鹽城市某原水預(yù)處理廠設(shè)計與運行分析

王 毅，井添祺，周家中，萬蘭慶，吳 迪,楊華仙

(1.鹽城市鹽龍湖飲用水源管理處，江蘇鹽城 224000；2.青島思普潤水處理股份有限公司，山東青島 266555；3.北京久安建設(shè)投資集團(tuán)有限公司亭湖區(qū)飲用水安全工程預(yù)處理廠項目部，江蘇鹽城 224000;4.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川成都 610081)

隨著工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展和居民生活水平的提高，廢水排放中污染物質(zhì)的種類和濃度不斷增加，使得飲用水水源環(huán)境遭到不同程度的破壞，影響了人們的生命健康。目前，我國城市凈水廠大多數(shù)采用地表水作為飲用水水源，主要應(yīng)用“混凝沉淀過濾+消毒”進(jìn)行處理，但此處理工藝去除有機物質(zhì)和氨氮比例較低。然而，此類物質(zhì)在水源地的富集，勢必會影響人類的飲用水安全，因此，急需對原水水源進(jìn)行預(yù)處理，以保證人們正常的生活需要。

江蘇省政府高度重視水環(huán)境整治和水源地建設(shè)工作，2015年鹽城市出臺《全市城鄉(xiāng)飲用水安全保障工作方案》，要求利用現(xiàn)有棄土區(qū)和農(nóng)田，建設(shè)該區(qū)域飲用水安全工程，即原水前期處理工程。通過對凈水廠水源水質(zhì)進(jìn)行提升，使原水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

本文以鹽城市某水源預(yù)處理項目為例，介紹微污染原水治理的設(shè)計路線與運行效果，為水源預(yù)處理以及微污染原水的治理提供工藝組合方式和技術(shù)參考。

1 項目背景

鹽城市凈水廠取水總規(guī)模為30萬m3/d，至2013年，全部建成通水，水廠進(jìn)水水質(zhì)需滿足地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。但是，近年來由于沿線農(nóng)業(yè)面源、城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展對本項目水源地的污染負(fù)荷輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其環(huán)境承載能力，水質(zhì)惡化嚴(yán)重。該水廠水源主要呈現(xiàn)有機物污染特征，CODMn和NH3-N等污染指標(biāo)在7月—9月分別高達(dá)9.1 mg/L和1.8 mg/L，給水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)帶來了很大的難度。因此，本項目采用新建預(yù)處理廠的方式來提升原水水質(zhì)。預(yù)處理廠設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

2 預(yù)處理廠工藝方案比選

2.1 方案選取原則

根據(jù)水廠長期運行數(shù)據(jù)分析，預(yù)處理廠所選工藝應(yīng)遵循以下原則。

(1)充分保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)：根據(jù)相關(guān)部門提供的水質(zhì)數(shù)據(jù)，原水Ⅲ類水達(dá)標(biāo)率僅41%。在7月—9月，CODMn已達(dá)到8.0～9.1 mg/L，超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)6.0 mg/L的限值；NH3-N波動較大，監(jiān)測結(jié)果顯示，該階段NH3-N最高達(dá)1.8 mg/L；大部分時期，TP在0.2 mg/L以上，且在7月—9月，TP開始異常升高，最高值達(dá)1.1 mg/L，遠(yuǎn)高于III類水標(biāo)準(zhǔn)。因此，所選工藝要充分保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

(2)具有持續(xù)升級的能力：水質(zhì)達(dá)標(biāo)率均較低，并呈逐年下降趨勢。一是上游地區(qū)逐年增加的工業(yè)廢水匯流到主干河道，增加了原水處理難度；二是短期內(nèi)難以解決農(nóng)業(yè)與生活污水面源污染問題；三是水源分支多位于不可控區(qū)域。因此，所選工藝應(yīng)滿足后期水環(huán)境趨勢要求。

