MIEX工藝對原水中CODMn去除的效果

賀 威，費相琴，羅仕陽

(淮安自來水有限公司，江蘇淮安 223001)

淮安自來水公司目前下轄的3個水廠，北京路水廠、城南水廠和經濟開發區水廠，水源水均來自洪澤湖。其中，建造最早的北京路水廠，始建于1977年，設計日供水量為9.0萬m3，整個水廠分三期建成，每期規模分別為2.5萬、2.5萬m3/d和4.0萬m3/d，設計初期水處理工藝均采用常規處理技術。在20世紀80年代，洪澤湖水質屬于國家地表水標準Ⅰ～Ⅱ類，良好的原水水質加上混凝沉淀砂濾消毒的常規處理工藝，足以滿足供水需要和水質要求，但隨著時代的發展，越來越多的污染源出現在水源地上游或其附近，水源水的水質不斷惡化。至今，北京路水廠原水水質已經降至國家地表水標準中的Ⅲ類，甚至有時某些個別指標達到Ⅳ類或Ⅴ類。藻類、色度、臭和味長期偶發性異常，水源水的有機污染和水體富營養化已經超出了常規工藝的處理能力[1]，常規水處理工藝已無法保證百分之百的優質供水。

我國于2007年7月正式頒布的《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[2]中，飲用水水質指標由原標準的35項增至106項。其中，消毒劑指標由1項增至4項，毒理學指標中的有機物指標由5項增至53項；同時，許多指標在限值標準上也有大幅度的提高。標準提高后，北京路水廠的飲用水處理工藝出水難以達到新標準要求，故對舊工藝進行升級是必要的。

基于以上兩種原因，淮安自來水有限公司決定對北京路水廠進行升級改造。結合坐落于市區的北京路水廠自身廠區占地面積小的情況，通過對各種深度處理工藝的試驗和研究，于2011年2月確定選擇占地面積小、出水水質優、操作維護方便的磁性離子交換樹脂(MIEX)技術應用于該水廠的深度處理工藝。水廠從2011年8月開始進行深度處理工程改造，并于2012年6月調試通水成功。

MIEX技術引自澳大利亞，是一種以聚丙烯為骨架和帶電荷季胺官能團的大孔強堿性陰子樹脂。樹脂顆粒尺寸約為180 μm，是普通樹脂顆粒的1/5～1/2，以更小的樹脂顆粒提供了高比表面積，從而迅速捕獲溶解性有機碳(以下簡稱DOC)。每個樹脂珠結構內在制備時加入了γ-Fe2O3等磁性物質，因而樹脂具有磁性，捕獲了有機物的樹脂快速聚合沉降且易于分離，再通過氯離子與DOC的交換，實現對溶解性有機物的去除，并做到樹脂的再生。據國內外研究發現，MIEX樹脂對原水中DOC的去除率為54%～74%[3-5]，比任何形式單體工藝的去除效果都要好。

本研究以淮安自來水有限公司北京路水廠MIEX系統為研究對象。淮安自來水有限公司北京路水廠作為目前國內首座大規模使用MIEX工藝作為深度處理技術的凈水廠，從2012年6月25日MIEX系統調試通水成功并運行至今，其系統的處理效果，亟待持續跟蹤。本文以已確定的最佳工藝

參數，用CODMn作為評價指標，判斷該MIEX系統的處理效果，為MIEX樹脂在凈水廠中的應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗進行時間為2019年3月19日—2019年8月11日。整個試驗分為2個階段，第一階段為3月19日—7月2日和7月22日—8月11日，采樣點選擇北京路水廠MIEX進水、北京路水廠MIEX出水、北京路水廠原水和北京路水廠出廠水，共4個取樣點，每天上下午各取樣1次，取日平均值統計分析；第二階段為7月3日—7月21日共計19 d。試驗期間，通過進水分配渠將原水分成兩路，一路直接引入水廠一期，另一路引入MIEX系統再進入水廠二、三期；實現水廠一期常規工藝單獨運行，二、三期常規工藝與MIEX工藝聯合運行。如圖1所示，試驗設計4個采樣點，分別為原水(MIEX進水)、MIEX出水、二、三期常規工藝出水和一期常規工藝出水，各點每天上下午各取樣檢測1次，取日平均值統計分析。此外，整個試驗期間，為達到2種深度處理工藝對比的目的，增加城南水廠臭氧活性炭工藝進水和城南水廠臭氧活性炭工藝出水2個采樣點，每天上下午各取樣1次，取日平均值統計分析。

