自來(lái)水消毒副產(chǎn)物處理工藝探討

1、自來(lái)水消毒副產(chǎn)物處理工藝探討（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）摘要：簡(jiǎn)述自來(lái)水水質(zhì)安全現(xiàn)狀，介紹了目前水質(zhì)安全的問題。消毒副產(chǎn)物（DBPs）問題是目前水質(zhì)安全主要問題，且傳統(tǒng)水處理工藝對(duì)于減少DBPs并無(wú)有效作用。通過分析自來(lái)水消毒工藝及消毒副產(chǎn)物處理方法，自行設(shè)計(jì)兩種可行的微消毒副產(chǎn)物自來(lái)水處理工藝，并進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。關(guān)鍵詞: 水質(zhì)安全；消毒副產(chǎn)物 ；臭氧-活性炭；跌水曝氣工藝1. 引言對(duì)飲用水實(shí)施加消毒劑消毒1的目的在于消滅水中的病原體，防止介水傳染性疾病的傳播。但是后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)消毒后的水中除含有微量的消毒劑外，還可以產(chǎn)生許多消毒副產(chǎn)物(disinfection byp

2、roducts，簡(jiǎn)寫為DBPs)。長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)DBPs給予了極大的關(guān)注2，從DBR的成分、毒性、流行病學(xué)、飲用水中的污染狀況以及干預(yù)措施等方面進(jìn)行了大量的研究，其目的是尋求一種理想的消毒劑，使它在有效的消滅病原體的同時(shí)，對(duì)人類產(chǎn)生的化學(xué)危害降低到最低水平。我們通過學(xué)習(xí)與研究現(xiàn)有消毒副產(chǎn)物處理的試驗(yàn)方法，自行設(shè)計(jì)了在實(shí)際自來(lái)水處理中可行的降低消毒副產(chǎn)物含量的自來(lái)水處理工藝。2. 消毒副產(chǎn)物處理方法消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生于氯消毒工藝3，故改進(jìn)傳統(tǒng)氯化工藝是首先想到也常用的消毒副產(chǎn)物控制措施之一。首先，投氯量應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要視水質(zhì)情況而定，并經(jīng)常調(diào)整，同時(shí)還要作好計(jì)量工作，在保證殺滅水中細(xì)菌的前提下應(yīng)盡量降

3、低投氯量。其次，投氯后需要充分快速混合，以提高氯的利用率，降低投氯量，縮短接觸時(shí)間，從而減少氯與水體中有機(jī)物接觸反應(yīng)的幾率。利用螺旋葉片管道混合器或其它形式的快速混合裝置被證明能夠達(dá)到使氯快速擴(kuò)散的效果。最后，盡量采用濾后水加氯消毒，讓前道工序先去除一部分三鹵甲烷前體物后再加氯，可以大大降低出廠水中的三鹵甲烷的含量。除了改進(jìn)傳統(tǒng)氯化工藝之外，消毒副產(chǎn)物控制還包括消毒劑替代、前體物去除、副產(chǎn)物直接去除等措施。氯消毒副產(chǎn)物去除有混凝、吹脫、活性炭吸附、生物氧化、化學(xué)氧化和膜過濾等方法4。從廣義上來(lái)說選用優(yōu)質(zhì)水源是前體物去除方法之一，地下水等優(yōu)質(zhì)水源中氨、有機(jī)物及腐殖質(zhì)含量相對(duì)較少，氯化消毒后消毒副

4、產(chǎn)物的產(chǎn)生量也明顯低于地表水，所以有條件的水廠應(yīng)盡量選用。1) 混凝法混凝法能去除水中的懸浮顆粒、色度，減少消毒副產(chǎn)物前體物的數(shù)量?；煲?、沉淀對(duì)三鹵甲烷生成勢(shì)(THMsFP)具有一定的去除效果。去除率在3344之間，濾池對(duì)THMsFP的去除率為1318。2) 吹脫法鹵代有機(jī)物是消毒副產(chǎn)物的絕對(duì)主體，而在現(xiàn)有分析技術(shù)所能定量的鹵代有機(jī)物中60%以上是三鹵甲烷和鹵代乙酸，二者均具有揮發(fā)性，因此可采用吹脫法或曝氣法。于祚斌等人采用簡(jiǎn)易曝氣法去除水中三鹵甲烷的試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，吹洗曝氣和跌水曝氣5min可去除水中90以上的三鹵甲烷。3) 活性炭吸附研究表明，在常規(guī)水處理工藝流程中投加粉狀活性炭，能吸

