饮用水安全保障关键技术集成及工程示范.pdf

Vol.32,No.4,2013!水资源与给水处理近年来，北江上游地区工业迅猛发展，北江水质呈现逐年变差的趋势，水中的污染物种类和浓度不断增加，突发污染事件时有发生。针对以上情况，为确保今后城市供水安全和进一步提高居民饮用水水质，佛山市水业集团有限公司开展了饮用水安全保障关键技术集成及工程示范研究，希望通过此项目的研究，能为佛山市及北江流域自来水厂保障安全优质供水提供参考。1试验材料与方法1.1 试验方法与工艺流程本课题采用北江原水，通过中试分别考察了以强化混凝、两相催化氧化助凝、活性炭吸附、膜分离和紫外消毒为核心的多种饮用水安全保障关键技术。（1）强化混凝工艺流程静态烧杯试验工艺：采用六联搅拌器模拟水厂工艺流程。应急平台试验综述：微型全自动试验系统以微型化理念为指导，采用超小的原水流量（0.5 Lh 左右）和投加药液流量（0.51 mLh），模拟给水厂净水工艺和连续流工况；可单独或同时向水中投加多至9 种药剂，结合计算机技术和控制技术，实现了试验系统的全自动控制和数据采集，如图 1 所示。收稿日期 2 0 1 2-11-19基金项目 广东省佛山市禅城区产学研专项资金项目（2009B1042）作者简介 赖日明（1979），男，工程师，从事水质监测、水厂技术改造。电话 [phone]；E-mail：。饮用水安全保障关键技术集成及工程示范赖日明，叶挺进，陈锋，黄禹坤，罗旺兴，何瀚涛（佛山市水业集团有限公司，广东佛山528000）摘要以北江水为原水，通过中试试验分别考察了以强化混凝、两相催化氧化助凝、活性炭吸附、膜分离和紫外消毒为核心的多种饮用水安全保障关键技术。结果表明以强化混凝为核心的工艺在重金属去除方面有优异的表现，两相催化氧化助凝技术在节能减排方面表现突出，超滤膜技术在浊度去除方面有优势，臭氧-生物活性炭工艺对有机物的去除效果较好，紫外消毒技术能有效减少消毒过程中有毒有害副产物的生成。关键词强化混凝催化氧化助凝吸附生物活性炭超滤膜紫外消毒中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：1009-0177（2013）04-0010-06Integration of Key Technologies and Demonstration of Engineering Project for DrinkingWater Safety and SecurityLai Riming,Ye Tingjin,Chen Feng,Huang Yukun,Luo Wangxing,He Hantao(Foshan Water(Group)Co.,Ltd.,Foshan528000,China)AbstractPilot study was performed to investigate several processes for the safety guarantee key technology of drinking water fromBei River source water.The combined processes used enhanced coagulation,two phase catalytic oxidation of coagulant,activated carbon(AC)adsorption,membrane separation,ultraviolet(UV)disinfection as the core unit respectively.Results show that the combinedprocesses using enhanced coagulation as the core unit achieve better heavy metal removal,the process of two phase catalytic oxidationof coagulant performs better in energy conservation and emission reduction,ultrafiltration(UF)membrane technology performs betterin turbidity removal,the ozonation-biological