水廠常規工藝去除可生物同化有機碳的研究
論文作者：吳紅偉 劉文君 張淑琪 王占生 張彌 徐欣 樊康平
摘要： 研究 了小試規模的常規處理和實際水廠凈水工藝對可生物同化有機碳(AOC)的去除效果。結果表明，常規處理對AOC的去除波動較大(7.8?48.3，有一定的去除效果;活性炭對AOC的去除效果較好，去除率達60?右。根據對具有代表性的水廠出水調查結果，建議我國的飲用水AOC控制標準為200 μg乙酸碳/L。
關鍵詞：AOC 生物穩定性
可生物同化有機碳(AOC)是有機物中最易被微生物合成菌體的、支持異養細菌生長繁殖最好的營養基質。國外普遍采用AOC作為反映飲用水生物穩定性的替代參數，飲用水的生物穩定性是指飲用水中可生物降解有機物支持異養細菌生長的潛力。水中AOC可反映水中細菌生長的限制性營養水平，可以鑒定飲用水的生物穩定性。在沒有加氯的情況下，AOC<10～20 μg乙酸碳/L的飲用水為生物穩定的水;在加氯的情況下，AOC<50～100 μg乙酸碳/L的水為生物穩定的飲用水[1]。生物不穩定的飲用水會使細菌在給水管網中重新生長[2、3]，使用戶水色度和濁度上升，細菌數增加，導致水質的二次污染[4]，因此應該盡量減少出廠水中AOC。本研究考察了小試規模的常規處理和實際水廠凈水工藝對AOC的去除效果，并根據此試驗結果建議在近期內能實現的AOC控制標準。
1 試驗部分
1.1 試驗 方法
AOC測定方法由荷蘭的Van der Kooij首先提出，測定所用的菌種是從水中分離出來的熒光假單胞菌P17和螺旋菌NOX，其中P17為營養多樣性細菌，但不能利用草酸類基質，而NOX可利用草酸類基質，因此AOC為AOC-P17與AOC-NOX之和。以乙酸鈉作為標準基質，對生長到靜止期時的細菌進行平板計數，根據不同乙酸鈉濃度和在此濃度下兩種菌達到生長靜止期的數量作標準曲線，求出其生長因子，然后再根據待測水樣中接種的P17和NOX生長菌落數和生長因子求出AOC。
1.2 試驗流程
小試以頤和園內團城湖水為水源，具體流程為：原水→混凝沉淀→砂濾→活性炭→出水，設計參數見表1。實際水廠試驗取J水廠、T水廠和C水廠的出廠水為測試對象，這三個地表水源水廠均采用常規的混凝、沉淀、過濾和活性炭的深度處理。
表1 小試各裝置的設計參數
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凈水 工藝 |
尺 寸 (mm) |
填料 高度 (mm) |
填料 粒徑 (mm) |
停留 時間 (min) |
濾速 (m/h) |
| 混凝 | 150×100 | 1 | |||
| 沉淀 | 800×250×800 | 150 | |||
| 砂濾 | 100×1 900 | 800 | 1～1.5 | 10 | |
| 活性炭 | 100×2 800 | 1 500 | 1～2 | 9 | 10 |
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2 試驗結果和討論 由于進水水質和水溫的變化，小試常規處理對AOC的去除率在17.1%～44.9%內波動，具有一定的去除效果。經活性炭處理后，AOC有較大的降低，去除率約為24.5%～40.2%，且隨著運行時間的增加，去除率也會增大。但本試驗總的運行時間并不長，活性炭尚屬于新炭，表面還沒有形成豐富的生物膜，主要靠物理吸附作用對AOC進行去除。因此當活性炭成為生物炭時，加上微生物的降解作用，組合工藝的出水AOC會更低。小試和三個地表水源水廠一年5次取樣，對AOC的去除效果見表2和表3。 表2 小試工藝的AOC測定結果 |
| 時 間 | 1998年10月 | 1998年7月 | 1998年4月 | ||||||
| 項 目 | AOC-P17 | AOC-NOX | AOC | AOC-P17 | AOC-NOX | AOC | AOC-P17 | AOC-NOX | AOC |
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原 水 (μg乙酸碳/L) |
215 | 68 | 283 | 223 | 70 | 293 | 182 | 36 | 218 |
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砂濾出水 (μg乙酸碳/L) |
128 | 31 | 159 | 185 | 58 | 243 | 118 | 37 | 155 |