5、附去除水中各種有機(jī)污染物(副產(chǎn)物前驅(qū)物和副產(chǎn)物本身)，使其致突變活性成陰性。當(dāng)粉末活性炭的投加量為1015mgL時(shí)，CODMn去除率可達(dá)20左右。64) 生物預(yù)處理生物預(yù)處理技術(shù)經(jīng)過二十多年的研究已成功應(yīng)用于給水處理，它能有效去除可生化性總有機(jī)碳（BDOC)及消毒副產(chǎn)物前體物，明顯降低氯化時(shí)水中有機(jī)物與氯的反應(yīng)活性。5) 化學(xué)氯化法高錳酸鉀可以顯著地控制氯化副產(chǎn)物的生成，降低水的致突變性，使水中有機(jī)污染物的數(shù)量和濃度均有顯著的降低，水的致突變性由陽(yáng)性轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮曰蚪咏幮?。用KMnO4,去除與控制水中的有機(jī)物，不必改變常規(guī)的凈水工藝流程，只需在投加混凝劑之前或同時(shí)投加KMnO4,溶液，操作簡(jiǎn)單，

6、投資費(fèi)用低。臭氧能將有機(jī)物氧化為中間產(chǎn)物，改變水中有機(jī)物的可生化性，故常作為生物氧化法的預(yù)處理。瑞士的經(jīng)驗(yàn)表明：通過臭氧氧化可使有機(jī)鹵化物明顯降低，尤其是氯仿、溴二氯甲烷，可以降低3090，但卻使碘二氯甲烷升高1070m。如果原水中溴離子濃度高，可能會(huì)生成三鹵甲烷、鹵代乙酸和溴酸根離子等DBPs，則不適于采用臭氧氧化法處理。6) 膜過濾飲用水深度處理中常用到膜過濾，有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)等形式，對(duì)水中臭味、色度、消毒副產(chǎn)物前體物及其它有機(jī)物和微生物均有良好的去除效果，被EPA推薦為最佳工藝之一。MF、UF能較好地去除ss、細(xì)菌等；NF的有機(jī)物去除能力較突出；

7、RO能去除水中鹽分，其中包括對(duì)人體有益的微量元素。膜處理工藝是一種截留處理手段，不與水中有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以膜技術(shù)處理飲用水絕對(duì)不會(huì)產(chǎn)生任何副產(chǎn)物。膜處理技術(shù)具有簡(jiǎn)潔、緊湊、處理水質(zhì)好、可減少混凝劑及消毒劑用量、有效去除病原體、易于自動(dòng)化操作、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但是膜的污染、堵塞問題和高成本一直制約著其發(fā)展應(yīng)用，也是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。其中低成本、高性能(抗污染性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、分離能力強(qiáng))膜材料的開發(fā)是研究的重點(diǎn)之一。3. 簡(jiǎn)單工藝設(shè)計(jì)由于消毒副產(chǎn)物對(duì)自來(lái)水水質(zhì)安全有很大的影響，對(duì)人體有較大的健康危害，且常規(guī)給水處理工藝很難控制消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，因此我們針對(duì)減少消毒副產(chǎn)物的目標(biāo)，改進(jìn)常規(guī)自來(lái)水給

8、水處理工藝。3.1工藝設(shè)計(jì)一3.1.1工藝流程簡(jiǎn)介圖1：方案1工藝流程圖該工藝適合污染較重的水源，以灤河水為例，該水源根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）屬于類或類水，水源中氨氮及微污染有機(jī)物含量較大，且濁度也很大，十分適合生物預(yù)處理工藝。表3：灤河水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)（年平均值）針對(duì)該生物曝氣濾池，有以下說明：濾料采用大顆粒輕質(zhì)陶制濾料，粒徑6-10mm，可以有較大的過濾流速16-20m/h；可采用氣水聯(lián)合上下沖洗系統(tǒng)，沖洗過后過濾水頭變化小，利于均勻曝氣。根據(jù)相關(guān)資料研究，日處理污水量可以達(dá)到70萬(wàn)m，適用于大水量的處理廠。同時(shí)，后續(xù)采用預(yù)臭氧處理代替余氯氧化，可以進(jìn)一步將水中有機(jī)物氧

