A comparative evaluation of the effectiveness of potable water filtration processes

何玲　　譯

　　摘要：本文就慢砂過濾法（慢濾）和快速重力過濾法（快速）分別在有與沒有使用顆粒活性炭（GAC）代替砂濾料的條件下，去除農藥、溶解性有機炭、有機色素、營養素的有效率，對污染事件處理能力，以及相對費用幾方面作了論述。一般情況下，認為慢濾系統較使用混凝劑的快濾系統在去除溶解性有機炭和有機色素方面差些，但在去除若干種常見農藥方面卻很有成效。同時還發現慢濾適于小中型水廠生產生物穩定性水，與同類快濾水廠相比，似乎可不需加大投資成本。

　　一、引言：

　　慢濾供給飲用水，這對于歐洲、北美以及許多發展中國家雖說已是一種很好的既定工藝，但是作為一種輔助的處理方法，卻往往被忽視掉。對慢濾的理解一般都是消極的，僅考慮到它適合處理的原水范圍有限，處理時間長，有一定勞動強度的清洗工作，占地空間大，以及資本投入大，而不夠重視將慢濾加到處理程序中的作用。慢濾的處理類型與其它工藝不同，因此得到的凈水水質也不相同。根據所要求的水質目標，慢濾可以是很有效的處理方法。另外，由于飲用水水質標準更加嚴格，原水水源的處理范圍也越來越大，經常是幾種單元工藝結合使用，每個單元工藝的相對去除效果和成本效益會有相當大的不同，因此鑒于目前英國飲用水水質應用的法規，本文對飲用水給水處理的慢濾、快濾以及GAC代替砂濾料的幾種方法重新作一估價。
　　英格蘭和威爾士當前應用于飲用水給水水質的法規對57項感觀、物理、化學和微生物參數的最大允許濃度或數值(PCVs)做了規定，包括對一種農藥0.1ug/L和總農藥0.5ug/L的最大濃度的規定。預報并去除飲用水中各類不同濃度的農藥的能力，是大眾最關注的問題。英國給水企業對此感到為難，并認為慢濾對之也無效。而慢濾作為一種可行的處理方法被接受，也受到其它一些因素的限制。在英國，使用慢濾水流速度慢會被看成是造成不能充分減少原水中有機炭和有機色素含量，從而影響預期凈水水質的主要原因。

　　二、慢砂過濾法

　　1.對農藥的去除
　　用慢濾去除飲用水中的農藥，常被認為是無效的。然而慢濾在去除英國地表水中常見農藥，至少是與加混凝劑的快濾的效果相同，一般還會好于后者（見表1）。

　　如Foster等人報告的，水庫蓄水經慢濾后，二甲四氯丙酸0.10ug/L濃度減少了70%。用慢濾對二甲四氯丙酸的去除率在南約克郡觀測也得到67-96%的結果。另有報導中試慢濾對二甲四氯丙酸、MCPA和二氯苯氧基乙酸達到100%的去除，對2,4,5涕丙酸的去除達60%。對2,4,5洋丙酸去除較差的原因，認為一部分由于其生物降解速率較前三者低。大約25%的進水中2,4,5洋丙酸的濃度是在慢濾期間被生物降解除掉了。而其降解產物2,4,5－三氯苯酚的濃度，在慢濾出水中被測得由24mg/L增加了350%，而2,4－三氯苯酚或2－甲基－4－氯酚的濃度無明顯變化，二氧苯氧基乙酸、二甲四氯丙酸和MCPA的降解物，也分別測出。這點被理解為是由于這些副產物的快速降解作用引起。
　　2. 對非特定溶解性有機物的去除　
　　傳統的慢濾池對去除水中非特定溶解有機物，包括有機炭和有機色素的能力有限，據觀測一般不如常規快濾那樣有效。然而，有機物去除效果可視作因條件而異，即隨原水水源的性質和濾池所采用的管理方法而變化。雖然可經常高速濾池運行周期長度和慢濾濾床的生物成熟期，但每個濾池運行周期的處理效果也常有不同。在某些水廠還總結出有機物去除率的季節差異。提出這些問題是因為冬季有機物去除率較低，其原因或是由于水溫不適宜微生物生長，或是由于原水有機物母體成份的季節性差異引起。有機物負荷，或稱進水濃度，或稱過濾速率，看起來大都沒有注意能達到的百分比有機物去除率。Collins和Enghmy證實了由于進水有機物濃度，或說濾速統計不充分，反映在有機物去除上的明顯的差異。慢濾可以調節濾速和有機物負荷。同樣在慢濾前對原水采用預處理，對有機物去除率也是無效的。而濾前的預處理則可有效地改進慢濾性能和其它幾個方面：增加過濾周期長度、減少濾池停工時間和清潔需求，以及減少運行成本。
　　來自文獻的一項分析結果（見表2）提出慢濾對不同水廠、不同季節以及不同水源中原水DOC的去除一般都可達到5-40%的去除，平均為16%。與Collins等看法相同，他們已根據慢濾處理各種不同原水水質中有機物的曲線，論證了慢濾對有機物去除率僅為15±5%。文獻分析還看出，處理上游水源的慢濾水廠可達到DOC去除率14%，這比處理下游稍少些。下游的處理率平均可達18%。

