【文章內(nèi)容簡介】 用 水 水源地水功能不達(dá)標(biāo)率達(dá) ％ ， 其中河道不達(dá)標(biāo)率 44％，湖泊不達(dá)標(biāo)率 77％，水庫不達(dá)標(biāo)率 23％ ， 全國 1073個城鎮(zhèn)地表水飲用水水源地有 25％的水質(zhì)不達(dá)標(biāo) [3]。 我國水體污染的來源 造成水體污染的污染源 一般如下： ⑴ 城市工業(yè)廢水：工業(yè)廢水是天然水體最主要的污染源之一，有機(jī)物含量高，含多種有毒有害成分，難于降解 。 2 ⑵ 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水：農(nóng)業(yè)用水中含有大量有機(jī)物，特別是氮、磷的含量較高，由于在實際生長中覆蓋面積較大，通過雨水沖刷、灌溉水滲透等途徑往往會形成面源污染，較難控制污染物的排放。 ⑶ 城市生活污水：城市生活污水含有大量的碳水化合物和氮、磷、硫等元素的有機(jī)物，在進(jìn)入天然水體后，會造成水中溶解氧的大量消耗 并 促進(jìn)水體的富營養(yǎng)化，在厭氧細(xì)菌作用下易產(chǎn)生惡臭物質(zhì)，同時還可能造成病原菌的病毒通過水的媒介而使疾病蔓延。 ⑷ 垃圾滲濾液：城市工業(yè)垃圾與生活垃圾的露天堆放也是地表水體的污染源之一。降水流經(jīng)垃圾時攜帶其中 的 無機(jī)與有機(jī)毒物形成垃圾滲濾液，最終進(jìn)入城市附近的地表水體，引起水體的污染。其中，沿河道岸邊堆放的生活垃圾中的大量有機(jī)污染物和細(xì)菌極易進(jìn)入河道。 ⑸ 大氣降水：由于空氣污染嚴(yán)重，在降水過程中將一些有害物質(zhì)攜帶到水體中，也成為水體污染源之一。大氣降水一方面是降水淋洗和沖刷地表各種污染物而形成的一種面源污染，另一方面也是地面第二污染源 [4]。 氨 氮 污染 的來源 水體中 氨 氮污染的來源通常有以下三類： ⑴ 工業(yè)廢水的排放 工業(yè)廢水主要是化肥、化工、冶金、石油工業(yè)、油漆顏料、煤氣和煉焦等生產(chǎn)廢水的超標(biāo)排放 ， 這類水的特點是有機(jī)氮、氨氮含量較高 ， 工業(yè)氨氮排放量占30%。 ⑵ 生活污水的排放 城市生活污水中的氮主要來源于人的排泄物 ， 據(jù)估計 ， 一人一年排泄出 的氮含量 為 (如尿素水解 產(chǎn)生 的氨 )。此外 ， 例如禽畜屠殺場排放廢水含氨量也很高 ， 還有地面徑流及雨水含 氨 量也很可觀。這些排水進(jìn)入 城市 污水處理廠 后 ，目前傳統(tǒng)的凈水工藝對 氨 氮的去除不理想 或者不穩(wěn)定 ， 這是城市污水經(jīng)過常規(guī)二級處理但城市河道依然出現(xiàn)水質(zhì)富營養(yǎng)化和黑臭的重要原因之一 。 因此 城市 污水處理廠也成為氨氮的一處污染源。 ⑶ 農(nóng)業(yè)面源污染 農(nóng)業(yè)氮肥流失和農(nóng)田徑流中植物性營養(yǎng)物進(jìn)入水體 ， 是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的 3 廣闊面源。氮肥不能完全被植物所吸收 ， 特別是稻田超量施肥 ， 但植物 的 吸收不到 10%， 其余流失于河道、湖泊和近海 ， 成為富營養(yǎng)化的暗流。養(yǎng)殖業(yè)沒有污染防治措施 ， 大量 含 氮有機(jī)物 的 排泄物流入水體也是重點污染源。經(jīng)農(nóng)業(yè)面源排放量初步估計 ， 農(nóng)村污染總氮、總磷富營養(yǎng)化負(fù)荷占 60%左右 [5]。 有機(jī)物 污染 的來源 微污染原水中的有機(jī)污染物大致有天然有機(jī)物（ NOM）和人工合成的有機(jī)物（ SOC）。 天然有機(jī)物主要來自動植物在自然循環(huán)過程中經(jīng)腐爛分解所產(chǎn)生的物質(zhì)，包括腐殖質(zhì)、微生物分泌物、溶解的動物組織及動物的廢棄物等，地表水中的天然有機(jī)物主要是腐殖質(zhì)，為無定形的褐色或黑色的酸性、親水、高分散物質(zhì) ， 主要通過動植物殘體在化學(xué)合成以及生物降解作用下而形成。 