強(qiáng)化常規(guī)水處理工藝

近些年來，隨著水源污染嚴(yán)重、水質(zhì)不斷惡化和飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，人們開始研究一些新技術(shù)強(qiáng)化常規(guī)處理工藝或發(fā)展飲用水深度處理技術(shù)。目前應(yīng)用較多給水深度處理工藝有活性炭吸附、臭氧氧化、臭氧和活性炭聯(lián)用、臭氧高級氧化技術(shù)、生物活性炭、膜過濾技術(shù)等。在此筆者結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)研究，僅對強(qiáng)化常規(guī)給水處理工藝(包括強(qiáng)化混凝、強(qiáng)化沉淀與氣浮和強(qiáng)化過濾)、化學(xué)預(yù)氧化(預(yù)臭氧化)等發(fā)展情況作以簡要論述。
　　
【強(qiáng)化混凝技術(shù)】
　　
常規(guī)給水處理工藝中對有機(jī)物去除起主要作用的是混凝工藝，其去除有機(jī)物的機(jī)理主要分三個(gè)方面：帶正電的金屬離子和帶負(fù)電的有機(jī)物膠體發(fā)生電中和而脫穩(wěn)凝聚;二是金屬離子與溶解性有機(jī)物分子形成不溶性復(fù)合物而沉淀;三是有機(jī)物在絮體表面的物理化學(xué)吸附。影響混凝效果的因素很多：混凝劑的種類、混凝劑的投加量、原水水質(zhì)、混凝pH值、堿度、混凝攪拌程度以及混凝劑與助凝劑的投加順序等。強(qiáng)化混凝就是通過采取一定措施，確定混凝的最佳條件，發(fā)揮混凝的最佳效果，盡可能地去除能被混凝階段能夠去除的成分，特別是有機(jī)成分。
　　
由于近年水源受有機(jī)物污染嚴(yán)重，高濃度的有機(jī)物對水中膠體產(chǎn)生很強(qiáng)的保護(hù)作用，致使常規(guī)混凝效果變差，因此為提高常規(guī)混凝效果，在保證濁度去除率的同時(shí)提高水中有機(jī)物的去除率，強(qiáng)化混凝處理無疑是一個(gè)首選之法。Joseph等人認(rèn)為強(qiáng)化混凝是去除水中天然有機(jī)物比較經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的一種處理工藝;美國工作者普遍認(rèn)為，強(qiáng)化混凝是達(dá)到"飲用水消毒/消毒副產(chǎn)物(D/DBP)標(biāo)準(zhǔn)"第一階段要求和控制飲用水中天然有機(jī)物(NOM)的最佳方法之一;我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，某些強(qiáng)化混凝技術(shù)能有效地去除天然水中的有機(jī)物和藻類，并可降低水中剩余鋁的濃度。
　　
強(qiáng)化混凝技術(shù)首先要根據(jù)水質(zhì)情況篩選優(yōu)化確定混凝劑的種類和投量。目前水廠使用的混凝劑大致有三種：鋁鹽Al(Ⅲ)、鐵鹽Fe(Ⅲ)以及人工合成的有機(jī)陽離子聚合混凝劑，一般鋁鹽和鐵鹽的混凝效果要優(yōu)于人工合成的混凝劑，原因是這兩種混凝劑可以按上述的混凝機(jī)理與NOM作用，而人工合成的有機(jī)陽離子聚合混凝劑只能通過電性中和與NOM反應(yīng)，將其去除，對于鐵鹽和鋁鹽而言，前者的混凝效果優(yōu)于后者。盡管各種混凝劑的混凝效果不同，但對于確定的水質(zhì)，在原水pH值一定的條件下都會存在一個(gè)最佳投量，因此應(yīng)根據(jù)具體水質(zhì)情況優(yōu)選混凝劑，并利用混凝劑投加量與利用效率之間存在的關(guān)系確定最佳投量。投加一定量的助凝劑會強(qiáng)化混凝劑的混凝效果，黃曉東等人在使用PAC混凝同時(shí)在水中投加高分子助凝劑，結(jié)果表明有機(jī)物去除率提高了約10%，藻類去除率也提高了10%～15%。