針對(duì)高藻源水的農(nóng)村分散式飲用水處理組合技術(shù)研究

1、第 針對(duì)高藻源水的農(nóng)村分散式飲用水處理組合技術(shù)研究中文分類號(hào)： 我國飲用水水源約有25%是湖泊水或水庫水，2022年無錫太湖藍(lán)藻飲用水危機(jī)爆發(fā)后，廣大分散式農(nóng)村飲用水工程由于技術(shù)、成本等原因，往往無法處理高藻源水中藻類、藍(lán)藻藻毒素，出水水質(zhì)不能達(dá)標(biāo)。 目前針對(duì)高藻源水藻類的去除研究多為單一方法研究，如物理方法（慢濾、粘土吸附等）、膜濾法、化學(xué)方法（臭氧、光化學(xué)催化氧化、高錳酸鉀氧化等）及生物方法（植物、微生物處理）。實(shí)際上不同處理方法對(duì)不同分子量的顆粒態(tài)、溶解性污染物具有互補(bǔ)性，因此運(yùn)用組合處理工藝，可有效提高處理效率、降低運(yùn)行成本。但目前該方面研究較少，本研究擬植物-膜、微生物-膜及植物-微

2、生物-膜組合處理工藝處理太湖高藻源水，并對(duì)3種組合工藝的處理效果及運(yùn)行成本進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比評(píng)價(jià)，為針對(duì)高藻源水的農(nóng)村分散式飲用水處理技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)。 1材料與方法 1.1實(shí)驗(yàn)區(qū)概況 實(shí)驗(yàn)設(shè)備位于中科院地理與湖泊研究所太湖站內(nèi)，源水取自站內(nèi)太湖邊55m（水深2.5m）圍隔內(nèi)，取水用潛水泵位于水深0.5m處，實(shí)驗(yàn)期間圍隔內(nèi)呈藍(lán)藻爆發(fā)狀態(tài)，部分藍(lán)藻已死亡，水體具有濃重的藻腥味。 1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 比較單一超濾膜（系統(tǒng)I）、人工濕地-超濾膜（系統(tǒng)II）、生物接觸氧化-超濾膜（系統(tǒng)III）及人工濕地-生物接觸氧化-超濾膜（系統(tǒng)IV）4種系統(tǒng)對(duì)太湖高藻源水的處理效果，并比較4種系統(tǒng)超濾膜膜通量變化。試驗(yàn)共

3、進(jìn)行3次重復(fù)。 1.2.1人工濕地構(gòu)建 選用體積1240L的圓形塑料桶（高度：113cm，上部直徑：118cm，下部直徑：118cm）作為人工濕地載體，桶底層（排水區(qū)）選用礫石，直徑為35cm，厚度為15cm；中層選用爐渣及部分土壤，爐渣直徑為0.51.0cm，厚度為50cm；上層選用礫石，直徑為1cm左右，厚度為20cm。平均孔隙率約為0.40。 2022年6月4日，選擇2030cm株高的美人蕉為受試植物，種植于圓桶中，種植密度為20株/m。植物用太湖源水培養(yǎng)3月后，美人蕉密布于人工濕地（植株平均高度約90cm），開始正式實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)停留時(shí)間設(shè)計(jì)為24小時(shí)。 1.2.2生物接觸氧化系統(tǒng) 202

4、2年6月15日，選擇由塑料顆粒與活性炭高溫壓制而成的改性填料為受試人工介質(zhì)，該改性填料具有填料高孔隙度及活性炭高吸附性雙重能力的特性，填料放入直徑100cm的圓形鋼罐中，導(dǎo)入太湖原水，曝氣采用微曝氣方式，每日曝氣2小時(shí)用于掛膜，微曝氣氣水比例設(shè)計(jì)為5：1。 培養(yǎng)約3個(gè)月，開始正式實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)太湖高藻源水微曝氣停留時(shí)間為6小時(shí)，測(cè)定生物接觸氧化系統(tǒng)凈化效果。 1.2.3超濾膜系統(tǒng) 超濾膜(U/FMembrane)選用浙江歐美環(huán)境技術(shù)公司OMEXELLSFD超濾膜。 1.3監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法 耗氧量（COD）：采用高錳酸鉀氧化法。 水質(zhì)中TN、TP、NH-N、NO-N、NO-N使用荷蘭產(chǎn)SKALAR流動(dòng)

