传统给水处理工艺中的石英砂滤池在控制出水浊度方面起到了关键作用,但对有机物的去除作用有限,出水中的有机物会与氯化消毒剂反应,从而生成有“三致”作用的卤代消毒副产物^[1]。

　　 石英砂滤池可通过挂膜成为生物砂滤池,能显著提高对有机物的去除率,但石英砂平整、光滑的表面结构不利于微生物附着,在各种不利环境下致使出水水质不稳定^[2],难以保证对有机物的去除效果。普通无烟煤通过活化可制成活性无烟煤,作为一种新型滤料其较大的比表面积和吸附容量能有效去除水中的有机物质,同时其较高的机械强度能避免运行过程中滤料磨损过快造成泄漏的问题^[3]。另外,活性无烟煤滤料表面的多孔结构有利于微生物附着,在挂膜成熟后,水中的有机物能够通过异养菌的生物代谢作用得以降解去除,进一步提高对有机物质的去除效果。

　　 本文通过对自来水厂中活性无烟煤滤池和普通石英砂滤池长期运行的监测数据进行整理分析,对比了两者对浊度、总有机碳(TOC)、耗氧量(COD_Mn)、UV₂₅₄和三卤甲烷前体物的去除效果及变化趋势,为传统给水工艺中的滤池改造提供参考。

　　 将南方某水厂原有的一格快滤池的石英砂滤料更换为活性无烟煤滤料,滤池处理规模为5 000m³/d,用于活性无烟煤滤池强化过滤的技术研究。

　　 石英砂滤池所用石英砂滤料有效滤径D₁₀=0.90mm,滤层厚度为1.2m,设计滤速为8m/h;活性无烟煤滤池所用活性无烟煤粒径为0.8~1.4mm,滤层厚度为1.2m,设计滤速为8m/h;过滤方式均为恒速变水头过滤,以跌水方式进水。

　　 滤池水冲洗周期为48h,水冲强度为10 L/(s·m²),时间为10 min;气水冲洗(先气冲后水冲)周期为7d,冲洗强度均为10L/(s·m²),时间分别为2min和10min。

　　 该生产性滤池改造完毕后自2012年7月起不间断运行至今,从2012年12月开始每月定期取自来水厂待滤水、石英砂滤池出水及活性无烟煤滤池出水分别测定浊度、TOC、COD_Mn、UV₂₅₄和三卤甲烷生成势(THMFP)。同时对活性无烟煤滤料的吸附性能指标进行定期测定并对运行后期活性无烟煤的强度及两种滤料的生物活性进行检测。

　　 浊度:采用哈希2100N浊度仪进行测定。

　　 TOC:指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量,以碳的数量表示水中含有机物的总量,通过TOC仪进行检测。

　　 COD_Mn:酸性高锰酸钾滴定法^[4]。

　　 UV₂₅₄:水样经0.45μm的滤膜过滤以去除颗粒物质引起的干扰,然后在紫外分光光度计上测定其在254nm波长单位比色皿光程下的紫外吸光度。

　　 三卤甲烷(THMs):通过吹扫捕集-气相色谱-质谱法检测三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷,THMs为这四种消毒副产物浓度和。

　　 THMFP:其测定是在高投氯量和长时间反应的条件下,水中能生成THMs的多少。THMFP的测定参照美国标准方法^[5]。

　　 碘吸附值:在规定的试验条件下,测定活性无烟煤对碘的吸附值^[6]。

　　 亚甲蓝吸附值:在规定的试验条件下,测定活性无烟煤对亚甲基蓝的吸附值^[6]。

　　 强度:在规定条件下,通过强度测定仪和振筛机测定活性无烟煤的强度^[6]。

　　 生物活性:采用耗氧速率法(OUR)分析^[7]。

　　 试验所用的两种滤料相关参数如表1所示。

　　 在自来水厂不间断运行三年间,每月定期取水厂待滤水、石英砂滤池出水及活性无烟煤滤池出水测定其浊度,结果如图1所示。

　　 从图1可以看出,在滤池运行三年间,活性无烟煤滤料与石英砂滤料对水中浊度的去除效果基本无明显差异,两者在正常进水水质下出水浊度均能保证小于0.2NTU,且随着运行时间的推移,活性无烟煤滤池对待滤水浊度的去除效果能保持稳定。同时,对运行三年后的活性无烟煤滤料进行了强度测试,测定结果为89.0%,高于国标中85%的限值^[8],说明活性无烟煤在长时间运行后仍能保持较高的机械强度,不容易产生因滤料磨损而导致的泄漏问题,保证了出水浊度的控制效果。

