飲用水源微污染已成為我國(guó)面臨的普遍問題，且在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)繼續(xù)存在。有機(jī)物和氨氮是飲用水源中主要的污染物，有機(jī)物會(huì)導(dǎo)致COD含量高、生成消毒副產(chǎn)物和為微生物在管道內(nèi)的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，水中嗅味物質(zhì)的存在會(huì)引起用戶感官的不適。而內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、藥品和個(gè)人護(hù)理品(PPCPs)等新興污染物也開始在水體和自來水廠中檢出，由此帶來的風(fēng)險(xiǎn)值得重視。
在我國(guó)，90%以上的飲用水廠都采用混凝、過濾、消毒的傳統(tǒng)處理工藝，不能有效地去除水中的溶解性有機(jī)物和氨氮。為達(dá)到新的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)，很多水廠都面臨著升級(jí)改造的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，常在傳統(tǒng)處理工藝前加入預(yù)氧化，在工藝后添加以臭氧活性炭為代表的深度處理工藝，有時(shí)甚至在最后添加膜處理工藝。這使得處理流程冗長(zhǎng)，相應(yīng)的建設(shè)和運(yùn)行成本上升，尤其對(duì)于一些用地緊張的水廠更是難以實(shí)現(xiàn)。
本文采用耐氧化的平板陶瓷膜，將傳統(tǒng)的預(yù)氧化、混凝、沉淀、砂濾和臭氧氧化等5個(gè)單元通過平板陶瓷超濾膜，集成為一個(gè)復(fù)合單元，后續(xù)采用生物活性炭過濾，如圖1所示。這使得飲用水處理工藝從“串級(jí)”發(fā)展到“并級(jí)”形式。其中，混凝將微小顆粒物聚合形成絮體，膜過濾將顆粒物完全去除，臭氧可以氧化有機(jī)物和提高有機(jī)物的可生化性，活性炭可以進(jìn)一步去除有機(jī)物和水中的氨氮，從而達(dá)到去除污染物的目的。本文集成工藝有助于在現(xiàn)有水廠構(gòu)筑物基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝向深度處理工藝的升級(jí)。
一、試驗(yàn)材料與方法
實(shí)驗(yàn)采用東江水和東莞運(yùn)河的配水為原水，以混凝/臭氧/陶瓷膜→炭濾→消毒為處理工藝，中試實(shí)驗(yàn)規(guī)模為120m3/d。實(shí)驗(yàn)采用的浸沒式平板陶瓷膜由明電舍(日本)公司采用新型納米材料工藝研制，膜平均孔徑為60nm。單塊陶瓷膜的尺寸為1046mm×260mm×6mm，每個(gè)膜組件包含50塊陶瓷膜，實(shí)驗(yàn)共使用兩個(gè)膜組件，總的膜面積為50m2。膜過濾時(shí)恒定通量為100L/m2·h，過濾周期為240min反沖洗3min，反沖洗強(qiáng)度為15m3/h。臭氧發(fā)生器為OZONIACFS-32G型，以純氧為氣源，通過設(shè)在膜池底部的微孔曝氣板進(jìn)入水體。
濁度采用HACH2100P濁度儀測(cè)量，采用GR-100A臺(tái)式激光顆粒物分析儀(IBR)測(cè)量顆粒數(shù)，用SinscheTA-88微量自動(dòng)分析儀測(cè)量氨氮、亞硝態(tài)氮，用ShimadzuUV-1700紫外-可見光分光光度計(jì)測(cè)量UV254和硝態(tài)氮，用ShimadzuTOC-VCPH測(cè)量DOC，用GC-μECD測(cè)量三鹵甲烷，用HSPME-GC/MS測(cè)量Geo-smin和2-MIB，用SPE-GC/MS測(cè)量EDCs，用SPE-LC/MS/MS測(cè)量鹵乙酸和PPCPs。
二、結(jié)果與討論
1、集成工藝對(duì)濁度的去除
陶瓷膜對(duì)濁度的去除效果顯著，出水濁度穩(wěn)定在0.1NTU以下，不受原水濁度波動(dòng)的影響。經(jīng)過活性炭過濾后出水濁度略有上升，但仍低于0.25NTU，優(yōu)于國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。膜出水中粒徑大于2μm的顆粒數(shù)基本低于10個(gè)/mL，炭濾出水中粒徑大于2μm的顆粒數(shù)低于50個(gè)/mL。原水中可以檢出的細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群以及隱孢子蟲和賈第蟲卵囊在膜出水中均未檢出，可以認(rèn)為原水中的有害微生物在進(jìn)入活性炭濾池之前已被有效截留，顯著降低了出水的微生物風(fēng)險(xiǎn)。