　　對有些紫外線吸附有機物(254mm)和色度(400nm)的去除程度一般反映個別水廠的DOC去除率，然而在某些實例中水廠與水廠之間去除DOC與紫外線吸附或色度之間好象并不存在特殊關系，在特定水廠存在的關系可能出現季節性差異。文獻中的一項分析結果（見表3）提出慢濾對紫外線吸附(254mm)的去除，達到3-35%之間，平均17%，慢濾處理上游和下游現有水源時，對紫外線吸附的去除效果區別不大，平均去除率分別為18%，16%。但色素的去除差別較大（見表4）文獻中報導對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.生物不穩定性的去除　
　　慢濾在處理系統中的主要益處，就是去除在配水管網內供給生物膜菌群的化合物。只有當配水管網中來自相鄰水域的適合其生長的化合物遇到相當濃度時，細菌才能發育生長。因此，有一種消除生物膜中菌群的措施，就是在處理期間去除適宜水中微生物生長的化合物。這種方法較努力保持整個配水管網中剩余消毒劑的方法更為有效。在眾多的適宜微生物生長的微量化合物中，最基本的無素是磷、氮和碳。硫也是一種重要的營養，但由于其在水環境中的優勢，增長迅速。磷在水環境中主要以正磷酸鹽存在，氮以有機氮形式存在，碳是以無機物存在。生物膜微生物生長所需要的磷、氮、碳的比例（同化作用與異化作用）約為1:10:100(P:N:C)。然而在凈化后的飲用水中微生物的生長極易受到生物可利用有機碳濃度的限制。這些可根據水體中可生物降解有機碳(BDOC)，或可同化有機碳(AOC)，用不同方法測出。一般在配水管網中測出的異養微生物生長的限定濃度為10uG/L AOC和0.15mg/L BDOC。而AOC和BDOC并非影響生物生長的唯一參數。在各個配水管網之間，限制微生物生長的有關濃度實際上可能有些差異，取決于其它一些因素，如周圍水溫。
　　慢濾池去除進水中生物可利用有機碳含量非常有效，同時生產出的濾液也具有較高的生物穩定性。文獻中最常見的結果為：在首先經過多方面的處理之后，再將慢濾作為其最終處理，這樣的水才能成為生物穩定凈水。各水廠之間對AOC和BDOC的去除率，受濾速、所采用運行方式、濾床生物成熟期、進水中AOC或BDOC含量以及其它一些參數，如水溫等等的影響，也會有差異。
　　慢濾去除AOC報導得最多，見表5(a)。由此得出一種分析：即慢濾法根據季節、水源及前面的處理過程，對進水中AOC的去除一般為14～40%，平均為26%，BDOC較AOC高些，見表5(b)。從初濾水中BDOC的去除率在46～75%之間，平均值為60%，報告還引證了在低地水庫初濾水中的ATP（三磷酸腺苷）經慢濾的去除率平均在50～80%。
　　慢濾除對進水中某些不溶性磷酸鹽絡合物可去除外，對溶解性磷酸鹽不起作用。在近期文獻中，對慢濾去除有機氮化合物未見有報導。

