在饮用水消毒过程中, 因为氯消毒方式具有价格低廉、消毒效果好和使用方便等特点, 一直在国内外众多水厂消毒过程中扮演重要角色。但在消毒过程中氯消毒剂会与水体中的腐殖酸、富里酸等溶解性有机物反应生成消毒副产物 (DBPs) 三卤甲烷 (THMs) 等具有致突变和致癌, 致畸和神经毒性^[1,2]的有害物质, 因而成为国内外研究的热点^[3,4]。国内外的众多研究表明, 消毒副产物的含量主要与水体中氯和总有机物的浓度有关^[5,6]。而传统的给水处理工艺不能对水中消毒副产物的前驱物质进行高效控制, 从而造成氯消毒后DBPs的大量产生, 特别随着自然水体污染趋势不断加剧, 给水处理工艺在控制和去除水体中消毒副产物前驱物的问题上显得尤为突出。

　　 大梯度磁滤处理技术 (简称HGMF) 是近些年来发展起来的一种新兴的水处理技术, 该技术具有适应性强, 处理效率高, 出水水质好, 对水中有机物去除率高^[7,8]等优点, 同时在去除水中浊度、细菌、大肠杆菌、有机物方面比传统工艺更优。本试验研究是将微絮凝与大梯度磁滤技术相结合的处理工艺微絮凝—大梯度磁滤工艺对珠江水中消毒副产物前驱物进行处理, 希望利用大梯度磁滤对有机物高去除率的特点来研究开发一种去除氯消毒副产物前驱物的新方法、新工艺, 从而控制消毒副产物的产生。

　　 本试验用水取自珠江广州大学河段, 该河段水质常年比较稳定, 夏季由于是雨季降水量比较大, 水中浊度有所升高, 最高浊度约55NTU, 但大部分时间基本稳定在20NTU左右, 水温为16~28℃, pH在7.3~7.68, 高锰酸盐指数在3.8~4.5 mg/L, UV₂₅₄在0.041~0.064cm^-1, 水中三卤甲烷的生成势 (THMFP) 为83~173μg/L;铁、锰、铜等金属离子含量超标;细菌及大肠杆菌的含量高, 细菌在12460~14 760CFU/10mL, 大肠杆菌的含量为2 005~24 196 MPN/100mL;水体略呈绿色, 藻类丰富, 主要以假鱼腥藻和颗粒直链藻为主, 特别是在夏季大量出现颗粒直链藻, 蓝藻种类较多^[9];能用肉眼观察到颗粒悬浮物, 并且水体伴有一定的鱼腥味。

　　 工艺流程见图1, 珠江原水经水泵抽取进入原水水箱, 然后进入絮凝池中, 经机械搅拌进行絮凝, 混凝剂和磁铁粉在原水进入絮凝池前由投药泵准确投加。经过絮凝后的原水经预磁器后通过水泵提升到大梯度磁滤器中进行过滤处理。大梯度磁滤器高35cm, 直径28cm;磁滤器的中间容器钢毛筒直径9cm, 高30cm, 不锈钢毛的填充高度为30cm, 钢毛的直径29.3μm, 填充量为580g, 填充率为3.2%。预磁器由两块条形磁铁叠合而成, 安装在磁滤器进口平直管路上, 上下各一块, 强度为0.04T。经预磁后磁铁粉被磁化, 絮凝体相互吸引, 增加絮凝率。磁滤速度可通过转子流量计进行调节, 磁场强度可通过调节水冷电源直流电通过螺线管的电流强度大小来控制, 电流大小为0~700A, 而大梯度磁滤器所产生的磁场强度为0~0.33T。絮凝池为有机玻璃制成的圆筒, 直径为50cm, 有效容积为100L。

