李雨萱，馬思源，殷智健，薛思竹，徐晗，許府康,劉強^*

（1. 徐州工程學院  環境工程學院，江蘇 徐州 221111）

摘 要：為解決偏遠山區河水經混凝后形成的絮體難沉淀、后續石英砂濾池易堵塞的問題，采用兩級上向流輕質濾料濾池取代傳統石英砂濾池，構建“混凝+輕質濾料濾池（一級過濾）+輕質濾料濾池（二級過濾）+次氯酸鈉消毒”組合工藝。試驗結果表明，組合工藝能夠有效處理難沉淀的河水，對濁度、色度、COD、氨氮、葉綠素a的平均去除率分別為99.9%、81.3%、52.1%、100%和100%，出水平均濃度分別為0.04 NTU、5度、2.12 mg/L、0 mg/L、0 mg/L。其中，輕質濾料濾池對濁度、色度、COD和葉綠素a的去除發揮主要作用，次氯酸鈉對氨氮的去除發揮主要作用。

關鍵詞：輕質濾料；過濾；飲用水；混凝；消毒

0  引言

陜西省某偏遠農村的飲用水源為山區內的淺水河流，原飲用水處理工藝為“混凝+沉淀+過濾+消毒”的常規工藝，其中過濾單元為普通快濾池，濾料為石英砂，過濾方式為下向流。該地區的山體巖質以油片石為主，受其影響，此處的河水經混凝后形成的絮體密度較小，極難沉淀，大量絮體進入石英砂濾池后會在短時間內堵塞和穿透濾層，濾后水水質較差。

為進一步提高飲用水水質，課題組采用兩級上向流輕質濾料濾池取代石英砂濾池，同時取消沉淀單元，構建了“混凝+一級輕質濾料濾池+二級輕質濾料濾池+消毒”組合工藝。聚苯乙烯輕質濾料價格低廉，堆積密度很小，易于搬運，在交通不便的偏遠山區尤其有競爭優勢，但目前在飲用水處理中的應用極少。究其原因，“濾料難沖洗，易板結”是其主要技術瓶頸。由于輕質濾料的比重非常小，濾料在水的巨大浮力作用下緊密擠壓在濾板下方。若采用上向流沖洗方式，濾料會進一步受到擠壓，濾層中截留的污染物難以被有效清除；若采用下向流沖洗方式，則需要很高的沖洗強度，沖洗水量較大且濾池工藝結構較為復雜。輕質濾料濾池現行的沖洗方法主要是脈沖法^[1-3]，這種方法的沖洗強度和沖洗時間均不易控制，沖洗效果并不理想。

課題組采用一種簡單有效的方法徹底解決了多年來一直制約上向流輕質濾料濾池推廣應用的沖洗難題，在此基礎上構建了以上向流輕質濾料濾池為核心的組合工藝并將其用于偏遠山區難沉淀河水的處理，對其處理效能進行了試驗研究。

1  材料與方法

1.1 試驗裝置

采用“混凝+一級輕質濾料濾池+二級輕質濾料濾池+消毒”組合工藝處理難沉淀的山區河水。因設計流量較小，未安裝混合設備（工藝流程見圖1，試驗設備外觀見圖2）。混凝劑采用聚合氯化鋁（AL₂O₃有效成分為30%），投加量為10～20 mg/L。網格式絮凝池的絮凝時間為15 min，內部填充φ50的多面空心球，多面空心球絮凝層的厚度為1 000 mm；絮凝層下方的配水區高度為1 000 mm，上部的清水區高度為1000 mm。一級輕質濾料濾池和二級輕質濾料濾池的工藝結構完全相同（見圖3），濾料為聚苯乙烯球狀顆粒，粒徑為1.0～2.0 mm，K₈₀=1.17，濾層厚度為1 200 mm，堆積密度為20 kg/m³；采用上向流過濾方式，設計濾速為8 m/h，設計水量為3 m³/h；濾層下方的配水區高度為500 mm，濾板上方的清水區高度為500 mm；濾池工作周期為24 h；采用“氣沖+泄空+水沖”的沖洗方式，具體方式為：先進行氣沖，氣沖強度為8 L/(s?m²)，氣沖時間為3 min；停止氣沖，泄空池內的沖洗廢水，泄空時間約為4 min；最后進行下向流水沖，水沖強度為6 L/(s?m²)，水沖時間約為7 min。消毒劑為次氯酸鈉溶液（有效氯濃度為10%），投加量為10 mg/L。

