南水北调中线工程是缓解北方干旱地区, 尤其是京津水资源短缺的国家级重大战略举措。工程自陕鄂豫交界处的丹江口水库引水, 经河南、河北进入天津。引水后, 在天津段通过多个水库的调节调配, 实现全市引江、引滦双水源保证, 力求充分利用、保存珍贵的水资源^[1]。

　　 常规水处理工艺主要去除水中的悬浮性固体、胶体物质和病菌, 对水中的有机物特别是溶解性有机物去除效果不理想。若原水中藻类大量繁殖、有机物浓度较大, 将加大水处理难度。强化混凝通常被认为是去除水体中NOM的有效方法, 可以通过为可溶性NOM的吸附提供过量的金属氧化物沉淀表面来提高可溶解性有机碳 (DOC) 的去除率^[2,3], 因此多采用强化常规处理工艺来提高对天然有机物 (NOM) 的控制。常用的强化方式包括:增加混凝剂投加量、增加预处理 (如预氧化) 、投加助凝剂、调整pH、改善混合或絮凝条件等。

　　 为确保引江原水供给天津开发区后的安全供水, 本研究进行脉冲澄清池系列强化集成工艺的中试研究, 比较脉冲澄清池系列的强化集成工艺与常规工艺处理效果的差别, 优化运行参数, 研究结果可为引江原水的优化处理提供参考依据和技术指导。

　　 试验用原水为南水北调引江原水, 试验时期原水水质参数见表1。可见, 原水pH稳定在8左右, 浊度、COD_Mn、藻类数量等指标均较低, 水质较好。

　　 中试系统为一套规模为Q=3 m³/h的试验模型, 工艺流程如图1所示。

　　 为比较脉冲澄清池系列的强化集成工艺与常规工艺处理效果的差别, 在中试现场运行以下5种工艺进行对比研究。三氯化铁 (FeCl₃) 、聚氯化铝 (PAC) 、聚丙烯酰胺 (PAM) 阴离子、HCA等药剂的投量通过前期的混凝小试优化确定。

　　 工艺a:原水—三氯化铁+聚氯化铝混凝—脉冲澄清—过滤。

　　 工艺b:原水—预加氯—三氯化铁+聚氯化铝混凝—脉冲澄清—过滤。

　　 工艺c:原水—预臭氧—三氯化铁+聚氯化铝混凝—脉冲澄清—过滤。

　　 工艺d:原水—三氯化铁+聚氯化铝混凝—HCA助凝—脉冲澄清—过滤。

　　 工艺e:原水—三氯化铁+聚氯化铝混凝—PAM助凝—脉冲澄清—过滤。

　　 试验时间安排及药剂投加量见表2。

　　 取试验原水、脉冲澄清池出水及滤后水测定温度、pH、色度、浊度、COD_Mn等水质指标, 对比各工艺的处理效果。根据每种工艺运行的天数每天取样2~3次。当上一阶段试验完成最后一次现场取样后, 如无特殊情况即调整为下一阶段试验条件下运行, 以便在下一阶段现场取样前达到稳定运行状态。

　　 pH:采用Mettler Toledo 320型pH计, 玻璃电极法测定;浊度:采用HACH 2100N浊度仪, 分光光度法测定;COD_Mn:采用酸性高锰酸钾滴定法 (GB/T 5750.7-2006) 测定;色度:采用铂-钴标准比色法 (GB/T 5750.4-2006) 测定。

　　 按1.2节所述工艺a进行常规工艺中试, 测定原水、澄清池出水和滤后出水的浊度和COD_Mn, 并计算其去除率, 结果见图2和图3。

　　 由图2和图3可知, 引江水采用常规工艺 (工艺a) 处理时, 出水水质均能达到《生活饮用水卫生标准》 (GB5749-2006) 的要求。澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为73.3%和90.4%。澄清池出水和滤后水COD_Mn的平均去除率分别为36.4%和40.9%。

　　 另外, 采用常规工艺 (工艺a) 处理时, 当三氯化铁投加量为15mg/L, 聚氯化铝投加量为25mg/L时, 澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为74.8%和91.5%, COD_Mn的平均去除率分别为37.5%和42.3%;当三氯化铁投加量为10 mg/L, 聚氯化铝投加量为15mg/L时, 澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为72.3%和89.4%, COD_Mn的平均去除率分别为32.9%和38.6%。两组混凝剂投量条件下出水的浊度和COD_Mn去除率相差不大, 从经济性考虑, 可以适当降低药剂投量。

　　 按1.2节所述工艺b~e进行强化集成工艺中试, 测定原水、各工艺澄清池出水和滤后出水的浊度和COD_Mn, 并计算其去除率, 结果见图4和图5。

　　 由图4和图5可知, 夏季高温期引江原水采用预加氯、预臭氧、常规+助凝剂工艺处理后, 出水水质均能达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求。

　　 采用预加氯工艺 (工艺b) 处理时, 澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为49.2%和88.3%, COD_Mn的平均去除率分别为36.4%和50.0%, 滤后水COD_Mn的去除率比常规工艺提高了9个百分点以上;采用预臭氧工艺 (工艺c) 处理时, 澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为85.1%和89.7%, 澄清池出水浊度的去除率比常规工艺提高了10个百分点以上, COD_Mn的平均去除率分别为38.9%和44.4%, 去除效果也比常规工艺有了一定提高。