5、分析儀測(cè)定（TN采用紫外消解、鎘柱還原a萘胺鹽酸鹽法測(cè)定、TP采用鉬酸銨顯色法、NH-N采用水楊酸鈉法測(cè)定、NO-N采用鎘柱還原a萘胺鹽酸鹽法測(cè)定、NO-N采用a萘胺鹽酸鹽法測(cè)定）。 Chla：采用Lorenzen法測(cè)定，水樣經(jīng)GF/C濾膜(0.45m)過濾，加入90丙酮萃取24h后，在波長630、645、663、750nm下測(cè)定吸光值。 TMC-LR（總微囊藻毒素）、EMC-LR（溶解性胞外微囊藻毒素）測(cè)定采用高效液相色譜(HPLC)法： IMC-LR（胞內(nèi)微囊藻毒素）為TMC-LR（總微囊藻毒素）與EMC-LR（胞外微囊藻毒素）的差值。 超濾膜通量測(cè)定：膜通量（L/min）=超濾膜出水量（

6、L）/時(shí)間（min），每次測(cè)定前用超濾膜出水進(jìn)行反沖洗。 2結(jié)果與討論 2022年9月13日至19日，對(duì)單一超濾膜（系統(tǒng)I）、人工濕地-超濾膜（系統(tǒng)II）、生物接觸氧化-超濾膜（系統(tǒng)III）處理效果同時(shí)進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次；9月22日至27日，對(duì)人工濕地-生物接觸氧化-超濾膜（系統(tǒng)IV）處理效果進(jìn)行了3次監(jiān)測(cè)；人工濕地植物為美人蕉，水力停留時(shí)間24小時(shí)，生物接觸氧化曝氣時(shí)間為6小時(shí)，經(jīng)t檢驗(yàn)，兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)太湖高藻源水水質(zhì)無顯著性差異（p0.05）（表5-5表5-8），因此可認(rèn)為系統(tǒng)I、系統(tǒng)II、系統(tǒng)III、系統(tǒng)IV高藻源水水源一致（表1表4）。 2.1對(duì)耗氧量處理效果比較 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7、顯示（表1表4），系統(tǒng)IV的好氧量去除率明顯高于系統(tǒng)I、系統(tǒng)II、系統(tǒng)III，系統(tǒng)II、系統(tǒng)III的好氧量去除率則無顯著差異（p0.05），具體表現(xiàn)為系統(tǒng)IV系統(tǒng)II系統(tǒng)III系統(tǒng)I（圖1），在4個(gè)系統(tǒng)均有超濾膜處理的條件下，這主要與膜前處理工藝有關(guān)，人工濕地-生物接觸氧化聯(lián)用膜前處理系統(tǒng)對(duì)水體好氧量的去除率明顯高于單一人工濕地系統(tǒng)、生物接觸氧化系統(tǒng)（圖3），而系統(tǒng)I無膜前處理系統(tǒng)，因而整體處理效果最差，從最終處理結(jié)果上看，系統(tǒng)I、系統(tǒng)II、系統(tǒng)III、系統(tǒng)IV出水好氧量濃度分別為6.295、3.860、3.584和2.562mg/L，只有系統(tǒng)IV出水達(dá)到了生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2

8、022）3mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（表1表4），4種系統(tǒng)對(duì)TN、NH-N、TP去除率差異顯著（p）,具體表現(xiàn)為系統(tǒng)IV系統(tǒng)II系統(tǒng)III系統(tǒng)I（圖1），在4個(gè)系統(tǒng)均有超濾膜處理的條件下，主要與膜前處理工藝有關(guān)，人工濕地-生物接觸氧化聯(lián)用膜前處理系統(tǒng)對(duì)水體TN、NH-N、TP的去除明顯高于單一人工濕地系統(tǒng)、生物接觸氧化系統(tǒng)（圖3），而單一人工濕地系統(tǒng)對(duì)上述污染物的去除效率又要明顯高于生物接觸氧化系統(tǒng)。系統(tǒng)IV與系統(tǒng)I、系統(tǒng)II、系統(tǒng)III相比對(duì)NO-N、NO-N去除效果并不突出，這主要與生物接觸氧化系統(tǒng)曝氣增氧后水體中硝化作用有關(guān)，但NO-N、NO-N出水濃度為0.056、0.012mg/L