1.2  原水水質

待處理原水為陜西省某偏遠山區的河水，原水水質見表1。山區河水主要來源于雨水和泉水，水量與濁度受暴雨的影響較大。雨季，河水流量較大，濁度較高；旱季，河水流量較小，濁度較低。

1.3  試驗方法

長期連續運行“混凝+一級輕質濾料濾池+二級輕質濾料濾池+消毒”組合工藝處理偏遠山區河水，每天在濾池過濾結束前取原水、一級輕質濾料濾池濾后水（簡稱一級濾后水）、二級輕質濾料濾池濾后水（簡稱二級濾后水）以及最終出水，檢測濁度、色度、COD、氨氮、葉綠素a等水質指標，分析組合工藝對河水的處理效能。

1.4  分析方法

COD采用高錳酸鹽指數法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，色度采用鉑鈷比色法，葉綠素a采用分光光度法^[4]；濁度采用Turb550濁度儀測定；pH采用Orion868-2型pH計測定；過濾水頭損失通過過濾前后的測壓管水頭差表征；水溫采用溫度計測定。

2 結果與討論

2.1 對濁度的去除

    受暴雨影響，原水濁度的變化幅度較大，最高值為56.7 NTU，最小值為12.1 NTU，平均值為28.9 NTU。向原水中投加聚合氯化鋁，經混合、絮凝后，形成的大量微小絮體進入一級輕質濾料濾池。一級濾后水的濁度受原水的影響較大，最大值為7.24 NTU，最小值為1.67 NTU，平均值為2.85 NTU。二級濾后水的濁度非常低且較為穩定，最大值為0.17 NTU，最小值為0.01 NTU，平均值為0.04 NTU（見圖4）。投加次氯酸鈉對濁度沒有明顯的影響，最終出水濁度介于0.01～0.15 NTU之間，平均值為0.04 NTU。組合工藝對濁度的總去除率達到了99.9%，表現出了優秀的除濁效果。 

    一般來說，粒徑較大的濾料之間的孔隙也較大，濾層對懸浮物的截留能力也較差，但輕質濾料濾池對水中的絮體表現出了非常強的截留能力，這應歸功于以下三個因素：（1）上向流過濾方式；（2）輕質濾料良好的粒徑均勻性；（3）較大的濾層厚度。在濾料粒徑均勻性良好（K₈₀=1.17）的同時采用上向流過濾方式，可以充分實現“反粒度過濾理論”^[5]，最大限度地發揮整個濾層的截留能力；而較大的濾層厚度可使濾層截留更多的懸浮物。

另外，兩級輕質濾料濾池在運行過程中均未出現快速堵塞現象（尤其是一級輕質濾料濾池）。運行24 h后，一級輕質濾料濾池的最大過濾水頭損失介于0.67～1.86 m之間，絕大多數時間小于1.50 m；二級輕質料濾池的最大過濾水頭損失不超過0.25 m。經分析，這應歸功于輕質濾料較大的粒徑。在濾料粒徑較大的條件下，濾料間的孔隙也相應較大，過濾阻力因而會減小。

2.2  對色度的去除

原水的色度介于25～40度之間，平均值為26.75度。一級濾后水的色度介于5～10度之間，平均值為6.25度。二級濾后水的色度非常穩定，均為5度（見圖5）。投加次氯酸鈉對色度沒有影響，最終出水的平均色度為5度。組合工藝對色度的總去除率為81.3%，除色效果良好。

色度是一項感官性狀指標，分為真實顏色（簡稱真色）和表觀顏色（簡稱表色）。真色是由水中溶解性物質引起的，也就是除去水中懸浮物后的顏色；表色是指沒有去除懸浮物的水所具有的顏色，包括了溶解性物質和不溶解性懸浮物所產生的顏色。本試驗中能夠被去除的色度主要指表色。隨著藻類等懸浮物及膠體物質經過混凝、過濾單元被有效去除，原水色度得以有效降低。次氯酸鈉對水中的懸浮物沒有明顯的去除作用，因此出水色度沒有進一步降低。

2.3  對COD的去除

原水的COD濃度介于3.70～5.81 mg/L之間，平均濃度為4.43 mg/L。輕質濾料濾池對COD的平均去除率為50.8%，其中一級和二級輕質濾料濾池對COD的平均去除率分別為31.6%和19.2%，濾后水的平均COD濃度分別為3.03 mg/L和2.18 mg/L。投加次氯酸鈉后，COD濃度進一步降低（平均值為2.12 mg/L），最終組合工藝對COD的總去除率為52.1%（見圖6）。