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砂濾工藝 去除率(%) |
40.5 | 54.4 | 44.9 | 17.0 | 17.1 | 17.1 | 35.2 | -2.8 | 28.9 |
|
GAC出水 (μg乙酸碳/L) |
75 | 20 | 95 | 122 | 40 | 162 | 99 | 18 | 117 |
|
GAC工藝 去除率(%) |
41.4 | 35.5 | 40.2 | 34.0 | 31.0 | 33.3 | 16.1 | 51.4 | 24.5 |
|
組合工藝 去除率(%) |
65.1 | 70.6 | 66.4 | 45.3 | 42.8 | 44.7 | 45.6 | 50.0 | 46.3 |
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表3 實際水廠的AOC測定結果 μg乙酸碳/L |
| 時間 |
處理 工藝 |
J水廠 | T水廠 | C水廠 | ||||||
| 進水 | 出水 | 去除率(%) | 進水 | 出水 | 去除率(%) | 進水 | 出水 | 去除率(%) | ||
| 冬☆ | 組合工藝 | 221 | 130 | 41.2 | 305 | 203 | 33.4 | 298 | 263 | 11.7 |
| 春☆ | 組合工藝 | 79* | 41* | 48.1 | 343 | 121 | 64.7 | 204 | 153 | 25 |
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1997 年 夏 |
常規工藝 | 323 | 167 | 48.3 | 219 | 202 | 7.8 | 259 | 191 | 26.2 |
| 活性炭 | 167 | 115 | 31.1 | 202 | 103 | 49.0 | 191 | 108 | 43.5 | |
| 總去除 | 323 | 115 | 64.4 | 219 | 103 | 52.9 | 259 | 108 | 58.3 | |
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1997 年 秋 |
常規工藝 | 350 | 249 | 28.8 | 270 | 231 | 14.4 | 285 | 188 | 34.0 |
| 活性炭 | 249 | 86 | 65.5 | 231 | 91 | 60.6 | 188 | 69 | 63.3 | |
| 總去除 | 350 | 86 | 75.4 | 270 | 91 | 66.3 | 285 | 69 | 75.8 | |
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1998 年 春 |
常規工藝 | 301 | 248 | 17.6 | 329 | 275 | 16.4 | 270 | 247 | 8.5 |
| 活性炭 | 248 | 165 | 33.5 | 275 | 205 | 25.4 | 247 | 195 | 21.0 | |
| 總去除 | 301 | 165 | 45.2 | 329 | 205 | 37.7 | 270 | 195 | 27.8 | |
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注 *為AOC-NOX值； |
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從表3中看出： ① J水廠常規處理對AOC去除率為17.6%～48.3%，T水廠僅為7.8%～16.4%，C水廠約為8.5%～34.0%。和小試結果一樣，常規處理如果運行較好，對AOC有一定的處理效果，但如果水溫較低(例如春季)，混凝沉淀效果受 影響 ，則去除率將下降。J水廠處理效率較高可能與其采用煤砂雙層濾料濾池有關，煤渣的吸附作用和細菌易于在載體上附著生長的特性使其保持對AOC的良好去除。 ② 三個水廠的活性炭都使用了一年以上，因其附著有微生物，對AOC具有生物降解作用，因此均表現了對AOC較高的處理效果，特別是秋季達到60%以上，普遍比小試中的活性炭處理效果好。J水廠夏季活性炭對AOC去除率僅為秋季的一半，C水廠也明顯低于秋季，其原因可能在于夏季為殺藻投加了氯。而秋季取樣時J廠和C廠進水未預氯化，使活性炭上細菌生長環境良好。