珠海市G水廠深度處理工藝的比選探討

黃鶴俊

(珠海水務(wù)環(huán)境控股集團(tuán)有限公司，廣東珠海 519000)

珠海市G水廠位于香洲區(qū)主城區(qū)內(nèi)，現(xiàn)狀總設(shè)計供水規(guī)模為20萬m3/d，分3套水處理工藝流程，分別建成于1982年(2萬m3/d)、1987年(6萬m3/d)和1993年(12萬m3/d)。其中，2萬m3/d和6萬m3/d規(guī)模的流程采用“機械攪拌澄清池+普通快濾池+液氯消毒”工藝，12萬m3/d規(guī)模的流程采用“折板反應(yīng)池+斜管沉淀池+普通快濾池+液氯消毒”工藝，廠區(qū)現(xiàn)狀如圖1所示。隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)和珠海優(yōu)質(zhì)供水計劃的逐步推進(jìn)，對標(biāo)高品質(zhì)飲用水準(zhǔn)標(biāo)，適時對G水廠提標(biāo)改造，進(jìn)一步提升珠海市民飲用水品質(zhì)已提上日程。

圖1 G水廠現(xiàn)狀圖Fig.1 Current Status of G Waterworks

本文通過對珠海市G水廠歷年進(jìn)出廠水質(zhì)、運行狀況、深度處理工藝特點及其適用性等情況的分析，提出適合現(xiàn)階段珠海市G水廠提標(biāo)改造的深度處理工藝路線。

1 原水水質(zhì)分析

G水廠現(xiàn)有2個主要的取水水源，每年2月—11月是西江豐水期，C泵站從西江磨刀門取水加壓送至G水廠。每年12月—次年1月，咸潮上溯，C泵站不具備取水條件，西江上游的P泵站取水加壓送至C泵站前池，再由C泵站中轉(zhuǎn)加壓至G水廠；或由P泵站旁Z水庫出水自流至C泵站前池，再由C泵站中轉(zhuǎn)加壓至G水廠。

根據(jù)G水廠的原水水質(zhì)監(jiān)測記錄，原水各項指標(biāo)總體上穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家城市供水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)珠海監(jiān)測站資料，G水廠原水毒理學(xué)指標(biāo)和放射性指標(biāo)全部達(dá)到《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》的要求，無一超標(biāo)。表1是G水廠2012年—2019年原水水質(zhì)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 G水廠原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality of G Waterworks

2 現(xiàn)有工藝出廠水質(zhì)分析

2.1 渾濁度

2012年—2017年，G水廠出廠水渾濁度全年基本穩(wěn)定在0.3 NTU以下，滿足集團(tuán)內(nèi)控指標(biāo)，但2018年和2019年無法全年穩(wěn)定在0.3 NTU以下，且呈逐年上升趨勢,如圖2所示。分析認(rèn)為，這與近2年G水廠超負(fù)荷生產(chǎn)情況日益嚴(yán)峻的背景有關(guān)。

2.2 氨氮

近8年，G水廠出廠水氨氮均穩(wěn)定低于0.12 mg/L，平均氨氮穩(wěn)定在0.02 mg/L以下，遠(yuǎn)低于國標(biāo)限值，如圖3所示。

圖3 G水廠2012年—2019年出廠水氨氮濃度Fig.3 Ammonia Nitrogen of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

2.3 CODMn

近8年，G水廠出廠水CODMn濃度均滿足穩(wěn)定低于3 mg/L的國標(biāo)要求，平均值為1.02 mg/L，如圖4和圖5所示。其中，20%出水CODMn<1.0 mg/L，92%出水CODMn<1.5 mg/L。

2.4 嗅味物質(zhì)

土臭素(GSM)和2-甲基異莰醇(2-MIB)是高藻水中引發(fā)嗅味問題的主要物質(zhì)(表2)，由水中藻類及其分泌物造成的飲用水嗅味問題受到用戶和業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注[1]。

圖4 G水廠2012年—2019年出廠水CODMn濃度占比Fig.4 CODMn Ratio of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

圖5 G水廠2012年—2019年出廠水CODMn濃度Fig.5 CODMn of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

