城市水厂BAC/UF 工艺和臭氧/BAC工艺对比

2022-01-06邱晓莹

工程建设与设计 2021年22期

邱晓莹

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100120）

1 引言

随着人们对饮用水水质要求的提高，深度处理工艺应用越来越广泛，活性炭/超滤（BAC/UF）和臭氧/活性炭（臭氧/BAC）是目前应用广泛的2 种主流的深度处理工艺[1]。生物活性炭可有效去除水中的有机物、颗粒物、氨氮和微污染物，但在其运行过程中可能积累致病性细菌和病毒，降低了饮用水的安全性[2]。超滤膜有很好的分离功能，可有效去除水中的颗粒物，提高饮用水的微生物安全性，但超滤对溶解性有机物和氨氮的去除效果较差。臭氧可提高水中的溶解氧，从而提高BAC 对有机物和氨氮的去除率，尤其是其对UV254①UV254 nm：有机物在254 nm 波长紫外光下的吸光度，反映水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含碳碳双键和羰基的芳香族化合物的多少。有较好的去除作用，但臭氧可能会影响BAC 内微生物的活性，导致BAC 出水亚硝酸盐积累。目前，关于2 种饮用水深度处理工艺的优缺点、使用条件以及针对的目标污染物对比研究较少，使得在城市水厂设计时，深度处理工艺的选择成为难题之一。

本文通过对生产中BAC/UF 和臭氧/BAC 工艺的水中有机物、浊度、颗粒数、微生物以及微污染物嗅味物质等各项指标进行对比，总结2 种工艺的优缺点，为今后城市水厂设计过程中工艺的选取提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 工艺背景

以BAC/UF 工艺为深度处理工艺的南方水厂A。水源由江水、水库水组成，主要存在嗅味、有机物等污染问题。另外，当地常年气温较高，微生物滋生较严重，因此，微生物安全问题也需要妥善解决。该水厂设计规模4×104m3/d，采用混凝/斜管沉淀/BAC/UF 处理工艺，混凝剂投加量为1.2 mg/L，活性炭滤池采用破碎活性炭，每天进行水冲，每24 d 进行1 次气、水三阶段反冲；超滤膜为PVDF 中空纤维膜，采用压力式死端过滤模式，膜组件反冲洗周期为75 m in，反冲时间5 m in。

同地区以臭氧/BAC 为深度处理工艺的水厂B。设计规模5×105m3/d，采用混凝/沉淀/砂滤/臭氧/BAC 处理工艺，主臭氧投加量为1～2 mg/L，活性炭滤池采用柱状炭，炭层高度2 m，空床接触时间12 m in，采用气、水二阶段反冲方式，反冲洗周期48 h。

2.2 实验方法

定期采集A、B 水厂工艺的进水和出水，分析理化指标、有机物指标、微量污染物指标和微生物指标。采集2 种工艺的活性炭样品，进行微生物高通量测序，分析2 种工艺活性炭中微生物群落结构的差异。同时，采集BAC/UF 工艺中的BAC进水和出水以及膜出水中的微生物样品，进行高通量测序，分析BAC 进水、BAC 和BAC 出水中微生物的差异。

3 结果与讨论

3.1 有机物指标

2 个水厂的原水TOC（总有机碳）基本维持在1.7 mg/L，2个水厂之间并无明显差异，A 水厂和B 水厂对TOC 的平均去除率分别为41.8%和45.3%，A、B 水厂的BAC 池出水TOC 平均为1.24 mg/L 和0.92 mg/L。A 水厂和B 水厂的原水UV254区别较大，B 水厂UV254 显著高于A 水厂，分别平均约为0.039 cm-1和0.060 cm-1，两水厂UV254的平均去除率为56.5%和80.6%，出厂水UV254分别约为0.017 cm-1和0.012 cm-1。综上，采用臭氧/BAC 工艺的B 水厂对TOC 和UV254的去除效果优于采用BAC/UF 工艺的A 水厂，特别是臭氧/BAC 对UV254的控制显著BAC/UF。

