饮用水几种过滤方法的比较

A comparative evaluation of the effectiveness of potable water filtration processes

何玲　　译

　　摘要：本文就慢砂过滤法（慢滤）和快速重力过滤法（快速）分别在有与没有使用颗粒活性炭（GAC）代替砂滤料的条件下，去除农药、溶解性有机炭、有机色素、营养素的有效率，对污染事件处理能力，以及相对费用几方面作了论述。一般情况下，认为慢滤系统较使用混凝剂的快滤系统在去除溶解性有机炭和有机色素方面差些，但在去除若干种常见农药方面却很有成效。同时还发现慢滤适于小中型水厂生产生物稳定性水，与同类快滤水厂相比，似乎可不需加大投资成本。

　　一、引言：

　　慢滤供给饮用水，这对于欧洲、北美以及许多发展中国家虽说已是一种很好的既定工艺，但是作为一种辅助的处理方法，却往往被忽视掉。对慢滤的理解一般都是消极的，仅考虑到它适合处理的原水范围有限，处理时间长，有一定劳动强度的清洗工作，占地空间大，以及资本投入大，而不够重视将慢滤加到处理程序中的作用。慢滤的处理类型与其它工艺不同，因此得到的净水水质也不相同。根据所要求的水质目标，慢滤可以是很有效的处理方法。另外，由于饮用水水质标准更加严格，原水水源的处理范围也越来越大，经常是几种单元工艺结合使用，每个单元工艺的相对去除效果和成本效益会有相当大的不同，因此鉴于目前英国饮用水水质应用的法规，本文对饮用水给水处理的慢滤、快滤以及GAC代替砂滤料的几种方法重新作一估价。
　　英格兰和威尔士当前应用于饮用水给水水质的法规对57项感观、物理、化学和微生物参数的最大允许浓度或数值(PCVs)做了规定，包括对一种农药0.1ug/L和总农药0.5ug/L的最大浓度的规定。预报并去除饮用水中各类不同浓度的农药的能力，是大众最关注的问题。英国给水企业对此感到为难，并认为慢滤对之也无效。而慢滤作为一种可行的处理方法被接受，也受到其它一些因素的限制。在英国，使用慢滤水流速度慢会被看成是造成不能充分减少原水中有机炭和有机色素含量，从而影响预期净水水质的主要原因。

　　二、慢砂过滤法

　　1.对农药的去除
　　用慢滤去除饮用水中的农药，常被认为是无效的。然而慢滤在去除英国地表水中常见农药，至少是与加混凝剂的快滤的效果相同，一般还会好于后者（见表1）。

　　如Foster等人报告的，水库蓄水经慢滤后，二甲四氯丙酸0.10ug/L浓度减少了70%。用慢滤对二甲四氯丙酸的去除率在南约克郡观测也得到67-96%的结果。另有报导中试慢滤对二甲四氯丙酸、MCPA和二氯苯氧基乙酸达到100%的去除，对2,4,5涕丙酸的去除达60%。对2,4,5洋丙酸去除较差的原因，认为一部分由于其生物降解速率较前三者低。大约25%的进水中2,4,5洋丙酸的浓度是在慢滤期间被生物降解除掉了。而其降解产物2,4,5－三氯苯酚的浓度，在慢滤出水中被测得由24mg/L增加了350%，而2,4－三氯苯酚或2－甲基－4－氯酚的浓度无明显变化，二氧苯氧基乙酸、二甲四氯丙酸和MCPA的降解物，也分别测出。这点被理解为是由于这些副产物的快速降解作用引起。
　　2. 对非特定溶解性有机物的去除　
　　传统的慢滤池对去除水中非特定溶解有机物，包括有机炭和有机色素的能力有限，据观测一般不如常规快滤那样有效。然而，有机物去除效果可视作因条件而异，即随原水水源的性质和滤池所采用的管理方法而变化。虽然可经常高速滤池运行周期长度和慢滤滤床的生物成熟期，但每个滤池运行周期的处理效果也常有不同。在某些水厂还总结出有机物去除率的季节差异。提出这些问题是因为冬季有机物去除率较低，其原因或是由于水温不适宜微生物生长，或是由于原水有机物母体成份的季节性差异引起。有机物负荷，或称进水浓度，或称过滤速率，看起来大都没有注意能达到的百分比有机物去除率。Collins和Enghmy证实了由于进水有机物浓度，或说滤速统计不充分，反映在有机物去除上的明显的差异。慢滤可以调节滤速和有机物负荷。同样在慢滤前对原水采用预处理，对有机物去除率也是无效的。而滤前的预处理则可有效地改进慢滤性能和其它几个方面：增加过滤周期长度、减少滤池停工时间和清洁需求，以及减少运行成本。
　　来自文献的一项分析结果（见表2）提出慢滤对不同水厂、不同季节以及不同水源中原水DOC的去除一般都可达到5-40%的去除，平均为16%。与Collins等看法相同，他们已根据慢滤处理各种不同原水水质中有机物的曲线，论证了慢滤对有机物去除率仅为15±5%。文献分析还看出，处理上游水源的慢滤水厂可达到DOC去除率14%，这比处理下游稍少些。下游的处理率平均可达18%。

