論文作者：麗娟 朱明章 李偉 古玉兵 姚雨霖 趙友石

摘要：對復(fù)合了惰性濾料和活性濾料，活性濾料又由極性和非極性濾料復(fù)合構(gòu)成的新型生物活性濾料濾池進(jìn)行過濾試驗(yàn)， 研究 表明，該濾池能夠去除氨氮90%以上，CODMn40%以上，降低Ames試驗(yàn)致突變性約l/3左右，出水水質(zhì)滿足國家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具有較好處理效果。

關(guān)鍵詞：濾料 極性 非極性 復(fù)合生物活性 充氣

成都市自來水公司以沙河為水源的制水能力約占公司總制水能力的40%。隨著城市的 發(fā)展 ，城市范圍逐步外延，沙河取水口已經(jīng)陷于城郊結(jié)合部較密集的居民生活圈包圍中，因基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)較差，沙河原水受到生活廢水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排灌廢水及垃圾等污染的程度呈加重趨勢，特別在暴雨時污染更為明顯，根據(jù)1997—2000年的監(jiān)測，原水色度一般12—45度，少數(shù)時間超過40度，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)最高10.28mg/l，化學(xué)需氧量最高達(dá)27.35mg/l，氨氮(NH3-N)一般在0.5mg/l左右，暴雨時曾出現(xiàn)過2.56mg/l，在短時間內(nèi)給水廠生產(chǎn)造成了一定困難。為了解決短時間的原水污染 問題 ，并作好技術(shù)儲備，在以后可能出現(xiàn)連續(xù)污染時保證供水的安全可*性，成都市自來水公司于1999年12月一2000年12月與重慶大學(xué)(原重慶建筑大學(xué))合作進(jìn)行了復(fù)合生物活性濾料濾池過濾技術(shù)的研究。

復(fù)合生物活性濾料濾池是由活性和惰性濾料復(fù)合構(gòu)成濾床，在保持濾池去除懸浮物功能的基礎(chǔ)上強(qiáng)化濾池去除有機(jī)物的能力，活性濾料由極性和非極性兩類復(fù)合構(gòu)成，用以提高濾池全面吸附去除有機(jī)物的能力[1]，該濾池還采用空氣充氧，是一種生物濾池。

2. 研究目標(biāo)和試驗(yàn)流程

2.l 研究目標(biāo)。

本研究要求復(fù)合生物活性濾料濾池對CODMn的去除率為15--20%，對NH3—N的去除率不小于50%，濾后水消毒后達(dá)到國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，Ames試驗(yàn)比水廠工藝有明顯改善。

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)在以沙河為水源的水五廠進(jìn)行，復(fù)合生物活性濾料濾池的待濾水來自該廠的機(jī)械加速澄清池，濾后水進(jìn)入生產(chǎn)移動罩濾池的清水渠，整體流程如下。水廠生產(chǎn)中才用了預(yù)氯化抑制藻類的生長，因預(yù)氯投投加量很低，約0.3mg/l，試驗(yàn)濾池進(jìn)水的余氯一般為零，不會 影響 濾池的微生物作用。

復(fù)合生物活性濾料是一座過濾面積1.44m2的小型氣水反沖洗濾池，采用V1/2長柄濾頭配水配氣，氣源是一臺SL80羅茨鼓風(fēng)機(jī)，裝填三種濾料，分別是ZJ-15型顆粒活性炭(GAC，d=1.0-2.0mm)、活性氧化鋁(AA濾料，d=1.5-2.0m)和石英砂(d10=0.81,k80=1.18)。為保持生物活性濾料濾池中生物的活性，充分發(fā)揮生物氧化作用對有機(jī)物的去除能力，宜盡量提高水中溶解氧的含量，采用空壓機(jī)通過分布在濾床以上的布?xì)忸^向待濾水中充氧。

該濾池采用三段式氣水反沖洗，強(qiáng)度及時間如下：

第一階段：單氣沖洗，q氣=8l/s.m2，t=5min;