圖1 北京路水廠試驗第二階段設計方案Fig.1 Design Scheme of the 2nd Testing Phase of Beijinglu WTP

通過連續5個月對CODMn、藻類、渾濁度的檢測，判斷MIEX工藝去除效果的穩定性以及MIEX工藝出水結果是否符合國家飲用水標準要求；通過與城南水廠臭氧活性炭工藝對CODMn去除效果的對比，判斷MIEX工藝是否具有深度處理效果。

1.2 主要分析方法和試劑

CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法；草酸鈉為中國計量科學研究院提供的基準試劑；高錳酸鉀、硫酸為國藥生產的優級純；滴定管等玻璃儀器購買自天津玻璃儀器廠；恒溫水浴鍋 DK-S26，精宏試驗設備公司；超純水機 Milli-Q Element，密理博上海有限公司。渾濁度的檢測方法為《生活飲用水標準檢驗方法 感官性狀和物理指標》(GB/T 5750.4—2006)，儀器為TL2300型濁度儀。藻類的檢測方法為國家環保總局(2002)《水和廢水監測分析方法》第4版第五篇第一章(一)浮游生物的測定(B)，儀器為YS100型生物顯微鏡。

1.3 原水水質

原水取自北京路水廠取水口。試驗期間，常規水質指標如表 1所示。

表 1 試驗期間原水水質Tab.1 Raw Water Quality during the Experiment

1.4 北廠水處理工藝流程及MIEX工藝參數

升級改造后的北京路水廠工藝流程如圖2所示。

MIEX工藝主要技術參數：通水倍數為800 BVTR；鹽消耗量為45 kg/(1 000 m3)；再生樹脂量為65～75 m3/d；日再生次數為15～18次/d；反應池攪拌機速度為10～12 r/min。

圖2 北京路水廠改造后的工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Beijinglu WTP after Renovation

2 結果與討論

2.1 “MIEX+常規處理”工藝連續運行下的出水CODMn

試驗期間，隨機選取北京路水廠出廠水在2019年6月8日—2019年8月11日共計65 d(組)的數據進行統計分析，如圖3所示。由圖3可知：在MIEX工藝聯合常規水處理工藝運行期間，出廠水耗氧量平均值為1.24 mg/L，濃度為0.88～1.96 mg/L，遠低于國家標準限值(3.0 mg/L)；65 d的數據中絕大多數出廠水耗氧量濃度低于1.5 mg/L，只有7 d出廠水的耗氧量超過了1.5 mg/L但不超過2.0 mg/L，占比為11%。結果表明，“MIEX+常規水處理”工藝能長期穩定地保證出廠水中CODMn的含量低于國家飲用水標準限值。

圖3 北京路水廠出廠水CODMn含量Fig.3 CODMn Content of Finished Water in Beijinglu WTP

圖4 一期與二、三期出廠水CODMn含量對比Fig.4 Comparison of CODMn in Finished Water among 1st, 2nd and 3rd Phases of the Project

圖5 MIEX工藝、常規處理工藝和“MIEX+常規處理”工藝對CODMn去除率的對比Fig.5 Comparison of CODMn Removal Rate among MIEX, Conventional Treatment and “MIEX+ Conventional Treatment” Processes

