尢志磊，蔣福春，華偉

You Zhilei, Jiang Fuchun, Hua Wei

（蘇州市自來(lái)水公司，江蘇  蘇州  215002）

(Suzhou Water Company, Suzhou 215002,China)

摘要：結合水廠(chǎng)BAC池在冬季低溫天氣下的實(shí)際運行情況，研究分析了出水顆粒物濃度在各項工藝因素影響下的變化情況，探討了微生物穿透濾池的風(fēng)險與顆粒物濃度之間的相關(guān)性。結果表明：BAC池運行周期越長(cháng)，運行周期中的出水細菌波動(dòng)范圍就越大，出廠(chǎng)水中細菌被檢出的風(fēng)險也越高；在生物活性炭池出水濁度≤0.10NTU的情況下，濾后水中2μm以上粒徑的顆粒物濃度依然偏高，尤其以尺寸在2-5μm范圍內的隱孢子蟲(chóng)的潛在威脅為重。

Abstract: Based on running condition of BAC in winter, particle concentration variation was explored with the influence of all processes. The correlation between traversing risk of microbe and particle concentration was discussed. The results show that longer operation time of BAC, and huger wave range and detected probability of microbe in outlet of BAC. Outlet of BAC  contains the most particle which partical size is greater than 2μm, when its turbidometry exceeds 0.10NTU. The particle with the size between 2μm and 5μm may contain most Cryptosporidium in the water.

關(guān)鍵詞：顆粒物；生物活性炭池；濾后水；粒徑；沖洗；細菌

Keyword: Particle, BAC, the filtered water, partical size, backwashing, microbe

近年來(lái)，隨著(zhù)人民群眾生活水平的不斷提高，人們對飲用水的水質(zhì)和口感都提出了更高的要求，國內越來(lái)越多的水司開(kāi)始將降低有機污染物含量和控制微生物風(fēng)險作為水質(zhì)保障的重點(diǎn)。太湖屬于大型淺水湖泊，湖面開(kāi)闊，在冬季低溫天氣下極易受到水面陣風(fēng)的影響，風(fēng)浪的擾動(dòng)會(huì )使表層底泥再懸浮，從而大大增加原水中的顆粒物濃度。由于大多數致病微生物均附生在懸浮顆粒物表面或近表面，因此凈水工藝對懸浮顆粒物的去除效果直接關(guān)系著(zhù)出廠(chǎng)水的生物安全性。

本文主要針對冬季低溫天氣下，水廠(chǎng)生物活性炭池運行過(guò)程中的顆粒物濃度變化和粒徑分布情況，研究炭池運行周期和沖洗模式等因素對出水顆粒物濃度的實(shí)際影響，進(jìn)而分析出水細菌和“兩蟲(chóng)”指標與顆粒物濃度變化之間的相關(guān)性。

一、材料與方法

1.1工藝運行情況

水廠(chǎng)以太湖金墅為水源地，原水經(jīng)預臭氧氧化后，通過(guò)常規處理工藝的折板絮凝池、平流沉淀池和V型砂濾池，最后進(jìn)入深度處理工藝的后臭氧接觸池氧化和生物活性炭池過(guò)濾。其臭氧活性炭工藝自2008年3月投運至今，有效解決了飲用水中的有機污染問(wèn)題，出廠(chǎng)水水質(zhì)完全符合國家對《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）的各項要求。

水廠(chǎng)生物活性炭池采用寧夏廣華奇思公司生產(chǎn)的柱狀破碎顆粒炭，顆粒尺寸為12×40目，總裝填數量為2420立方米，工藝規模為30萬(wàn)m3/d，使用已滿(mǎn)三年?；钚蕴砍氐臑V床高度為2.00m，設計濾速為10.4m/h，空床停留時(shí)間為12min。

1.2顆粒分析儀運行原理

試驗中采用上海艾晟特環(huán)?？萍加邢薰咎峁┑腎BR VersaCountTM粒子計數器，配有HRLD-400型傳感器，可測量直徑在2μm到200μm的顆粒。

樣本液以60毫升/分鐘（誤差+/-5%）的流速進(jìn)入計數器，通過(guò)鐳射二極管光束的中心區域。液體中的顆粒在穿過(guò)鐳射光束時(shí)阻擋光線(xiàn)到達光電探測器。光電探測器測出光束強度的減弱，并將光信號轉化為電信號，進(jìn)而生成脈沖，微處理器負責計算八個(gè)粒徑通道中的脈沖信號。操作者可通過(guò)60毫升/分鐘流速的總計數或標準化的顆粒數/毫升的計數查看實(shí)時(shí)狀態(tài)下的檢測數據。

