微污染水源水是指受到有機(jī)物污染，部分水質(zhì)指標(biāo)超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002) Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)的水體[1]。其成分主要包括有機(jī)物(天然有機(jī)物(NOM) 和人工合成有機(jī)物(SOC) ) 、氨(水體中常以有機(jī)氮、氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽形式存在) 、嗅味、三致物質(zhì)、鐵錳等。一般來說，受污染江河水體中主要包括石油烴、揮發(fā)酚、氯氮、農(nóng)藥、COD、重金屬、砷、氰化物等，這些污染物種類較多，性質(zhì)較復(fù)雜，但濃度比較低微，尤其是那些難于降解、易于生物積累和具有三致作用的優(yōu)先控制有毒有機(jī)污染物，對人體健康毒害很大。近年來隨著工業(yè)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加速及農(nóng)用化學(xué)品種類和數(shù)量的增加，許多水源已受到不同程度的污染; 并隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水質(zhì)分析手段的進(jìn)步，以及人類對飲用水水質(zhì)的更高要求，微污染受到的關(guān)注也越來越高。然而，現(xiàn)有常規(guī)的處理微污染水工藝(混凝→沉淀→過濾→消毒) 不能有效去除微污染水源水中的有機(jī)物、氨氮等污染物，同時液氯很容易與原水中的腐殖質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物(DBPs) ，直接威脅飲用者的身體健康[2-3]，無法滿足人們對飲用水安全性的需要; 同時隨著生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，微污染水源水處理不斷出現(xiàn)新的問題。因此，選擇適合我國國情的微污染水源水處理技術(shù)方案已經(jīng)引起了人們的高度重視。
1 我國微污染水源水質(zhì)現(xiàn)狀
據(jù)2009 年國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的年度《中國環(huán)境狀況公報》報道，2009 年七大水系總體為輕度污染，203 條河流408 個地表水國控監(jiān)測斷面中，I ～ III 類、IV ～ V 類和劣V 類水質(zhì)的斷面比例分別為57．3%、24．3% 和18．4[4]。另外，目前中國90%以上的城市水域受到污染， 50% 的重點(diǎn)城鎮(zhèn)水源水質(zhì)不符合飲用水水源的標(biāo)準(zhǔn)，都檢測出多種污染物，有些是EPA 規(guī)定的優(yōu)先檢出物，對人體有致癌、致突變、致畸性等危害，微污染現(xiàn)狀并呈發(fā)展之勢。
2 我國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)
原來的飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要是從感官性狀、化學(xué)毒性學(xué)、細(xì)菌學(xué)、放射性指標(biāo)來制定的，其中毒性學(xué)指標(biāo)主要針對某些金屬離子、無機(jī)鹽與少量的有機(jī)物。但是，由于越來越多的有機(jī)化合物被確定有毒害，世界各國都在不斷修改飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，增加這些有機(jī)化合物在飲用水中含量的限制。我國也在改善飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)方面做出了較大努力，2006 年衛(wèi)生部和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006) 的水質(zhì)指標(biāo)由GB 5749-85 的35 項增加至106 項，其中生物學(xué)指標(biāo)由2 項增加至6 項，飲用水消毒劑由1 項增加至4 項，毒理學(xué)指標(biāo)由15 項增至74 項，感官性狀和一般理化指標(biāo)由15 項增至20 項。并對生活飲用水水源水的要求套用了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如: 以地表水為水源時應(yīng)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838) 要求; 以地下水為水源時應(yīng)符合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848) 的要求。隨著我國的飲水標(biāo)準(zhǔn)對微生物指標(biāo)重要性的認(rèn)識會越來越深刻，對消毒劑及其副產(chǎn)物對人體健康的影響越來越重視，對指標(biāo)的規(guī)定也將會越來越全面和嚴(yán)格。