表2 土臭素和2-甲基異莰醇的性質(zhì)Tab.2 Characteristics of GSM and 2-MIB

自2018年1月起，市水質(zhì)中心每月對G水廠出廠水GSM和2-MIB進(jìn)行取樣檢測，結(jié)果如圖6～圖9所示。GSM指標(biāo)表現(xiàn)良好，64%低于2 ng/L以下，77%低于5 ng/L以下，100%滿足國標(biāo)附錄限值10 ng/L以下。2-MIB指標(biāo)表現(xiàn)稍遜，58%低于2 ng/L以下，79%低于5 ng/L以下，87%滿足國標(biāo)附錄限值10 ng/L以下。其中，2018年6月、7月和2019年4月出現(xiàn)超標(biāo)值，分別為24.06、15.32、26.29 ng/L。

2.5 消毒副產(chǎn)物

根據(jù)市水質(zhì)中心對過去10年(2007年—2017年)珠海市4座水廠出廠水中11種消毒副產(chǎn)物(2,4,6-三氯酚、二氯甲烷、二氯乙酸、二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、氯化氰、三鹵甲烷(總量)、三氯甲烷、三氯乙醛、三氯乙酸、三溴甲烷)的檢測數(shù)據(jù)，對于珠海原水水質(zhì)情況，除三氯乙醛在極個別時間里出現(xiàn)超標(biāo)情況外(液氯消毒時)，液氯和次氯酸鈉消毒均能在保證有效消毒的基礎(chǔ)上，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。

圖6 G水廠2018年—2019年出廠水GSM濃度占比Fig.6 GSM Ratio of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

圖7 G水廠2018年—2019年出廠水2-MIB濃度占比Fig.7 2-MIB Ratio of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

圖8 G水廠2018年—2019年出廠水GSM濃度Fig.8 GSM of Finished Water of G Wateworks in 2018-2019

圖9 G水廠2018年—2019年出廠水2-MIB濃度Fig.9 2-MIB of Finished Water of G Wateworks in 2018-2019

3 深度處理工藝介紹

深度處理是通過物理、化學(xué)、生物等作用去除常規(guī)處理工藝不能有效去除的污染物(包括消毒副產(chǎn)物前體物、內(nèi)分泌干擾物、農(nóng)藥及殺蟲劑等有毒有害物質(zhì)和氨氮等無機物)，保障飲用水水質(zhì)，提高管網(wǎng)水的生物穩(wěn)定性。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國應(yīng)對常規(guī)工藝無法滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況，通常會采用生物預(yù)處理、臭氧生物活性炭或膜技術(shù)進(jìn)行深度處理[2]。

3.1 生物預(yù)處理技術(shù)

生物預(yù)處理工藝一般設(shè)置在常規(guī)凈化水工藝流程之前，主要利用微生物的氧化分解及轉(zhuǎn)化功能，以水中有機物(少數(shù)無機物)作為微生物的營養(yǎng)，通過微生物的新陳代謝，對水中的有機污染物、氨氮、亞硝酸鹽及鐵、錳等無機污染物進(jìn)行初步去除降解。給水行業(yè)的生物預(yù)處理技術(shù)一般采用生物膜法，主要工藝有彈性填料生物接觸池、生物濾池、懸浮填料生物接觸氧化池和輕質(zhì)濾料生物濾池。

研究表明，生物預(yù)處理技術(shù)是去除微污染水源水中氨氮和有機污染物的一種行之有效的方法。在環(huán)境溫度適宜的條件下，氨氮去除率可達(dá) 80 %以上，對耗氧量、鐵、錳和酚等污染指標(biāo)均有較好的去除效果[3]。

3.2 臭氧-生物活性炭技術(shù)

臭氧-生物活性炭技術(shù)是集臭氧氧化、活性炭吸附、生物處理效果于一體的飲用水深度處理技術(shù)。1961年，德國Dusseldorf的Amstaad水廠的使用，開啟了該技術(shù)在飲用水領(lǐng)域大規(guī)模的研究和應(yīng)用推廣。