　　 在自来水厂不间断运行三年间,每月定期取水厂待滤水、石英砂滤池出水及活性无烟煤滤池出水测定其TOC、COD_Mn和UV₂₅₄,结果见图2~图4。

　　 从图2可以看出,在滤池运行三年间,活性无烟煤滤池对待滤水TOC的去除效果要明显优于砂滤池,活性无烟煤滤池对TOC的平均去除率为24.31%,而石英砂滤池对TOC的平均去除率仅有6.06%,且去除效果极不稳定,出水TOC有时还会有所升高,可能原因是进水水质不稳定导致异养菌死亡破裂释放出细胞物质,从而增加了出水的TOC浓度。

　　 活性无烟煤滤料在运行三年后其碘吸附值从720mg/g降至330mg/g,亚甲蓝吸附值从165mg/g降至104mg/g,说明活性无烟煤滤料的吸附容量日趋饱和,有文献指出,当活性无烟煤碘吸附值降至500mg/g左右,亚甲蓝吸附值降至100mg/g左右时,可判定其物理吸附性能已基本失效^[9]。同时,对活性无烟煤和石英砂两种滤料的生物活性进行了测定,活性无烟煤的SOUR为45.57μg/(L·g·h),明显高于石英砂的0.88μg/(L·g·h),活性无烟煤滤料对水中有机物有着更高的生物降解效能。

　　 从图2可以看到,随着运行时间的推移,活性无烟煤对TOC的去除效果呈现先上升后下降的趋势,在运行后期稳定在20%左右。这说明,在滤池运行初期,活性无烟煤滤料对TOC的去除主要通过物理吸附作用,而随着滤料表面逐渐挂膜,其生物降解作用开始凸显,与物理吸附作用同时对TOC进行去除从而提高其去除率,但后期因滤料的吸附容量逐渐饱和,生物降解作用取代物理吸附成为TOC的主要去除途径,因此其去除率逐渐下降最后达到稳定,且因为活性无烟煤的生物活性远大于石英砂,因而对TOC的去除效果保持一定优势。

　　 从图3可以看出,在滤池运行三年间,活性无烟煤滤池对COD_Mn的去除效果变化趋势与TOC相似,在运行两年后达到最佳去除效果,之后去除率逐渐下降并趋于稳定。活性无烟煤滤池对COD_Mn的去除效果总体优于石英砂滤池,对COD_Mn平均去除率为26.93%,而石英砂滤池为16.51%。

　　 通过两种滤料对TOC和COD_Mn的去除效果可以看出,活性无烟煤滤池在开始运行后的头两年间,对有机物的去除效果相对砂滤池有明显优势,最高的去除率能达到50%以上,但在运行后期其吸附作用逐渐减弱后,仅靠生物降解作用难以维持其高去除率,与砂滤池去除率的差距不断减少。运行后期两者都是主要依靠生物作用对有机物进行降解去除,活性无烟煤表面疏松多孔的结构使其更利于挂膜,生物活性远高于石英砂滤料,对有机物有着更好的分解去除效果。

　　 UV₂₅₄是水中一些有机物在254nm波长紫外光下的吸光度,反映的是水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物的多少。从图4可以看出,滤池运行三年间,活性无烟煤滤料对UV₂₅₄的去除效果均优于石英砂滤料,相比于石英砂16.90%的平均去除率,活性无烟煤能达到28.98%的平均去除率,且随着运行时间的推移,其去除效果逐渐提高并趋于稳定。

