随着社会经济日益发展,水污染日趋严重,生活饮用水水质问题备受关注,为提升生活饮用水水质、强化水处理效果,寻求对现有传统水处理工艺进行升级改造的方法势在必行。在常规水处理工艺后面增设O₃-BAC^[1] 、膜处理^[2] 等深度处理工艺能强化对有机物、消毒副产物前体物等污染物的去除效果,进一步降低出水浊度,优化出水水质,但多数采用传统工艺的旧水厂规划用地少、改造扩建难,且深度处理工艺建造成本高,一些水厂增设深度处理工艺难以实现。因此,对传统水处理工艺进行改造,宜选择操作简单、技术成熟、改造成本低、不增加水厂用地的方法^[3] 。本研究将水厂普通砂滤池改造成炭砂滤池,并对炭砂滤池进行长期的监测工作,对比分析炭砂滤池对有机物、消毒副产物前体物、氨氮和浊度等污染物的去除效果,为传统水厂的升级改造提供参考。

　　 炭砂示范滤池生产性规模为1万m³/d,炭砂滤池采用颗粒活性炭、石英砂双层滤料,颗粒活性炭选用煤质破碎炭,其粒径为8×30目,碘吸附值为1 000mg/g,亚甲蓝吸附值为240 mg/g,炭层厚度为1m,石英砂粒径为0.5~1.0 mm,砂层厚度为0.4m,鹅卵石承托层层厚为0.3m;作为对比的普通砂滤池处理规模同炭砂滤池。

　　 滤池选用恒速变水头过滤方式,设计滤速为6.4m/h,空床接触时间为12min。滤池反冲洗:每2d水冲一次,水冲强度为15L/(s·m²),水冲时间为12min;每7d气水冲一次,气冲强度为10L/(s·m²),气冲时间为2min,水冲强度为15L/(s·m²),水冲时间为10min。

　　 原水取自D江,炭砂滤池与砂滤池均采用混凝-沉淀-过滤-消毒传统工艺。

　　 炭砂滤池于2012年6月开始运行,稳定运行后,自2013年5月起,实行为期3年的每月定期水质监测工作,关注有机物、消毒副产物前体物、氨氮与浊度指标。

　　 炭砂滤池与砂滤池对TOC的去除效果如图1所示,在3年的运行过程中,待滤水TOC为0.857~4.739 mg/L,均值为1.901 mg/L。炭砂滤池对TOC的平均去除率为25.91%,砂滤池对TOC的平均去除率为11.58%。在运行期间,待滤水的TOC最大值为4.739mg/L,此时,炭砂滤池与砂滤池对TOC的去除率分别为44.55%和13.40%。炭砂滤池对TOC的去除效果优于砂滤池,并且监测的3年间炭砂滤池对TOC的去除效果稳定,其原因为活性炭层的吸附能力与运行之初比有所下降,本阶段主要靠活性炭表面成熟的生物膜降解有机物,同时,附着在炭层的微生物有利于释放部分活性炭表面吸附饱和的孔隙^[4] ,使得部分活性炭孔隙恢复吸附能力,在活性炭吸附与生物降解双重作用下使得炭砂滤池保持稳定去除有机物的能力。

　　 炭砂滤池与砂滤池对UV₂₅₄的去除效果如图2所示,在3年的运行过程中,待滤水UV₂₅₄为0.011~0.082cm^-1,均值为0.033 cm^-1。炭砂滤池对UV₂₅₄的平均去除率为33.87%,砂滤池对UV₂₅₄的平均去除率为16.47%。炭砂滤池对UV₂₅₄的平均去除率是砂滤池的2倍,其原因为UV₂₅₄表征含有共轭双键或苯环芳香类、烃类有机物,而活性炭表面发达的孔隙有利于吸附去除该类有机物,虽然长期运行后吸附作用不如运行之初,但活性炭表面附着的微生物起到较好的生物降解作用,从图2可知,该阶段炭砂滤池去除UV₂₅₄效果稳定;而砂滤料表面相对光滑,没有孔隙结构,不具备吸附能力和生物作用,单靠物理截留作用,因此去除效果不理想。