3 微污染水源水處理技術(shù)進(jìn)展
針對微污染水源水的處理問題，在飲用水常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究和實踐。歸納起來主要是強(qiáng)化處理技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)以及深度處理技術(shù)。
3．1 強(qiáng)化傳統(tǒng)水處理工藝
強(qiáng)化處理是針對當(dāng)前不斷提高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)、優(yōu)化和新增以去除濁度、病毒微生物、有機(jī)污染物以及有機(jī)污染物引起的色度、嗅味、藻類、藻毒素、鹵仿前質(zhì)、致突變物質(zhì)等為主要目標(biāo)的，使之達(dá)到不斷提高的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水處理工藝均為水的強(qiáng)化處理工藝(Enhanced Treatment Process) ，其中最重要的工藝環(huán)節(jié)是強(qiáng)化混凝和過濾工藝。
3．1．1 強(qiáng)化混凝技術(shù)
強(qiáng)化混凝技術(shù)是指通過改善混凝劑性能、優(yōu)化混凝工藝條件，提高混凝沉淀工藝對有機(jī)污染物的去除效果[5]。美國環(huán)保局(USEPA) 推薦強(qiáng)化混凝為控制水中天然有機(jī)物的最好方法[6]。Joseph 等[7]比較了三種主要的天然有機(jī)物去除工藝的特征(見表1) ，認(rèn)為強(qiáng)化混凝是去除水中天然有機(jī)物較經(jīng)濟(jì)、實用的一種工藝。
強(qiáng)化混凝主要方式有: (1) 提高混凝劑投加量使水中膠體脫穩(wěn)、凝聚沉降; (2) 增加投設(shè)絮凝劑或助凝劑，增強(qiáng)吸附和架橋作用，加速有機(jī)物絮凝下沉; (3) 投加新型高效的混凝/絮凝藥劑;(4) 改善混凝/絮凝條件，如調(diào)整工藝pH、優(yōu)化水力學(xué)條件等。其中，增投助凝劑和采用新型高效處理藥劑是強(qiáng)化混凝技術(shù)的主要措施和發(fā)展方向之一。盧靜芳[8]等研究強(qiáng)化混凝去除微污染湖泊水濁度及TOC 時，在不改變pH 值，強(qiáng)化混凝工藝依然能極大地改善出水水質(zhì)，濾后水質(zhì)濁度為0．1 NTU，TOC 為6．23mg /L。陳偉玲等[9]以聚硫酸鐵(PFS) 為混凝劑，采用強(qiáng)化混凝對水中微量Cd(III) 的去除進(jìn)行了研究，在合適條件下剩余濃度降至0．005 mg /L 以下。
3．1．2 強(qiáng)化沉淀技術(shù)
沉淀分離是常規(guī)給水處理工藝的重要組成部分，沉淀分離的效果對后續(xù)處理工藝和最終出水水質(zhì)有較大影響。微污染水源水由于有機(jī)污染的增加，水中除了含有懸浮物和膠體物質(zhì)外，還含有大量的可溶性有機(jī)物、各種金屬離子、鹽類、氨氮等有機(jī)和無機(jī)成分，對常規(guī)沉淀去除效果帶來了一定的影響，加強(qiáng)沉淀作用能提高對有機(jī)物的去除效率。主要可以通過以下幾種方式加強(qiáng)沉淀處理: (1) 投加高效新型高分子絮凝劑，提高絮凝體的沉降特性; (2) 優(yōu)化改善沉淀池的水力學(xué)條件，提高沉淀效率;(3) 提高絮凝顆粒的有效濃度，提高對原水中有機(jī)物進(jìn)行的連續(xù)性網(wǎng)捕、掃裹、吸附、共沉等作用，從而提高其沉淀分離效果[10]。邵堅等[11]采用高密度沉淀池—超濾組合工藝對黃河微污染水源進(jìn)行處理，對藻類的去除率達(dá)到100%，并能夠完全去除病毒、細(xì)菌等。
3．1．3 強(qiáng)化過濾技術(shù)
在傳統(tǒng)過濾工藝中一般可以通過預(yù)加氯來抑制濾料中的微生物生長，提高濾池的過濾周期，此時在濾料中不存在或有較少生物降解作用。強(qiáng)化過濾技術(shù)則是在不預(yù)加氯的條件下，在濾料表面培養(yǎng)繁育微生物，利用微生物的生長繁殖活動去除水中的有機(jī)物[12]。采用新型、改性濾料等可以提高過濾工藝對濁度、有機(jī)物等的去除效果，近年來受到了較多的研究和關(guān)注，在強(qiáng)化過濾技術(shù)中取得了一定的進(jìn)展。馬軍等[13]采用某種化學(xué)方法在石英砂表面涂覆一層金屬氧化物，對石英砂進(jìn)行改性，能明顯提高混凝沉淀后含藻水的過濾效果，使對藻類的去除率大于65%。黃曉東等采用活性炭一石英砂生物活性濾池(BARF) 進(jìn)行的強(qiáng)化過濾試驗，結(jié)果表明對氨氮、亞硝酸鹽氮和CODMn的去除率分別為82%、84% 和24%，濁度的去除率比普通濾池提高了高達(dá)40%左右。