（环境工程专业论文）高藻高有机污染水源水处理技术研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 由于饮用水水源受到污染，传统的水处理工艺正面临着严峻的挑战，水质成 为保障城市供水安全的关键性因素。本文在对济南市两种类型受污染水库水源水 的水质特征进行分析研究的基础上，从水源水水质改善、常规工艺强化、深度处 理等方面对源水处理关键技术进行了探讨。主要研究内容及结果如下： 1 、分析评价了济南市主要饮用水源山区水库和引黄水库的常规化学指标、 挥发、半挥发性有机物指标、异味物质指标和藻类污染指标，结果显示二者均受 到较重的有机污染和藻污染，水质呈现高藻高有机污染特性，导致水体有明显异 味。 2 、分析了现有给水常规处理工艺的净水能力。通过水厂出水水质指标测试 分析，结果显示现有工艺对遭受藻类污染的水库水的水质净化能力有限。混凝、 消毒单个工序对胞外藻毒素的去除率维持在1 8 4 4 ，砂滤没有去除效果，常规 工艺对胞外藻毒素的平均去除效率为2 8 ；混凝、砂滤、消毒单元工序对总藻毒 素的去除率维持在3 0 以内，传统工艺对总藻毒素平均去除6 2 。 监测数据也表明现有工艺对异味物质的去除几乎没有效果。引黄水库出水经 水厂处理后引起异味的主要为土味素和甲基异冰片，浓度超过生活饮用水卫生标 准。南部山区水库出水经水厂处理后引起异味的主要是甲基异冰片，浓度超过生 活饮用水卫生标准。 水厂用户终端一溴二氯甲烷、三卤甲烷各类化合物中每种化合物实测浓度与 各自限值的比值之和超过生活饮用水卫生标准( g b 厂r 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 限值，显示由 于水源水高藻有机污染的存在，加氯消毒副产物浓度升高，降低了出水的安全性。 3 、通过对水库一个水文年度不同深度水质指标研究，发现浅型水库内部存 在随季节交替而迁移转化的活性反应带，活性带覆盖的水体水质较差。在具备形 成水库水体热分层的气候条件下，能否有足够的水力停留时间和水库底部是否有 能提供内源性氮磷营养的底泥是水库能否形成活性反应带的两个缺一不可的必 要条件。 山东大学博士学位论文 4 、基于水库活性区的研究，提出通过实施必要的工程技术措施压缩活性区 厚度，改善水库水质和避开活性带分层取水可有效提高水库出水水质的建议。 d d d m a c ( 氯化双十二烷基二甲基铵) 是一种以椰树胶为原料合成的一种新型 高分子絮凝剂，试验结果显示该药剂对藻类具有很强的抑制作用，l m g l 的投加 量足以实现对藻类生长的抑制，因此可以考虑被用来抑制原水输水管道和水厂各 制水工序中的藻类生长。 5 、通过对常规处理工艺各阶段蓝藻藻体形态破坏及藻毒素的释放机制研究， 表明混凝处理的高渗状态虽不致使藻体破碎，但却促使藻体局部破损，释放胞内 藻毒素；预氯化可直接导致藻体破坏及藻毒素的释放。 6 、实验室和现场运行研究证明高锰酸钾、湿式粉末活性炭均能改善混凝效 果，强化藻污染的消除，提高后续净化能力。采用高锰酸钾湿式粉末活性炭助 凝工艺( k p p ) ，克服了干炭污染重、效率低等缺陷，分别投j n o 5 m g l l 拘高锰 酸钾和2 0 m g l 的湿式粉末活性炭可显著去除藻类污染、消除嗅味物质，常规工 艺的水质净化能力提高明显。 7 、研发获得复合混凝剂r e m a ，试验数据表明它是一种除藻型高效混凝剂， 可用于高藻水高效混凝体系的构建。r e m a 强化混凝工艺对藻类的去除率在9 0 以上，耗氧量保持在3 m g l 以下，且能解决嗅味污染问题。 8 、研究设计了活性炭床浮滤池净水工艺，实现了气浮与过滤一体化，高度 集成了多种除污染机理，可实现藻和有机物同时去除，同时能且运行方式灵活、 占地面积较省。该工艺形式由于不需单独设置完整的絮凝池，可显著降低基建投 资，适用于老水厂的工艺改造。预氧化强化的浮滤池工艺拓展了源水适应性，提 高了污染物消减能力，藻、藻毒素和嗅味物质的去除率超过9 0 ，耗氧量去除率 超过5 0 ，水质全面改善。 本文为自来水厂寻求高效安全的水质净化工艺提供了技术支持。 关键词：受污染水源水；活性反应带；强化混凝；除藻型混凝剂；浮滤池工艺 2 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si sf a c e dw i t hs e v e r ec h a l l e n g ef r o mt h e a c c e l e r a t e dp o l l u t i o no fd r i n k i n gs o u r c ew a t e r w a t e rq u a l i t yb e c o m e st h ek e yf a c t o r f o rt h es a f e t yo fu r b a nw a t e rs u p p l y t h ew a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t k i n d so fp o l l u t e dr e s e r v o i r sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r , a n ds o m en e w t e c h n o l o g i e s a n d p r o c e s s e s o fs o u r c ew a t e r q u a l i t yi m p r o v e m e n t ；c o n v e n t i o n a lp r o c e s s e n f o r c e m e n ta n da d v a n c e dt r e a t m e n tw e r ep r o p o s e da n dd i s c u s s e d t h ef o l l o w i n g s w e r et h em a j o rs t u d ya n dr e s u l t s 1 s u c hi n d e x e sa sc o d r 帆t n ，t p , n h s - n ，n o s - n ，v o c s ，s e m iv o c s ，o d o r a n da l g a es h o wt h a tb o t ht h em o u n t a i nr e s e r v o i ra n dy e l l o wr i v e rr e s e r v o i ra r e p o l l u t e db yo r g a n i cm a t t e ra n da l g a ew h i c hc a u s ea p p a r e n tu n p l e a s a n ts m e l l h i g h c o n c e n t r a t i o n so f a l g a ea n do r g a n i cm a t t e ra r et h ec o m m o nc h a r i c t e r i s t i c s 2 a n a l y s i sd a t as h o w e dt h ec u r r e n tc o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sh a s s e v e r es h o r t c o m i n g sf o rt r e a t i n gw a t e r p o l l u t e db yo r g a n i cm a t t e ra n da l g a e ： t h ea b i l i t yo fr e m o v i n ga l g a ei sl i m i t e d t h eg e n e r a lr e m o v a lr a t eo fe x t e r n a l c e l l u l a rm i c r o c y s t i n si sa b o u t2 8 w h i l et h er e m o v a lr a t eo ft o t a lm i c r o c y s t i n si s a b o u t6 2 o d o rc a l lh a r d l yb er e m o v e dt h r o u g ht h ec u r r e n tp r o c e s s t h em a j o rs u b s t a n c e c a u s i n go d o ri sg s m ( g e o s m i n ) f o rt r e a t e dm o u n t a i nr e s e r v o i rw a t e r , a n di sg s ma n d m i bf o rt h et r e a t e dy e l l o wr i v e rr e s e r v o i rw a t e r t h ec o n c e n t r a t i o n so ft h eo d o r s u b s t a n c e se x c e e d e dt h ec o r r e s p o n d i n gn a t i o n a ls t a n d a r d s t h m so ft h et a pw a t e re x c e e d e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e d b p sp o l l u t i o nb e c o m e sa b i gi s s u ew h i l ec 1 2 i sc o m m o n l yu s e df o rd i s i n f e c t i o n 3 t h e r ei sa na c t i v a t e dz o n ei nt h es h a l l o wt y p er e s e r v o i rt h a tc h a n g e sa l o n g w i t ht h es e a s o n a lv a r i a t i o n s a m p l eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n ds u b s t r a t es l u d g e s u