微污染水处理工艺探析

微污染水处理工艺探析

微污染水是指受到有机物污染, 部分水质指标超过《地表水环境质量标准》( GB3838-2002) Ⅲ类水体标准的水体。微污染水一般是由于工业、农业和生活等方面产生的污水未经适当处理,直接排入供水水源导致的, 其成分主要包括有机物(天然有机物(NOM)和人工合成有机物(SOC))、氨(水体中常以有机氮、氨、亚硝酸盐和硝酸盐形式存在)、嗅味、三致物质、铁锰等。微污染水主要包括石油烃、挥发酚、氯氮、农药、COD、重金属、砷、氰化物等，这些污染物种类较多，性质较复杂，但浓度比较低微，尤其是那些难于降解、易于生物积累和具有三致作用的优先控制有毒有机污染物，对人体健康毒害很大。这些有害污染物,常规水处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)不能有效去除微污染水源水中的有机物、氨氮等污染物，同时液氯很容易与原水中的腐殖质结合产生消毒副产物(DBPs)，直接威胁饮用者的身体健康，无法满足人们对饮用水安全性的需要。随着工业的迅速发展, 微污染水源水污染日益严重,有害物质逐年增多, 尤其是近年来水源水体的富营养化现象不断加重, 水体中有机物种类和数量激增以及藻类大量繁殖, 现有常规处理工艺已不能有效保证水厂出水中有机物的去除效果, 无法满足人们对饮用水安全性的需要；同时, 随着水质分析技术的不断提高, 我国《生活饮用水水质指标》标准逐步提高。但是在当前水资源严重短缺的形势下,微污染水源水仍将是重要水源,根据微污染水的水质特点及供水水质的要求, 选择适合我国国情的微污染水源水处理技术方案已经引起了人们的高度重视。许多学者提出了各种微污染水源水的给水处理工艺,主要包括强化常规处理、预处理和深度处理技术。

一、强化常规处理

根据目前的原水水质状况，改进和强化传统净水工艺是改善出厂水水质最经济最有效的手段。对传统净化工艺进行改造、强化．可以降低出水浊度，提高有机物的去除率，全面提高水质。强化常规处理不仅可以降低出水浊度，同时也降低了出厂水中的细菌、大肠菌、病毒、贾第鞭毛虫、隐孢子虫、铁、锰等的浓度，使形成氯消毒副产物的母体——挥发性有机物、致突变活性有机物也有所降低。

强化处理是针对当前不断提高的水质标准，在现有的工艺基础上经过改进、优化和新增以去除浊度、病毒微生物、有机污染物以及有机污染物引起的色度、嗅味、藻类、藻毒素、卤仿前质、致突变物质等为主要目标的，使之达到不断提高的水质标准的水处理工艺均为水的强化处理工艺。

强化混凝技术是指通过改善混凝剂性能、优化混凝工艺条件，提高混凝沉淀工艺对有机污染物的去除效果。强化混凝的重点是优选和适量投加混凝剂、助凝剂，并控制恰当的混凝条件，从而提高常规处理中浊度和天然有机物（NOM）的去除效果，最大限度地去除消毒副产物的前体物(DBPFP)，以控制和减少水中消毒副产物的产生。

强化混凝主要方式有:

(1) 选择正确有效的混凝剂，增加混凝剂的投加量,使水中有机物的水化层压缩,水解阳离子与有机物阴离子电中和,消除由于有机物对无机胶体的影响,使无机胶体脱稳；

(2) 增加投设絮凝剂或助凝剂，增强吸附、架桥作用,使有机物易被絮体吸附而下沉。投加助凝剂，主要有两种方式：一种是投加有机或无机絮凝剂，采用具有絮凝作用的新型混凝药剂(如聚硅酸盐铁盐等)，增加吸附、架桥作用，使有机物易被絮体粘附而下沉。另外一种是投加能改善混凝剂混凝条件和混凝效果的助凝剂。