3.2 颗粒物指标

A、B 两水厂均可使浊度降低99%以上，处理后浊度平均为0.05 和0.09，深度处理工艺可以很好地控制浊度。

A 水厂出水颗粒物含量约为19 个/m L，远低于B 水厂的67 个/m L，膜工艺可有效去除颗粒物[3]。由图1 可知，超滤膜出水颗粒数与BAC 池出水颗粒数没有显著相关性，当BAC 出水颗粒数高达900 个时，膜出水颗粒数仍小于50 个/m L。图2显示，经过臭氧氧化后，颗粒数增加了约24%，投加臭氧后TOC 降低，说明臭氧氧化了有机物，可能是臭氧氧化了大粒径颗粒物，使其变成多的小粒径颗粒物，导致颗粒数增大；经过BAC 池后颗粒数量增多了8%，可能是活性炭破碎后小粒径炭、脱落的微生物以及穿透BAC 床的颗粒物进入水中，导致BAC 出水颗粒数增加。这些颗粒物中可能存在致病细菌和病毒，降低了饮用水的安全性[4]。对两水厂出水细菌总数进行监测，A水厂出水未检测到细菌，而B 水厂则出现过100 个/L 的情况。由长期生产数据可知，BAC/UF 工艺出水生物安全性高于臭氧/BAC 工艺，其主要原因是超滤膜对颗粒物有良好的去除效果，同时，BAC 床运行过程中可能出现微生物脱落泄漏等情况。

图1 A水厂各工艺对颗粒数的影响

图2 B水厂各工艺对颗粒数的影响

3.3 微生物指标

3.3.1 生物量

将BAC、BAC 进水、BAC 出水中的微生物利用0.22 μm滤膜过滤后提取总DNA，结果显示，混凝沉淀/BAC 工艺中，活性炭中的微生物总DNA 量为0.06 μg/g 湿活性炭，对应的臭氧/BAC 工艺中，活性炭中的微生物总DNA 量为0.22 μg/g湿活性炭。臭氧/BAC 工艺中较高的微生物总DNA 量与臭氧有关。臭氧一方面氧化了有机物，提高了生物的可生化性，另一方面，臭氧的投加过程提高了BAC 进水的溶解氧，而饮用水处理中的微生物多为好氧微生物，因此，有利于BAC中微生物的繁殖。BAC 出水的微生物总DNA 量（0.28 μg/L）显著低于进水（0.68 μg/L），说明BAC 过滤可截留相当一部分微生物。

3.3.2 生物分类组成

分析两水厂BAC/UF 和臭氧/BAC 工艺中BAC 和进出水中门级别的微生物分类学组成。总共确定了32 个门中的微生物，其中BAC/UF 工艺中BAC、臭氧/BAC 工艺中BAC、进水、出水中分别发现了27 个、28 个、22 个和20 个门的微生物。BAC 中的微生物种类明显高于进出水，说明微生物在BAC 中具有富集作用。

3.4 微污染物指标

3.4.1 嗅味物质

土臭素和二甲基异莰醇是目前报道最多的引起饮用水嗅味物质。其均为饱和环叔醇类物质，是放线菌和蓝绿藻的二级代谢物,具有挥发性。对两水厂的2-M IB（2-甲基异茨醇）和GSM（土臭素）进行检测，发现GSM 均低于检出限（10 ng/L），2-M IB 含量偏高，故两水厂土霉味的主要来源是2-M IB。Lalezar 等发现，GSM 在水中的溶解度低于2-M IB，活性炭对GSM 的吸附量远高于2-M IB[5]。图3 为A 水厂和B 水厂各流程出水2-M IB 的含量。A 水厂采用BAC-UF 工艺，混凝沉淀可去除部分2-M IB，但是经过BAC 池处理后2-M IB 有所增加，根据A 水厂BAC 池进出水以及BAC 微生物分类组成，其BAC 池中存在的藻类和放线菌可能产生嗅味物质，超滤膜对2-M IB 有一定的去除作用，对2-M IB 的去除原理主要是吸附作用[6]。B 水厂BAC 池出水2-M IB 减少，可能是活性炭吸附作用和炭池中微生物的分解作用。综上，臭氧/BAC 深度处理工艺对嗅味物质的去除效果较好。