德國(guó)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(guó)某污水處理廠采用一套可移動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(cè)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(duì)這類污染物無能為力。歐盟環(huán)境委員會(huì)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(jí)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(cè)。在法國(guó)，據(jù)有關(guān)報(bào)告，部分針對(duì)微污染物的研究公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)加強(qiáng)了對(duì)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(huì)在給水處理廠的進(jìn)水中被再次檢測(cè)到。因此，通過三級(jí)或者四級(jí)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(cè)試，以證實(shí)其技術(shù)的有效性。選取德國(guó)某污水處理廠，對(duì)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(jí)改造可行性研究時(shí)期，有此調(diào)查需求；同時(shí)，威立雅對(duì)其技術(shù)功能及應(yīng)用有條件進(jìn)行緊密監(jiān)控，使針對(duì)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(jiǎn)介及測(cè)試裝置

1.1 德國(guó)污水處理廠簡(jiǎn)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(duì)3種可能的處理工藝進(jìn)行了可行性研究：顆?；钚蕴俊⒎勰┗钚蕴亢统粞?。對(duì)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?dòng)最小，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(duì)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(dòng)式Actiflo? Carb工藝

可移動(dòng)式Actiflo? Carb工藝原理（可移動(dòng)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(dòng)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(dòng)水服務(wù)設(shè)備的安裝流量為50m3/h；測(cè)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(guó)本地特點(diǎn)，以及在終端排放的水環(huán)境中所測(cè)得的濃度，確定24種有機(jī)微污染物為研究對(duì)象，這些物質(zhì)均在歐盟環(huán)境委員會(huì)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(cè)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(cè)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，這24種有機(jī)微污染物的檢測(cè)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(cè)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(guó)污水處理出水中的檢測(cè)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(guó)大部分污水廠出水相近。

2.2 Actiflo? Carb工藝對(duì)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(duì)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(duì)苯并三唑的去除效果

不同試驗(yàn)條件下Actiflo? Carb工藝對(duì)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(duì)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(duì)苯并三唑的去除率仍能達(dá)到80%～90%。

2.2.2 對(duì)泛影酸鹽的去除效果

Actiflo? Carb工藝對(duì)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(duì)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(duì)泛影酸鹽的吸附效率很低。

2.2.3 對(duì)碘美普爾的去除效果

Actiflo? Carb工藝對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)泛影酸鹽的吸附效果最差，對(duì)雙氯芬酸的吸附效果尚在接受范圍之內(nèi)，對(duì)美托洛爾的吸附效果最好。粉末活性炭對(duì)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(huì)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(guó)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)明顯減少。

③得益于其高效性和靈活性，可移動(dòng)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(duì)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。