成都市自來水總公司 仲麗娟 朱明章 李偉 古玉兵
重慶大學 姚雨霖 趙友石 摘要：對復合了惰性濾料和活性濾料，活性濾料又由極性和非極性濾料復合構成的新型生物活性濾料濾池進行過濾試驗，研究表明，該濾池能夠去除氨氮90％以上，CODMn40％以上，降低Ames試驗致突變性約l/3左右，出水水質滿足國家生活飲用水水質標準，具有較好處理效果。
關鍵詞：極性濾料非極性濾料復合生物活性濾料 充氣 1.引言 成都市自來水公司以沙河為水源的制水能力約占公司總制水能力的40％。隨著城市的發展，城市范圍逐步外延，沙河取水口已經陷于城郊結合部較密集的居民生活圈包圍中，因基礎設施配套建設較差，沙河原水受到生活廢水、工業廢水、農田排灌廢水及垃圾等污染的程度呈加重趨勢，特別在暴雨時污染更為明顯，根據1997—2000年的監測，原水色度一般12—45度，少數時間超過40度，高錳酸鹽指數(CODMn)最高10.28mg/l，化學需氧量最高達27.35mg/l，氨氮(NH3-N)一般在0.5mg/l左右，暴雨時曾出現過2.56mg/l，在短時間內給水廠生產造成了一定困難。為了解決短時間的原水污染問題，并作好技術儲備，在以后可能出現連續污染時保證供水的安全可靠性，成都市自來水公司于1999年12月一2000年12月與重慶大學(原重慶建筑大學)合作進行了復合生物活性濾料濾池過濾技術的研究。
復合生物活性濾料濾池是由活性和惰性濾料復合構成濾床，在保持濾池去除懸浮物功能的基礎上強化濾池去除有機物的能力，活性濾料由極性和非極性兩類復合構成，用以提高濾池全面吸附去除有機物的能力[1]，該濾池還采用空氣充氧，是一種生物濾池。 2. 研究目標和試驗流程 2.l 研究目標。
本研究要求復合生物活性濾料濾池對CODMn的去除率為15--20％，對NH3—N的去除率不小于50％，濾后水消毒后達到國家生活飲用水衛生標準，Ames試驗比水廠工藝有明顯改善。
2.2 試驗流程
試驗在以沙河為水源的水五廠進行，復合生物活性濾料濾池的待濾水來自該廠的機械加速澄清池，濾后水進入生產移動罩濾池的清水渠，整體流程如下。水廠生產中才用了預氯化抑制藻類的生長，因預氯投投加量很低，約0.3mg/l，試驗濾池進水的余氯一般為零，不會影響濾池的微生物作用。  復合生物活性濾料是一座過濾面積1.44m2的小型氣水反沖洗濾池，采用V1/2長柄濾頭配水配氣，氣源是一臺SL80羅茨鼓風機，裝填三種濾料，分別是ZJ-15型顆粒活性炭（GAC，d=1.0-2.0mm）、活性氧化鋁（AA濾料，d=1.5-2.0m）和石英砂（d10=0.81,k80=1.18）。為保持生物活性濾料濾池中生物的活性，充分發揮生物氧化作用對有機物的去除能力，宜盡量提高水中溶解氧的含量，采用空壓機通過分布在濾床以上的布氣頭向待濾水中充氧。
該濾池采用三段式氣水反沖洗，強度及時間如下：
第一階段：單氣沖洗，q氣=8l/s.m2，t=5min；
第二階段：氣水同時沖洗，q氣=8l/s.m2，q水=8l/s.m2，t=8min；
第三階段：單水沖洗，q水=8l/s.m2，t=5min。
2.3 研究內容
主要研究該濾池的掛膜情況、正常運行情況下對CODMn和NH3-N等指標的去除情況和濾后水消毒后的總體水質是否能夠滿足國家生活飲用水衛生標準、Ames試驗是否比水廠工藝有明顯改善。 3、研究結果與分析討論 3.1 掛膜
掛膜從6月19日開始，掛膜條件是：過濾的空床接觸時間EBCT=22.5min，水溫t=19-21℃，充氣量約1.6l/s.m2。掛膜其間的濾池進水濁度1.72-7.12NTU，色度6-22度，出水濁度0.13-0.73NTU，除濁率79.7%——96.4%，出水色度0--8度，氨氮和CODMn去除變化情況見圖1。 
掛膜開始濾池雖裝填了大量活性濾料，但對NH3-N的去除率在20%左右，9天之后，濾池對NH3—N的去除有了較明顯的提高，逐漸上升到50％以上，說明在這個過程中，濾料上在逐漸生長形成生物膜。17天后濾池的CODMn去除率穩定在20％以上，NH3—N去除率達50％以上，可以認為已經完成掛膜，濾池進入穩定運行階段。
3.2 穩定運行期的過濾效果分析
穩定運行自7月5日至9月4日，期間進行了不同濾速濾池過濾效果試驗。
