净水工艺对饮用水生物稳定性控制的研究

环 境 科 学ENVIRONMENTALSCIENCEVol.26,No.6Nov.,2005

净水工艺对饮用水生物稳定性控制的研究

鲁巍

1,3

,唐峰,张晓健,何文杰,韩宏大,胡建坤

11222

(11清华大学环境科学与工程系,北京 100084;21天津市自来水集团有限公司,天津 300040;31北京市市政工程设计研究总院,北京 100045)

摘要:利用现场中试装置,系统比较了预处理单元、常规处理单元及深度处理单元中可生物降解有机物BDOC和AOC的生成和去除特性.结果表明:常规工艺+活性炭过滤对CODMn的去除率仅能达到30%,无法有效保证出水水质要求,而常规工艺+臭氧活性炭可以很好地满足水质标准,去除率可达50%以上.以控制生物稳定性为目的时,氧化剂的投加会增加AOC和BDOC浓度,降低生物稳定性.不投加氧化剂,直接采用常规工艺+普通活性炭过滤可将出水AOC含量控制在50Lg/L以下.但要实现对CODMn和生物稳定性的同时控制,常规工艺+臭氧+生物活性炭的工艺组合是本研究中的最佳工艺组合.关键词:饮用水;生物稳定性;臭氧;活性炭

中图分类号:TU991.2 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2005)06-0071-04

ControllingofBiologicalStabilityinDrinkingWaterbyPurificationProcesses

LUWei

1,3

,TANGFeng,ZHANGXiao-jian,HEWen-jie,HANHong-da,HUJian-kun

11222

(11DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;21TianjinCityDrinkingWaterLimitedCompany,Tianjin300040,China;31BeijingCivilEngineeringDesignandResearchInstitute,Beijing100045,China)

Abstract:Inapilotscalesystem,theformationandremovalofBDOCandAOCwerecomparedinthepre-treatmentunit,traditionaltreatmentunitandadvancedtreatmentunit.TheexperimentalresultsindicatethattheCODMnremovalinatraditionalprocessplusactivecarbonfiltersystemis30%andinatraditionalprocessplusozoneandactivecarbonfiltersystemismorethan50%.TheAOCcontentsintheeffluentofatraditionalprocessplusactivecarbonfiltersystemisbelow50Lg/L.Theoptimumprocesscombinationintheresearchis:traditionalprocessplusozonationplusbiologicalactivecarbon.Keywords:drinkingwater;biologicalstability;ozone;activecarbon

饮用水的生物稳定性是指饮用水中微生物生长的潜力.饮用水生物不稳定会造成配水管网中异养细菌等微生物的再生长(regrowth),会对饮水水质安全带来一定的微生物安全风险,同时还会对输水过程带来一系列的不利影响,如引起管网的腐蚀,使饮用水产生嗅味,导致色度及浊度的增加等等,最终造成饮用水水质下降

[1]

工艺流程如图1所示,虚线框内工艺单元可选择性运行.整套工艺分为2个系统并列运行,每个系统进水量5t/h.

.

通过去除饮用水中含有的微量可生物降解有机物来提高饮用水的生物稳定性是目前控制细菌再生长的主要方法之一.目前,国内外围绕着预处理工艺、常规处理工艺、深度处理工艺3方面已经分别进行了广泛地研究.本研究在此基础上,利用现场中试试验装置,系统比较了预处理单元、常规处理单元及深度处理单元中可生物降解有机物的生成和去除特性.综合评价了各处理单元对于饮用水生物稳定性的控制作用,并以CODMn和生物稳定性的同时控制为目的,提出了工艺单元的优化组合方案.1 材料和方法1.1 中试工艺收稿日期:2004-09-07;修订日期:2004-10-25

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601140)作者简介:鲁巍(1978~),男,博士,主要从事饮用水生物稳定性方面

研究.

图1 中试工艺流程

Fig.1 Pilot-scaleflowprocessdiagram

本研究中比较的不同工艺单元的组合方式如表

1所示.

72

环 境 科 学

表1 工艺组合方式列表1)

Table1 Listofprocessunitscombination

26卷

工艺单元编号

1+2+4+5+7+9+111+2+4+5+8+10+111+4+6+9+121+4+6+10+121+3+4+6+10+121+4+5+7+10+111+4+5+8+10.+11

工艺组合方式

预臭氧+气浮+过滤(改性)+臭氧+活性炭(普通)+氯转氯胺消毒预臭氧+气浮+过滤(改性)+催化臭氧+活性炭(生物)+氯转氯胺消毒气浮+过滤(普通)+活性炭(普通)+氯消毒气浮+过滤(普通)+活性炭(生物)+氯消毒

预MnO-4+气浮+过滤(普通)+活性炭(生物)+氯消毒气浮+过滤(改性)+臭氧+活性炭(生物)+氯胺消毒气浮+过滤(改性)+催化臭氧+活性炭(生物)+氯胺消毒

图例图2和图6图2和图6图3和图7图3和图7图4和图8图5和图9图5和图9

1)表中编号与图1对应;10.也表示生物活性炭单元与10表示的生物活性炭单元运行条件相近

1.2 水样的采集

水样均用无菌、无炭化磨口玻璃瓶采集.水样采集后立即放入冷却箱中保存,4h内测定.

