臭氧-生物活性炭工藝在江蘇某水廠提標擴建中的應用

劉連清

(中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，江蘇南京 210023)

1 工程背景

江蘇某水廠一、二期工程采用常規處理工藝，設計規模為20×104m3/d，分別于2002年和2011年建成運行。一、二期工程網格絮凝/平流沉淀池、氣水反沖洗濾池規模為20×104m3/d，清水池、供水泵房、回用水池、污泥濃縮池、貯泥池規模為30×104m3/d，加氯間、加礬間、污泥脫水間土建規模為30×104m3/d，設備安裝規模為20×104m3/d。廠區占地面積為9.82×104m2，其中，一、二期工程占地面積6.50×104m2，預留三期工程用地面積為3.32×104m2。

2014年，江蘇省頒布了《關于切實加強城市供水安全保障工作的通知》，要求全面推進自來水廠深度處理工藝改造，提高安全供水能力，努力實現從供“合格水”向供“優質水”的轉變。同時，隨著經濟的發展和人口的增長，一、二期工程的生產能力已無法滿足當地需求，因此，該水廠啟動了提標擴建工程，在一、二期工程20×104m3/d規模常規處理工藝(圖1)的基礎上，增加10×104m3/d規模常規處理工藝，同時增加30×104m3/d規模預處理工藝和深度處理工藝。

圖1 一、二期工程流程圖Fig.1 Process Flow Chart of the 1st and the 2nd Phase of the Project

2 提標擴建方案

2.1 原水水質及一、二期工程運行狀況分析

該水廠原水取自通榆河，根據2011年—2013年水源地監測數據，全年大部分時段原水水質滿足地表Ⅲ類水標準(表1)，但夏季氨氮、耗氧量以及鐵、錳等指標濃度偏高，屬于典型的微污染水源水。

一、二期工程采用“管式靜態混合器+網格絮凝平流沉淀池+氣水反沖洗濾池+液氯消毒”處理工藝，表2給出了2011年—2013年一、二期工程出廠水水質情況。由表2可知，一、二期工程常規處理工藝運行狀況良好，出廠水色度、濁度、耗氧量、氨氮及菌落總數等指標均滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求?？紤]到原水水質波動較大且夏季呈現微污染的特點，為保證出廠水水質穩定達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，需在原有常規處理工藝的基礎上增加預處理及深度處理工藝。

表1 2011年—2013年原水水質情況Tab.1 Raw Water Quality from 2011 to 2013

表2 2011年—2013年出廠水水質情況Tab.2 Finished Water Quality from 2011 to 2013

2.2 提標擴建方案的確定

(1)預處理工藝

為強化對有機物、鐵、錳等污染物的去除，預處理工藝選擇應用廣泛的預臭氧工藝。該工藝位于凈水廠工藝流程的最前端，可以有效去除原水中的鐵、錳、色度、嗅味物質，降解大分子有機物，改善絮凝、澄清效果[1]。

(2)常規處理工藝

一、二期工程采用“管式靜態混合器+網格絮凝/平流沉淀池+氣水反沖洗濾池+液氯消毒”工藝。本次提標擴建工程需要增加10×104m3/d規模常規處理工藝。管式靜態混合器是我國凈水廠常采用的混合形式，具有混合效果好、造價低、占地小、易于管理維護等優點；網格絮凝池通過網格的擾流作用形成分布均勻的微旋渦紊流，為絮凝創造了有利條件，具有絮凝時間短、水損小、藥耗低、占地少、造價低等優點，且對水質變化有較強的適應性[2]。氣水反沖洗濾池最初由法國得利滿公司開發，具有濾速高、過濾周期長、出水濁度低等優點，普遍應用于大中型水廠。考慮到一、二期工程運行效果良好，并結合廠區用地緊張的情況以及擴建工程與一、二期工程的銜接問題，擴建工程常規處理工藝仍采用“管式靜態混合器+網格絮凝/平流沉淀池+氣水反沖洗濾池”工藝。