(3) 完善混合、絮凝设备,调整混合与絮凝反应的时间,改善水力条件条件；改进混凝反应器，改善沉淀和澄清效果，从水力条件上加以改进，使混凝剂能够充分发挥作用。

(4) 调整pH值,实践表明,一般有机物多时,pH值5～6效果较好；

(5) 投加氧化剂等如高锰酸钾复剂,强化混凝效果。

其中，增投助凝剂和采用新型高效处理药剂是强化混凝技术的主要措施和发展方向之一。

强化混凝去除天然有机物的效果受很多因素的影响, 主要包括:天然有机物种类组成和含量、混凝剂的种类和投加量、pH 值、碱度、水源水中的金属离子种类。混凝剂的种类是影响混凝效果的重要影响因素之一。

（二）强化沉淀

沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行状况直接影响出水水质。沉淀分离是常规给水处理工艺的重要组成部分，沉淀分离的效果对后续处理工艺和最终出水水质有较大影响。微污染水源水由于有机污染的增加，水中除了含有悬浮物和胶体物质外，还含有大量的可溶性有机物、各种金属离子、盐类、氨氮等有机和无机成分，对常规沉淀去除效果带来了一定的影响，加强沉淀作用能提高对有机物的去除效率。主要可以通过以下几种方式加强沉淀处理:

(1) 投加高效新型高分子絮凝剂，提高絮凝体的沉降特性;

(2) 优化改善沉淀池的水力学条件，提高沉淀效率;

(3) 提高絮凝颗粒的有效浓度，提高对原水中有机物进行的连续性网捕、扫裹、吸附、共沉等作用，从而提高其沉淀分离效果。

强化过滤是指通过选择合适的滤料,采取一定的措施和技术,使得滤料在去除浊度的同时又能降低有机物, 降低氨氮和亚硝酸盐氮的含量。通常强化过滤可采用的技术措施有:

（1）、充分发挥深层颗粒滤料滤床的潜力，提高滤池的除浊能力，选用合适的反冲洗方式；

（2）、对滤池单元本身的设备和系统设施进行更新，包括新滤料的探索、研究开发和应用；

（3）、针对近年来原水受到各种有机化合物污染等状况，在各种预处理及后处理工艺的辅助下，推广对滤前进水加注各种氧化剂、助滤剂等行之有效的除浊方法，根据具体条件，在研究探索基础上，合理采用生物氧化膜等催化、氧化，絮凝、吸附及过滤综合除浊的新技术。

（四）优化消毒

为满足水质标准中微生物指标和消毒副产物指标的要求，优化消毒技术是改善常规处理的重要一环。可应用二氧化氯、臭氧、紫外线等新的消毒技术，采用组合式消毒工艺，实行多屏障消毒。

对于目前水处理工艺普遍采用的二氧化氯消毒可采取如下优化措施：

一是合理确定加氯量和投加点，采用游离氯和氯胺相结合的消毒方式；

二是强化投氯的快速均匀混合，改进清水池（接触池）型式，满足有效接触时间，达到一定的CT值；（C为浓度，T为时间，表示在一定的水温和PH值条件下，污染物的去除率）

三是实施消毒剂加注自动化，可采取余氯测定值后反馈方式。二、预处理技术

给水预处理是指在传统常规处理工艺之前设置预处理工艺，对水中的污染物进行物理、化学或生物的处理方法，对水中的污染物进行初步去除，可使传统工艺更好地发挥作用，减轻传统工艺与深度处理工艺的负担，发挥水处理工艺的整体作用，最大限度地提高对污染物的去除能力，改善和提高出厂水水质。常用的预处理技术有化学氧化预处理技术、生物预处理技术和吸附预处理技术等。

（一）化学氧化预处理技术

化学氧化预处理技术是指依靠氧化剂的氧化能力,分解和破坏水中污染物的结构,达到转化或分解污染物的目的。目前采用的氧化剂主要有氯、臭氧和高锰酸钾等。

1、二氧化氯预氧化

二氧化氯(ClO2)可有效破坏藻类、酚,改善水的色、嗅、味。二氧化氯不会与水体中的有机物发生卤代反应而生成对人体有害的、致癌的有机卤代物。有研究认为,甚至ClO2 本身的氧化作用也能去除THMs的前体物。但是,往往由于氧化不彻底,一些小分子有机物在遇到氯消毒时更易生成三卤甲烷。

2、高锰酸钾预氧化

高锰酸钾预氧化技术目前研究较多,并在多种源水中取得了较好的效果,通用性较好,高锰酸钾预氧化可控制氯酚、THMs的生成,并有一定的色、嗅、味去除效果,对烯烃、醛、酮类化合物也有较好的去除能力。但高锰酸钾氧化效果与原水的pH值有一定的关系,碱性条件下氧化效果不好,生成碱基置换类物质。

