基于水質優化與節能降耗的水廠工藝方案設計

徐紅仙，朱延平，吳霖璟，黃 強

(1. 上海市奉賢區水務局，上海 201400；2. 東華大學 環境科學與工程學院，上海 201620；3. 上海市自來水奉賢有限公司，上海 201400)

奉賢第一水廠是奉賢新城、奉賢大型居住區的配套水廠，總體規劃規模為25萬m3/d，第一期建設規模為10萬m3/d。根據《奉賢區供水規劃修編大綱》，奉賢各水廠原供水均來自黃浦江上游水源地，由黃浦江上游松浦水廠供水，2017年奉賢第一水廠建設期間水源改為金澤水庫。本研究將基于采用同一水源的奉賢第三水廠的凈水工藝流程和進出水水質，結合目前報道的最新水廠工藝運行案例和工程經驗，完成最佳凈水工藝的確定。同時，考慮增設工藝造成的水頭損失以及對進水水位的要求，可能對水廠布局和凈水工藝高程均有較大影響。綜合考慮進出水水質、廠區布局和凈水工藝高程確定最適合的工藝方案。

1 凈水工藝確定

1.1 進出水水質特征

奉賢各水廠原供水水源均來自黃浦江大橋泵站原水輸水系統，大橋泵站取水口位于黃浦江上游，距奉賢第三水廠取水口約為9 km。根據兩處取水口原水監測數據，水質指標基本相近，水質特征基本一致。因此，奉賢第一水廠在咨詢設計階段凈水工藝的確定均參考奉賢第三水廠水質數據進行分析和研究。

根據上海市自來水奉賢有限公司(上水奉賢)檢測的2011年—2015年奉賢第三水廠原水檢測結果：奉賢第三水廠原水29項常規檢測指標中pH、硫酸鹽、氯化物、銅、鋅、硝酸鹽、生化需氧量、砷、硒、汞、鎘、鉻(六價)、鉛、氰化物、揮發酚類等指標完全符合《地表水環境質量標準》Ⅲ類，但有機污染十分明顯，存在高錳酸鹽指數、化學需氧量(CODCr)、氨氮含量高，陰離子表面活性劑、鐵、錳、耐熱大腸菌群的含量較高，以及總磷略高的特征，屬于微污染水源。以上超標指標在原水中的具體檢測結果和合格率如表1所示。

表1 奉賢第三水廠2011年—2015年原水水質Tab.1 Raw Water Quality in Fengxian No.3 WTP during 2011 and 2015

由第三水廠2011年—2015年出廠水水質資料分析可知：出廠水35項常規檢測指標中除耗氧量超標外，其他指標完全符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)；出廠水中耗氧量超標嚴重，平均值為3.10～3.50 mg/L，最高達4.10 mg/L，合格率低于70%(表2)。因此，第三水廠在強化常規凈水工藝處理后出廠水水質較好，但由于受原水水質限制，耗氧量明顯偏高，合格率低。

2017年，奉賢第一水廠建設期間，隨著金澤水庫正式投入使用，奉賢地區改由金澤水庫原水為主水源，金澤水庫工程位于青浦區金澤鎮，黃浦江上游太浦河北岸，總占地面積約2.7 km2，總庫容約910萬m3，其中應急庫容約為525萬m3。由于原水采用了水庫集中取水，原水水質有了較為明顯的改善，根據奉賢第一水廠近一年的運行數據，原水耗氧量指標均小于4 mg/L，而未采用金澤水庫時原水耗氧量指標為5～6 mg/L，原水色度也由2010年的23下降至2018年的10。原水水質的改善降低了奉賢第一水廠凈水處理工藝的處理負荷，飲水供水安全得到進一步保障。

表2 奉賢第三水廠2011年—2015年出廠水水質指標檢測結果Tab.2 Finished Water Quality in Fengxian No.3 WTP during 2011 and 2015

