德國某污水廠出水中有機(jī)微污染物的去除

全康環(huán)保:摘要：德國某污水處理廠采用一套可移動的水處理系統(tǒng)Actiflo?Carb去除出水中的有機(jī)微污染物，該處理系統(tǒng)由活性炭反應(yīng)池和高效沉淀池（Actiflo?）組成，所用粉末活性炭為雅克比公司生產(chǎn)的Aquasorb MP23。選取24種有機(jī)微污染物作為目標(biāo)去除對象，在4種不同的工況條件下進(jìn)行中試。結(jié)果顯示，大部分有機(jī)微污染物在15g/m3的粉末活性炭投加量下，就可以達(dá)到60%以上的去除率；當(dāng)粉末活性炭投加量為50g/m3時(shí)，去除率可超過80%；對卡巴咪嗪（抗癇劑）和美托洛爾（β阻斷劑）的去除率最高，平均去除率分別可達(dá)到93%和97%。中試結(jié)果表明，Actiflo?Carb可有效、高效地去除生物處理工藝出水中的有機(jī)微污染物。

有機(jī)微污染物大部分為人類活動所產(chǎn)生，其普遍存在于污水、水源水體（地下水、地表水）中，甚至在飲用水中也能檢測到痕量有機(jī)微污染物。大量研究證實(shí)，大部分現(xiàn)有污水處理廠對這類污染物無能為力。歐盟環(huán)境委員會從2000年就開始著手定義歐洲水域需遵守的微污染物排放標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先級清單，2008年確定了33種物質(zhì)，到2013年擴(kuò)大到45種。在2018年，歐盟開始在歐洲水域?qū)?0種微污染物進(jìn)行檢測。在法國，據(jù)有關(guān)報(bào)告，部分針對微污染物的研究公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對污水處理廠進(jìn)出水質(zhì)的監(jiān)控，以確定主要的污染物種類，盡可能在污水廠上游減少微污染物排放源。除歐盟外，只有瑞士和中國加強(qiáng)了對污水處理廠出水中有機(jī)微污染物和COD濃度的要求。即使現(xiàn)有的物理化學(xué)處理方法和生物處理方法能去除城鎮(zhèn)污水中的部分有機(jī)微污染物，但在出水中，甚至在受納水體中，仍然存在著大量的此類污染物。在后期，它們還會在給水處理廠的進(jìn)水中被再次檢測到。因此，通過三級或者四級處理，在污水處理廠出水排放之前就把這些微污染物去除是最明智的舉措。

近幾年，為去除有機(jī)微污染物或者降低其濃度，各種工藝蓬勃發(fā)展。威立雅也在歐洲各污水廠開展多項(xiàng)測試，以證實(shí)其技術(shù)的有效性。選取德國某污水處理廠，對其出水中的有機(jī)微污染物進(jìn)行了一系列的去除中試，之所以選擇此污水廠，主要有以下原因：首先，該污水廠前段生物處理工藝也為威立雅經(jīng)典工藝，出水水質(zhì)明確可控；其次，該污水廠正值升級改造可行性研究時(shí)期，有此調(diào)查需求；同時(shí)，威立雅對其技術(shù)功能及應(yīng)用有條件進(jìn)行緊密監(jiān)控，使針對微污染物的處理效果表現(xiàn)得更為精準(zhǔn)。

1 污水處理廠簡介及測試裝置

1.1 德國污水處理廠簡介

該污水處理廠的處理能力為250 000人口當(dāng)量，其主要工藝為生物濾池（Biostyr?）。進(jìn)水一部分為相當(dāng)于約130 000人口當(dāng)量的市政污水，另一部分為相當(dāng)于約120 000人口當(dāng)量的工業(yè)廢水。旱季時(shí)期的平均流量為33 000m3/d。污水處理廠的工藝流程如圖1所示。

為了減少出水中COD及有機(jī)微污染物的含量，首先對3種可能的處理工藝進(jìn)行了可行性研究：顆?；钚蕴?、粉末活性炭和臭氧。對其運(yùn)行成本計(jì)算比較之后可得：①顆?；钚蕴窟^濾需要的費(fèi)用為1 418 200歐元/年；②將現(xiàn)有的Actiflo?構(gòu)筑物進(jìn)行改造，改造成Actiflo? Carb，并投加粉末活性炭，運(yùn)行費(fèi)用為810 000歐元/年；③采用臭氧設(shè)備的費(fèi)用在前兩者之間，為1 102 700歐元/年。

