預氯胺化助凝助濾效能的研究*

李星¹，楊艷玲¹，陳杰²，李圭白²，何文杰³，韓宏大³
（1. 北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京100022；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院 哈爾濱 1500903.天津市自來水集團有限公司 天津300040）

　　摘要：本文分別以低溫低濁水及高溫高藻水為研究對象，通過中試試驗考察了氯胺預氧化助凝、助濾效能。結果表明，氯胺具有顯著的助凝、助濾效果，預氯胺化工藝可明顯降低氣浮工藝以及過濾工藝出水濁度，同時明顯降低了過濾出水中的顆粒數，延長了濾池的運行周期，使濾池的運行時間延長了15%以上。
　　關鍵詞：預氯胺化，濁度，顆粒數，過濾周期，低溫低濁水，高溫高藻水，中試

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

　　當前飲用水水源普遍受到污染，受污染的水中含有較高濃度的溶解性天然有機物，這些有機物增加了水中膠體濁質的穩定性，使常規工藝的混凝效果受到極大的影響，在冬季低溫低濁期及夏季高藻期尤為明顯，一些水廠出現了濾后水濁度和顆粒總數居高不下的情況。
　　為了提高混凝效果，水廠通常采用預氯化處理方法，預氯化在控制嗅味、防止細菌和藻類在水處理構筑物中繁殖，氧化有機物提高混凝效果方面是非常有效的措施。但當飲用水水源有機污染嚴重時，預加氯中的大部分消耗在氧化還原性的有機或無機物質，不但增加了氯耗，還生成大量的三鹵甲烷（THMs）等致癌副產物。有研究表明，在加氯同時加入銨鹽，使氯轉化為氯胺，可降低飲水中三鹵甲烷生成量[1]。因此本文以冬季低溫低濁水及夏季高藻水為研究對象，考察氯胺預氧化的助凝、助濾效果及對濾池的運行周期的影響。

1.試驗材料與方法

1.1 原水水質特點
　　試驗水樣為天津冬季引黃水，水庫處于鹽堿地，水質特點概括起來為低溫，低濁，高有機物，高溴離子四個特點。夏季試驗水體是灤河水，呈富營養化狀態，藻類大量繁殖，具有高溫，高藻，高有機物三個特點。
1.2中試系統圖
　　中試系統為兩套完全相同的平行系統。每套系統的設計流量為5m³/h，每個預氧化罐水力停留時間為10分鐘。每套系統的過濾出水處接有在線激光顆粒計數儀，連續監測過濾出水中的顆粒總數及其粒徑分布，數據傳輸至工作站進行處理和存貯（圖1）。

1.3主要指標的檢測方法
　　濁度采用Hach2100N型濁度儀測定，顆粒總數采用美國Inter Basic Resources公司產在線激光顆粒計數儀連續監測，余氯采用DPD-硫酸亞鐵銨滴定法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定。

2．試驗結果與討論

2.1預氯胺化對冬季低溫低濁水的助凝、助濾效果
　　預氧化罐前端投加氯水或同時投加氯水和氨水，中試系統穩定運行6個小時后開始取樣，并且連續運行，白天取2組，夜間取1組，共運行4個過濾周期左右，結果如圖2所示。

圖2 冬季低溫低濁水氯胺的助凝效果

　　試驗期間原水中有一定濃度的氨氮（0.1～0.2mg/L），當預投加1.0mg/L的氯水，預氧化10分鐘后殘余氯的主要形態為化合氯，僅有微量的自由氯，因此實際起作用的為氯胺，運行一段時間后改為同時投加0.32mg/L氨氮和2.0mg/L的氯水，預氧化10分鐘后殘余氯的形態全部為化合氯，故上述皆稱為預氯胺化工藝。
　　從圖2可以看出，預氯胺化明顯降低了氣浮過濾出水的濁度指標。常規工藝氣浮出水濁度不高，但是過濾效率很低，出水濁度在0.4～0.5NTU左右。預氯胺化后氣浮出水濁度指標降低了0.2～0.4NTU，氣浮工藝的濁度總去除率平均提高了6％。濾后水濁度與普通工藝相比較降低了0.1～0.25NTU，濁度總去除率提高了3％左右，使過濾出水濁度保障率大大提高。
2.2預氯胺化對夏季高藻水的助凝助濾效果
　　預氧化罐前端投加氯水或同時投加氯水，穩定運行一段時間后開始取樣，系統連續運行，白天取2組，夜間取1組，共運行3個周期左右，結果如圖3所示。