第二階段：氣水同時沖洗，q氣=8l/s.m2，q水=8l/s.m2，t=8min;

第三階段：單水沖洗，q水=8l/s.m2，t=5min。

2.3 研究 內(nèi)容

主要研究該濾池的掛膜情況、正常運(yùn)行情況下對CODMn和NH3-N等指標(biāo)的去除情況和濾后水消毒后的總體水質(zhì)是否能夠滿足國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、Ames試驗(yàn)是否比水廠工藝有明顯改善。

3、研究結(jié)果與 分析 討論

3.1 掛膜

掛膜從6月19日開始，掛膜條件是：過濾的空床接觸時間EBCT=22.5min，水溫t=19-21℃，充氣量約1.6l/s.m2。掛膜其間的濾池進(jìn)水濁度1.72-7.12NTU，色度6-22度，出水濁度0.13-0.73NTU，除濁率79.7%——96.4%，出水色度0--8度，氨氮和CODMn去除變化情況見圖1。

掛膜開始濾池雖裝填了大量活性濾料，但對NH3-N的去除率在20%左右，9天之后，濾池對NH3—N的去除有了較明顯的提高，逐漸上升到50%以上，說明在這個過程中，濾料上在逐漸生長形成生物膜。17天后濾池的CODMn去除率穩(wěn)定在20%以上，NH3—N去除率達(dá)50%以上，可以認(rèn)為已經(jīng)完成掛膜，濾池進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

3.2 穩(wěn)定運(yùn)行期的過濾效果分析

穩(wěn)定運(yùn)行自7月5日至9月4日，期間進(jìn)行了不同濾速濾池過濾效果試驗(yàn)。

3.2.1 對氨氮的去除

研究期間沙河原水中氨氮含量為0.32—1.19mg/1，濾池進(jìn)水氨氮為0.11—0.74mg/l。如表3所示。在不同的EBCT下(分別為18min，12min，9min)復(fù)合生物活性濾料濾池對NH3—N的去除率均大于50%(如圖2)，隨著EBCT的縮短，濾池對NH3-N的去除率略呈下降趨勢，EBCT=18min，NH3-N去除率平均96%，E8CT=12min時，去除率平均為95%，EBCT=9min時，NH3—N去除率降至89%，但總體上該濾池對NH3—N的去除效率很高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了課題的研究目標(biāo)。

3.2.2 對CODMn的去除

濾池進(jìn)水CODMn含量為1.07—2.66mg/l，在不同EBCT值時，復(fù)合生物活性濾料濾池對CODMn的去除率有所不同，如圖3，EBCT值越高，其去除率也高，EBCT值低其去除率也有所降低。在EBCT=9min、12min、18min時，復(fù)合生物活性濾料濾池對CODMn的平均去除率分別為在42%、44%，47.8%。該結(jié)果與在內(nèi)江進(jìn)行的試驗(yàn)的去除率略有增高，其原因是本復(fù)合生物活性濾料濾池中活性濾料占的比例較大的緣故。

3.2.3 對色度的去除

試驗(yàn)期間，沙河原水色度最高達(dá)45度，最低0度，平均為12.5度。上述水質(zhì)經(jīng)機(jī)械加速澄清池處理后進(jìn)入復(fù)合生物活性濾料濾池的水色度一般為0—22度，平均7.3度。復(fù)合生物活性濾料濾池的進(jìn)、出水色度變化如圖4所示，濾池平均出水色度<1度。

3.2.4 新型復(fù)合生物活性濾料濾池處理系統(tǒng)水質(zhì)分析

對新型復(fù)合生物活性濾料濾地處理系統(tǒng)的出水按照GB5749—85進(jìn)行了全分析，分析結(jié)果表明濾池出水模擬消毒后的水完全滿足GB5749—85所規(guī)定的水質(zhì)要求。

