预氯胺化助凝助滤效能的研究

预氯胺化助凝助滤效能的研究*

李星¹，杨艳玲¹，陈杰²，李圭白²，何文杰³，韩宏大³
（1. 北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京100022；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院 哈尔滨 1500903.天津市自来水集团有限公司 天津300040）

　　摘要：本文分别以低温低浊水及高温高藻水为研究对象，通过中试试验考察了氯胺预氧化助凝、助滤效能。结果表明，氯胺具有显著的助凝、助滤效果，预氯胺化工艺可明显降低气浮工艺以及过滤工艺出水浊度，同时明显降低了过滤出水中的颗粒数，延长了滤池的运行周期，使滤池的运行时间延长了15%以上。
　　关键词：预氯胺化，浊度，颗粒数，过滤周期，低温低浊水，高温高藻水，中试

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

　　当前饮用水水源普遍受到污染，受污染的水中含有较高浓度的溶解性天然有机物，这些有机物增加了水中胶体浊质的稳定性，使常规工艺的混凝效果受到极大的影响，在冬季低温低浊期及夏季高藻期尤为明显，一些水厂出现了滤后水浊度和颗粒总数居高不下的情况。
　　为了提高混凝效果，水厂通常采用预氯化处理方法，预氯化在控制嗅味、防止细菌和藻类在水处理构筑物中繁殖，氧化有机物提高混凝效果方面是非常有效的措施。但当饮用水水源有机污染严重时，预加氯中的大部分消耗在氧化还原性的有机或无机物质，不但增加了氯耗，还生成大量的三卤甲烷（THMs）等致癌副产物。有研究表明，在加氯同时加入铵盐，使氯转化为氯胺，可降低饮水中三卤甲烷生成量[1]。因此本文以冬季低温低浊水及夏季高藻水为研究对象，考察氯胺预氧化的助凝、助滤效果及对滤池的运行周期的影响。

1.试验材料与方法

1.1 原水水质特点
　　试验水样为天津冬季引黄水，水库处于盐碱地，水质特点概括起来为低温，低浊，高有机物，高溴离子四个特点。夏季试验水体是滦河水，呈富营养化状态，藻类大量繁殖，具有高温，高藻，高有机物三个特点。
1.2中试系统图
　　中试系统为两套完全相同的平行系统。每套系统的设计流量为5m³/h，每个预氧化罐水力停留时间为10分钟。每套系统的过滤出水处接有在线激光颗粒计数仪，连续监测过滤出水中的颗粒总数及其粒径分布，数据传输至工作站进行处理和存贮（图1）。

1.3主要指标的检测方法
　　浊度采用Hach2100N型浊度仪测定，颗粒总数采用美国Inter Basic Resources公司产在线激光颗粒计数仪连续监测，余氯采用DPD-硫酸亚铁铵滴定法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定。

2．试验结果与讨论

2.1预氯胺化对冬季低温低浊水的助凝、助滤效果
　　预氧化罐前端投加氯水或同时投加氯水和氨水，中试系统稳定运行6个小时后开始取样，并且连续运行，白天取2组，夜间取1组，共运行4个过滤周期左右，结果如图2所示。

图2 冬季低温低浊水氯胺的助凝效果

　　试验期间原水中有一定浓度的氨氮（0.1～0.2mg/L），当预投加1.0mg/L的氯水，预氧化10分钟后残余氯的主要形态为化合氯，仅有微量的自由氯，因此实际起作用的为氯胺，运行一段时间后改为同时投加0.32mg/L氨氮和2.0mg/L的氯水，预氧化10分钟后残余氯的形态全部为化合氯，故上述皆称为预氯胺化工艺。
　　从图2可以看出，预氯胺化明显降低了气浮过滤出水的浊度指标。常规工艺气浮出水浊度不高，但是过滤效率很低，出水浊度在0.4～0.5NTU左右。预氯胺化后气浮出水浊度指标降低了0.2～0.4NTU，气浮工艺的浊度总去除率平均提高了6％。滤后水浊度与普通工艺相比较降低了0.1～0.25NTU，浊度总去除率提高了3％左右，使过滤出水浊度保障率大大提高。
2.2预氯胺化对夏季高藻水的助凝助滤效果
　　预氧化罐前端投加氯水或同时投加氯水，稳定运行一段时间后开始取样，系统连续运行，白天取2组，夜间取1组，共运行3个周期左右，结果如图3所示。