1.2 凈水工藝方案的比較和選擇

針對第三水廠原水有機污染較嚴重的情況和出水耗氧量嚴重超標的問題，本項目在加強常規工藝的基礎上增設預處理工藝和深度處理工藝,具體工藝選擇原則如下。

(1)深度處理工藝的確定

根據奉賢第三水廠原水水質特征分析，屬于太湖流域水系的黃浦江原水有機物含量較高，其中小分子有機物含量達到50%以上。通過常規處理的出廠水在耗氧量指標上基本無法滿足國家現行標準。根據上海市自來水行業圍繞黃浦江原水的深度處理工藝多年的研究結果，以及多個水廠的應用實際效果(如南市水廠、楊樹浦水廠、臨江水廠等)[1-3]，集臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解于一體的臭氧-生物活性炭技術是使該類水質達標較為合理的技術手段。

同時，臭氧-生物活性炭技術可使水的致突變性能明顯改善。例如：上海周家渡水廠針對黃浦江原水所進行的臭氧活性炭生產性試驗表明，當臭氧投加量在3～4 mg/L時，水中的CODMn從5.5 mg/L降到0.6 mg/L，色度從15降到5以下，且將致突變試驗呈較強陽性的原水處理到呈陰性(出水廠)[4]。此外，經過生物活性炭處理，水中的可生化有機碳(AOC)有效降低，出廠水的生物穩定性提高，管網的二次污染影響減少。因此，為了實現項目制定的水質目標，針對原水中存在的問題，在現有強化常規凈水工藝基礎上，臭氧-生物活性炭工藝應該是一個比較理想的深度處理工藝。

(2)預處理工藝的確定

根據《奉賢區供水專業規劃修編綱要(2011—2020)》，奉賢區原水取自黃浦江上游水源地，由黃浦江上游松浦原水廠供水。在松浦原水廠內已設有生物曝氣裝置和粉末活性炭投加系統。經黃浦江上游原水管長距離輸水，可利用微生物的生物氧化作用有效降解氨氮、亞硝酸鹽氮以及可生物降解有機物。粉末活性炭的投加，可提高黃浦江上游水源地應對突發性水污染事件的能力。因此，項目預處理工藝將以有利于降解CODMn、去除錳、改善混凝條件為主要目標，同時考慮對后續工藝的影響和作用，分析比較投加液氯、二氧化氯、高錳酸鉀以及臭氧等氧化劑去除水中的有害物質，如色度、鐵、錳、氨氮、微生物(如藻類)及部分有機物質等，各氧化劑的優缺點對比如表3所示。

表3 化學預處理所采用氧化劑特點對比Tab.3 Comparison of Different Oxidants Used for Chemical Pretreatment

第三水廠原水高錳酸鹽指數含量較高，可利用砂濾池中生物作用，提高在常規凈水處理階段有機物去除率，減輕后續深度處理工藝負擔。其他3種氧化劑由于可能對后續的活性炭工藝有影響，將預臭氧工藝確定為預處理工藝。氨氮的存在可減少和抑制溴酸鹽的生成，黃浦江原水氨氮含量較高，一般情況下能夠控制溴酸鹽的生成量[5]。但根據近年來以黃浦江水為原水的各水廠的運行經驗，在臭氧投加量過高時，出廠水溴酸鹽的最大值曾達到9 μg/L[6]。因此，初步考慮預臭氧最大投加量不大于1.0 mg/L，后臭氧不超過2.0 mg/L，水廠總臭氧投加量不大于3.0 mg/L。

綜合上述預處理和深度處理技術特點的分析，確定本工程預處理采用預臭氧，深度處理采用臭氧-生物活性炭工藝。

2 活性炭濾池的布局確定

2.1 活性炭濾池的布置形式

根據國內現有的深度處理工藝布置的應用案例，目前對于臭氧-生物活性炭工藝位置的設置可分為前置和后置兩種形式。后置形式為臭氧接觸氧化池和生物活性炭濾池置于砂濾池之后，如圖1所示。本方案中臭氧生物活性炭接納砂濾池出水。來水濁度低，一般低于0.3 NTU；同時，從目前第三水廠運行數據來看，經過常規處理后，砂濾池出水CODMn一般為3.5～3.6 mg/L，CODMn的去除率可達到30%～40%及以上，其中砂濾池的去除率可達到13%～17%。因此，本方案中臭氧生物活性炭濾池對去除CODMn的負荷相對較低，且基本不承擔濁度的去除。運行周期較長，沖洗周期一般不少于5 d，沖洗頻率低，可延長活性炭濾料的使用壽命，降低長期運行成本。

