给水深度处理技术的探讨

给水深度处理技术的探讨

郄燕秋

  （北京市市政工程设计研究总院建院）

    【摘要】
  水质问题近年来成为国内外给水研究中的热点。原水水质不断恶化与不断提高的出水水质之间的矛盾日益突出。针对微污染饮用水水源的水质特点，本文着重介绍国内外在生物预处理和臭氧－活性炭吸附深度处理技术方面的研究及应用，并结合工程实际浅述个人观点。
  【关键词】
  水质
  微污染
  净化工艺
  预处理
  深度处理
  
  1 水源污染现状及微污染水源水质特征
  
  　　1993年对我国七大水系和内陆河流的110个重点河段的评价结果显示，符合国家《地面水环境质量标准》（GB3838－88）I、Ⅱ类水体的占32％，Ⅲ类的29％，Ⅳ、V类的39％。长江和珠江属Ⅳ、V类水体的江段超过20％，黄河、松花江、辽河属Ⅳ、V类水体的江段超过60％，淮河枯水期的水质低于Ⅲ类标准，其大部分支流水质常年在V类标准以下。水质恶化日趋严重。
  
  　　江河水体因污染物种类、污染源不同大体分为工业性有机污染、生活性有机污染和以富营养化为主要特征的污染等类型。
  
  　　污染物的种类较多、性质较复杂但浓度较低微的水源，称为微污染水源。
  
  　　目前我国不少城市饮用水水源为微污染水源。以深圳特区和上海市为例。近期开展的深圳市笔架山水厂（20万m3／d）扩改建工程方案设计，以东深引水为水源，原水受到生活性有机污染，水中总氮、总磷、氨氮、亚硝酸盐氮、生化需氧量、高锰酸钾指数等均有不同程度的超标，水库富营养发育，藻类高并导致色、嗅、味，Ames试验呈阳性。正在设计的上海市陇西水厂（50万m3／d）工程，以黄埔江上游引水为水源，原水氨氮、化学需氧量、锰和酚含量超标。其中化学需氧量（CODCr）年平均值24mg／L，处于《地面水环境质量标准》规定的V类水体的水平。
  
  　　微污染水的水质特征为：
  
  ·原水氨氮、亚硝酸盐氮、生化需氧量（BOD5）、耗氧量（KMnO4）等项目超标；
  ·藻类繁殖严重，水体富营养化；
  ·水体中存在病原微生物包括细菌、病毒、原生动物和肠虫以及变异的微生物因子；
  ·特定的源污染质引起的色、嗅、味；
  ·溶解性有机污染物、有机卤化物等有害物质综合反映为Ames试验呈阳性；
  ·属于生活性有机污染和富营养化污染类型。
  
  2 出水水质标准不断提高
  
  　　欧、美、日等发达国家和地区高度重视水质问题，随着检测手段的进步和水中有机物检出种类的增加，不断补充修订饮用水水质标准，并对有机物的种类和含量作了越来越严格的限制。美国EPA提出首要控制污染物为119种，114种为有机物，并要求饮用水Ames试验为阴性。WH0于1992年讨论修改了1984年版《饮用水水质准则》，135项指标中有机物31项，消毒剂及其副产物28项，由于感官可能引发消费者不满的指标31项。此次修订把控制有机物的污染、关注消毒副产物对健康的潜在危险、适于直接饮用等作为修订的主要指导思想。该准则于1993年颁布实施。欧共体1995年对原饮用水指令80／778／EC进行了修正，新增了部分消毒副产物如三卤甲烷、溴仿的指标值，同时提出应以用户水龙头处的水样满足水质标准为准。新标准于1998年12月25日实施，并要求欧共体成员国在2000年12月25日前将新指令纳入本国国家标准。我国1993年制订的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》在现行《生活饮用水卫生标准》（GB5749－85）的基础上，对一类水司的水质检验项目增至88项，合格率要求达到80％，其中有机物指标39项，并要求每年进行2次Ames试验，与欧共体的水质标准大体相同。
  
  　　关于加氯消毒或臭氧氧化副产物的代表物及其含量的限定，已经引起国外的高度重视。甲醛、溴酸根被WHO分别确定为臭氧副产物中有机副产物和无机副产物的代表物，并给出限值。法国《生活饮用水水质标准》提出微污染物／氧化副产物如总三卤甲烷、三氯乙烯、四氯化碳、四氯乙烯等控制项目及指导标准。卤乙酸作为氯化副产物，虽然在饮用水中的含量低于三卤甲烷，但某些种类的卤乙酸的致癌风险却高于三卤甲烷，1993年9月美国国家环保局提出的《消毒剂与消毒副产物法》（Disinfectants and Disinfection By-product Rule）中对第一阶段（1996年12月实施）和第二阶段（2000年6月实施）卤乙酸在饮用水中的最大含量分别确定为60μg／L和30μg／L，并建议采用活性炭吸附控制卤乙酸。
  