(3)深度處理工藝

深度處理工藝選擇臭氧-生物活性炭工藝。該工藝集臭氧化學氧化、臭氧殺菌消毒、活性炭吸附及生物降解于一體[3]，可以有效去除氨氮、有機污染物和嗅味物質[4-5]，是處理微污染原水的主流工藝，具有運行穩定、出水水質好、可改善飲用水口感、保障飲用水生物穩定性等優點，得到了廣泛應用。據統計[6]，截至2017年底，江蘇省已實施深度處理工藝的79個水廠中大部分均采用臭氧-生物活性炭工藝作為深度處理工藝。考慮到原水水質波動較大及夏季呈微污染的特點，本次設計采用后置式臭氧-生物活性炭工藝，原水經過預臭氧和常規工藝處理后，生物活性炭工藝的進水水質有較可靠的保證。該工藝對原水水質水量的變化適應性較強，適宜微污染原水的處理[7]。此外，一、二期工程清水池已建成30×104m3/d規模，由于清水池運行水位的限制，為保證增加深度處理工藝后清水池水位不變，需在氣水反沖洗濾池后增加中間提升泵房，同時考慮到廠區預留用地較緊張，為節省占地并保證流程順暢，中間提升泵房和深度處理構筑物采用合建形式。提標改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 提標擴建工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Upgrading and Extension Project

3 主要構筑物設計

3.1 預臭氧接觸池

預臭氧接觸池采用豎向流、全密封形式，設計規模為30×104m3/d，設置1座，分2格，單格尺寸L×B×H=17.75 m×5.55 m×7.0 m(有效水深為6.0 m)。臭氧接觸反應系統采用鈦合金微孔曝氣盤形式，按比例控制臭氧投加量，臭氧最大投加量為1.0 mg/L，接觸時間為4.5 min。同時，設置2臺臭氧尾氣破壞裝置以分解尾氣中的臭氧，避免對空氣造成二次污染。

3.2 管式靜態混合器

一、二期工程已安裝2臺10×104m3/d規模的管式靜態混合器，三期擴建工程增加1臺10×104m3/d規模的GJH-1200管式靜態混合器，長為4 300 mm，碳鋼材質，用于投加PAC。

3.3 網格絮凝/平流沉淀池

網格絮凝池的工作原理是在全池2/3的分隔內水平放置網格，當水流進入網格時形成收縮，通過網格后水流擴大，形成良好的絮凝條件。網格絮凝池與平流沉淀池合建，設計規模為10×104m3/d，鋼筋混凝土結構，設置1座，分2組，每組平面尺寸L×B=115.6 m×14.6 m，網格絮凝池高度為5.0 m，有效水深為4.6 m；平流沉淀池高度為3.5 m，有效水深為3.2 m。設計絮凝時間為16 min，沉淀時間為105 min，水平流速為15 mm/s。每組網格絮凝池設63個網格，其中，第1個網格尺寸為3.36 m×1.58 m，其余網格尺寸均為1.60 m×1.58 m。網格絮凝池與平流沉淀池之間采用穿孔花墻配水，配水孔大小為0.30 m×0.30 m。網格絮凝池采用DN200穿孔排泥管進行排泥，設置40只膜片式快開排泥閥。平流沉淀池通過2臺虹吸刮泥機進行排泥，虹吸刮泥機行走功率為2×0.55 kW，真空泵功率為1.5 kW。

3.4 氣水反沖洗濾池及反沖洗泵房

氣水反沖洗濾池設計規模為10×104m3/d，鋼筋混凝土結構，設置1座，分2組，雙排布置，中間為管廊，每組4格，共8格，每格濾床面積為70 m2，設計濾速為8 m/h。濾料采用均質石英砂，有效粒徑為0.9～1.2 mm，不均勻系數為1.2～1.4，厚度為1.2 m。承托層采用粒徑為2～4 mm的粗石英砂，厚度為50 mm。濾池反沖洗方式采用先氣洗、再氣水同時反沖洗、最后水洗、伴隨全過程的表面橫向掃洗。反沖洗強度及歷時：氣沖洗強度為15 L/(s·m2)，沖洗時間為3 min；氣水同時沖洗時，氣強度為15 L/(s·m2)，水強度為3 L/(s·m2)，沖洗時間為4 min；水沖洗強度為6 L/(s·m2)，沖洗時間為5 min；表面橫向掃洗水強度為2 L/(s·m2)，全過程。

