某北方水廠深度處理改造中工藝路線的比選和工程實踐

郭兆學,郭 慧

(淄博市水務集團有限責任公司，山東淄博 255000)

近年來，人們對供水水質的要求日益提高，飲用水安全問題已成為人們關注的焦點之一。諸多水廠為滿足用戶對水質要求，對濾池后出水進行深度處理，如超濾[1]、納濾[2]、臭氧-活性炭[3]等。其中，臭氧-活性炭深度處理工藝對鐵、錳、臭和味、有機物、氨氮等指標具有良好的去除效果，同時對消毒副產物也有較好的控制作用[4]，適用于微污染凈水水源的處理。南方某水廠采用臭氧-活性炭處理發現有機物指標明顯降低，三鹵甲烷前體物的去除率可以達到63.85%[5]。常州市第一水廠臭氧-活性炭濾池于2018年投入生產，CODMn含量由1.1 mg/L降至0.55 mg/L，在渾濁度方面也有很好的去除效果[6]。目前，全國各地自來水廠均有采用臭氧-活性炭技術作為保障出水水質的深度處理工藝，如上海[7]、青島[8]、蘇南[9-10]等。本文以北方某水廠為例，通過對現有深度處理進行比選，最終確定臭氧-活性炭工藝作為該水廠深度處理，以應對原水水質總氮指標超標、出水耗氧量指標較高等問題，從而改善出水水質，提升水質安全性和穩定性。

1 項目概況

北方某水廠采用常規處理工藝，處理規模為10萬m3/d，主要流程包括混凝、沉淀、過濾、消毒4個過程。常規處理工藝主要作用是去除原水中懸浮物(SS)、膠體和致病微生物，但應對原水水質突變的能力較弱，尤其是當原水中硫酸鹽、有機物等指標出現較大幅度波動時，可能會出現水質的安全隱患。在實際生產運行過程中，水廠技術人員采取了很多水質保障措施，如投加臭氧[11]、粉末活性炭[12]等，取得了較好的效果，但相應水處理成本升高。因此，要從根本上解決問題，必須加快實施水廠深度處理工藝改造。

該水廠所處地區水源匱乏，水源主要以引黃水為主，引黃水總體符合III類水標準，但部分有機物濃度超標。水廠在引黃水源不足時會使用南水北調東線來水作為水廠水源，根據已有文獻資料[13-14]，南水北調東線中重要調蓄設施的南四湖和東平湖歷年有機物指標中高錳酸鹽指數(CODMn)指標較高，有機污染明顯，并存在硫酸鹽等超標現象。除此之外，為緩解水源緊缺現狀，改善公共供水品質，該地區使用海水淡化水作為補充水源。

原水水質部分數據如表1所示，出水水質部分數據如表2所示。

表1 原水水質

表2 出水水質

由表1、表2可知，水廠原水大部分指標滿足《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，但硫酸鹽和總氮有超標情況。經過水廠處理后，出廠水能夠符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求，不過原水中BOD5含量較高，臭和味偶有異常，出廠水中CODMn部分時段已接近上限，總硬度和硫酸鹽數值偏高。在南水北調水摻入后，該水廠的常規工藝應對原水水質惡化的能力較弱，存在一定的安全隱患。為了提高供水安全性，需進一步改造現有水廠，增設深度處理以應對原水水質的變化。

2 水廠深度處理方案的比選

2.1 納濾膜方案

2.1.1 工程方案

本方案納濾膜系統產水能力按5.0萬t/d設計。為考慮盡可能節約水資源，減少常規處理工藝負擔，本方案膜處理回收率目標設定值≥90%。針對水廠常規工藝出水水質特征，結合納濾膜特點，為進一步提高回收率，本方案深度處理工藝采用二級納濾處理工藝。