  　　日本《生活饮用水水质标准》（1992年12月21日颁布，1993年12月1日实施）对饮用水的感官性状指标如色、嗅、味，明确规定了检测项目及指标值，与其他国家或国际组织的水质标准相比，在检测手段与量化分析方面更为精确具体。其中，作为嗅指标值的余氯、2-甲基异冰片、土味素、嗅阈值等分别为1mg／L、0.01～0.02μg／L、0.01～002μg／L和3。
  
  　　与饮用水水质标准不断提高的同时，在经济高速发展的城市，新建或扩（改）建的水厂工程，除要求满足现行的国家或行业标准外，还对浊度、色度、嗅阈值、亚硝酸盐、耗氧量、三卤甲烷、总有机物、Ames试验等指标提出了更高的要求。深圳市笔架山水厂出水水质要求浊度＜0.3NTU，色度＜5，嗅阈值＜4，CODMn＜2mg／L，THMs＜80μg／L，Ames试验呈阴性。上海市陇西水厂出水水质要求浊度0.5NTU，合格率99％；色度5，氨氮0.5mg／L，锰0.05mg／L，合格率95％；CODMn2mg／L，合格率80％。这种趋势反映出随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于优质饮用水的渴望与追求。提高水的感官指标，最大限度地降解水中溶解性有毒有害物质以保证其安全性，已经受到越来越多的人们的关注。
  
  3 常规净化工艺难以达到高标准出水水质的要求
  
  　　本世纪70年代以来，随着气相色谱仪－质谱仪和电子计算机联合检测分析技术的应用与相关科学的进步，人类对水源及饮用水中有机物的分类检出与研究其对人体健康的影响成为可能。据1981年国外资料报道，在世界范围内水体中共检出2221种有机物，其中765种存在于饮用水中，这些有机物中20种被确认为致癌物、23种为可疑致癌物、18种为促癌物、56种为致突变物，这无疑对人体健康构成极大的威胁。
  
  　　饮用水中有机物对人体健康的危害除大量人工合成的化学物质本身具有毒性，部分具有三致（致癌、致畸、致突变）作用，不易在水体中降解和被常规净化工艺去除外，还由于：
  
  　　有机物是产生消毒副产物的前驱物。常规净化工艺的加氯消毒是饮用水中卤代有机物的主要生成原因。卤代有机物的主要代表是三卤甲烷（THMs）即氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷及溴仿的总和。三卤甲烷的可能浓度与原水中的总有机物含量（TOC）有较好的线性相关性。因此，原水有机物含量将直接影响氯化消毒副产物的生成量。
  
  　　影响饮用水生物稳定性。尽管水厂出厂水都保持一定的有效余氯，对细菌总数也有严格的控制，但在配水管网中仍经常发现细菌的再次生长，这主要与出水中残留的异养菌的营养基质（有机物）和硝化细菌的营养基质（氨氮）有密切的关系。
  
  　　受到有机污染的饮用水水源直接影响现有常规净化工艺的水厂出水水质和正常运行。
  
  　　连续几年，深圳市水厂运行中均出现季节性氯耗增高的情况。每年3～6月，由于原水NH3-N较高，水温适宜，硝化细菌活动旺盛，滤池中发生硝化作用。又由于滤层中氧气不足硝化作用不彻底，NH3-N转化为NO2-N。NO2-N是最主要的耗氯物质，1mgNO2-N约耗Cl25mg。加大投氯量虽然可以促使硝化反应彻底，但消毒副产品如卤代烃浓度也会随之增加。
  
  　　此外，经常规处理后的出厂水虽化验合格，且保持一定的余氯量，但在管网内仍呈现生物不稳定性，细菌繁殖引起二次污染，“红虫”现象时有发生。
  
  　　对此类型原水及“预氯化＋常规处理”后出水所作的色谱－质谱分析、毒理学综合评价、生物稳定性的测定、分子量分布规律等检测与试验表明：原水、滤后水、出厂水和管网水中都含有多种有机污染物；未经预氯化后的滤后水Ames试验结果与原水基本相同，即常规处理工艺基本不能去除原水中的致突变物质；不能有效降低水体的致突变活性，反而由于氯化消毒产生的消毒副产品使其致突变活性增强，并具有明显的生物不稳定性。
  
  　　因此，传统的“预氯化＋常规处理”的工艺流程，不能满足微污染水源水质净化的要求，不能有效解决原水中持续出现的氨氮、亚硝酸盐氮超标和原水高含量藻类及藻类代谢物引起的色、嗅、味的问题，不能达到高标准出水水质的要求。因而，针对微污染水源的水质特征研究选择可替代预氯化的预氧化技术和深度净化技术势在必行。
  