圖1 方案一：凈水工藝流程示意圖Fig.1 Process Flow Chart of Scheme 1

前置形式為臭氧接觸氧化池和生物活性炭濾池置于沉淀池和砂濾池之間，工藝流程如圖2所示。本方案中臭氧生物活性炭原水來自沉淀池，來水濁度控制在1.0 NTU；從目前第三水廠運行數據來看，經過常規處理后，沉淀池出水CODMn一般為4.6～5.0 mg/L，CODMn的去除率為17%～25%。因此，本方案中臭氧生物活性炭濾池對去除CODMn的負荷相對較高，且由于來水濁度較高，運行周期相對較短，沖洗頻率可能會提高，頻繁的反沖洗會縮短活性炭濾料的使用壽命，增加長期運行成本。

圖2 方案二：凈水工藝流程示意圖Fig.2 Process Flow Chart of Scheme 2

綜上分析，由于本工程原水有機污染較為明顯，CODMn含量較高，且沉淀池出水濁度相對較高，為降低活性炭濾池負荷，加長反沖洗周期，從而延長活性炭使用壽命，降低長期運行成本，在奉賢第一水廠工藝方案中采用臭氧生物活性炭后置的方式。

2.2 后置臭氧活性炭濾池的設計參數

后臭氧接觸池與活性炭濾池合建。后臭氧接觸池分設為可獨立運行的2座，每座設計規模為5萬m3/d。臭氧最大投加率為2.0 mg/L，平均加注量為1.5 mg/L，有效接觸時間為12 min，設3個階段，按4∶4∶4的時間比例設置。布氣裝置擬采用微孔擴散接觸器。整個后臭氧接觸池為全封閉設計。在池頂設置臭氧尾氣收集管，并接至臭氧制備車間設置的尾氣破壞裝置處理。

活性炭生物濾池設計規模為10萬m3/d，濾速為10.0 m/h，炭床厚度為2.25 m，空床停留時間為12.9 min。雙排布置，每組3格，共6格，分設于管廊二側。單格過濾面積為69.7 m2。濾料采用單層顆粒活性炭，級配采用8×30目(相當于2.38 mm×0.60 mm)，不均勻系數為1.9～2.0。承托層采用石英砂，厚度為0.25 m，粒徑為2.0～4.0 mm。濾池采用氣水分別單獨反沖洗，單氣沖強度為55 m3/(h·m2)，單水沖強度為25 m3/(h·m2)。每格濾池采用進口氣動閥門。清水出水閥采用調節閥，以濾格內恒水位控制閥門開啟度。活性炭濾池為全封閉設計。在池頂設置觀察透氣窗。

此外，實際運行中活性炭濾池由于生物膜的老化脫落等原因使得活性炭濾池出水濁度通常比砂濾池出水略高。特別在沖洗后運行初期，由于活性炭濾池出水中微生物總量有所增加，消毒不當會存在出水微生物超標的風險。為使出廠水安全性和穩定性能夠得到進一步保障，強化炭濾池對于生物泄露風險方面的控制，考慮在活性炭濾池出水渠增加一道泄露微粒截留網，從而有效控制出水濁度，降低出水微生物超標的風險[7]。

3 凈水工藝高程確定

在采用臭氧接觸池、活性炭濾池深度處理工藝時將產生4.3 m的水頭損失，為滿足深度處理水力流程要求，使清水池保持合理水位，通常會采用廠內的二次提升或提高沉淀池進水水位。以下為2種凈水工藝高程設置的2個方案。