2.1.2 工藝流程

本方案采用5.0萬t/d的砂濾池出水進行納濾處理降低硬度和硫酸鹽濃度，再與剩余5.0萬t/d的出水進行勾兌，從而降低供水總硬度和硫酸鹽濃度。砂濾池出水經加壓后作為一級納濾自清洗過濾器進水；一級納濾自清洗過濾器產水進入一級納濾膜系統，自清洗過濾器反沖洗廢水進入廢水儲罐；一級納濾膜系統采用80%回收率，脫鹽率>95%，納濾后清水進入清水池，濃水排入濃水池；濃水池內濃水經加壓后進入二級納濾膜系統，二級納濾采用≥50%回收率，脫鹽率>95%，納濾后清水進入清水池，濃水排放；清水池內納濾產水與未處理的水混合后，通過水泵加壓輸送市政管網。工藝流程如圖1所示。

圖1 納濾膜深度處理工藝流程

最終，濃鹽尾水量為5 000 m3/d。根據水廠出廠水水質指標平均值推算尾水中主要指標含量，CODMn含量為22.5 mg/L，硫酸鹽含量為2 500.00 mg/L。

2.1.3 出水水質

5.0萬t/d的常規處理出水經納濾系統處理后，與另外5.0萬t/d的砂濾池出水進行兌水，出水水質如表3所示。

表3 方案一出水水質指標

2.1.4 工程投資和運行成本

本方案工程投資估算費用約為1.2億元，制水成本約為1.250元/t，可變成本約為0.900元/t。按照1∶1兌水均攤后，制水成本約為0.625元/t，可變成本約為0.450元/t。

2.1.5 工藝優點及存在問題

該處理工藝可以有效降低總硬度和硫酸鹽硬度，且對有機物的去除具有一定效果，用于本工程中去除硫酸鹽是合適的，且受原水含鹽量波動影響較小。

但是濃鹽尾水溶解性無機鹽和有機物含量較高，且該部分濃鹽水無法進行回用，處置需做分析。由于水損耗量較大，水廠如要繼續保證原設計規模，仍需提高進水流量。另外，膜處理工藝工作壓力高，耗電量大，初步估算膜綜合車間用電量約為1 200 kW·h，需對現有水廠電源進行擴容。

2.2 臭氧-活性炭方案

2.2.1 工程方案

本方案深度處理工藝采用臭氧-生物活性炭方案。海水淡化水通過泵站輸送到水廠內的沉淀池，與水廠水一同進入臭氧接觸池和活性炭接觸濾池進行處理。

根據海水淡化水應急工程的水量分配，分配到該水廠的水量為2.0萬t/d，可以作為水廠的部分水源。海水淡化水能滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[15]的要求，產品水水質尤其是溶解性指標顯著優于地表水源給水廠出廠水質，如表4所示。

表4 海水淡化水水質

將原水和海水淡化水以8∶2(原水為8.0萬t/d，海水淡化水為2.0萬t/d)進行摻混，摻混后的主要水質推算如下(現狀原水按照90%保證率下的水質指標推算)，如表5所示。

表5 水質分析

海水淡化水的優點是硫酸鹽含量較低，和硫酸鹽含量較高的原水摻混后，可以降低原水中總硫酸鹽濃度。

根據應急工程的方案設計，海水淡化水進入水廠后，預留有兩個接口，一個進入反應沉淀池，另一個接口進入清水池，根據海水淡化水的水質情況進行切換。當進廠海水淡化水水質較差時進入反應沉淀池，當其能滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)標準要求時，直接進入清水池。

2.2.2 工藝流程

根據工程方案，水廠深度處理工藝流程為：砂濾池出水進入中間提升泵房，經提升后進入臭氧-活性炭濾池，經過臭氧-生物活性炭處理后進入清水池，經現有清水泵房增壓后進入管網。工藝流程如圖2所示。

圖2 臭氧-活性炭深度處理工藝流程

2.2.3 出水水質

方案二出水水質指標如表6所示。

表6 方案二出水水質指標

2.2.4 工程投資和運行成本

本方案工程投資估算費用約為8 000萬元，制水成本約為0.230元/t，可變成本約為0.160元/t。

2.2.5 工藝優點及存在問題

工藝針對微污染原水，臭氧-活性炭工藝可以有效地降解水體中的有機物質，在一定程度上可以去除部分氨氮，經過臭氧-活性炭工藝可以提高出水口感，能夠有效解決臭和味的問題。