p p l y i n ge n d o g e n o u sn & pn u t r i t i o na tt h eb o t t o mo fr e s e r v o i rw e r et h e i n d i s p e n s a b l ye s s e n t i a lc o n d i t i o n sf o r t h ea c t i v a t e da r e at of o r m 4 b ，a s e do nt h e r e s e a r c ho na c t i v a t e dz o n e ，s o m ee n g i n e e r i n gm e a s u r e st o c o m p r e s so rr e m o v et h ea c t i v a t e dz o n ew o u l dr e d u c et h ec o n c e n t r a t i o n so ft n & t p , 3 山东大学博士学位论文 i n h i b i tt h ee x c e s s i v em u l t i p l i c a t i o no fa l g a ei nt h ew a t e rt h e r e f o r ei m p r o v et h eq u a l i t y o fw a t e rb e i n gd r a w nf r o mt h er e s e r v o i rf o rd r i n k i n gs o u r c ew a t e r a v o i d i n gt h e a c t i v a t e da r e aw h e nd r a w i n gw a t e rf r o mt h er e s e r v o i r si sp r o p o s e da sam e a s u r et o i m p r o v et h ew a t e rq u a l i t yf o rd r i n k i n gw a t e rs o u r c e d d d m a ci s an e wk i n do f p o l y m e r i cf l o c c u l a n t 、订t l lc o c og u ma sr a wm a t e r i a l s g o o dr e s u l t sw e r eg e n e r a t e do n i n h i b i t i n ga l g a eg r o w t hw h e nlm g ld d d m a cw a sa d d e di nt h ew a t e r t h e r e f o r ei t m a yb eu s e df o ri n h i b i t i n gt h eg r o w t ho ft h ea l g a ei nt h es o u r c ew a t e ri np i p e l i n ea n d t h a ti nt h ew a t e rp u r i f i c a t i o nu n i t so ft h ew a t e rp l a n t s 5 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e l lb r e a k a g eo fc y a n o b a c t e r i u m ( m a e r u g i n o s a ) d u r i n gt h ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sr e s p e c t i v e l yw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h er e s u l t s s h o w e dt h a tc o a g u l a t i o nw o u l dn o tc a u s ea l g a ec e l lb r e a k a g e ，b u ti tw o u l dc a u s e i n t r a c e l l u l a rm i c r o c y s t i n sr e l e a s ei nw a t e rp r o c e s s c 1 2a so x i d a n tm a yc a u s eb o t h a l g a ec e l lb r e a k a g ea n d i n t r a c e l l u l a rm i c r o c y s t i n sr e l e a s e 6 b o t he x p e r i m e n t a la n do ns i t er e s e a r c hs h o w e dt h a t e i t h e rp o t a s s i u m p e r m a n g a n a t e ( k m n 0 4 ) o rw e ta c t i v a t e dp o w d e rc a r b o n ( w