炭砂滤柱应对突发水源污染的运行效果

张晓娜 王苏女 何嘉莉 巢 猛

（东莞市水务集团供水有限公司，广东东莞 523112）

水源水污染日益严重，人们对饮用水的要求越来越高，因此，如何提高饮用水水质备受关注。常规处理工艺主要功能是去除浊度和杀菌，对水体中有机物和氨氮的去除能力有限。炭砂滤柱作为双层滤料滤柱，上层活性炭通过物理吸附和生物降解作用提高对有机物的去除效果，下层砂滤料可以进一步控制浊度，可以在保证对浊度去除的基础上，实现对有机物和氨氮等污染物的去除[1～3]。本研究通过搭建炭砂滤柱试验平台，开展炭砂滤柱应对排涝期、高藻期等应急突发污染水源的研究，综合评估炭砂滤柱应对突发污染水源水的能力，为老旧水厂工艺升级改造及新建水厂工艺选型提供参考。

1.试验部分

1.1 平台搭建

滤柱装置：滤柱管为不透明PVC水管，滤柱内径为0.042m，高0.8m，手工制作成。炭砂滤柱滤料填充从下到上依次为粗砂、石英砂和活性炭，承托层粗砂粒径为2～4mm，厚度为50mm，石英砂层为均质石英砂，有效粒径d10=0.89mm，K80=1.58，厚度为100mm，活性炭层颗粒活性炭厚度为600mm，有效粒径d10=0.42，K80=2.57，碘吸附值77.44mg/g，亚甲基蓝吸附值46.8mg/g。砂滤柱石英砂有效粒径d10=0.89mm，K80=1.58，厚度为700mm，承托层砂粒径为2～4mm，厚度为50mm。两套小试滤柱底部均设有独立取水口，滤速为8m/h。

1.2 研究方法

1.2.1 对排涝期水体的去除效果

取排涝期水样，投加2.5mg/L聚合氯化铝进行混凝沉淀，沉淀30min后取上清液，分别过炭砂滤柱和砂滤柱，运行稳定后分别取滤后水测定CODMn、DOC、UV254、氨氮以及荧光溶解性有机物指标。

1.2.2 对高藻期水体的去除效果

取东江原水并放置在阳光下暴晒4天，水中藻类大量繁殖，水样呈明显浅绿色，测得原水pH＞8.0，溶解氧浓度10mg/L以上，投加聚氯化铝4mg/L（以Al2O3计）进行混凝搅拌（快搅500r/min，1min，慢 搅50r/min，15min），沉淀2h后，抽取上清液分别进砂滤柱和炭砂滤柱过滤装置过滤，分别取沉后水上清液、砂滤柱和炭砂滤柱出水，测定pH和铝含量指标。

1.3 分析项目及方法

CODMn：采用酸性高锰酸钾滴定法；DOC：采用总有机碳分析仪；UV254：采用紫外可见分光光度计测定；氨氮采用水杨酸盐分光光度法进行测定；pH采用标准缓冲溶液比色法进行测定；铝采用铬天青S分光光度法进行测定。

三维荧光光谱测量：采用日立三维荧光光度计测量。以氙灯为激发光源，激发波长200～400nm，步长为5nm；发射波长280～550nm，步长为2nm；狭缝宽度10nm，光电倍增管电压为500V，扫描速度30000nm/min，取样于1cm石英荧光比色皿中测量。

2.试验结果与分析

2.1 对排涝期水体的去除效果

2.1.1 对有机物的去除效果

对比分析炭砂滤柱和砂滤柱对排涝期有机物的去除效果，结果如图1～3所示。由图1～3可以看出，炭砂滤柱和砂滤柱对CODMn的平均去除率分别为30%、15%；对DOC的平均去除率分别为15%、6%；对UV254的平均去除率分别为17%、6%。由此可见，炭砂滤柱对有机物的去除效果明显优于砂滤柱。这可能是因为有机物主要通过生物作用去除，而砂滤料表面比较光滑，不利于微生物附着生长，因此，砂滤柱对有机物的去除能力较差。炭砂滤柱活性炭滤料比表面积大，表面粗糙多孔，利于微生物生长繁殖[4]，因此，活性炭表面的微生物量较多，生物降解有机物的作用较强，对有机物的去除效果相对砂滤柱好。

