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摘要：結(jié)合水廠BAC池在冬季低溫天氣下的實際運行情況，研究分析了出水顆粒物濃度在各項工藝因素影響下的變化情況，探討了微生物穿透濾池的風(fēng)險與顆粒物濃度之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：BAC池運行周期越長，運行周期中的出水細菌波動范圍就越大，出廠水中細菌被檢出的風(fēng)險也越高；在生物活性炭池出水濁度≤0.10NTU的情況下，濾后水中2μm以上粒徑的顆粒物濃度依然偏高，尤其以尺寸在2-5μm范圍內(nèi)的隱孢子蟲的潛在威脅為重。

Abstract: Based on running condition of BAC in winter, particle concentration variation was explored with the influence of all processes. The correlation between traversing risk of microbe and particle concentration was discussed. The results show that longer operation time of BAC, and huger wave range and detected probability of microbe in outlet of BAC. Outlet of BAC  contains the most particle which partical size is greater than 2μm, when its turbidometry exceeds 0.10NTU. The particle with the size between 2μm and 5μm may contain most Cryptosporidium in the water.

關(guān)鍵詞：顆粒物；生物活性炭池；濾后水；粒徑；沖洗；細菌

Keyword: Particle, BAC, the filtered water, partical size, backwashing, microbe

近年來，隨著人民群眾生活水平的不斷提高，人們對飲用水的水質(zhì)和口感都提出了更高的要求，國內(nèi)越來越多的水司開始將降低有機污染物含量和控制微生物風(fēng)險作為水質(zhì)保障的重點。太湖屬于大型淺水湖泊，湖面開闊，在冬季低溫天氣下極易受到水面陣風(fēng)的影響，風(fēng)浪的擾動會使表層底泥再懸浮，從而大大增加原水中的顆粒物濃度。由于大多數(shù)致病微生物均附生在懸浮顆粒物表面或近表面，因此凈水工藝對懸浮顆粒物的去除效果直接關(guān)系著出廠水的生物安全性。

本文主要針對冬季低溫天氣下，水廠生物活性炭池運行過程中的顆粒物濃度變化和粒徑分布情況，研究炭池運行周期和沖洗模式等因素對出水顆粒物濃度的實際影響，進而分析出水細菌和“兩蟲”指標與顆粒物濃度變化之間的相關(guān)性。

一、材料與方法

1.1工藝運行情況

水廠以太湖金墅為水源地，原水經(jīng)預(yù)臭氧氧化后，通過常規(guī)處理工藝的折板絮凝池、平流沉淀池和V型砂濾池，最后進入深度處理工藝的后臭氧接觸池氧化和生物活性炭池過濾。其臭氧活性炭工藝自2008年3月投運至今，有效解決了飲用水中的有機污染問題，出廠水水質(zhì)完全符合國家對《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）的各項要求。

水廠生物活性炭池采用寧夏廣華奇思公司生產(chǎn)的柱狀破碎顆粒炭，顆粒尺寸為12×40目，總裝填數(shù)量為2420立方米，工藝規(guī)模為30萬m³/d，使用已滿三年。活性炭池的濾床高度為2.00m，設(shè)計濾速為10.4m/h，空床停留時間為12min。

1.2顆粒分析儀運行原理

試驗中采用上海艾晟特環(huán)保科技有限公司提供的IBR VersaCount^TM粒子計數(shù)器，配有HRLD-400型傳感器，可測量直徑在2μm到200μm的顆粒。

樣本液以60毫升/分鐘（誤差+/-5%）的流速進入計數(shù)器，通過鐳射二極管光束的中心區(qū)域。液體中的顆粒在穿過鐳射光束時阻擋光線到達光電探測器。光電探測器測出光束強度的減弱，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，進而生成脈沖，微處理器負責(zé)計算八個粒徑通道中的脈沖信號。操作者可通過60毫升/分鐘流速的總計數(shù)或標準化的顆粒數(shù)/毫升的計數(shù)查看實時狀態(tài)下的檢測數(shù)據(jù)。