　　三、快砂過濾

　　1. 生物不穩定性的去除　　
　　慢濾主要是一種生物過濾過程，而快濾則不然。快濾濾池中固體的大量積累和頻繁的反沖洗防礙了生物群體的形成，如慢濾中的濾膜。因此，生物去除率也很低。而假如進水中缺少預氯化中的余氯含量，則對可生物降解的有機碳的去除就會很少。快濾池加入混凝和澄清處理就可對可生物降解的有機碳含量達到明顯地去除。事實上，有二位專家已證明，快濾前的澄清處理可能就是傳統的快濾處理方法中的主要生物去除過程。生物去除率一般會隨水溫的增加，以及AOC及BDOC濃度的增加而提高。傳統的快濾僅能去除部分可生物降解有機炭(BDOC)(表6)。

　　上述兩位專家針對快濾加混凝劑對AOC或BDOC的去除效果，得出結論：凈水往往會受到進水水質的影響，呈永恒的生物不穩定狀態。
　　2. 對非物定溶解有機物的去除　
　　混凝在先的快濾法常用來去除原水中的溶解性色素和有機碳，在pH值和混凝劑投量適當時，去除效果很好。雖說所選用的混凝劑種類不會對其有很大的影響，但去除效果還是與水廠所采用的處理方法有密切的關系，包括混凝劑投量、助凝劑的使用、加藥程序、混合強度及pH值。去除效果還受溶解性有機物基體的性質和成份以及原水的理化性能的影響。傳統快濾法雖然使用最多，其條件也最適合降低進水濁度，但對人們更關心和注意的非特定有機物的去除，并非如預期的那樣有效。
　　適合色素和DOC去除的最佳混凝法，pH值的范圍很有限，為了達到一定的去除量，所要求的混凝劑的投加量大到不成比例。因此，導致凈水中剩余溶解鋁或離子濃度過高，以及大量固體顆粒的產生使濾池周期歷時過短。同時，形成的礬花易碎，且量大。特別是在pH值較高或混凝劑投量高的情況下，為防止已經絮凝的絮體破碎，穿透快濾池進入凈水中而需要小心地操作運行。如此大量的固體給產水帶來相當大的困難，同時造成污泥處理與處置的費用加大。
　　另一個報導較多的問題是混凝對一部分有機物無能力去除。既使色素能達到全部去除的時候，相當數量的有機物也會以溶解狀態繼續保留下來。例如，有研究表明，雖然混凝可使色素去除達到90%以上，而DOC的含量仍以溶解態保留。按Thomas等人的說法，至少進水中30%的DOC在經混凝處理后總會存在。文獻中對不同水廠混凝去除DOC，UV－吸附率和色素的舉例；列于表7～9。總之，混凝快濾法對DOC的去除率在10～60%左右，一般為30%。UV一吸附率的去除在10～80%之間，平均45%。有機色素在50～100%，平均81%。傳統快濾則不然，對非特定有機物總去除率，特別是對處理含有有機色素地表水，必須采用輔助或能替換的方法，才能達到滿意的凈水水質。　　

　　在400nm波長下測量。
　　3. 對農藥的去除
　　加混凝的快濾法對痕量有機物去除的程序，按照該化合物的溶解性及其對顆粒或有害物質吸附或絡合的親合力也會有很大的差異。英國給水企業目前關注的主要農藥化合物是屬于溶解度較緩和的類型，對絡合物的形成具有比較低的親合力。表10所列為經混凝不易處理的化合物。目前英國地表水中最常見的農藥為二種三唪除草劑：莠去津和西瑪津。然而，美國經過對給水處理設備的一項調查后，Miltner等人報導了通過傳統快濾法之后，上述兩種農藥和草凈津的濃度沒有變化。莠去津去除率未大于14%，草凈津和西瑪津去除率也都低于21%。Foster等人同時報導了在經過混凝快濾后對低地河流蓄水中的莠去津的去除率也僅有12%，Walker等人報告說經氯化鐵混凝和過濾后，莠去津、西瑪津、撲滅津等的去除率僅為7～9%，來自法國10家水廠的一次調查顯示莠去津的去除率一般都低于4%。Brauch等人報告說傳統快濾不能去除莠去津。