3、预臭氧化

臭氧能氧化有机物, 去除水中的色、嗅、味。可以与多种有机污染物反应,破坏有机物的不饱和键,降低有机物的分子量,但是预臭氧化也有一定的局限性,它的氧化作用使得水中可溶性有机物浓度升高,而且臭氧将大分子有机物分解成小分子有机物,在中间产物中可能存在致突变物质。此外臭氧氧化有机氮可造成水中氨氮含量的升高。而且,原水中溴离子含量高时,会生成具有致癌作用的溴酸盐和次溴酸盐,后者与氯化消毒副产物前质作用,会生成毒性更强的溴代三氯甲烷。

4、其他预氧化技术

过氧化氢的氧化性较强但单独使用时,分解速度较慢,效果不很明显,目前主要用于水的高级氧化( Fenton试剂,UV /H2O2,O3 /H2O2等)；高铁酸盐合成难度较大,稳定性需要提高,因而没有在水处理中推广应用的先例,但却是一种很有研究开发潜力的氧化剂。

（二）生物预处理技术

生物预处理是指在常规净水工艺之前，增设生物处理工艺，借助于微生物群体的新陈代谢活动，去除水中可生化有机物特别是低分子可溶性有机物、氨氮、亚硝酸盐、铁、锰等污染物，并有效改善混凝沉淀性能、减少混凝剂用量，同时还能去除常规处理工艺不能去除的污染物，利于后续处理工艺的运行。

生物预处理工艺以生物膜法为主导，较有代表性的主要是生物滤池法、生物接触氧化法和生物流化床法。生物预处理的填料上生长着细菌、原生动物、后生动物等微生物，形成了生物膜，在与水接触时，生物膜上的微生物摄取、分解水中的有机物和氮、磷等营养物质，从而使水得到净化。

（三）吸附预处理技术

吸附预处理主要是利用吸附剂的吸附特性去除微污染水源水中的有机污染物，常用的吸附剂有活性炭、粘土、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸石及离子交换树脂、多孔合成树脂、活性炭纤维等。

1、活性炭吸附

活性炭(AC)具有丰富微孔结构和表面憎水性,其对水中某些污染物有极强的亲和力,是污染物有效的去除方法。活性炭可经济有效的去除嗅、味、色度、氯化有机物、农药及其它人工合成有机物,但是对于对大部分极性短链含氧有机物,如甲醇、乙醇、甲醛、丙酮、甲酸等不能去除。

2、沸石吸附

沸石对水中氨氮具有选择吸附作用,除了吸附性能外沸石还具有离子交换性能,催化性能,热稳定性及耐酸性等。另外还具有化学反应性、远红外辐射性、可逆脱水性等工艺性能。在沸石晶格中的空腔中K、Na、Ca等阳离子和水分子与格架结合得不紧,极易与其周围水溶液里的阳离子发生交换作用,交换后的沸石晶格结构也不被破坏。改性后,某些本来吸附性能较差的沸石变成吸附能力极强的新型沸石,因此改性沸石在微污染水预处理工艺中有应用推广前景。

3、其它吸附材料

粘土由于价廉、储量丰富、吸附效率高,作为水处理吸附剂被应用于饮用水处理过程中,但大量粘土的投加造成沉淀池排泥量的增加,提高了运行成本,造成了困难。活性氧化铝是一种两性物质, pH为9. 5,当原水pH低于其等电点时,此吸附剂将吸附阴离子,反之,则吸附阳离子。对氧化铝进行适当改性后,可提高其对特定污染物的吸附容量。

（四）曝气预处理技术

使水和空气充分接触，进行溶氧或散除水中溶解性气体和挥发性物质的过程。以交换气态物质和去除水中挥发性物质的水处理方法，或使气体从水中逸出，如去除水的臭味或二氧化碳和硫化氢等有害气体；或使氧气溶入水中，以提高溶解氧浓度，达到除铁、除锰或促进需氧微生物降解有机物的目的。从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物的氧化分解作用。