反沖洗泵房與氣水反沖洗濾池合建，同時為氣水反沖洗濾池和活性炭濾池服務，平面尺寸L×B=33.9 m×8.3 m，設置4臺臥式離心泵，3用1備，單臺參數：Q=750 m3/h，H=12 m，N=45 kW，氣水反沖洗濾池1格反沖洗時開2臺泵，活性炭濾池1格反沖洗時開3臺泵；設置4臺羅茨風機，3用1備，單臺參數：Q=31.5 m3/min，H=5 000 mm H2O，N=45 kW，氣水反沖洗濾池1格反沖洗時開2臺風機，活性炭濾池1格反沖洗時開3臺風機。

3.5 中間提升泵房

一、二期工程已經建成30×104m3/d的清水池，由于清水池水位已經確定，為保證提標擴建后清水池水位不變，新增1座30×104m3/d規模的中間提升泵房，中間提升泵房與后臭氧接觸池、活性炭濾池合建以節約用地面積，泵房內的提升泵安裝變頻器以滿足水廠實際運行中生產規模變化的需求。泵房集水池內設溢流管，當水廠停電或水泵出現故障時，集水池內的水可溢流至清水池，泵房不會被淹沒。中間提升泵房設計規模為30×104m3/d，平面尺寸L×B=18.9 m×13.8 m，上部建筑物高度為7 m，下部集水池深度為4.3 m，有效水深為3.5 m。泵房內設置5臺立式混流泵，4用1備，其中2臺變頻，單臺參數：Q=3 282 m3/h，H=6.7 m，N=132 kW。

3.6 后臭氧接觸池

后臭氧接觸池采用豎向流、全密封形式，設計規模為30×104m3/d，有效水深為6.0 m，設置1座，分2組，每組分2格，每格分3段。第1段的作用是滿足能與臭氧快速反應的物質所消耗的臭氧量，保證出水含有繼續殺滅細菌、病毒、寄生蟲和氧化有機物所必需的臭氧剩余量[8]；第2段的作用是補充臭氧以維持必要的臭氧濃度，保證足夠的接觸時間以殺滅細菌和病毒；第3段的作用是進一步殺滅細菌和病毒，同時去除難降解有機物。3段接觸時間分別為4、3、3 min，總接觸時間為10 min，臭氧投加量比例為2∶1∶1，最大臭氧投加量為2.0 mg/L。此外，設置2臺臭氧尾氣破壞裝置以分解尾氣中的臭氧，每臺裝置尾氣破壞量為13.5 kg/h，功率為4 kW。

3.7 活性炭濾池

活性炭濾池的作用是通過活性炭的物理化學吸附作用和附著生長在活性炭上生物膜的生物降解作用去除經后臭氧接觸池氧化后的各類小分子有機污染物?；钚蕴繛V池池型與氣水反沖洗濾池相似，設計規模為30×104m3/d，分2組，雙排布置，中間為管廊，每組8格，共16格，每格濾床面積為105 m2，設計濾速為8 m/h?；钚蕴繛V料采用多孔隙、高硬度、價格低廉、應用廣泛的煤質破碎炭，有效粒徑為1.0～1.2 mm，不均勻系數≤2.0，濾層厚度為1.6 m。由于活性炭濾池出水存在細菌偏高的問題，為截留出水中的細菌和顆粒物，在活性炭濾層下設置砂濾層，濾料采用均質石英砂，有效粒徑為0.9～1.2 mm，不均勻系數為1.2～1.4，濾層厚度為0.4 m。在濾層下設置承托層，承托層采用礫石，分5層，其粒徑級配排列由下至上分別是：8～16 mm，厚為50 mm；4～8 mm，厚為50 mm；2～4 mm，厚為50 mm；4～8 mm，厚為50 mm；8～16 mm，厚為50 mm。濾池反沖洗方式采用氣水反沖洗，氣沖洗強度為15 L/(s·m2)，沖洗時間為3 min；水沖洗強度為6 L/(s·m2)，沖洗時間為7 min；表面橫向掃洗水強度為2 L/(s·m2)，全過程。

中間提升泵房、后臭氧接觸池及活性炭濾池具體的平面布置如圖3所示。

圖3 中間提升泵房、后臭氧接觸池及活性炭濾池平面圖Fig.3 Plane Diagram of Intermediate Pumping House, Post Ozone Contactor and Activated Carbon Filter

