任芝軍，馬桂林，孫 勇，馬 軍，李 鈺

(1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150001，renzhijun2003@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150090)

傳統(tǒng)的飲用水處理工藝主要以去除濁度和色度為主，當(dāng)飲用水水源水質(zhì)突然發(fā)生惡化時(shí)，傳統(tǒng)飲用水工藝的除污染能力和對(duì)污染水源的適應(yīng)能力都明顯不足，導(dǎo)致出廠水質(zhì)達(dá)不到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足人民生產(chǎn)和生活用水的安全性需求.將高錳酸鹽預(yù)氧化強(qiáng)化混凝工藝與顆?；钚蕴咳〈糠质⑸靶纬傻纳锘钚蕴繛V池有機(jī)結(jié)合，提出了高錳酸鹽預(yù)氧化－生物活性炭聯(lián)用工藝，該聯(lián)用工藝是對(duì)常規(guī)飲用水工藝的強(qiáng)化，具有基建投資少、除污染效能高等特點(diǎn)［1－2］.

試驗(yàn)從有機(jī)物和氨氮兩方面考察水質(zhì)突然變化時(shí)，高錳酸鹽預(yù)氧化－生物活性炭聯(lián)用工藝對(duì)水質(zhì)變化的適應(yīng)能力，以此探索該聯(lián)用工藝的抗沖擊負(fù)荷能力.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)工藝

采用“高錳酸鹽預(yù)氧化—混凝—沉淀—生物活性炭濾池”工藝與傳統(tǒng)飲用水處理工藝“混凝—沉淀—石英砂濾池”進(jìn)行對(duì)比研究，試驗(yàn)裝置見圖1.

圖1 中試模型試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

以淮河流域某地表水為研究對(duì)象，混凝水箱的體積為27 m3(3 m×3 m×3 m)，高錳酸鹽復(fù)合藥劑(PPC)投量為1.5～2.0 mg·L－1，預(yù)氧化時(shí)間為20～30 min，混凝劑為聚合氯化鋁(PAC)，其投量為20～30 mg·L－1.混凝條件為快速攪拌2 min，轉(zhuǎn)速為120 rad·min－1，靜止沉淀1 h.分別以PPC預(yù)氧化沉后水作為生物活性炭濾池的進(jìn)水，以單獨(dú)投加混凝劑的沉后水作為石英砂濾池進(jìn)水.

為防止破壞絮體，首先從混凝水箱中部取沉后水上清液轉(zhuǎn)移到調(diào)節(jié)水箱中貯存，再用水泵從調(diào)節(jié)水箱中提取上清液經(jīng)流量計(jì)定量送入濾池過(guò)濾.

濾柱采用有機(jī)玻璃制成，高為3 000 mm，直徑為100 mm，由濾柱底部向上每200 mm設(shè)有一個(gè)取樣口.濾池過(guò)濾均采用下向流運(yùn)行，濾速為6 m·h－1.濾池反沖洗采用單獨(dú)水反沖洗，反沖洗膨脹率為25%～30%.石英砂濾柱中石英砂高度為1 200 mm，粒徑為1 mm;生物活性炭濾池將原有石英砂濾池上層800 mm的石英砂用粒徑為2～3 mm的顆粒活性炭代替，保留下層400 mm的石英砂.

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

生物活性炭工藝和砂濾池工藝運(yùn)行穩(wěn)定后，向原水中投加一定量的葡萄糖或氯化銨改變?cè)杏袡C(jī)物或氨氮的含量，并保持含量穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)定混凝工藝和過(guò)濾工藝出水中有機(jī)物和氨氮的含量，考察高錳酸鹽預(yù)氧化－生物活性炭聯(lián)用工藝和傳統(tǒng)飲用水工藝的抗沖擊負(fù)荷能力.

1.3 分析方法

CODMn和氨氮的測(cè)定依據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩志帯端蛷U水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版，2002).