p a c ) c o u l d r e m o v ea l g a e a n di m p r o v ec o a g u l a t i o n k pp r o c e s si nw h i c h0 5 m g lk m n 0 4a n d2 0 m g lw p a c a r ea d d e di nt h ew a t e ra td i f f e r e n tl o c a t i o n ，c o u l dr e m o v ep o l l u t a n t sf r o ma l g a ea n d o d o rs u b s t a n c ee f f e c t i v e l ys ot h a tt h et r e a t m e n te f f e c to ft h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s sw a s e n h a n c e dg r e a t l y 7 r e m ai sd e s i g n e di nt h er e s e a r c ha n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e di ti sa h n do fh i g he f f i c i e n c yc o a g u l a n tt h a tc o u l dr e m o v ea l g a ei nt h ep o l l u t e dr e s e r v o i r w a t e rw i t h o u tb r e a k i n gt h ea l g a ec e l l m o r et h a n9 0p e r c e n to fa l g a ec o u l db e r e m o v e di nt h ei n t e n s i f i e dc o a g u l a t i o np r o c e s s 丽t 1 1r e m aa sc o a g u l a n t t h ec o d m n i nt h ee f f l u e n tw a sb e l o w3 m g la n dt h ep o l l u t a n t so fo d o rw e r ea l s or e m o v e d 8 f l o a t i n gf i l t e rt a n ki s s e tu pa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a ti ti sa n e f f i c i e n tu n i t f o rt h et r e a t m e n to fw a t e rw i t hh i g ha l g a ec o n c e n t r a t i o n p r e o x i d a t i o n c o u l di m p r o v et h et r e a t m e n te f f e c to ft h ef l o a t i n gf i l t e rt a n kg r e a t l ya n de x p a n di t su s e f o rd i f f e r e n ts o u r c ew a t e ra sw e l l t h er e m o v a lr a t e so fa l lt h ei n d e x e se x c e p tc o d m n w e r ec l o s et oo re v e nh i g h e rt h a n9 0p e r c e n t ，s o m eo ft h e ma r ee v e na sh i g ha s10 0 p e r c e n t 4 山东大学博士学位论文 t h i ss t u d yw o u l dp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ew a t e rp l a n tt of i n da nm o r e e f f e c t i v ea n ds a f e rw a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：p o l l u t e d s o u r c ew a t e r ；a c t i v a t e dz o n e ；e n h a n c e dc o n v e n t i o n a l t r e a t m e n t ；c o a g u l a n tr e m o v i n ga l g a e ；f l o a t i n gf i l t e rt a n k 5 山东大学博士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 水是生命之源，饮用水的安全性对人体健康至关重要。我国是联合国列出的 世界上最缺水的1 3 个国家之一，全国6 0 0 多座城市中有一半缺水，1 0 0 多座城市 严重缺水【1 1 。 