另外春季活性炭對AOC的去除效率偏低，可能也與活性炭上的細菌在水溫較低時活性下降有關。 從小試和實際水廠出水調查結果得出，常規處理對AOC的去除波動較大，一般在7.8%～48.3%內變動，這和水溫以及采用的單元工藝都有關系。活性炭對AOC的去除效果較好，其吸附作用對AOC的去除率為30%左右，當活性炭使用時間變長，有微生物的作用后，其對AOC的去除率能達到60%左右。當水源水質較好，AOC在200～300 μg/L時，常規工藝即使發揮較高的處理效果也很難使出水達到生物穩定，但再經過生物炭的深度處理，則有可能使出水AOC<100 μg/L，再經過適當的消毒方式，可使進入管網的水達到生物穩定。 |
3 我國飲用水AOC控制標準的建議
荷蘭Van Der Kooij博士認為，為了控制管網中異氧菌的生長，出廠水AOC應<10～20 μg/L。在美國，為了控制大腸菌的生長，建議AOC應<50～100 μg/L。Louis A.Kaplan等人對美國和加拿大的51個水廠調查表明，95%的地表水源水廠和50%的地下水源水廠不能達到50 μg/L的標準，所有的水廠均不能達到10 μg/L的標準。
相對于外國，我國的水源水普遍污染嚴重，處理工藝和設備較落后，在發達國家尚不能達到生物穩定的飲用水標準的情況下，生搬硬套此標準是不現實的，因此應該針對實際情況提出一個符合我國國情的AOC控制標準。要準確地確定這一指標是十分困難的，應該進行長期的模擬管網試驗，綜合考慮加氯對AOC、細菌生長和消毒副產物形成的 影響 ，提出 科學 的指標。就 目前 研究 而言，對水廠水質進行實際調查是比較有效的 方法 。這一控制標準的確定應該基于以下幾點：①根據我國國情， 參考 發達國家的經驗，以我國較優水質水廠為基準。②這一標準對國內大多數水廠來說目前未能達到，但采用一定的處理技術后是可以達到的。③最重要的是提出的控制標準能真正有效地防止細菌在管道中生長。北京市的水源歷來被認為是國內較好的，對北京自來水的普查可以作為國內這方面研究的參照，表4是北京市五個水廠出廠水全年的AOC實測值。
表4 各水廠的出廠水AOC值 μg乙酸碳/L
| 水廠名稱 | 冬 | 春 | 夏 | 秋 | 春 |
| J水廠 | 130 | 168 | 202 | 198 | |
| T水廠 | 203 | 121 | 191 | 193 | 342 |
| C水廠 | 263 | 153 | 201 | 235 | 247 |
| B水廠 | 108 | 116 | 176 | 230 | 217 |
| Q水廠 | 383 | 156 | 201 | 160 | 301 |
| 注 取樣時間順序為1996年冬、1997年春、1997年夏、1997年秋和1998年春。 | |||||
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表4中J水廠和B水廠分別是國內目前地表水源水廠和地下水源水廠中水質較好的代表，可以作為參照水廠。J廠出水AOC全年基本<200 μg/L；T水廠水源水是密云水庫水經京密引水渠至頤和園團城湖然后送至水廠，水質受引水渠沿途污染影響，進廠水比J廠略差，但由于采用了活性炭處理，出廠水AOC與J廠差不多，除1998年春季外也基本<200 μg/L；C水廠水源水為三家店水庫水(1998年后改為頤和園團城湖水)，其水質更差，盡管處理工藝與J和T水廠相同，有活性炭單元，出廠水AOC基本在200～300 μg/L。B水廠除秋季為230 μg/L、1998年春季為213 μg/L外，也<200 μg/L。Q水廠冬季出廠水AOC達383 μg/L，1998年春季為301 μg/L，其余季節也在200 μg/L以內。在水質普查中并未發現出廠水、管網水和末梢水中的細菌總數和大腸菌超標，因此可以認為AOC近期控制目標為200 μg/L，遠期目標為100 μg/L，水廠采用生物處理工藝或活性炭工藝是可以達到這一標準的。如果出廠水有機物含量低，加氯后AOC將不會有大的增加，有利于控制細菌的增長。
參考 文獻
1 Lechevallier M W et al.Development of a Rapid Assimilable Organic Carbon Method for Water.App Envir Micro,1993;59(5):1526～1531 |
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