、強(qiáng)度、粒徑等各項(xiàng)性能指標(biāo)大幅下降以及對(duì)有機(jī)物、消毒副產(chǎn)物的去除效果均有所下降的情況，為保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)和活性炭濾池正常運(yùn)行，應(yīng)該考慮更換活性炭。

③ 可采用10～30 nm的孔容積作為長期運(yùn)行活性炭濾池性能變化的指示指標(biāo)[6]，當(dāng)濾料粒徑大于0.8 mm的比例小于37%、K80大于3.6時(shí)，會(huì)引

起活性炭濾池水頭損失過高、產(chǎn)水量降低，存在運(yùn)行失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要長期監(jiān)測(cè)活性炭濾池的活性炭結(jié)構(gòu)特性、粒徑分布、破碎化程度以及O3-BAC工藝對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的去除效果等，綜合判斷是否需要更換活性炭。