人工合成有機(jī)物 目前 已超過 10萬種，這其中有相當(dāng)一部分通過人類活動進(jìn)入水體，例如工業(yè)廢水和生活污水的排放，農(nóng)業(yè)上使用 的 化肥、除草劑和殺蟲劑的流失等。這些有害化學(xué)物質(zhì)往往吸附在懸浮顆粒物上和底泥中，成為不可移動的一部分。有毒有機(jī)物一般難于被水中微生物降解，但卻 易為生物所吸收，通過生物的食物鏈逐漸富集到生物體內(nèi)，從而對人體健康造成危害。 水體污染的危害 ⑴ 地表水中的天然有機(jī)物主要是腐殖質(zhì)，它是多種消毒副產(chǎn)物（ DBPs）的前體，是導(dǎo)致飲用水致突變活性增加的主要原因。而人工合成有機(jī)物相對于天然有機(jī)物更難于降解，在環(huán)境中有一定的殘留水平，具有生物富集性 、 “ 三致 ” 作用和毒性，對公眾的健康危害更大。 若不對有機(jī)污染物進(jìn)行預(yù)處理，對于傳統(tǒng)給水廠的凈水工藝和出水水質(zhì)也會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響 [6]： ① 增加制水成本； ② 溶解性有機(jī)物不能被有效去除； ③ 氯消毒后，致突變物質(zhì)含量增 加； ④ 出廠水生物穩(wěn)定性難以保證； ⑤ 減小管網(wǎng)使用壽命，增加輸水能耗。 ⑵ 氮是自然界廣泛存在的基本元素之一，人類及大部分動植物的生存都離不開它。而在原水中，氮也作為有機(jī)或無機(jī)化合物形式存在， N， P 含量過多會導(dǎo) 4 致水體富營養(yǎng)化等使水質(zhì)惡化的嚴(yán)重結(jié)果 [7]。 具體可表現(xiàn)為： ① 大量藻類死亡時會耗去水中的氧，而一些藻類的蛋白質(zhì)毒素可富集在水產(chǎn)生物體內(nèi)，并通過食物鏈?zhǔn)谷酥卸尽? ② 氨氮 對魚類和其他水生物有較大的毒性，排放廢水中的氨氮和有機(jī)氮會 消耗 受納水體中的溶解氧， 氨氮 對某些金屬 有 腐蝕作用，對給水投氯消毒會有不利的影響， 使加氯量成倍增加，從而增加給水處理的成本 ， 并造成出水 水質(zhì)下降，后續(xù)的 脫色、除臭、除味 成本 ，濾池反沖洗的次數(shù)亦 有可能 增加。 ③ NO2N 和 NO3N 對人體健康有害， NO2N 與胺作用生成的亞硝胺有致癌、致畸作用。 研究表明 水中 NO2N 超過 1mg/L 時，即會使水生生物的血液結(jié)合氧的能力下降，超過 3mg/L 時，可在 2496h 內(nèi)使金魚、鳊魚死亡 ； 飲用水中NO2N 含量超過 10mg/L 時可引起嬰兒鐵血紅蛋白癥，亞硝酸可使血紅素中的Fe2+成為 Fe3+而失去結(jié)合氧能力 [8]。 微污染原水 處理 的必要性 根據(jù)地球水儲量與分布可知，人類可利用的淡水資源僅為 108m3，只是地球上水的很少一部分 。 而就我國來講，人均水資源擁有量為 2300km3，僅相當(dāng)于世界人均占有量的 1/4，因此我國已處于嚴(yán)重的缺水邊緣 [9]。 而 不少年均降雨量豐富的地區(qū)也由于環(huán)境污染，發(fā)展為水質(zhì)型缺水 ， 有的城市飲用水水源污染嚴(yán)重， 甚至 威脅 到了 居民生活飲用水 的 安全。進(jìn)入 21 世紀(jì) 后 ，隨著經(jīng)濟(jì) 的 發(fā)展，人民的生活水平逐漸提高，也對生活品質(zhì)有了更高的追求 ， 就飲用水標(biāo)準(zhǔn)而言，1985 年發(fā)布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（ GB5749－ 85）已不能滿足保障人 民群眾健康的需要。為此，衛(wèi)生部和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會對原有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，聯(lián)合發(fā)布新的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)即《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（ GB5749－ 2020），一些指標(biāo)都有所提高，如濁度 1NTU， CODMn3mg/L，氨氮 [10]等，這就對水處理行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。