1.3試驗方法

結(jié)合水廠工藝運行的實際特點，試驗主要分兩個階段進行。第一階段通過摸索生物活性炭池出水顆粒物粒徑分布情況，分析BAC池的運行周期對其出水顆粒物濃度的影響，進而以顆粒數(shù)評估“兩蟲”等致病微生物穿透BAC池的潛在風(fēng)險；第二階段則將8^#炭池的運行周期調(diào)整為7天，沖洗模式暫不改變，并與6^#炭池（運行周期為10天）進行橫向?qū)Ρ龋诟髯缘倪\行周期中定期開展細菌檢測，研究其與出水顆粒物濃度變化間的相關(guān)性。然后調(diào)整8^#炭池的沖洗參數(shù)，考察不同沖洗模式下，生物活性炭池出水顆粒物濃度隨運行時間的變化情況。

二、一階段試驗情況

2.1顆粒物分布和去除情況

各主要工藝節(jié)點出水以粒徑小于10μm的小分子顆粒物居多，砂濾工藝對顆粒物的去除起主要作用，其平均去除率約為75.39%。期間砂濾池運行周期由36小時逐漸調(diào)整至56小時，與周期延長前相比，砂濾池對顆粒物的去除效率下降至69.84%，但通過延長濾池的氣水反沖時間（氣水混沖和單水沖分別延長一分鐘），可使去除率恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。

表  1    生物活性炭池出水顆粒物粒徑分布情況

    從表1可以看出，炭池出水顆粒物主要以小分子物質(zhì)居多，其中粒徑小于10μm的顆粒物平均占比約94.68%。隨著粒徑的不斷增大，顆粒物數(shù)量所占比重逐漸下降。試驗周期內(nèi)，至生物活性炭池出水，凈水工藝對顆粒物的平均去除效率約為93.26%，且整體表現(xiàn)穩(wěn)定。小分子顆粒物對炭床有一定的穿透作用。一般而言，球菌直徑在0.5-1.0μm，桿菌直徑在0.4-1.0μm，長度為寬度的一至數(shù)倍^[1]，因而考察粒徑大小在15μm以內(nèi)的顆粒物濃度，對于嚴格控制BAC池出水細菌和“兩蟲”風(fēng)險具有重要的參考意義。

2.2顆粒物濃度隨運行周期的變化

各種粒徑的顆粒物經(jīng)活性炭工藝后，濃度下降均不明顯，一方面是由于BAC池對顆粒物的去除效果較為有限，另一方面也與水流經(jīng)過炭床時，沖刷作用促使炭層表面的生物脫落有關(guān)。為跟蹤不同運行周期下，BAC池出水顆粒物的變化情況，在沖洗模式不變的情況下，試驗期間將8^#炭池的運行周期調(diào)整為7天，其余炭池仍維持在10天，據(jù)此定期檢測8^#池和6^#池出水顆粒物濃度。

根據(jù)圖1所示情況，可以發(fā)現(xiàn)：冬季低溫天氣下，BAC池在沖洗后的兩天內(nèi)，其出水的顆粒物濃度變化不夠穩(wěn)定，總體偏高，運行至第三日逐漸回落至較低水平，之后隨運行周期的延長呈逐級升高趨勢。從運行周期較長的6^#池來看，其從第七日左右開始，顆粒物濃度增加值較為明顯，并在沖洗前始終保持在高位。因此生物活性炭池的運行周期越長，后期出水顆粒物濃度升高的概率就越高，沖洗前的出水顆粒物濃度也將大大高于運行周期稍短的炭池。

圖  1    不同運行周期下炭池出水顆粒物濃度比較

    反沖洗完成后的前三個小時內(nèi)，顆粒物濃度反彈最為明顯，約四小時后，漸趨穩(wěn)定。此時的數(shù)據(jù)表明，沖洗有利于促進BAC池出水顆粒物濃度恢復(fù)至正常范圍，并在一定程度上降低微生物泄漏的風(fēng)險。因此在不同的季節(jié)，不同的原水水質(zhì)條件下，選擇合理的沖洗周期和沖洗模式對于控制微生物風(fēng)險是很有必要的，既要考慮正常的工藝技術(shù)需求，也要兼顧沖洗完成后的顆粒物濃度變化情況。