　　四、雙層濾料（顆粒活性炭）重力式快濾法

　　1.對農藥的去除
　　對于去除特殊的微量有機污染物，如農藥，顆粒活性炭較慢濾或快濾均有很強的去除效果。顆粒活性炭類別的不同對農藥的去除效果也就不同。這要視所要求的水質目標，空床接觸時間(EBCT)，農藥種類與濃度以及進水中其它競爭有機物的比例而定。對農藥的吸附能力和去除效果，在經過再生或者連續接觸水中剩余氧化劑，如氯和臭氧之后，也可能惡化。但受濾速影響不大。
　　在砂濾池中使用GAC可去除剩余濃度低于毒理學推薦的，世界衛生組織(WHO)制訂的農藥的限值。該濾池的接觸時間僅6～8分鐘。GAC濾池空床接觸時間在6～8分鐘之間，用于控制農藥，如莠去津等，一般濾床的活力為3～4個月，對這些農藥的去除能達到0.1ug/l以下。同時GAC濾床的活力在6～24個月，空床接觸時間必須達到15～30分鐘。
　　2.生物不穩定性的去除
　　由于GAC有很大的孔隙度和內表面積，因此作為濾料，它可較砂更能有效地支撐微生物群體。除了吸附作用大以外，加入GAC的濾池對進水中的BDOC的去除比單濾料快濾地更有效（表11）。

　　用GAC代替40cm的砂層的去除效果已由法國一家水廠得到證實。該廠為雙層濾料濾池，GAC層的EBCT僅為3.5秒，達到約12%，比傳統單層濾料快濾大些。GAC對AOC/BDOC的去除率受以下若干因素影響而變化，包括GAC種類，進水中BDOC的性質及濃度（這可受預處理影響），EBCT，濾速，不同季節以及濾池運行周期。預臭氧法多用于GAC過濾以改進和延長濾床去除農藥、BOC、色素的活力。這種方法也提高了總BDOC的去除率。而出水中AOC/BDOC的濃度卻經常高于僅用GAC不用臭氧處理的水。同時觀察到在水溫較高，用首次使用或重新再生后的GAC時，AOC/BDOC的降低率很大。Easton等證明了如果GAC接觸時間低于20分鐘，進水中BDOC的去除僅能達到20-30%。還有人提出欲達到生物穩定的凈水，GAC接觸時間必須至少在15和25分鐘之間。而這一時間標準在雙層濾池一般達不到，因此就需要一種稱為“后吸附的濾池”。這種濾池較雙層濾池在去除BDOC方面更有效，其中一部分原因是可得到較長的EBCTs，還因為這種濾池反沖次數不大頻繁，使經過該濾池的吸附作用更均勻，生物群發育更加成熟。經過GAC過濾的凈水，由于E-BCTs大于15分鐘，一開始呈現的生物穩定性與慢濾出水相差不大。通過用生物法去除最易生物降解的有機物和降解速度慢的化合物的吸附，GAC往往會達到相同的去除效果。GAC的出水水質，也會隨吸附能力的逐漸減弱，而慢慢變壞。GAC濾池出水的AOC濃度在經過500天運行后也會逐漸增大。僅250天運行期后，GAC出水中的AOC濃度就超過了該濾地的進水濃度。慢濾系統通過生物作用達到了對生物不穩定性的去除，而且不會出現類似的惡化現象。通過慢濾的生物膜菌群可始終如一、穩定地去除全部可生物降解有機物。雖然這種可能性起初看不出來，但是在去除進水中總BDOC方面終究會勝過具有生物活力的顆粒活性炭。
　　雖然在近期文獻中未發現有關注進水中磷酸鹽去除的報導，而GAC則可有效地去除有機氮。法國一水廠有報導說，GAC過濾可將水中有機氮濃度去除9～50%。
　　3.對非特殊溶解性有機物的去除　
　　GAC是昂貴的水處理濾料，因此主要用于控制特殊水質問題和污染物，彌補水處理過程中其它一些單元中的不足，來改善總的凈水水質。因此GAC不會專門用于控制水中一般天然存在的有機物，并且具吸附作用的這種條件還可能防礙對污染物的去除，影響對非特定有機物的吸附。
　　雖然GAC過濾法比混凝能去除更大范圍的有機物，一開始也可以大量去除進水中的DOC，UV一吸附力和色素，但一般來說仍屬并不經濟的處理方法，除非是脈動式混凝不易控制的、小或遙遠的場合下才使用。GAC的吸附能力會很快消耗盡，與其它方法相比較，總的去除率比較差。例如美國國家有機物勘察院已注意到在5家水處理廠首次使用的GAC對DOC的去除率平均達到87%，僅7天后減至73%，數月后的結果為不足30%。在巴黎附近的一家水廠，雙層濾料濾池中GAC層的EBCT為3.5分鐘，被證實能達到14%，較傳統單層濾池用增強生物降解法還要大。經過改善GAC濾池中微生物過程，預臭氧也可大量去除非特殊有機物。
　　4.對付污染事件的能力　　
　　一般人認為，慢濾與快濾相比，其對抗污染事件的能力是比較有限的。然而包括慢濾在內的所有過濾方法其有效性都取決于污染物的性質、濃度、以及其持續時間。例如，慢濾和單層快濾都不能有效地對付農藥污染。如這兩種過濾方法對原水濁度的突然變化或藻類的大量繁殖的相對有效性也是取決于被評價的水的標準是不是凈水水質，還是說是運行與保持有效處理的能力。如Cleasby等人提出的一次藻類的大量繁殖使慢濾池運行周期減少至僅9天，但保持了進水濁度的有效去除率達98%，與此同時，快濾運行周期，降低濾速后，減少到12小時。直接過濾要求做到預加氯，投加陽離子聚合物和大劑量的明礬，盡管如此，進水濁度仍不能滿足要求。因此，慢濾可有效地使凈水達到合格的水質要求，而快濾可有效地運行與維護。加混凝劑的快濾法的主要優點是可較容易得到調整，使之適應變化很大的原水，或者控制進水水質的突然惡化。然而慢濾運行沒有投藥的要求，其操作很少受河水水質小波動的影響。慢濾由于所用濾速低，因此在對付較輕的污染事件中，它還有優于快濾的另一個優點。即，在濾床上形成大量的備用水，在污染事件期間可短時間(3-4小時)停止對原水的吸附，同時不改變慢濾的出水量。慢濾池上的水對慢濾處理過程也能提供較大的輔助的緩沖力。
　　5.處理費用的比較　
　　不同處理方法的相應費用，也就是建筑與運行費用，是影響其選用的重要條件。詳細內容從略。請參考表12，13的費用比較。

