炭砂濾柱應對突發水源污染的運行效果

張曉娜 王蘇女 何嘉莉 巢 猛

（東莞市水務集團供水有限公司，廣東東莞 523112）

水源水污染日益嚴重，人們對飲用水的要求越來越高，因此，如何提高飲用水水質備受關注。常規處理工藝主要功能是去除濁度和殺菌，對水體中有機物和氨氮的去除能力有限。炭砂濾柱作為雙層濾料濾柱，上層活性炭通過物理吸附和生物降解作用提高對有機物的去除效果，下層砂濾料可以進一步控制濁度，可以在保證對濁度去除的基礎上，實現對有機物和氨氮等污染物的去除[1～3]。本研究通過搭建炭砂濾柱試驗平臺，開展炭砂濾柱應對排澇期、高藻期等應急突發污染水源的研究，綜合評估炭砂濾柱應對突發污染水源水的能力，為老舊水廠工藝升級改造及新建水廠工藝選型提供參考。

1.試驗部分

1.1 平臺搭建

濾柱裝置：濾柱管為不透明PVC水管，濾柱內徑為0.042m，高0.8m，手工制作成。炭砂濾柱濾料填充從下到上依次為粗砂、石英砂和活性炭，承托層粗砂粒徑為2～4mm，厚度為50mm，石英砂層為均質石英砂，有效粒徑d10=0.89mm，K80=1.58，厚度為100mm，活性炭層顆?；钚蕴亢穸葹?00mm，有效粒徑d10=0.42，K80=2.57，碘吸附值77.44mg/g，亞甲基藍吸附值46.8mg/g。砂濾柱石英砂有效粒徑d10=0.89mm，K80=1.58，厚度為700mm，承托層砂粒徑為2～4mm，厚度為50mm。兩套小試濾柱底部均設有獨立取水口，濾速為8m/h。

1.2 研究方法

1.2.1 對排澇期水體的去除效果

取排澇期水樣，投加2.5mg/L聚合氯化鋁進行混凝沉淀，沉淀30min后取上清液，分別過炭砂濾柱和砂濾柱，運行穩定后分別取濾后水測定CODMn、DOC、UV254、氨氮以及熒光溶解性有機物指標。

1.2.2 對高藻期水體的去除效果

取東江原水并放置在陽光下暴曬4天，水中藻類大量繁殖，水樣呈明顯淺綠色，測得原水pH＞8.0，溶解氧濃度10mg/L以上，投加聚氯化鋁4mg/L（以Al2O3計）進行混凝攪拌（快攪500r/min，1min，慢 攪50r/min，15min），沉淀2h后，抽取上清液分別進砂濾柱和炭砂濾柱過濾裝置過濾，分別取沉后水上清液、砂濾柱和炭砂濾柱出水，測定pH和鋁含量指標。

1.3 分析項目及方法

CODMn：采用酸性高錳酸鉀滴定法；DOC：采用總有機碳分析儀；UV254：采用紫外可見分光光度計測定；氨氮采用水楊酸鹽分光光度法進行測定；pH采用標準緩沖溶液比色法進行測定；鋁采用鉻天青S分光光度法進行測定。

三維熒光光譜測量：采用日立三維熒光光度計測量。以氙燈為激發光源，激發波長200～400nm，步長為5nm；發射波長280～550nm，步長為2nm；狹縫寬度10nm，光電倍增管電壓為500V，掃描速度30000nm/min，取樣于1cm石英熒光比色皿中測量。

2.試驗結果與分析

2.1 對排澇期水體的去除效果

2.1.1 對有機物的去除效果

對比分析炭砂濾柱和砂濾柱對排澇期有機物的去除效果，結果如圖1～3所示。由圖1～3可以看出，炭砂濾柱和砂濾柱對CODMn的平均去除率分別為30%、15%；對DOC的平均去除率分別為15%、6%；對UV254的平均去除率分別為17%、6%。由此可見，炭砂濾柱對有機物的去除效果明顯優于砂濾柱。這可能是因為有機物主要通過生物作用去除，而砂濾料表面比較光滑，不利于微生物附著生長，因此，砂濾柱對有機物的去除能力較差。炭砂濾柱活性炭濾料比表面積大，表面粗糙多孔，利于微生物生長繁殖[4]，因此，活性炭表面的微生物量較多，生物降解有機物的作用較強，對有機物的去除效果相對砂濾柱好。