因此，通過強(qiáng)化過濾給水處理技術(shù)在一定條件下均能有效去除飲用水水源中的雜質(zhì)，但仍需對下列方面進(jìn)行研究以為大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供設(shè)計參數(shù): (1) 深入對飲用水水源中多種污染物有機(jī)物、鐵、氨氮、藻、錳類等微污染物質(zhì)共存時，生物濾池在貧營養(yǎng)條件下異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌的轉(zhuǎn)化條件及轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究; (2) 濾池反沖洗時對濾料上生物膜的影響以及反沖洗強(qiáng)度的確定。(3) 絮體表面性質(zhì)及和粒度分布對過濾工藝性能的影響。
3．2 預(yù)處理技術(shù)
在傳統(tǒng)工藝之前設(shè)置預(yù)處理工藝，對水中的污染物進(jìn)行初步去除，可使傳統(tǒng)工藝更好地發(fā)揮作用，減輕傳統(tǒng)工藝與深度處理工藝的負(fù)擔(dān)，發(fā)揮水處理工藝的整體作用，最大限度地提高對污染物的去除能力。
3．2．1 化學(xué)氧化法
化學(xué)氧化預(yù)處理技術(shù)就是依靠投加的化學(xué)氧化劑，分解破壞水中有機(jī)污染物，再利用混凝劑脫除膠體懸浮物，使水質(zhì)達(dá)到處理要求。目前采用的氧化劑有氯氣、高錳酸鉀、高鐵酸鉀、臭氧等。過去通常采用預(yù)氯化處理的方法來破壞水源水中膠體，氧化有機(jī)物，但大量加氯會產(chǎn)生三氯甲烷等致癌物質(zhì)會對人體產(chǎn)生的潛在危險[14]。因此，采用其他氧化劑對微污染原水進(jìn)行預(yù)氧化的研究引起了廣泛關(guān)注。投加高錳酸鉀能氧化分解原水中低分子有機(jī)物，再投加硫酸鋁等混凝劑，能使出水水質(zhì)比投加常規(guī)混凝劑的出水水質(zhì)好。陳超等[15]采用臭氧預(yù)氧化一生物活性濾池處理黃河微污染原水，研究發(fā)現(xiàn)采用臭氧預(yù)氧化可以提高原水的可生化性，提高溶解氧濃度，有利于后續(xù)生物活性濾池的運(yùn)行; 并且臭氧對色度去除效果明顯，其助凝作用可以強(qiáng)化對濁度的去除效果[16]。
3．2．2 生物氧化法
生物預(yù)處理是指在常規(guī)凈水工藝之前，增設(shè)生物處理工藝，借助于微生物群體的新陳代謝活動，去除水中可生化有機(jī)物特別是低分子可溶性有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽、鐵、錳等污染物，并有效改善混凝沉淀性能、減少混凝劑用量，同時還能去除常規(guī)處理工藝不能去除的污染物，利于后續(xù)處理工藝的運(yùn)行。其設(shè)備包括生物接觸氧化池、塔式生物濾池、生物流化床、生物轉(zhuǎn)盤等。夏四清等[17]研究受污染飲用水源的生物預(yù)處理技術(shù)，生物預(yù)處理對氨氮去除率達(dá)80%以上，CODMn去除20% ～ 30%，濁度去除50%左右。雖然生物預(yù)處理的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力較大，對沖擊負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，生成污泥量少，易于維護(hù)管理; 但存生物膜更新速度慢，水力沖刷緩慢易引起堵塞、填料價格較高等問題。
3．2．3 預(yù)吸附處理技術(shù)
吸附預(yù)處理主要是利用吸附劑的吸附特性去除微污染水源水中的有機(jī)污染物，常用的吸附劑有活性炭、粘土、硅藻土、沸石等。其中活性炭對BOD5、CODCr、色度以及絕大多數(shù)有機(jī)物有良好的吸附能力，并且可對水中的致癌物與致突變物具有良好的去除效果。Anderson 等[18]的研究結(jié)果表明，活性炭對氯化產(chǎn)生的三鹵甲烷的去除率為20% ～ 30%。另外，活性炭對分子量在500 ～ 3000 的有機(jī)物有十分明顯的去除效果，去除率一般為70%～ 86．7%[19]。
3．3 微污染水源深度處理技術(shù)
深度處理是指在常規(guī)處理工藝以后，采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ瑢⒊Ｒ?guī)處理工藝不能有效去除的污染物或消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物加以去除，以提高和保證飲用水質(zhì)，是目前微污染水源水處理領(lǐng)域研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一，也是提升處理水水質(zhì)和應(yīng)對地表水源污染嚴(yán)重的最有效的對策之一。目前，應(yīng)用較廣泛的有臭氧活性炭聯(lián)用深度處理技術(shù)、生物活性炭技術(shù)、膜過濾深度處理技術(shù)、光催化氧化技術(shù)等[20]。