　　 不同于对TOC和COD_Mn的去除,活性无烟煤对UV₂₅₄的去除效果在运行后期并没有呈现明显的下降趋势,可能原因包括:①UV₂₅₄反映的有机物在原水中含量较低,虽然活性无烟煤的吸附作用已将近失效,但通过其生物降解作用已能完成对可去除部分的去除作用;②UV₂₅₄所反映的主要为含有共轭双键的大分子有机物,在经过活性无烟煤的生物作用后,虽然无法将其彻底去除,但在生物氧化作用下使其共轭双键断裂转化为小分子,降低了出水中的UV₂₅₄水平。

　　 在自来水厂不间断运行三年间,每月定期取水厂待滤水、石英砂滤池出水及活性无烟煤滤池出水测定其THMFP,结果如图5所示。

　　 从图5可以看出,在滤池运行三年间,活性无烟煤滤池出水的THMFP明显低于石英砂滤池出水,活性无烟煤对THMFP的平均去除率为30.69%,而石英砂滤池仅为14.76%。同时可以发现,活性无烟煤滤池对THMFP的控制效果与TOC和COD_Mn的去除规律相一致,在运行前两年其控制效果逐渐增强并达到最优,随后控制效果有所减弱并最终稳定在30%左右。这说明,活性无烟煤的物理吸附和生物降解作用均对THMs的前体物有显著去除,即使经长时间运行后,仅通过生物作用也能够保持稳定、较高的去除率,相比传统石英砂滤池在控制THMs生成有着明显的优势。

　　 试验所用活性无烟煤滤料价格约为6 000元/t,相同碘吸附值及亚甲蓝吸附值的活性炭价格约为9 000元/t,在活性滤料的选型上活性无烟煤具有成本优势。以5 000 m³/d的生产性规模计算,将石英砂滤料更换为活性无烟煤滤料的一次性投入约为10万元(运输成本和人工未计算在内),运行三年后其滤料强度仍高于国标要求,出水浊度得到保证,且虽然其碘吸附值与亚甲蓝吸附值均有明显降低,但其对有机物的去除效果仍保持较高水平,因此不需考虑更换或再生。同时,由于每年丰水期受水质变化的影响,水厂进水中的有机物浓度有不同程度的升高,为保证有机物的去除效果会采取前投高锰酸钾,而将石英砂滤料更换为活性无烟煤滤料后,对有机物的去除效果显著提高,可大大降低高锰酸钾的投加量,节约大量运行成本。

　　 (1)将石英砂滤池改造为活性无烟煤滤池后,能够保证对浊度的去除效果,长时间运行后其出水浊度基本稳定在0.2NTU以下,与石英砂滤池的去除效果无明显差别。

　　 (2)在活性无烟煤滤池长时间运行后,随着活性无烟煤滤料吸附容量的饱和以及生物作用的增强,其对TOC和COD_Mn的去除效果呈现出先上升后下降至稳定的变化趋势,说明在运行后期生物降解作用已取代物理吸附成为TOC和COD_Mn的主要去除途径,且监测数据表明,将石英砂滤料更换为活性无烟煤滤料后,可将TOC的平均去除率从6.06%提高至24.31%,将COD_Mn的平均去除率从16.51%提高至26.93%,显著提高去除效果。

　　 (3)UV₂₅₄作为表征含有共轭双键的大分子有机物指标,有别于TOC和COD_Mn,在活性无烟煤滤池长时间运行后,其去除效果没有明显下降趋势,其平均去除率达28.98%,明显高于石英砂滤池的16.90%。

　　 (4)对THMFP的监测结果表明,将石英砂滤池改造为活性无烟煤滤池后,能够有效提高THMs前体物的去除效果,平均去除率由原来的14.76%提高至30.69%,降低了出水中THMs生成的风险。

　　 (5)将石英砂滤池改造为活性无烟煤滤池,能够在保证出水浊度的基础上,有效提高对有机物的去除效果,从而强化对消毒副产物生成的控制,且改造简便,能够降低因水质变化而增加的运行成本,符合自来水厂提高水质的需要。