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抗氨氮沖擊負(fù)荷能力

向原水中投加一定量的氯化銨，使原水中氨氮含量由0.5 mg·L－1提高到2.0 mg·L－1左右，保持氨氮含量穩(wěn)定，考察了原水中氨氮突然升高時(shí)，混凝工藝和過(guò)濾工藝對(duì)氨氮的去除效果，以及氨氮在過(guò)濾工藝中的去除率，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 抗氨氮沖擊負(fù)荷試驗(yàn)

由圖2(a)可知，進(jìn)水氨氮的變化范圍在1.96～2.48 mg·L－1，平均值是2.16 mg·L－1，混凝沉淀工藝對(duì)氨氮基本沒有去除，單獨(dú)混凝工藝對(duì)氨氮的平均去除率為3.91%，在混凝工藝中投加一定量的高錳酸鹽預(yù)氧化，也沒有明顯提高混凝工藝對(duì)氨氮的去除效能，投加高錳酸鹽預(yù)氧化后，混凝工藝對(duì)氨氮的平均去除率為4.39%.

過(guò)濾工藝是氨氮去除的主要單元，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度的突然升高對(duì)石英砂濾池和生物活性炭濾池都需要一定的適應(yīng)過(guò)程，氨氮在過(guò)濾工藝中的去除效果見圖2(b).

石英砂濾池由于長(zhǎng)期運(yùn)行，也具有一定的硝化能力，石英砂濾池出水NH3－N值為1.46～2.12 mg·L－1，平均值為1.79 mg·L－1，砂濾池在第9天對(duì)氨氮去除率可達(dá)到10%以上，第19天可達(dá)到20%左右，并保持穩(wěn)定.

生物活性炭濾池對(duì)NH3－N的去除效能有明顯改善，生物活性炭工藝出水氨氮為1.02～1.87 mg·L－1，平均值是1.36 mg·L－1，生物活性炭工藝在第6天時(shí)對(duì)氨氮的去除率達(dá)到30%以上，第11天后去除率可達(dá)到40%左右，并保持在40%左右的穩(wěn)定去除率.

NH3－N的去除主要是濾池內(nèi)硝化菌作用的結(jié)果，氨氮的去除程度與硝化菌的數(shù)量有直接關(guān)系.由于石英砂表面光滑，不易于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，硝化細(xì)菌數(shù)量少，氨氮去除率較低，并且硝化反應(yīng)進(jìn)行的不完全，在石英砂濾池出水中出現(xiàn)了NO2－N大量積累現(xiàn)象.

與石英砂過(guò)濾工藝相比，生物活性炭濾池出水中NH3－N的含量明顯降低.生物活性炭濾池中的顆粒活性炭具有較大的比表面積，表面粗糙，為硝化菌的生長(zhǎng)提供了有利條件［3－4］.但由于受到原水中溶解氧質(zhì)量濃度的限制和自養(yǎng)菌競(jìng)爭(zhēng)的影響，原水中2 mg·L－1左右的氨氮不能夠被生物活性炭工藝中的硝化菌完全利用，生物活性炭工藝中大約只有1 mg·L－1左右的氨氮被亞硝酸菌利用，生物工藝出水氨氮質(zhì)量濃度仍不能達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

為改善過(guò)濾工藝的除氨氮效能，在過(guò)濾工藝頂端增加曝氣裝置，增加過(guò)濾工藝進(jìn)水中溶解氧質(zhì)量濃度，以期提高過(guò)濾工藝去除氨氮的效能，試驗(yàn)考察了過(guò)濾工藝出水氨氮的變化過(guò)程和氨氮在過(guò)濾工藝中的去除率，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 曝氣對(duì)過(guò)濾工藝除氮效能影響

實(shí)驗(yàn)期間，在過(guò)濾工藝前增加曝氣裝置有效提高了濾前水溶解氧的含量.對(duì)石英砂濾池而言，由圖3可見，砂濾工藝出水NH3－N值為1.35～2.01 mg·L－1，平均值為1.62 mg·L－1，砂濾池在第10天對(duì)氨氮去除率可達(dá)到25%以上，并保持穩(wěn)定，相對(duì)于無(wú)曝氣裝置時(shí)，砂濾工藝在穩(wěn)定運(yùn)行條件下對(duì)氨氮去除率提高了10%左右.

