杭州主城區飲用水深度處理的發展與實踐

朱建文

(杭州市水務集團有限公司，浙江杭州 310000)

我國開展對飲用水深度處理技術的研究與應用較晚，1985年建成了我國第一個采用臭氧活性炭工藝的城市自來水廠——北京田村山水廠。后續隨著水源水污染的加劇及《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的頒布實施，國內深度處理技術的研究得到廣泛開展，在試驗基礎上，相繼新建或改建了上海周家渡水廠、常州自來水公司第二水廠、桐鄉果園橋水廠、廣州南州水廠等水廠。經過多年的摸索和實踐，有必要對我國飲用水深度處理技術的發展進行回顧和總結。本文以杭州為例，對杭州飲用水深度處理的改造過程進行了回顧，以期為即將進行改造的水廠提供參考，以及與已經完成深度處理改造的水廠交流。

1 杭州飲用水深度處理的發展與實踐

1.1 杭州水廠及原水概況

杭州主城區設計日供水能力為170萬t/d，共有5個水廠。原水85%取自錢塘江，其余取自東苕溪。根據長期水質資料分析，杭州取水口水質大部分時間都在Ⅱ～Ⅲ類，但是2003年來，錢塘江原水水質變差，以地表水Ⅲ類作為評價標準，其中主要超標項目有總氮、氨氮、錳、耗氧量、總磷、溶解氧等。氨氮最高值達到4.05～4.10 mg/L，是Ⅲ類水體標準1.0 mg/L的4倍，是Ⅱ類水體標準的8倍。2004年藻類暴發，耗氧量逐年升高，平均值已升至3.0 mg/L左右。自2003年以來，錳持續偏高，且呈周期性變化的趨勢。溶解氧嚴重超標，最低為0.3 mg/L。

1.2 杭州市(主城區)飲用水深度處理的規劃

2005年6月，浙江省首次印發了《浙江省城市供水現代化水廠評價標準》和《浙江省城市供水現代化營業所評價標準》，為浙江省城市供水現代化提出了目標和方向。現代化評價標準中，對現代化水廠的出廠水提出了更高的要求[1]。針對當時的原水水質狀況，杭州市水務集團(以下簡稱集團)在“十一五科技規劃”中，提出了杭州主城區深度處理改造的規劃。規劃提出，在前期南星水廠飲用凈水改造一期工程(10萬t/d臭氧活性炭深度處理工藝)[2]的基礎上，積累臭氧-活性炭處理技術的經驗，為清泰水廠、祥符水廠、九溪水廠等水廠進行深度處理建設提供技術和設備選型依據。同時，規劃也明確，除了臭氧活性炭深度處理工藝，同步研究膜處理技術和其他新工藝技術應用可行性，為解決原水水質問題、確保供水水質創造條件。

規劃明確了繼續做好臭氧-活性炭深度處理工程的建設，爭取到2010年完成南星水廠30萬m3/d二期擴建工程、清泰水廠和祥符水廠技術改造工程，首先實現杭城3/4的水廠出廠水達到直接生飲的目標，使出廠水滿足浙江省城市供水優質標準，到2015年前完成九溪水廠的擴建與直飲水改造，深度處理工程規劃時間如表1所示。

表1 深度處理工程規劃時間Tab.1 Planning Schedule of Advanced Treatment Reconstruction

1.3 深度處理改造回顧

1.3.1 深度處理改造

在上述規劃的指引下，集團對主城區的自來水廠逐步進行了深度處理改造。4個水廠從開始進行改造到全部完成改造，前后共經歷了16年，到2018年底，杭州主城區由集團運營的四大水廠全部完成深度處理改造。各水廠實際的改造時間及采用的工藝如表2所示。

表2 各水廠深度處理改造的時間及工藝Tab.2 Period and Technology for the Advanced Treatment Reconstruction of Each WTP

1.3.2 深度處理改造中的幾點體會

(1)新建水廠需考慮今后改擴建的需求

受城市供水需求的限制，各水廠在改造的過程中均不能停水，因此，給各改造工程增加了不少難度，也使整個改造的時間較長。同時，也要求新建水廠的設計過程中需要充分考慮今后改造的需求。

