臭氧-生物活性炭深度处理工艺是在活性炭池前投加臭氧。在臭氧接触池中投加臭氧可使水中胶体状有机物转化为易被生物降解的小分子有机物,成为炭床中微生物的养料来源。在活性炭池中,有机物的去除主要是因为活性炭吸附和生物降解的双重作用。

针对W市太湖原水有机物微污染的特点,为从根本上改善并提升城市供水水质,确保优质供水,经研究,2010年W市以太湖为水源的Z水厂、X水厂、D水厂在原有常规处理工艺的基础上,先后开展了臭氧-生物活性炭深度处理工艺改造,于2011年4月改造完成,投入运行。3座水厂工艺参数、构筑物布置和设备选用均类似,活性炭池采用翻板滤池、下向流^[1,2]。投运后,各水厂开始跟踪活性炭池出水水质、理化指标,观察其变化,为工艺的运行管理、活性炭更换提供技术和数据支持。

W市Z水厂、X水厂、D水厂均以太湖为水源,随着水源治理工作,水质逐年好转,但受蓝藻、望虞河引水、内河港口倒流时的综合性废水排放、风浪等因素影响,仍面临氨氮、耗氧量、藻类及其代谢产物以及太湖底泥、死亡生物释放的臭味物质等水质波动问题。因此,水厂实施了臭氧-生物活性炭深度处理改造。在深度处理工艺运行期间,原水水质见表1。

采集Z水厂、X水厂、D水厂各工艺段出水,分析耗氧量、UV₂₅₄等指标变化及深度处理工艺去除效果。定期从每个水厂同一个炭池中取活性炭样品,长期跟踪活性炭滤池的运行状况,分析活性炭理化性能指标。取样器为自制的取样杆带取样槽,取样的炭层深度为150 cm,因炭滤池表层受影响因素较多,可能存在运行指标不稳定现象,本文不再探讨表层的运行性能。同时,为避免运行和冲洗的影响,取样时间确定为炭池反冲洗后。

各水质指标及活性炭理化指标分析方法见表2。

2011～2018年不同季度Z水厂、X水厂、D水厂活性炭池对COD_Mn的去除效果和炭池出水COD_Mn如图1所示。

由图1可看出,投运第一年,活性炭池对COD_Mn的去除效果较好,基本在40%以上;之后,去除率呈现先下降后上升再下降稳定的规律,这可能是运行一定时间后活性炭物理吸附性能下降,生物膜还未完全成熟,随着生物量的增长和稳定,挂膜成熟后,生物作用弥补了其物理吸附性能降低的不足,去除效果呈现上升趋势。随着运行时间延长,吸附性能进一步下降,且为了运行生物安全性,将生物量控制在一定范围内,活性炭池的去除效果降至20%左右。深度处理投运初期,各水厂炭池出水COD_Mn在1 mg/L左右;运行8年后,炭池出水COD_Mn基本在1.5 mg/L,达到国标限值要求.

同时,各水厂活性炭池对COD_Mn的去除效果呈现季节性变化,气温高时去除效果高于气温低的季节。气温较低的一季度,去除率较低,而四季度由于前期气温较高,且受夏季生物量和活性的持续作用,去除效果较好。

2011～2018年不同季度Z水厂、X水厂、D水厂活性炭滤池对UV₂₅₄的去除效果和炭池出水UV₂₅₄含量如图2所示。

从图2可看出,各水厂对UV₂₅₄去除率基本呈现逐年缓慢下降的趋势,但下降速率低于COD_Mn和TOC,2018年去除率低于10%左右。UV₂₅₄代表天然腐殖酸大分子和芳香族有机物,不饱和键较多,在深度处理工艺中,臭氧对其作用较大。当臭氧投加量一定,随着运行时间增长,活性炭吸附性能下降对UV₂₅₄的影响较小,去除率下降趋势较缓。

近年来,W市太湖水源总体较好,但仍面临夏季臭味物质突升、冬季氨氮升高等风险^[3]3]。深度处理投运后,水厂对臭味物质、氨氮的去除效果有了更进一步的保障。以Z水厂为例,各工艺段对臭味物质的去除效果见表3;以D水厂某年冬季为例,氨氮的去除效果见图3。

从表3可看出,Z水厂全流程基本可完全去除水中的2-MIB和GSM;预处理工艺和常规处理工艺对2-MIB和GSM的去除效果主要与粉末活性炭是否投加有关,深度处理工艺可保障水中2-MIB和GSM均达到国家标准;且当原水中臭味物质浓度升高幅度小时,水厂通过调整臭氧浓度、强化常规和深度处理工艺,不启用粉末活性炭投加,也能基本保证水厂出水臭味物质达标。

由图3可知,氨氮升高初期,由于气温较低,生物活性弱,各工艺段氨氮变化较小,为确保出水达标,出厂采用折点加氯方式。随着炭池生物活性和生物量的增强,对氨氮有较好的去除效果,去除率在80%以上,炭池出水氨氮在0.1 mg/L以下。与贺道红等^[4]4]研究结果类似:生物活性炭对氨氮的去除具有一定的抗冲击负荷能力,如果活性炭进水氨氮突升,生物活性炭经历了短暂的出水氨氮浓度升高后,又大幅度降低,保持在0.1 mg/L以下^[5]5]。