9、化分解，降低DBPs的同時(shí)改善NOM性質(zhì)提高混凝沉淀工藝的去除效果。預(yù)臭氧處理對(duì)前驅(qū)物的平均去除率可達(dá)39%8.后加臭氧-活性炭工藝，可以氧化消毒，活性炭濾池可以吸附過濾掉大部分DBPs。臭氧具有較強(qiáng)氧化性，但是氧化能力不穩(wěn)定，故消毒作用不持久，可以在最后的砂濾之前補(bǔ)氯，使其滿足管網(wǎng)對(duì)余氯的要求，增強(qiáng)消毒效果?？赏袡C(jī)碳(AOC)已成為評(píng)價(jià)水質(zhì)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，它是有機(jī)物中最易被細(xì)菌吸收直接同化成細(xì)菌體的部分。國(guó)內(nèi)外研究表7，加氯情況下AOC的質(zhì)量濃度低于100ug/L可以保證水質(zhì)生物穩(wěn)定。隨著預(yù)臭氧投加量的增加，水中可同化有機(jī)物（AOC）將會(huì)增加，不利于出水生物穩(wěn)定。水中臭氧投加量（mg/

10、L）圖2：出水AOC與預(yù)臭氧投加量的關(guān)系由于增加了生物曝氣，所以預(yù)臭氧投加量定為0.2mg/L，使其能達(dá)到預(yù)氧化的作用同時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)物。臭氧活性炭工藝中，臭氧投加量定期0.8mg/L.當(dāng)水中藻類或抗氯生物爆發(fā)時(shí)，可適當(dāng)增加臭氧投加量至1.2mg/L。3.1.2工藝評(píng)價(jià)分析該工藝的不足之處主要有兩點(diǎn)，一是生物曝氣濾池使用條件比較嚴(yán)苛，溫度過低或者原水重金屬含量較高時(shí)會(huì)影響處理效果，同時(shí)曝氣工藝的能耗比較大。第二點(diǎn)是臭氧活性炭工藝中，臭氧添加量不好控制，需要根據(jù)具體的水源水質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)確定投加量，再者，活性炭濾料不易再生，壽命較短成本較高。綜上，該工藝流程適合大水量、水源有機(jī)物微污染較重的水源

11、水，主要針對(duì)于南方以大流域河流為水源的水廠。若水源水質(zhì)波動(dòng)比較大，例如枯水期或冬季等，可以選擇性的停用生物曝氣，增加預(yù)臭氧投加量來(lái)保證水質(zhì)，減少能耗成本。3.2工藝設(shè)計(jì)二3.2.1工藝流程簡(jiǎn)介此工藝主要利用曝氣法去除消毒副產(chǎn)物。曝氣法主要是利用水中溶解化合物的濃度與平衡濃度之間的差異，將揮發(fā)性組分不斷由液相擴(kuò)散到氣相中，達(dá)到去除揮發(fā)性有機(jī)物的目的。因此，曝氣法主要用于去除水中具有揮發(fā)性的三鹵甲烷類消毒副產(chǎn)物。于祚斌8等人的研究中，吹洗曝氣和跌水曝氣5分鐘即可去除水中90以上三氯甲烷。該工藝以預(yù)加氯為主要加氯階段。原水在預(yù)氯化接觸池中與氯反應(yīng)，殺除病菌及還原性有機(jī)物，產(chǎn)生三氯甲烷，鹵乙酸等消毒副

12、產(chǎn)物。預(yù)氯化是消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生度主要階段。2之后進(jìn)入跌水曝氣階段，以托盤式跌水曝氣塔3為例介紹此工藝。托盤式跌水曝氣塔9基本構(gòu)造如圖，由一個(gè)出水喇叭口，兩級(jí)圓形跌水托盤組成。兩級(jí)跌水高度均為1.2米，托盤采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，托盤內(nèi)水深均400mm，第一級(jí)圓形托盤直徑為5米，單寬流量為80m3/h.m，第二級(jí)圓形托盤直徑為8米，單寬流量為50m3/ h .m 水從喇叭口噴涌而出，然后自由下落，進(jìn)入一級(jí)托盤，再經(jīng)托盤堰頂?shù)M(jìn)入二級(jí)托盤，然后再跌水進(jìn)入反應(yīng)池。為防止產(chǎn)生附壁流，影響曝氣效果，托盤堰壁應(yīng)有向外不小于150的傾角。跌水時(shí)間控制為5分鐘。跌水階段消毒副產(chǎn)物由水中揮發(fā)出來(lái)，絕大多數(shù)消毒副產(chǎn)物