(3)對污染事故有抗沖擊能力：水源河道屬于航道，無足夠的自凈能力應(yīng)對突發(fā)水質(zhì)惡化事件，且水源面臨巨大的外入污染風(fēng)險，此河道上游就曾經(jīng)發(fā)生過工業(yè)廢水污染事件，影響了凈水廠原水水質(zhì)。因此，所選工藝抗水質(zhì)沖擊能力要強。

(4)滿足經(jīng)濟(jì)社會效益：新建生化池和后續(xù)深度工藝，一要滿足當(dāng)前和應(yīng)對后期的水質(zhì)要求；二要盡量降低成本投資，優(yōu)化國民經(jīng)濟(jì)效益。因此，所選工藝應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)實用性。

綜合考慮以上原則，根據(jù)實際進(jìn)出水水質(zhì)的要求，以及水體中污染物的存在形式，本項目采用“化學(xué)預(yù)氧化+生物預(yù)處理+混凝沉淀”的組合處理路線，各單元協(xié)同作用，強化對有機物、NH3-N和TP等污染物的去除效果。

2.2 工藝技術(shù)比選

2.2.1 化學(xué)預(yù)氧化技術(shù)

(1)高錳酸鉀預(yù)氧化

高錳酸鉀是國外最早用于去除和控制水中嗅味的氧化劑之一，對嗅味具有良好的去除效果。高錳酸鉀投加量在0.5～2.0 mg/L時，對水中土腥味具有良好的去除效果，可以明顯提高水中主要致臭微量有機物的去除效果。高錳酸鉀具有極強的氧化性，可以破壞成色基團(tuán)，同時也具有一定的吸附功能，表現(xiàn)出優(yōu)異的脫色能力。此外，高錳酸鉀預(yù)氧化也可強化混凝沉淀對COD的去除效果，且具有較好的除藻效果。高錳酸鉀投量在0.8～1.0 mg/L時，比常規(guī)混凝的除藻率提高了22%[1-3]。

(2)二氧化氯預(yù)氧化

二氧化氯預(yù)氧化技術(shù)具有良好的除藻性能，能夠有效避免沉淀池、濾池等青苔的滋生，對有色物質(zhì)的脫色也具有較好功效。但是，二氧化氯對水體中有益微生物也有毒害作用，特別是與有機物質(zhì)作用后，易產(chǎn)生致癌副產(chǎn)物，且二氧化氯制備要求苛刻，必須現(xiàn)場制備，控制條件需嚴(yán)格把控，防止爆炸。因此，需設(shè)置安全防爆措施、滲漏防范措施，增加了運行成本和操作難度，危險性較高[4]。

綜上比較，本項目確定采用高錳酸鉀預(yù)氧化，目的為去除水中色、嗅、味，抑制藻類生長。

2.2.2 生物預(yù)處理技術(shù)

傳統(tǒng)的給水處理工藝(混凝、沉淀和過濾)在保證飲用水水質(zhì)方面起到了重要作用，但對低分子量有機物和NH3-N的去除率較低。生物氧化法可借助微生物群體的新陳代謝活動，去除傳統(tǒng)處理工藝不能有效去除的污染物，是傳統(tǒng)飲用水處理方法的重要補充。本項目原水呈現(xiàn)微污染狀態(tài)，有機物、NH3-N超標(biāo)，是生物處理技術(shù)的適用對象。表2對比了幾種常見的生物預(yù)處理工藝。

表2 生物預(yù)處理工程方案比選[5-7]Tab.2 Comparison of Biological Pretreatment Projects[5-7]

在MBBR工藝中，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)液體、懸浮載體及氣體三者循環(huán)流動，形成流化狀態(tài)。懸浮載體具有較大的比表面積，可在反應(yīng)器中形成很高的生物量，且通過增加池體內(nèi)總有效生物膜面積，可以起到持續(xù)提高污染物去除的能力。通過懸浮載體的流化，使其附著的生物膜能夠與液相中的營養(yǎng)基質(zhì)充分接觸，提高了生物膜傳質(zhì)傳氧效率，達(dá)到對有機物和NH3-N較好的去除效果。