随着社会的发展和人口的增加，用水量和排水量都不断上升，各种生产废水 和生活污水未达排放标准就直接进入水体，给水环境造成了极大的污染，缺水和 水源污染成为当今社会的严重问题。2 0 0 6 年，在国家环境监测网实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中，、v 和劣v 类水质的断面比例为6 0 ，松花江、黄河、 淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。2 7 个国控重点湖( 库) 中，、v 和 劣v 类水质的湖( 库) 1 9 个【2 】。全国7 大水系中，不适合作饮用水源的河段超过 5 0 ，尤其在人口密集、工业发达的地区更加严重。由于受到污染，国内主要地 表水源地氮、磷及有机物污染严重，富营养化问题突出，藻类大量滋生，“水华” 事件时有发生，这给传统自来水厂带来严重的挑战的同时【3 】，也给人类饮水安全 造成极大威胁。2 0 0 7 年5 月，无锡太湖发生了蓝藻爆发水污染事件，当地居民生 产生活造成严重影响；同期，巢湖和滇池也发生了不同程度的蓝藻污染事件。 目前国内绝大部分水厂普遍采用常规处理工艺，即混凝沉淀过滤消毒工 艺。这种工艺只能有效去除水中的悬浮物、胶体物质、细菌和大肠杆菌等，而 对藻类和有机污染物特别是溶解性有机污染物的去除能力较差。为达到水厂出 水水质的要求，当水源水质呈恶化趋势时，水厂通常采取在净水工艺前增加预 处理，或增加强化处理、深度处理等工序，投加更多的化学药剂，水处理工艺 变得十分复杂，制水成本也相应增加。值得一提的是，随着越来越多的消毒剂 和净水剂被广泛采用，水中次生污染物的种类和浓度，尤其是出水氯化后的致 突变活性不断增加，水质安全性大大下降，给人体健康造成危害。在水源受污 染的情况下，常规处理工艺已显得力不从心。 6 山东大学博士学位论文 济南是山东省省会，我国历史文化名城之一，由于泉水众多，因而又被誉为 “泉城”。然而泉城济南却是一座缺水的城市，全市人均水资源量仅有3 51 m 3 ，不 到全国人均占有水资源量的1 6 ，同时还存在城市水资源浪费严重、水管理体系 相对滞后等诸多问题。自上世纪八十年代以来，济南经济社会快速发展，城市人 口大幅度增加，工业、生活用水量随之剧增，泉水时有断流，地下水资源和南部 山区水库不仅不能保证工业用水，甚至市民的生活用水都受到影响。2 0 0 0 年市 区南部部分地方居民就曾出现大面积断水。进入新世纪以来，济南市相继建成并 投入运行两个引黄水库鹊山水库和玉清湖水库，日供水量增加8 0 万m 3 ，城 市供水紧张的矛盾得到有效缓解。 由于引黄水库处于封闭或半封闭性状态，水流迟缓，水体交换能力差，水质 更新周期长，加之上游来水水质较差，出现了富营养化的趋势，引起藻类大量繁 殖，水体有机污染突出。由于保护措施不力，南部山区水库水则受周边人群活动 影响，库区的农业生产和库边别墅区的生活等活动产生的污染物进入水库，造成 水体呈现富营养化的状态。由于济南市的地表水厂都采用传统的常规处理工艺， 藻类、有机物、嗅味的问题不能得到彻底解决，因此水厂出水水质经常受到用户 的质疑与投诉。高藻类和高有机物污染问题成为摆在济南市城市水厂面前的非常 突出且亟待解决的问题。 当前，世界各国都对饮用水和饮用水水源安全问题十分重视，在饮用水安全 方面的研究也十分活跃。我国未来饮用水水质状况是相当严峻的，提高供水水质 是当务之急。因此，针对我国国情，加强地表水源管理与保护，开展受污染水净 化处理的研究，在不增加较大投资的条件下，解决高藻类和高有机物污染问题， 建立安全、优质饮用水处理技术，是一项非常重要的研究课题，对于保障城乡居 民用水供应及饮水安全都具有十分重要的意义。本项研究选择济南市典型地表饮 用水源为对象，在摸清济南地表水源水质特征的基础上，研究开发新型水处理药 剂和装置，分别从取水技术、饮用水强化处理技术、深度处理技术等方面开展较 为全面的试验研究，优化工艺设计与运行参数，考察工艺可行性，为水源的水厂 常规工艺的改造提供理论依据和技术支持。 7 山东大学博士学位论文 1 2 水源污染及其对城市供水的影响 1 2 1 高藻高有机物污染水体水质特征 在受污染的水体中，一般同时存在胶体颗粒、无机离子、藻类、溶解性有机 物、不溶性有机物等污染物，它们之间相互联系，密不可分，形成一个复杂的体 系。对于受高藻和高有机物污染的水体而言，水质特征主要表现在藻类滋生，过 度繁殖造成水质恶劣，嗅味问题突出，色度超标；部分藻类分泌的藻毒素降低水 体的安全性；水中存在高稳定性的溶解性有机污染物，如卤代有机物、硝基化合 物、多环芳烃等，对人体危害较大。 水源水中藻类滋生将严重危及水厂运行及饮用水的水质安全性。藻类使饮 用水中产生臭味，如鱼腥藻在中等浓度时产生草味、霉味，团藻在中等浓度时产 生鱼腥味【4 】，是水中嗅味的主要来源之一；藻类及其代谢物还是水中总有机碳、 生化需氧量和悬浮固体的重要来源，是饮用水消毒“三致”副产物的前体物【5 】；当 原水中藻类超过一定数量，会严重地影响常规水处理过程中的混凝、沉淀和过滤 效果，使净水工艺变得复杂、滤池运行时间缩短、反冲频率及反冲水量大大增加， 处理成本升高，供水水质难以保障；穿透滤池进入管网的藻类可成为微生物繁殖 的基质，促进菌类生长，进而引起管网水质恶化，如水的浊度、色度上升，细菌 总数增加等，并加速输配系统的腐蚀和结垢，使管网服务年限缩短。 