　　 试验中采用的磁铁粉 (Fe₃O₄) 和三氯化铁 (FeCl₃) 都是化学分析纯, 三卤甲烷标准样浓度为1g/L (色谱纯) 。UV₂₅₄是评价和衡量水中有机物的重要替代参数, 因为该指标与总有机碳 (TOC) 、溶解性有机碳 (DOC) 、三卤甲烷前驱物有良好的相关性, 可作为其在水中的替代参数^[10,12], 检测仪器采用日本岛津公司的紫外分光光度计 (UV-1100) , 样品在检测前经过0.45μm滤膜 (Millipore) 过滤。消毒副产物生成势代表了水体中潜在的全部消毒副产物前驱物的含量, 而三卤甲烷生成势 (THMFP) 是保证在加氯量足够多和反应时间足够长的条件下, 水样生成三卤甲烷 (THMs) 的最大量来评价, 检测的三卤甲烷有Cl₃CH、Br₃CH、Br₂ClCH、BrCl₂CH;测定方法^[12]采用美国安捷伦的气质联用色谱 (7080A-5975C) 进行测定, 所采用的方法为顶空-气相色谱法 (ECD) 。浊度和余氯采用意大利HANNA公司的便携式浊度/余氯检测仪 (HI93414) 直接检测。磁场强度的测定采用湖南省联众科技有限公司的特斯拉计 (LZ-610H) 。

　　 微絮凝—大梯度磁滤工艺的运行条件为:絮凝中机械搅拌器的转速为150r/min, 絮凝时间为20min;混凝剂的投加量根据混凝沉淀结果确定, 并且在投加混凝剂的同时也投加一定量的磁种 (Fe₃O₄) , 作为絮凝体凝聚的晶核, 投加量为5mg/L, 然后改变磁场强度和磁滤速度的大小对UV₂₅₄和消毒副产物生成势THMFP的去除效果进行研究, 磁场强度分别为0.15T、0.19T、0.23T、0.28T, 滤速大小为6 m/h、8 m/h、12 m/h、16 m/h。本试验工艺运行的周期以出水浊度作为控制参数, 以出水浊度大于1NTU作为周期结束的标志, 因为出水浊度的高低与水中有机物的含量多少密切相关, 而且浊度的检测简单快捷, 如果出水浊度超过1NTU, 即说明出水水质开始恶化, 悬浮物已穿透钢毛填充层, 需要进行反冲洗。

　　 试验过程中珠江原水的消毒副产物生成势及三卤甲烷的组分见图2, 消毒副产物生成势平均值为128.35μg/L, 主要以三氯甲烷生成势为主, 这与陈丽珠等^[13]的研究相同, 含量平均值为97.39μg/L, 占总生成势的75.9%, 一溴二氯甲烷生成势次之, 为24.19μg/L, 占生成势的18.8%, 二溴一氯甲烷和三溴甲烷的生成势很低, 分别为5.47μg/L和1.18μg/L, 占的比例仅为4.3%和0.9%。原水中的UV₂₅₄平均值为0.045cm^-1, 试验过程中变化较小, 说明珠江水体中的腐殖质和溶解性有机碳含量比较稳定。

　　 在大梯度磁滤运行中, 磁滤强度是影响出水水质的一个主要因素, 直接影响磁性颗粒物在磁场中的受力大小, 即磁滤器对磁性颗粒物的捕获能力。只要磁力大于水流拉力, 水中颗粒就能被不锈钢毛所捕获。试验中的磁滤速度参考传统处理工艺砂滤的过滤速度8m/h, 然后改变大梯度磁滤器的磁场强度, 考察磁场强度对消毒前驱物去除的影响。大梯度磁滤器的磁场强度分别为0.15 T、0.19 T、0.23T、0.28 T, 对应水冷电源的电流强度为300A、400A、500A和600A。

　　 磁场强度大小对水中UV₂₅₄值去除效果见图3, 从图中可看出随着运行时间的增长, 工艺对UV₂₅₄的去除效果逐渐下降, 在磁场强度为0.28T时去除率最高可达67.4%。不同磁场强度对UV₂₅₄的平均去除率依次为46%、50%、49.2%、50.7%, 说明在磁滤速度一定条件下, 提高磁场强度对UV₂₅₄的去除效果影响不大, 在滤速一定的条件下, 虽然大梯度磁滤器能有效分离微米级颗粒, 但磁场强度的提高依然没有提高对UV₂₅₄中一些小分子、中性等有机物吸附作用, 而且随着不锈钢毛吸附饱和, 去除效果开始逐渐降低。