采用单纯的曝气预处理方式，投资少，管理运行简单，对于后续处理有一定作用，但难挥发有机物和氨氮去除率较低，所以一般把曝气和其他工艺进行组合。

二、深度处理技术

深度处理是指在常规处理工艺以后，采用适当的处理方法，将常规处理工艺不能有效去除的污染物或消毒副产物的前驱物加以去除，以提高和保证饮用水质，也是提升处理水水质和应对地表水源污染严重的最有效的对策之一。目前，应用较广泛的有臭氧活性炭联用深度处理技术、生物活性炭技术、膜过滤深度处理技术、光催化氧化技术等。

(一)臭氧活性炭联用深度处理技术

臭氧－活性炭联用工艺先进行臭氧氧化再进行活性炭吸附，能够同时发挥臭氧、活性炭的优势，扬长避短。臭氧的加入能够将大分子有机物氧化分解为小分子有机物，提升活性炭的去除效果;炭床中大量好氧微生物对有机物进行降解，能提高处理效率，延长炭的使用寿命。臭氧活性炭联用研究结果表明，原水中所含的高分子腐殖酸和富里酸不易被活性炭吸附，但臭氧氧化后，变成了可被吸附的小分子物质，提高了活性炭的吸附效果。

（二）生物活性炭技术

生物活性炭是利用生长在活性炭上的微生物的生物氧化作用，从而达到去除污染物的目的。与单独的活性炭吸附相比，它可以完成生物硝化作用，将氧氮转化为硝酸盐，从而减少后氯化的投氯量，降低三卤甲烷的生成量;延长活性炭的再生周期，减少运行费用;可以提高水中溶解性有机物的去除率，保证出水水质。

（三）膜过滤深度处理技术

膜过滤是微污染水源水深度处理领域中另一个重要、高效的深度处理手段，以微滤、超滤、纳滤、反渗透为主的膜过滤技术可以较为有效地去除水中嗅味、色度、消毒副产物前体物及细菌等，改技术处理过程不产生副产物，处理单元小，易于自动控制，pH适用范围广，无二次污染、出水水质稳定、安全可靠等特点，因此，在微污染水处理中具有广阔的应用前景。膜过滤法近年来被美国环保局(EPA)推荐为水处理的最佳工艺之一。

（四）光催化氧化深度处理技术

光催化氧化是以化学稳定性和催化活性很好的TiO2为代表的n 型半导体为敏化剂的一种光敏化氧化，水中优先控制有机污染物(三氯甲烷、四氯化碳、六氯苯、六六六等)有很强的氧化能力。一般认为在合适的反应条件下，有机物经光催化氧化的最终产物是CO2和H2O 等无机物。该方法具有强氧化性、对作用对象的无选择性与最终可使有机物完全矿化的优点。

四、新型组合工艺处理技术

水处理工艺经过几十年的研究和探索, 人们开发出多种针对微污染水源水的处理方法, 主要有预处理、深度处理和常规处理的强化。但是, 任何一个处理单元都有各自的去除对象, 没有哪一个单元具有广谱的去污能力。这就要求我们在选择微污染水源水处理工艺时, 必须根据水源水质的特点和处理后水质的要求, 对各种处理单元进行有效合理的组合, 形成组合工艺, 充分发挥组合工艺中各处理单元的去污能力, 同时发挥各单元间协同互补的特点, 来获得经济、优质的饮用水。组合工艺有：

（一）臭氧、沸石、活性炭的组合工艺

（二）高锰酸钾与粉末活性炭联合处污染技术

（三）微絮凝直接过滤工艺

（四）气浮生物活性炭微污染水处理技术等等。

水源水污染的严重性及如何才能保证饮用水的安全性，已引起人们广泛关注。各种新型微污染水源水处理技术也不断涌现，水处理技术的发展趋势是强化常规处理、改善氧化和消毒、组合工艺进一步深化、排泥水处理和污泥处置、膜处理技术。常规处理工艺联合预处理和深度处理技术仍会是未来几年给水处理厂进行工艺升级改造、新建净水厂的重要支撑技术。

而要从根本上解决水源水水质问题, 须从多方面下手, 除开发新的水处理技术外, 还应从源头上控制污染物, 努力提高人们的环保意识。这不仅有利于饮用水水质的提高, 水源水水质的改善, 也是恢复生态平衡, 造福子孙后代的大事, 更是一个值得全人类共同关注的问题。