1.3試驗方法

結合水廠(chǎng)工藝運行的實(shí)際特點(diǎn)，試驗主要分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段通過(guò)摸索生物活性炭池出水顆粒物粒徑分布情況，分析BAC池的運行周期對其出水顆粒物濃度的影響，進(jìn)而以顆粒數評估“兩蟲(chóng)”等致病微生物穿透BAC池的潛在風(fēng)險；第二階段則將8#炭池的運行周期調整為7天，沖洗模式暫不改變，并與6#炭池（運行周期為10天）進(jìn)行橫向對比，在各自的運行周期中定期開(kāi)展細菌檢測，研究其與出水顆粒物濃度變化間的相關(guān)性。然后調整8#炭池的沖洗參數，考察不同沖洗模式下，生物活性炭池出水顆粒物濃度隨運行時(shí)間的變化情況。

二、一階段試驗情況

2.1顆粒物分布和去除情況

各主要工藝節點(diǎn)出水以粒徑小于10μm的小分子顆粒物居多，砂濾工藝對顆粒物的去除起主要作用，其平均去除率約為75.39%。期間砂濾池運行周期由36小時(shí)逐漸調整至56小時(shí)，與周期延長(cháng)前相比，砂濾池對顆粒物的去除效率下降至69.84%，但通過(guò)延長(cháng)濾池的氣水反沖時(shí)間（氣水混沖和單水沖分別延長(cháng)一分鐘），可使去除率恢復至正常范圍內。

表  1    生物活性炭池出水顆粒物粒徑分布情況

    從表1可以看出，炭池出水顆粒物主要以小分子物質(zhì)居多，其中粒徑小于10μm的顆粒物平均占比約94.68%。隨著(zhù)粒徑的不斷增大，顆粒物數量所占比重逐漸下降。試驗周期內，至生物活性炭池出水，凈水工藝對顆粒物的平均去除效率約為93.26%，且整體表現穩定。小分子顆粒物對炭床有一定的穿透作用。一般而言，球菌直徑在0.5-1.0μm，桿菌直徑在0.4-1.0μm，長(cháng)度為寬度的一至數倍[1]，因而考察粒徑大小在15μm以?xún)鹊念w粒物濃度，對于嚴格控制BAC池出水細菌和“兩蟲(chóng)”風(fēng)險具有重要的參考意義。

2.2顆粒物濃度隨運行周期的變化

各種粒徑的顆粒物經(jīng)活性炭工藝后，濃度下降均不明顯，一方面是由于BAC池對顆粒物的去除效果較為有限，另一方面也與水流經(jīng)過(guò)炭床時(shí)，沖刷作用促使炭層表面的生物脫落有關(guān)。為跟蹤不同運行周期下，BAC池出水顆粒物的變化情況，在沖洗模式不變的情況下，試驗期間將8#炭池的運行周期調整為7天，其余炭池仍維持在10天，據此定期檢測8#池和6#池出水顆粒物濃度。

根據圖1所示情況，可以發(fā)現：冬季低溫天氣下，BAC池在沖洗后的兩天內，其出水的顆粒物濃度變化不夠穩定，總體偏高，運行至第三日逐漸回落至較低水平，之后隨運行周期的延長(cháng)呈逐級升高趨勢。從運行周期較長(cháng)的6#池來(lái)看，其從第七日左右開(kāi)始，顆粒物濃度增加值較為明顯，并在沖洗前始終保持在高位。因此生物活性炭池的運行周期越長(cháng)，后期出水顆粒物濃度升高的概率就越高，沖洗前的出水顆粒物濃度也將大大高于運行周期稍短的炭池。

圖  1    不同運行周期下炭池出水顆粒物濃度比較

    反沖洗完成后的前三個(gè)小時(shí)內，顆粒物濃度反彈最為明顯，約四小時(shí)后，漸趨穩定。此時(shí)的數據表明，沖洗有利于促進(jìn)BAC池出水顆粒物濃度恢復至正常范圍，并在一定程度上降低微生物泄漏的風(fēng)險。因此在不同的季節，不同的原水水質(zhì)條件下，選擇合理的沖洗周期和沖洗模式對于控制微生物風(fēng)險是很有必要的，既要考慮正常的工藝技術(shù)需求，也要兼顧沖洗完成后的顆粒物濃度變化情況。

2.3顆粒物濃度與濾后水的“兩蟲(chóng)”風(fēng)險

傳統的賈第鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“兩蟲(chóng)”）檢測方法存在諸多不足，目前水廠(chǎng)又缺乏兩蟲(chóng)在線(xiàn)監測的自動(dòng)化手段，為此選用濁度和顆粒數作為“兩蟲(chóng)”的替代指標，以對濁度和顆粒物的去除效果來(lái)衡量生物活性炭（BAC）池對“兩蟲(chóng)”的控制效果[2]。