activated carbon(BAC)process performs better in removing organic matter,and UV disinfection can effectively reduce the formation of toxic by-products in the disinfection process.Keywordsenhanced coagulationcatalytic oxidationcoagulation aidadsorptionBACUF membraneUVdisinfection净水技术 2013，32（4）：10-1455Water Purification Technology10-净水技术WATER PURIFICATION TECHNOLOGYVol.32,No.4,2013August 25th,20131）高锰酸钾复合药剂强化混凝对铜的去除方法及内容设计四因素三水平试验 L9（34）确定不同加标浓度下的最优组合方式，以去除率和是否达标考察去除效果，进一步考察影响因素时在最优组合附近考查。2）高锰酸钾复合药剂强化混凝对锌的去除方法与内容设计四因素三水平试验 L9（34）确定不同加标浓度下的最优组合方式，以去除率和是否达标考察去除效果，进一步考察影响因素时在最优组合附近考查。（2）两相催化氧化助凝效能及单元工艺优化1）通过实验室试验，广泛对比铁铝盐絮凝剂，利用两相催化氧化助凝方法，确定药剂配比。复合混凝剂 PAC+KMnO4+水合 MnO2催化氧化水中有机物和还原性物质，在水中形成水/有机絮体两相体系，随着反应的进行，有机絮体越来越大，有利于吸附水中杂质而达到分离目的。2）通过调整中试基地参数，优化整个处理系统，定量强化混凝技术对能耗和水质贡献。（3）以活性炭吸附技术为核心的组合工艺考察了不同预处理条件（预臭氧和预氯化）下，常规处理工艺、常规处理+颗粒活性炭吸附（GAC）工艺和常规处理+臭氧-生物活性炭（OBAC）工艺对北江原水的处理效果。根据预处理方式不同，试验分三组进行。第一组为预臭氧、第二组为预加氯、第三组为无预处理，每组又包含三个工艺流程，即常规处理工艺、常规处理+颗粒活性炭吸附（GAC）深度处理工艺、常规处理+臭氧-生物活性炭（O3-BAC）深度处理工艺，总共九种工艺组合如下：预臭氧+常规处理、预臭氧+常规处理+GAC、预臭氧+常规处理+OBAC、预加氯+常规处理、预加氯+常规处理+GAC、预加氯+常规处理+OBAC、常规处理、常规处理+GAC、常规处理+OBAC。试验工艺流程如图 2 所示。进入试验系统的原水流量为 6 m3h，经预处理、常规处理后，1 m3h 的水量作为常规处理出水进入消毒池，5 m3h 的水量流入提升水池，经过水泵提升进入深度处理设施，GAC 和 OBAC 工艺各 2.5 m3h。（4）以超滤膜技术为核心的组合工艺考察了不同预处理条件下，外压式超滤膜和内压式超滤膜对北江原水的处理效果。根据预处理方式的不同，试验分三组进行，第一组为无预处理、第二组为混凝沉淀预处理、第三组为常规处理+活性炭过滤预处理，试验工艺流程如图 3 所示。外压式超滤膜系统膜材质为聚偏氟乙烯（PVDF），膜孔径为 0.1 m，采用错流运行，流量约为 3.0 m3h；内压式超滤膜系统膜材质为 PVC 合金，采用全量过滤运行，流量恒为 2.5 m3h。（5）以紫外消毒技术为核心的组合工艺考察了常规处理、常规处理紫外消毒（UV）氯消毒（Cl2）、常规处理氯消毒（Cl2）常规处理紫外消毒（UV）四种不同消毒工艺对常规处理工艺出水水质的影响。进入试验系统的原水流量为 6 m3h，经常规工艺处理后，2.5 m3 h 的水量不进行任何消毒，直接出水；1.0 m3h 的水量使用氯消毒；2.5 m3h的水量使用紫外消毒或紫外+氯消毒处理，同时进行平行对比。