(2)活性炭層下設砂墊層能有效降低活性炭出水渾濁度

南星一期是集團第一個完成臭氧活性炭深度處理改造的水廠，其活性炭濾池在工藝的最后一段，由于活性炭濾池中活性炭濾料為8×30目，在運行的過程中發現，經過活性炭濾池后，出水的渾濁度反而比進水的高。因此，南星二期及后續的改造過程中，在活性炭層的下面增加了粒徑為1～2 mm的石英砂，厚度為0.4 m，同步適當降低了活性炭層的厚度，有效地確保了活性炭池的出水渾濁度，同時又達到了活性炭去除氨氮和有機物的效果。

(3)前置活性炭工藝選炭時需充分考慮炭的強度

清泰水廠活性炭池(炭砂雙層濾料)為前置活性炭，接在沉淀池之后，其反沖洗時間較短，因此，在活性炭選擇時，強度比南星水廠的高。炭的形式也有改變，南星水廠最早用的是原煤破碎炭，而清泰水廠用的是壓塊破碎炭。實際運行中，控制沉淀池出水渾濁度在2 NTU以下時，其反沖洗周期在36～48 h，而在砂濾池后的活性炭濾池，其反沖洗周期在1～2周。

(4)避免光照能有效降低砂濾池滋長青苔的風險

南星水廠深度處理運行中，發現水廠從前加氯改為前加臭氧后，砂濾池很容易滋長青苔，嚴重影響水廠生產運行中的感官。因此，在清泰水廠的改造中，為炭砂濾池增加了一個大棚。后續運行中發現，加蓋大棚雖然能緩解青苔的生長，但是仍然不能徹底解決青苔問題，部分陽光能照到的地方仍然有青苔生長，因此，祥符水廠改造時，將砂濾池建到了室內，有效降低了砂濾池長青苔的風險。

2 兩種工藝的主要設計參數

2.1 南星水廠臭氧活性炭系統主要設計參數[2]

2.1.1 預臭氧

預臭氧最大投加量按1 mg/L設計，總接觸時間為5 min，有效接觸時間為3 min，有效水深為6 m。臭氧擴散采用水射器抽吸臭氧氣體后，通過插入接觸池內的射流擴散器來完成。臭氧池為全封閉式，頂部設尾氣抽吸管，抽吸出的尾氣經尾氣破壞器處理后排放。

2.1.2 后臭氧

后臭氧最大投加量按2 mg/L設計，總接觸反應時間為10 min，分成3段投加，接觸反應時間分別為2、4、4 min。后臭氧接觸池有效水深為6 m。

2.1.3 活性炭池

活性炭濾池濾層厚度為2 m，有效粒徑為0.65～0.75 mm，碘值大于1 000 mg/g，亞甲藍值大于200 mg/L。空床停留時間為11.5 min，對應的濾速為10.4 m/h。采用先氣沖再水沖的反沖洗方式，氣沖強度為55 m3/(m2·h)，水沖強度為25 m3/(m2·h)。

2.2 清泰水廠臭氧活性炭及膜系統主要設計參數

2.2.1 預臭氧

預臭氧設計最大投加量為1.5 mg/L，接觸時間為5 min，池深為7.5 m。

2.2.2 炭砂濾池

炭砂濾池單池面積為135.8 m2，設計濾速為7.82 m/h，強制濾速為8.53 m/h。上層采用顆粒活性炭，濾料厚度為1.3 m，采用8×30目粒度，堆積密度為0.35～0.55 g/cm3。下層采用石英砂，厚度為0.5 m，有效粒徑為0.5 mm，K80≤1.6。采用長柄濾頭配水，單獨氣沖加單獨水沖的反沖洗方式，氣沖強度為55 m3/(m2·h)，水沖強度為25 m3/(m2·h)。

2.2.3 膜系統

采用膜柱型號為UNA629A，膜絲為PVDF材質，孔徑為0.1 μm，每支膜的過濾面積為50 m2。設計膜通量最大為100 L/(m2·h)，物理清洗周期為30 min，小化學清洗周期為2～4 d，大化學清洗周期為35 d。

3 兩種組合工藝的出水水質對比

杭州市主城區飲用水廠在深度處理改造中，從總體上采用了兩大深度處理工藝，一是臭氧活性炭深度處理工藝(簡稱臭氧活性炭工藝)，二是臭氧活性炭結合膜的深度處理工藝(簡稱膜工藝)，對兩大工藝的出水水質做對比分析。選取的兩個不同工藝的水廠，其原水水源相同，以下數據為每年5月的平均值。

3.1 渾濁度

由圖1可知，臭氧活性炭工藝歷年5月的出水平均渾濁度在0.03～0.07 NTU。對其出水最大值進行統計，發現臭氧活性炭工藝出水的渾濁度最大值達0.29 NTU，最大值在0.1 NTU以上也常有發生。