2.3顆粒物濃度與濾后水的“兩蟲”風(fēng)險

傳統(tǒng)的賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲（簡稱“兩蟲”）檢測方法存在諸多不足，目前水廠又缺乏兩蟲在線監(jiān)測的自動化手段，為此選用濁度和顆粒數(shù)作為“兩蟲”的替代指標，以對濁度和顆粒物的去除效果來衡量生物活性炭（BAC）池對“兩蟲”的控制效果^[2]。

一般情況下，降低出水渾濁度至0.5NTU 可大大降低原蟲的傳播危險，濁度低于0.3NTU，原蟲去除率達99%，濁度低于0.1NTU，去除率可達99.9%。試驗期間，BAC池的進水濁度約為0.09-0.10NTU，出水濁度約為0.05-0.07NTU，BAC工藝對濁度和顆粒物的平均去除效率分別約為36.84%和41.27%。

    就我國供水行業(yè)而言，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程運行經(jīng)驗相對缺乏的情況下，切忌將濁度≤0.1NTU作為微生物學(xué)安全的屏障之一與微生物學(xué)安全機械等同^[3]。故對于濁度控制在0.1NTU以內(nèi)的生物活性炭池出水而言，以不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒物濃度作為衡量“兩蟲”風(fēng)險的參考指標將更有意義。

  圖2  主要工藝單體出水顆粒物濃度變化  圖3  不同粒徑顆粒物在濾后水中的濃度對比

各組BAC池沖洗前檢出的顆粒物濃度平均達228個/ml，如圖2、圖3所示，待反沖洗結(jié)束出水顆粒物濃度變化穩(wěn)定后，其平均值約為184個/ml。根據(jù)美國對水中“兩蟲”與顆粒物數(shù)量相關(guān)性的研究數(shù)據(jù)，當(dāng)水中粒徑大于2μm的顆粒物濃度高于100個/ml時，水中存在兩蟲的幾率很大^[4]。通過進一步的分析可以確定，BAC池出水中，符合隱孢子蟲尺寸2-5μm范圍內(nèi)的顆粒物濃度約為121個/ml，符合賈第蟲尺寸5-15μm^[5-7]范圍內(nèi)的顆粒物濃度則為58個/ml。就理論而言，“兩蟲”對BAC池的穿透可能性是客觀存在的，尤其以隱孢子蟲的潛在威脅為大。

三、二階段試驗情況

3.1運行周期對出水細菌的影響

考慮到8^#炭池運行周期調(diào)整初期，出水效果不一定立即反映出周期調(diào)整后的效果，且可能存在一定的波動，因此選擇待其運行穩(wěn)定后，于第三個周期開始連續(xù)跟蹤兩池出水中的細菌檢測情況。試驗發(fā)現(xiàn)，炭池經(jīng)過反沖洗后，出水細菌檢測值均較之前有大幅提高，這是因為炭顆粒表面的生物膜在反沖洗時受到破壞，反沖洗后受損的生物膜不斷脫落的同時，新的生物膜不斷形成，導(dǎo)致細菌波幅較大^[8]。其波動周期受炭池進水水質(zhì)、沖洗周期和沖洗強度等因素的共同影響，一般在新的生物膜有效形成之后，炭池出水的細菌檢測數(shù)將逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4中，盡管運行周期不同，但有效的反沖洗能使兩組炭池的出水細菌檢測數(shù)恢復(fù)至相近范圍內(nèi)。經(jīng)過三至四天的運行，受損生物膜的脫落接近低點，同時新的生物膜基本形成，出水細菌檢測值開始逐漸回落。在此期間，運行周期較長的6^#炭池出水細菌數(shù)波動幅度明顯高于8^#炭池，在相同的加氯量下，其造成出廠水中細菌被檢出的風(fēng)險也將高于運行周期稍短的8^#炭池。運行至第七日前后，出水細菌檢出數(shù)波動開始增大，與第一階段試驗中，不同周期下的出水顆粒物變化趨勢表現(xiàn)出了一定的相關(guān)性。因此，炭濾池實際運行周期的確定，對于嚴格控制出水微生物風(fēng)險、保證出水的生物安全性具有重要意義。