原水pH值也是影響混凝效果的一個(gè)重要因素，通常較低的pH值有利于強(qiáng)化混凝對NOM的去除，Robert等人的研究證明，隨著pH值的下降強(qiáng)化混凝對NOM的去除率明顯升高，Gil等人的研究表明調(diào)節(jié)水源水的pH值，達(dá)到相同的混凝效果可以使混凝劑投量減少50%以上。但并不是pH值越低越好，通常最佳的pH值范圍為5.5～6.5。此外，在考慮諸多影響因素的同時(shí)，制備化學(xué)復(fù)合藥劑強(qiáng)化混凝處理也是一個(gè)新的研究方向，我們利用高錳酸鹽復(fù)合藥劑與強(qiáng)化混凝處理相結(jié)合，明顯地去除了地表水中的NOM和藻類物質(zhì)，并降低了處理水的濁度。
　　
【強(qiáng)化沉淀與氣浮技術(shù)】
　　
沉淀和氣浮作為兩種傳統(tǒng)的水處理工藝，在給水和污水處理領(lǐng)域一直備受關(guān)注。從最早使用的自然沉淀，到混凝沉淀，以至今天的平流沉淀池、斜板沉淀池，沉淀作為一種水處理形式不斷發(fā)展完善。由于近年來水源水質(zhì)的嚴(yán)重惡化，傳統(tǒng)的沉淀處理很難達(dá)到理想的出水水質(zhì)要求，因此各種強(qiáng)化沉淀的措施相繼出現(xiàn)：優(yōu)化斜板間距、優(yōu)化沉淀區(qū)流態(tài)、優(yōu)化排泥，采用斜管代替斜板的斜管沉淀、攔截式沉淀等，即便這樣對于某些特殊原水，如低溫低濁、高藻水，強(qiáng)化沉淀也難以獲得良好的處理效果。
　　
氣浮與沉淀是兩個(gè)相反過程，因此氣浮工藝對低溫低濁、高藻類水質(zhì)原水具有良好的處理效果。目前對于氣浮也存在許多強(qiáng)化措施，如：優(yōu)化氣浮的接觸區(qū)和分離區(qū)、優(yōu)化進(jìn)水和出水、優(yōu)化個(gè)區(qū)流態(tài)等，此外發(fā)展氣浮與預(yù)氧化結(jié)合技術(shù)、實(shí)現(xiàn)高速氣浮與多功能氣浮，能夠更好地強(qiáng)化氣浮處理。但氣浮工藝對于高濁度水或水質(zhì)變化較大的水效果不理想。
　　
沉淀-氣浮固液分離工藝就是針對沉淀和氣浮兩種處理工藝各自存在的弊端，而提出的一種新工藝，以沉淀為主、氣浮為輔，發(fā)揮了沉淀和氣浮各自的優(yōu)點(diǎn)，工藝的適應(yīng)性較強(qiáng)，已在國內(nèi)許多水廠中得以應(yīng)用，但目前對其機(jī)理和設(shè)計(jì)思想的探討研究尚沒有深入的研究報(bào)道。由于沉淀和氣浮各自的運(yùn)行機(jī)理截然不同，實(shí)踐表明，這種工藝也存在很多問題，如：運(yùn)行過程中的"跑礬花"現(xiàn)象，配水不均，排泥效果差以及工藝構(gòu)造不合理等等，因此必須對其機(jī)理進(jìn)行深入的分析研究，以達(dá)到最佳的處理效果。
　　
我們針對低溫低濁、高藻、高色水以及雨季時(shí)受地表徑流影響出現(xiàn)的突然高濁或持續(xù)高濁現(xiàn)象的原水水質(zhì)問題，對原有的沉淀-氣浮處理工藝及其機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，建立一種新型的氣浮-沉淀固液分離處理工藝，來解決原有工藝存在的問題，并獲得良好的處理效果。通過與實(shí)際工藝系統(tǒng)長期的對比實(shí)驗(yàn)研究得出，對于相同或相近的水質(zhì)原水，新型氣浮-沉淀固液分離工藝模型對濁度的平均去除率可提高10～20%;即使對于低溫低濁水質(zhì)原水，實(shí)際工藝系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)濁度高于原水的情況下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵部杀ＷC70～80%的濁度去除率;而且對水中有機(jī)物的去除率也達(dá)到了60～80%，可見新型氣浮l沉淀固液分離工藝處理效果要明顯優(yōu)于原有沉淀f氣浮工藝系統(tǒng)。
