预氯胺化对滤后水水质影响的中试研究

陈伟仲，李 星，杨艳玲，温 微

（1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000；2.北京工业大学建筑工程学院，北京 100022）

受污染水源的水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺去除水中有机物能力很弱，同时由于溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性而使常规工艺对原水浊度的去除效果也明显下降（50%～60%）［1］。加之低温水黏度大，水流剪力增大，影响絮体的成长，布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚，而且水化膜内的水由于黏度和重度的增大，影响了颗粒之间的黏附强度［2］，导致混凝效果下降。此外，地表水都含有不同来源、粒径及种类的颗粒物，以及传染性胞囊（贾滴虫属、隐孢子虫属），它们在水中对浊度的贡献不大，历史上曾发生过出水浊度低至0.1～0.2 NTU的情况下仍然暴发致病原生动物疾病的事件［3-5］。这些颗粒物会带来卫生问题，必须在供水之前进一步有效去除。

1 试验部分

1.1 试验原水水质

试验在中试系统上进行，原水为黄河下游段水源水，试验期间原水水质部分指标：水温为0.6～4.2℃。浊度为6.4～12.6NTU，色度为15，碱度为176～182mg／L（质量浓度，下同），氯化物质量浓度（下同）为95～110mg／L，氨氮质量浓度（下同）为0.1～0.25mg／L，有机氮质量浓度（下同）为0.08～0.2mg／L，亚硝酸氮质量浓度（下同）为0.030～0.091mg／L，CODMn为4.2～4.8mg／L（质量浓度，下同），硬度为294～308mg／L（质量浓度，下同），pH值为8.04～8.23，UV254为0.108～0.116cm-1。

1.2 试验装置

1）工艺流程

试验在2套平行中试系统上进行，系统流程图见图1。

图1 中试系统流程图Fig.1 Flow diagram of pilot-plant system

2）工艺参数

每套系统的设计流量为5.0m3／h，在其中一套系统的预氧化罐前投加氯2.0mg／L，氨氮0.32 mg／L，预氧化10min后余氯全部转化为化合氯；混凝剂采用FeCl3，投量为6mg／L，机械混合1min，絮凝反应时间为10min；气浮池反应时间为15 min；砂滤池滤速为7.86m／h，滤上水头为1.1m，砂砾承托层厚200mm，双层滤料，下层石英砂厚400mm，上层无烟煤厚600mm。另一套系统不投加预氧化剂，采用常规的混凝、气浮、砂滤工艺，其混凝剂投加量及各工艺处理阶段的时间均为与另外一套系统相同。运行稳定后连续检测滤后水的各项指标。

1.3 检测指标

检测浊度、CODMn、颗粒数、UV254等4项指标。

1.4 检测仪器

Hach2100型浊度仪（美国HACH公司提供），酸式滴定管等仪器（天津玻璃仪器厂提供），752型紫外分光光度计（上海光学仪器厂提供），在线颗粒计数仪（美国IBR公司提供）。

1.5 测定方法

1）浊度：测定前先将浊度仪用标准样品校正，然后将水样装入取样瓶，再将取样瓶放进样品槽内进行测定。量程为0～100NTU，检测精度为0.001NTU。

2）CODMn：本试验采用酸性法来测定CODMn，在一定条件下，以高锰酸钾为氧化剂，处理水样时所消耗的量以氧的质量浓度（mg／L）来表示。

3）UV254：芳香族化合物或具有共轭双键的化合物在波长254nm下有吸收峰。测定前需先将752紫外分光光度计设定波长在254nm下，再以纯水作仪器的零点校正，随后选取水样经过0.45μm滤膜过滤后，置于光程为1cm的石英比色皿内，并将比色皿放入样品槽中，测定吸光度，单位为cm-1。

4）颗粒数：在线颗粒计数仪的设计流量为60cc／min，将其连接到2套系统的滤后出水处，连续监测滤后水中的颗粒总数以及不同粒径颗粒的分布情况，数据传输至工作站进行存贮与处理。检测数据为滤后水中2μm以上的颗粒总数，及不同颗粒粒径（2～3，3～5，5～7，7～10，10～15，15～20，20～25，＞25μm）的分布情况。

2 结果与分析

2.1 预氯胺化助滤效果

预氯胺化工艺的助滤效果如图2、图3所示，常规工艺过滤出水的浊度在0.4～0.5NTU之间，经过预氯胺化处理的过滤出水的浊度在0.2～0.35NTU之间；常规工艺对过滤浊度的平均去除率为94.16%，预氯胺化对过滤浊度的平均去除率达96.52%。试验结果表明预氯胺化有较好的助凝助滤能力。

