白洋東淀微污染鹽堿地區優質供水工程示范

張 玥，尹文超，李建業，張 超，薛曉寧

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

白洋淀是華北平原唯一的天然湖泊，有“華北之腎”之稱[1]。白洋淀及周邊區域，位于引黃入冀補淀受水區，該地區苦咸水廣泛分布，屬于典型的微污染鹽堿地區。地區地表水資源匱乏，地下水超采嚴重，同時，地勢低洼導致鹽堿地質。地區水質表現為淺層地下水主要存在有機物和大腸菌群超標問題，深層地下水主要存在氟離子、大腸菌群和鉛等重金屬超標問題，這些污染物的存在導致地區水質安全存在較大風險，且飲用水口感非常差。

飲水安全是人民群眾最關心，也是最迫切需要解決的問題。長期飲用受地質條件影響和工業污染的飲用水，已成為影響人群健康、可持續發展和社會穩定的潛在風險因素。并且，隨著社會和經濟的發展，人們對于生活品質的追求也在不斷提高。《“健康中國2030”規劃綱要》中明確指出，推進飲用水水源地達標建設，強化地下水管理和保護，為飲用水安全保障戰略奠定了重要基礎[2]。項目區康養、文旅、居住等高端業態對區域安全供水、健康供水需求較高，安全供給優質飲用水是關系周邊人口健康的大問題，也是亟須解決的問題。優質飲用水目前國際健康標準主要包括以下幾個方面[3]：1)不含危害人體健康的物理性、化學性和生物性污染；2)含有適量有益的礦物質(如鉀、鈣、鎂等)；3)含有適量溶解氧(6 mg/L左右)與碳酸根離子；4)水pH呈弱堿性；5)硬度適宜(50～200 mg/L)；6)水分子團集團小，易于人體細胞吸收、利用；7)水的滲透力、溶解力、代謝力、乳化力等生理功能強。

在此背景下，如何針對微污染鹽堿地區水質污染特點，為該地區人民提供優質飲用水是亟待解決的重要命題。

1 項目概況

項目區位于淀區東側，屬海河流域，為河流堆積地貌，處于華北平原相對低下部位，平坦開闊。項目規劃占地面積約為6.33 km2，建設用地面積約為2.38 km2，分為旅游接待區、五星酒店區、葡萄酒莊區、生態農莊區、森林度假區、田園度假區、鄉村運動區及水系觀光區八大功能板塊。建成后的項目區為一座集休閑度假、觀光、商務活動、生態養生等功能于一體，以休閑文化、生態文化、田園文化為特色的高端度假區。

園區所在地可利用水源有地表水、淺層地下水、深層地下水3種水源。其中地表水資源量很少，由于上游的攔截及多年的干旱和地下水的超采，處于常年的干涸狀態，水量十分緊張。且地表水質為IV類水。從數量和質量上講，地表水資源不能作為建設項目的可靠水源；淺層地下水處于淺部發育淡水的咸水區，水質較差，也不能作為生活用水；根據項目區附近一眼淺層監測井水質資料分析，淺層地下水pH值為7.7，總硬度為766 mg/L，溶解性總固體為1 960 mg/L。水化學類型為重碳酸鈣鎂鈉型水。溶解性總固體、總硬度等多項指標超過《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的水質要求，不能滿足項目用水要求；深層地下水水量較豐富，項目所在地區內工農業及生活用水井主要利用此層水。深層地下水化學類型為重碳酸鹽鈣鎂鈉型水，礦化度均小于1 g/L。

根據項目開發強度與分期建設需求，優質飲用水供給在開發初期主要供水范圍為酒店島區域與酒堡區域(圖1)。其中，酒店島供水系統服務5處區域與建筑，酒堡供水系統服務8處區域與建筑。

圖1 酒店島與酒堡位置圖Fig.1 Location of Hotel Island and Chateau

2 現狀水質分析

深層地下水是當地居民唯一可選擇的飲用水水源，但深層地下水普遍是高氟水，給當地居民飲水安全帶來威脅，且口感差，無法滿足項目區高端業態的需求。依據2016年的水質監測資料，該地區99%的深層地下水(220～500 m)氟化物含量大于1.0 mg/L，其中60%的深層地下水氟化物含量為1.0～2.0 mg/L。高氟地下水的關鍵水化學特征:pH值為7.7～8.7、總堿度高于211 mg/L。高氟水嚴重影響了居民的身體健康，致使居民患氟斑牙、佝僂病等病癥。對項目區內自備井水進行水質監測，其中近期取水擬利用現有深層井位，井位分布如圖2所示。

圖2 近期取水擬利用井位分布圖Fig.2 Distribution of Well Locations for Recent Available Water Intakes

對項目區部分自備井水進行水質檢測，超標的水質指標如表1所示，可見主要超標項目為鉛、氟化物、鐵、銅綠假單胞菌及糞鏈球菌。

表1 項目區自備井水水質超標指標Tab.1 Water Quality Index of Exceeding Standards for Self-Provided Wells in the Project Area