1.2 检测项目与分析方法原水絮凝池斜管沉淀池滤 池出水多个药剂投加池颗粒活性炭出水污泥回流图 1移动式水质应急平台系统工艺.Fig.1Mobile Emergency Platform System Technology of Water Quality图 2活性炭组合工艺流程图Fig.2Schematic Diagram of Combined AC Processes北江原水预氧化柱混凝沉淀池石英砂滤池超越管消毒池BAC 滤池后臭氧接触塔提升水池消毒池消毒池GAC 滤池图 3 超滤组合工艺流程图Fig.3 Schematic Diagram of Combined UF Processes北江原水混凝沉淀池石英砂滤池GAC滤池外压式超滤内压式超滤超越管11-Vol.32,No.4,2013试验过程中对各工艺进出水进行了检测，主要检测项目为浊 度、pH、CODMn、UV254、TOC、NH4+-N、CHCl3、余氯、细菌、大肠杆菌等，本文重点分析各工艺的优化、各工艺对重金属、浊度、有机物（以 TOC为代表）的去除及对氯化消毒副产物的控制效果。各指标的检测在国家城市供水水质监测网佛山监测站进行，检测方法均采用 生活饮用水标准检验方法（GB T 5750.62006）中规定的方法。2试验结果与讨论2.1 强化混凝对重金属去除效果2.1.1 高锰酸钾复合药剂1（PPC）对铜的去除通过正交试验2筛选得出各项指标都能达到处理要求的条件：混凝剂投加量为 40 mgL、PPC 投加量为 5 mgL、pH 为 8。PPC 在混凝投加前 2 min 投加，对 3 mg L Cu 的去除率为 93%，出水 Mn 含量为 0.14 mgL、Al 含量为 0.09 mgL、pH 为 8.07。2.1.2 高锰酸钾复合药剂（PPC）对锌的去除由试验所得，pH 是 Zn 去除的主要因素，pH 越高越有利于 Zn 的去除，由于 Zn 离子形成 Zn（OH）2或多羟基配合物的过程中需要消耗碱度，水厂原水pH 在 8 左右，有利于 Zn 的去除；常规混凝对 Zn 的去除没有明显作用，PPC 的投加强化混凝有利于 Zn的去除，主要由于新生态的水合二氧化锰表面的专属吸附作用及表面配合及沉积有利于重金属去除，但对沉后水出水浊度略有影响。PPC 和混凝剂同时投加更有利于重金属的去除，但出水浊度明显高于先投加 PPC 的工艺。当混凝剂投加量为 20 mgL、PPC 投加量为 4 mgL、pH 为 8 时，PPC 和混凝剂同时投加或先投加 PPC，重金属 Zn 在加标 4.0 mgL的条件下出水均达标，且以该混凝剂和 PPC 投加量利用 LONG 算法取点优化，混凝剂和 PPC 的投加量微量的改变处理效果变化不大，但均达标。2.2 两相催化氧化助凝效能及单元工艺优化通过对四种混凝剂的比选和混凝剂与吸附剂助凝剂的效果比较，对浊度、TOC 的去除能力、反应时间、沉淀速度、抵抗水质变化冲击能力等方面来综合考察，确定了复合混凝剂 PAC+KMnO4+水合MnO2为一种新型高效药剂。此外，还考察了不同水质条件下复合混凝剂的投加量。（1）对水源水为类水、水质较好的原水，采用复合混凝剂 PAC+KMnO4+水合 MnO2（15+0.05+0.05mgL）进行强化混凝，出水水质不受进水水质和水量的影响，始终达到生活饮用水水质卫生标准。（2）对枯水期浊度高、有机污染物含量高的水源水，采用复合混凝剂 PAC+KMnO4+水合 MnO2（20+0.3+0.5 mgL）进行强化混凝，浊度去除率达到99%，有机污染物（以 TOC 计）去除率达到 60%，与单元 PAC（40 mgL）的混凝效果相比，前者的出水水质更好更稳定，而投加量减少 50%，直接节约药剂费 40%。2.3 不同工艺对浊度去除效果不同活性炭组合工艺出水平均浊度如图 4 所示。由图 4 可知预臭氧化和预氯化均有助于对浊度的去除，其中预臭氧化效果更明显，在该条件下，三种工艺出水浊度均低于 0.1 NTU。这可能是由于臭氧是强氧化剂，可以改变水中悬浮颗粒和胶体颗粒的表面特性，有利于混凝。另外，无论是 GAC 还是OBAC 均能进一步降低浊度，但 OBAC 工艺出水浊度略高于 GAC 工艺，这可能与 BAC 滤池中生物膜的脱落有关。不同超滤组合工艺出水平均浊度如图 5 所示。由图 5 可知在各种预处理条件下，外压式膜和内压式膜出水浊度均不超过 0.1 NTU。另外，无论是外压式膜还是内压式膜，混凝沉淀预处理使超滤膜出水浊度与直接超滤相比有一定的降低，而混凝沉淀+超滤与常规处理（主要是砂滤）+炭滤-超滤出水浊度差别不大。这可能是由于混凝沉淀预处理使水中部分小于膜孔径的胶体颗粒凝聚之后能够被膜截留，从而使出水浊度较低；而砂滤和炭滤所截留的颗粒都是大于膜孔径的，因此对膜出水浊度基本没有影响。