　　 由此可见, 预臭氧工艺比预加氯工艺对浊度有着更好的去除效果。预臭氧化会对原水产生微絮凝作用, 其可能的机理是^[4,5]:增加水中含氧官能团有机物 (如羧酸等) 而使其与金属盐水解产物、钙盐等形成聚合体, 降低无机颗粒表面NOM的静电作用, 引起可溶性有机物的聚合作用而形成具吸附架桥能力的聚合电解质, 使稳定性高的藻类脱稳、产生共沉淀等。臭氧是强氧化剂, 它可以改变水中悬浮固体颗粒表面的电荷, 使其大小、形状、表面特性都发生变化, 颗粒物表面特性的改变有利于混凝, 从而促使澄清池出水的浊度较低, 即预臭氧化有利于混凝沉淀。另外, 由试验结果可知, 预臭氧工艺对COD_Mn的去除效果并不如预加氯工艺明显。作为一种强氧化剂, 臭氧可以氧化水中的有机和无机化合物, 使大分子有机物转化成为分子质量较小的有机物, 将含氧量少的有机官能团氧化成含氧量多的官能团, 将非饱和键转化为饱和键, 从而提高有机物的生物降解性。因此, 作为预氧化剂, 臭氧在处理饮用水原水中的作用主要是改变有机物的性质, 但一般不能将天然水体中的以腐殖酸为代表有机物完全氧化成为简单的无机物^[6]。

　　 另外, 预氯化工艺可能生成较高浓度的氯化消毒副产物 (DBPs) , 如三卤甲烷 (THMs) 和卤乙酸 (HAAs) 等^[7]。当原水中含有溴化物时, 臭氧氧化会生成对人体有害的溴酸盐^[8]。按照1.2节进行预加氯和预臭氧工艺 (工艺b和工艺c) 条件下的试验时, 检测了澄清池出水、滤后加氯后和清水箱出水的THMs、二氯乙酸 (DCAA) 和三氯乙酸 (TCAA) 等消毒副产物指标。采用预臭氧方式 (工艺c) 处理时, 也对原水的溴化物以及澄清池出水、滤后水和清水箱出水的溴酸盐和甲醛进行了检测。结果表明, 采用预加氯和预臭氧工艺时, 澄清池出水、滤后加氯水和清水箱出水的THMs比值、DCAA、TCAA等主要消毒副产物指标均低于国标限值。原水溴化物和出水的甲醛含量均在检出限以下。仅有一次在澄清池出水中检出溴酸盐, 但是生成量较小, 低于6μg/L, 小于10μg/L的国家饮用水标准;其余各次溴酸盐检测结果都未检出。因此, 采用预加氯和预臭氧化工艺对该引江原水进行处理时, 均可保证出水水质安全。

　　 采用常规+HCA助凝工艺 (工艺d) 处理时, 澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为80.7%和90.7%, COD_Mn的平均去除率分别为42.1%和52.6%, 滤后水COD_Mn的去除率比常规工艺提高了10个百分点以上;采用常规+PAM助凝工艺 (工艺e) 处理时, 澄清池出水和滤后水浊度的平均去除率分别为70.5%和87.0%, COD_Mn的平均去除率分别为21.4%和37.1%, 对浊度和COD_Mn的去除效果比常规工艺略有降低, 为各处理工艺中的最低者。

　　 助凝剂是在混凝试验中用于调节或改善混凝条件、促进凝聚作用所添加的药剂或为改善絮凝体结构的高分子物质。利用高分子助凝剂可以对悬浮胶粒和含负电荷的物质产生电中和及强烈吸附架桥作用, 使细小松散的絮凝体变得粗大而紧密, 加快絮凝速度^[9]。本试验选用的是两种线性高分子聚合物即PAM (聚丙烯酰胺) 阴离子与HCA (聚二甲基二烯丙基氯化铵) , 考察对混凝剂的促进作用。由上述结果可知, HCA对引江原水的助凝效果优于PAM阴离子。

　　 常规工艺和各强化工艺对引江原水浊度和COD_Mn的去除率比较见表3。

　　 由表3中的对比分析可知, 由于引江原水水质较好, 采用常规的水处理工艺即可达到较好的处理效果, 各种强化工艺对浊度和耗氧量的去除率差别不大。采用常规+HCA助凝工艺 (工艺d) 处理时, 对引江原水的浊度和COD_Mn的去除率最高。

　　 (1) 引江水分别采用常规、预加氯、预臭氧、常规+助凝剂工艺处理后, 出水水质均能达到《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 的要求。

　　 (2) 引江水采用预臭氧工艺处理后, 澄清池出水及滤后水的浊度去除率均高于预加氯处理, 但对COD_Mn的去除效果稍逊于预加氯工艺。两种预氧化工艺出水的主要消毒副产物指标均低于国标限值。

　　 (3) HCA对引江原水的助凝效果优于PAM阴离子。采用常规+HCA助凝工艺处理时, 滤后水COD_Mn的去除率比常规工艺提高了10个百分点以上。

　　 (4) 由于引江原水水质较好, 采用常规处理工艺即可达到较好的处理效果。采用常规+HCA助凝工艺处理时, 对引江原水的浊度和COD_Mn的去除率最高。