9、，仍遠(yuǎn)低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2022）NO-N、20mg/L、NO-N1mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。 2.3對(duì)水體中藻類及藻毒素處理效果比較 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示（表1表4），4種系統(tǒng)對(duì)水體濁度、Chla及IMC-LR的去除率無顯著差異（p0.05），對(duì)TMC-LR及EMC-LR的去除率差異顯著（p），具體表現(xiàn)為系統(tǒng)IV系統(tǒng)III系統(tǒng)II系統(tǒng)I（圖2），這是由于4個(gè)系統(tǒng)均有超濾膜處理，而超濾膜是懸浮顆粒、藻類、膠體物質(zhì)的有效屏障，因此去除濁度十分理想，但由于其截留分子量較大，使得其無法去除水中的大多數(shù)溶解性有機(jī)物。 系統(tǒng)I由于只有超濾膜處理，因此對(duì)Chla、IMC-LR具有較好的去除效果，但對(duì)EM

10、C-LR效果較差，去除率只有17.75%，導(dǎo)致TMC-LR去除率也較低，只有46.64%，達(dá)3.887g/L，高于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2022）TMC-LR1g/L的標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)II，以美人蕉人工濕地系統(tǒng)作為超濾膜前處理系統(tǒng)，其對(duì)于水體中Chla、IMC-LR具有較高的去除效率，但水體中EMC-LR去除相對(duì)有限，只有32.97%（圖4），人工濕地出水經(jīng)超濾膜處理后，Chla、IMC-LR去除率分別高達(dá)97.84%、99.02%，但EMC-LR去除率則只增加到52.68%，導(dǎo)致出水TMC-LR仍達(dá)到2.241g/L，高于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2022）TMC-LR1g/

11、L的標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)III，以塑料顆粒與活性炭高溫壓制而成的改性填料構(gòu)建的生物接觸氧化系統(tǒng)作為超濾膜前處理系統(tǒng)，其對(duì)EMC-LR具有極好的去除效果，去除率達(dá)到95.28%，但對(duì)Chla特別是IMC-LR去除有限，去除率分別只有30.66%、18.18%（圖4），其出水經(jīng)超濾膜處理后，水體Chla、IMC-LR顯著提升，從而出水TMC-LR去除率較高達(dá)94.31%，出水值為0.415g/L，低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2022）TMC-LR1g/L的標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)IV，以人工濕地-生物接觸氧化系統(tǒng)聯(lián)用工藝作為超濾膜前處理系統(tǒng)，由于人工濕地對(duì)Chla、IMC-LR的高去除率及生物接觸氧化系統(tǒng)對(duì)

12、EMC-LR的高去除率，使得超濾膜前進(jìn)水Chla、TMC-LR、EMC-LR、IMC-LR去除率即達(dá)到68.43%、84.67%、92.94%、69.12%（圖4）。經(jīng)超濾膜處理后，Chla、TMC-LR去除率分別達(dá)到98.65%、93.83%，TMC-LR值只有0.434g/L，低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2022）TMC-LR1g/L的標(biāo)準(zhǔn)。 表1單一超濾膜工藝處理效果（系統(tǒng)I） Tab.1ThetreatmenteffectofU/FMembranesystem(systemI) 處理效果 監(jiān)測(cè)指標(biāo) 進(jìn)水濃度 出水濃度 去除率 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2022 耗氧量（

13、mg/L） 12.5242.212 6.2951.190 49.74% 3.00 TN（mg/L） 4.7480.602 2.5230.462 46.87% - NH-N（mg/L） 0.2090.032 0.1560.024 25.17% 0.50 TP（mg/L） 0.2860.030 0.1860.029 34.97% - NO-N（mg/L） 0.1160.011 0.0900.031 22.84% 20 NO-N（mg/L） 0.0110.002 0.0100.002 9.09% 1.00 濁度（NTU） 14.981.85 1.520.12 89.85% 1.00 Chla(g/L

14、) 117.65014.323 3.160.762 97.31% - TMC-LR(g/L) 7.2841.205 3.8870.566 46.64% 1.00 EMC-LR(g/L) 4.6820.603 3.8510.146 17.75% - IMC-LR(g/L) 2.6020.512 0.0360.002 98.62% - 表2人工濕地-超濾膜組合工藝處理效果（系統(tǒng)II） Tab.2Thetreatmenteffectofconstructedwetland-U/FMembranesystem(systemII) 處理效果 監(jiān)測(cè)指標(biāo) 進(jìn)水濃度 人工濕地 超濾膜 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5

15、749-2022 出水濃度 去除率 出水濃度 去除率 耗氧量（mg/L） 12.5242.212 6.4310.962 48.65% 3.8600.314 69.18% 3.00 TN（mg/L） 4.7480.602 3.1980.632 32.64% 1.2230.235 74.23% - NH-N（mg/L） 0.2090.032 0.1240.024 40.28% 0.0620.005 70.17% 0.50 TP（mg/L） 0.2860.030 0.2180.035 23.58% 0.110.039 62.85% - NO-N（mg/L） 0.1160.011 0.0790.026