對(duì)于生物活性炭濾池，未曝氣時(shí)生物活性炭濾池最大氨氮去除量可達(dá)到1.14 mg·L－1，在生物活性炭工藝前端增加曝氣裝置，有效地提高了生物工藝對(duì)氨氮的去除率.生物活性炭工藝出水氨氮為0.63～1.28 mg·L－1，平均值是0.85 mg ·L－1，生物活性炭工藝在第4天時(shí)對(duì)氨氮的去除率達(dá)到60%左右的穩(wěn)定去除率，相對(duì)于無(wú)曝氣時(shí)，生物活性炭工藝在穩(wěn)定期對(duì)氨氮的去除率可以提高25%以上，在濾前水氨氮質(zhì)量濃度不變的情況下，去除率也隨之增加.文獻(xiàn)［5］在研究生物活性濾池飲用水除氨氮的影響因素時(shí)也發(fā)現(xiàn)，濾前水中氨氮質(zhì)量濃度大于一定數(shù)值時(shí)，溶解氧將成為BAF除氨氮的限制因素，認(rèn)為隨著預(yù)曝氣裝置曝氣量的增加，濾前水中溶解氧量增加，BAF除氨氮量也相應(yīng)地隨之增加.

2.2 抗有機(jī)物沖擊負(fù)荷能力

向原水中投加一定量的葡萄糖，使原水中有機(jī)物質(zhì)量濃度提高到10 mg·L－1以上.為提高混凝工藝的處理效能，將高錳酸鹽的投量提高到3 mg·L－1以上.試驗(yàn)考察了混凝工藝和過(guò)濾工藝出水有機(jī)物的變化及有機(jī)物在過(guò)濾工藝中的去除率，試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

圖4 各個(gè)工藝抗有機(jī)物沖擊負(fù)荷試驗(yàn)

由圖4可知，進(jìn)水有機(jī)物質(zhì)量濃度的變化范圍在9.13～13.15 mg·L－1，平均值是10.94 mg ·L－1，常規(guī)飲用水處理工藝對(duì)增加的有機(jī)物具有一定的去除能力，單獨(dú)混凝工藝出水平均有機(jī)物質(zhì)量濃度為7.84～11.44 mg·L－1，平均值為9.47 mg·L－1，平均去除率為13.25%.砂濾出水有機(jī)物變化范圍為5.28～7.95 mg·L－1，平均值為6.64 mg·L－1，砂濾池出水在第6天出水去除率達(dá)到30%左右，并保持穩(wěn)定.

在混凝工藝中增加高錳酸鹽投量，對(duì)混凝工藝除有機(jī)物效能明顯改善，混凝出水有機(jī)物質(zhì)量濃度為6.15～7.98 mg·L－1，平均值為7.16 mg ·L－1.生物活性炭工藝出水有機(jī)物變化范圍為2.88～4.89 mg·L－1，平均值為3.09 mg·L－1，在運(yùn)行第4天時(shí)，生物活性炭工藝對(duì)有機(jī)物的去除率可達(dá)到60%左右，并保持穩(wěn)定.

