常规与深度处理工艺对长江下游浅库型原水的处理效果比较研究*

2020-05-27吴南翔姚春冀陈洪斌

环境污染与防治 2020年5期

沈宏吴南翔姚春冀陈洪斌

(1.浙江省医学科学院卫生学研究所，浙江杭州 310007；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

原水中的可溶性有机物(DOM)积累会降低水质[1-2]，且一些有毒有害物质(如消毒副产物等)的生成、迁移和转化也均与DOM有着密切关系[3-5]，因此，原水中的DOM处理是饮用水中的焦点问题[6-7]。DOM的来源不同，会导致其分子量分布特征的差异[8]。此外，DOM分子量分布特征研究有助于对水体安全指标和去除效能进行更全面的评估。小分子DOM是水中致突变物的主要成分之一[9]，且分子量小于10 ku的DOM会导致消毒副产物生成量提高[10]。混凝及粉末活性炭对DOM的去除效能与DOM的分子量分布特征密切相关[11]。常规处理工艺对DOM(尤其是小分子DOM)的去除效率较低[12]。因此，DOM分子量分布特征已引起了我国水处理领域研究者的重视。

本研究选择以长江下游浅库型原水为进水的某净水厂，对比常规及深度处理工艺运行效果，开展关于饮用水处理过程中DOM分子量分布特征变化的研究，并通过最大消毒副产物生成潜能(DBPFP)的分析，明确常规与深度处理工艺的工艺适应性。研究结果将有利于净水处理效果的预判及净水工艺的选择。

1 材料与方法

1.1 净水厂概况

选取以长江下游地区浅库型原水为进水的某净水厂，该厂净化工艺包括常规处理工艺及以臭氧-生物活性炭(O3-BAC)为核心的深度处理工艺(工艺流程如图1所示)，并于春、夏、秋、冬四季进行实地取样。

1.2 实验方法

1.2.1 常规水质指标测定方法

溶解性有机碳(DOC)及TN利用DOC/TN自动分析仪(DOC-VCPH)测定。高锰酸盐指数(IMn)及氨氮的测定方法分别参考《水质高锰酸盐指数的测定》(GB 11892—89)与《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)。浑浊度利用便携式浑浊度仪(2100P)测定。水样在254 nm处的单位吸光度(UV254)利用紫外分光光度计(UV-1800)测定。基于UV254和DOC测定结果，计算UV254与DOC比值(SUVA254)。

1.2.2 分子量分布特征测定方法

利用超滤杯及分子量切割膜对分子量分布进行测定。

1.2.3 DBPFP测定

DBPFP主要包含三卤甲烷(THMs)生成潜能(THMFP)及卤乙酸(HAAs)生成潜能(HAAFP)。水样氯化培养7 d后，利用甲基叔丁基醚(MTBE)萃取结合气相色谱法测定THMs浓度，记为THMFP；氯化后水样经MTBE萃取及甲基酯化，再结合气相色谱法测定HAAs浓度，则记为HAAFP，具体测定方法可参考文献[13]。

2 结果与讨论

2.1 进水水质

由表1可知，进水UV254和SUVA254春季较高，夏、秋季开始下降，秋季达较低水平，冬季回升；IMn、DOC和TN从春季开始攀升，秋季稍有回落，冬季达最高水平；氨氮则从春季到冬季一路攀升，春季处于最小值，冬季处于最大值。综合来看，冬季的进水水质较差。水质指标的变化规律可结合水源地的气候、水文等的季节性变化特征进行解释。水源地所处的长江下游地区，由于其季风气候的特点，降雨量的季节分配极不均匀，夏季降雨量最多，约占全年降雨量的30%～45%，而冬季最少，约占全年降雨量的10%～15%[14]。冬季降雨量下降会削减雨水对原水中DOM的稀释作用，从而导致冬季进厂水IMn、DOC、UV254、TN和氨氮达最大值。

注：生物活性炭滤池A和B均填充柱状活性炭，炭龄分别为3、8 a。

表1 进水水质指标1)

注：1)表中数值均为3次测定的平均值，相对标准偏差<3%，表2同。

由图2可知，进水中分子量≤1 ku的DOM占比在4个季节均达25%以上，是进水DOM的主要组成部分。相关研究结果表明，市政污水及工业废水中含大量小分子DOM，而这些污水向环境的排放会使自然水体中小分子DOM占比升高加[15]。因此，人类活动对进水水质具有一定影响。此外，分子量≤1 ku的DOM占比具有一定的季节性变化规律，表现为秋季<冬季<夏季<春季。由于春、夏季水温相对较高，水中动、植物代谢活动升高，代谢产物的生成量也随之增加，而小分子DOM是代谢产物的主要组成部分[16-17]。因此，进水水质不仅受人为因素的影响，自然因素对其的影响也不可忽视。