2.4 不同工艺对有机物的去除效果不同活性炭组合工艺出水平均 TOC 如图 6 所示。由图 6 可知预臭氧化能提高各工艺对 TOC 的去图 4不同活性炭组合工艺出水平均浊度Fig.4Average Turbidity of Effluents by Different Combined ACProcesses0.160.140.120.100.080.060.040.020.00浊度NTU常规工艺出水GAC出水OBAC出水预臭氧化预氯化无预处理赖日明，叶挺进，陈锋，等.饮用水安全保障关键技术集成及工程示范12-净水技术WATER PURIFICATION TECHNOLOGYVol.32,No.4,2013August 25th,2013除效果，其中对常规处理工艺作用最为明显；而预氯化不能提高对 TOC 的去处效果。在预氯化和无预处理条件下，OBAC 工艺对 TOC 的去处效果略优于GAC 工艺，这是由于该工艺将臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解三种作用融为一体，处理效果较 GAC工艺更优；但在预臭氧化条件下，两者效果相近，这可能是因为预臭氧化后常规工艺出水 TOC 浓度已比较低，OBAC 工艺无法进一步发挥作用。不同超滤组合工艺出水平均 TOC 浓度如图 7所示。由图 7 可知外压膜和内压膜原水直接超滤对TOC 的平均去除率都可以达到 70%以上，去除效果较好，这可能是由于北江原水 TOC 中悬浮态和胶体态所占比例较大，大部分能够被超滤膜截留。混凝沉淀-超滤工艺对 TOC 的去除并无明显提高，但在该工艺中 TOC 主要在混凝沉淀部分去除，减小了超滤部分的负荷，有利于减缓膜污染。混凝沉淀-砂滤-炭滤-超滤工艺对 TOC 的去除有所提高，可能是由于炭滤和砂滤去除了部分超滤不能截留的溶解性有机物。2.5 不同工艺对消毒副产物的控制为研究不同活性炭组合工艺对消毒副产物的控制效果，在各工艺出水中投加次氯酸钠（接触时间为 30 min，余氯（以有效氯计）按 0.6 mgL 控制），然后测定 CHCl3含量，结果如图 8 所示。由图 8 可知预臭氧化能有效控制氯化消毒副产物。常规工艺出水氯消毒后 CHCl3浓度为 0.23 gL，而无预处理时CHCl3浓度为 1.69 gL，约为预臭氧化时的 7.3 倍。预臭氧化可以通过两个途径控制消毒副产物，一是直接去除前驱物质；二是转化前驱物质。从而利于后续工艺的的协同去除，后者在低臭氧投加量下起重要作用。预氯化条件下，常规工艺出水氯消毒后CHCl3浓度为 2.07 gL，比无预处理时增加了 0.38gL，这可能是因为预氯化会生成 CHCl3，在后续常规工艺中难以有效去除。在三种不同的预处理条件下，OBAC 工艺出水经氯消毒后 CHCl3浓度最低，为0.16 gL，这表明臭氧-生物活性炭工艺对氯化消毒副产物的控制效果最优。图 5不同超滤组合工艺出水平均浊度Fig.5Average Turbidity of Effluents by Different Combined UFProcesses0.150.100.050.00浊度NTU外压式膜内压式膜原水直接超滤混凝沉淀+超滤常规处理+炭滤-超滤图 6不同活性炭组合工艺出水平均 TOCFig.6 Average TOC of Effluents by Different Combined AC Processes5.004.003.002.001.000.00TOC（mg L-1）源水常规工艺出水GAC出水OBAC出水预臭氧化预氯化无预处理图 7不同超滤组合工艺出水平均 TOCFig.7Average TOC of Effluents by Different Combined UF Processes6.005.004.003.002.001.000.00TOC（mg L-1）源水外压式膜内压式膜原水直接超滤混凝沉淀+超滤常规处理+炭滤+超滤图 8不同活性炭组合工艺出水氯消毒后 CHCl3浓度Fig.8Average CHCl3Concentration of Effluents by DifferentCombined AC Processes after Chlorination2.502.001.501.000.500.00三氯甲烷（g L-1）常规工艺出水GAC出水OBAC出水预臭氧化预氯化无预处理13-Vol.32,No.4,2013值得注意的是，预臭氧化条件下，GAC 工艺出水氯消毒后 CHCl3平均浓度为 0.50 gL，高于常规工艺出水，这是因为在 GAC 滤池中，随运行时间延长，滤池截留的 CHCl3会部分析出。