3.2沖洗模式對顆粒物濃度的影響

將6^#炭池和采用相同運行周期的4^#炭濾作為比較標的，在氣沖強度和時間不變的基礎(chǔ)上，通過改變水沖強度和水沖時間，研究其在沖洗完成并靜置30min后，初濾水中顆粒物濃度的變化規(guī)律，據(jù)此判斷不同沖洗模式對出水顆粒物濃度的影響，沖洗參數(shù)可參見表2。

表  2    不同沖洗模式下的炭池初濾水顆粒物濃度

由圖5和圖6可見，在相同的氣沖強度和氣沖時間下，適當(dāng)提高水沖強度或延長水沖時間，均可使炭池經(jīng)反沖洗后，在恢復(fù)運行的初期出水顆粒物濃度有所降低。水沖強度越高，水流沖刷炭床時的剪切力也越大，更易將深嵌在活性炭孔隙間的雜質(zhì)和失活生物膜有效排出，有利于下一運行周期中生物膜的快速恢復(fù)。但過高的水沖強度也會對生物膜造成不利影響，可能會破壞附著其上的活性生物膜并延長炭池恢復(fù)正常生物降解效率的時間。

有研究表明，生物活性炭池對懸浮顆粒的去除除了范德華力和化學(xué)鍵力外，還有生物絮凝作用^[9]。因此在沖洗完成后，顆粒物濃度的變化情況也可作為判斷活性炭表層生物膜恢復(fù)情況的依據(jù)之一，在恢復(fù)運行的最初四個小時內(nèi)，顆粒物濃度波動較大，其對氨氮、耗氧量和TOC等指標的去除效率也很不穩(wěn)定。隨著運行時間的逐漸延長，出水顆粒物濃度逐漸趨于穩(wěn)定，新的生物膜重新在炭層表面有效形成，炭池的生物降解作用也逐漸恢復(fù)正常。

四、結(jié)論與建議

1. 各主要工藝節(jié)點出水顆粒物以2-10μm粒徑范圍內(nèi)的居多，砂濾工藝對顆粒物的去除發(fā)揮主要作用，因而針對不同季節(jié)的原水水質(zhì)，選擇合理的沖洗周期和沖洗參數(shù)，可有效保證常規(guī)處理工藝對水中懸浮顆粒的去除效果，減少小分子顆粒物對炭床的穿透作用；
2. 結(jié)合太湖原水水質(zhì)特點，冬季的炭池運行周期建議為5-7天，進一步延長運行周期，出水中的顆粒物濃度波動也將隨之增大，進而增加微生物泄漏的風(fēng)險；
3. 在生物活性炭池出水濁度≤0.10NTU的情況下，出水所含2μm以上粒徑的顆粒物濃度檢測值依然偏高，因此不能完全排除“兩蟲”穿透炭池的可能，尤其以尺寸在2-5μm范圍內(nèi)的隱孢子蟲的潛在威脅為重；
4. 炭池經(jīng)反沖洗后，其出水細菌數(shù)因受到炭層表面生物膜脫落和恢復(fù)速度的影響，而出現(xiàn)階段性的變化，并與顆粒物濃度的變化趨勢表現(xiàn)出了一定的相關(guān)性，運行周期越長，周期內(nèi)的出水細菌波動范圍就越大，在同等加氯量條件下，出廠水中細菌被檢出的風(fēng)險也更高；
5. 在氣沖強度和時間不變的前提下，增大水沖強度或延長水沖時間均可減少炭池初濾水中的顆粒物濃度，隨著炭層表面生物膜的逐漸恢復(fù)，出水顆粒物濃度也漸趨穩(wěn)定，可將其作為炭池反沖洗后，判斷生物膜恢復(fù)情況的依據(jù)之一。

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