　　 对消毒副产物生成势 (THMFP) 的去除效果见图4, 提高磁场强度对降低THMFP有较明显的提高, 而且在磁场强度为0.23T时达到最高, 去除率为47.83%;其他磁场强度下的去除率分别为21.05%、32.56%和43.22%。三氯甲烷生成势的去除率随着磁场强度的增强而缓慢升高, 在0.28T时去除率为45.01%。一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷生成势的去除率波动上升而且在0.23T时达到最佳, 分别为52.19%和61.83%。三溴甲烷生成势的去除率很高, 在磁场强度为0.19T时已经达到88.33%, 在0.23T时达到最高为95.29%。从图中看出提高磁场强度有利于三氯甲烷生成势的去除, 而且从消毒副产物的组成 (见图2) 可见三氯甲烷生成势所占的比重最大, 该物质去除效果的好坏直接对消毒副产物生成势去除效果产生非常大的影响, 而且磁场强度为0.23T和0.28T时去除效率相差不大, 而其他3种物质生成势的去除效率都在0.23T时最高, 说明磁场强度为0.23T时即可有效地控制消毒副产物的前驱物, 进一步提高磁场强度只会增大工艺的能耗。

　　 试验过程中采用磁场强度为0.23T, 使磁滤速度分别为6m/h、8m/h、12m/h和16m/h, 考察磁滤速度对消毒副产物生成势和UV₂₅₄的去除效果。

　　 对UV₂₅₄值的去除效果见图5, 磁滤速度对UV₂₅₄去除率的影响较大, 随着工艺运行时间的延长, 各滤速的UV₂₅₄去除率逐渐下降, 说明出水中所含溶解性有机物在增加;而且磁滤速度越大所对应UV₂₅₄的去除率越低, 工艺运行的时间逐渐缩短, 对应的平均去除率分别为57.56%、50.26%、34.60%和39.58%, 其中16m/h时所对应的运行周期缩短为6h, 而磁滤速度为8m/h时所对于UV₂₅₄去除率在整个处理过程中下降最缓慢。提高磁滤速度容易增加水流的剪切力, 从而造成剪切力大于磁场对颗粒物所产生的吸引力, 导致UV₂₅₄去除效率的下降。

　　 不同磁滤速度下THMFP去除率呈缓慢下降的趋势 (见图6) , 对应的去除率为46.35%、45.91%、36.33%和23.36%。各组分生成势的去除率与THMFP呈现相同的去除趋势, 其中各组分生成势的去除率在6m/h和8m/h时非常接近, 说明在低流速下磁场力大于水流的剪切力, 水中消毒副产物的前驱物容易被捕获而截留。当磁滤速度大于12m/h时, 各组分的生成势开始下降, 其中以一溴二氯甲烷和三溴甲烷生成势去除率下降最为明显, 去除率低于20%, 其他两组分在滤速提高的情况下开始缓慢下降。工艺在不同磁滤速度下对THMFP的去除研究中得到, 在磁场强度恒定的条件下, 磁滤速度的提高使通过不锈钢毛的水流状态发生改变, 如水流方向和间隙中流速的变化, 从而增加了水流剪切力, 造成被捕获的颗粒物被水流冲刷脱离而带出或者水流中部分微小颗粒物难以被磁场力吸引捕获而随水体流出;滤速从6 m/h增加1.6倍 (16m/h) 的情况下THMFP去除率下降一半, 比传统工艺中的砂滤要高^[14,15], 说明磁场力对THM-FP的捕获能力较强。

　　 通过采用微絮凝-大梯度磁滤工艺对THMFP和UV₂₅₄的去除研究得到:

　　 (1) 原水中以三氯甲烷和一溴二氯甲烷生成势为主, 分别占THMFP的75.9%和18.8%, 二溴一氯甲烷和三溴甲烷的生成势很低;水中UV₂₅₄比较稳定, 平均值为0.045cm^-1。

　　 (2) 在磁场强度为0.15T、0.19T、0.23T和0.28T时, 提高工艺的磁场强度对UV₂₅₄的去除率影响不大, 去除率在46.0%~50.7%变化;而对降低THMFP有较明显的提高, 去除率分别为21.05%、32.56%、47.83%和43.22%, 在磁场强度为0.23T时达到最高。

　　 (3) 在磁滤速度分别为6 m/h、8 m/h、12 m/h和16m/h时, 提高工艺的磁滤速度, 对UV₂₅₄的去除率影响较大且逐渐下降, 平均去除率分别为57.56%、50.26%、34.60%和39.58%;THMFP的去除率分别为46.35%、45.91%、36.33%和23.36%, 呈缓慢下降的趋势。

　　 (4) 微絮凝-大梯度磁滤工艺对消毒副产物的前驱物有很好的去除效率, 从而有效减少THMFP的生成, 达到控制消毒副产物产生, 保障饮用水的水质安全的目的。