试验运行的最初一段时间内，GAC 和 OBAC 工艺中进水及出水CHCl3含量的变化情况如图 9 所示。该图中出水是未经氯消毒时 CHCl3的含量。由图 9 可知在试验刚开始时，CHCl3可以被活性炭吸附而去除，但随着活性炭上 CHCl3吸附量的增多，原来吸附于活性炭上的 CHCl3会析出，致使 GAC 出水中 CHCl3浓度高于进水。预臭氧化条件下，GAC 工艺进水 CHCl3浓度较低，出水浓度就会有明显增加。OBAC 工艺中，活性炭对 CHCl3的有效吸附周期较长，出水水质较GAC 工艺稳定。有资料表明，臭氧对水中已形成的三卤甲烷几乎没有去除作用，GAC 池及 BAC 池也只能吸附CHCl3，而不能对 CHCl3起生物降解作用。但本试验中，BAC 对 CHCl3的去除效果明显优于 GAC，这可能是因为生物膜对 CHCl3有一定的吸附去除作用。另外，微生物的再生作用也有利于活性炭对 CHCl3的吸附。有研究表明，GAC 一般要运行 16 个月才对CHCl3的吸附失效，但本研究中，经过一段时间的调试，运行较短时间（1 个月后）出水浓度就会高于进水，这可能与使用加氯预氧化有关，预氯化后常规工艺出水中含有较高浓度的 CHCl3，进入深度处理工艺后会加速活性炭对 CHCl3吸附的饱和。由试验结果可知活性炭对 CHCl3吸附饱和后，仍能保证对其它有机物的吸附效果。为研究不同消毒工艺对消毒副产物的控制效果，使用了三种不同功率（15、20、40 W）的紫外灯管，紫外光照射水体时间为 2.9 s；两座氯消毒池停留时间均为 30 min，氯投加量根据出水余氯值控制在 0.7 mgL 左右进行投加，单独氯消毒工艺有效氯投加量一般为 0.941.27 mg L，UV氯消毒工艺中有效氯投加量一般为 0.81.02 mgL，不同消毒工艺在不同工况下 CHCl3含量如表 1 所示。由表 1 可知 UV 消毒工艺中出水 CHCl3含量和原水、滤后水一样，在消毒过程中无 CHCl3生成，而UV+Cl2消毒工艺出水 CHCl3也有检出，可见只要工艺中添加了氯消毒剂，出水 CHCl3值就会相应增加。就生成 CHCl3的两种工艺对比，UV氯消毒工艺比氯消毒工艺总体上 CHCl3值减少了24.9%，并且其 CHCl3减少量还与紫外线强度有关。使用40 W 的紫外灯管所生成的 CHCl3值比同等条件下氯消毒水降低了 37.5%；其次是使用 20 W 的紫外灯管时，降低了 34.9%；最后是使用 15 W 的紫外灯管，仅降低了 9.5%。UV氯消毒工艺比氯消毒工艺控制 CHCl3效果好，是因为 UV氯消毒工艺中紫外线照射杀灭的水中大部分细菌，后续消耗的氯明显减少，在控制出水余氯一定的条件下，氯投加量减少，水中氯浓度低，致使 CHCl3生成量减少；而紫外线剂量越大，需要投加的氯减少，试验中在使用 15 W 的紫外灯管时需投加1 mg L的有效氯，而在使用 40 W 的紫外灯管时只需投加 0.8 mgL，氯投加量减少，CHCl3生成量相应减少。3结论与建议（1）对于突发的重金属铜、锌的污染，可根据其特点调整工艺以达到去除的目的。（2）复合混凝剂 PAC+KMnO4+水合 MnO2是一种新型高效药剂，在抗击有机物污染（下转第 55 页）图 9GACOBAC 工艺进出水 CHCl3浓度Fig.9CHCl3Concentration of Influents and Effluents by GAC andOBAC1.21.00.80.60.40.20.0CHCl3（g L-1）123456789101112GACOBAC 进水GAC 出水BAC 出水试验次数表 1各消毒工艺不同工况下 CHCl3生成均值Tab.1CHCl3Concentration of Different Disinfection Processesunder Different Conditions三氯甲烷均值（g L-1）（15 W）三氯甲烷均值（g L-1）（20 W）三氯甲烷均值（g L-1）（40 W）三氯甲烷均值（g L-1）（总均值）0.040.040.040.040.040.040.040.040.040.040.040.040.7631.3931.5321.2290.4770.9071.3870.924项目名称原水滤后水 UV消毒水 氯消毒水 UV+氯消毒水赖日明，叶挺进，陈锋，等.