2.2 处理工艺的工艺适应性

由表2可知，两种工艺的出水IMn达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限值(3 mg/L)，且深度处理出水的IMn、UV254、DOC及SUVA254大体均优于常规处理出水。深度处理的IMn、UV254、DOC、SUVA254去除率分别为33%～79%、60%～81%、41%～67%、24%～58%。因此，针对长江下游地区浅库型原水，深度处理工艺不仅净化效率更高，还可有效提高出水水质。常规与深度处理工艺对消毒副产物均具有一定的去除效果，且相比于常规处理工艺，深度处理工艺对THMFP和HAAFP具有更高的去除率(THMFP的去除率为37%～70%，HAAFP的去除率为35%～64%)

分子量≤1 ku的小分子DOM的去除难度较大。有研究表明，经常规处理工艺后，原水中的小分子DOM占比甚至出现升高趋势；小分子DOM在饮用水的输送管网中还易被微生物利用，造成管网微生物的繁殖和污染等问题，从而降低饮用水的安全性[18-20]。结合表3结果可知，常规处理工艺和深度处理工艺出水中分子量≤1 ku的DOM占比大体均表现为上升趋势；但相对于常规处理出水，深度处理出水中分子量≤1 ku的DOM占比稍低(≤50%)。

注：占比以质量分数计，下同。

表2 进水及常规、深度处理出水的水质指标

2.3 各工艺单元对常规水质指标的去除

从表4可知，针对常规处理工艺，DOM主要由混凝、沉淀及砂滤单元去除；对于深度处理工艺，DOM则主要是靠O3-BAC单元去除，该单元对IMn与UV254的去除率分别可达18%～46%、10%～41%。此外，不同炭龄的生物活性炭滤池出水水质区别并不明显，但相较于O3-BAC(B)单元，O3-BAC(A)单元出水水质指标的波动范围稍大。这一现象说明，柱状活性炭使用寿命较长。综上所述，针对长江下游浅库型原水，深度处理工艺具有较好的净化效果，且O3-BAC单元对水中DOM去除起到主要作用。

2.4 各工艺单元出水的DOM分子量分布特征

由表5可知，常规处理中的混凝、沉淀及砂滤B单元对分子量>30 ku的DOM的去除率较高(60%～100%)，总体看来，消毒单元则对分子量≤10 ku的DOM去除率较高。而深度处理工艺中，混凝、沉淀及砂滤B单元对分子量>30 ku的DOM去除率较高(50%～100%)，其余分子量区间的DOM则主要由O3-BAC单元去除。可见，针对长江下游地区浅库型原水，深度处理工艺中，O3-BAC单元对分子量≤30 ku区间DOM的去除作用较为明显；且对于不同季节，O3-BAC出水中，分子量≤1 ku的DOM去除率可在春季、秋季及冬季保持较高水平(>38%)。这一结果是由于臭氧的强氧化作用不仅有利于水中小分子DOM的降解，还会将水中大分子DOM转化为利于微生物代谢的小分子DOM，促进DOM在后续生物活性炭滤池中的进一步去除。虽然夏季较高的水温有利于提高生物活性炭滤池中微生物降解效率，但同时也可能增加可溶性微生物代谢产物的生成、泄漏[21]，而可溶性微生物代谢产物是一类以分子量≤1 ku的DOM为主的混合物[22]，因此，O3-BAC单元对分子量≤1 ku的DOM去除率在夏季出现下降。

表3 进水及常规、深度处理出水各分子量DOM占比

表4 常规、深度处理各单元出水水质1)

注：1)臭氧氧化与生物活性炭滤池A和B的复合单元分别记为O3-BAC(A)与O3-BAC(B)。

表5 常规、深度处理各单元对各分子量区间DOM的去除率1)

注：1)各单元去除率根据该单元的进水和出水水质数据独立计算，图3同；若进水中不含某一分子量区间DOM，则该单元对该区间DOM的去除率也记为0。

2.5 各工艺单元对DBPFP的去除规律

由图3可知，无论是常规还是深度处理工艺，均可对DBPFP起到削减作用；且相较于常规处理工艺，深度处理工艺效果更好(深度处理出水DBPFP均低于常规处理)。结合表5可知，O3-BAC对分子量<1 ku的DOM去除率可保持在较高水平，且该分子量区间的DOM具有较高氯反应活性，是生成含碳类消毒副产物(C-DBPs)的最主要前驱物[23-24]。因此，通过饮用水深度处理工艺流程中的O3-BAC单元，可削减消毒单元进水中小分子DOM含量，对控制后续出水的DBPFP也具有一定的帮助。此外，常规处理工艺中，混凝、沉淀及砂滤B单元是对DBPFP削减起主要作用的工艺单元，其对HAAFP的去除率在夏季达到最大值(26%)，冬季降至10%；相较于HAAFP，混凝、沉淀及砂滤B单元对THMFP的去除率在秋、冬季稍高(秋季达最大值33%，夏季为最小值10%)。深度处理工艺中，THMFP和HAAFP则主要靠O3-BAC单元去除，总体上看，O3-BAC对THMFP的去除率均明显高于HAAFP。这一结果表明，O3-BAC单元对消毒副产物的前驱物具有削减作用，相较于HAAs，THMs的前驱物更易被O3-BAC单元去除[25-26]，且由于HAAFP与THMFP去除规律不同，也证明了O3-BAC单元对不同消毒副产物前驱物去除机理不同。