图2 滤后水浊度比较Fig.2 Comparison of filtered water turbidity

氯胺及其在水中的水解产物次氯酸、二氯胺等通过破坏胶体颗粒表面的有机涂层，降低胶体颗粒表面负电荷和双电层排斥作用，达到有利于颗粒间的碰撞效果，使水中胶体颗粒易于脱稳，形成较大的絮体颗粒，从而有利于后继气浮﹑过滤工艺对颗粒物的去除［6-7］。

图3 滤后水浊度去除率Fig.3 Removal ratio of filtered water turbidity

2.2 预氯胺化去除滤后水有机物效果

预氯胺化工艺去除滤后水有机物的效果如图4所示，常规工艺的过滤出水与预氯胺化后过滤出水的UV254去除率分别为18.66%与23.17%。常规工艺的过滤出水与预氯胺化后过滤出水的CODMn去除率分别为20.53%与25.06%。预氯胺化工艺在去除UV254与CODMn方面具有很好的效果。

图4 预氯胺化去除有机物效果Fig.4 Effect of organic matter removal by pechloramination

2.3 预氯胺化去除滤后水颗粒物质效果

欧美等国曾多次爆发了由于原生动物穿透滤池而引起的大规模水媒传染病恶性事件，中国山东、安徽等地的微污染水源水中已检测发现“两虫”类致病原生动物的存在［8］，影响了饮用水的水质，威胁到了人类的健康［9］，调查表明当时过滤出水浊度指标良好，说明仅以浊度作为致病原生动物卫生安全性指标是不够的［10］。

水中含有的稳态微颗粒难以由浊度值来生动的体现，而粒径为微米量级的颗粒恰为细菌、微生物和藻类等［11］，例如致病原生动物贾滴虫的粒径为8～12μm，隐孢子虫的粒径为4～6μm。它们对城市供水水质的安全性产生极大的隐患。颗粒检测技术能有效测试出粒径大于2μm的颗粒，可以弥补浊度检测的不足［12］。颗粒数量指标对于保证出水水质、严防介水传染病的爆发有着重要的作用，近几年在水处理中越来越受到重视［13］。因此滤后水中的颗粒数在此粒径范围内被大幅度去除具有重要的实际意义。

预氯胺化工艺去除滤后水颗粒物质的效果如图5、图6所示，常规工艺对低温水的混凝效果不好，过滤出水颗粒总数平均为3 237个／mL，颗粒数很高，颗粒物粒径主要集中在2～10μm之间。预氯胺化滤后水颗粒总数平均降到1 468个／mL，较常规工艺少了54.6%，其中2～10μm的颗粒数减少了1 654个／mL，减少了55%；10～20μm的颗粒数减少了101个／mL，减少了54.3%；20μm以上的颗粒数减少了14个／mL，减少了70%。由于氯胺与其在水中的水解产物的氧化性降低了胶体颗粒表面负电荷和双电层排斥作用，使水中胶体颗粒易于脱稳，形成较大的絮体颗粒，从而有利于后续工艺对颗粒物的去除，因此预氯胺化过滤出水颗粒数稳定在较低水平。

图5 滤出水颗粒总数比较Fig.5 Comparison of total particle counts

图6 不同粒径颗粒数比较Fig.6 Comparison of particle counts with different diameter

天然水体的病原微生物个体表面一般都带负电荷，经过混凝后，大多数隐孢子虫和贾滴虫的卵囊都可以吸附到絮凝体上，通过沉淀和过滤去除。病原原生动物的去除程度与颗粒污染物的去除有相同的数量级。因此，预氯胺化对过滤工艺的强化是一个重要的微生物安全屏障。

3 结 论

1）预氯胺化工艺具有良好的强化助滤、去除水中污染物的作用，可改善常规过滤工艺对受污染水源水的处理效果［14-16］。

2）常规过滤工艺对颗粒物质去除能力有限，预氯胺化工艺的对滤后水中不小于2μm颗粒物质以及不同粒径范围的颗粒数的去除效果均大大优于常规工艺。过滤出水颗粒数稳定，波动较小，降低了对过滤工艺的冲击，同时降低了致病微生物穿透滤池的风险，提高了出水的生物稳定性。

3）针对高氨氮原水的处理，预氯胺化为水处理预氧化技术提供了一种新思路，是降低微生物风险和化学风险的一个新途径，提高事故处理的应变能力［17］。

／References：

［1］刘文君，王占生.微污染水源饮用水处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.LIU Wenjun，WANG Zhansheng.Drinking Water Treatment of Micro-Polluted Water［M］.Beijing：China Architecture &Building Press，1999.

［2］严煦世，范瑾初.给水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.YAN Xushi，FAN Jinchu.Water Supply Engineering［M］.Beijing：China Architecture &Building Press，1999.