　　
【強(qiáng)化過濾技術(shù)】
　　
混凝和過濾是常規(guī)給水處理工藝去除原水中有機(jī)污染物的兩個(gè)主要工序。通�；炷�沉淀后水的水質(zhì)與未經(jīng)處理的原水水質(zhì)大不相同，混凝沉淀過程去除了大部分的水中天然有機(jī)物，與此同時(shí)提高了水中溶解性有機(jī)物的含量，并使水中殘留有少量的混凝劑，出現(xiàn)剩余鋁濃度超標(biāo)問題，可以說過濾是常規(guī)凈水系統(tǒng)中控制出水水質(zhì)的關(guān)鍵工序。目前多數(shù)水廠采用廉價(jià)的石英砂作為濾料對水進(jìn)行過濾處理，由于石英砂的凈水機(jī)理主要是采用機(jī)械截留作用，對水中的懸浮物具有比較好的去除效果，而對溶解性污染物，如重金屬離子、溶解性有機(jī)物等幾乎沒有去除作用，因此為了改善濾池處理效果，確保供水水質(zhì)，必須對濾池系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化改進(jìn)。
　　
對于過濾工藝采取強(qiáng)化措施是多方面的，可以對濾速進(jìn)行控制、使用新型濾池、用多層濾料代替單層濾料以及投加助濾劑等等。由于強(qiáng)化過濾技術(shù)的關(guān)鍵是濾料，因此絕大多數(shù)工作都是針對強(qiáng)化濾料展開的，研制優(yōu)于傳統(tǒng)濾料的過濾介質(zhì)，可以改善整個(gè)水廠的制水工藝，提高出水水質(zhì)，目前國內(nèi)外研制的各種新型濾料都是朝著改善濾料表面特性的方向努力，用物理或化學(xué)方法對傳統(tǒng)濾料進(jìn)行改性，改善其表面結(jié)構(gòu)和性能，來提高濾料的截污能力。常用的改性劑多為鋁鹽、鐵鹽、錳鹽以及這幾種金屬的氧化物等。
　　
實(shí)踐表明，改性濾料能充分地發(fā)揮在濾料表面增加巨大的比表面積和強(qiáng)化的吸附能力，以及與水中各類有機(jī)物、細(xì)菌、藻類接觸過程中由表面涂料所產(chǎn)生的強(qiáng)化吸附和氧化凈化功能，其不但能凈化大分子和膠體有機(jī)物，同時(shí)還可以大量吸附和氧化水中各種離子(包括重金屬離子)和小分子可溶性有機(jī)物;此外我們的實(shí)驗(yàn)研究也表明，采用改性濾料強(qiáng)化過濾，出水水中剩余鋁的濃度要遠(yuǎn)低于國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.2mg/L，故可達(dá)到全面改善水質(zhì)的目的。
　　
【臭氧預(yù)氧化技術(shù)】
　　
臭氧自1876年被發(fā)現(xiàn)具有很強(qiáng)的氧化性之后，就得到了廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在水處理領(lǐng)域。早在1893年荷蘭就使用臭氧進(jìn)行消毒，1905年法國開始使用臭氧對飲用水進(jìn)行消毒，到20世紀(jì)60年代末臭氧開始用于飲用水原水預(yù)氧化，發(fā)展到今天臭氧預(yù)氧化用于水處理過程已是比較成熟的技術(shù)，但在使用過程中仍存在很多問題，且單獨(dú)氧化處理效果不是十分理想，仍需同其它工藝進(jìn)行結(jié)合，以體現(xiàn)其優(yōu)勢。
　　
通常臭氧作用于水中污染物有兩種途徑，一種是直接氧化，即臭氧分子和水中的污染物直接作用。這個(gè)過程臭氧能氧化水中的一些大分子天然有機(jī)物，如腐殖酸、富里酸等;同時(shí)也能氧化一些揮發(fā)性有機(jī)污染物和一些無機(jī)污染物，如鐵、錳離子。直接氧化通常具有一定選擇性，即臭氧分子只能和水中含有不飽和鍵的有機(jī)污染物或金屬離子作用。另一種途徑是間接氧化，臭氧部分分解產(chǎn)生羥基自由基和水中有機(jī)物作用，間接氧化具有非選擇性，能夠和多種污染物反應(yīng)。