　　对有些紫外线吸附有机物(254mm)和色度(400nm)的去除程度一般反映个别水厂的DOC去除率，然而在某些实例中水厂与水厂之间去除DOC与紫外线吸附或色度之间好象并不存在特殊关系，在特定水厂存在的关系可能出现季节性差异。文献中的一项分析结果（见表3）提出慢滤对紫外线吸附(254mm)的去除，达到3-35%之间，平均17%，慢滤处理上游和下游现有水源时，对紫外线吸附的去除效果区别不大，平均去除率分别为18%，16%。但色素的去除差别较大（见表4）文献中报导对全部水源的色素去除率在15-80%，平均34%，上游水源是42%，下游水源26%。
　　3.生物不稳定性的去除　
　　慢滤在处理系统中的主要益处，就是去除在配水管网内供给生物膜菌群的化合物。只有当配水管网中来自相邻水域的适合其生长的化合物遇到相当浓度时，细菌才能发育生长。因此，有一种消除生物膜中菌群的措施，就是在处理期间去除适宜水中微生物生长的化合物。这种方法较努力保持整个配水管网中剩余消毒剂的方法更为有效。在众多的适宜微生物生长的微量化合物中，最基本的无素是磷、氮和碳。硫也是一种重要的营养，但由于其在水环境中的优势，增长迅速。磷在水环境中主要以正磷酸盐存在，氮以有机氮形式存在，碳是以无机物存在。生物膜微生物生长所需要的磷、氮、碳的比例（同化作用与异化作用）约为1:10:100(P:N:C)。然而在净化后的饮用水中微生物的生长极易受到生物可利用有机碳浓度的限制。这些可根据水体中可生物降解有机碳(BDOC)，或可同化有机碳(AOC)，用不同方法测出。一般在配水管网中测出的异养微生物生长的限定浓度为10uG/L AOC和0.15mg/L BDOC。而AOC和BDOC并非影响生物生长的唯一参数。在各个配水管网之间，限制微生物生长的有关浓度实际上可能有些差异，取决于其它一些因素，如周围水温。
　　慢滤池去除进水中生物可利用有机碳含量非常有效，同时生产出的滤液也具有较高的生物稳定性。文献中最常见的结果为：在首先经过多方面的处理之后，再将慢滤作为其最终处理，这样的水才能成为生物稳定净水。各水厂之间对AOC和BDOC的去除率，受滤速、所采用运行方式、滤床生物成熟期、进水中AOC或BDOC含量以及其它一些参数，如水温等等的影响，也会有差异。
　　慢滤去除AOC报导得最多，见表5(a)。由此得出一种分析：即慢滤法根据季节、水源及前面的处理过程，对进水中AOC的去除一般为14～40%，平均为26%，BDOC较AOC高些，见表5(b)。从初滤水中BDOC的去除率在46～75%之间，平均值为60%，报告还引证了在低地水库初滤水中的ATP（三磷酸腺苷）经慢滤的去除率平均在50～80%。
　　慢滤除对进水中某些不溶性磷酸盐络合物可去除外，对溶解性磷酸盐不起作用。在近期文献中，对慢滤去除有机氮化合物未见有报导。