結(jié)果表明，高錳酸鹽－生物活性炭具有較高的抗有機(jī)物負(fù)荷能力，這主要是由于對(duì)混凝工藝和過(guò)濾工藝進(jìn)行了兩級(jí)強(qiáng)化，可有效地降低整個(gè)工藝出水的有機(jī)物質(zhì)量濃度.混凝工藝中，高錳酸鹽通過(guò)氧化作用可有效壓縮雙電層，提高對(duì)顆粒污染物的去除效能;高錳酸鉀在中性pH值條件下氧化的特有中間產(chǎn)物是新生態(tài)水合MnO2，具有巨大的比表面積和很高的活性，能通過(guò)吸附與催化等作用提高對(duì)水中微量有機(jī)污染物的去除效率.此外，高錳酸鉀與水中少量還原性成分作用產(chǎn)生的其他介穩(wěn)狀態(tài)的中間產(chǎn)物［如Mn(III)～Mn(V)等］也對(duì)高錳酸鉀除微污染起著重要的促進(jìn)作用［6－7］.

在過(guò)濾工藝中，生物活性炭通過(guò)物理吸附和生物氧化等共同作用去除有機(jī)污染物.一方面，在活性炭孔徑中絕大部分是微孔，能夠有效吸附小分子有機(jī)物，特別是相對(duì)分子質(zhì)量在0.5～3.0 ku的有機(jī)物［8］.另一方面，由于活性炭上大量微生物的生長(zhǎng)代謝中物質(zhì)和能量的需要，能夠?qū)⒉糠值头肿佑袡C(jī)物分解成二氧化碳和水，同時(shí)也將降解中生成的部分中間產(chǎn)物合成微生物體.

為改善過(guò)濾工藝的除有機(jī)物效能，也考察了頂端增加曝氣裝置對(duì)過(guò)濾工藝去除有機(jī)污染物效能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5.由圖5可見，在過(guò)濾工藝前端增加曝氣裝置，過(guò)濾工藝對(duì)有機(jī)物的去除率有所提高.石英砂濾池出水有機(jī)物值為4.91～6.21 g·L－1，平均值為5.62 g·L－1，運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，砂濾池對(duì)有機(jī)物去除率可達(dá)到35%左右，相對(duì)于無(wú)曝氣時(shí)，砂濾穩(wěn)定去除率提高了5%左右.

圖5 曝氣對(duì)過(guò)濾工藝除有機(jī)物效能影響

生物活性炭工藝出水有機(jī)物為2.09～2.95 g ·L－1，平均值是2.45 g·L－1，運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，生物活性炭工藝平均去除率為65%左右，相對(duì)于無(wú)曝氣時(shí)，生物活性炭工藝在穩(wěn)定期對(duì)有機(jī)物的去除率可以提高5%左右.

預(yù)曝氣工藝對(duì)生物活性炭去除有機(jī)物的效能提高不大，原因主要有以下兩方面:一、在混凝工藝中，高錳酸鹽氧化能夠強(qiáng)化混凝工藝去除部分有機(jī)物，有效降低后續(xù)生物工藝的有機(jī)物負(fù)荷［9－10］;二、在生物活性炭工藝中，有機(jī)物的去除是活性炭的物理吸附、物理截留和生物氧化等多方面共同作用的結(jié)果，其中活性炭的物理吸附與物理截留作用都不受溶解氧的影響，增加進(jìn)水的溶解氧含量主要是提高自養(yǎng)菌的活性，進(jìn)而提高生物降解有機(jī)物的效能.

3 結(jié)論

1)高錳酸鹽－生物活性炭工藝具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力.在混凝工藝中，投加一定量的高錳酸鹽進(jìn)行氧化，能有效提高混凝工藝對(duì)有機(jī)物的去除效能，但對(duì)氨氮的去除沒有明顯的提高;采用顆粒活性炭代替部分石英砂形成生物活性炭濾池能有效提高過(guò)濾工藝對(duì)水質(zhì)惡化的適應(yīng)能力，縮短工藝達(dá)到穩(wěn)定出水水質(zhì)的時(shí)間，提高出水水質(zhì).

2)當(dāng)原水污染嚴(yán)重時(shí)，在生物活性炭工藝前增加曝氣裝置，提高生物工藝進(jìn)水溶解氧質(zhì)量濃度，有利于提高生物活性炭工藝對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除率，提高整個(gè)工藝的出水水質(zhì).

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