3．3．1 臭氧活性炭聯(lián)用深度處理技術(shù)
臭氧－活性炭聯(lián)用工藝先進(jìn)行臭氧氧化再進(jìn)行活性炭吸附，能夠同時發(fā)揮臭氧、活性炭的優(yōu)勢，揚(yáng)長避短。臭氧的加入能夠?qū)⒋蠓肿佑袡C(jī)物氧化分解為小分子有機(jī)物，提升活性炭的去除效果; 炭床中大量好氧微生物對有機(jī)物進(jìn)行降解，能提高處理效率，延長炭的使用壽命。臭氧活性炭聯(lián)用研究結(jié)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，變成了可被吸附的小分子物質(zhì)，提高了活性炭的吸附效果。付樂等[21]采用臭氧與活性炭深度處理微污染原水，結(jié)果表明預(yù)臭氧能明顯提高濁度、有機(jī)物和T HMFP 的去除效果，在最佳條件下CODMn去除率提高17．52%，氯消毒后CHCl3濃度降低86．4%。目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際工程中，在歐洲和美國，其地表水水廠大多使用臭氧活性炭工藝: 瑞士有40% 的水廠使用臭氧處理地表水，其中80% 與活性濾池聯(lián)用; 德國有70 多家水廠應(yīng)用臭氧活性炭工藝[22]。
3．3．2 生物活性炭技術(shù)
生物活性炭是利用生長在活性炭上的微生物的生物氧化作用，從而達(dá)到去除污染物的目的。與單獨(dú)的活性炭吸附相比，它可以完成生物硝化作用，將氧氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而減少后氯化的投氯量，降低三鹵甲烷的生成量; 延長活性炭的再生周期，減少運(yùn)行費(fèi)用; 可以提高水中溶解性有機(jī)物的去除率，保證出水水質(zhì)。李偉光等[23]采用人工固定化生物活性炭處理含油廢水，其對油的去除效率在80% ～ 95% 之間，COD 平均去除率達(dá)到53%。但生物活性炭具有價格昂貴，細(xì)小活性炭顆粒長有細(xì)菌，由于長期固定培養(yǎng)，對各種不利環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對消毒有更大的抗性，氯化消毒往往難以殺死這些微生物，從而使出水水質(zhì)不能完全達(dá)標(biāo)。
3．3．3 膜過濾深度處理技術(shù)
膜過濾是微污染水源水深度處理領(lǐng)域中另一個重要、高效的深度處理手段，以微濾、超濾、納濾、反滲透為主的膜過濾技術(shù)可以較為有效地去除水中嗅味、色度、消毒副產(chǎn)物前體物及細(xì)菌等，改技術(shù)處理過程不產(chǎn)生副產(chǎn)物，處理單元小，易于自動控制，pH 適用范圍廣，無二次污染、出水水質(zhì)穩(wěn)定、安全可靠等特點(diǎn)，因此，在微污染水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。膜過濾法近年來被美國環(huán)保局(EPA) 推薦為水處理的最佳工藝之一。有研究表明[24]，NF 可以有效去除硬度、天然有機(jī)物(NOM) 和微污染物質(zhì)(如殺蟲劑、VOCs 等) 。Sylwia 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，DH 值為8．7時，UF 對色度的去除率為57%，TOC 的去除率為42%，而PAC/UF 系統(tǒng)對色度去除率達(dá)到94%，TOC 去除率達(dá)到55%。俞三傳等[26]認(rèn)為，納濾膜技術(shù)具有獨(dú)特分離特性，可有效去除微污染原水中的有機(jī)物、重金屬離子、病毒、細(xì)菌等污染物。但由于膜處理要求對原水進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理及定期的化學(xué)清洗，基建及運(yùn)行費(fèi)用高。因此，膜處理技術(shù)在我國尚處于應(yīng)用研究階段，膜處理技術(shù)研究的重點(diǎn)方向之一膜污染問題以及去除效果等。
3．3．4 光催化氧化深度處理技術(shù)
光催化氧化是以化學(xué)穩(wěn)定性和催化活性很好的TiO2為代表的n 型半導(dǎo)體為敏化劑的一種光敏化氧化，水中優(yōu)先控制有機(jī)污染物(三氯甲烷、四氯化碳、六氯苯、六六六等) 有很強(qiáng)的氧化能力。一般認(rèn)為在合適的反應(yīng)條件下，有機(jī)物經(jīng)光催化氧化的最終產(chǎn)物是CO2和H2O 等無機(jī)物。該方法具有強(qiáng)氧化性、對作用對象的無選擇性與最終可使有機(jī)物完全礦化的優(yōu)點(diǎn)。王利平等[27]將TiO2負(fù)載于聚丙烯(PP) 填料而制成TiO2 /PP 復(fù)合填料，將其用于光催化氧化預(yù)處理微污染湖泊水，對CODMn、UV254、NH3-N、TP 和葉綠素a 的平均去除率分別為18．77%、16．44%、11．94%、20．27% 和38．74%。