1.3 试验仪器

所有玻璃仪器都要保证无炭化.酸洗后浸泡过夜,然后分别用自来水、蒸馏水和高纯水润洗3次.通过550e下加热2h来去除痕量炭.采样瓶加入硫代硫酸钠以中止余氯反应.

1.4 可同化有机炭(AOC)测试[2~

4]

水的CODMn浓度,去除率基本可达50%以上(图2~图5),未使用氧化工艺时出水CODMn去除率仅为30%(图3).因此,以控制出水CODMn浓度为目的深度处理,臭氧+活性炭工艺是最佳的组合.

取待测40mL水样,经70e、30min水浴巴氏消毒后冷却至室温,接种荧光假单胞菌P17(fluorescentpseudomonas)在22~25e下培养2d,取培养液进行平板计数,计算水样中的AOC-P17浓度;然后再次对水样进行巴氏消毒,接种NOX(spirillum)作为测试菌种在22~25e下培养3d,再对培养液进行平板计数,计算水样中的AOC-NOX浓度;AOC-P17与AOC-NOX之和即为所测水样AOC含量.产率系数为试验期间在实验室测得的数据:YP17=216@107个/Lg,YNOX=410@107个/Lg.

1.5 可生物降解溶解性有机炭(BDOC)测试[5,6]采用悬浮生长法进行测定,先将待测水样500mL经0145Lm超滤膜过滤去除微生物,测定水样TOC,然后接种一定量的含土著细菌的接种液(水样体积的1%).将加好接种液的的水样放入恒温箱中,在20e培养28d,28d后再经0145Lm超滤膜过滤,测定水样TOC值,前后差值即为BDOC.2 结果与讨论

2.1 CODMn的去除特性

CODMn为评价水体中有机物总量的综合指标,在各种工艺组合流程中随着各工艺单元的去除而逐步降低.从图2~图5可以看出,以控制出水CODMn浓度为目标时,氧化工艺单元的加入可大大降低出2.2 AOC和BDOC的生成及去除特性

2.2.1 AOC

AOC指标评价的是饮水中最易被微生物同化的那一部分有机炭,自20世纪90年代开始被广泛图3 气浮过滤+活性炭组合中COD和BDOC的去除特性

Fig.3 TheremovalofCODandBDOCinfloatation

andfiltration+activecarbonprocess图2 预臭氧+气浮过滤+臭氧活性炭组

合中COD和BDOC的去除特性(横坐标编号与图1对应,余图同)

Fig.2 TheremovalofCODandBDOCinpre_ozonation+floatation

andfiltration+ozoneandactivecarbonprocess(thenumberofX_axisiscorrespondedtoFig.1)

6期环 境 科 学

73

后,有机物被氧化为分子量更小的有机物,而改性滤料对于分子量较大的有机物去除效果更佳.在未投加臭氧,直接使用活性炭工艺单元的情况下,炭柱出水AOC含量较低(图7和图8).而投加臭氧氧化会导致系统AOC含量的明显增加(图6和图9).

图4 预MnO-4气浮过滤+活性炭组合中COD

和BDOC的去除特性

Fig.4 TheremovalofCODandBDOCinpre_MnO-4+

floatationandfiltration+activecarbonprocess

图7 气浮过滤+活性炭组合中AOC的去除特性Fig.7 TheremovalofAOCinfloatationand

filtration+activecarbonprocess

图5 气浮过滤+臭氧活性炭组合中COD和BDOC的去除特性

Fig.5 TheremovalofCODandBDOCinfloatationand

filtration+ozoneandactivecarbonprocess

应用于评价饮用水的生物稳定性.

图6~图9为不同工艺单元组合运行方式对AOC的去除情况,从中可以看出:在未使用预氧化工艺单元时,改性滤料出水AOC含量要明显低于普通滤料出水(分别为55Lg/L和161Lg/L,图7、图9),而使用预氧化工艺单元后,改性滤料出水AOC含量与普通滤料出水无明显区别(分别为72Lg/L和75Lg/L,图6、图8).这可能是因为预氧化处理