3.2.1 對氨氮的去除
研究期間沙河原水中氨氮含量為0.32—1.19mg/1，濾池進水氨氮為0.11—0.74mg/l。如表3所示。在不同的EBCT下(分別為18min，12min，9min)復合生物活性濾料濾池對NH3—N的去除率均大于50％(如圖2)，隨著EBCT的縮短，濾池對NH3-N的去除率略呈下降趨勢，EBCT＝18min，NH3-N去除率平均96％，E8CT＝12min時，去除率平均為95%，EBCT＝9min時，NH3—N去除率降至89%，但總體上該濾池對NH3—N的去除效率很高，已經遠遠超過了課題的研究目標。  
3.2.2 對CODMn的去除
濾池進水CODMn含量為1.07—2.66mg/l，在不同EBCT值時，復合生物活性濾料濾池對CODMn的去除率有所不同，如圖3，EBCT值越高，其去除率也高，EBCT值低其去除率也有所降低。在EBCT=9min、12min、18min時，復合生物活性濾料濾池對CODMn的平均去除率分別為在42％、44％，47.8％。該結果與在內江進行的試驗的去除率略有增高，其原因是本復合生物活性濾料濾池中活性濾料占的比例較大的緣故。
3.2.3 對色度的去除
試驗期間，沙河原水色度最高達45度，最低0度，平均為12.5度。上述水質經機械加速澄清池處理后進入復合生物活性濾料濾池的水色度一般為0—22度，平均7.3度。復合生物活性濾料濾池的進、出水色度變化如圖4所示，濾池平均出水色度＜1度。
3.2.4 新型復合生物活性濾料濾池處理系統水質分析
對新型復合生物活性濾料濾地處理系統的出水按照GB5749—85進行了全分析，分析結果表明濾池出水模擬消毒后的水完全滿足GB5749—85所規定的水質要求。
3.2.5 Ames試驗
委托華西醫科大學公共衛生學院對沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、水廠出廠水(3#)、復合生物活性濾料濾池出水(4#)及其出水的模擬消毒水(5#)、取消預氯化的復合生物活性濾料濾池出水模擬消毒水(6#)共6個水樣各富集1501采用平板摻入法進行了Ames致突變試驗。六組水樣對TA98、TAl00兩種菌株在不同劑量下的致突變數如圖5、6。  
由圖可知，
①l#沙河原水、2#澄清池出水和40新型復合生物活性濾料濾池過濾出水(末加氯消毒時)不具有致突變性：
②3個消毒后的水樣在一定的劑量范圍內致突變數MR大于2，具有劑量反應關系且有重現性，具有致突變性。
③新型復合生物活性濾料濾池處理工藝的消毒出水對TA98和TAl00的最低致突變水樣量為3.01/皿，致突變劑量較水廠現有工藝出廠降低約1/3左右，可以認為本過濾工藝對Ames試驗具有較明顯的改善效果。
④雖預氯化的氯量非常小，但可以看出6#預氯化的復合生物活性濾料濾池出水消毒水比5#未預氯化的水在相同劑量下的MR值略高，這證明預氯化使水中的致突變物增加了，從水質安全角度考慮，應該選用其他更加安全的殺藻方式。
3.2.6 色質聯機(GC/MS/DS)分析
委托中國科學院成都分院的化學分析檢測中心對沙河原水(1#)、澄清池出水(2#)、復合生物活性濾料濾池出水(3#)及其消毒水(4#)進行了色質聯機分析。對四組水樣中檢出的有機物進行分類，結果如表1。
①原水。共檢出84種有機物，其中主要是芳香烴、直鏈烷烴、雜環化合物和酯類；原水中強極性的有機物11種，中強極性的14種，共占原水中有機物總種數的約30％，這證明了試驗的復合生物活性濾料濾池選用非極性的GAC和極性的AA兩種濾料有其合理性。
原水檢出的84種有機物中有10種是屬于美國129種優先控制污染物之列，5種屬于中國的69種水中優先控制污染物黑名單3(如表2)，其中主要是苯類、酯類和多環芳烴，還有一種鹵代烴。這些重點污染物主要來自一些塑料、化工工業的污染。