3．4 新型徽污染水源水處理工藝
隨著水處理技術(shù)研究的逐步深入，出現(xiàn)了一些新型的微污染水源水處理工藝和技術(shù)，這些新型工藝技術(shù)有別于常規(guī)處理工藝以及在常規(guī)處理工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來與預(yù)處理、深度處理聯(lián)合處理工藝，而采用截然不同的主體處理工藝，國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究。
膜一生物反應(yīng)器技術(shù)(Membrane bioreactor，MBR) 是指以超濾膜組件作為取代二沉池的泥水分離單元設(shè)備，并與生物反應(yīng)器組合構(gòu)成的一種新型生物處理裝置，由于超濾膜能夠很好地截留來自生物反應(yīng)器混合液中的微生物絮體、分子量較大的有機(jī)物及其他固體懸浮物質(zhì)，并使之重新返回生化反應(yīng)器中，這就使反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥濃度得以大大提高，從而能夠有效地提高有機(jī)物的去除率。美國Rittmann 教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊開發(fā)了以氫氣為基質(zhì)的新型膜一生物膜．反應(yīng)器技術(shù)(Membrane biofilm reactor，MBFR) ，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對地表/地下水源中存在的硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫酸鹽、高氯酸鹽、砷酸鹽、雙溴氯丙烷(DBCP) 、重金屬Cr(VI) 等污染物的無害化處理，該技術(shù)已從實驗室小試、中試走向了實際工程應(yīng)用[28-30]。潘碌亭等采用氧化偶合絮凝技術(shù)對珠江微污染原水進(jìn)行應(yīng)用研究[31-33]。該技術(shù)能有效地去除微污染水源水中溶解性有機(jī)物、氨氮、亞硝酸鹽氮以及懸浮物等，與常規(guī)給水混凝技術(shù)相比，CODMn、NH3-N 去除率分別高出22%、62%，特別是NO2--N 去除率高達(dá)97%，出水剩余濁度可降至0．5 NTU。
新型工藝的出現(xiàn)為微污染水源水處理技術(shù)方面提供了可選擇的新技術(shù)，在一定程度上促進(jìn)了微污染水源水處理技術(shù)的革新和發(fā)展。但是由于新型技術(shù)應(yīng)用的不成熟性或者缺乏經(jīng)濟(jì)性，其推廣和應(yīng)用需要一定的階段和過程。具體參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)語
水源水污染的嚴(yán)重性及如何才能保證飲用水的安全性，已引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。各種新型微污染水源水處理技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，成為當(dāng)前水處理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。并且各種對微污染水源水的凈化處理方法都具有一定的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn): 常規(guī)水處理工藝較成熟，但不能滿足人們對飲水安全性的要求，深度水處理技術(shù)能夠有效去除常規(guī)處理技術(shù)所不能去除的有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物，但目前在我國此技術(shù)還不夠成熟未廣泛運(yùn)用; 常規(guī)處理工藝聯(lián)合深度處理能夠有效提高和保障飲用水水質(zhì)，因此具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。而目前國內(nèi)大多數(shù)水廠采用了在原有工藝基礎(chǔ)上增加深度處理工藝以提升處理水水質(zhì)的措施進(jìn)行了升級改造，因此，常規(guī)處理工藝聯(lián)合深度處理技術(shù)仍會是未來幾年給水處理廠進(jìn)行工藝升級改造、新建凈水廠的重要支撐技術(shù)。
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作者簡介: 羅龍海(1985-) ，男，碩士研究生，主要研究方向: 大氣污染控制與資源化。