3.8 臭氧發生間

土建規模為30×104m3/d，設置1座，地上式鋼筋混凝土框架結構，平面尺寸L×B=24.7 m×11.5 m，層高為5.0 m。制備臭氧的原料選擇液氧，在臭氧發生間外設置1個50 m3液氧儲罐，制備的臭氧供應預臭氧接觸池和后臭氧接觸池。臭氧發生間內設置3臺管式臭氧發生器，單臺臭氧發生器制備能力為12.5 kg/h，制備臭氧濃度為10%。

4 設計特點分析

(1)根據原水水質波動較大且夏季呈現微污染的特點，本次提標擴建工程選擇“預臭氧+常規處理工藝+臭氧生物活性炭”工藝。該工藝在國內外得到了廣泛應用，適合處理微污染原水，具有適應水質水量變化、出水水質好且穩定等優點，可以有效保障飲用水安全。

(2)由于一、二期工程運行效果較好，廠內運行管理人員已在生產中積累了豐富的經驗，且考慮到一、二期工程與擴建工程的銜接，本次擴建工程常規處理工藝與一、二期工程保持一致，采用“管道混合器+網格絮凝/平流沉淀池+氣水反沖洗濾池”。

(3)在提標擴建用地緊張的情況下，采取多種措施以減少構筑物占地面積并節省投資，如常規工藝中選擇占地較小的管式靜態混合器和網格絮凝池；將氣水反沖洗濾池和活性炭濾池的反沖洗泵房合建，既可以減少占地投資也便于運行管理；將中間提升泵房、后臭氧接觸池和活性炭濾池合建，既可節約占地面積、減少土建投資，亦可保證工藝流程的順暢，減小水頭損失。

(4)由于深度處理工藝采用了后置式生物活性炭工藝，為了解決活性炭濾池出水微生物泄露以及濁度升高的問題，設計在活性炭濾層下設置了0.4 m厚度的砂濾層。

5 主要經濟技術指標

本工程總投資為13 545.39萬元，其中，工程費用為11 144.81萬元，工程其他費用為1531.98萬元，工程預備費用為633.84萬元，鋪底資金為234.76萬元。單位制水總成本為0.879元/m3(常規處理為0.693元/m3，深度處理為0.186元/m3)，單位制水經營成本為0.763元/m3(常規處理為0.630元/m3，深度處理為0.133元/m3)。

6 運行效果分析

工程建成投產以來，出廠水水質良好，表3給出了2016年—2017年出廠水水質情況。由表3可知，提標擴建后的出廠水水質滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求，多項指標優于提標改造之前，其中，耗氧量、氨氮、菌落總數等水質指標改善明顯。表明，采用“預臭氧+常規工藝+臭氧生物活性炭”工藝可以有效去除氨氮及有機污染物，可顯著改善出廠水水質；同時，出廠水濁度的降低以及菌落總數的減少表明在活性炭濾層下設置砂濾層可以有效解決后置式臭氧-活性炭工藝炭池出水濁度升高及微生物泄露的問題。此外，對比不同季節出廠水水質情況，冬季出廠水水質劣于其他季節，濁度、耗氧量、氨氮等指標略高于其他季節，建議水廠在冬季生產過程中調整絮凝劑和臭氧的投加量，以確保全年出廠水水質基本穩定。

表3 2016年—2017年出廠水水質情況Tab.3 Finished Water Quality of 2016—2017

7 結論

(1)江蘇某水廠在原有20×104m3/d規模常規處理工藝的基礎上增加10×104m3/d規模常規處理，同時，增加了30×104m3/d規模的預處理及深度處理，提標擴建后總規模達到30×104m3/d。

(2)根據原水水質波動較大以及季節性呈現微污染的特點，結合廠區用地緊張并考慮一、二、三期工程銜接的問題，選擇“預臭氧+管式靜態混合器+網格絮凝平流沉淀池+臭氧生物活性炭+液氯消毒”處理工藝。該工藝具有功能分區合理、布置緊湊、工藝流程順暢、適應水質水量變化等特點，建成運行后出廠水水質優于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求，且較提標改造之前常規處理工藝的出廠水水質有較大改善，保證了當地居民的用水安全，提高了當地居民的生活質量。

(3)實際運行結果表明，在活性炭濾層下設置砂濾層可以有效解決后置式臭氧活性炭工藝炭池出水濁度升高及微生物泄露的問題。

(4)季節變化會影響原水水質和出廠水水質，建議水廠在生產過程中根據原水水質及季節變化情況及時調整運行參數，確保出廠水水質穩定。