0 引言

北方四季分明的气候特点，导致北方饮用水源（特别是水库水）多呈现夏季高温高藻、冬季低温低浊的特点，这也是北方饮用水处理工艺所面临的两个主要难点。一般认为，藻细胞对常规水处理的影响主要体现在以下几个方面^[1,2,3,4]:(1)降低混凝沉淀除浊效率；(2)造成滤料的堵塞和板结，缩短过滤周期；(3)破坏工艺构筑物，加速构筑物的老化；(4)产生消毒副产物（DBPs,Disinfection by-products）。化学预氧化工艺具有强化混凝、强化过滤的效果，可提高对高藻水的处理效率。张炯^[5]研究发现，预氯化和预臭氧对藻类的去除都有很好的强化效果。任鹏飞等^[6]研究发现，预氯化和高锰酸钾预氧化可以明显改善水中由于藻类活动而形成的小尺寸的松散絮体，进而形成尺寸较大、密实度较高、沉降性较好的絮体。

低温低浊对饮用水处理的影响主要体现在两个方面^[7,8]：一是低浊水中颗粒物数量少，有效碰撞效率低，且生成的絮体小且松散，不利于絮体的沉淀去除；二是低温使得混凝剂水解速率下降，影响混凝沉淀效果，此外温度降低也会影响过滤过程中滤料对颗粒物的吸附截留作用。以往研究表明，化学预氧化技术也具有一定的强化混凝效果，对低温低浊水的强化处理具有显著作用。张剑桥等^[9]研究发现臭氧预氧化可有效去除低温低浊水中的浊度、COD_Mn、UV₂₅₄及TOC。李诚等^[10]的研究发现，臭氧、高锰酸盐复合药剂、高锰酸盐复合药剂与氯气联用等预氧化工艺对低温低浊水中浊度和有机物的去除均有明显的强化作用。

综合来看，目前关于预臭氧和预氯化在夏季高温高藻、冬季低温低浊的北方典型水质条件下的实际应用效果尚缺少有力的报道，对两种预氧化剂在不同水质条件下的现场作用效果及对滤池生物量的影响也缺少差异性分析。鉴于此，以北方某净水工程为例，通过对该水厂连续18个月运行数据的分析并结合现场中试研究，探讨化学预氧化技术在处理北方夏季高温高藻、冬季低温低浊的典型水源水质中的作用效果，同时考察预臭氧和预氯化对生产滤池以及中试滤池强化效果影响差异，以期为其他采用相似水质水源水厂的工艺优化及运行管理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 工程概况

1.1.1 水厂概况

该净水工程建成于2009年，设计处理水量为15万m³/d，以北方某水库水为原水水源。工艺流程主要包括化学预氧化（预臭氧为主、预氯化为辅）、机械混凝（混凝剂采用聚合氯化铝和三氯化铁）、上向流炭吸附脉冲澄清、砂滤及紫外氯联合消毒，工艺流程如图1所示。

图1 净水工艺流程   

Fig.1 Flow chart of Water purification process

1.1.2 中试基地概况

该水厂中试基地装置模拟上述水厂的实际生产工艺，由预臭氧接触池、机械搅拌混合池、上流式脉冲澄清池、机械搅拌反应池、斜管沉淀池、pH调节池、砂滤池、紫外线消毒器、清水池组成。中试装置处理水量为2 m³/h，预氧化接触池停留时间为3min，混凝剂采用聚合氯化铝及三氯化铁，试验期间投加量均为1.5mg/L以有效含量计。滤池采用恒流恒水位过滤，通过滤池出水阀的自动调节，维持滤池液位及滤速恒定。滤柱为直径0.7 m的圆柱形石英砂滤柱，滤料有效粒径为0.95 mm，不均匀系数小于1.4，滤料厚度1.2 m，过滤速度约为7.8m/h。滤池反冲洗方式为气水联合反冲。