　　 炭砂滤池与砂滤池对三卤甲烷前体物的去除效果如图3所示,待滤水的三卤甲烷前体物浓度(即三卤甲烷生成势)为100.59~542.32μg/L,均值为190.38μg/L。炭砂滤池和砂滤池对三卤甲烷前体物的平均去除率为30.30%和17.92%。可知,炭砂滤池对三卤甲烷前体物的去除效果明显优于砂滤池,其对三卤甲烷前体物的去除效果与对有机物的去除效果吻合,炭砂滤池有效降低水中有机物,从而降低氯化消毒过程中消毒副产物的生成。监测期间,出现3次待滤水三卤甲烷前体物浓度较高的情况,待滤水三卤甲烷前体物浓度分别为339.03μg/L、542.32μg/L和405.03μg/L,此时炭砂滤池与砂滤池的去除能力相差不多,原因是待滤水三卤甲烷前体物浓度过高,超出炭砂滤池的去除能力,活性炭吸附能力有限且对活性炭表面的微生物而言,污染物过剩,生物降解能力也有限,因此待滤水三卤甲烷前体物浓度过高时,炭砂滤池去除效果没有优势。

　　 炭砂滤池与砂滤池对氨氮的去除效果如图4所示,监测期间待滤水氨氮为0.04~1.59mg/L,均值为0.63mg/L。本监测阶段,炭砂滤池活性炭层微生物挂膜成熟,过滤时通过微生物的硝化作用降低出水氨氮,从数据看,炭砂滤池与砂滤池对氨氮的平均去除率为88.13%和85.99%,两个滤池对氨氮的去除效果相差不大。但当待滤水氨氮浓度较高时,炭砂滤池略优于砂滤池,当待滤水氨氮浓度为1.59mg/L时,炭砂滤池与砂滤池出水氨氮浓度分别为1.00mg/L和1.29mg/L,此时两个滤池的出水均不能达到国标对氨氮的要求,其可能的原因为正常情况下,待滤水氨氮浓度在0.5mg/L左右,活性炭滤层生物量和活性都处于相对稳定状态,滤池进水水质突发高氨氮,滤层的微生物未能及时被激活,导致抗冲击能力差。但经过高氨氮浓度的进水对生物膜进行短期的活化后,5d后测定待滤水氨氮为1.42mg/L时,此时炭砂滤池与砂滤池出水氨氮浓度分别为0.30 mg/L和0.55mg/L,砂滤池仍不能满足出水国标对氨氮的要求,而炭砂滤池能有效保障水质。

　　 炭砂滤池与砂滤池对浊度的去除效果如图5所示,监测期间待滤水浊度为0.68~4.60NTU,均值为1.66NTU。炭砂滤池与砂滤池对浊度的平均去除率为86.87%和83.75%,两个滤池对浊度的去除效果相差不大。监测期间,炭砂滤池与砂滤池出水平均浊度分别为0.20NTU和0.25NTU。从浊度指标看,炭砂滤池对浊度的去除效果略优于砂滤池,但未见明显优势。

　　 (1)监测期间,炭砂滤池对TOC的去除效果稳定,对TOC的平均去除率为25.91%;炭砂滤池对UV₂₅₄的平均去除率为33.87%,是砂滤池的2倍;炭砂滤池对三卤甲烷前体物的去除效果明显优于砂滤池,其对三卤甲烷前体物的去除效果与对有机物的去除效果吻合。

　　 (2)炭砂滤池对氨氮的平均去除率为88.13%,对浊度的平均去除率为86.87%,炭砂滤池与砂滤池对氨氮和浊度的去除效果相差不大,炭砂滤池略优于砂滤池。

　　 (3)长期监测数据表明,炭砂滤池运行稳定,有较好的去除效果,将砂滤池改造成炭砂滤池,在不增加水厂用地的同时,能够有效提升水质,是水厂工艺升级改造的一种可行方式。