　　五、討論

　　許多采用慢濾方法的給水企業目前正在估算，其仍延用的運行方法是更換還是與其它處理方法結合使用。作這種估算時，有些因素必須考慮，包括處理目標、慢濾的運行方法、慢濾池可以做到的改進方案等，以便提高經濟效益，改善濾池能力或水質。還要考慮到更換處理方法后有利與不利的影響，以及費用。在這些因素中，處理目標是最重要的，另外還應弄清達到效處理的各處理單元的組合方式。
　　在一個處理程序中采用慢濾的主要益處是使凈水送到生物穩定性。處理中加用臭氧可極大地減弱處理后水的生物穩定性，采用慢濾則是一種行之有效的補償方法。雖說GAC也可補救這個問題，但慢濾還是更為有效些。如凈水中的有機物和細菌，特別是附著在炭末上的細菌的大量釋放，是許多采用生物活性炭濾池的，特別是作為后吸附濾池的給水企業的主要關注點。另外在處理程序中加入小規模的慢濾比加入其它過濾系統一般不會引起太大的遲滯作用。慢濾如能得到適宜的改造，其效率將能得到極大的提高。

　　六、 結論

　　慢砂過濾法目前正在得到重視和開發，雖然與其它所有方法同樣不能解決水質中出現的每一個問題，但是錯誤概念仍妨礙了它的應用，慢濾的處理類型與其它工藝不同，其處理效果優于快濾和GAC，使水達到嚴格的質量要求。在處理系統中適當地采用慢濾，既可補償其它單元處理中的缺陷，又可有效地解決目前水處理中存在的問題。

技術資料
第9712號

（選自AQUA,1995第1期）