1.2 材料与方法

1.2.1 水质检测项目及取样位点

分析数据包括原水的温度、浊度、pH、耗氧量、藻类计数、叶绿素含量、总硬度、电导率，沉后水的浊度，滤后水的浊度、pH、耗氧量。原水水样取自取水泵房，沉后水水样取自脉冲澄清池出水，滤后水水样取自滤池出水堰。其中，原水藻类计数及叶绿素含量检测频次为：5～10月，每周两次；3、4、11月，每周一次；1、2、12月，每月一次。其余指标检测频次均为每日一次。时间跨度为2017年2月至2018年7月，样本数量包括原水温度、浊度、耗氧量、总硬度电导率，沉后水浊度，滤后水浊度、耗氧量各546个，原水的藻类计数、叶绿素浓度各102个。

1.2.2 生物量测定方法

本研究通过测定ATP量衡量存在于滤层生物膜中的生物量^[11]，采用BacTiter-Glo^TM法测定。中试分别采用预臭氧和预氯化工艺，向中试装置投加预臭氧，待系统运行稳定后开始取样测定试验，因受臭氧发生器限制，臭氧浓度固定为1.5mg/L。预臭氧试验结束后采用预氯化工艺，运行稳定后开展后续取样测定试验，预氯化剂量为1.5 mg/L和2.0mg/L。

2 结果与讨论

2.1 原水水质概况

原水温度和浊度的变化情况如图2所示。夏季水温最高达30℃，冬季水温最低至2℃，夏季原水浊度最高可达22 NTU，冬季原水浊度则降至5NTU以下。图3表示的是原水藻类计数及叶绿素a含量的检测结果。从变化趋势上来看，藻类计数及叶绿素a含量呈现典型的夏季高、冬季低的特点。总体来看，该水厂原水夏季高温高藻、冬季低温低浊，藻细胞含量全年居高不下，呈现典型的北方水库水源水质特点。

图2 原水温度与浊度变化情况   

Fig.2 Variation of raw water temperature and turbidity

图3 原水藻类计数及叶绿素浓度变化情况   

Fig.3 Variation of algae count and chlorophyll concentration in raw water

2.2 工艺优化措施

当原水水质发生变化时，水厂运行人员主要通过调整预氧化剂量和混凝剂剂量以应对，其中预氧化剂量的调整主要依据常年运行经验、运行手册推荐值和实际原水水质情况。图4是水厂2017年2月至2018年7月期间预氧化剂和混凝剂投加剂量的变化情况。其中，预臭氧剂量在0.8～2.0mg/L范围内变化，但变化无明显规律，而铝盐剂量和铁盐剂量则呈现明显的冬季高、夏季低特征并且变化趋势基本保持一致。分析发现铝盐剂量和铁盐剂量的皮尔逊相关系数为0.970，双侧检验值p为0.000，说明铝盐剂量和铁盐剂量确实存在非常显著的正相关性。也就是说，当原水水质发生变化时，为保障出水水质，水厂会同时对铝盐剂量和铁盐剂量进行调整优化，且铝盐剂量和铁盐剂量的相对比例在1∶1～2∶1范围内波动，基本保持稳定，而预氧化剂的投加主要依据经验。

图4 药剂投加剂量变化情况   

Fig.4 Dosage change of medicament dosage

2.3 工艺净水效率分析

图5为原水耗氧量、滤后水耗氧量及有机物去除率（以COD_Mn计）的变化情况。从有机物去除效率上看，该净水工艺对有机物具有一定的去除效果，夏季有机物去除率最高时可达80%左右，冬季最低时也在30%以上，可以保障滤后水耗氧量在3mg/L以下，满足出厂水质要求。

图5 耗氧量变化情况   

Fig.5 Variation of oxygen consumption

图6是沉后水浊度、滤后水浊度及滤池除浊效率的变化情况。其中，沉后水浊度大体范围在0.3～0.8 NTU，呈现冬季低、其他季节偏高的趋势。考虑除了受到原水浊度变化影响外，还可能由于冬季氧化剂和混凝剂加药量增大使得混凝效果提升，从而使得沉后水浊度下降。而滤后水的浊度比较稳定，基本保持在0.1～0.3NTU范围内，符合水厂0.3NTU的内控标准。该水厂滤池除浊效率相对偏低，全年均在80%以下，冬季甚至低至20%左右，考虑到沉淀出水浊度低的条件，滤池除浊效率较低也正常。