部分藻类分泌的藻毒素降低水体的安全性。研究表吲卯】，世界各地2 5 * 旷7 0 的蓝藻水华可产生毒素，在有毒性的7 个属的蓝藻中，主要产毒的是鱼腥藻 ( a n a b a e n ab o r y ) 、束丝藻( a p h a n i z o m e n o nm o r r ) 和微囊藻( m i c r o c y s t i sk n t z ) 属中的某些品系，其中微囊藻毒素( m c ) 是一类分布最广泛且与人类关系最为密 切的七肽单环肝毒素，是强烈的肝脏肿瘤促进剂【8 1 。微囊藻毒素通常大部分存在 于藻细胞内，当细胞破裂或衰老时毒素释放进入水中，国内外已有大量文献报道 证实湖泊水库及饮用水中发现微囊藻毒素1 9 d 们。动物饮用含有毒藻的水后引起中 毒、死亡的事件在1 0 余个国家都有报道，人类饮用或直接接触藻类污染的水会引 起皮肤反应、结膜炎、鼻炎、呕吐、腹泻、肠胃炎等病症。国内外很多地区的水 源水和饮用水中均发现含有微囊藻毒素，对人体健康形成威胁。 水中有机污染物危害较大。水源水中的有机污染物可以分为两类，一类为 山东大学博士学位论文 天然有机化合物( n o m ) ，主要是水中动、植物分解而形成的产物，如腐殖酸等； 另一类是是人工合成的有机物( s o c ) ，主要是来自工业、生活污水和农业排水 等。美国在七十年代对全国8 0 多个城市饮用水的调查中发现饮用水中普遍存在 三卤甲烷( t h m s ) 等卤代烃化合物，以当时的分析技术从水中检出有机化合物 2 2 2 1 种，而饮用水中含有7 5 6 种，其中2 0 种致癌物，2 3 种可疑致癌物，1 8 种 促癌物和5 6 种致突变物【l l j 。一些具有高稳定性的溶解性有机污染物，如卤代有 机物、硝基化合物、多环芳烃等对人体危害较大，传统给水处理工艺对这些有机 受污染物的去除效果有耐1 2 】。随着有机化合物分析技术的发展和改进，饮用水 中检测出的有机化合物种类不断增加。 1 2 2 常规水处理工艺的局限性 近两百年来的工程应用实践表明，常规饮用水处理工艺可以较好地保证供 水的感观性状、一般化学指标和细菌学指标及生物学安全性。但面对水源水质的 变化，其局限性日益凸显【1 3 】。 常规工艺对有机物的去除作用有限，水中有机物数量，尤其毒性污染物的 数量，在常规处理前后变化不大，使得饮用水的安全性风险大大增加【体”】。试验 研究和实际生产表明，常规工艺对水中有机物的去除率只有2 0 3 0 ，对水中微 量有机污染物则几乎没有明显的去除效果，且由于溶解性有机物的存在，不利于 破坏胶体的稳定性而使常规处理对原水浊度的去除效果也明显下降( 仅为 5 0 6 0 ) 。用增加混凝剂投加量的方式来改善水处理效果，不仅使水处理成本上 升，而且可能使水中金属离子浓度增加，不利于居民的身体健康。 常规处理工艺在生产过程中采用了预氯化和氯消毒，容易形成不利于人体 健康的三卤甲烷( t h m s ) 、卤乙酸等卤代有机消毒副产物，而其中由很多化合 物是致癌、致突变、致畸形的三致物质【1 6 】。预氯化产生的卤代物在混凝、沉淀 及过滤处理中不能得到有效去除；虽然常规工艺能部分去除水中致突变物质，但 对水中氯化致突变物前驱物不仅不能去除，反而因混凝剂的作用在处理过程中产 生了部分移码突变物前驱物和碱基置换突变物前驱物，使出水氯化后的致突变活 性有所增加；有预氯化的常规工艺不仅出水中卤代物增多，而且优先控制污染物 及毒性污染物数量也有明显上升，出水的致突变活性较处理前增加5 0 6 0 。目 9 山东大学博士学位论文 前国内大多数水厂都采用预加氯、后加氯，氨氮的存在使总投氯量有时高达 1 0 4 0 m g l t ”】，由此可能产生的大量的有机卤化物，又导致水质毒理学安全性下 降，严重威胁人民身体健康。 常规处理对藻类和藻毒素的去除效果一般。常规工艺处理含藻水时，藻类 不易在沉淀池中去除，影响后继滤池的正常运行，造成滤池运行周期缩短，反冲 频繁，而且不易冲洗干净。例如济南南郊水厂【1 7 1 ，在9 、1 0 月份总有大量藻类 进入滤池，使单组滤池每日反冲洗次数高达8 次，甚至使滤料结块或堵塞滤池。 藻类数量的增加促使混凝剂和消毒剂用量的增加，造成制水成本的增加和饮水卫 生学的诸多问题。藻类产生的臭味用常规净水工艺很难去除，常使城市供水中出 现不愉快的气味，引起用户的不满。d i e t r i c h t l 8 】研究发现在藻类的生命周期内， 可产生一些有味或无味的代谢产物，这些产物进入水处理过程，常用的氧化剂如 高锰酸钾、氯和二氧化氯等可以去除一部分有味的代谢产物，但同时也可能产生 新的有昧物质。藻类在常规处理工艺中有可能因为投加混凝剂而引起细胞破坏， 使胞内的藻毒素进入水中，而藻毒素不易被常规混凝、过滤工艺去除，造成出水 水质下降。为了去除这些物质，需要增加新的工艺如臭氧氧化或活性炭吸附，这 样就增加了处理成本和处理工艺的复杂性【1 9 之1 1 。 综上所述，在水源受污染情况下，由于常规净化工艺的局限性，处理后的 生活饮用水水质的安全性难以得到保证。因此，常规的水处理工艺已不能与现有 的水源和水质标准相适应，必须开发新的水处理技术。 