飲用水口感是一項綜合性指標，受水中多項指標的綜合影響，主要包括以下幾種指標：pH、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽等。低pH會有苦金屬味，而高pH會有濕滑口感[4]；硬度較高會產生苦澀味[5]；溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽較高均會產生咸味；適量碳酸根的存在，會具有清爽可口的味道。

項目區自備井水口感相關性指標如表2所示?？梢婍椖繀^自備井水pH值均在7.5以上，其中3個測試樣品pH值在8.3以上，偏堿性。對于硬度指標，部分井水硬度在100 mg/L以上，其中井3水質硬度較高，為321 mg/L，溶解性總固體為398～741 mg/L，5組樣品高于500 mg/L。氯化物指標，4個樣品為100 mg/L以上，其中兩個樣品指標較高，分別為189 mg/L和192 mg/L。硫酸鹽和碳酸鹽指標總體處于較低水平。重碳酸鹽為258～326 mg/L。

表2 項目區自備井水口感相關性指標Tab.2 Related Indexes of Water Taste of Self-Provided Wells in the Project Area

3 現狀供水系統

現狀取水方式為地下水直供使用，通過水泵直接泵取地下水至原水箱，無過濾沉淀裝置直接供至終端。而供水管道、水箱選材均為不銹鋼材質，且缺乏除砂裝置，導致不銹鋼管內泥沙沖刷嚴重，大大加速了不銹鋼材質的腐蝕速率。現場調研發現，多數管道、水箱壁已經出現嚴重的銹蝕情況，銹渣、泥沙等沉積在水箱中，肉眼可見水箱大半水質為紅褐色。銹蝕物中通常含有大量的鐵、鉛、鋅和各種細菌及藻類，當管道內水流速度、方向或水壓發生突變時，就會造成短時間的水質惡化，出現鐵、錳、色度、渾濁度和細菌等指標值的大幅度上升。且地下水原水中氟化物、糞鏈球菌等超標，未經處理后直供，不利于用戶用水安全健康。

此外，現狀水處理機房預留空間不足，亟需高效集成設備組合。項目凈水設備機房選址為原有建筑機房，由于前期設計局限，該機房預留空間有限，酒店凈水機房可用高度不足3.1 m，酒堡凈水機房可用高度不足3 m。而所需供水范圍較大，常規凈水工藝設備選型遠不能實現在如此狹小空間內實現全部凈化流程。迫切需要根據現場條件研究、設計高效的凈水組合流程和集成設備，在有限空間內實現高效安全供水。

4 水處理工藝分析

目前，國內對于微咸水利用的研究，多集中于淡化后應用于農業灌溉，而針對凈化后用于飲用的研究相對較少，未普遍推廣。目前微咸水淡化常用技術主要包括蒸餾法、電滲析法、反滲透法、冷凍法、超濾、納濾等[6]，單項技術均有不同程度的應用局限。蒸餾法操作簡便，但能耗高，易形成垢物；電滲析法工藝簡單，但對進水水質要求高，出水口感差；反滲透與納濾凈化效果好，但濃水難處理，膜壽命低;冷凍法冰水混合物處理困難?？傮w來看，在當前主流的單項處理工藝條件下，處理后的水質無法達到優質飲用水的要求。因此，亟須探索研究高效組合工藝針對性解決水質問題。

根據水源井水質污染情況及優質飲用水的供水需求，提出如下工藝組合。

工藝組合一：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過濾器→活性炭過濾→中間水箱→RO給水泵→RO保安過濾器→RO高壓泵→RO裝置→RO產水箱→消毒→恒壓變頻供水。

工藝組合二：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過濾器→除氟過濾器→活性炭過濾→軟化→保安過濾器→超濾→產水箱→消毒→恒壓變頻供水。

對兩組水處理工藝組合在技術、占地、投資等方面進行對比，如表3所示。

表3 供水組合工藝優缺點對比Tab.3 Comparison of Advantages and Disadvantages of Combined Processes of Water Supply

根據水源特點，本著技術先進、自動化程度高、減少占地面積、減少廢水量、節約投資成本的理念，選用工藝組合二，工藝流程如圖3所示。工藝組合二各處理單元作用如下。

圖3 工藝組合二Fig.3 Combined Process II

(1)旋流除砂器：項目水源為井水，可能會存在少量的泥沙，設置旋流除砂器分離大部分泥沙，在水處理機房內井水入管后設置旋流除砂器，經旋流除砂器分離的清水再入原水箱，分離出的砂積存在沙坑內，定期清理，既可降低水中的懸浮物，也可保護后續設備的正常工作。

(2)原水箱、原水泵：原水箱用于協調供水與水處理系統用水的平衡，配有水位控制裝置；同時原水箱可作為初級預沉池，沉淀水中的大顆粒泥沙。原水泵為后續設備工作提供動力。