圖3 夏季高藻水氯胺的助凝效果

　　試驗水質期間氨氮為0.22～0.35mg/L。在預加氯1.0～2.0mg/L的情況下10分鐘后從預氧化罐中取余氯檢測發現殘余氯的主要形態是化合氯，僅有微量的自由氯存在，說明在此加氯條件下起主導作用的是氯胺，故可認為是預氯胺化工藝。
　　 從圖3可以看出，對于高藻水體預氯胺化工藝同樣具有明顯的助凝助濾效果。由于原水中藻類較多，常規工藝的混凝效果不好，過濾效率明顯降低，加大混凝劑投量也難以降低降低濾后水濁度（混凝劑投量20mg/L左右）。投加少量的氯（實為氯胺）以后，氣浮過濾出水明顯降低，與常規工藝相比，氣浮出水濁度降低了15％～30％左右，濾后水濁度降低了0.15NTU～0.3NTU ，可見氯胺的氧化助凝效果顯著。
2.3預氯胺化對濾后水中顆粒物的強化去除效果
　　試驗在低溫低濁水質期進行，預氧化罐前段投加0.32mg/L的NH₃-N和2.0mg/L的氯水，運行1小時后開始每隔一定時間檢測過濾出水中的顆粒總數及其粒徑分布，并且與常規工藝比較，結果如圖4所示。
　　由于混凝效果不好，常規工藝過濾出水顆粒數極高，并且粒徑主要集中在2～7μｍ之間。預氯胺化后過濾出水顆粒數迅速下降，很快穩定在較低水平。在一個過濾周期內，普通工藝過濾出水顆粒總數平均為3405個/ml，預氯胺化濾后水顆粒總數平均降到1246個/ml，較少了63.4%，其中2～7μｍ的顆粒數減少了1646個/ml，7～15μｍ的顆粒數減少了452個/ml，15μｍ以上的顆粒數減少了60個/ml。致病原生動物的粒徑通常在3～15μｍ之間，如賈滴蟲的粒徑為8～12µm，隱孢子蟲的粒徑為4～6μｍ，因此濾后水中的顆粒數在此粒徑范圍內的大幅降低具有重要的實際意義。

圖4 濾后水中的顆粒總數及其粒徑分布

　　顆粒計數技術是監控過濾出水致病原生動物污染的有效措施^[2]。天然水體中的病原微生物個體表面一般都帶有負電荷,經過混凝后,大多數隱孢子蟲與賈第蟲卵囊都可吸附到絮凝體上,在沉淀和過濾過程中去除^[3][4]。病原原生動物的去除程度應與顆粒污染物的去除率有相同的數量級,因此預氧化對過濾工藝的強化是一個重要的微生物安全屏障：一方面預氯胺化降低了濾后水中的顆粒數，相應降低了致病原生物穿透濾池污染飲用水的幾率；另一方面過濾出水顆粒數比較穩定，波動較小，提高了水處理工藝的抗沖擊負荷能力。
2.4 預氯胺化對濾池過濾周期的影響

圖5 預氯胺化對濾池運行周期的影響

　　從圖5可以看出，預氯胺化工藝明顯延長了濾池的運行周期。常規工藝的平均運行時間為22.9h，預氯胺化工藝的平均運行時間為26.5h，延長了15.7%。由于濾池的反沖洗水量非常大，運行周期的延長可以減少濾池反沖洗的頻率，相應降低了制水成本。分析可能是預氯胺化降低了濾前水濁度，減輕了濾池的過濾負荷，并且提高了濾池的截污能力，故運行周期明顯延長。

3 預氯胺化助凝的機理分析

　　氯胺作為氧化劑，氧化還原電位大約在1.13V，因此氯胺的氧化助凝的機理與其它氧化劑基本相同，但是由于其較強的持續氧化能力和優良的滅活微生物菌團能力，又有著其自身的特點：
　　 1）氯胺的氧化作用^[5] 。氯胺和其在水中的水解產物次氯酸、二氯胺等通過破壞膠體顆粒表面的有機涂層,降低膠體顆粒表面負電荷和雙電層排斥作用、減小顆粒間的空間阻礙,達到有利于顆粒間的碰撞的效果,使水中膠體顆粒易于脫穩,形成較大的絮體顆粒，從而有利于后繼氣浮-過濾工藝對顆粒物的去除；
　　 2）氯胺對原水中浮游生物如藻類的滅活作用。藻類本身帶負電，同時其代謝產物（如碳水化合物、肽和有機酸等）會吸附在膠體顆粒表面，增加其負電性，從而使混凝效果不好；同時藻類會粘附在濾料表面，使濾池過濾周期顯著縮短，造成濾池頻繁反沖洗。氯胺可滅活藻類，破壞其對常規水處理工藝的不利影響，從而體現出對高藻水體的顯著助凝助濾效果。
　　 3）氯胺對濾料表面有機物和微生物的破壞作用。常規工藝濾料表面通常被有機物包裹或附著生長一些微生物，從而使水中的顆粒物不易與濾料結合從而失去一定的過濾截留功能。氯胺比較穩定，在進入濾池前能保持較高的濃度，進入濾池后不僅氧化去除了濾料表面的有機物，而且由于其較強的穿透生物膜能力[6]，能夠滲透內部滅活濾料表面附著生長的微生物菌團，從而使其在反沖洗中易于脫落，濾料的吸附截污能力提高，相應過濾效率提高，過濾周期延長。

4.結論

　　中試試驗結果表明，氯胺具有顯著的助凝助濾效果，明顯降低了過濾出水中的顆粒數，延長了濾池的運行周期。該工藝不需要改變水廠現有工藝，運行操作簡單，價格便宜，設備投資小，易于在給水處理中推廣應用。

參考文獻:

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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

作者簡介：李星（1963），男，研究員，博士　 研究方向：安全飲用水保障技術　 電話：01088586585
E-mail：Lixing@vip.163.com　 通訊處：100037 北京海淀區增光路37號中海馥園2-2-3C