［3］ROSE J B.Occurrence and significance of cryptosporidium in water［J］.Journal AWWA，1998，80（2）：53-58.

［4］DUGAN N R，FOX K R，OWENS J H，et al.Controlling cryptosporidium oocysts using conventional treatment［J］.Journal AWWA，2001，93（12）：12-25.

［5］李 星，杨艳玲.用新型透光式颗粒检测法测定颗粒凝聚程度［J］.北京工业大学学报，2003，29（3）：301-304.LI Xing，YANG Yanling.Determination of particle aggregation degree with new light extinction particle monitoring technique［J］.Journal of Beijing University of Technology，2003，29（3）：301-304.

［6］吴红伟，刘文君，张淑琪，等.提供生物稳定饮用水的最佳工艺［J］.环境科学，2000，21（3）：64-67.WU Hongwei，LIU Wenjun，ZHANG Shuqi，et al.The optimal process providing biologically stable drinking water［J］.Environment Science，2000，21（3）：64-67.

［7］陈 杰，李圭白，杨 威，等.氯胺的氧化助凝助滤效能［J］.水处理技术，2006，32（12）：26-30.CHEN Jie，LI Guibai，YANG Wei，et al.Efficacy of oxidating coagulaion aid and filter aid of prechloramination［J］.Technology of Water Treatment，2006，32（12）：26-30.

［8］林 涛，王磊磊，陈 卫，等.饮用水处理中颗粒物数量变化及粒径分布规律［J］.河海大学学报（自然科学版），2008，36（3）：326-330.LIN Tao，WANG Leilei，CHEN Wei，et al.Amount and size distribution of particles in drinking water treatment［J］.Journal of Hehai University（Natural Sciences），2008，36（3）：326-330.

［9］宋晓东，王 中.城市管道饮用水供水系统技术经济指标分析［J］.河北科技大学学报，2009，30（4）：362-364.SONG Xiaodong，WANG Zhong.Analysis of technical economic indicators for city drinking water supply system［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2009，30（4）：362-364.

［10］杨艳玲，李 星，丛 丽，等.优化检测与净水工艺提高致病原生动物去除率［J］.给水排水，2003，29（6）：22-27.YANG Yanling，LI Xing，CONG Li，et al.Optimizing of water quality monitoring and removal of parhogenic protozoa in water work［J］.Water and Wastewater Engineering，2003，29（6）：22-27.

［11］朱 洁，陈洪斌，孙博雅.颗粒物计数法用于给水处理的评述［J］.净水技术，2009，28（1）：1-6.ZHU Jie，CHEN Hongbin，SUN Boya.Application of particles counting in water treatment［J］.Water Purification Technology，2009，28（1）：1-6.

［12］杨艳玲，李 星，刘美洲，等.用颗粒计数和浊度联合评价颗粒物去除作用［J］.北京工业大学学报，2007，33（11）：1 199-1 202.YANG Yanling，LI Xing，LIU Meizhou，et al.Evaluation on particle removal effect with combination of particle counting and turbidity［J］.Journal of Beijing University of Technology，2007，33（11）：1 199-1 202.

［13］EDZWALD J K，TOBIASON J E，PARENTO L M，et al.Giardia and cryptosporidium removals by clarification and filtration under challenge conditions［J］.Journal AWWA，2000，92（12）：70-84.

［14］许国仁，马 军，陈忠林，等.高锰酸钾复合药剂助凝生产性试验［J］.给水排水，1995，21（9）：8-13.XU Guoren，MA Jun，CHEN Zhonglin，et al.Full scale experiments of potassium permanganate composite as coagulation aid［J］.Water and Wastewater Engineering，1995，21（9）：8-13.

［15］陈 杰，李 星，杨艳玲，等.预氯胺化控制消毒副产物技术研究［J］.中国给水排水，2005，21（7）：5-8.CHEN Jie，LI Xing，YANG Yanling，et al.Study on pre-chloramination process for control disinfection byproduct［J］.China Water &Wastewater，2005，21（7）：5-8.

［16］李 星，杨艳玲，张 岩，等.高锰酸钾安全强化预氯化工艺消毒效能的研究［J］.工业水处理，2005，25（9）：23-26.LI Xing，YANG Yanling，ZHANG Yan，et al.Study of inactivation efficacy of pre-chlorination process safely enhanced by potassium permanganate［J］.Industrial Water Treatment，2005，25（9）：23-26.

［17］徐 冉，王 梓，程永正，等.突发性水污染事故应急管理体系研究［J］.河北工业科技，2009，26（4）：218-220.XU Ran，WANG Zi，CHENG Yongzheng，et al.Emergency management system of sudden water pollution accidents［J］.Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2009，26（4）：218-220.