原水中直鏈烷烴的大量存在主要是因為水源上游及周圍有許多加油站和洗車場，其廢水直接排放入沙河；大量雜環化合物的存在，一方面可能是天然動植物代謝的產物，一方面也可能存在一定的人為污染。綜合分析，沙河原水的主要污染是油類污染、工業污染，環保工作應主要對該類污染源加以重點治理。 水樣有機物分類表 表１| 序號 | 類別 | 極性 | 飽和性 | 種數 | | 1# | 2# | 3# | 4# | | 1 | 直鏈烷烴 | 無或弱極性 | 飽和 | 16 | 22 | 11 | 20 | | 2 | 酮類 | 強 | 主要為不飽和 | 2 | 4 | 1 | 0 | | 3 | 環烷烴 | 無 | 飽和 | 4 | 0 | 0 | 1 | | 4 | 烯類 | 無或弱極性 | 不飽和 | 3 | 1 | 1 | 1 | | 5 | 酯類 | 中 | 飽和、不飽和各半 | 12 | 2 | 4 | 4 | | 6 | 醇類 | 強 | 主要為飽和 | 6 | 0 | 1 | 5 | | 7 | 芳香烴 | 弱 | 不飽和 | 22 | 3 | 2 | 6 | | 8 | 雜環化合物 | 弱 | 主要為飽和 | 12 | 2 | 5 | 5 | | 9 | 胺類 | 中 | 不飽和 | 1 | 1 | 4 | 3 | | 10 | 酚類 | 弱 | 不飽和 | 0 | 1 | 0 | 0 | | 11 | 酸類 | 強 | 不飽和 | 3 | 8 | 5 | 10 | | 12 | 炔類 | 弱 | 不飽和 | 1 | 0 | 0 | 1 | | 13 | 醚 | 中 | 飽和 | 1 | 1 | 1 | 1 | | 14 | 醛類 | 中 | 不飽和 | 0 | 0 | 4 | 0 | | 15 | 其他 | -- | -- | 1 | 3 | 4 | 3 | | 16 | 總計 | | | | | ②澄清池出水。共檢出有機物48種，其中直鏈烷烴占了近半數的比例，其次是酸類、酮類等，與原水相比，澄清池出水中的芳香烴、雜環化合物、酯類明顯減少，而直鏈烷烴種數占據了更明顯的優勢，這說明機械攪拌澄清池對去除芳香烴、雜環化合物等具有明顯的作用，而對直鏈烷烴效果較差。
③復合生物活性濾料濾地出水。共檢測出有機物43種，仍以直鏈烷烴為主，但其數量已較原水和澄清池出水有了較大的減少，而酸類、雜環化合物、醛類、胺類、酯類所占的比例較澄清池出水(即試驗濾池進水)有較大提高，這應是濾池中微生物新陳代謝作用的反映。
④復合生物活性濾料濾池出水消毒后的水。檢測出有機物60種，其中的醇類、酸類、芳香烴種類有所增加，直鏈烷烴所占的比例明顯增大。加氯消毒的該水中只檢出了三種鹵代烴，分析其原因可能主要是生成的各種鹵代烴含量非常少(全分析結果是：氯仿11μg/l，四氯化碳＜0.2μg/l)，在色譜圖上出現的峰非常低所致。 原水中的有害有機物 表２| 序號 | 屬于USEPA129種優先控制的有機物 | 屬于中國68種水中優先控制污染物黑名單的有機物 | | 1 | 四氯乙烯 | 四氯乙烯 | | 2 | 二乙基鄰苯二甲酸酯 | 甲苯 | | 3 | 蒽 | 乙苯 | | 4 | 二丁基鄰苯二甲酸酯 | 對二甲苯 | | 5 | 甲苯 | 熒蒽 | | 6 | 乙苯 | | | 7 | 二甲基鄰苯二甲酸酯 | | | 8 | 熒蒽 | | | 9 | 芘 | | 4.經濟性分析 新型復合生物活性濾料濾池達到了預定的研究目標，較明顯地提高了水質的衛生安全性，但若采用該種過濾工藝，投資情況如何?
4.1 與傳統工藝相比。以某新建的10萬噸/d現代化的供水工程為例(該水廠的主要構筑物為取水泵站、斜管預沉池、格網反應斜管沉淀池、V型濾池、清水池、二泵站)，經計算，其中V型濾池采用新型復合生物活性濾料濾池過濾工藝與采用均質石英砂過濾工藝相比，濾池投資增加約22.3％，水廠總體投資增加約2.3％。
4.2 與采用臭氧活性炭工藝的水廠相比。經計算，使用新型生物活性復合濾料濾池比采用臭氧——活性炭法可降低水廠基建投資15％，節約年電耗574.5萬度，價值219萬元。 5.結論 5.1 新型復合生物活性濾料濾池單元構筑物，可去除氨氮90％以上，CODMn40％以上，降低Ames試驗致突變性約1/3左右，出水水質滿足國家生活飲用水水質標準。具有較好處理效果。
5.2 實際工程中適宜新建濾池或改建V型濾池，用以降低水中有機物和飲用水的致突性，對保障人民身體健康等具有重要的社會意義。
5.3 新建或改建新型生物活性濾料濾池簡單易行，利用生物能再生比其他方法節省能源。其建設總投資由于更換部分濾料為活性炭和活性氧化鋁，增加投資接近20％。 | 