圖1 炭砂濾柱與砂濾柱對CODMn的去除效果

圖2 炭砂濾柱與砂濾柱對DOC的去除效果

圖3 炭砂濾柱與砂濾柱對UV254的去除效果

2.1.2 對氨氮的去除效果

對比分析炭砂濾柱和砂濾柱對排澇期有機物的去除效果，結果如圖4所示。當待濾水氨氮濃度較低時，炭砂濾柱與砂濾柱出水氨氮濃度無明顯差別，氨氮去除率均能達到95%左右。當待濾水氨氮濃度較高（＞2.0mg/L）時，砂濾柱對氨氮平均去除率為26%，炭砂濾柱對氨氮去除效果相對較好，平均去除率達到45%。原因主要是炭砂濾柱掛膜成熟后，活性炭巨大的比表面積為微生物附著提供場所，從而在過濾時通過微生物進行硝化作用，降低出水中的氨氮濃度。

圖4 排澇期炭砂濾柱與砂濾柱對氨氮的去除效果

2.1.3 對熒光溶 解性有機物的去除效果

對原水、沉淀后水、砂濾柱出水以及炭砂濾柱出水溶解性有機物熒光光譜各區域的熒光強度進行積分，得到各區的區域標準體積。如圖5所示。

圖5 炭砂濾柱與砂濾柱出水DOM熒光強度分布

從圖中可以看出，區域II和區域Ⅳ所占比例較高，說明水體中溶解性有機物主要以芳香性蛋白質類物質和溶解性微生物代謝產物類物質組成。炭砂濾柱對熒光溶解性有機物的去除效果較好，去除率為46.17%；砂濾柱對熒光溶解性有機物的去除效果較差，去除率僅為16.70%。主要原因是水體中顆粒物主要通過濾柱物理截留的方式去除，而對于溶解性有機物，主要通過生物降解作用去除，砂濾柱濾料表面生物量明顯少于炭砂濾料，因此，對熒光溶解性有機物的去除效果也明顯劣于炭砂濾柱。

2.2 對高藻期水體的去除效果

東江流域在枯水期，水流緩慢，光照增強，容易導致東江原水藻類繁殖，東江原水藻類豐度為5.6～7.6*106個/L。藻類白天大量吸收水體中二氧化碳，釋放出氧氣，導致東江原水pH和溶解氧升高，高pH原水會導致在混凝沉淀過程中混凝劑聚氯化鋁中鋁的溶出，存在一定的鋁超標風險，對水廠水處理工藝造成一定影響。

對比分析炭砂濾柱和砂濾柱對高藻期水體pH以及金屬鋁的去除效果，結果如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，當待濾水pH為8.0～9.0，鋁含量為0.092～0.473mg/L時，通過濾柱過濾，砂濾柱出水的pH在7.1～7.3之間，鋁含量在0.026～0.044mg/L；炭砂濾柱出水pH在6.8～6.9之間，鋁含量穩定在0.004～0.017mg/L，炭砂濾柱去除鋁的能力遠優于砂濾柱。運行期間炭砂濾柱和砂濾柱對鋁的平均去除率分別為93.71%和80.98%。炭砂濾柱可有效降低高藻期待濾水的pH和鋁含量，解決由于原水pH升高導致鋁析出問題。究其原因主要是因為活性炭濾料表面疏松多孔，比表面積大，相對砂濾柱，更適宜微生物生長繁殖。炭砂濾柱在過濾過程中除了物理截留和吸附作用，還發揮了生物降解作用。高藻水溶解氧含量高，微生物可以充分利用水體中的溶解氧對有機物進行生物降解，微生物在生物降解以及自身新陳代謝的過程中產酸，并釋放出二氧化碳，使濾后水pH值降低。金屬鋁屬于兩性金屬，當pH較高時，會導致在混凝沉淀過程中混凝劑聚氯化鋁中鋁的溶出，導致待濾水中鋁含量偏高。通過炭砂過濾，水體中的pH得到降低，水體中金屬鋁從溶解態轉化為懸浮態，懸浮態的鋁在炭砂濾柱濾層中得到進一步截留，濾柱出水金屬鋁濃度隨之降低。

圖6 高藻期炭砂濾柱與砂濾柱對pH的去除效果

圖7 高藻期炭砂濾柱與砂濾柱對鋁的去除效果

3.結論

對于排澇期水質，炭砂濾柱對有機物的去除效果明顯優于砂濾柱，對CODMn、DOC、UV254的平均去除率分別為30%、15%、17%，當待濾水氨氮濃度較低時，炭砂濾柱與砂濾柱出水氨氮濃度無明顯差別，當待濾水氨氮濃度較高時，，炭砂濾柱對氨氮去除效果相對較好。炭砂濾柱對熒光溶解性有機物的去除效果也較好，去除率為46.17%。

對于高藻期水體，炭砂濾柱可有效降低高藻期待濾水的pH和鋁含量，當待濾水pH為8.0～9.0，鋁含量為0.092～0.473mg/L，炭砂濾柱出水pH穩定在6.8～6.9，鋁含量穩定在0.004～0.017mg/L，炭砂濾柱對鋁的平均去除率達到93.71%。