1 3 饮用水安全保障技术研究进展 1 3 1 水源水质改善技术 饮用水水源地是居民生活用水的源头，是饮水安全的最基础的环节，原水 水质的好坏直接影响到水厂出水水质和人民群众的身体健康。除了设置水源生 态功能保护区，减少人类活动，防治农业面源污染和畜牧业污染外，实施一定 的技术措施，修复受污染的取水环境，改善原水水质也是十分必要的。 1 3 1 1 工程性措施 1 0 山东大学博士学位论文 主要包括挖掘底泥沉积物、水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑 料等。通常建成时间较早，无沉砂设施的水库，淤积严重，水体的自净能力差， 大量的淤积泥沙对水库的正常运行构成了潜在的威胁，通过挖掘底泥沉积物一方 面可以增大水库库容，也可以将底泥中的营养物质、重金属等一并彻底清除；扬 水曝气技术是新开发的水质改善技术，用于混合上下水层、控制藻类生长、增加 水体溶解氧、抑制底泥污染物释放【2 2 】。通过定期或不定期采取人为在湖库深层 曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，抑制底 泥氮磷的释放。通过捕捞水生植物的方式将富营养化物质从水体中间转移出来， 降低水体的营养量，同时防止水生植物死亡后沉积库底厌氧发酵造成二次污染。 工程性措施虽然见效快，但工程巨大，且耗费大量的人力、物力和财力，很难进 行大规模的实施。 1 3 1 2 化学方法 化学方法主要包括凝聚沉降和利用化学药剂杀藻的方法。有许多阳离子可以 有效地使磷从水中沉淀出来，比如投加比较便宜的铁、铝和钙盐，他们能和水中 的磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。而对于水中大量繁殖的藻类，也可以采 用投加c u s 0 4 矧、c 1 0 2 2 4 3 以及0 3 【2 5 】等化学药剂的方法予以杀灭。 1 3 1 3 生物性措施 近年来生物修复污染水源技术受到了国内外的极大重视 2 6 - 2 7 。人工湿地是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种污水处理技术，在控制农业面源污染方面有独特的优 势。国内外很多成功的经验表明【2 8 j ，通过种植芦苇、蒲草等水生植物，建立人 工湿地水生生物系统，通过大型水生植物处理入库水体，消耗水中营养物质， 系统水中对t n 、t p 的去除率分别为2 0 6 0 和3 0 - - 4 5 1 2 9 1 ，对重金属离子、 藻毒素也有较好的吸附作用【3 0 1 。通过收割芦苇、蒲草能够达到净化水体的目的。 此外，合理放养鲢鱼等鱼类对水质净化也有一定作用1 3 1 】。根据生态平衡原 理，在富营养化水体中投放适当密度的鲢、鳙鱼，通过藻类吸收水体中的氮磷、 鱼类摄食藻类的食物链关系，捕捞成鱼带出氮磷，从而达到控制和减少藻类孳生， 抑制水体富营养化起到积极作用。研究表明如果自然放养的鱼类达至u 1 5 7 1 5 山东大学博士学位论文 k g h m 2 ，通过鱼类捕捞，可以从水体输出o 1 0 8 t 总磷1 3 2 1 。 1 3 2 藻类污染控制技术 藻类污染与水体富营养化关系密切，消除藻污染的根本途径是控制水体富 营养化，这也是目前各国普遍认同的思路。水体富营养化的防治是目前水污染 控制中难度最大的一项工作，迄今为止尚无任何单一的生物学、化学和物理措 施能够彻底去除水体中的氮、磷物质，常规的二级生化处理方法只能去除 3 0 5 0 的氮、磷。 1 3 2 1 藻类的去除技术 归纳国内外消除藻污染的方法，可大致分为物化法、化学法、生物法及综 合法【3 3 1 。 物化除藻方法主要有气浮除藻、混凝除藻、微电解杀藻、直接过滤除藻等。 无锡充山水厂采用气浮法除藻，除藻率在9 0 以上，基本消除了藻类对滤池的 不良影响。但在高藻期，气浮法对藻类的去除率往往不及9 0 ，需要在气浮池 前预加氯 。由于藻体本身带有负电荷，铁盐、铝盐、阳离子型聚电解质混凝 剂可通过电中和吸附聚集藻体，除藻率最高达9 0 以上e 3 5 3 通过增加投加量、 选择合适的助凝剂、投加活性炭、石灰乳及施加电场、磁场、超声波等方式，可 提高混凝除藻效果3 们。周群英等利用杀藻器杀灭水中的藻类效果显著啪1 ，能明 显破坏藻类细胞中的叶绿体结构，藻藻类杀灭率达9 2 。对于低浊高藻的湖泊 水可用微滤机除藻去除率在4 0 7 0 ，同时对悬浮物的去除率可达9 7 - 一1 0 0 。 投加化学杀藻剂，如c u s 0 4 、k m n 0 4 、c 1 2 、c 1 0 2 及0 3 等能有消灭藻类。 硫酸铜带有正电荷的金属离子对藻类细胞进行物理吸引和化学螯合反应，抑制或 杀灭藻类 3 8 3 其对水中藻类的去除率可达7 0 9 0 ，由于铜盐浓度上升，会危 害人体健康，已很少被用作水源水杀藻 3 9 o 预氯化能有效杀藻，1 2 m g l 的有 效氯投加量即可满足杀藻要求h o ，但氯与原水中藻类、有机物作用生成对人体 有害的卤代有机物，如三卤甲烷等致癌物质，因而不宜作为水厂除藻剂。