(3)接觸雙濾料過濾器：由于原水泥沙較多，初濾裝置可以選擇接觸雙濾料過濾器(適用于渾濁度<50 NTU)，可以在保障水質的條件下減少工藝流程。濾料采用無煙煤、石英砂，可有效地去除水中的泥沙。

(4)除氟過濾器：采用專用除氟過濾器進行處理，內置除氟濾料，吸附水中的氟離子，經處理后的水氟離子含量<1 mg/L。除氟過濾器需要定期用酸堿進行再生，且再生時間較長，再生酸堿廢液不易處理。

(5)活性炭吸附器：內裝活性炭，用來吸附水中的有機物、鉛、鐵等重金屬，同時改善水質口感。

(6)軟化器：內裝陽離子軟化樹脂，用來交換水中的鈣鎂離子，降低原水硬度。

(7)保安過濾器：利用其中安裝的微濾膜進一步去除水中的微粒、活性炭粉末、殘余的微細顆粒，使不利于超濾的因素降到最低。

(8)超濾：將顆粒物、膠體、大分子與小分子物質分離，還可以過濾去除大部分細菌和各種病毒。糞鏈球菌在0.5 μm以上，可以采用超濾(過濾精度為0.02 μm)去除，經超濾過濾后，可滿足標準要求。

(9)消毒：采用余氯消毒(成品次氯酸鈉)和紫外消毒(AOT設備)并行方式，滅菌效率高，運行效果穩定，運行能耗低，安裝維護簡便，消毒后復活可能性低。次氯酸鈉投加點為原水箱進水端、超濾裝置進水端、生活供水泵的后端管路。投加藥量按《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)規定的管網末梢余氯≥0.05 mg/L，且出廠水中限值為4 mg/L。AOT設備分別在生活供水泵、中水供水泵、灌溉供水泵的后端管路。

設計出水水質口感相關指標(pH、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽)滿足《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)，其余指標滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。

5 設計規模與實施

5.1 設計規模

對于酒店島區域，最高用水量為1 005 m3/d，設計產水量為1 206 m3/d，設計工作時間為20 h，60 m3/h。供水壓力為0.55 MPa。

酒堡區域服務8個片區建筑生活飲用水，由于分期建設，近期給水處理系統服務建筑1～7，總設計需水量為555.6 m3/d，處理設計工作時間為20 h，設計產水量為28 m3/h。遠期建設的建筑8安裝獨立給水處理設備，總設計蓄水量按300 m3/d計算，處理設計工作時間為20 h，設計產水量為15 m3/h。

5.2 工藝設計實施

生活水箱至中液位，啟動原水泵，開始制水，同時啟動pH調節蠕動泵(至pH探頭檢測值為5.5～6時停止)，原水依次流經雙濾料過濾器、除氟過濾器、活性炭過濾器、軟化器、保安過濾器、UF單元，產水入生活水箱，啟動加氯消毒蠕動泵；生活水箱高液位或原水箱低液位，停原水泵，停止制水，停加氯消毒蠕動泵；加氯消毒發生器設備自動運行，以藥箱液位控制自動啟停。用水點用水需求，啟動供水泵組，進行變頻供水；生活水箱低液位，停止供水。

(1)恒壓恒流

處理后水通過變頻恒壓供水系統輸送至使用點，由于酒店用水存在周期性、使用時間不集中、使用量不穩定，設置緩沖罐，供水泵采用變頻控制，實現管網恒壓、恒流。

(2)水箱分格

容積較大水箱均分格處理，分隔成容積相等，能獨立運行的2格或2座(獨立的進出水、溢流并做連通管)。避免水箱清洗時對使用造成影響，同時集約體積。

(3)管材選用

與自備給水井連接的給水管采用UPVC塑料管。經機房二次加壓供水管道采用UPVC塑料管。超濾單元內部工藝管路采用316L不銹鋼管材，其他部分工藝管路均采用UPVC塑料管。

6 結語

本文針對微污染鹽堿地區飲用水水源特點，以實際工程為例，進行水處理工藝組合的優選。項目區主要以深層地下水為飲用水原水，而通過水質檢測發現，深層地下水存在氟化物、鉛、鐵、銅綠假單胞菌及糞鏈球菌超標等問題，氯化物、溶解性總固體、硬度值雖未超過《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，但相對于《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)來說，存在超標情況，而這3種物質均會對飲用水口感造成影響。在水量方面，由于供水服務區域為酒店、酒堡等，用水存在明顯周期性，對工藝組合的選擇提出了更高的要求。同時，項目凈水機房存在空間局促，高度不足的情況，如何組合工藝，優選設備也提出了考驗。通過水質、水量、空間上的問題識別，提出了旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過濾器→除氟過濾器→活性炭過濾→軟化→保安過濾器→超濾→產水箱→消毒→恒壓變頻供水的組合工藝。該工藝不僅可以有效去除超標污染物，而且產水回收率高、投資少、系統簡單、占地面積集約、自動化程度高。該項目的研究分析可為類似微污染鹽堿地區優質飲用水供給提供可借鑒的經驗。