資料表明我國城市飲用水源水近年來普遍存在季節(jié)性氨氮和有機(jī)物微污染的問題，一些水源水雖然污染程度較輕，但是氨氮指標(biāo)在枯水期往往超過 1mg/L，個別時段甚至達(dá)到 3～ 4 mg/L [11]。 而 2020 年重點流域水污染考核結(jié)果也顯示，重點流域 氨氮超過 Ⅴ 類標(biāo)準(zhǔn)值的斷面比例為 ％和 ％，氨氮已超過化學(xué)需氧量成為影響地表水水環(huán)境質(zhì)量的首要指標(biāo) [12]。 因此對微污染原水進(jìn)行預(yù)處理，特別是 氨氮 的處理尤其重要。 同時 由于我國往往以 5 江河、湖泊作為重要的飲用水水源，伴隨著水土流失、偷排亂排等現(xiàn)象，水中顆粒物污染也很嚴(yán)重，顆粒物會造成感官不適，也會直接或間接影響 污染物的去除，如成為微生物、有機(jī)物、重金屬元素等依附的載體。對凈水工藝來說，會影響后續(xù)的消毒效果。世界衛(wèi)生組織 WHO 建議飲用水濁度應(yīng)該盡量最低，因此采用經(jīng)濟(jì)、高效的方法對顆粒物進(jìn)行截留去除也十分 迫切 [13]。 原水污染物的去除方式 氨氮 的 去除 方式 折點加氯法 ： 微污染原水中含有氨和各種有機(jī)氮化物 ， 投氯后次氯酸極易與原水中的氨進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)中依次形成三種氯胺： NH3 + HOCl → NH 2Cl(一氯胺 ) + H2O NH2Cl + HOCl → NHCl 2(二氯胺 ) + H2O NH2Cl + HOCl→ NCl 3(三氯胺 ) + H2O 上述反應(yīng)與 pH 值、溫度和接觸時間有關(guān)，也與氨和氯的初始比值有關(guān)，大多數(shù)情況下，以一氯胺和二氯胺兩種形式為主 ， 其中的氯稱為有效化合氯。 在含氨水中投入氯的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投氯量達(dá)到氯與氨的摩爾比值為 1∶ 1 時，化合性余氯即增加，當(dāng)摩爾比達(dá)到 ∶ 1（質(zhì)量比 ∶ 1） 時，余氯下降到最低點，此即 “ 折點 ” 。在折點處，基本上全部氧化性的氯都被還原，全部氨都被氧化，進(jìn)一步加氯就都產(chǎn)生自由 性 余氯。折點加氯的優(yōu)點：當(dāng)原水受嚴(yán)重污染，它能降低水的色度，去除惡臭 ，降低水中有機(jī)物含量，提高混凝效果 ； 缺點：水中有機(jī)污染物與氯生成三鹵甲烷，必須進(jìn)行預(yù)處理或深度處理。 吹脫 ： 吹脫是利用水中溶解化合物的實際濃度與平衡濃度之間的差異，將揮發(fā)性組分不斷由液相擴(kuò)散到氣相中 ，達(dá)到去除揮發(fā)性有機(jī)物的目的。對于原水 中氨氮的去除 ，可以運(yùn)用此法 。 利用水中的氨氮通常是以氨離子 (NH4+)和游離氨 (NH3)的狀態(tài)保持平衡而存在 (NH4++OH ==NH3+ H2O)的原理 [14]，通過調(diào)節(jié) pH 等途徑進(jìn)行脫 氨 。吹脫法具有費(fèi)用低、操作簡單的優(yōu)點，但對水中硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等的去除效果不理想，同時具有局限性，原水氨氮濃度低時，去除效率較低。 6 吸附 ： 目前用于水源水處理的吸附劑有活性炭（ AC）、硅藻土、二氧化硅、活性氧化鋁、沸石、離子交換樹脂 等。 對于氨氮 的 去除 ， 其中用得最多的是有較強(qiáng)吸附作用 的疏水性物質(zhì) 活性炭。但此法存在成本較高，需要定期進(jìn)行吸附劑的再生，尤其是再生液的處理，對于水量較大的微污染原水 ，長期運(yùn)行處理有一定局限性。 膜過濾技術(shù) ： 膜過濾技術(shù) 是用天然或人工合成高分子薄膜做介質(zhì)，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對原水進(jìn)行過濾的物理處理方法。