高锰酸 钾4 1 1 、高铁酸盐复合药剂 4 2 - 4 3 3 、臭氧 4 0 3 、二氧化氯3 4 4 - 4 5 1 都能通过其强氧 化能力杀灭藻类，各种氧化剂各有特点，如臭氧能够氧化难于被生物分解的大分 1 2 山东大学博士学位论文 子有机物，并可起到脱色、除味、消毒、助凝等多种作用，二氧化氯能有效控制 霉味、鱼腥味，杀藻效果优于液氯等，各种药剂均能够有效控制消毒副产物的生 成量，且净水效果优于液氯。 生物预处理采用生物膜法( 生物接触氧化法) ，填料上的生物膜可吸附、附 着、机械截留、捕食消解水中藻类。采用y d t 立体填料的接触氧化法除藻效果 最好，除藻率可达8 6 7 4 6 j 。河海大学的陈明钊根据浮游植物( 藻类) 与浮游 动物( 轮虫类) 之间的生态食物链关系，设计出专利设备“浮游生物滤清器”( f b e ) 【4 7 】利用原生动物、后生动物吞食藻类除藻效率达到8 4 - - 一9 3 。 目前国内外除藻方面积累了许多成熟的办法和运行经验，但由于藻细胞特 性复杂，任一单一工艺都不能达到理想的除藻效果。因此必须结合当地水质特 点，采取切实可行的组合工艺，以便获得高效的除藻效果，同时又不致于因除 藻而产生藻毒素和嗅味物质。 1 3 2 2 藻毒素的去除技术 常规水处理工艺对m c 的作用效果不理想，多项研究表明臭氧、光化学氧 化、活性炭以及生物控制等方法能较好地去除毒素。 臭氧对藻毒素有良好的去除效果，h i m b e r g 等的研究结果显示，臭氧投加量 为0 6 m e , l 时，m c 的去除率可达8 3 以上。臭氧对包括m c 和神经毒素 a n a t o x i n 乱在内的多种藻毒素均有较好的去除效果，其破坏作用强于液氯等其他 化学氧化剂， 活性炭是一种良好的水处理剂，低剂量的粉末炭( p a c ) 对毒素的作用效果 甚微，但剂量提高可以去除藻毒素m 引。活性炭滤床在截留藻细胞的同时，可以去 除3 0 6 0 的胞外溶解性毒素；l 锄b e r t 等【4 9 】发现活性炭能将m c l r 去除到0 5 p e d l 的推荐限制值( 加拿大) ，但不容易去除到低于0 1 “g l ；在原水中微囊藻毒素的 浓度不低于0 5 i - t e d l 时，颗粒活性炭g a c 过滤和p a c 与常规工艺联用的生产性实 验对微囊藻毒素的去除效率大于8 0 。生物活性炭工艺除了能够吸附藻毒素外， 碳上的生物膜还能起到生物降解作用【5 0 1 。 自然界的生物降解过程是去除毒素的有效途径之一，国内外学者在此方面已 有多项研究。j o n e s 5 1 1 等在研究铜盐对微囊藻及其毒素的作用时，发现自然水体 山东大学博士学位论文 中的生物相( 某些细菌) 对藻毒素的去除发挥了很大的作用。a n g e l i n e 等 5 2 1 发现污 水厂出水中的菌落经过7 1 0 天的适应期后可以快速降解m c ，0 8 1 9 天内即可使 m c l r 含量由7 0 0 1 2 0 0u g l 降至0 2u g l 以下。我国吕锡武等1 5 3 j 研究发现，好氧 条件下经驯化后的活性污泥能够去除毒素，m c 含量在2 4h 内可降低9 0 以上； 研究还发现水体中草履虫和颤体虫能够吞噬蓝藻，对藻毒素的降解起了重要作 用。此外，吴振斌等【5 4 1 还利用人工湿地系统进行了藻毒素的去除研究，认为细 菌的降解作用是藻毒素去除的主要机制。 1 3 3 饮用水强化常规处理技术 1 - 3 3 1 预氧化处理技术 预氧化处理能提高受污染原水中有机物的可生化降解性，杀灭影响给水处理 工艺的藻类，改善混凝效果，降低混凝剂的用量。目前研究比较多的氧化剂常用 的化学氧化剂有0 3 【5 5 5 7 1 、k m n 0 4 【5 8 】、氯气5 9 1 、高铁酸盐删、n 2 0 2 【6 1 1 、c 1 0 2 【6 2 】 等，其中有关0 3 、k m n 0 4 、c 1 0 2 预氧化技术研究较多，且已经在生产中得到初 步推广和应用。 哈尔滨工业大学【6 3 删提出了高锰酸钾预氧化除污染技术，并在去除天然水中 微量有机物、控制卤仿和致突变物质，以及氧化助凝等方面取得了一系列进展。 马军等采用高锰酸盐复合药剂处理典型受污染饮用水源，发现该药剂可显著去除 水中多种有机污染物，并能强化对藻类和嗅味物质的去除，改善混凝效果。 臭氧作为一种强氧化剂在饮用水处理中可以发挥多种作用，它在杀菌、消毒、 脱色、除臭、氧化难降解有机物与改善絮凝效果等方面有明显的优势【6 5 1 。臭氧 预氧化处理能够氧化水中的大分子天然有机物( n o m ) ，如腐殖酸、富里酸等， 同时也能氧化一些挥发性有机污染物和无机污染物，提高有机物的可生化性。单 独采用臭氧氧化，出水水质并不理想，但臭氧预氧化与常规处理联用工艺或与生 物活性炭联用，可显著提高对有机物、浊度、色度、氨氮去除效果。此外臭氧预 氧化具有明显的助凝作用，在臭氧投加量为3 0m g l 、混凝剂投加量为3 5 0 m g l 时，沉淀后的浊度去除率为1 0 0 ，比直接采用聚合氯化铝混凝后的浊度降低了 1 3 6 左右i 吲。 二氧化氯的氧化能力仅次于臭氧，可氧化去除水中的无机物、金属离子，氧 1 4 山东大学博士学位论文 化降解腐殖酸等物质。研究表明n 3 】，与预氯化、混凝沉淀系统相比，二氧化氯 预氧化、混凝沉淀系统对藻类的去除率提高了3 0 4 0 ，使嗅和味的阚值降低 了l o 2 0 ，并可降低沉后水和滤后水的浊度，对有机物