基于常规处理的微污染水源水处理工艺改进措施

（东北石油大学秦皇岛分校 石油与化学工程系，河北 秦皇岛066004）

1 我国饮用水源地污染现状

微污染水源水是指受到工农业和生活污水污染，部分项目超过《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中III 类水体规定标准的饮用水源水，尤其以高锰酸盐指数、氨氮和浊度等指标超标为主。随着我国工业的快速发展和农业生产中农药、化肥的滥用，我国城乡居民生存环境遭受到了极大破坏，且以水环境破坏最为明显。据2012年中国环境状况公报[1]，我国地表水总体为轻度污染，湖泊（水库）富营养化问题严重；其中全国重点监测的62个湖泊中仅有61.3%达到了III 类及III 类以上水质；全国4 929个地下水质监测点较差和极差水质的监测点比例高达57.3%。由中国地质科学院水文地质环境地质研究所等完成的《华北平原地下水污染调查评价》结果显示[2]，华北平原区域地下水综合质量整体较差，直接可以饮用地下水（I～III 类）仅占36.49%，经适当处理可饮用的地下水（IV 类）也仅占24.25%，有39.37%的地下水资源不能直接利用（Ⅴ类）和需经专门处理后才可利用。当前，我国饮用水安全与卫生保障正面临着更严峻的问题和挑战。

2 微污染源水源水处理技术及改进措施

目前我国饮用水处理技术广泛采用的工艺是：混凝-沉淀-过滤-氯气消毒（又称常规工艺），该工艺仅对水中悬浮物有一定的去除效果，同时在悬浮物表面吸附去除少量的有机物，对水中微量有机物、氨氮、贾第鞭毛虫和隐孢子虫等去除能力很低；而且经混凝沉淀后，水中未被去除的微量有机物经氯气消毒时，会被氧化产生三氯甲烷、二氯乙酸等致癌物，成为影响人们生活健康的潜在危害。因此根据我国发展现状，对常规给水处理工艺进行改进，对于提高居民饮用水安全、改善居民生活条件具有重要的现实意义。目前我国大多数水厂主要通过改变操作条件，对原有工艺进行强化，或在原有工艺基础上增加前处理或后处理的方式，达到改善出水水质的目的。

2.1 强化常规工艺

强化常规处理技术是在原有的处理工艺基础上，通过强化混凝、强化沉淀和强化过滤技术环节，改善出水水质。由于它可充分利用现有的工艺设施，投资低，见效快，效果好，对水中浊度、重金属、消毒副产物前体物、藻类、贾第鞭毛虫和隐孢子虫具有较好的去除效果，而成为水厂应对水源污染的首要措施。

2.1.1 强化混凝工艺

传统混凝工艺仅通过吸附作用对水中悬浮性有机物有一定的处理效果，但对于溶解性和胶体性有机物处理效果甚微。而强化混凝可通过胶体状天然有机物（NOM）的电中和、腐殖质共沉淀和混凝剂表面共沉淀等方式达到对水中有机物的去除作用。根据美国D/DBP条例有关定义，强化混凝是在传统混凝的基础上，通过加大混凝剂、助凝剂投加量，或投加新型高效混凝剂、助凝剂，控制一定的pH值，提高NOM的去除效果，最大限度地去除消毒副产物前体物，保证饮用水消毒副产物符合饮用水质标准的方法。它以去除水中天然有机物为目的，从而达到对消毒副产物的控制，成为我国当前水处理的一项重要任务。

强化混凝去除有机物的影响因素主要有混凝剂种类和投加量以及外界操作条件（pH值）。徐亚斌等[3]研究表明，通过以聚合氯化铝为混凝剂，以硅藻土为助凝剂，能明显提高原水浊度和NOM 去除率；Crozes G.等[4]通过将pH值调整至6.0±0.2，可同时达到降低混凝剂用量（60%）和增加NOM 去除率（65%）的效果；Volk[5]等人通过现场测试，发现强化混凝可将溶解性有机碳（DOC）平均去除率从29%提高到43%。

2.1.2 强化过滤工艺

传统过滤工艺为增加过滤周期，常采用预氯化来抑制滤料表面微生物生长，从而仅对水中浊度和细菌有一定的去除效果。而强化过滤则是通过在滤料表面培养微生物，在去除水中浊度和细菌的同时，利用微生物作用去除水中有机物和氨氮。也可以通过使用新型、改性滤料等来改善过滤工艺对浊度、有机物等的去除效果。

马军[6]等通过在石英砂表面涂覆一层金属氧化物，提高了滤池对含藻水的处理效果；曾植[7]通过用碳砂滤池和砂滤池处理微污染地表水进行对比发现，碳砂滤池不仅能增强滤池的处理负荷，还能降低出水浊度、COD、氨氮、U254 等指标；雷国元等[8]通过氧化钛对石英砂滤料进行改性发现，相同条件下，其对浊度、有机物、藻细胞等的去除效果比普通石英砂滤料好。

2.2 常规工艺改进措施

常规工艺改进措施主要是在常规工艺基础上，增加前处理或后处理的工艺方法，常用的有在常规工艺之前增加预处理和在常规处理工艺之后增加深度处理的方法。

2.2.1 预处理工艺

预处理是在常规处理工艺之前对原水中污染物进行物理、化学或生物的初步处理，以降低水中污染负荷，降低胶体稳定性，从而提高常规处理工艺的效果。常用的预处理技术包括预吸附、化学预氧化和生物预氧化。