16、 31.56% 0.0360.002 68.50% 20 NO-N（mg/L） 0.0110.002 0.0160.003 -48.34% 0.0130.001 -20.45% 1.00 濁度（NTU） 14.981.85 5.950.63 60.28% 0.910.15 93.93% 1.00 Chla(g/L) 117.65014.323 39.0006.612 66.85% 2.5411.364 97.84% - TMC-LR(g/L) 7.2841.205 3.9250.361 46.11% 2.2410.635 69.23% 1.00 EMC-LR(g/L) 4.6820.603 3

17、.1380.420 32.97% 2.2150.365 52.68% - IMC-LR(g/L) 2.6020.512 0.8270.163 68.22% 0.0250.012 99.02% - 表3生物接觸氧化-超濾膜組合工藝處理效果（系統(tǒng)III） Tab.3Thetreatmenteffectofbiologicalcontactoxidation-U/FMembranesystem(systemIII) 處理效果 監(jiān)測(cè)指標(biāo) 進(jìn)水濃度 生物接觸氧化系統(tǒng) 超濾膜 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2022 出水濃度 去除率 出水濃度 去除率 耗氧量（mg/L） 12.5242.212 5.89

18、51.325 52.93% 3.5840.632 71.38% 3.00 TN（mg/L） 4.7480.602 4.5621.039 3.93% 1.5230.362 67.93% - NH-N（mg/L） 0.2090.032 0.1630.036 22.25% 0.0810.042 61.13% 0.50 TP（mg/L） 0.2860.030 0.2230.025 21.89% 0.1250.023 56.29% - NO-N（mg/L） 0.1160.011 0.3590.069 -209.49% 0.1580.068 -36.21% 20 NO-N（mg/L） 0.0110.002

19、 0.0850.023 -672.73% 0.0450.009 -309.09% 1.00 濁度（NTU） 14.981.85 14.031.19 6.34% 0.890.11 94.06% 1.00 Chla(g/L) 117.65014.323 81.57611.365 30.66% 2.1580.498 98.17% - TMC-LR(g/L) 7.2841.205 2.3500.652 67.74% 0.4150.114 94.31% 1.00 EMC-LR(g/L) 4.6820.603 0.2210.156 95.28% 0.3890.106 91.69% - IMC-LR(g/L

20、) 2.6020.512 2.1290.634 18.18% 0.0260.012 99.01% - 表4人工濕地-生物接觸氧化-超濾膜組合工藝處理效果（系統(tǒng)IV） Tab.4Thetreatmenteffectofconstructedwetland-biologicalcontactoxidation-U/FMembranesystem(systemIV) 處理效果 監(jiān)測(cè)指標(biāo) 進(jìn)水濃度 人工濕地 生物接觸氧化 超濾膜 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2022 出水濃度 去除率 出水濃度 去除率 出水濃度 去除率 耗氧量 （mg/L） 12.852 2.025 6.729 1.257 47.

21、64% 3.420 0.562 73.39% 2.562 0.555 80.07% 3 TN （mg/L） 4.625 0586 3.115 0.354 32.65% 2.982 0.788 35.52% 1.025 0.236 77.84% - NH-N（mg/L） 0.236 0.056 0.140 0.025 40.68% 0.064 0.035 72.87% 0.023 0.001 90.25% 0.5 TP （mg/L） 0.273 0.036 0.208 0.036 23.81% 0.172 0.056 36.92% 0.086 0.006 68.46% - NO-N（mg/L）

22、0.127 0.024 0.086 0.011 32.28% 0.365 0.036 -188.31% 0.056 0.006 55.77% 20 NO-N（mg/L） 0.011 0.003 0.016 0.006 -45.45% 0.059 0.015 -436.36% 0.012 0.005 -9.09% 1 濁度 （NTU） 15.14 0.87 6.01 0.61 60.30% 6.12 0.52 59.56% 0.32 0.15 97.89% 1 Chla (g/L) 115.685 20.325 42.349 5.658 63.39% 36.525 5.621 68.43% 1.