Z水厂、X水厂、D水厂的活性炭初始碘吸附值基本在1 000～1 100 mg/g,随着运行时间增长,呈现下降趋势。2011～2018年Z水厂、X水厂、D水厂活性炭碘吸附值变化见图4。

图4显示,Z水厂、X水厂、D水厂活性炭池活性炭的碘吸附值变化规律基本一致,均在运行第一年衰减率较高,特别是运行后的半年内衰减明显,之后,每年衰减率保持稳定,在15%左右,但在2018年期间,有衰减加快的趋势。运行8年后的活性炭碘吸附值已衰减80%以上,仍继续呈现下降趋势,说明活性炭的吸附作用在炭池运行周期内均有一定贡献^[6]6]。

活性炭的强度与活性炭的使用寿命有一定的关系,活性炭应保证足够的机械强度,冲洗时耐磨损,损耗率较小^[7]7]。表4给出了Z水厂、X水厂、D水厂运行期间的活性炭强度和粒度变化数据。

由表4可看出,投运至今,Z水厂、X水厂和D水厂的活性炭强度仍较高,基本保持在95%左右,高于《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》(CJ/T 345-2010)规定的90%限值和《江苏省城镇供水厂生活活性炭失效判别和更换导则》不宜低于80%的规定。随着运行时间的增长,强度下降趋势较缓慢,Z水厂和X水厂无明显下降。

Z水厂、X水厂和D水厂粒度分布达到《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》(CJ/T 345-2010)中相关规定。但随着运行时间的增长,活性炭的相互摩擦和碰撞造成颗粒破碎较多,导致8～30目所占比例降低,<30目的粒度百分比增加,X水厂和D水厂<30目的活性炭粒度已高于4%,有接近限值5%的趋势。

Z水厂、X水厂、D水厂运行期间生物量、微型生物情况检测结果见表5。

从表5中可看出,2018年3月较2015年3月生物量指标有所增加,氨化细菌和异养菌基本持平,亚硝化、硝化细菌有了明显的降低,说明活性炭池去除氨氮的能力有降低可能。微型动物均为原生动物,未检出后生动物,且未检测到病原微生物;原生动物种类和数量最多的为Z水厂,为2纲4属,理论上原生动物种类达到3纲6属即说明生物链已比较完整,但也比较容易产生生物泄露。因此,在日常运行中,需密切关注生物指标,保障微生物安全性。

生物活性炭电镜扫描能较直观的观察生物膜的生长情况,Z水厂、X水厂、D水厂电镜扫描检测结果见图5。

图5电镜扫描结果显示,活性炭外表呈蜂窝状,由无规则的固体微粒堆砌而成。活性炭表面极不规则,凹凸不平,含有大量孔隙,孔口直径大小不一。各水厂生物膜已相对较为成熟,因此,当活性炭碘吸附值下降,由于生物作用的存在,活性炭池对有机物去除仍保持一定效率。但受生物生长规律和冲洗运行、负荷改变等影响,生物膜存在周期性脱落现象,因此,水厂个别时段的生物膜可能由片状覆盖变为块状,间缝隙变大。这就要求,水厂根据自身情况,适当采取措施保护生物膜。

Z水厂、X水厂、D水厂投运8年后,跟踪分析了活性炭池出水水质指标和活性炭性能指标,结论如下:

(1)活性炭池对COD_Mn去除,初期效率较高,达40%以上,随后呈现先下降后上升再下降的规律,截止到2018年,去除率基本在20%左右。其对UV₂₅₄的去除效果逐年缓慢下降,臭氧对其影响较COD_Mn大。

(2)深度处理工艺对2-MIB和GSM有较好的去除效果,结合臭氧、强化常规,特别时期投加粉炭应急,可保证出水中该类指标达标。深度处理工艺对氨氮突升有一定抗冲击能力,效果稳定后,去除率高达80%以上。

(3)运行8年后的活性炭碘吸附值衰减率达80%;强度变化较小,基本在95%左右;从粒度分布来看,8～30目所占比例降低,<30目的粒度百分比增加。且已形成较成熟的生物膜,对有机物的生物去除作用较强。同时,在日常运行中,需密切关注生物指标,保障微生物安全性。

综上,W市活性炭池对有机物、特殊污染去除效果较好,活性炭池出水指标达到国家标准,其强度、粒度指标完全达到国标限值,但碘吸附值下降较多,对有机物的去除已接近《江苏省城镇供水厂生活活性炭失效判别和更换导则》的限值,特别是冬季水温较低,生物作用减弱,当水质波动的个别日期,面临去除率降低,有机物指标超过省内和公司内控标准的风险。同时,由于W市面临着太湖原水突发事件时有发生的威胁,活性炭池的抗冲击负荷能力在减弱,因此,从供水安全保障和优质供水的角度出发,为提高水厂饮用水安全的保障系数,建议W市Z水厂、X水厂和D水厂考虑开展活性炭更换工作,更换方式需进一步调研和分析研究。