水厂常规工艺去除可生物同化有机碳的研究
论文作者：吴红伟 刘文君 张淑琪 王占生 张弥 徐欣 樊康平
摘要： 研究 了小试规模的常规处理和实际水厂净水工艺对可生物同化有机碳(AOC)的去除效果。结果表明，常规处理对AOC的去除波动较大(7.8?48.3，有一定的去除效果;活性炭对AOC的去除效果较好，去除率达60?右。根据对具有代表性的水厂出水调查结果，建议我国的饮用水AOC控制标准为200 μg乙酸碳/L。
关键词：AOC 生物稳定性
可生物同化有机碳(AOC)是有机物中最易被微生物合成菌体的、支持异养细菌生长繁殖最好的营养基质。国外普遍采用AOC作为反映饮用水生物稳定性的替代参数，饮用水的生物稳定性是指饮用水中可生物降解有机物支持异养细菌生长的潜力。水中AOC可反映水中细菌生长的限制性营养水平，可以鉴定饮用水的生物稳定性。在没有加氯的情况下，AOC<10～20 μg乙酸碳/L的饮用水为生物稳定的水;在加氯的情况下，AOC<50～100 μg乙酸碳/L的水为生物稳定的饮用水[1]。生物不稳定的饮用水会使细菌在给水管网中重新生长[2、3]，使用户水色度和浊度上升，细菌数增加，导致水质的二次污染[4]，因此应该尽量减少出厂水中AOC。本研究考察了小试规模的常规处理和实际水厂净水工艺对AOC的去除效果，并根据此试验结果建议在近期内能实现的AOC控制标准。
1 试验部分
1.1 试验 方法
AOC测定方法由荷兰的Van der Kooij首先提出，测定所用的菌种是从水中分离出来的荧光假单胞菌P17和螺旋菌NOX，其中P17为营养多样性细菌，但不能利用草酸类基质，而NOX可利用草酸类基质，因此AOC为AOC-P17与AOC-NOX之和。以乙酸钠作为标准基质，对生长到静止期时的细菌进行平板计数，根据不同乙酸钠浓度和在此浓度下两种菌达到生长静止期的数量作标准曲线，求出其生长因子，然后再根据待测水样中接种的P17和NOX生长菌落数和生长因子求出AOC。
1.2 试验流程
小试以颐和园内团城湖水为水源，具体流程为：原水→混凝沉淀→砂滤→活性炭→出水，设计参数见表1。实际水厂试验取J水厂、T水厂和C水厂的出厂水为测试对象，这三个地表水源水厂均采用常规的混凝、沉淀、过滤和活性炭的深度处理。
表1 小试各装置的设计参数
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净水 工艺 |
尺 寸 (mm) |
填料 高度 (mm) |
填料 粒径 (mm) |
停留 时间 (min) |
滤速 (m/h) |
| 混凝 | 150×100 | 1 | |||
| 沉淀 | 800×250×800 | 150 | |||
| 砂滤 | 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 试验结果和讨论 由于进水水质和水温的变化，小试常规处理对AOC的去除率在17.1%～44.9%内波动，具有一定的去除效果。经活性炭处理后，AOC有较大的降低，去除率约为24.5%～40.2%，且随着运行时间的增加，去除率也会增大。但本试验总的运行时间并不长，活性炭尚属于新炭，表面还没有形成丰富的生物膜，主要靠物理吸附作用对AOC进行去除。因此当活性炭成为生物炭时，加上微生物的降解作用，组合工艺的出水AOC会更低。小试和三个地表水源水厂一年5次取样，对AOC的去除效果见表2和表3。 表2 小试工艺的AOC测定结果 |
| 时 间 | 1998年10月 | 1998年7月 | 1998年4月 | ||||||
| 项 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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砂滤出水 (μg乙酸碳/L) |
128 | 31 | 159 | 185 | 58 | 243 | 118 | 37 | 155 |
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砂滤工艺 去除率(%) |
40.5 | 54.4 | 44.9 | 17.0 | 17.1 | 17.1 | 35.2 | -2.8 | 28.9 |
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GAC出水 (μg乙酸碳/L) |
75 | 20 | 95 | 122 | 40 | 162 | 99 | 18 | 117 |
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GAC工艺 去除率(%) |
41.4 | 35.5 | 40.2 | 34.0 | 31.0 | 33.3 | 16.1 | 51.4 | 24.5 |
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组合工艺 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 实际水厂的AOC测定结果 μg乙酸碳/L |
| 时间 |
处理 工艺 |
J水厂 | T水厂 | C水厂 | ||||||
| 进水 | 出水 | 去除率(%) | 进水 | 出水 | 去除率(%) | 进水 | 出水 | 去除率(%) | ||
| 冬☆ | 组合工艺 | 221 | 130 | 41.2 | 305 | 203 | 33.4 | 298 | 263 | 11.7 |
| 春☆ | 组合工艺 | 79* | 41* | 48.1 | 343 | 121 | 64.7 | 204 | 153 | 25 |
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1997 年 夏 |
常规工艺 | 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 | |
| 总去除 | 323 | 115 | 64.4 | 219 | 103 | 52.9 | 259 | 108 | 58.3 | |
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1997 年 秋 |