13、被去除。托盤式跌水曝氣塔之后進(jìn)行傳統(tǒng)的混凝沉淀過濾階段，最終出水進(jìn)行補(bǔ)加氯以預(yù)防管網(wǎng)微生物污染。3.2.2工藝評(píng)價(jià)分析此工藝在傳統(tǒng)的加氯水處理工藝的基礎(chǔ)上增加跌水曝氣裝置。跌水曝氣裝置可有效減少預(yù)氯氧化產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物10。由于此工藝由傳統(tǒng)工藝改進(jìn)而來(lái)，所以其工程量較小，適用于自來(lái)水廠的改造。此工藝的不足之處在于跌水曝氣塔只能進(jìn)行小水量處理，只適用于小型自來(lái)水廠。而大型跌水曝氣池工程量較大且容易造成微生物滋生產(chǎn)生二次污染。跌水曝氣的運(yùn)行將會(huì)需要一級(jí)泵站提高揚(yáng)程造成運(yùn)行費(fèi)用增加。而且跌水曝氣只能將消毒副產(chǎn)物揮發(fā)出來(lái)，而不能真正將其分解，對(duì)大氣有一定污染。綜上，此工藝只適合于小型水廠針對(duì)于消毒副產(chǎn)

14、物的工程改造。該工藝可以有效減少出水消毒副產(chǎn)物含量，且工程造價(jià)較少。針對(duì)于不同水廠建議采用不同的曝氣塔設(shè)計(jì)，托盤式曝氣塔只適用于城鎮(zhèn)小型自來(lái)水廠。4. 工藝效果實(shí)驗(yàn)對(duì)于設(shè)計(jì)工藝的實(shí)際應(yīng)用效果，我們選擇了進(jìn)行中試試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)工藝使用效果。4.1工藝一實(shí)驗(yàn)裝置工藝一主要檢驗(yàn)該工藝在不同臭氧投加量對(duì)工藝效果的影響。中試試驗(yàn)可以以灤河水或類似水質(zhì)作為原水，實(shí)驗(yàn)前須對(duì)原水進(jìn)行檢測(cè)?；炷齽┦褂肞AC，預(yù)臭氧投加量分別設(shè)定為0.2mg/L、0.5mg/L、0.8mg/L，中臭氧投加為分別為0.5mg/L，0.8mg/L，1.0mg/L，1.2mg/L。中試試驗(yàn)炭濾池規(guī)格為1 mx1 mx6m，升流式運(yùn)行，進(jìn)水

15、流量為12 m3h。砂濾池為1 mxl mx6m，采用雙層濾砂，1.0 m厚，粒徑0.91.2mm濾砂和0.3 m厚0.4-0.6 mm細(xì)砂。砂濾池下部敷設(shè)0.1 m厚粒徑35 mm粗砂墊層，濾速78 mh。生物曝氣濾池采用規(guī)格為1.2mx0.9mx0.7m，濾速設(shè)為10m/s左右。在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)定各個(gè)環(huán)節(jié)的出水COD、DBPs、醛類、溴酸鹽等。以三鹵甲烷生成勢(shì)(THMFP)、鹵乙酸生成勢(shì)(HAAFP)、甲醛和溴酸鹽為主要檢測(cè)指標(biāo)。THMFP和HAAFP：氣相色譜法；甲醛：乙酰丙酮光度法；溴酸鹽和溴化物：離子色譜法.中試試驗(yàn)的生物曝氣濾池可以參考陸紹明,李芳7等,高速給水曝氣生物濾池模型。剖面

16、圖如下：圖3：生物曝氣濾池構(gòu)造圖1-總進(jìn)水渠；2-上向流生物曝氣池；3-管廊；4-配水渠；5-進(jìn)水管；6-輕質(zhì)陶粒濾料；7-出水渠；8-曝氣管；9-氣沖管中試試驗(yàn)最終將對(duì)比不同預(yù)臭氧及中臭氧投加量情況下出水中DBPs及AOC的含量，進(jìn)而證明該工藝流程對(duì)減少消毒副產(chǎn)物的作用是否明顯并可行。同時(shí)可以預(yù)估設(shè)備及運(yùn)行成本，設(shè)備費(fèi)用主要來(lái)自臭氧發(fā)生器的貢獻(xiàn)，運(yùn)行費(fèi)用主要來(lái)自生物曝氣鼓風(fēng)機(jī)、加藥泵等。預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為預(yù)臭氧投加量定為0.2mg/L，使其能達(dá)到預(yù)氧化的作用同時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)物。臭氧活性炭工藝中，臭氧投加量為0.8mg/L.當(dāng)水中藻類或抗氯生物爆發(fā)時(shí)，可適當(dāng)增加臭氧投加量至1.0-1.2