3.2.5 Ames試驗(yàn)

委托華西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院對沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、水廠出廠水(3#)、復(fù)合生物活性濾料濾池出水(4#)及其出水的模擬消毒水(5#)、取消預(yù)氯化的復(fù)合生物活性濾料濾池出水模擬消毒水(6#)共6個水樣各富集1501采用平板摻入法進(jìn)行了Ames致突變試驗(yàn)。六組水樣對TA98、TAl00兩種菌株在不同劑量下的致突變數(shù)如圖5、6。

由圖可知，

①l#沙河原水、2#澄清池出水和40新型復(fù)合生物活性濾料濾池過濾出水(末加氯消毒時)不具有致突變性：

②3個消毒后的水樣在一定的劑量范圍內(nèi)致突變數(shù)MR大于2，具有劑量反應(yīng)關(guān)系且有重現(xiàn)性，具有致突變性。

③新型復(fù)合生物活性濾料濾池處理工藝的消毒出水對TA98和TAl00的最低致突變水樣量為3.01/皿，致突變劑量較水廠現(xiàn)有工藝出廠降低約1/3左右，可以認(rèn)為本過濾工藝對Ames試驗(yàn)具有較明顯的改善效果。

④雖預(yù)氯化的氯量非常小，但可以看出6#預(yù)氯化的復(fù)合生物活性濾料濾池出水消毒水比5#未預(yù)氯化的水在相同劑量下的MR值略高，這證明預(yù)氯化使水中的致突變物增加了，從水質(zhì)安全角度考慮，應(yīng)該選用其他更加安全的殺藻方式。

3.2.6 色質(zhì)聯(lián)機(jī)(GC/MS/DS) 分析

委托 中國 科學(xué) 院成都分院的化學(xué)分析檢測中心對沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、復(fù)合生物活性濾料濾池出水(3#)及其消毒水(4#)進(jìn)行了色質(zhì)聯(lián)機(jī)分析。對四組水樣中檢出的有機(jī)物進(jìn)行分類，結(jié)果如表1。

①原水。共檢出84種有機(jī)物，其中主要是芳香烴、直鏈烷烴、雜環(huán)化合物和酯類;原水中強(qiáng)極性的有機(jī)物11種，中強(qiáng)極性的14種，共占原水中有機(jī)物總種數(shù)的約30%，這證明了試驗(yàn)的復(fù)合生物活性濾料濾池選用非極性的GAC和極性的AA兩種濾料有其合理性。

原水檢出的84種有機(jī)物中有10種是屬于美國129種優(yōu)先控制污染物之列，5種屬于中國的69種水中優(yōu)先控制污染物黑名單3(如表2)，其中主要是苯類、酯類和多環(huán)芳烴，還有一種鹵代烴。這些重點(diǎn)污染物主要來自一些塑料、化工 工業(yè) 的污染。

原水中直鏈烷烴的大量存在主要是因?yàn)樗瓷嫌渭爸車性S多加油站和洗車場，其廢水直接排放入沙河;大量雜環(huán)化合物的存在，一方面可能是天然動植物代謝的產(chǎn)物，一方面也可能存在一定的人為污染。綜合分析，沙河原水的主要污染是油類污染、工業(yè)污染，環(huán)保工作應(yīng)主要對該類污染源加以重點(diǎn)治理。

水樣有機(jī)物分類表　　　　　表１

序號	類別	極性	飽和性	種數(shù)
				1#	2#	3#	4#
1	直鏈烷烴	無或弱極性	飽和	16	22	11	20
2	酮類	強(qiáng)	主要為不飽和	2	4	1	0
3	環(huán)烷烴	無	飽和	4	0	0	1
4	烯類	無或弱極性	不飽和	3	1	1	1
5	酯類	中	飽和、不飽和各半	12	2	4	4
6	醇類	強(qiáng)	主要為飽和	6	0	1	5
7	芳香烴	弱	不飽和	22	3	2	6
8	雜環(huán)化合物	弱	主要為飽和	12	2	5	5
9	胺類	中	不飽和	1	1	4	3
10	酚類	弱	不飽和	0	1	0	0
11	酸類	強(qiáng)	不飽和	3	8	5	10
12	炔類	弱	不飽和	1	0	0	1
13	醚	中	飽和	1	1	1	1
14	醛類	中	不飽和	0	0	4	0
15	其他	--	--	1	3	4	3
16	總計

