預(yù)氯胺化助凝助濾效能的研究*

李星¹，楊艷玲¹，陳杰²，李圭白²，何文杰³，韓宏大³
（1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100022；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 哈爾濱 1500903.天津市自來水集團(tuán)有限公司 天津300040）

　　摘要：本文分別以低溫低濁水及高溫高藻水為研究對象，通過中試試驗(yàn)考察了氯胺預(yù)氧化助凝、助濾效能。結(jié)果表明，氯胺具有顯著的助凝、助濾效果，預(yù)氯胺化工藝可明顯降低氣浮工藝以及過濾工藝出水濁度，同時(shí)明顯降低了過濾出水中的顆粒數(shù)，延長了濾池的運(yùn)行周期，使濾池的運(yùn)行時(shí)間延長了15%以上。
　　關(guān)鍵詞：預(yù)氯胺化，濁度，顆粒數(shù)，過濾周期，低溫低濁水，高溫高藻水，中試

Study of Pre-chloramination efficacy on coagulation aid and filtration aid

Abstract: Pre-chloramination efficacy on coagulation aid and filtration aid is investigated in pilot-scale plant by water with low temperature and low turbidity and water with high temperature and high algae respectively. The results show that chloramine is provided remarkably with effect of coagulation aid and filtration aid. The outlet water turbidity of flotation and filtration processes are clearly reduced by pre-chloramination. Meanwhile, particle numbers in filtered water are obviously reduced, and filtration period is prolonged up to 15% above.

Key words: Pre-chloramination, turbidity, particle number, filtration period, water with low temperature and low turbidity, water with high temperature and high algae, pilot-scale plant

　　當(dāng)前飲用水水源普遍受到污染，受污染的水中含有較高濃度的溶解性天然有機(jī)物，這些有機(jī)物增加了水中膠體濁質(zhì)的穩(wěn)定性，使常規(guī)工藝的混凝效果受到極大的影響，在冬季低溫低濁期及夏季高藻期尤為明顯，一些水廠出現(xiàn)了濾后水濁度和顆?？倲?shù)居高不下的情況。
　　為了提高混凝效果，水廠通常采用預(yù)氯化處理方法，預(yù)氯化在控制嗅味、防止細(xì)菌和藻類在水處理構(gòu)筑物中繁殖，氧化有機(jī)物提高混凝效果方面是非常有效的措施。但當(dāng)飲用水水源有機(jī)污染嚴(yán)重時(shí)，預(yù)加氯中的大部分消耗在氧化還原性的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)，不但增加了氯耗，還生成大量的三鹵甲烷（THMs）等致癌副產(chǎn)物。有研究表明，在加氯同時(shí)加入銨鹽，使氯轉(zhuǎn)化為氯胺，可降低飲水中三鹵甲烷生成量[1]。因此本文以冬季低溫低濁水及夏季高藻水為研究對象，考察氯胺預(yù)氧化的助凝、助濾效果及對濾池的運(yùn)行周期的影響。

1.試驗(yàn)材料與方法

1.1 原水水質(zhì)特點(diǎn)
　　試驗(yàn)水樣為天津冬季引黃水，水庫處于鹽堿地，水質(zhì)特點(diǎn)概括起來為低溫，低濁，高有機(jī)物，高溴離子四個(gè)特點(diǎn)。夏季試驗(yàn)水體是灤河水，呈富營養(yǎng)化狀態(tài)，藻類大量繁殖，具有高溫，高藻，高有機(jī)物三個(gè)特點(diǎn)。
1.2中試系統(tǒng)圖
　　中試系統(tǒng)為兩套完全相同的平行系統(tǒng)。每套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為5m³/h，每個(gè)預(yù)氧化罐水力停留時(shí)間為10分鐘。每套系統(tǒng)的過濾出水處接有在線激光顆粒計(jì)數(shù)儀，連續(xù)監(jiān)測過濾出水中的顆?？倲?shù)及其粒徑分布，數(shù)據(jù)傳輸至工作站進(jìn)行處理和存貯（圖1）。

1.3主要指標(biāo)的檢測方法
　　濁度采用Hach2100N型濁度儀測定，顆?？倲?shù)采用美國Inter Basic Resources公司產(chǎn)在線激光顆粒計(jì)數(shù)儀連續(xù)監(jiān)測，余氯采用DPD-硫酸亞鐵銨滴定法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。

2．試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1預(yù)氯胺化對冬季低溫低濁水的助凝、助濾效果
　　預(yù)氧化罐前端投加氯水或同時(shí)投加氯水和氨水，中試系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)小時(shí)后開始取樣，并且連續(xù)運(yùn)行，白天取2組，夜間取1組，共運(yùn)行4個(gè)過濾周期左右，結(jié)果如圖2所示。