17、mg/L。4.2工藝二實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置主要針對(duì)于該工藝在不同加氯條件下對(duì)消毒副產(chǎn)物的處理效果。中試試驗(yàn)可以以地下水或類似水質(zhì)作為原水，實(shí)驗(yàn)前須對(duì)原水進(jìn)行檢測(cè)。余氯接觸選用隔板式接觸池，接觸池平面圖如圖6.預(yù)氯投加量分別設(shè)定為0.5mg/L、0.8mg/L、1.6mg/L、2.0mg/L。圖6.加氯接觸池平面圖托盤式跌水曝氣塔9基本構(gòu)造如圖5，由一個(gè)出水喇叭口，兩級(jí)圓形跌水托盤組成。兩級(jí)跌水高度均為0.6米，托盤采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，托盤內(nèi)水深均100mm，第一級(jí)圓形托盤直徑為0.8米，第二級(jí)圓形托盤直徑為1.2米。為防止產(chǎn)生附壁流，影響曝氣效果，托盤堰壁應(yīng)有向外不小于150的傾角?；炷恋硎褂肞

18、AC作為混凝劑。沉淀池選用斜板式沉淀池。中試試驗(yàn)砂濾池為1 mx1mx6m，采用雙層濾砂，1.0 m厚，粒徑0.91.2mm濾砂和0.3 m厚0.40.6 mm細(xì)砂。砂濾池下部敷設(shè)0.1 m厚粒徑35 mm粗砂墊層，濾速78 m/h。在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)定各個(gè)環(huán)節(jié)的出水COD、DBPs、醛類、溴酸鹽等。以三鹵甲烷生成勢(shì)(THMFP)、鹵乙酸生成勢(shì)(HAAFP)、甲醛和溴酸鹽為主要檢測(cè)指標(biāo)THMFP和HAAFP：氣相色譜法；甲醛：乙酰丙酮光度法；溴酸鹽和溴化物：離子色譜法.5. 經(jīng)濟(jì)預(yù)算5.1方案一：1.臭氧設(shè)備費(fèi)：國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的臭氧發(fā)生設(shè)備價(jià)格差別巨大，綜合成本以及運(yùn)行可靠性，決定選用進(jìn)口設(shè)備。采用瑞

19、士OZONIA的臭氧發(fā)生設(shè)備以及配套系統(tǒng)設(shè)施，單價(jià)為150萬(wàn)元左右。采用產(chǎn)量為20kg兩臺(tái)，總計(jì)300萬(wàn)2.臭氧接觸池：建筑費(fèi)用100萬(wàn)，設(shè)備及安裝費(fèi)用32萬(wàn)，總計(jì)132萬(wàn)。3.臭氧車間：23萬(wàn)。4.運(yùn)行費(fèi)用：水量按50萬(wàn)m3/d計(jì)算，總臭氧投加量（包含預(yù)臭氧和主臭氧）按平均1.5mg/L計(jì)算，平均電價(jià)按0.8元/(kW.h)計(jì)，臭氧處理費(fèi)用約為：0.015元/噸，考慮到日常維護(hù)，包括臭氧裝置冷卻水，以及設(shè)備折舊費(fèi)，臭氧處理費(fèi)用為：0.020元/噸。5.生物曝氣濾池：根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)表明，運(yùn)行成本費(fèi)約為0.16元/噸。所以，采取該工藝方案，相比于目前常規(guī)的自來(lái)水處理工藝，增加的投入為：工程建設(shè)造價(jià)約為：455萬(wàn)左右.臭氧處理費(fèi)用：0.020元/噸，生物曝氣濾池運(yùn)行費(fèi)用：0.16元/噸。綜上，采用該工藝處理自來(lái)水，最終增加費(fèi)用約為：0.18元/噸。5.2方案二相對(duì)于常規(guī)水處理工藝，該工藝的造價(jià)增加的項(xiàng)目是跌水曝氣塔構(gòu)筑物修建的費(fèi)用，日常運(yùn)行中曝氣塔附加的泵的運(yùn)行電費(fèi)和跌水曝氣系統(tǒng)的日常維修與折舊費(fèi)用。對(duì)于設(shè)計(jì)流量4萬(wàn)噸每天的跌水曝氣塔，前期投資約10萬(wàn)，其中構(gòu)筑物土石費(fèi)用約6萬(wàn)元，水泵購(gòu)買安裝費(fèi)用約3萬(wàn)元，管道購(gòu)買布置費(fèi)用約1萬(wàn)元。 泵的運(yùn)行的電費(fèi)為72元/d。折舊維修費(fèi)用約1萬(wàn)元/年。預(yù)計(jì)自來(lái)水成本增加0.003元/