我國在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較晚，1985年建成了第一座采用該技術(shù)的城市自來水廠——北京田村水廠。2000年以后，由于國內(nèi)大部分水源水污染加劇及衛(wèi)生部《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB 5749—2006)的實施，該技術(shù)在國內(nèi)的研究得到廣泛開展，在試驗基礎(chǔ)上相繼新建或改建了上海周家渡水廠、常州第二水廠、桐鄉(xiāng)果園橋水廠、廣州南州水廠、嘉興石臼漾水廠等，均采用了臭氧-生物活性炭工藝。

3.3 膜技術(shù)

膜分離被稱為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在飲用水處理領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。作為一種新興的高效分離、濃縮、提純、凈化技術(shù)，膜過濾技術(shù)原理是采用高分子膜作為介質(zhì)，以附加能量作為推動力，對雙組分或多組分溶液進(jìn)行表面過濾分離，具有物質(zhì)不發(fā)生相變、分離系數(shù)大、在常溫下運行、適用范圍廣、裝置簡單、操作方便等特點，能夠提供穩(wěn)定可靠的出水水質(zhì)。

其中，微濾和超濾膜分離技術(shù)在市政給水領(lǐng)域的應(yīng)用已有30余年。自2009年東營南郊水廠10萬m3/d規(guī)模浸沒式超濾膜車間投運以來[4]，以超濾為深度處理工藝的膜法水處理技術(shù)在我國市政給水領(lǐng)域陸續(xù)得到推廣和應(yīng)用。

4 深度處理工藝比選

4.1 中試試驗

4.1.1 試驗工藝流程

流程1：絮凝斜管沉淀；流程2：絮凝斜管沉淀→砂濾池→活性炭濾池；流程3：絮凝斜管沉淀→活性炭濾池→砂濾池；流程4：絮凝斜管沉淀→砂濾池→超濾膜。

4.1.2 試驗裝置運行參數(shù)

預(yù)臭氧接觸池：設(shè)計流量為5 m3/h，Φ×H為 0.6 m×2 m，接觸時間為5 min，臭氧投加量為1～2 mg/L。絮凝-斜管沉淀池：設(shè)計流量為5 m3/h，L×W×H為2.55 m×2.4 m×4.42 m，斜管尺寸Φ×H為0.025 m×1.0 m。采用管道混合器混合，絮凝時間為25 min，沉淀區(qū)負(fù)荷為5.8 m3/(m2·h)。

砂濾池：石英砂濾料高度為1 m，濾速為8.0 m/h。大砂濾池：設(shè)計流量為5 m3/h，L×W×H為1.0 m×0.8 m×3.6 m，過濾區(qū)為0.79 m×0.79 m；小砂濾池：設(shè)計流量為0.25 m3/h，Φ×H為 0.2 m×3.6 m。

后臭氧接觸池：設(shè)計流量為2.5 m3/h，Φ×H為 0.6 m×2 m，接觸時間為10 min，臭氧投加量為1～3 mg/L。

活性炭濾池：活性炭濾料高度為2 m，濾速為10.0 m/h；規(guī)格為8×30目柱狀破碎炭，吸附碘值為900 mg/g。大活性炭濾池：設(shè)計流量為2.5 m3/h，L×W×H為0.6 m×0.5 m×4.6 m，過濾區(qū)為0.5 m×0.5 m；小活性炭濾池：設(shè)計流量為0.30 m3/h，Φ×H為 0.2 m×3.6 m。

超濾膜系統(tǒng)：設(shè)計產(chǎn)水規(guī)模為1 m3/h，浸沒式超濾，使用1支中空纖維超濾膜，最大跨膜壓差為65 kPa，膜面積為35 m2。每1 h氣水反洗1次，每24 h次氯酸鈉溶液藥反洗1次。平均膜孔徑為0.04～0.06 μm，平均運行通量為25～30 L/(m2·h)。