　　三、快砂过滤

　　1. 生物不稳定性的去除　　
　　慢滤主要是一种生物过滤过程，而快滤则不然。快滤滤池中固体的大量积累和频繁的反冲洗防碍了生物群体的形成，如慢滤中的滤膜。因此，生物去除率也很低。而假如进水中缺少预氯化中的余氯含量，则对可生物降解的有机碳的去除就会很少。快滤池加入混凝和澄清处理就可对可生物降解的有机碳含量达到明显地去除。事实上，有二位专家已证明，快滤前的澄清处理可能就是传统的快滤处理方法中的主要生物去除过程。生物去除率一般会随水温的增加，以及AOC及BDOC浓度的增加而提高。传统的快滤仅能去除部分可生物降解有机炭(BDOC)(表6)。

　　上述两位专家针对快滤加混凝剂对AOC或BDOC的去除效果，得出结论：净水往往会受到进水水质的影响，呈永恒的生物不稳定状态。
　　2. 对非物定溶解有机物的去除　
　　混凝在先的快滤法常用来去除原水中的溶解性色素和有机碳，在pH值和混凝剂投量适当时，去除效果很好。虽说所选用的混凝剂种类不会对其有很大的影响，但去除效果还是与水厂所采用的处理方法有密切的关系，包括混凝剂投量、助凝剂的使用、加药程序、混合强度及pH值。去除效果还受溶解性有机物基体的性质和成份以及原水的理化性能的影响。传统快滤法虽然使用最多，其条件也最适合降低进水浊度，但对人们更关心和注意的非特定有机物的去除，并非如预期的那样有效。
　　适合色素和DOC去除的最佳混凝法，pH值的范围很有限，为了达到一定的去除量，所要求的混凝剂的投加量大到不成比例。因此，导致净水中剩余溶解铝或离子浓度过高，以及大量固体颗粒的产生使滤池周期历时过短。同时，形成的矾花易碎，且量大。特别是在pH值较高或混凝剂投量高的情况下，为防止已经絮凝的絮体破碎，穿透快滤池进入净水中而需要小心地操作运行。如此大量的固体给产水带来相当大的困难，同时造成污泥处理与处置的费用加大。
　　另一个报导较多的问题是混凝对一部分有机物无能力去除。既使色素能达到全部去除的时候，相当数量的有机物也会以溶解状态继续保留下来。例如，有研究表明，虽然混凝可使色素去除达到90%以上，而DOC的含量仍以溶解态保留。按Thomas等人的说法，至少进水中30%的DOC在经混凝处理后总会存在。文献中对不同水厂混凝去除DOC，UV－吸附率和色素的举例；列于表7～9。总之，混凝快滤法对DOC的去除率在10～60%左右，一般为30%。UV一吸附率的去除在10～80%之间，平均45%。有机色素在50～100%，平均81%。传统快滤则不然，对非特定有机物总去除率，特别是对处理含有有机色素地表水，必须采用辅助或能替换的方法，才能达到满意的净水水质。　　

　　在400nm波长下测量。
　　3. 对农药的去除
　　加混凝的快滤法对痕量有机物去除的程序，按照该化合物的溶解性及其对颗粒或有害物质吸附或络合的亲合力也会有很大的差异。英国给水企业目前关注的主要农药化合物是属于溶解度较缓和的类型，对络合物的形成具有比较低的亲合力。表10所列为经混凝不易处理的化合物。目前英国地表水中最常见的农药为二种三唪除草剂：莠去津和西玛津。然而，美国经过对给水处理设备的一项调查后，Miltner等人报导了通过传统快滤法之后，上述两种农药和草净津的浓度没有变化。莠去津去除率未大于14%，草净津和西玛津去除率也都低于21%。Foster等人同时报导了在经过混凝快滤后对低地河流蓄水中的莠去津的去除率也仅有12%，Walker等人报告说经氯化铁混凝和过滤后，莠去津、西玛津、扑灭津等的去除率仅为7～9%，来自法国10家水厂的一次调查显示莠去津的去除率一般都低于4%。Brauch等人报告说传统快滤不能去除莠去津。

