微污染水源水处理技术的研究及发展现状

朱雪燕，李 杰，边云峰，陈泳帆

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730700)

1 引言

近年来由于地下水的过度开采利用，使得地下水位急剧下降，因而各种地表水源(江河、湖泊、水库等)已经成为了人们用水的主要来源。现有常规处理工艺(混凝→沉淀→过滤→消毒)主要是去浊和杀菌，随着微污染水中有机物种类和数量激增以及藻类的大量繁殖，对微污染水源水中的溶解性有机物、氨氮等的去除能力十分有限，已无法满足人们对于饮用水安全性的需要[1]。；同时我国生活饮用水水质标准也与时俱进，日益严格，微污染水源水处理过程中的新问题将不断出现。围绕原水水质不同、出水水质要求各异以及技术经济条件局限等特点，寻求行之有效的处理技术是目前研究和实践的重点[2]。

2 微污染水源水水质特点

当前，微污染水主要是指受有机污染的水源水，有机污染物一部分源于生活性有机污染，其主要污染指标为高锰酸盐指数和氨氮；另一部分来源于工业性有机污染，其主要污染指标为人工合成有机物，对饮用水水质和人体健康危害较大。污染水质的检测指标主要有高锰酸盐指数和氨氮浓度，污染水源水的物理、化学和微生物指标不能达到相关标准，具有有机物综合指标较高、嗅味明显和氨氮浓度较高的特点[3]。全国地表水所覆盖的七大流域以及其他众多河流域中Ⅰ类水质断面占2.7%、Ⅱ类占38.1%、Ⅲ类占31.3%、Ⅳ类占14.3%、Ⅴ类占4.7%、劣Ⅴ类占8.9%，主要是集中在海河、淮河、辽河和黄河流域，主要污染指标为化学需氧量、五日生化学氧量和总磷[4]。

3 微污染水源水的处理技术现状

3.1 强化常规处理技术的现状

3.1.1 化学氧化预处理

在给水工艺前段加入强氧化剂，利用化学氧化剂的氧化能力氧化、分解有机污染物，从而提高后续工艺及整体工艺的处理效果[5]。高锰酸钾及其复合药剂在去除有机污染物、藻及藻臭、色度及浊度、重金属离子等方面有很大优势[6～8]。化学氧化预处理中的化学氧化剂虽然可以有效地去除水中的污染物，但是昂贵的运行费用限制了它前面的推广应用。根据处理水质确定合理加药量具有经济效益，而且对于控制副产物的产生和防止氧化过度，对后续常规处理效果的不利影响有积极意义。

3.1.2 强化混凝

强化混凝处理过程是通过投加一些电解质使水中的细小颗粒相互聚集形成絮状大颗粒，从而改变水中粘土和细菌等悬浮固体的存在性质和状态，以利于后续工序的去除过程[9]。壳聚糖改性后的硅藻土可以提高微污染水处理中的混凝/絮凝/沉淀过程[10～13]。强化混凝传统净水处理是目前控制水厂出水有机物含量最经济最有效的手段，它具有操作简便、适应性好、投资少、运行费用低、周期短、见效快等优点，便于推广应用[14]。

3.1.3 强化过滤

强化过滤的主要目标一是滤池有机污染物去除效果的提高，二是滤池浊度去除效果的提高[15]。臭氧—活性炭和BAF—生物强化过滤工艺处理微污染水,使得水中有机物和氨氮等污染物质被有效去除[16～18]。改性滤料还处于实验阶段,对改性滤料的实际运行情况滤料厚度、滤料的级配、滤速、反冲洗强度、过滤周期及表面涂层在反冲强度下的附着等有待做进一步的分析和研究[19]。生物强化过滤以经济、高效的特点尤显出在工程应用中的可行性，但国内相关研究的缺乏阻碍了生物强化过滤技术的应用。

3.2 生物预处理工艺的现状

生物预处理工艺主要是借助于微生物群体的新陈代谢活动，去除水源水中的有机物，主要包括腐殖酸、氨氮和硝酸盐等[20]。目前研究应用的生物预处理工艺主要有生物接触氧化池、生物滤池、生物流化床、生物转盘等。

3.2.1 生物接触氧化池

生物接触氧化池中齿轮型流化生物载体对氨氮的去除效果较好，但它对有机物的去除不稳定[21，22]。唐文锋等[23]采用改性悬浮填料生物接触氧化预处理微污染水源水，经过三周自然挂膜成功稳定运行后对氨氮有较好的去除效果，而对CODMn、TN和浊度去除效果相对较低。生物接触氧化法的优点是处理能力大、对冲击负荷有较强的适应性、污泥生成量少；缺点是填料间水流缓慢、水力冲刷小。另外填料价格较贵，加上填料的支撑结构导致投资费用较高。

3.2.2 生物滤池

轻质滤料生物滤池对微污染原水有较好的处理效果，同时有一定的抗冲击负荷能力。在混合水质浓度变化不大的情况下，采用轻质滤料曝气生物滤池对微污染源水进行处理，氨氮的去除率可达到80%；在温度较低的情况下，氨氮的去除率仍能达到60%～80%[24～26]。曝气生物滤池处理技术不仅可以减少消毒过程中的氯气消耗量、减少水中卤代有机物的生成量、降低给水管网中细菌滋生的可能性、提高饮用水的安全性，而且还可以降低混凝剂的投加量，降低运行成本，使后继处理变得简单容易[27]。