2.2.1.1 预吸附工艺

预吸附是利用具有吸附性能的物质来去除水中污染物，净化水质。常用的吸附剂有粉末活性炭、硅藻土、沸石、离子交换树脂等。由于活性炭具有疏水特性和强吸附能力，故应用最为广泛。为提高活性炭对水中有机物、金属离子等的去除效果，近年来针对活性炭改性的研究也越来越多。

刘冰等[9]将活性炭吸附和硫酸铝混凝联用，可使水中溶解性有机氮（DON）去除率达到82%，浓度降至0.23 mg/L；周琦等[10]通过回流沉淀池污泥中的粉末活性炭，使原水氨氮去除率达到40%～50%，UV254去除率达到45%左右，CODMn去除率达到60%左右；2005年9～11月间，由于密云水库嗅味物质含量高，北京自来水集团第九水厂采用了在输水管道中投加粉末炭的方法，有效地去除了异味。

2.2.1.2 化学预氧化工艺

化学预氧化是利用强氧化剂氧化分解水中污染物，主要去除水中还原性无机物、藻类和微生物，并初步降解水中有机物。常用氧化剂有高锰酸钾、臭氧、氯气、二氧化氯等。但由于水中的有机污染物与氯气作用，会生成三致物质三卤甲烷（THMs），而有机物经高锰酸钾或臭氧氧化，产物中存在碱基置换突变物，经氯化后易转变为致突变物，因此利用这些氧化剂进行单独氧化，会降低饮用水的毒理学安全性。

傅金祥等[11]以臭氧预氧化，PAC为混凝剂处理白石水库微污染水源水，不仅使出水的浊度、高锰酸盐指数等大大降低，而且还减少了混凝剂投量，取得了较好效果；员建等[12]以臭氧预氧化处理低温低浊度水后直接过滤，使浊度、U254和CODMn去除率分别达到了97%、57%和57%，较直接过滤分别提高了3.5%、42%和40%。

2.2.1.3 生物预氧化工艺

生物预氧化是通过微生物群体的新陈代谢活动降解水中有机物和氨氮，从而改善后续混凝沉淀效果。微污染水源水的生物预氧化一般采用生物膜法，主要采用生物接触氧化、生物滤池、生物转盘等。嘉兴石臼漾水厂二期扩建采用生物接触氧化工艺[13]，预处理对浊度、亚硝酸盐氮、细菌总数、大肠菌群均有30%以上的去除率，对总Fe 有26%的去除率，对色度也有5%～8%的去除率。该预处理池对改善和提高原水水质起到一定的作用。马晓辉等[14]研究了曝气生物滤池对微污染水处理的效果，结果表明，在水力负荷为3.5～8 m3/（m2·h）及气水比0.7∶1～2∶1的工艺条件下，CODMn和NH3-N、浊度的去除效果均较好。

2.2.2 深度处理工艺

深度处理是在常规处理工艺之后，增加能去除常规工艺出水中污染物或消毒副产物前体物的工艺技术。目前，研究和应用较多的深度处理技术主要有：臭氧氧化、膜分离技术、活性炭吸附技术、光氧化技术等，以及这些技术之间的相互结合的处理方式。

2.2.2.1 臭氧-活性炭技术

臭氧-活性炭技术是利用臭氧的氧化性和活性炭的吸附作用，联合去除水中大分子有机物。由于该工艺在很大程度上弥补了传统工艺中微量有机污染物和消毒副产物残留的问题，故常被称作第二代净水工艺。在实践运行中，通过在活性炭表面附着微生物，对提高有机物的去除率起到了更为积极的作用，从而形成了臭氧-生物活性炭滤池技术。昆山泾河水厂采用臭氧-活性炭技术进行改造，砂滤池出水经臭氧活性炭后NH3-N 和CODMn的去除率比改造前分别提高27.9%和32.8%，同时出水色度、嗅和味等感官指标也有大幅度改善[15]。孟建斌等[16]以广州东江北干流河水为原水，考察了臭氧-生物活性炭技术处理微污染水源水的效果，结果表明该工艺对COD、NH3-N、NO2--N 和浊度去除率分别达到55%、80%、85%和95%。

2.2.2.2 膜处理技术

以微滤、超滤、反渗透和电渗析为代表的膜处理技术可有效去除水中的细菌、悬浮颗粒和胶体，甚至金属离子和溶解性有机物。其在微污染饮用水处理领域具有广阔的应用前景。基于我国发展现状，超滤由于其操作压力小，去除胶体直径小而被广泛应用。张宗耀、康华、田宝义等人分别研究在常规处理工艺上通过超滤膜改造处理滦河水，对水中CODMn、U254、氨氮等的去除取得了良好的效果。

3 结论

随着饮用水水源地污染的加剧，以及新的饮用水卫生标准（GB 5749-2006）的全面实施，当前我国广泛采用的给水处理技术已不能满足人们对饮用水质量的要求，针对传统给水处理的改进工艺已迫在眉睫。强化处理仅通过调整操作条件，未改变原有处理工艺流程，即能改善出水水质；原有工艺基础上增加预处理和后处理，也仅在原工艺设施上增加处理设施，就能使出水达到饮用水标准，这些处理工艺均充分利用了原处理工艺设施，具有投资少、见效快的特点。而且改进工艺能根据当地经济发展水平，分期分阶段进行改造，符合我国当前经济发展现状。随着新的给水处理技术的发展，以及给水输送模式的转变等，一些新的给水处理工艺将被用于保障人们的饮用水安全，为饮用水安全保障体系的构建奠定坚实的技术基础。

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