图8 预MnO-4气浮过滤+活性炭组合中AOC的去除特性

Fig.8 TheremovalofAOCinpre_MnO-4+floatation

andfiltration+activecarbonprocess

图9 气浮过滤+臭氧活性炭组合中AOC的去除特性Fig.9 TheremovalofAOCinfloatationandfiltration+

图6 预臭氧+气浮过滤+臭氧活性炭组

合中AOC的去除特性

Fig.6 TheremovalofAOCinpre_ozonation+floatation

andfiltration+ozoneandactivecarbonprocess

ozoneandactivecarbonprocess

在所有使用了氧化剂的组合运行方式中,生物活性炭出水的AOC含量均低于普通活性炭出水(图74

环 境 科 学26卷

6和图8),而未投加氧化剂的组合运行方式中2种炭的区别不明显(图7).这是因为氧化剂的投加使高分子有机物氧化成为低分子醛、酮、酸等,它们不易被活性炭直接吸附去除,而生物活性炭中微生物的存在可改善吸附环境,通过微生物的呼吸代谢作用可以降解低分子有机物,从而出水AOC的含量较低

[7,8]

+普通活性炭过滤即可将出水AOC含量控制在50Lg/L以下.因此,既要满足CODMn的出水要求又要实现对生物稳定性的控制,气浮过滤+臭氧+生物活性炭的工艺组合是本研究中的最优选择.3 结论

(1)未使用预氧化工艺单元时,滤料是过滤出水生物稳定性控制的关键因素,改性滤料出水AOC含量要明显低于普通滤料出水.使用预氧化工艺单元后2种滤料差别不大.

(2)氧化剂的投加会降低出水的生物稳定性,在未投加臭氧的情况下活性炭的使用可明显提高AOC去除率.使用臭氧氧化会导致系统AOC含量的明显增加.臭氧+生物活性炭可有效去除AOC,而臭氧+普通活性炭无法有效控制臭氧氧化后生成的AOC.

(3)氯消毒会使活性炭出水的AOC含量增加25%左右,而氯转氯胺消毒会使活性炭出水AOC含量增加10%左右,AOC生成量较氯消毒低.

(4)要实现对CODMn和生物稳定性的同时控制,气浮过滤+臭氧+生物活性炭的工艺组合是本研究中的最佳组合.

参考文献:

[1] 王占生,刘文君.微污染水源饮用水处理[M].北京:中国建

筑工业出版社,19991236~243.

[2] VanDerKooij.

Determiningtheconcentrationofeasily

assimilableorganiccarbonindrinkingwater[J],J.AWWA,1982,74(10):540~545.

[3] VanDerKooij.SubstrateutilizationbyanOxalateconsuming

spirillumspeciesinrelationtoitsgrowthinozonatedwater[J],Appl.Environ.Micro.,1984,47(3):551~559.

[4] 刘文君,王亚娟.饮用水中可同化有机碳(AOC)的测定方法

研究[J].给水排水,2000,26(11):1~6.

[5] JoretJC.Biodegradabledissolvedorganiccarbon(BDOC)

contentofdrinkingwaterandpotentialregrowthofbacteria[J],Wat.Sci.Tech.,1991,24(2):95~101.

[6] 刘文君,吴红伟.饮用水中BDOC测定动力学研究[J].环境

科学,1999,7(4):20~23.

[7] 吴红伟,AOC在净水工艺中的去除与在管网中的变化和影

响[D].北京:清华大学,2002.

[8] 吴红伟,刘文君.水厂常规工艺去除可生物同化有机碳的研

究[J].中国给水排水,1999,15(9):7~9.

.

消毒剂的投加会增加炭柱出水中AOC的含量,

其中氯消毒会使活性炭出水的AOC含量增加25%左右(图7,8),而氯转氯胺消毒会使活性炭出水AOC含量增加10%左右,AOC生成量比氯消毒低(图6,9).这是由于消毒剂的氧化作用将大分子有机物氧化成为低分子,易生物降解有机物引起的.而氯较氯胺氧化性更强,因此AOC生成量更高.2.2.2 BDOC

BDOC也是评价饮用水生物稳定性的指标,代表的是饮用水中所有可被微生物降解的溶解性有机物,因此其测定值高于AOC.如图2~图5所示,BDOC在各工艺单元中的去除和生成情况与AOC基本类似,氧化剂的投加会增加可生物降解有机物的含量,降低出水的生物稳定性.2.3 工艺组合的比较及选择

根据表2中各工艺组合对有机物的去除率可以看出,要保证出水水质CODMn含量达标(<3mg/L),气浮过滤+活性炭过滤去除率仅30%,无法达到要求,而气浮过滤+臭氧活性炭可以很好地

表2 不同工艺组合对出水中有机物含量的去除率/%

Table2 Theremovaloforganicmatterin

differentprocesscombinations/%

工艺组合1)¹º»½¹º»¼º¼º½º»¼¹º¼

AOC去除率CODMn去除率

541364197613791880198217

4616281430113011651851

BDOC去除率

961477109716891177137212

1)¹预氧化;º气浮过滤;»臭氧氧化;¼生物活性炭;½普通活性炭

满足水质标准.而如果单纯以控制生物稳定性为目的,氧化剂的投加是不利的,直接采用气浮过滤工艺