一般情況下，降低出水渾濁度至0.5NTU 可大大降低原蟲(chóng)的傳播危險，濁度低于0.3NTU，原蟲(chóng)去除率達99%，濁度低于0.1NTU，去除率可達99.9%。試驗期間，BAC池的進(jìn)水濁度約為0.09-0.10NTU，出水濁度約為0.05-0.07NTU，BAC工藝對濁度和顆粒物的平均去除效率分別約為36.84%和41.27%。

    就我國供水行業(yè)而言，在基礎數據、工程運行經(jīng)驗相對缺乏的情況下，切忌將濁度≤0.1NTU作為微生物學(xué)安全的屏障之一與微生物學(xué)安全機械等同[3]。故對于濁度控制在0.1NTU以?xún)鹊纳锘钚蕴砍爻鏊?，以不同粒徑范圍內的顆粒物濃度作為衡量“兩蟲(chóng)”風(fēng)險的參考指標將更有意義。

  圖2  主要工藝單體出水顆粒物濃度變化  圖3  不同粒徑顆粒物在濾后水中的濃度對比

各組BAC池沖洗前檢出的顆粒物濃度平均達228個(gè)/ml，如圖2、圖3所示，待反沖洗結束出水顆粒物濃度變化穩定后，其平均值約為184個(gè)/ml。根據美國對水中“兩蟲(chóng)”與顆粒物數量相關(guān)性的研究數據，當水中粒徑大于2μm的顆粒物濃度高于100個(gè)/ml時(shí)，水中存在兩蟲(chóng)的幾率很大[4]。通過(guò)進(jìn)一步的分析可以確定，BAC池出水中，符合隱孢子蟲(chóng)尺寸2-5μm范圍內的顆粒物濃度約為121個(gè)/ml，符合賈第蟲(chóng)尺寸5-15μm[5-7]范圍內的顆粒物濃度則為58個(gè)/ml。就理論而言，“兩蟲(chóng)”對BAC池的穿透可能性是客觀(guān)存在的，尤其以隱孢子蟲(chóng)的潛在威脅為大。

三、二階段試驗情況

3.1運行周期對出水細菌的影響

考慮到8#炭池運行周期調整初期，出水效果不一定立即反映出周期調整后的效果，且可能存在一定的波動(dòng)，因此選擇待其運行穩定后，于第三個(gè)周期開(kāi)始連續跟蹤兩池出水中的細菌檢測情況。試驗發(fā)現，炭池經(jīng)過(guò)反沖洗后，出水細菌檢測值均較之前有大幅提高，這是因為炭顆粒表面的生物膜在反沖洗時(shí)受到破壞，反沖洗后受損的生物膜不斷脫落的同時(shí)，新的生物膜不斷形成，導致細菌波幅較大[8]。其波動(dòng)周期受炭池進(jìn)水水質(zhì)、沖洗周期和沖洗強度等因素的共同影響，一般在新的生物膜有效形成之后，炭池出水的細菌檢測數將逐漸趨于穩定。

圖4中，盡管運行周期不同，但有效的反沖洗能使兩組炭池的出水細菌檢測數恢復至相近范圍內。經(jīng)過(guò)三至四天的運行，受損生物膜的脫落接近低點(diǎn)，同時(shí)新的生物膜基本形成，出水細菌檢測值開(kāi)始逐漸回落。在此期間，運行周期較長(cháng)的6#炭池出水細菌數波動(dòng)幅度明顯高于8#炭池，在相同的加氯量下，其造成出廠(chǎng)水中細菌被檢出的風(fēng)險也將高于運行周期稍短的8#炭池。運行至第七日前后，出水細菌檢出數波動(dòng)開(kāi)始增大，與第一階段試驗中，不同周期下的出水顆粒物變化趨勢表現出了一定的相關(guān)性。因此，炭濾池實(shí)際運行周期的確定，對于嚴格控制出水微生物風(fēng)險、保證出水的生物安全性具有重要意義。

3.2沖洗模式對顆粒物濃度的影響

將6#炭池和采用相同運行周期的4#炭濾作為比較標的，在氣沖強度和時(shí)間不變的基礎上，通過(guò)改變水沖強度和水沖時(shí)間，研究其在沖洗完成并靜置30min后，初濾水中顆粒物濃度的變化規律，據此判斷不同沖洗模式對出水顆粒物濃度的影響，沖洗參數可參見(jiàn)表2。