　　
臭氧的強(qiáng)氧化性決定其與水中的污染物作用后可獲得不同的處理效果，因此使用臭氧預(yù)氧化的目的依水質(zhì)而異，也與使用情況有關(guān)。研究表明，臭氧預(yù)氧化對水質(zhì)的綜合作用結(jié)果取決于臭氧投量、氧化條件、原水的pH值和堿度以及水中共存有機(jī)物與無機(jī)物種類和濃度等一系列影響因素。
　　
首先，臭氧預(yù)氧化可破壞水中有機(jī)物的不飽和鍵，使有機(jī)物的分子量降低，可溶解性有機(jī)物DOC的濃度升高，具體表現(xiàn)為AOC和BDOC的濃度升高，從而提高有機(jī)物的可生化性，但Ames實(shí)驗(yàn)表明部分氧化中間產(chǎn)物具有一定的致突變活性，需要提高臭氧投量來降低這些產(chǎn)物的毒性活性，此外臭氧也會將氨氧化成硝酸鹽，但中性條件下氧化速度極慢，控制溶液的pH值可以提高反應(yīng)速度。
　　
其次，對于具有較高硬度和較低TOC的原水，通常在TOC含量為2.5mg/L左右、硬度與TOC比值大于250mg/LCaCO3/mgTOC時(shí)、低的臭氧投量(0.5～1.5mg/L)等條件下可起到助凝作用，提高混凝效果，但由于臭氧預(yù)氧化會提高水中有機(jī)酸的濃度，而部分有機(jī)酸會與混凝劑中的鐵、鋁離子絡(luò)合，從而使得濾后水中鐵或鋁的總濃度升高，故需對其采取一定措施進(jìn)行處理，以達(dá)到國家制定的生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);此外，臭氧氧化能夠滅活水中的一些致病微生物，如細(xì)菌、病毒、孢子等，也能夠強(qiáng)化去除藻類物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物，進(jìn)一步提高常規(guī)給水處理的除藻效果，并且還可去除水中含有不飽和鍵的嗅味物質(zhì)。
　　
再者，對于氯化消毒副產(chǎn)物前質(zhì)，臭氧預(yù)氧化可對其進(jìn)行一定程度的破壞，或使之轉(zhuǎn)化成副產(chǎn)物生成勢相對較低的中間產(chǎn)物，但不可避免地也會升高一些其它物質(zhì)的副產(chǎn)物生成勢，同時(shí)產(chǎn)生一些臭氧副產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)水中溴離子濃度高時(shí)，采用臭氧預(yù)氧化工藝的水廠出水溴酸鹽濃度普遍升高，臭氧氧化可將原水中的溴離子氧化成溴酸鹽和次溴酸鹽，溴酸鹽本身具有致癌作用，而次溴酸鹽與氯化消毒副產(chǎn)物前質(zhì)作用，會生成毒性更強(qiáng)的溴代三氯甲烷，對人類造成更大的威脅。一些歐美發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)開始對溴酸鹽生成量進(jìn)行限定，1993年世界衛(wèi)生組織規(guī)定溴酸鹽最大允許濃度為25g/L，美國環(huán)保局則將其最大允許濃度限定為10g/L。
　　
上述作用結(jié)果表明，單純使用臭氧氧化，出水水質(zhì)并不十分理想，特別是對于氨氮的去除以及出水生物穩(wěn)定性控制等，因此必須將臭氧預(yù)氧化與其它水處理工藝結(jié)合起來，如濾后采用活性炭吸附，或發(fā)展臭氧預(yù)氧化與生物活性炭聯(lián)用技術(shù)，以進(jìn)一步強(qiáng)化處理效果。
　　
雖然臭氧具有比較強(qiáng)的氧化性，但是其設(shè)備投資大、運(yùn)行費(fèi)用高，即使在發(fā)達(dá)國家，臭氧仍是一種昂貴的水處理技術(shù)。我國關(guān)于臭氧預(yù)氧化方面已經(jīng)進(jìn)行了20多年的研究工作，但目前此工藝在水廠中的應(yīng)用仍十分有限。結(jié)合我國水源污染狀況，研究經(jīng)濟(jì)有效可行的除污染技術(shù)是十分必要的。