3.2.3 生物流化床

生物流化床反应器是将传统活性污泥法和生物膜法相结合并引入流态化技术应用于水处理的一种新型生物膜水处理工艺。方建文[28]以两级串联生物流化池反应器为研究对象，结果表明流化床在常温条件下运行，水力停留时间为2 h，曝气强度为5 m3/m2时对有机物和氨氮的处理效果最佳。生物流化床在生物氧化的同时具有很好的生物絮凝效果，源水经生物流化床处理浊度降低，去除氨氮可相应节省80%左右的加氯量，并可适当节省加矾量，从而降低了日常运行的费用，并且解除了人们因过量加氯引起的饮水安全方面的担忧[29]。

3.2.4 生物转盘

纳米凹凸棒土复合亲水性聚氨酯泡沫作为新型载体材料负载在生物转盘上处理微污染河水，实验结果表明生物转盘上负载聚氨酯泡沫可强化生物转盘的处理效果[30]。新型改性生物转盘虽然吸附性能好，盘片比表面积大，但改性活性炭和石英砂材料存在机械强度差缺陷、盘片易开裂，聚氯乙烯盘片存在老化的现象，限制了其在实际水处理工程中的推广应用[31～34]。生物转盘上生物膜的表面积大，生物量丰富，硝化过程充分，且能解决滤料堵塞的情况，清理维修较方便；生物转盘还存在接触时间较长、占地大、塑料盘片价格高的缺点。

3.3 深度处理技术现状

深度处理技术是目前微污染水源水处理领域研究和关注的热点，也是应对地表水源污染日益严重、保证水厂出水达标、保障饮用水安全的最有效的对策之一[35]。

3.3.1 臭氧―活性炭深度处理

为了提高城市生活饮用水的水质， Kyoung Suk Kim[36，37]等在饮用水常规处理单元的基础上增加了臭氧氧化―活性炭处理，经试验发现臭氧氧化对比紫外吸光值有明显的降解效果，同时可改善水质的亲水特性。贾鼎等[38，39]将生物滤池和臭氧活性炭工艺联用处理微污染河水，结果表明各个单元单独处理河水的效果不理想，但单元间的联用对河水有很好的处理效果。针对臭氧活性炭工艺处理饮用水水质安全性问题，调查结果表明臭氧活性炭技术并没有存在微生物安全问题，但应该加强运行管理[40，41]。

3.3.2 膜过滤深度处理技术

膜过滤技术在微污染水处理中具有广阔的应用前景，它可以有效地去除水中的嗅味、色度、消毒副产物前体物及细菌等[42，43]。鉴于陶瓷超滤膜对于水中小分子量天然有机物去除的局限性，可采用离子交换树脂来提高超滤膜的渗透性能进而显著地提高出水水质[44～46]。循环式磁力絮凝膜过滤结合了循环凝聚、磁力强化絮凝及膜过滤等多个单元，成为地表微污染水处理的新型方式[47～49]。Tengfei Ma等人[50]通过研究滤速对溶解性有机氮浓度的影响来控制DON的产生，试验表明滤速为0.5 m/h时DON的浓度呈现出急剧增长地趋势。PAC-UF及氯化铁-UF组合工艺对于微污染水体中的天然大分子有机物和小分子有机物均具有较好的去除效果[51，52]。

3.3.3 光催化氧化技术

随着对环境污染控制研究的日益重视，光催化氧化法被应用于气相和液相一些难降解污染物的治理研究并取得了显著效果[53]。赵绪兰等人[54]提出了一种新型的生物-光催化氧化集成工艺来处理微污染水源水，对比实验处理效果得出停留时间和初始浓度对氨氮的去除效果影响较明显。高湘等[55，56]研究了以光催化微臭氧氧化为主体的光化学激发氧化技术，结果表明利用光催化微臭氧氧化法能有效地去除水中腐殖酸。纳米二氧化钛具有降解有机物和无机物的能力，同时还具有杀死细菌的功效；将二氧化钛固定在玻璃纤维网上形成催化膜深度净化饮用水，有机物总量的去除率达60%以上、细菌总数也明显降低[57～60]。用光催化氧化法对微污染水进行一次处理，再用载有银活性炭吸附法进行二次处理从而得到最终出水，该法对微污染水表现出较好的水处理性能而且在技术、经济上也具有较大的优势[61，62]。

4 结语

面对有机污染物日益严重的水源水，生产合格的饮用水是水处理工艺选择的基本原则，基建投资、运行成本和维护管理是水处理工艺选择的必要条件以及不同水源水水处理工艺选择的关键因素。总体来说,生物法处理是一种经济有效且在毒理学上较安全的方法，强化混凝、强化过滤是目前最经济最有效的方法之一，可它在基本维持水厂原有处理设施的情况下实现，而且其作用存在一定的局限性；化学预氧化给水处理效果很高，但设备相对复杂，较高的运行和操作以及设备成本限制了它们的推广使用；深度处理工艺处理效果好，但处理成本较高难以满足广泛使用的目的；生物处理技术呈现出经济、有效且在毒理学上安全的方法，可有效地减少水中“三致物质”的生成量，并且运行费用低、投资少是处理微污染水源水的优选方法。

ResearchandDevelopmentStatusofWaterTreatmentTechnologyforMicro-pollutedWaterSource

Zhu Xueyan, Li Jie, Bian Yunfeng, Chen Yongfan

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou, 730700,China)

Abstract: In recent years, with the rapid growth of China’s economy and the continuous improvement of urbanization level, the problem of water environment pollution is becoming more and more serious. According to the requirement of the drinking water quality standards in China,this article discussed the domestic micro-polluted source water treatment technology and analyzed its suitable development direction.

Keywords: micro-polluted source water;water quality characteristic;enhanced conventional treatment; biological pretreatment; advanced treatment