表  2    不同沖洗模式下的炭池初濾水顆粒物濃度

由圖5和圖6可見(jiàn)，在相同的氣沖強度和氣沖時(shí)間下，適當提高水沖強度或延長(cháng)水沖時(shí)間，均可使炭池經(jīng)反沖洗后，在恢復運行的初期出水顆粒物濃度有所降低。水沖強度越高，水流沖刷炭床時(shí)的剪切力也越大，更易將深嵌在活性炭孔隙間的雜質(zhì)和失活生物膜有效排出，有利于下一運行周期中生物膜的快速恢復。但過(guò)高的水沖強度也會(huì )對生物膜造成不利影響，可能會(huì )破壞附著(zhù)其上的活性生物膜并延長(cháng)炭池恢復正常生物降解效率的時(shí)間。

有研究表明，生物活性炭池對懸浮顆粒的去除除了范德華力和化學(xué)鍵力外，還有生物絮凝作用[9]。因此在沖洗完成后，顆粒物濃度的變化情況也可作為判斷活性炭表層生物膜恢復情況的依據之一，在恢復運行的最初四個(gè)小時(shí)內，顆粒物濃度波動(dòng)較大，其對氨氮、耗氧量和TOC等指標的去除效率也很不穩定。隨著(zhù)運行時(shí)間的逐漸延長(cháng)，出水顆粒物濃度逐漸趨于穩定，新的生物膜重新在炭層表面有效形成，炭池的生物降解作用也逐漸恢復正常。

四、結論與建議

1. 各主要工藝節點(diǎn)出水顆粒物以2-10μm粒徑范圍內的居多，砂濾工藝對顆粒物的去除發(fā)揮主要作用，因而針對不同季節的原水水質(zhì)，選擇合理的沖洗周期和沖洗參數，可有效保證常規處理工藝對水中懸浮顆粒的去除效果，減少小分子顆粒物對炭床的穿透作用；
2. 結合太湖原水水質(zhì)特點(diǎn)，冬季的炭池運行周期建議為5-7天，進(jìn)一步延長(cháng)運行周期，出水中的顆粒物濃度波動(dòng)也將隨之增大，進(jìn)而增加微生物泄漏的風(fēng)險；
3. 在生物活性炭池出水濁度≤0.10NTU的情況下，出水所含2μm以上粒徑的顆粒物濃度檢測值依然偏高，因此不能完全排除“兩蟲(chóng)”穿透炭池的可能，尤其以尺寸在2-5μm范圍內的隱孢子蟲(chóng)的潛在威脅為重；
4. 炭池經(jīng)反沖洗后，其出水細菌數因受到炭層表面生物膜脫落和恢復速度的影響，而出現階段性的變化，并與顆粒物濃度的變化趨勢表現出了一定的相關(guān)性，運行周期越長(cháng)，周期內的出水細菌波動(dòng)范圍就越大，在同等加氯量條件下，出廠(chǎng)水中細菌被檢出的風(fēng)險也更高；
5. 在氣沖強度和時(shí)間不變的前提下，增大水沖強度或延長(cháng)水沖時(shí)間均可減少炭池初濾水中的顆粒物濃度，隨著(zhù)炭層表面生物膜的逐漸恢復，出水顆粒物濃度也漸趨穩定，可將其作為炭池反沖洗后，判斷生物膜恢復情況的依據之一。

五、參考文獻

[1]王家玲，李順鵬，黃正.環(huán)境微生物學(xué)（第二版）.北京：高等教育出版社，2004.15.

[2]吳素花，董秉直，喬鐵軍，張金松.BAC濾池對濁度和顆粒數的控制研究.中國給水排水，2007，23(23)：42-45.

[3]查人光，徐兵.低濁度控制與飲用水安全淺議.給水排水，2005，01：11-14.

[4]LeChevallier M W,Norton W D.Examining relationships between particle counts and giardia,cryptosporidium,and turbidity[J].JAWWA，1992，84(12):54～60.

[5]祝玲，劉文君，林浩添.飲用水處理中生物活性炭工藝顆粒物研究.全國給水深度處理研究會(huì )，2009：158-164.     

[6] Geo Clifford White.Handbook of chlorination and alterbative disinfectants. 1999：346 - 358.
[7]Edzwald J K,Tobiason J E,Parento L M.Giardia and cryptosporidium removals by clarification and filtration under challenge conditions.J. AWWA, 2000, 92 (12)：70 - 84

[8]陳朝湘，吳婉華，胡智慧.炭濾池運行的日常管理和維護探討.中國建設信息（水工業(yè)市場(chǎng)），2008，(8):64-67.

[9]王占生，劉文君.微污染水源飲用水處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社出版，1999.