饮用水安全保障关键技术集成及工程示范14-净水技术WATER PURIFICATION TECHNOLOGYVol.32,No.4,2013August 25th,2013（上接第 14 页）和节能减排方面有优势。（3）对于浊度的去除，在上述考察的各组合工艺中，以超滤膜技术为核心的组合工艺，无论是“混凝沉淀+超滤”还是“常规处理+炭滤+超滤”表现都非常优异，出水浊度稳定在 0.0600.065 NTU，且过膜流量基本稳定；“预臭氧化+常规处理+OBAC”工艺出水平均浊度 0.107 NTU，略高于膜组合工艺。但是，此工艺中 BAC 滤池生物膜的脱落可能会影响水中浊度的去除。（4）“预臭氧化+常规处理+OBAC”组合工艺在有机物的去除具有明显优势，对 TOC 的去除率达到了 90.83%；而“常规处理+炭滤+超滤”工艺中混凝沉淀部分对 TOC 去除率为 71.7%，过砂滤、炭滤和超滤后去除率为 79.4%，说明该工艺对有机物的去除效果略差，但由于原水有机物含量不高，出水TOC 含量仍不超过 1 mgL。（5）在氯化消毒副产物的控制方面，“预臭氧化+常规处理+OBAC”工艺通过对氯化消毒副产物前体物的去除能够很好地控制 CHCl3的生成，“预氯化+常规处理+OBAC”工艺中 OBAC 能有效吸附预氯化生成的 CHCl3，使出水 CHCl3保持较低的浓度；与氯消毒相比，紫外线消毒或紫外与氯联合消毒能有效减少消毒过程中 CHCl3的生成。需要指出的是，由于北江原水中氯化消毒副产物前体物含量总体较低，所考察的各工艺出水 CHCl3含量均远低于 生活饮用水卫生标准（GB 57492006）规定的 60 gL 的限值。参考文献1 齐雪梅,刘永昌,黄罡星,等.高锰酸盐复合药剂的制备及其强化混凝的效能J.净水技术,2009,28(4):68-70.2 黄富民,丁冰泉,伍俊荣,等.超滤处理高浊度原水系统的正交试验设计J.净水技术,2011,30(4):17-20.3M.D.Bovea,J.C.Powell,A.Gallardo,et al.The role played byenvironmental factors in the integration of a transfer station in amunicipal solid waste management systemJ.Waste Management,2007,27(4):545-553.4 Ni-Bin Chang,Christine A.Shoemaker,Richard E.Schuler.Solid waste management system analysis with air pollution andleachate impact limitationsJ.Waste Management&Research,1996,14(5):463-481.5 陈广,汪喜生,许洲.垃圾渗滤液尾水深度处理工艺研究J.净水技术,2010,29(2):29-31.6 Y.W.Liu,Y.B.Zhang,X.Quan,et al.Applying an electric fieldin a built-in zero valent iron-anaerobic reactor for enhancementof sludge granulationJ.Water Research,2011,45(3):1258-1266.7 刘杏,刘志刚,马鲁铭.催化铁-厌氧微生物耦合技术还原硫酸根的实验研究J.水处理技术,2012,38(5):70-73.8 Jingxin Zhang,Yaobin Zhang,Xie Quan,et al.Bioaugmentationand functional partitioning in a zero valent iron-anaerobic reactorfor sulfate-containing wastewater 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