图6 沉后水及滤后水浊度变化情况   

Fig.6 Turbidity variation of water after sedimentation and filtration

综合来看，预臭氧强化常规工艺结合适当调整混凝剂投加量，可有效应对夏季高温高藻、冬季低温低浊的水质特点，同时对有机物具有一定的去除能力，有助于提升滤后水质，保障供水安全。

2.4 预臭氧和预氯化的应用效果对比

在2018年6月7日至2018年6月26日期间，由于特殊原因，该水厂将预臭氧工艺调整为预氯化工艺。图7为预氧化工艺调整前后一段时间内滤后水浊度及除浊效率的变化情况。可以看出，在预氯化期间沉后水浊度滤后水浊度从0.3NTU左右上升至0.6NTU，滤后水浊度从0.2NTU左右上升至0.3NTU左右。综合来看，在夏季高温高藻水质条件下，预氯化对混凝过程的强化作用弱于预臭氧，最终导致滤后水浊度升高，这与刘海龙等^[12]的研究结果相一致。而该水厂以往研究发现^[13]，在低温低浊的原水条件下，预氯化和预臭氧强化常规工艺去除浊度和有机物的效果无明显差别，产生的消毒副产物也都远低于国标限值，但预氯化的处理成本为预臭氧的1/5～1/3。

因此，夏季高温高藻期，建议采用预臭氧工艺改善出水水质；冬季低温低浊期，建议改用预氯化工艺降低净水成本。

2.5 预臭氧和预氯化强化过滤差异探究

孙东洋等^[14]的中试研究发现，在较低投加剂量（≤2.0mg/L）条件下，预氯化和预臭氧都有很好的强化常规处理效果。两种预氧化方式的主要差别是，预氯化可以明显降低滤池水头损失的形成速率，延长滤池的过滤周期，颗粒物在滤层中的截留作用有下移趋势；而预臭氧对滤池水头损失的降低作用较小，高投加剂量反而会导致滤池水头损失增加，过滤周期缩短，滤池更偏向于表层过滤。结合水厂调研发现，预臭氧和预氯化条件下滤池表层生物膜形成情况不同，而滤池表层生物膜的差异可能是影响滤池水头损失形成速率的主要原因，因此对预臭氧和预氯化下滤池表层生物量进行定量分析。

图7 预氧化工艺调整对净水效果的影响   

Fig.7 Effect of preoxidation adjustment on water purification process

为此，我们开展了现场中试，考察了预臭氧和预氯化条件下中试滤柱滤层表面生物量差异，同时也对预臭氧条件下的生产滤池表层生物量进行了测定，测定结果如图8所示。从图中可以看出，预臭氧条件下表层滤料生物量是预氯化条件下的5～6倍，说明预臭氧有利于促进滤层生物膜的形成，同时预臭氧条件下滤层生物量主要集中在滤料表层，推测滤池表层因其截留的有机污染物、较高溶解氧环境而具备微生物生长繁殖的营养条件，而随着滤层深度增加其生存条件受限，进而对微生物生长产生影响；其次推测水温是影响生物膜形成的重要因素之一，预臭氧下生产滤池1.0mg/L和1.5mg/L中试滤柱ATP量相接近，考虑是受到水温影响，因为生产滤池取样时水温较高在23℃左右，而中试滤柱试验时水温降至14℃左右，温度的降低可能会抑制微生物的生长，另外生产滤池常年稳定运行，表面已形成肉眼可见生物膜，而中试滤池运行几周稳定后即开展试验。

生物膜的形成还受到其他环境因素的影响，因此对pH、溶解氧和余氯量等指标进行测定。试验期间原水水温为14～25℃，浊度为2～5NTU，耗氧量为1.5～3.0mg/L。图9为各工艺段pH和溶解氧变化情况，其中试验期间pH值为7.8～8.7，在沿程的变化也基本一致，此范围内的水源水质pH的日常波动不会对滤池生物膜形成产生明显影响，而从沿程溶解氧的变化情况看，1.5mg/L预臭氧之后水中溶解氧含量明显增加，预氯化后水中溶解氧基本没有变化，可以说明预臭氧可以提高水中溶解氧量，为滤层中微生物的生长提供有利环境，这也和臭氧在臭氧生物活性炭联用中起到的作用类似，臭氧可以提高后续工艺中溶解氧含量、提高有机物可生化性等，从而有利于微生物在滤池中生长繁殖。