考慮到后期合理的運(yùn)行費(fèi)用以及改造現(xiàn)有構(gòu)筑物的便利，決定采用粉末活性炭方案。Actiflo? Carb技術(shù)因?yàn)樾枰耐两ǜ膭幼钚?，以及增加活性炭接觸池的可行性也已被確認(rèn)，而得以實(shí)施。確定方案后，污水處理廠采用Actiflo? Carb進(jìn)行了一系列中試?，F(xiàn)有處理工藝對有機(jī)微污染物的去除率僅為20%～30%，后續(xù)增加Actiflo? Carb處理單元后，總?cè)コ誓繕?biāo)是達(dá)到80%。

1.2 可移動式Actiflo? Carb工藝

可移動式Actiflo? Carb工藝原理（可移動水服務(wù)設(shè)備）如圖2所示。由于其形成的絮體較重，Actiflo?工藝沉淀區(qū)的上升流速可達(dá)到傳統(tǒng)斜板沉淀池的10倍以上。在該可移動處理單元內(nèi)部，進(jìn)水的處理順序如下：第一步為粉末活性炭投加池，即接觸池。在該池中，粉末活性炭和原水實(shí)現(xiàn)接觸，使得微污染物和有機(jī)物被吸附。第二步為快速攪拌池，即混凝池。在該池中，投加混凝劑FeClSO4。第三為慢速攪拌池，即絮凝池。在該池中，投加絮凝劑和微砂。

每個(gè)反應(yīng)池都配有立式攪拌器。微砂在絮凝池前部投加，可促進(jìn)粉末活性炭-污泥-微砂這類復(fù)雜絮體的產(chǎn)生，使下游實(shí)現(xiàn)高速沉淀。復(fù)雜絮體在沉淀池底部聚集，由泵送往水力旋流器。水力旋流器可將微砂分離，并重新投加到絮凝池。而粉末活性炭則收集在分離箱內(nèi)，然后重新投加到接觸池。沉淀后出水由位于沉淀池上部的集水槽進(jìn)行收集。得益于粉末活性炭-污泥-微砂形成的高密度混合體，沉淀區(qū)的哈真速度有了很大提高，因此，鏡面速度可以提高至45～80m/h。

中試的可移動水服務(wù)設(shè)備的安裝流量為50m3/h；測試中鏡面速度為25～40m/h；反應(yīng)時(shí)粉末活性炭的接觸時(shí)間為15～30min。

試驗(yàn)用粉末活性炭的中位直徑D50為10μm，比表面積（BET）為1100m2/g，表觀密度為300 kg/m3；活性炭在接觸池中的濃度為1.2～1.5g/L，活性炭投加濃度約為15～50g/m3。

1.3 有機(jī)微污染物選擇

根據(jù)德國本地特點(diǎn)，以及在終端排放的水環(huán)境中所測得的濃度，確定24種有機(jī)微污染物為研究對象，這些物質(zhì)均在歐盟環(huán)境委員會制定的微污染物清單之列，包括：4種化學(xué)物質(zhì)（1種餐具清潔劑中添加的緩蝕劑苯并三唑和3種殺蟲劑）、4種醫(yī)用指示劑（主要用于抗菌和放射治療）、16種代表了不同類別的藥物制劑（3種止痛類藥物、3種避孕藥、2種抗生素、1種抗癇藥物、2種精神藥品、4種β阻斷劑和1種降血脂藥物）。

2 檢測結(jié)果

2.1 現(xiàn)有處理工藝的出水水質(zhì)

該污水廠現(xiàn)有處理工藝出水的常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)如下：TSS<20 mg/L，濁度<15 NTU，COD為35～50 mg/L，色度為<40度，UV254平均值為0.15 cm-1。