3.1 廠內二次提升

廠內二次提升即在常規處理工藝后設置中間提升泵房，常規處理工藝出水經中間泵房提升后進入臭氧接觸池、活性炭濾池。該方案的工藝流程如圖3所示。按照清水池最高水位5.2 m計算，預臭氧接觸池進水水位標高為10.6 m，水頭損失為5.4 m，一般常規工藝水頭損失為3.5 m，因此無法滿足深度處理工藝水頭損失，需增加提升泵房。沉淀池為非疊合池，需另行擇址建設排泥水調節池、反沖洗廢水調節池、回用水池、濃縮池、預濃縮池。受用地條件限制，濃縮池、預濃縮池均采用內置不銹鋼斜板的重力高效式，回用水池疊合于臭氧制備車間下，排泥水調節池疊合于濃縮池下，反沖洗廢水池疊合于預濃縮池下。平衡池疊合于脫水機房下。

圖3 廠內二次提升方案工藝流程圖(采用吳淞高程)Fig.3 Process Flow Chart of Secondary Lifting Scheme (Wusong Elevation)

圖4 疊合沉淀池方案工藝流程圖(采用吳淞高程)Fig.4 Process Flow Chart of Superimposed Sedimentation Tank (Wusong Elevation)

3.2 疊合沉淀池

此方案即將進水原水水頭提高，全廠凈水設施采用重力流，沉淀池架空設計。進廠原水水頭提高至14.70 m(吳淞標高)。沉淀池抬高后，砂濾池出水重力進入臭氧接觸池、活性炭濾池。沉淀池下方設置排泥水調節池、反沖廢水調節池、重力傳統式濃縮池、預濃縮池、回用水池、倉庫等構筑物，下部空間得到充分利用。該方案的工藝流程如圖4所示。沉淀池和清水池是水廠中占地面積較大的構筑物，因此，沉淀池疊合清水池可以大大節省水廠占地面積，節約土地資源。然而，由于清水池下疊于沉淀池，兩者水頭損失余量不大，無法節省二次提升環節，而疊合沉淀池由于架空高度較為靈活，可以根據水位計算確定水池高度，達到取消廠內二次提升、降低運行費用的目的。同時，也可以在沉淀池下方設置污泥處理單元，節約土地資源。

3.3 方案綜合比較

根據以上2個工程方案內容，方案將在高程、占地、工程費用、電耗等方面進行比較，結果如表4所示。綜上，雖然該水廠所用工藝均為成熟工藝，但結合廠區土地面積、地勢工況與工藝需求，最后確定采用疊合沉淀池。由綜合費用可知，疊合沉淀池方案基本與中間提升方案接近，略高約235萬元，不到1%。但其節約了土地資源，共節約土地費用720萬，降低了項目總投資，同時取消廠內二次提升、減少能耗，降低了長期運行費用。就地勢平坦地區而言，疊合沉淀池方案的確定與落地，不僅區別于其他水廠，還發揮了水廠設計方案節能降耗的優勢。

表4 凈水工藝設計方案對比Tab.4 Comparison of Water Treatment Processes Schemes

注：年運行水量考慮日變化系數為1.3，按平均日水量7.7萬m3/d計；年運行天數為365 d

此外，奉賢一水廠于2018年10月投產以來，出水水質較理想，尤其是出水耗氧量保持在1.16～1.59 mg/L，與采用同一水源、經過升級改造后的奉賢三水廠出水水質相當(2016年深度處理完成后耗氧量均小于2 mg/L，與改造前的3 mg/L左右相比有明顯降低)，側面說明該處理工藝針對這一水源的處理效果比較有效且穩定。

4 結語

積極響應國家“建設資源節約型、環境友好型社會”的號召，本文在對黃浦江原水水質特點和現有水廠存在問題進行充分分析的基礎上，結合廠區布局和凈水工藝，通過開展工藝論證、用地核算、運行費用分析，綜合考慮優化出水水質和節能降耗，最終確定奉賢第一水廠的工藝方案為在常規處理工藝的基礎上增加預臭氧前處理和臭氧-生物活性炭深度處理工藝，解決了黃浦江水有機污染較嚴重的問題。工程選擇將深度處理單元置于砂濾之后，充分發揮活性炭濾池的吸附作用，延長反沖洗周期。同時，采用疊合沉淀池充分發揮其節能降耗、優化空間布局的優點，以提升水廠的長遠效益。