图8 两种预氧化下滤层ATP含量   

Fig.8 ATP content of filter layer under two kinds of preoxidation

图9 两种预氧化下沿程pH和溶解氧DO的变化   

Fig.9 Changes of pH and DO along the path under two kinds of preoxidation

图10为预氯化下沿程余氯量的变化情况，1.5mg/L及2.0mg/L预氯化后余氯量在每个取样点的降低值为0.01～0.02mg/L，待滤水及滤池各层出水中仍有较高余氯量，约为0.24～0.35mg/L，因此对滤池具有持续杀菌作用，这将会抑制滤层中微生物的生长，此前江家登等^[15]的滤前加氯技术研究中，当待滤水中投加次氯酸钠剂量为0.3 mg/L时，滤池表面生物膜基本消除，测定的细菌数从几千个/mL降至50个/mL左右，可以用于解决滤池表面生物膜异常滋生的问题。

图1 0 预氯化下沿程余氯量的变化   

Fig.10 Change of residual chlorine along the path under prechlorination

综上所述，并结合以往研究^[14,16,17]，尽管预臭氧和预氯化都有强化过滤作用，但预氧化和预氯化对滤池的强化效果影响不同。预臭氧有利于滤池生物膜的形成，但会增加滤池水头损失，缩短运行周期。一方面，预臭氧氧化性较强，可以使颗粒物显著脱稳，使颗粒物与滤料的粘附力增强，因此会有更多的颗粒物粘附在表层滤料上，这使得滤池倾向于表层过滤，从而造成滤池（特别是表层）水头损失形成速率的提高。另一方面，预臭氧还可以提高水中溶解氧含量，提高有机物可生化性，将大分子有机物转化为很多可生物降解的小分子有机物，这为滤池表面微生物的生长提供了有利条件，而且越靠近表层ATP含量越多，这表明预臭氧有助于滤池（特别是滤池表层）生物膜的形成，而生物膜致密的结构将增加水流阻力，消耗更多水头。而预氯化则不同，对滤层生物膜具有杀灭作用，有利于降低滤池水头损失。一方面，预氯化氧化性弱于预臭氧，其对颗粒物的脱稳效果并不彻底，也就抑制了颗粒物在滤池表面过多的粘附，这使得滤池倾向于发挥其深床过滤效果，对浊度有更好的去除效果。另一方面，预氯化后待滤水及滤池各层出水仍有较高余氯量，其持续杀菌作用也将抑制滤层微生物的形成。因此，在处理常规低有机物水时，预氯化更具优势。但在处理如本文所研究的夏季高温高藻水时，预臭氧则更具优势。高有机物浓度会显著降低混凝效果以及削弱预氯化的强化作用。此时滤池水头损失不是最主要考虑因素。

3 结论

(1）北方某水厂采用预臭氧强化常规工艺结合适当调整混凝剂投加量的方式，可有效应对夏季高温高藻、冬季低温低浊的水质特点，同时对有机物有一定的去除能力，有助于提升滤后水质，保障供水安全。

(2）预臭氧和预氯化都具有强化常规净水工艺的作用，但两种预氧化方式具有不同的适宜应用条件。夏季高温高藻期，预臭氧的强化作用优于预氯化，此时建议采用预臭氧工艺改善出水水质；冬季低温低浊期，预臭氧和预氯化的强化作用没有明显差别，而预氯化成本较低，此时建议改用预氯化工艺降低净水成本；

(3）预臭氧和预氯化对滤层生物膜的形成影响不同，预臭氧可以为滤池表层生物膜生长提供氧气、营养物质等条件，有利于滤层生物膜的形成，这是导致预臭氧条件下滤池水头损失增长较快的主要原因之一。而预氯化后水中仍有较高余氯量，将会抑制滤层生物膜的生长，可用于解决滤池生物膜过多而导致的水头损失增长过快的问题。

作者图片

王小(亻毛)