图1 炭砂滤柱与砂滤柱对CODMn的去除效果

图2 炭砂滤柱与砂滤柱对DOC的去除效果

图3 炭砂滤柱与砂滤柱对UV254的去除效果

2.1.2 对氨氮的去除效果

对比分析炭砂滤柱和砂滤柱对排涝期有机物的去除效果，结果如图4所示。当待滤水氨氮浓度较低时，炭砂滤柱与砂滤柱出水氨氮浓度无明显差别，氨氮去除率均能达到95%左右。当待滤水氨氮浓度较高（＞2.0mg/L）时，砂滤柱对氨氮平均去除率为26%，炭砂滤柱对氨氮去除效果相对较好，平均去除率达到45%。原因主要是炭砂滤柱挂膜成熟后，活性炭巨大的比表面积为微生物附着提供场所，从而在过滤时通过微生物进行硝化作用，降低出水中的氨氮浓度。

图4 排涝期炭砂滤柱与砂滤柱对氨氮的去除效果

2.1.3 对荧光溶 解性有机物的去除效果

对原水、沉淀后水、砂滤柱出水以及炭砂滤柱出水溶解性有机物荧光光谱各区域的荧光强度进行积分，得到各区的区域标准体积。如图5所示。

图5 炭砂滤柱与砂滤柱出水DOM荧光强度分布

从图中可以看出，区域II和区域Ⅳ所占比例较高，说明水体中溶解性有机物主要以芳香性蛋白质类物质和溶解性微生物代谢产物类物质组成。炭砂滤柱对荧光溶解性有机物的去除效果较好，去除率为46.17%；砂滤柱对荧光溶解性有机物的去除效果较差，去除率仅为16.70%。主要原因是水体中颗粒物主要通过滤柱物理截留的方式去除，而对于溶解性有机物，主要通过生物降解作用去除，砂滤柱滤料表面生物量明显少于炭砂滤料，因此，对荧光溶解性有机物的去除效果也明显劣于炭砂滤柱。

2.2 对高藻期水体的去除效果

东江流域在枯水期，水流缓慢，光照增强，容易导致东江原水藻类繁殖，东江原水藻类丰度为5.6～7.6*106个/L。藻类白天大量吸收水体中二氧化碳，释放出氧气，导致东江原水pH和溶解氧升高，高pH原水会导致在混凝沉淀过程中混凝剂聚氯化铝中铝的溶出，存在一定的铝超标风险，对水厂水处理工艺造成一定影响。

对比分析炭砂滤柱和砂滤柱对高藻期水体pH以及金属铝的去除效果，结果如图6、图7所示。从图中可以看出，当待滤水pH为8.0～9.0，铝含量为0.092～0.473mg/L时，通过滤柱过滤，砂滤柱出水的pH在7.1～7.3之间，铝含量在0.026～0.044mg/L；炭砂滤柱出水pH在6.8～6.9之间，铝含量稳定在0.004～0.017mg/L，炭砂滤柱去除铝的能力远优于砂滤柱。运行期间炭砂滤柱和砂滤柱对铝的平均去除率分别为93.71%和80.98%。炭砂滤柱可有效降低高藻期待滤水的pH和铝含量，解决由于原水pH升高导致铝析出问题。究其原因主要是因为活性炭滤料表面疏松多孔，比表面积大，相对砂滤柱，更适宜微生物生长繁殖。炭砂滤柱在过滤过程中除了物理截留和吸附作用，还发挥了生物降解作用。高藻水溶解氧含量高，微生物可以充分利用水体中的溶解氧对有机物进行生物降解，微生物在生物降解以及自身新陈代谢的过程中产酸，并释放出二氧化碳，使滤后水pH值降低。金属铝属于两性金属，当pH较高时，会导致在混凝沉淀过程中混凝剂聚氯化铝中铝的溶出，导致待滤水中铝含量偏高。通过炭砂过滤，水体中的pH得到降低，水体中金属铝从溶解态转化为悬浮态，悬浮态的铝在炭砂滤柱滤层中得到进一步截留，滤柱出水金属铝浓度随之降低。

图6 高藻期炭砂滤柱与砂滤柱对pH的去除效果

图7 高藻期炭砂滤柱与砂滤柱对铝的去除效果

3.结论

对于排涝期水质，炭砂滤柱对有机物的去除效果明显优于砂滤柱，对CODMn、DOC、UV254的平均去除率分别为30%、15%、17%，当待滤水氨氮浓度较低时，炭砂滤柱与砂滤柱出水氨氮浓度无明显差别，当待滤水氨氮浓度较高时，，炭砂滤柱对氨氮去除效果相对较好。炭砂滤柱对荧光溶解性有机物的去除效果也较好，去除率为46.17%。

对于高藻期水体，炭砂滤柱可有效降低高藻期待滤水的pH和铝含量，当待滤水pH为8.0～9.0，铝含量为0.092～0.473mg/L，炭砂滤柱出水pH稳定在6.8～6.9，铝含量稳定在0.004～0.017mg/L，炭砂滤柱对铝的平均去除率达到93.71%。