  4 国内外对微污染水源净化工艺的研究与应用
  4.1 预处理
  
  　　70年代在美国新奥尔良市发现受污染的密西西比河水，经水厂氯化消毒形成三卤甲烷等致癌物后，与针对天然有机污染的深度净化工艺研究的同时，针对消毒后出现的有害副产物的研究日益受到重视。预处理工艺从去除大颗粒物质或飘浮物到改变原水中有机物的分子结构，使大分子有机物断链为小分子物质，去除部分溶解性有机物，并有效去除原水中的三氯甲烷母体物，以减少再经氯化消毒时可能的三氯甲烷生成量的研究。
  
  　　八十年代以来，生物预处理工艺因其在处理有机污染物、氨氮、色、嗅、味等方面的特点及其经济上的优势，越来越受到重视并得到较快的发展。这一领域的研究和应用，总体上都处于以去除氨氮、BOD5、CODCr等有机物综合指标为代表的污染质的阶段。
  
  　　在“八五”、“九五”国家科技攻关计划中，“饮用水微污染净化技术”作为专题研究，取得重要成果，其中生物预处理技术成果已经开始用于工程实践。广东省东深源水生物硝化工程是目前国内规模最大的采用生物接触氧化法的预处理工程。
  
  　　该工程位于深圳水库库尾，设计处理规模400万m3／d。源水经沉砂区、粗、细隔栅去除大的砂砾、飘浮物后，进入生物处理池。生物处理池采用YDT弹性立体填料，穿孔管曝气方式，设6条宽25m，长70m的过水廊道。水力停留时间55min.填料接触时间40min.，有效水深3.8m，填料高度3m，气水比1：1。自1998年12月试运行以来，通过工艺启动过程的自然接种，培养驯化，使填料挂膜，形成系统的生物硝化能力，并使氨氮去除率和硝酸盐氮生成率趋于稳定。一年多的试运行得出的初步结论是：生物接触氧化工艺适合于处理东深微污染源水，对氨氮的处理效果显著。稳定运行的情况下，氨氮去除率在75％以上。同时，增加了深圳水库水体的溶解氧，提高了水库的自净能力，改善了东深源水供水水质。
  
  4.2 臭氧一生物活性炭吸附深度净化工艺
  
  　　臭氧作为强氧化剂，从1906年法国尼斯Veyage水厂用于消毒以来至今已在欧洲普遍使用。进一步的研究显示，在有效去除水中溶解性有机物、去除三氯甲烷母体物、改善水体的致突变活性、去除色、嗅、味、消毒、杀藻等方面，臭氧具有明显的优势，因而不仅用于预氧化和消毒，而且广泛地用于深度处理。当臭氧加注量充分时，氧化能够进行得较为彻底，生成CO2和H2O，但当臭氧量不足时，会出现副产物如过氧化物、环氧衍生物、甲醛、丙酮酸、丙酮醛和乙酸等，这些副产物多为亲水性物质，浓度约在亿万分之一级，检测分析有一定难度。有些则是对人体有害的诱变剂和致癌物质。副产物产生量一般与原水有机物浓度成正比，国外有试验表明：臭氧投加量为2.6mg／L时，一般水厂条件生成的酸总量为62μg／mgTOC，生成醛类10～40μg／L。有机副产物易被生物分解，其中酸类对人体无大的危害。甲醛则因在试管试验中，被证明是致癌和遗传毒性、变异原性物质而被WH0列为臭氧副产物中有机副产物的代表产物，指标规定为900μg／L。臭氧氧化生成的无机物中，溴酸根被国际癌症研究会（International Agency for Research on Cancer）列入可能致癌物名单，并被WHO规定为无机副产物的代表，指标为25μg／L。
  
  　　由于上述臭氧氧化中副产物的影响，对有机微污染水源不宜单纯采用臭氧作为深度净化手段。活性炭吸附作为饮用水深度处理的重要手段广泛用于城市供水工程。由于颗粒活性炭极其丰富的微孔体积和巨大的比表面积，使其具有良好的吸附性能。而水中溶解杂质溶质分子的憎水性和活性炭对溶质分子的静电吸附、物理化学吸附以及生物吸附的联合作用，使活性炭对多种分子量大而极性小的有机有害物质、金属、非金属、色、嗅、味、酚类、表面活性剂、不易溶解的碳氢化合物以及各种农药去除效果明显。但对极性溶剂和分子量小的有机氯化物吸附较差，而且需要频繁再生、费用较高。颗粒活性炭又是微生物生长的载体，但必须以水中充足的溶解氧作为好氧微生物着床、生长、繁殖的必要条件。活性炭表面及微孔形成的微生物膜通过生物降解作用，可进一步降解在活性炭表面及微孔富集的有机物，从而降低了活性炭的吸附饱和度，延长了其使用寿命。因其通过界面吸附作用实现水质净化的目的，虽有竞争吸附即更换替代吸附过程发生，但不产生新的有毒有害物质，因而被认为是相对安全的深度处理手段。
  