此外，MBBR工藝還具有強抗沖擊負(fù)荷能力、運行能耗低、污泥產(chǎn)量低、操作簡單、懸浮載體反應(yīng)形態(tài)好、氧利用率高、不易堵塞等優(yōu)點[8-10]。MBBR工藝分為泥膜復(fù)合工藝和純膜工藝[11]。目前，國內(nèi)常采用的是泥膜復(fù)合工藝處理工業(yè)廢水以及市政污水，且取得了良好的應(yīng)用效果。本項目考慮微污染原水的低基質(zhì)特性、運行成本問題以及控制等需求，生化段采用純膜MBBR工藝即可滿足對出水水質(zhì)的要求。

2.2.3 混凝沉淀技術(shù)

(1)混合技術(shù)選擇

混合工藝的目的是促進(jìn)藥劑與水體充分快速接觸。藥劑的反應(yīng)速度快，需強化混合過程，縮短接觸時間，因此，合理選擇混合形式是取得良好混凝效果的重要前提[12]。管道靜態(tài)混合器一般為三節(jié)組成，內(nèi)置左旋和右旋固定螺旋葉片，通過流動分割、徑向混合等作用獲得較好的混合效果。機械混合為傳統(tǒng)混合形式，通過機械提供動能，改變水體流態(tài)，能夠有效保證較短時間內(nèi)的藥劑混合，具有效率高、受原水水量變化影響小、節(jié)省藥劑投加量等優(yōu)勢。經(jīng)詢價核算，二者在經(jīng)濟(jì)上的出入較小。因此，本項目混合采用先管道混合器簡單混合，再機械混合的方式。

(2)絮凝技術(shù)選擇

凈水工藝中絮凝池形式很多，大致可分為水力絮凝和機械絮凝。近年來，機械絮凝設(shè)備質(zhì)量逐步提高，應(yīng)用范圍廣，攪拌設(shè)備成熟穩(wěn)定，已得到水處理廠的廣泛認(rèn)可，尤其適用于小池體、變水量、短時間絮凝條件等特征的高密度澄清池[13]。本項目考慮采用機械絮凝的方式。

(3)沉淀技術(shù)選擇

給水處理中的沉淀工藝是在重力作用下固液分離的過程。目前，應(yīng)用較多的有平流式沉淀池、斜管沉淀池。近年來，隨著引進(jìn)技術(shù)項目的增加，國外新的絮凝沉淀工藝如高密度沉淀池等池型紛紛引進(jìn)我國，并取得了較好的效果。在引進(jìn)吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的中置式高密度沉淀池也在全國各地有所應(yīng)用，獲得了良好的效果[14]。

中置式高密度沉淀池針對傳統(tǒng)沉淀池污泥回流方式缺陷進(jìn)行改進(jìn)，提升了斜管配水能力，強化了絮凝裝置和方式。將絮凝區(qū)與沉淀區(qū)有機結(jié)合，優(yōu)化了沉淀區(qū)的水力條件、布置和沉降面積，池型布置更合理，處理效果更好，適用于我國各規(guī)模水廠。與其他池型對比，中置式高密度沉淀池具有以下優(yōu)點：(1)對濁度和有機物的去除率較高，濁度長期在1 NTU以下，水質(zhì)有保證；(2)占地小、絮凝沉淀時間短；(3)布水均勻；(4)沉淀池的水流流態(tài)合理，泥水分離效果更佳；(5)可節(jié)省濃縮池設(shè)置[15]。

2.3 方案路線確定

綜上，本項目采用“高錳酸鉀預(yù)氧化+MBBR生化法+中置式高密度沉淀池”處理工藝流程，各單元協(xié)同作用，強化對有機物、NH3-N、TP的去除效果。工藝流程如圖1所示,平面布置如圖2所示。在項目施工過程中設(shè)置了多組超越管道，以滿足各類水質(zhì)的運行需求。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