圖2 冬季低溫低濁水氯胺的助凝效果

　　試驗(yàn)期間原水中有一定濃度的氨氮（0.1～0.2mg/L），當(dāng)預(yù)投加1.0mg/L的氯水，預(yù)氧化10分鐘后殘余氯的主要形態(tài)為化合氯，僅有微量的自由氯，因此實(shí)際起作用的為氯胺，運(yùn)行一段時(shí)間后改為同時(shí)投加0.32mg/L氨氮和2.0mg/L的氯水，預(yù)氧化10分鐘后殘余氯的形態(tài)全部為化合氯，故上述皆稱為預(yù)氯胺化工藝。
　　從圖2可以看出，預(yù)氯胺化明顯降低了氣浮過濾出水的濁度指標(biāo)。常規(guī)工藝氣浮出水濁度不高，但是過濾效率很低，出水濁度在0.4～0.5NTU左右。預(yù)氯胺化后氣浮出水濁度指標(biāo)降低了0.2～0.4NTU，氣浮工藝的濁度總?cè)コ势骄岣吡?％。濾后水濁度與普通工藝相比較降低了0.1～0.25NTU，濁度總?cè)コ侍岣吡?％左右，使過濾出水濁度保障率大大提高。
2.2預(yù)氯胺化對夏季高藻水的助凝助濾效果
　　預(yù)氧化罐前端投加氯水或同時(shí)投加氯水，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后開始取樣，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，白天取2組，夜間取1組，共運(yùn)行3個(gè)周期左右，結(jié)果如圖3所示。

圖3 夏季高藻水氯胺的助凝效果

　　試驗(yàn)水質(zhì)期間氨氮為0.22～0.35mg/L。在預(yù)加氯1.0～2.0mg/L的情況下10分鐘后從預(yù)氧化罐中取余氯檢測發(fā)現(xiàn)殘余氯的主要形態(tài)是化合氯，僅有微量的自由氯存在，說明在此加氯條件下起主導(dǎo)作用的是氯胺，故可認(rèn)為是預(yù)氯胺化工藝。
　　 從圖3可以看出，對于高藻水體預(yù)氯胺化工藝同樣具有明顯的助凝助濾效果。由于原水中藻類較多，常規(guī)工藝的混凝效果不好，過濾效率明顯降低，加大混凝劑投量也難以降低降低濾后水濁度（混凝劑投量20mg/L左右）。投加少量的氯（實(shí)為氯胺）以后，氣浮過濾出水明顯降低，與常規(guī)工藝相比，氣浮出水濁度降低了15％～30％左右，濾后水濁度降低了0.15NTU～0.3NTU ，可見氯胺的氧化助凝效果顯著。
2.3預(yù)氯胺化對濾后水中顆粒物的強(qiáng)化去除效果
　　試驗(yàn)在低溫低濁水質(zhì)期進(jìn)行，預(yù)氧化罐前段投加0.32mg/L的NH₃-N和2.0mg/L的氯水，運(yùn)行1小時(shí)后開始每隔一定時(shí)間檢測過濾出水中的顆?？倲?shù)及其粒徑分布，并且與常規(guī)工藝比較，結(jié)果如圖4所示。
　　由于混凝效果不好，常規(guī)工藝過濾出水顆粒數(shù)極高，并且粒徑主要集中在2～7μｍ之間。預(yù)氯胺化后過濾出水顆粒數(shù)迅速下降，很快穩(wěn)定在較低水平。在一個(gè)過濾周期內(nèi)，普通工藝過濾出水顆粒總數(shù)平均為3405個(gè)/ml，預(yù)氯胺化濾后水顆粒總數(shù)平均降到1246個(gè)/ml，較少了63.4%，其中2～7μｍ的顆粒數(shù)減少了1646個(gè)/ml，7～15μｍ的顆粒數(shù)減少了452個(gè)/ml，15μｍ以上的顆粒數(shù)減少了60個(gè)/ml。致病原生動物的粒徑通常在3～15μｍ之間，如賈滴蟲的粒徑為8～12µm，隱孢子蟲的粒徑為4～6μｍ，因此濾后水中的顆粒數(shù)在此粒徑范圍內(nèi)的大幅降低具有重要的實(shí)際意義。

圖4 濾后水中的顆?？倲?shù)及其粒徑分布

　　顆粒計(jì)數(shù)技術(shù)是監(jiān)控過濾出水致病原生動物污染的有效措施^[2]。天然水體中的病原微生物個(gè)體表面一般都帶有負(fù)電荷,經(jīng)過混凝后,大多數(shù)隱孢子蟲與賈第蟲卵囊都可吸附到絮凝體上,在沉淀和過濾過程中去除^[3][4]。病原原生動物的去除程度應(yīng)與顆粒污染物的去除率有相同的數(shù)量級,因此預(yù)氧化對過濾工藝的強(qiáng)化是一個(gè)重要的微生物安全屏障：一方面預(yù)氯胺化降低了濾后水中的顆粒數(shù)，相應(yīng)降低了致病原生物穿透濾池污染飲用水的幾率；另一方面過濾出水顆粒數(shù)比較穩(wěn)定，波動較小，提高了水處理工藝的抗沖擊負(fù)荷能力。
2.4 預(yù)氯胺化對濾池過濾周期的影響