現(xiàn)有處理工藝出水中24種有機(jī)微污染物的檢測結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，這24種有機(jī)微污染物的檢測濃度差異較大。有些微污染物，如碘美普爾、泛影碘酸和苯并三唑，濃度較高；而有些微污染物，如異丙隆、碘普羅胺、激素類（17-α-炔雌醇、17-β-雌二醇和雌激素酮）、安定劑，濃度較低、低于檢測限。美托洛爾、雙氯芬酸和碘異酞醇的濃度則大大超過了通常在法國污水處理出水中的檢測值；其他微污染物，如酰胺咪嗪、克拉霉素、磺胺甲惡唑和去甲羥基安定，檢出濃度與法國大部分污水廠出水相近。

2.2 Actiflo? Carb工藝對有機(jī)微污染物的去除效果

試驗(yàn)用粉末活性炭的飽和處理率為0.3gCOD/g。選取6種不同類別的微污染物，分別在4種不同的試驗(yàn)條件下考察Actiflo? Carb工藝對有機(jī)微污染物的去除效果。6種微污染物分別為：苯并三唑（工業(yè)用化學(xué)物質(zhì)），泛影酸鹽、碘美普爾和碘異酞醇（放射用造影劑），雙氯芬酸（抗炎性止痛藥），美托洛爾（β阻斷劑）。4種試驗(yàn)條件如下：工況一，凈化速度為25 m/h，粉末活性炭投加量為50g/m3；工況二，凈化速度為25 m/h，粉末活性炭投加量為15g/m3；工況三，凈化速度為40 m/h，粉末活性炭投加量為15 g/m3；工況四，凈化速度為40 m/h，粉末活性炭投加量為50 g/m3。

2.2.1 對苯并三唑的去除效果

不同試驗(yàn)條件下Actiflo? Carb工藝對苯并三唑的去除效果如圖3所示。當(dāng)粉末活性炭投加量為50g/m3時(shí)，對苯并三唑的去除率在90%以上；當(dāng)粉末活性炭投加量降到15g/m3時(shí)，對苯并三唑的去除率仍能達(dá)到80%～90%。

2.2.2 對泛影酸鹽的去除效果

Actiflo? Carb工藝對放射用造影劑泛影酸鹽的去除效果如圖4所示。泛影酸鹽在污水廠現(xiàn)有工藝出水中的檢出濃度最高達(dá)到29μg泛影酸鹽/L左右，但使用粉末活性炭去除泛影酸鹽收效甚微。當(dāng)粉末活性炭投加量較高（50g/m3）時(shí)，對泛影酸鹽的去除率基本在30%～40%之間；而當(dāng)粉末活性炭投加量降低至15g/m3后，去除率只有5%～10%。由此可知，粉末活性炭對泛影酸鹽的吸附效率很低。

2.2.3 對碘美普爾的去除效果

Actiflo? Carb工藝對碘美普爾的去除效果如圖5所示。碘美普爾也屬于放射用造影劑類，但與泛影酸鹽不同，當(dāng)粉末活性炭投加量較高（50g/m3）時(shí)，碘美普爾能被較好地吸附，去除率可以達(dá)到50%～60%；而當(dāng)粉末活性炭投加量為15g/m3時(shí)，去除率也可以達(dá)到20%～35%。

2.2.4 對碘異酞醇的去除效果

碘異酞醇是一種水溶性物質(zhì)，無離子性，且低滲透壓。試驗(yàn)結(jié)果表明，在高粉末活性炭投加量（50g/m3）下，碘異酞醇可以被較好地吸附，去除率可達(dá)到75%～92%。

2.2.5 對美托洛爾和雙氯芬酸的去除效果

美托洛爾是β阻斷劑類中的一種藥物，通常被用作心臟類疾病的治療和慢性頭疼（偏頭疼）的預(yù)防Actiflo? Carb工藝對美托洛爾具有較好的去除效果，當(dāng)粉末活性炭投加量為15g/m3時(shí)，去除率就能達(dá)到95%（見圖6）。

雙氯芬酸是治療炎癥及疼痛癥的主要用藥。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粉末活性炭投加量為50g/m3時(shí)，雙氯芬酸的去除率在80%～95%之間；當(dāng)粉末活性炭投加量下降至15g/m3時(shí)，去除率也有一定的下降，在60%～80%之間。該試驗(yàn)結(jié)果與在其他污水廠進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 討論