　　四、双层滤料（颗粒活性炭）重力式快滤法

　　1.对农药的去除
　　对于去除特殊的微量有机污染物，如农药，颗粒活性炭较慢滤或快滤均有很强的去除效果。颗粒活性炭类别的不同对农药的去除效果也就不同。这要视所要求的水质目标，空床接触时间(EBCT)，农药种类与浓度以及进水中其它竞争有机物的比例而定。对农药的吸附能力和去除效果，在经过再生或者连续接触水中剩余氧化剂，如氯和臭氧之后，也可能恶化。但受滤速影响不大。
　　在砂滤池中使用GAC可去除剩余浓度低于毒理学推荐的，世界卫生组织(WHO)制订的农药的限值。该滤池的接触时间仅6～8分钟。GAC滤池空床接触时间在6～8分钟之间，用于控制农药，如莠去津等，一般滤床的活力为3～4个月，对这些农药的去除能达到0.1ug/l以下。同时GAC滤床的活力在6～24个月，空床接触时间必须达到15～30分钟。
　　2.生物不稳定性的去除
　　由于GAC有很大的孔隙度和内表面积，因此作为滤料，它可较砂更能有效地支撑微生物群体。除了吸附作用大以外，加入GAC的滤池对进水中的BDOC的去除比单滤料快滤地更有效（表11）。

　　用GAC代替40cm的砂层的去除效果已由法国一家水厂得到证实。该厂为双层滤料滤池，GAC层的EBCT仅为3.5秒，达到约12%，比传统单层滤料快滤大些。GAC对AOC/BDOC的去除率受以下若干因素影响而变化，包括GAC种类，进水中BDOC的性质及浓度（这可受预处理影响），EBCT，滤速，不同季节以及滤池运行周期。预臭氧法多用于GAC过滤以改进和延长滤床去除农药、BOC、色素的活力。这种方法也提高了总BDOC的去除率。而出水中AOC/BDOC的浓度却经常高于仅用GAC不用臭氧处理的水。同时观察到在水温较高，用首次使用或重新再生后的GAC时，AOC/BDOC的降低率很大。Easton等证明了如果GAC接触时间低于20分钟，进水中BDOC的去除仅能达到20-30%。还有人提出欲达到生物稳定的净水，GAC接触时间必须至少在15和25分钟之间。而这一时间标准在双层滤池一般达不到，因此就需要一种称为“后吸附的滤池”。这种滤池较双层滤池在去除BDOC方面更有效，其中一部分原因是可得到较长的EBCTs，还因为这种滤池反冲次数不大频繁，使经过该滤池的吸附作用更均匀，生物群发育更加成熟。经过GAC过滤的净水，由于E-BCTs大于15分钟，一开始呈现的生物稳定性与慢滤出水相差不大。通过用生物法去除最易生物降解的有机物和降解速度慢的化合物的吸附，GAC往往会达到相同的去除效果。GAC的出水水质，也会随吸附能力的逐渐减弱，而慢慢变坏。GAC滤池出水的AOC浓度在经过500天运行后也会逐渐增大。仅250天运行期后，GAC出水中的AOC浓度就超过了该滤地的进水浓度。慢滤系统通过生物作用达到了对生物不稳定性的去除，而且不会出现类似的恶化现象。通过慢滤的生物膜菌群可始终如一、稳定地去除全部可生物降解有机物。虽然这种可能性起初看不出来，但是在去除进水中总BDOC方面终究会胜过具有生物活力的颗粒活性炭。
　　虽然在近期文献中未发现有关注进水中磷酸盐去除的报导，而GAC则可有效地去除有机氮。法国一水厂有报导说，GAC过滤可将水中有机氮浓度去除9～50%。
　　3.对非特殊溶解性有机物的去除　
　　GAC是昂贵的水处理滤料，因此主要用于控制特殊水质问题和污染物，弥补水处理过程中其它一些单元中的不足，来改善总的净水水质。因此GAC不会专门用于控制水中一般天然存在的有机物，并且具吸附作用的这种条件还可能防碍对污染物的去除，影响对非特定有机物的吸附。
　　虽然GAC过滤法比混凝能去除更大范围的有机物，一开始也可以大量去除进水中的DOC，UV一吸附力和色素，但一般来说仍属并不经济的处理方法，除非是脉动式混凝不易控制的、小或遥远的场合下才使用。GAC的吸附能力会很快消耗尽，与其它方法相比较，总的去除率比较差。例如美国国家有机物勘察院已注意到在5家水处理厂首次使用的GAC对DOC的去除率平均达到87%，仅7天后减至73%，数月后的结果为不足30%。在巴黎附近的一家水厂，双层滤料滤池中GAC层的EBCT为3.5分钟，被证实能达到14%，较传统单层滤池用增强生物降解法还要大。经过改善GAC滤池中微生物过程，预臭氧也可大量去除非特殊有机物。
　　4.对付污染事件的能力　　
　　一般人认为，慢滤与快滤相比，其对抗污染事件的能力是比较有限的。然而包括慢滤在内的所有过滤方法其有效性都取决于污染物的性质、浓度、以及其持续时间。例如，慢滤和单层快滤都不能有效地对付农药污染。如这两种过滤方法对原水浊度的突然变化或藻类的大量繁殖的相对有效性也是取决于被评价的水的标准是不是净水水质，还是说是运行与保持有效处理的能力。如Cleasby等人提出的一次藻类的大量繁殖使慢滤池运行周期减少至仅9天，但保持了进水浊度的有效去除率达98%，与此同时，快滤运行周期，降低滤速后，减少到12小时。直接过滤要求做到预加氯，投加阳离子聚合物和大剂量的明矾，尽管如此，进水浊度仍不能满足要求。因此，慢滤可有效地使净水达到合格的水质要求，而快滤可有效地运行与维护。加混凝剂的快滤法的主要优点是可较容易得到调整，使之适应变化很大的原水，或者控制进水水质的突然恶化。然而慢滤运行没有投药的要求，其操作很少受河水水质小波动的影响。慢滤由于所用滤速低，因此在对付较轻的污染事件中，它还有优于快滤的另一个优点。即，在滤床上形成大量的备用水，在污染事件期间可短时间(3-4小时)停止对原水的吸附，同时不改变慢滤的出水量。慢滤池上的水对慢滤处理过程也能提供较大的辅助的缓冲力。
　　5.处理费用的比较　
　　不同处理方法的相应费用，也就是建筑与运行费用，是影响其选用的重要条件。详细内容从略。请参考表12，13的费用比较。