研究表明此法對氨氮的去除率較高，但成本過高使其大量廣泛的應(yīng)用受到局限。 生物預(yù)處理技術(shù) ： 即用生物氧化來去除 原水 中的 氨氮 。 由氨化作用轉(zhuǎn)化的以及 原水 本身含有 的氨氮 在 好氧的狀態(tài)下被硝化細(xì)菌氧化為硝酸鹽，硝化出水在 缺 氧狀態(tài)下經(jīng)反硝化細(xì)菌作用被還原為氮 氣揮發(fā)去除，從而達(dá)到 去氨乃至 除氮的目的。 生物預(yù)處理技術(shù) 具有運(yùn)行成本低， 工藝流程 簡單 等優(yōu)點 。但它存在對毒物敏感，受水溫的影響很大，冬季低溫時去除效果較差 ， 構(gòu)筑物較大等缺點。此外 該 方 法反應(yīng)速度較慢 ， 運(yùn)行效果不夠穩(wěn)定，常受到諸多因素包括原水水質(zhì)、水量、水溫和操作運(yùn)行條件等的影響 [15]。 微污染原水去除有機(jī)物的方 式 物理吸附法 ： 物理吸附 利用孔隙發(fā)達(dá)的吸附劑對有機(jī)物進(jìn)行吸附，常用的有活性炭吸附法，但缺點是處理成本較高 。 化學(xué)氧化預(yù)處理 ： 預(yù)氧化技術(shù)是指向原水中加入強(qiáng)氧化劑，利用強(qiáng)氧化劑的氧化能力，去除水 中的有機(jī)污染物，提高混凝沉淀效果。常用的 方法有 有臭氧 氧化，高錳酸鉀 氧化，光催化氧化及他們之間的串聯(lián)技術(shù) 等 。 強(qiáng)化混凝處理技術(shù) ： 強(qiáng)化混凝是以提高水中有機(jī)物凈化效果為目的的強(qiáng)化工藝 ， 不但 能 有效 去除水中大 、 中分子有機(jī)物 （ 主要指產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的 前 質(zhì)有機(jī)物 ）， 同時對水中溶 7 解性低分子有機(jī)物 、 氨氮 、 亞硝酸鹽 、 致突變性物等也有較明顯的凈化效果 [16]。 膜過濾技術(shù) ： 是用天然或人工合成高分子薄膜做介質(zhì)，以外界能量或化學(xué)位差為推動力，對原水進(jìn)行過濾的物理處理方法 ， 處理效果很好，但成本過高。 生物預(yù)處理技術(shù) ： 采用生物的方法 對有機(jī)物進(jìn)行氧化處理，經(jīng)濟(jì)性較好， 適合于水量較大，處理要求不是特別高的水體 ，以減輕后續(xù)傳統(tǒng)給水處理的負(fù)荷。 微污染原水處理的研究現(xiàn)狀 近年來隨著對水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷修訂，特別是飲用水標(biāo)準(zhǔn)，有不少學(xué)者開始對微污染原水的處理進(jìn)行研究，嘗試通過不同的工藝、介質(zhì)來去除有害物質(zhì)。 陶光華，陸少鳴 [17]利用以串聯(lián)方式連接的四格相同的懸浮填料流化池對微污染原水中氨氮的去處進(jìn)行研究。試驗表明：懸浮球生物預(yù)處理工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，氨氮的去除率在 73%%，高錳酸鹽指數(shù)的去除率最高可達(dá) %。 郭三慎，潘厚磊，蘇 萍 [18]利用懸浮澄清池中的接觸絮凝工藝對微污染原水除氮機(jī)理進(jìn)行分析。試驗表明：對氨氮的去除率， PAFC 與 PAM 聯(lián)合投加 控制在%91%之間， PAC 與 PAM 聯(lián)合投加也較高，對亞硝酸鹽氮的去除率， PAFC與 PAM 聯(lián)合投加 率為 %%， PAC 與 PAM 聯(lián)合投加 率為 %%。 宋學(xué)峰，付紅麗，許成君等 [19]人利用生物陶粒過濾工藝對微污染原水處理進(jìn)行研究。試驗表明：對高錳酸鹽指數(shù)的去除率 大于 25%，最高可達(dá) 38%；對氨氮的去除率 大于 60%，最高為 70%；對亞硝酸鹽氮的去除率 大于 98%。 孟慶梅，孟慶娟，韓超 [20]利用生物過濾工藝處理微污染原水。試驗表明，微污染原水中的氨氮和有機(jī)物是通過吸附、吸收、代謝、排出而得到去處的，其去除率分別為 88%和 30%。 張碩，張玉先，汪勝等 [21]利用生物沸石溶氣濾罐