根據(jù)以上中試結(jié)果可知，粉末活性炭對泛影酸鹽的吸附效果最差，對雙氯芬酸的吸附效果尚在接受范圍之內(nèi)，對美托洛爾的吸附效果最好。粉末活性炭對有機(jī)微污染物的去除效果可能與每種分子的正辛醇/水分配系數(shù)有關(guān)。泛影酸鹽的正辛醇/水分配系數(shù)為負(fù)值（-1.28），而雙氯芬酸和美托洛爾的則比較高（分別為4.18和1.88）。不過，分子大小，CO、NH、CCl等基團(tuán)，以及帶電量也都會影響微污染物的去除效果。

至于其他有機(jī)微污染物，根據(jù)其隸屬的不同類別總結(jié)了在不同實(shí)驗(yàn)條件下的去除效果，如圖7所示。工業(yè)用化學(xué)品、抗生素、抗癇劑、精神藥物、β阻斷劑以及降血脂藥物都有超過80%的去除率；卡巴咪嗪（抗癇劑）和美托洛爾（β阻斷劑）的平均去除率達(dá)到了93%和97%，是所有微污染物中去除率最高的；造影劑的去除率較差，粉末活性炭的投加量必須達(dá)到50g/m3才能使其去除率達(dá)到80%，而這些造影劑在現(xiàn)有工藝出水中的檢出濃度是非常高的（高于20μg/L）。

綜上， Actiflo? Carb工藝可有效去除有機(jī)微污染物。大部分污染物在15g/m3的粉末活性炭投加量下，就可以達(dá)到60%以上的去除率；當(dāng)粉末活性炭投加量為50g/m3時(shí)，去除率可超過80%。所以，若后期設(shè)備投入正式使用，粉末活性炭投加量將極有可能設(shè)在25～30g/m3之間。當(dāng)然，這一投加量下的處理效果，還需考慮進(jìn)水水質(zhì)，以及不同供貨商所提供的粉末活性炭質(zhì)量。這也解釋了在高有機(jī)微污染物濃度下，德國以及瑞士的現(xiàn)行法規(guī)以去除率80%為指導(dǎo)參數(shù)的原因。由此推斷，該污水處理廠的污水水質(zhì)比較特殊，投加大量的粉末活性炭，是進(jìn)水有機(jī)微污染物濃度太高所致。

4 結(jié)論

①可移動Actiflo? Carb可有效去除有機(jī)微污染物。大部分有機(jī)微污染物在15g/m3的粉末活性炭投加量下，可達(dá)到60%以上的去除率；當(dāng)粉末活性炭投加量為50g/m3時(shí)，去除率可超過80%。有機(jī)微污染物的來源非常多樣化，本研究只針對粉末活性炭的吸附效果做了大致的鑒別。事實(shí)上，在不同的粉末活性炭投加量下，對各種有機(jī)微污染物的去除率從40%到超過90%不等。下一步可繼續(xù)研究為得到期望的去除效果，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中粉末活性炭投加量的建議值。

②為了證明在污水廠出水終端（生物處理后沉淀出水）增加粉末活性炭處理單元的效果，在其他三地也進(jìn)行了一系列比較試驗(yàn)。事實(shí)證明，對生物處理出水而言，粉末活性炭在提高有機(jī)微污染物去除率上是最有效的選擇。這主要是因?yàn)橥ǔＩ锾幚沓鏊械目傆袡C(jī)碳（TOC）濃度已經(jīng)非常低，與有機(jī)微污染物的競爭已經(jīng)明顯減少。

③得益于其高效性和靈活性，可移動水服務(wù)設(shè)備Actiflo? Carb是處理復(fù)雜水質(zhì)和保護(hù)污水處理廠排水受納水體的理想工具。并且，由于含有混凝處理，該設(shè)備可進(jìn)一步減少剩余磷（正磷酸鹽）和總懸浮顆粒。最后，該設(shè)備對UV254的去除率也有明顯提高，這就允許在出水消毒處可使用紫外消毒，使整個(gè)工藝的處理效果更好。