常规工艺 | 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 | |
| 总去除 | 350 | 86 | 75.4 | 270 | 91 | 66.3 | 285 | 69 | 75.8 | |
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1998 年 春 |
常规工艺 | 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 | |
| 总去除 | 301 | 165 | 45.2 | 329 | 205 | 37.7 | 270 | 195 | 27.8 | |
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注 *为AOC-NOX值； |
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从表3中看出： ① J水厂常规处理对AOC去除率为17.6%～48.3%，T水厂仅为7.8%～16.4%，C水厂约为8.5%～34.0%。和小试结果一样，常规处理如果运行较好，对AOC有一定的处理效果，但如果水温较低(例如春季)，混凝沉淀效果受 影响 ，则去除率将下降。J水厂处理效率较高可能与其采用煤砂双层滤料滤池有关，煤渣的吸附作用和细菌易于在载体上附着生长的特性使其保持对AOC的良好去除。 ② 三个水厂的活性炭都使用了一年以上，因其附着有微生物，对AOC具有生物降解作用，因此均表现了对AOC较高的处理效果，特别是秋季达到60%以上，普遍比小试中的活性炭处理效果好。J水厂夏季活性炭对AOC去除率仅为秋季的一半，C水厂也明显低于秋季，其原因可能在于夏季为杀藻投加了氯。而秋季取样时J厂和C厂进水未预氯化，使活性炭上细菌生长环境良好。另外春季活性炭对AOC的去除效率偏低，可能也与活性炭上的细菌在水温较低时活性下降有关。 从小试和实际水厂出水调查结果得出，常规处理对AOC的去除波动较大，一般在7.8%～48.3%内变动，这和水温以及采用的单元工艺都有关系。活性炭对AOC的去除效果较好，其吸附作用对AOC的去除率为30%左右，当活性炭使用时间变长，有微生物的作用后，其对AOC的去除率能达到60%左右。当水源水质较好，AOC在200～300 μg/L时，常规工艺即使发挥较高的处理效果也很难使出水达到生物稳定，但再经过生物炭的深度处理，则有可能使出水AOC<100 μg/L，再经过适当的消毒方式，可使进入管网的水达到生物稳定。 |
3 我国饮用水AOC控制标准的建议
荷兰Van Der Kooij博士认为，为了控制管网中异氧菌的生长，出厂水AOC应<10～20 μg/L。在美国，为了控制大肠菌的生长，建议AOC应<50～100 μg/L。Louis A.Kaplan等人对美国和加拿大的51个水厂调查表明，95%的地表水源水厂和50%的地下水源水厂不能达到50 μg/L的标准，所有的水厂均不能达到10 μg/L的标准。
相对于外国，我国的水源水普遍污染严重，处理工艺和设备较落后，在发达国家尚不能达到生物稳定的饮用水标准的情况下，生搬硬套此标准是不现实的，因此应该针对实际情况提出一个符合我国国情的AOC控制标准。要准确地确定这一指标是十分困难的，应该进行长期的模拟管网试验，综合考虑加氯对AOC、细菌生长和消毒副产物形成的 影响 ，提出 科学 的指标。就 目前 研究 而言，对水厂水质进行实际调查是比较有效的 方法 。这一控制标准的确定应该基于以下几点：①根据我国国情， 参考 发达国家的经验，以我国较优水质水厂为基准。②这一标准对国内大多数水厂来说目前未能达到，但采用一定的处理技术后是可以达到的。③最重要的是提出的控制标准能真正有效地防止细菌在管道中生长。北京市的水源历来被认为是国内较好的，对北京自来水的普查可以作为国内这方面研究的参照，表4是北京市五个水厂出厂水全年的AOC实测值。
表4 各水厂的出厂水AOC值 μg乙酸碳/L
| 水厂名称 | 冬 | 春 | 夏 | 秋 | 春 |
| J水厂 | 130 | 168 | 202 | 198 | |
| T水厂 | 203 | 121 | 191 | 193 | 342 |
| C水厂 | 263 | 153 | 201 | 235 | 247 |
| B水厂 | 108 | 116 | 176 | 230 | 217 |
| Q水厂 | 383 | 156 | 201 | 160 | 301 |
| 注 取样时间顺序为1996年冬、1997年春、1997年夏、1997年秋和1998年春。 | |||||
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表4中J水厂和B水厂分别是国内目前地表水源水厂和地下水源水厂中水质较好的代表，可以作为参照水厂。J厂出水AOC全年基本<200 μg/L；T水厂水源水是密云水库水经京密引水渠至颐和园团城湖然后送至水厂，水质受引水渠沿途污染影响，进厂水比J厂略差，但由于采用了活性炭处理，出厂水AOC与J厂差不多，除1998年春季外也基本<200 μg/L；C水厂水源水为三家店水库水(1998年后改为颐和园团城湖水)，其水质更差，尽管处理工艺与J和T水厂相同，有活性炭单元，出厂水AOC基本在200～300 μg/L。B水厂除秋季为230 μg/L、1998年春季为213 μg/L外，也<200 μg/L。Q水厂冬季出厂水AOC达383 μg/L，1998年春季为301 μg/L，其余季节也在200 μg/L以内。在水质普查中并未发现出厂水、管网水和末梢水中的细菌总数和大肠菌超标，因此可以认为AOC近期控制目标为200 μg/L，远期目标为100 μg/L，水厂采用生物处理工艺或活性炭工艺是可以达到这一标准的。如果出厂水有机物含量低，加氯后AOC将不会有大的增加，有利于控制细菌的增长。
参考 文献
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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