各流程水質(zhì)如圖10～圖13所示。

4.1.3 中試結(jié)果的分析

由中試結(jié)果可知：在原水CODMn質(zhì)量濃度為1.69 mg/L時，臭氧-生物活性炭工藝能使砂濾出水后的CODMn質(zhì)量濃度由1.03 mg/L進(jìn)一步降至0.5 mg/L左右，去除率為52%。后置臭氧-生物活性炭工藝渾濁度無法保證小于0.3 NTU，前置臭氧-生物活性炭工藝可使渾濁度降低至0.16 NTU左右。在原水CODMn質(zhì)量濃度為1.69 mg/L時，超濾僅能使砂濾出水后的CODMn質(zhì)量濃度由1.03 mg/L降至0.96 mg/L左右，去除率僅為6.8%；超濾出水渾濁度能保證在0.1 NTU以下，除濁效果優(yōu)異。

4.2 深度處理工藝特點對比

將臭氧-生物活性炭和超濾2種深度處理工藝進(jìn)行比選，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，2種工藝的特點如表3所示。

4.3 深度處理工藝的選擇

在考慮G水廠用地條件有限和投資合理性的情況下，深度處理工藝只能從臭氧-生物活性炭工藝和超濾工藝之間二選一。通過上述分析可知，G水廠現(xiàn)有工藝歷年出水有機物、氨氮等指標(biāo)均表現(xiàn)良好，原水季節(jié)性嗅味物質(zhì)超標(biāo)可采用已建成的應(yīng)急預(yù)氧化和粉末活性炭投加系統(tǒng)處理，故選用臭氧-生物活性炭工藝的必要性不大，且引入臭氧和生物活性炭在沿海地區(qū)和南方濕熱地區(qū)將增加出水溴酸鹽濃度超標(biāo)[5-6]和微生物泄露[7-8]的風(fēng)險，需高度慎重。

圖10 各流程出水渾濁度Fig.10 Turbidity of the Treated Water in Each Process

圖11 各流程進(jìn)出水渾濁度平均值對比Fig.11 Comparison of Average Turbidity of Influent and Treated Water in Each Process

圖12 各流程出水CODMnFig.12 CODMn of the Treated Water in Each Process

圖13 各流程進(jìn)出水CODMn平均值對比Fig.13 Comparison of Average CODMn of Influent and Treated Water in Each Process

表3 臭氧-生物活性炭與超濾工藝優(yōu)缺點對比Tab.3 Comparison with O3-BAC and UF Process

出水渾濁度低不但說明感官好，也說明非溶解性物質(zhì)和微生物等去除的程度好，是最為重要的水質(zhì)綜合性指標(biāo)之一。超濾工藝可使出水渾濁度100%低于0.1 NTU，甚至可穩(wěn)定低于0.05 NTU。國內(nèi)外研究表明，當(dāng)渾濁度為1.5 NTU時，水中有機物、各種細(xì)菌的去除率可達(dá)到60%；當(dāng)渾濁度為0.5 NTU時，去除率達(dá)到99%；當(dāng)渾濁度<0.3 NTU時，去除率達(dá)到99.9%；當(dāng)渾濁度<0.1 NTU時，去除率可達(dá)到99.99%，且粒徑>2 μm的顆粒數(shù)在20以下，即可認(rèn)為水中有機物和各種細(xì)菌絕大多數(shù)已被去除[9]。

基于對G水廠進(jìn)出廠水質(zhì)和中試結(jié)果的分析，為進(jìn)一步降低出廠水渾濁度、提高出廠水生物穩(wěn)定性、降低消毒副產(chǎn)物生成量，認(rèn)為采用超濾技術(shù)進(jìn)行深度處理更加符合現(xiàn)階段G水廠出廠水質(zhì)提升之需。

5 結(jié)論和建議

(1)原水受到的有機物污染、氨氮污染不明顯，在現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)條件下，常規(guī)的混凝沉淀過濾工藝出水的有機物、氨氮等指標(biāo)即能遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。間歇性產(chǎn)生藻類暴發(fā)(主要為每年夏季)帶來臭和味的問題(主要為2-MIB濃度超標(biāo))，可采用已上線運行的應(yīng)急預(yù)氧化和粉末活性炭投加系統(tǒng)進(jìn)行處理[10-11]。

(2)為進(jìn)一步降低出廠水渾濁度、提高出廠水生物穩(wěn)定性、降低消毒副產(chǎn)物生成量，推薦采用超濾作為G水廠深度處理工藝。