圖1 臭氧活性炭工藝進出水渾濁度變化Fig.1 Changes of Turbidity in Inlet and Outlet Water of Ozone Activated Carbon Process

由圖2可知，膜工藝歷年5月的出水平均渾濁度在0.03～0.05 NTU。對其出水最大值進行統計，發現膜工藝出水的渾濁度最大值為0.09 NTU，且運行期間出水渾濁度很穩定，基本在0.03～0.05 NTU。

圖2 膜工藝進出水渾濁度變化Fig.2 Changes of Turbidity in Water Influent and Effluent of Membrane Process

因此，膜工藝在出水渾濁度的控制上較有優勢，出水渾濁度不僅低且非常穩定。

3.2 耗氧量

由圖3和圖4可知，臭氧活性炭工藝的出水耗氧量平均值在0.84～1.26 mg/L，膜工藝的出水耗氧量平均值在0.93～1.13 mg/L。兩種工藝在耗氧量的去除效果上差異不明顯，若想通過超(微)濾來提高對有機物的效果，作用不明顯。

圖3 臭氧活性炭工藝進出水耗氧量變化Fig.3 Changes of CODMn in Water Influent and Effluent of Ozone Activated Carbon Process

圖4 膜工藝進出水耗氧量變化Fig.4 Changes of CODMn in Water Influent and Effluent of Membrane Process

3.3 生物指標

兩種處理工藝雖然用的是同一水源，但是膜工藝的水廠原水輸送前，經過渠道后進入吸水井前與一條市內河道相通，因此，膜工藝的水廠的原水耐熱大腸菌和總大腸菌數量高于臭氧活性炭工藝的水廠。由表3和表4可知，采用膜工藝的水廠，雖然原水耐熱大腸菌和總大腸菌數量均高于臭氧活性炭工藝的水廠，但是出水的微生物均小于1 CFU/(100 mL)。這也是采用膜工藝的水廠選擇膜工藝的原因之一。

3.4 氨氮

膜工藝的水廠原水部分取自河道水，因此，其進水的氨氮平均值明顯高于臭氧活性炭工藝的水廠，但是兩者出水的氨氮平均值均小于0.02 mg/L(表5)。這是由于膜工藝的水廠采用炭砂濾池，盡管反沖洗周期只有24 h，但是仍然具有很好的生物除氨氮的效果。

表3 臭氧活性炭工藝出水微生物情況Tab.3 Outflow Microorganism of Ozone Activated Carbon Process

表4 膜工藝出水微生物情況Tab.4 Outflow Microorganism of Membrane Treatment Process

表5 臭氧活性炭工藝與膜工藝氨氮的對比Tab.5 Comparison of Ozone Activated Carbon Process and Membrane Treatment Process for Ammonia Removal

3.5 鐵和錳

膜工藝水廠原水部分取自河道水，因此，其進水的鐵平均值高于臭氧活性炭工藝的水廠，但是兩者出水的鐵平均值均小于0.05 mg/L，體現了對鐵的良好的去除效果(表6)。兩種組合工藝對錳的去除效果沒有明顯差異，出水均小于0.05 mg/L(表7)。

表6 臭氧活性炭工藝與膜工藝鐵的對比Tab.6 Comparison of Ozone Activated Carbon Process and Membrane Treatment Process for Iron Removal

表7 臭氧活性炭工藝與膜工藝錳的對比Tab.7 Comparison of Ozone Activated Carbon Process and Membrane Treatment Process for Manganese Removal

4 體會與建議

(1)由投運的膜處理組合工藝和臭氧活性炭組合工藝可知，兩種組合工藝在水質上的差異主要在渾濁度和微生物。與臭氧活性炭組合工藝相比，膜處理組合工藝出水渾濁度的穩定性和對微生物的保障性更優。

(2)在采用超(微)濾工藝時，需要組合其他工藝，以達到去除有機物和氨氮的效果。

(3)深度處理改造工藝的選擇，需要根據確定的目標、自身的原水水質特點和現狀處理工藝存在的問題綜合考慮。以去除有機物和氨氮為目標的，可以采用臭氧活性炭工藝；在達到去除目標基礎上，對出水渾濁度有較高穩定性要求的，可以結合膜工藝；對水源水可能受微生物污染風險較大的，也可以結合膜工藝，提高對微生物的抗風險能力。