圖2 廠區(qū)平面布置圖Fig.2 Layout Plan of the Plant

3 工藝設(shè)計

3.1 取水泵房

取水泵房由格柵井、吸水井流道和出水渠道組成。格柵井2格，單格平面尺寸為9.6 m×3.1 m，內(nèi)設(shè)孔徑為6 mm的旋轉(zhuǎn)式濾網(wǎng)，采用兩側(cè)進(jìn)水、中間出水的方式。吸水井2格，單格平面尺寸為13.5 m×9.6 m。取水泵房平面總尺寸約為24.4 m×20.5 m，出水由2根DN1400管道輸送至生物池。

3.2 生物池

生物池單座設(shè)計進(jìn)水量為15.0萬m3/d，共2座。單座平面外框尺寸為29.50 m×52.40 m，平均有效水深為5.5 m。池體設(shè)獨立2格，每格分3階段曝氣，每階段中間設(shè)隔墻隔網(wǎng)，分隔為2小格，每階段之間設(shè)導(dǎo)流墻，總體每格池體分為6級硝化。池中投加SPR-II懸浮載體，材質(zhì)為HDPE，HRT為60 min，氣水比為0.6～1.3。風(fēng)機配置變頻，可根據(jù)原水DO、NH3-N、有機物等負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)整。

生物池底部設(shè)曝氣系統(tǒng)，由管徑為DN150和DN100的管道構(gòu)成環(huán)狀曝氣主管，間設(shè)DN40穿孔曝氣管。

3.3 中置式高密度沉淀池

中置式高密度沉淀池設(shè)計規(guī)模為30萬m3/d，共1座。其中，沉淀池單格設(shè)計規(guī)模為5萬m3/d，共6格。混合池設(shè)計停留時間為55 s，絮凝采用導(dǎo)流筒強化循環(huán)，絮凝總時間為5.8 min，單格沉淀池設(shè)絮凝池2個，單格絮凝池為6 m×6 m。混凝劑投加點位于每格沉淀池進(jìn)水管，先通過管道靜態(tài)混合器簡單混合，再進(jìn)行機械混合，混凝劑設(shè)計投加量為30.0 mg/L。

沉淀池采用斜管沉淀方式，斜管孔徑為35 mm，上升流速為4.5 mm/s，下設(shè)重力濃縮刮泥機1臺，回流污泥通過污泥回流泵至混合池，剩余污泥至污泥脫水系統(tǒng)。

3.4 加藥間及鼓風(fēng)機房

加藥間按30萬m3/d 設(shè)計。加礬間設(shè)溶液池3座，1用1備1調(diào)配。溶液池容積按最大50.0 mg/L加注量每天調(diào)配5池設(shè)計，單池容積為20 m3，尺寸為2.5 m×2.5 m，水深為3.2 m。在每組溶液池中設(shè)慢速攪拌機1臺，共3臺。設(shè)8臺隔膜計量泵，6用2備。泵參數(shù)Q=850 L/h，H=500 kPa，P=1.5 kW。另預(yù)留脫水機濾液一體化裝置加藥泵1臺。

鼓風(fēng)機房設(shè)5臺曝氣鼓風(fēng)機，4用1備，用于向生化池曝氣。單臺風(fēng)量為4 375 m3/h，風(fēng)壓為8 m，配套電機功率為160 kW。

3.5 脫水機房

脫水機房內(nèi)設(shè)置脫水機濾液提升池，尺寸為2 m×3 m，深2為m，內(nèi)設(shè)2臺潛水排污泵，單臺流量為30 m3/h，揚程為12 m，電機功率為2.2 kW。