2、集成工藝對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除
混凝對(duì)DOC的去除低于20%，臭氧/陶瓷膜對(duì)DOC的去除為16%，炭濾對(duì)DOC的去除率為65%。UV254的去除規(guī)律與DOC相似，集成工藝對(duì)UV254和DOC的去除率分別為87%和73%。在本工藝中，臭氧除了通過氧化去除有機(jī)物，還能通過反應(yīng)提高有機(jī)物的可生化性，促進(jìn)后續(xù)生物活性炭對(duì)有機(jī)物的去除，從而達(dá)到好的去除效果。
原水氨氮濃度小于3.5mg/L時(shí)，工藝出水氨氮濃度小于0.1mg/L，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006規(guī)定的0.5mg/L，氨氮總?cè)コ?gt;95%。而且出水中幾乎沒有亞硝酸氮存在，氨氮基本都經(jīng)過硝化轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。混凝和陶瓷膜對(duì)氨氮的去除有限，臭氧對(duì)陶瓷膜去除氨氮沒有促進(jìn)作用。活性炭濾池對(duì)氨氮去除效果顯著，占整個(gè)工藝去除率的70%以上。溶解氧是氨氮去除的關(guān)鍵因素，本工藝中的臭氧由純氧制備，投加臭氧時(shí)水中溶解氧濃度升高至11~13mg/L，基本滿足氨氮去除的要求。（圖2～9）3、集成工藝對(duì)消毒副產(chǎn)物前體物的去除以三鹵甲烷（THMs）和鹵乙酸（HAAs）的生成潛勢(shì)作為消毒副產(chǎn)物前體物進(jìn)行考察，原水中THMFP以CHCl3為主，占85%以上，其次為CHCl2Br和CHClBr2，未檢測(cè)到CHBr3的存在。HAAs的生成勢(shì)以DCAA和TCAA為主，二者共占90%以上。消毒副產(chǎn)物前體物的去除規(guī)律基本與DOC保持一致，集成工藝對(duì)THMFP和HAAFP的去除率分別為77%和76%。
4、集成工藝對(duì)嗅味物質(zhì)、EDCs和PPCPs的去除嗅味物質(zhì)、EDCs和PPCPs在原水中含量很低，濃度在ng/L的范圍，但傳統(tǒng)工藝不能有效去除。典型的嗅味物質(zhì)如土臭素（Geosmin）和2-甲級(jí)異莰醇（2-MIB）在ng/L水平時(shí)已能影響人的感官，而EDCs和PPCPs則會(huì)給人體帶來未知的健康風(fēng)險(xiǎn)。臭氧和陶瓷膜的組合工藝能大幅降低此類微量有機(jī)物在水中的濃度，集成工藝對(duì)Geosmin、2-MIB、EDCs和PPCPs的去除率分別為：96%、87%、98%和98%。
本研究提出的新型超濾膜工藝中將臭氧和陶瓷膜進(jìn)行結(jié)合，陶瓷膜除了具有傳統(tǒng)超濾的分離功能外，無數(shù)的陶瓷膜膜孔相當(dāng)于納米級(jí)尺寸的微反應(yīng)器。陶瓷膜材料促進(jìn)了臭氧與通過膜孔的有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，由于納米尺度下的傳質(zhì)時(shí)間大幅縮短和傳質(zhì)效率大幅提高，傳統(tǒng)工藝中不能去除的微量有機(jī)物得以在膜孔內(nèi)得到去除。
三、結(jié)論臭氧/陶瓷膜新型凈水工藝出水濁度低于0.25NTU，大于2μm的顆粒數(shù)小于50個(gè)/mL，對(duì)傳統(tǒng)污染物氨氮、DOC、THMFP和HAAFP的去除率分別為95%、73%、77%和76%，對(duì)致嗅味物質(zhì)Geosmin和2-MIB的去除率分別為96%和87%，對(duì)新型微量污染物質(zhì)EDCs和PPCPs的去除率分別為98%和98%。臭氧/陶瓷膜新型凈水工藝將傳統(tǒng)工藝中的多個(gè)處理單元進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使臭氧/陶瓷膜單元具有傳統(tǒng)工藝中的混凝、沉淀、過濾、預(yù)氧化、臭氧氧化和膜過濾等多個(gè)單元的功能，同時(shí)臭氧與陶瓷膜的結(jié)合還能在線控制膜污染，而活性炭可以進(jìn)一步去除殘留的有機(jī)物和氨氮。在這種情況下，處理工藝由傳統(tǒng)的“串級(jí)”處理模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤安⒓?jí)”處理模式，保持高的處理效率的同時(shí)大幅降低投資、運(yùn)行成本和占地面積，在水廠的升級(jí)改造中具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。