23、562 0.286 98.65% - TMC-LR (g/L) 7.029 1.025 3.787 0.245 46.12% 1.077 0.211 84.67% 0.434 0.116 93.83% 1 EMC-LR (g/L) 4.589 0.755 3.075 0.459 32.99% 0.324 0.115 92.94% 0.309 0.256 93.27% - IMC-LR (g/L) 2.440 0.532 0.805 0.321 66.99% 0.753 0.185 69.12% 0.125 0.175 94.88% - 2.4對(duì)超濾膜通量影響比較 如圖5所示，4種系統(tǒng)運(yùn)行過程中

24、超濾膜膜通量大小表現(xiàn)為系統(tǒng)IV系統(tǒng)II系統(tǒng)III系統(tǒng)I，系統(tǒng)I超濾膜在運(yùn)行30分鐘后膜通量即顯著降低，系統(tǒng)II在運(yùn)行40分鐘后膜通量有所降低，但降低不顯著，系統(tǒng)III在運(yùn)行40分鐘后膜通量有顯著下降，但仍高于系統(tǒng)I，系統(tǒng)IV在產(chǎn)水過程中膜通量未見明顯下降，可見膜前處理工藝可有效降低膜污染，其中效能為人工濕地-生物接觸氧化組合系統(tǒng)人工濕地系統(tǒng)生物接觸氧化系統(tǒng)。3討論 已有研究表明，生物處理可能是未來解決藻毒素問題最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，本研究發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)作對(duì)于水體中Chla、IMC-LR具有較高的去除效率，但水體中EMC-LR去除相對(duì)有限，而以塑料顆粒與活性炭高溫壓制而成的改性填料構(gòu)建的生物接觸氧

25、化系統(tǒng)對(duì)EMC-LR具有極好的去除效果，但對(duì)Chla特別是IMC-LR去除有限，兩種系統(tǒng)對(duì)藻類及藻毒素去除具有互補(bǔ)關(guān)系，因此以人工濕地-生物接觸氧化系統(tǒng)聯(lián)用工藝作為超濾膜前處理系統(tǒng)，可有效去除藻類及藻毒素，結(jié)合超濾膜可完全實(shí)現(xiàn)處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)。 超濾膜技術(shù)在給水處理應(yīng)用所遇到的最大問題是膜污染。有機(jī)物污染是超濾膜污染的主要原因，本研究發(fā)現(xiàn)藻類也是超濾膜污染的原因之一，生物接觸氧化預(yù)處理工藝雖能有效降低水體中有機(jī)物含量，但藻類去除能力有限，雖與超濾膜聯(lián)用后出水水質(zhì)能夠達(dá)標(biāo)，但超濾膜通量顯著下降，未能解決膜污染問題。 人工濕地-生物接觸氧化系統(tǒng)聯(lián)用預(yù)處理工藝，先由人工濕地去除部分有機(jī)物及絕大部分藻類，

26、再由以塑料顆粒與活性炭高溫壓制而成的改性填料（具有高孔隙率及高吸附性雙重特性）構(gòu)建的生物接觸氧化系統(tǒng)去除剩余的大部分有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)源水有效凈化，極大程度減輕了超濾膜污染負(fù)荷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明該工藝在產(chǎn)水過程中超濾膜膜通量未見明顯下降，從而有效解決了膜污染問題，降低了運(yùn)行成本。 4結(jié)論 4種系統(tǒng)對(duì)高藻源水好氧量、TN、NH4+-N、TP去除率差異顯著（p）,具體表現(xiàn)為好氧量去除率IV系統(tǒng)II系統(tǒng)III系統(tǒng)I，TN、NH4+-N、TP去除率系統(tǒng)IV系統(tǒng)II系統(tǒng)III系統(tǒng)I。 4種系統(tǒng)對(duì)水體濁度、Chla及IMC-LR的去除率無顯著差異（p0.05），對(duì)TMC-LR及EMC-LR的去除率差異顯著（p），具體表現(xiàn)為系統(tǒng)IV系統(tǒng)III系統(tǒng)II系統(tǒng)I。 4種系統(tǒng)運(yùn)行過程中超濾膜膜通量大小表現(xiàn)為系統(tǒng)IV系統(tǒng)III系統(tǒng)II系統(tǒng)I。 人工濕地-生物接觸氧化-超濾膜組合工藝（系統(tǒng)IV）出水水質(zhì)可滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2022）要求，同時(shí)能有效解決超濾膜污染的問題，降低運(yùn)行成本。 參考文獻(xiàn)1連民,俞順章,陳傳煒,等.淡水湖泊周圍水廠源水及出廠水微囊藻毒素的季節(jié)性調(diào)查J。中國公共衛(wèi)生,2022,17(9):797-7982吳彥領(lǐng),劉天福,唐虎杰,等.以黃河為生活飲用水源的衛(wèi)生研究二藻類及藻毒素污染防治措施的研究,河南