4 運行效果與成本

本項目實際進(jìn)出水水質(zhì)均值如表3所示。該污水廠穩(wěn)定運行期間，進(jìn)水CODMn、NH3-N、TP均值分別為8.4、1.4、0.7 mg/L，低于設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)，出水均值分別達(dá)到4.5、0.2、0.08 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到地表III類水標(biāo)準(zhǔn)。生化段采用6級純膜MBBR運行，能夠有效保障NH3-N穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和CODMn的削減，其中，NH3-N最低可低于0.1 mg/L，NH3-N的去除率最高可達(dá)到85%以上。通過對生化池沿程的檢測，生化段基質(zhì)濃度隨水流方向逐級遞減，各級對NH3-N均有去除效果。掛膜受基質(zhì)濃度影響較大，圖3為MBBR區(qū)各級懸浮載體的掛膜效果。由圖3可知，生化段懸浮載體在低基質(zhì)下掛膜迅速且良好，隨著各級進(jìn)水基質(zhì)的降低，掛膜效果呈現(xiàn)由深到淺的變化。生化出水經(jīng)中置式高密度沉淀池后，經(jīng)混凝沉淀，有效保障了CODMn和TP的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

表3 實際進(jìn)出水水質(zhì)Tab.3 Actual Water Quality of Influent and Effluent

圖3 MBBR各級填料掛膜狀態(tài)Fig.3 Biofilm Formation of Different Packings in MBBR

實際現(xiàn)場運行根據(jù)DO、NH3-N、有機物等因素調(diào)節(jié)風(fēng)量，實際氣水比為1.0～1.3，曝氣量為12 500～16 250 m3/h，DO為5.0～7.0 mg/L。核算全廠電耗平均值為0.052 kW·h/t，以0.74元/(kW·h)核算，運行成本為0.038元/t。在中置式高密度沉淀池投加的混凝劑為PAC，稀釋比例為1∶3，核算投加量為10.0 mg/L。本項目生化段采用純膜MBBR工藝，污泥產(chǎn)量極低，運行簡單，且核心生化段僅需曝氣即可維持懸浮載體流化，節(jié)省了推流器的安裝，也節(jié)省了初期投資成本以及后續(xù)設(shè)備的維護(hù)檢修量。

5 微生物分析

對各級懸浮載體進(jìn)行高通量分析。本項目采用6級懸浮載體投加，各級懸浮載體專性富集，且NH3-N沿程逐級遞減，故各區(qū)域內(nèi)的懸浮載體生物膜是在不同NH3-N濃度下形成的。根據(jù)沿程結(jié)果，1級區(qū)域的NH3-N濃度在1.0 mg/L以上， 6級區(qū)域的NH3-N濃度低于0.4 mg/L。圖4為1級～6級生物膜微生物Circos分析圖，此分析主要以圈圖的方式展現(xiàn)每個樣本中優(yōu)勢物種的分布比例，以及各優(yōu)勢物種在不同樣本中的分布比例，并將相對豐度小于0.05的物種歸為others繪制此圖。

圖4 1級～6級生物膜微生物屬水平物種組成Fig.4 Species Composition of Microbiological Level of 1st to 6th Stage in MBBR

目前，關(guān)于MBBR工藝應(yīng)用于微污染原水治理的研究報道較少。對比MBBR用于市政污水的治理，相關(guān)研究均指出懸浮載體對Nitrospira的富集能力較高，其相對豐度一般在10%～15%，最高可達(dá)27.8%[21]。可見，基質(zhì)濃度對微生物的富集具有重要的影響。

6 結(jié)論

鹽城市某原水預(yù)處理項目充分利用現(xiàn)有用地，根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)要求，采用“高錳酸鉀預(yù)氧化+MBBR生化法+中置式高密度沉淀池”組合工藝，保障了原水預(yù)處理廠出水COD、NH3-N、TP等穩(wěn)定達(dá)到地表III類水標(biāo)準(zhǔn)。生化段采用6級純膜MBBR工藝，高通量測序結(jié)果顯示，懸浮載體對硝化菌具有良好的富集能力，其相對豐度沿著水流方向呈逐級降低的趨勢。生化段控制曝氣量為12 500～16 250 m3/h，氣水比為1.0～1.3，DO為5.0～7.0 mg/L。中置式高密度沉淀池核算PAC投加量為10 mg/L。通過各工藝段優(yōu)化運行，該項目出水各項指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，優(yōu)于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。該工藝路線操作簡單，運行成本低，后期維護(hù)少，適用于微污染原水的治理。