2.2 MIEX、常規處理和“MIEX+常規處理”3種工藝對CODMn的去除

以試驗第二階段數據為樣本，比較水廠一期與二、三期出水中CODMn含量的差異，以及對 MIEX、常規處理和“MIEX+常規處理”3種工藝對CODMn的去除，如圖4～圖5所示。

由圖4可知，一期出水中CODMn含量明顯高于二、三期出水中CODMn的含量。一期出水，CODMn的含量絕大多數為1.5～2.0 mg/L，最低為1.4 mg/L，最高為2.4 mg/L，均值為1.8 mg/L；二、三期出水，CODMn的含量絕大多數為1.0～1.5 mg/L，最低為0.88 mg/L，最高為1.6 mg/L，均值為1.1 mg/L。數據顯示，MIEX與常規工藝聯合運行，出水CODMn含量比單獨的常規工藝出水CODMn含量下降了31%， MIEX工藝對原水中的有機物表現出較高的處理能力，這與盧寧等[6]在中試中提到的MIEX樹脂對CODMn的去除率達到32%的研究結果一致。

由圖5可知，MIEX工藝對原水CODMn的平均去除率為27%，常規工藝對CODMn的平均去除率為58%，聯合運行下的平均去除率達到69%，這與孫瑞林等[1]的研究結果一致。以上表明，MIEX與常規工藝聯合運行明顯提高了常規工藝對原水中有機物的處理能力，使北京路水廠出廠水CODMn能夠穩定達到或優于國家標準的要求。

2.3 MIEX去除率與城南水廠臭氧活性炭去除率對比

為了探討MIEX工藝與臭氧活性炭工藝之間是否存在差距，判斷MIEX工藝是否能夠達到臭氧活性炭深度處理工藝的處理效果，本文選取淮河水系洪澤湖下游淮安市境內二河供水的北京路水廠和城南水廠的工藝過程水，檢測各進出水中CODMn的含量，計算試驗期間各深度處理工藝對CODMn的去除率，如圖6所示。其中，4月2日，MIEX系統因過水停止運行數據異常；4月19日—4月25日，MIEX系統因故障再次停止運行數據未統計。

圖6 2種深度處理工藝去除率對比Fig.6 Comparison of Removal Rate of CODMn between MIEX and Advanced BAC Process

由圖6可知：開始階段，MIEX工藝對CODMn的去除率明顯低于同期的臭氧活性炭工藝；隨著工藝的調整和技術參數的改進，從5月11日開始，MIEX工藝對CODMn的去除率穩步上升，并逐漸處于較穩定的狀態，對CODMn的去除率也越來越接近臭氧活性炭的去除率甚至不相上下；直至7月5日，MIEX工藝對CODMn的去除率開始反超臭氧活性炭的去除率，并表現出持續反超且穩定的趨勢。近5個月的試驗期間，MIEX工藝對CODMn的平均去除率達到了21%，臭氧活性炭工藝對CODMn的平均去除率達到了22%，這同孫瑞林等[1]的研究一致。若考慮前期工藝參數調整和初期運行未得到最佳參數的情況，MIEX工藝對CODMn的去除率均值能達到29%，明顯優于臭氧活性炭工藝。圖3、圖6的結果表明，占地面積小的MIEX深度處理工藝用于北京路水廠的可行性高，處理效果明顯，效果穩定性優異，在去除CODMn的效果上略高于臭氧活性炭工藝，達到了深度處理的效果。

此外，在近幾年的實際生產運行期間，北京路水廠MIEX系統作為預處理工藝置于常規工藝前端，經常會遇到腐爛樹葉、垃圾、貝殼等異物堵塞系統的情況，迫使系統故障停運。目前，在MIEX系統前端加裝格柵以解決異物堵塞系統的問題。MIEX技術引自澳大利亞，澳大利亞水源地絕大部分屬于湖庫水和地下水，其原水水質相對較好。考慮到澳大利亞與洪澤湖水體的差異，建議在今后的項目中把MIEX系統置于沉淀出水之后，以避免原水中雜物對系統的影響，保證系統安全運行，提高處理效率。