  　　臭氧和活性炭吸附联合使用，除可保持各自的优势外，臭氧对大分子的开链作用与充氧作用，为活性炭提供了更易吸附的小分子物质和产生生物活性炭作用的溶解氧，而臭氧化可能产生的有害物质，则可被活性炭吸附并降解，这使臭氧－生物活性炭吸附工艺相得益彰。70年代中期，德国对臭氧—生物活性炭吸附工艺的研究发现，与单纯的活性炭吸附比较，活性炭的再生周期延长4～6倍。其后，欧洲的许多现代化水厂逐步推广使用了臭氧－生物活性炭吸附对微污染水源的深度净化工艺。
  
  　　深度净化工艺在北京市的应用始于1985年，已建成的田村山水厂、长辛店水厂采用了常规处理＋臭氧活性炭吸附工艺，第九水厂一期、二期、三期及城子水厂采用常规处理＋活性炭吸附工艺。运行和进一步的生产性测定以及国内同行有关的研究试验表明：活性炭吸附工艺对于去除水中的色、嗅、味效果显著。经常规处理后的水再经臭氧－活性炭吸附工艺深度处理，可继续去除水中有机物，以有机物的综合指标CODMn表示，去除率约在70％以上。色质联机的定性及半定量分析结果进一步证实：经臭氧－活性炭吸附工艺处理后的出水中有机组分很少，且含量甚微，在加氯消毒过程中，有机组分的含量处在卤代物生成的下限之下。可见臭氧－生物活性炭吸附工艺消除了可能生成卤代物的前驱有机物，可以全面改善饮用水水质。
  
  4.3 饮用水的生物稳定性
  
  　　研究表明：饮用水的生物稳定性即微生物在管网中重新生长的能力与水中可同化有机碳AOC（Assimilable Organic Carbon）密切相关，即与水中可被微生物利用的有机物含量有直接的关系。AOC是指可生物降解有机碳中被转化为细胞质的部分，是细菌可直接用以新陈代谢的物质和能量来源，AOC可反映水中细菌生长的限制性营养水平，并作为衡量饮用水生物稳定性即细菌在饮用水中生长潜力的水质参数。据国外文献报道，一般AOC在100μg有机碳／L的水具有生物稳定性。我国饮用水中AOC的控制指标暂定为200～300μg有机碳／L。
  
  5 建议
  5.1 修订饮用水水质标准并与国际接轨
  
  　　我国现行的《生活饮用水卫生标准》（GB5749—85）中正式限量参数35项，有机物指标仅6项。与先进国家相比，主要差别在于微生物学指标项目少，指标低，缺少有机物和消毒副产物指标，感官性状指标缺少严格的量化值等。《城市供水行业2000年技术进步发展规划》对一类水司提出的88项指标以及每年2次毒理学Ames试验的要求，在广度和深度上代表了80年代国际先进水平，符合社会经济发展和人民生活水平的客观需要。但目前仅作为行业标准而非强制性的国家标准，且在一定级别的水司执行并受到检测手段的限制，因而在水质保证尤其是对溶解性有机物、致突变物的控制方面仍与国际先进水平存在较大差距。
  
  　　建议参照先进国家的水质标准，尽快补充、完善我国饮用水卫生标准中感官性状指标、有机物、氧化副产物等项目，并将修订后的饮用水水质指标作为国家标准正式颁布实施，同时提出分期实施的阶段目标值，以此推进现有水厂逐步改进工艺，完善检测手段，提供优质安全饮用水，与国际先进水平接轨。
  
  5.2 进一步的研究方向
  
  　　提高水的感官指标如色、嗅、味、浊度等是提高饮用水水质的重要方面，其中无嗅、无味是人们追求的目标。但对于引起色、嗅、味的源污染质种类及相关关系的确定、由此产生的评价方法与综合性水质指标、以及有效的预处理和深度处理的技术参数等方面的研究还很少。
  
  　　在资金允许的条件下，选择新建居住区作为直饮水工程试点，探讨小区深度处理、提供优质水的可能性以及供水规模与投资的相关性。
  参考文献
  ［1］叶旭全等，《东深源水生物硝化工程试运行的初步小结》
  ［2］陆坤明，《深圳水库水试验及净水工艺探索》
  ［3］周云、梅胜，《给水处理中的臭氧副产物》
  ［4］王占生，《我国饮用水现状及改善对策》
  ［5］张晓健，《饮用水处理中活性炭吸附卤乙酸特性的研究》
  ［6］戴少艾、马艳华，《氨氮在快滤池中的转化》
  ［7］丁亚兰主编，《国内外给水工程设计实例》