圖5 預(yù)氯胺化對濾池運(yùn)行周期的影響

　　從圖5可以看出，預(yù)氯胺化工藝明顯延長了濾池的運(yùn)行周期。常規(guī)工藝的平均運(yùn)行時(shí)間為22.9h，預(yù)氯胺化工藝的平均運(yùn)行時(shí)間為26.5h，延長了15.7%。由于濾池的反沖洗水量非常大，運(yùn)行周期的延長可以減少濾池反沖洗的頻率，相應(yīng)降低了制水成本。分析可能是預(yù)氯胺化降低了濾前水濁度，減輕了濾池的過濾負(fù)荷，并且提高了濾池的截污能力，故運(yùn)行周期明顯延長。

3 預(yù)氯胺化助凝的機(jī)理分析

　　氯胺作為氧化劑，氧化還原電位大約在1.13V，因此氯胺的氧化助凝的機(jī)理與其它氧化劑基本相同，但是由于其較強(qiáng)的持續(xù)氧化能力和優(yōu)良的滅活微生物菌團(tuán)能力，又有著其自身的特點(diǎn)：
　　 1）氯胺的氧化作用^[5] 。氯胺和其在水中的水解產(chǎn)物次氯酸、二氯胺等通過破壞膠體顆粒表面的有機(jī)涂層,降低膠體顆粒表面負(fù)電荷和雙電層排斥作用、減小顆粒間的空間阻礙,達(dá)到有利于顆粒間的碰撞的效果,使水中膠體顆粒易于脫穩(wěn),形成較大的絮體顆粒，從而有利于后繼氣浮-過濾工藝對顆粒物的去除；
　　 2）氯胺對原水中浮游生物如藻類的滅活作用。藻類本身帶負(fù)電，同時(shí)其代謝產(chǎn)物（如碳水化合物、肽和有機(jī)酸等）會吸附在膠體顆粒表面，增加其負(fù)電性，從而使混凝效果不好；同時(shí)藻類會粘附在濾料表面，使濾池過濾周期顯著縮短，造成濾池頻繁反沖洗。氯胺可滅活藻類，破壞其對常規(guī)水處理工藝的不利影響，從而體現(xiàn)出對高藻水體的顯著助凝助濾效果。
　　 3）氯胺對濾料表面有機(jī)物和微生物的破壞作用。常規(guī)工藝濾料表面通常被有機(jī)物包裹或附著生長一些微生物，從而使水中的顆粒物不易與濾料結(jié)合從而失去一定的過濾截留功能。氯胺比較穩(wěn)定，在進(jìn)入濾池前能保持較高的濃度，進(jìn)入濾池后不僅氧化去除了濾料表面的有機(jī)物，而且由于其較強(qiáng)的穿透生物膜能力[6]，能夠滲透內(nèi)部滅活濾料表面附著生長的微生物菌團(tuán)，從而使其在反沖洗中易于脫落，濾料的吸附截污能力提高，相應(yīng)過濾效率提高，過濾周期延長。

4.結(jié)論

　　中試試驗(yàn)結(jié)果表明，氯胺具有顯著的助凝助濾效果，明顯降低了過濾出水中的顆粒數(shù)，延長了濾池的運(yùn)行周期。該工藝不需要改變水廠現(xiàn)有工藝，運(yùn)行操作簡單，價(jià)格便宜，設(shè)備投資小，易于在給水處理中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

1．蔣興錦．飲水的凈化和消毒[M]．中國環(huán)境科學(xué)出版社，1989：224~225
2．Lechevallier, M, et al. Examining relationships between particle counts and giardia, cryptosporidium, and turbidity[J]. J.AWWA,1992,84(12):54.
3．Dugan N R, et al. Controlling cryptosporidium oocysts using conventional treatment [J].J.AWWA,2001,93(12):12-25.
4．Betancourt W Q, et al. Drinking water treatment processes for removal of Cryptosporidium and Giardia[J]. Veterinary Parasitology,2004,126:219–234.
5．Jekel, M. R. Effects and mechanisms involved in preoxidation and particle separation processes[J].Wat.Sci.Tech,1998,37(10):1-7
6．Norton, C.D., et al. chloramination: Its effect on distribution system water quality[J]. J.AWWA, 1997,89(7):66-77

作者簡介：李星（1963），男，研究員，博士　 研究方向：安全飲用水保障技術(shù)　 電話：01088586585
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