2.4 MIEX工藝對其他指標的去除率

由圖7可知：試驗期間，MIEX工藝對原水渾濁度的去除率在11%～42%，平均為22%；經“MIEX+常規處理”工藝處理后的出廠水渾濁度均在0.5 NTU以下，絕大部分日期數值在0.4 NTU以下。由此可見，“MIEX+常規處理”工藝可以滿足國家標準對出廠水中渾濁度的限值要求(1 NTU)，并滿足中國水務投資有限公司(母公司)標準化建設中二級水和江蘇省住建廳優質水內控指標的要求(0.5 NTU)。

圖7 MIEX工藝對渾濁度的處理效果Fig.7 Treatment Effect of MIEX Process on Turbidity Removal

由圖8可知,試驗期間，MIEX工藝對原水中藻類的平均去除率在17%～61%，平均值在33%，表現出良好的去除效果。

圖8 MIEX工藝對原水藻類的去除率Fig.8 Removal Rate of Raw Water Algae by MIEX Process

2.5 成本分析

MIEX工藝運行成本主要由直接運行成本和間接運行成本兩部分構成。根據目前的數據分析，MIEX工藝的處理成本合計約0.242元/m3。

2.5.1 直接運行成本

MIEX系統直接運行成本主要包括樹脂損耗費用、鹽耗費用、電耗費用、人工費用等。

樹脂單價按80元/L計，穩定運行后，樹脂平均流失率約1.5 L/km3，鹽耗約為50 kg/km3，單價按750元/t計算，電耗約為16 kW·h/km3，電費單價按0.73元/(kW·h)，年人工費按5人×8萬元/人=40萬元，每年處理水量按3 000萬m3計算。

表 2 直接運行成本估算Tab.2 Estimation of Direct Operation Cost

2.5.2 間接運行成本

間接運行成本主要包括設備維修維護費用、固定資產折舊費用。本工程設備費用為1 900萬元，初期投加樹脂費用為1 050萬元，土建費用為378萬元，總計3 328萬元。設備維修維護費用按工程設備費用的1%計，設備維修維護費用約為19萬/a。合每立方米水成本為0.006元；固定資產折舊費用按設備總造價的5%計，折舊費用為166.4萬/a，合每立方米水成本為0.055元。綜上，間接運行成本合計約0.061元/m3。

3 結論和展望

本研究以淮安自來水有限公司北京路水廠MIEX系統為研究對象，以CODMn為評價指標，判斷該MIEX系統的處理效果，為MIEX技術在凈水廠中的應用提供技術參考，通過試驗研究和分析得到如下的結論。

在MIEX工藝主要技術參數通水倍數為800 BVTR、反應池攪拌機速度為10～12 r/min等的情況下，MIEX工藝表現出對原水中CODMn、渾濁度、藻類具有良好的去除能力，平均去除率分別為33%、22%和29%；聯合運行下，對CODMn的去除率均值達到了69%。

MIEX工藝對CODMn的去除率略高于臭氧活性炭工藝的22%，具有深度處理效果，表現出對原水中的有機物具有較高的處理能力；聯合處理工藝能長期穩定地保證出廠水中CODMn等指標符合國家飲用水衛生標準要求。

MIEX技術占地面積小、工藝設計靈活、設備安裝簡潔、系統運行維護方便、投資成本和運行成本可控并具有一定的成本優勢，可作為深度處理技術在自來水廠新建和改造中應用。

目前，MIEX技術在我國水廠中的應用還處于起步階段，應用性研究還很少。北京路水廠作為國內首家引進MIEX系統的水廠，應發揮好自身優勢，通過不斷試驗，研究不同原水水質的最佳工藝參數；研究MIEX技術對其他種類有機物、消毒副產物等的去除效果；同時，從效能和經濟效益等角度綜合考慮 MIEX技術對我國水體的適用性，為MIEX技術在凈水廠中的應用提供技術參考。