②澄清池出水。共檢出有機(jī)物48種，其中直鏈烷烴占了近半數(shù)的比例，其次是酸類、酮類等，與原水相比，澄清池出水中的芳香烴、雜環(huán)化合物、酯類明顯減少，而直鏈烷烴種數(shù)占據(jù)了更明顯的優(yōu)勢，這說明機(jī)械攪拌澄清池對去除芳香烴、雜環(huán)化合物等具有明顯的作用，而對直鏈烷烴效果較差。

③復(fù)合生物活性濾料濾地出水。共檢測出有機(jī)物43種，仍以直鏈烷烴為主，但其數(shù)量已較原水和澄清池出水有了較大的減少，而酸類、雜環(huán)化合物、醛類、胺類、酯類所占的比例較澄清池出水(即試驗(yàn)濾池進(jìn)水)有較大提高，這應(yīng)是濾池中微生物新陳代謝作用的反映。

④復(fù)合生物活性濾料濾池出水消毒后的水。檢測出有機(jī)物60種，其中的醇類、酸類、芳香烴種類有所增加，直鏈烷烴所占的比例明顯增大。加氯消毒的該水中只檢出了三種鹵代烴，分析其原因可能主要是生成的各種鹵代烴含量非常少(全分析結(jié)果是：氯仿11μg/l，四氯化碳<0.2μg/l)，在色譜圖上出現(xiàn)的峰非常低所致。

原水中的有害有機(jī)物　　　　表２

序號	屬于USEPA129種優(yōu)先控制的有機(jī)物	屬于中國68種水中優(yōu)先控制污染物黑名單的有機(jī)物
1	四氯乙烯	四氯乙烯
2	二乙基鄰苯二甲酸酯	甲苯
3	蒽	乙苯
4	二丁基鄰苯二甲酸酯	對二甲苯
5	甲苯	熒蒽
6	乙苯
7	二甲基鄰苯二甲酸酯
8	熒蒽
9	芘

4. 經(jīng)濟(jì) 性分析

新型復(fù)合生物活性濾料濾池達(dá)到了預(yù)定的 研究 目標(biāo)，較明顯地提高了水質(zhì)的衛(wèi)生安全性，但若采用該種過濾工藝，投資情況如何?

4.1 與傳統(tǒng)工藝相比。以某新建的10萬噸/d 現(xiàn)代 化的供水工程為例(該水廠的主要構(gòu)筑物為取水泵站、斜管預(yù)沉池、格網(wǎng)反應(yīng)斜管沉淀池、V型濾池、清水池、二泵站)，經(jīng) 計算 ，其中V型濾池采用新型復(fù)合生物活性濾料濾池過濾工藝與采用均質(zhì)石英砂過濾工藝相比，濾池投資增加約22.3%，水廠總體投資增加約2.3%。

4.2 與采用臭氧活性炭工藝的水廠相比。經(jīng)計算，使用新型生物活性復(fù)合濾料濾池比采用臭氧——活性炭法可降低水廠基建投資15%，節(jié)約年電耗574.5萬度，價值219萬元。

5.結(jié)論

5.1 新型復(fù)合生物活性濾料濾池單元構(gòu)筑物，可去除氨氮90%以上，CODMn40%以上，降低Ames試驗(yàn)致突變性約1/3左右，出水水質(zhì)滿足國家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。具有較好處理效果。

5.2 實(shí)際工程中適宜新建濾池或改建V型濾池，用以降低水中有機(jī)物和飲用水的致突性，對保障人民身體健康等具有重要的 社會 意義。

5.3 新建或改建新型生物活性濾料濾池簡單易行，利用生物能再生比其他 方法 節(jié)省能源。其建設(shè)總投資由于更換部分濾料為活性炭和活性氧化鋁，增加投資接近20%。