有機物可分為溶解態和懸浮態兩種，去除方法主要有生物法、物理法和化學法三種。生物法是通過微生物的新陳代謝降解水中的有機物；物理法是通過沉淀、過濾等物理方法去除水中呈懸浮態的有機物；化學法是通過化學藥劑氧化分解水中的有機物。試驗期間，未在濾料表面發現生物膜，因此可以排除生物法的影響，輕質濾料濾池對COD的去除主要是通過去除水中的懸浮物來實現的。由于輕質濾料濾池對水中懸浮物有高效截留作用，懸浮物中的腐殖質、藻類等有機物質可被有效去除。次氯酸鈉是強氧化劑，可氧化分解水中的部分有機物。因此，投加次氯酸鈉可進一步提升COD的去除效果。最終，組合工藝對COD的總去除率為52.1%。

2.4  對氨氮的去除

原水中的氨氮濃度介于0.37～0.45 mg/L，平均值為0.40 mg/L。輕質濾料濾池對氨氮的平均去除率為27.5%，其中一級和二級輕質濾料濾池對氨氮的平均去除率分別為22.5%和5.0%，濾后水平均氨氮濃度分別為0.31 mg/L和0.29 mg/L。經次氯酸鈉處理后，最終出水中的氨氮被全部去除（見圖7）。

水中氨氮以銨根（NH₄⁺）和游離氨（NH₃）的形式存在，這兩種成分的比例隨水溫和pH值變化，以銨根為主^[6]。小部分的氨氮可通過混凝、過濾被去除，大部分的氨氮可與次氯酸發生反應.

2.5  對葉綠素a的去除

原水中的葉綠素a濃度介于8.43～12.32 ug/L之間，平均值為10.43 ug/L。輕質濾料濾池對葉綠素a的平均去除率為80.3%，其中一級和二級輕質濾料濾池對葉綠素a的平均去除率分別為70.4%和9.9%，濾后水的平均葉綠素a濃度分別為3.09 ug/L和2.06 ug/L。投加次氯酸鈉后，最終出水中的葉綠素a濃度為0 ug/L（見圖8）。

葉綠素是植物光合作用中的重要光合色素。通過測定浮游植物的葉綠素a，可掌握水中藻類的生長情況。由檢測結果可知，原水中的藻類含量處于較低水平，這可能與山區河流的有機物濃度較低且水流速度較快有關。輕質濾料濾池對藻類有很強的去除效果，這應該歸功于濾池對水中懸浮物的高效截留作用。次氯酸鈉與水反應會生成次氯酸，而次氯酸有強氧化性，可有效滅活水中的藻類，因此最終出水中未檢出葉綠素a。

3 結論

1.得益于上向流輕質濾料濾池對懸浮物的高效截留作用，組合工藝對濁度和色度均表現出了很好的去除效果，平均去除率分別達到了99.9%和81.3%，且濾池并未出現快速堵塞現象，運行非常穩定。

2.組合工藝對有機物有較好的去除效果，COD平均去除率為52.1%。其中，一級和二級輕質濾料濾池對COD的平均去除率分別為31.6%、19.2%，次氯酸鈉對COD的平均去除率為1.3%。

3.組合工藝能夠高效去除藻類，葉綠素a去除率高達100%。其中，一級和二級輕質濾料濾池對葉綠素a的平均去除率為分別為70.4%和9.9%，次氯酸鈉能夠滅活剩余藻類。

4.組合工藝能夠高效去除氨氮，氨氮去除率高達100%。其中，一級和二級輕質濾料濾池對氨氮的平均去除率分別為22.5%和5.0%，次氯酸鈉對氨氮的去除至關重要。

參考文獻

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3. 李偉進,平文凱,唐孝國.新一代曝氣生物濾池BIOSTYR^●工藝及其應用[J].中國給水排水,2009,25(22):76-80,83。

4. 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法（第四版）[M].北京:中國環境科學出版社,2002。

5. 劉洋.裝配式濾床對景觀水體原水中產濁物質的控制研究[D].西安:西安建筑科技大學,2019: 8-9。

6. 葉輝,許建華.飲用水中的氨氮問題[J].中國給水排水,2000,16 (11):31-34。

    

基金項目：徐州市重點研發計劃項目（KC22098）；江蘇省產學研合作項目（BY2022754），江蘇省科技副總項目（FZ20210338）；徐州市重點研發計劃項目（KC19105）。

作者簡介：李雨萱（2002.11-），女，本科生，研究方向為水污染控制技術；聯系電話: 13914874020；電子郵件: liuqiang_1207@163.com

通訊地址：江蘇省徐州市云龍區麗水路2號，徐州工程學院環境工程學院；郵編：221018