图3 夏季高藻水氯胺的助凝效果

　　试验水质期间氨氮为0.22～0.35mg/L。在预加氯1.0～2.0mg/L的情况下10分钟后从预氧化罐中取余氯检测发现残余氯的主要形态是化合氯，仅有微量的自由氯存在，说明在此加氯条件下起主导作用的是氯胺，故可认为是预氯胺化工艺。
　　 从图3可以看出，对于高藻水体预氯胺化工艺同样具有明显的助凝助滤效果。由于原水中藻类较多，常规工艺的混凝效果不好，过滤效率明显降低，加大混凝剂投量也难以降低降低滤后水浊度（混凝剂投量20mg/L左右）。投加少量的氯（实为氯胺）以后，气浮过滤出水明显降低，与常规工艺相比，气浮出水浊度降低了15％～30％左右，滤后水浊度降低了0.15NTU～0.3NTU ，可见氯胺的氧化助凝效果显著。
2.3预氯胺化对滤后水中颗粒物的强化去除效果
　　试验在低温低浊水质期进行，预氧化罐前段投加0.32mg/L的NH₃-N和2.0mg/L的氯水，运行1小时后开始每隔一定时间检测过滤出水中的颗粒总数及其粒径分布，并且与常规工艺比较，结果如图4所示。
　　由于混凝效果不好，常规工艺过滤出水颗粒数极高，并且粒径主要集中在2～7μｍ之间。预氯胺化后过滤出水颗粒数迅速下降，很快稳定在较低水平。在一个过滤周期内，普通工艺过滤出水颗粒总数平均为3405个/ml，预氯胺化滤后水颗粒总数平均降到1246个/ml，较少了63.4%，其中2～7μｍ的颗粒数减少了1646个/ml，7～15μｍ的颗粒数减少了452个/ml，15μｍ以上的颗粒数减少了60个/ml。致病原生动物的粒径通常在3～15μｍ之间，如贾滴虫的粒径为8～12µm，隐孢子虫的粒径为4～6μｍ，因此滤后水中的颗粒数在此粒径范围内的大幅降低具有重要的实际意义。

图4 滤后水中的颗粒总数及其粒径分布

　　颗粒计数技术是监控过滤出水致病原生动物污染的有效措施^[2]。天然水体中的病原微生物个体表面一般都带有负电荷,经过混凝后,大多数隐孢子虫与贾第虫卵囊都可吸附到絮凝体上,在沉淀和过滤过程中去除^[3][4]。病原原生动物的去除程度应与颗粒污染物的去除率有相同的数量级,因此预氧化对过滤工艺的强化是一个重要的微生物安全屏障：一方面预氯胺化降低了滤后水中的颗粒数，相应降低了致病原生物穿透滤池污染饮用水的几率；另一方面过滤出水颗粒数比较稳定，波动较小，提高了水处理工艺的抗冲击负荷能力。
2.4 预氯胺化对滤池过滤周期的影响

图5 预氯胺化对滤池运行周期的影响

　　从图5可以看出，预氯胺化工艺明显延长了滤池的运行周期。常规工艺的平均运行时间为22.9h，预氯胺化工艺的平均运行时间为26.5h，延长了15.7%。由于滤池的反冲洗水量非常大，运行周期的延长可以减少滤池反冲洗的频率，相应降低了制水成本。分析可能是预氯胺化降低了滤前水浊度，减轻了滤池的过滤负荷，并且提高了滤池的截污能力，故运行周期明显延长。

3 预氯胺化助凝的机理分析

　　氯胺作为氧化剂，氧化还原电位大约在1.13V，因此氯胺的氧化助凝的机理与其它氧化剂基本相同，但是由于其较强的持续氧化能力和优良的灭活微生物菌团能力，又有着其自身的特点：
　　 1）氯胺的氧化作用^[5] 。氯胺和其在水中的水解产物次氯酸、二氯胺等通过破坏胶体颗粒表面的有机涂层,降低胶体颗粒表面负电荷和双电层排斥作用、减小颗粒间的空间阻碍,达到有利于颗粒间的碰撞的效果,使水中胶体颗粒易于脱稳,形成较大的絮体颗粒，从而有利于后继气浮-过滤工艺对颗粒物的去除；
　　 2）氯胺对原水中浮游生物如藻类的灭活作用。藻类本身带负电，同时其代谢产物（如碳水化合物、肽和有机酸等）会吸附在胶体颗粒表面，增加其负电性，从而使混凝效果不好；同时藻类会粘附在滤料表面，使滤池过滤周期显著缩短，造成滤池频繁反冲洗。氯胺可灭活藻类，破坏其对常规水处理工艺的不利影响，从而体现出对高藻水体的显著助凝助滤效果。
　　 3）氯胺对滤料表面有机物和微生物的破坏作用。常规工艺滤料表面通常被有机物包裹或附着生长一些微生物，从而使水中的颗粒物不易与滤料结合从而失去一定的过滤截留功能。氯胺比较稳定，在进入滤池前能保持较高的浓度，进入滤池后不仅氧化去除了滤料表面的有机物，而且由于其较强的穿透生物膜能力[6]，能够渗透内部灭活滤料表面附着生长的微生物菌团，从而使其在反冲洗中易于脱落，滤料的吸附截污能力提高，相应过滤效率提高，过滤周期延长。

4.结论

　　中试试验结果表明，氯胺具有显著的助凝助滤效果，明显降低了过滤出水中的颗粒数，延长了滤池的运行周期。该工艺不需要改变水厂现有工艺，运行操作简单，价格便宜，设备投资小，易于在给水处理中推广应用。

参考文献:

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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

作者简介：李星（1963），男，研究员，博士　 研究方向：安全饮用水保障技术　 电话：01088586585
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