　　五、讨论

　　许多采用慢滤方法的给水企业目前正在估算，其仍延用的运行方法是更换还是与其它处理方法结合使用。作这种估算时，有些因素必须考虑，包括处理目标、慢滤的运行方法、慢滤池可以做到的改进方案等，以便提高经济效益，改善滤池能力或水质。还要考虑到更换处理方法后有利与不利的影响，以及费用。在这些因素中，处理目标是最重要的，另外还应弄清达到效处理的各处理单元的组合方式。
　　在一个处理程序中采用慢滤的主要益处是使净水送到生物稳定性。处理中加用臭氧可极大地减弱处理后水的生物稳定性，采用慢滤则是一种行之有效的补偿方法。虽说GAC也可补救这个问题，但慢滤还是更为有效些。如净水中的有机物和细菌，特别是附着在炭末上的细菌的大量释放，是许多采用生物活性炭滤池的，特别是作为后吸附滤池的给水企业的主要关注点。另外在处理程序中加入小规模的慢滤比加入其它过滤系统一般不会引起太大的迟滞作用。慢滤如能得到适宜的改造，其效率将能得到极大的提高。

　　六、 结论

　　慢砂过滤法目前正在得到重视和开发，虽然与其它所有方法同样不能解决水质中出现的每一个问题，但是错误概念仍妨碍了它的应用，慢滤的处理类型与其它工艺不同，其处理效果优于快滤和GAC，使水达到严格的质量要求。在处理系统中适当地采用慢滤，既可补偿其它单元处理中的缺陷，又可有效地解决目前水处理中存在的问题。

技术资料
第9712号

（选自AQUA,1995第1期）