活性炭濾池的反沖洗廢水進入回用水池后可輸送至絮凝池前段進行回用，減少水耗。

臭氧-活性炭工藝對渾濁度、有機物有很好的去除效果，但是對水中的無機鹽去除效果有限，目前結合應急工程與海水淡化水進行摻兌，可以解決無機鹽超標問題。但遠期來看，當海水淡化廠的海水淡化水只能滿足其周圍區域用水而不能向水廠供水時，仍然存在無機鹽超標的風險。

2.3 方案對比

根據以上對方案特點的分析，結合方案經濟指標，兩個方案的經濟技術綜合比較如表7所示。

表7 方案綜合比較

按照水廠出廠水水質推算，兩個方案出水水質均能滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。從出水的各項指標分析來看，方案一中納濾膜因其強大的去離子能力，出廠水的各項指標均優于標準值，溶解性無機物得到進一步去除，出水水質好、保證率高。但納濾膜生產系統復雜，管理維護工作量大，初期投資和制水成本都較高，并且會產生一定量的濃鹽水，尾水處置難度大、成本高。方案二臭氧-生物活性炭+海水勾兌在解決水體有機微污染、臭和味、口感等問題方面具有優勢，該工藝技術成熟，管理經驗豐富，投資和運行成本低，另外采用與海水淡化水的勾兌方案也能有效降低無機鹽問題。對于溴酸鹽問題，相同地區相同原水的水廠深度處理運行經驗表明，控制臭氧的投加量可以控制溴酸鹽的生成，當前臭氧投加量為1 mg/L、后臭氧投加量控制在1 mg/L時，出水溴酸鹽的含量會穩定在0.005 mg/L以下，低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的0.01 mg/L。因此，本次深度處理初步考慮選用方案二，即將臭氧-生物活性炭+海水淡化水勾兌的深度處理工藝作為推薦方案。

但上述方案中，水質是在有海水淡化水進行摻混的時候進行推算的，而引海水淡化水只是應急工程，當遠期海水淡化水只能滿足附近的供水需求而不能向該水廠進行供水時，原水中無機鹽仍然偏高。如果沒有新的海水淡化水進入，只依靠臭氧-活性炭系統不能有效降低無機鹽，仍需要考慮降低無機鹽的措施，因此，本設計預留處理能力為3.0萬t/d的納濾系統。

3 工程設計

本工程采用臭氧-活性炭+海水勾兌的方案處理作為深度處理的主工藝。工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

3.1 預臭氧接觸混合器

由于目前水庫低水位運行，引起原水藻類、臭和味的增加，因此，根據水廠實際條件，擬利用廠內原水管內原水停留時間較長的特點，初步考慮在原水進廠后設置預臭氧投加點，采用臭氧投射泵進行管道投加。

在廠區原水總管閥門后增加不銹鋼管道混合器，將臭氧和進水混合。廠區內原水管總長為360 m，按10.0萬m3/d的進水計算，在管道內停留時間為8.0 min，在管道內停留時間為4.0 min，滿足預臭氧的消毒時間要求?？紤]到臭氧對鋼管有腐蝕作用，對進水總管在臭氧投加后的200 m管道進行防腐處理，采用氟碳涂料噴涂防腐。

3.2 深度處理綜合池

中間提升泵房、后臭氧接觸池、生物活性炭濾池反沖洗泵房合建，平面尺寸為31.00 m×70.00 m。

3.2.1 中間提升泵房、鼓風機房及反沖洗水泵房

中間提升泵房、鼓風機房及反沖洗水泵房合建，設計規模為10.0萬m3/d。

提升泵房用于提升濾后水至后臭氧接觸池，泵房內設立式斜流泵3臺，2用1備，單泵流量為2 125 m3/h，揚程為9.0 m，配套電機功率為90 kW。

鼓風機房內設鼓風機3臺，2用1備，每臺鼓風機風量為1 925 m3/h，揚程為4.0 m，配套電機功率為75 kW。

反沖洗采用水泵直接從活性炭濾池后出水引水沖洗，反沖洗泵房內設臥式離心泵3臺，2用1備，單泵流量為875 m3/h，揚程為10.5 m，配套電機功率為37 kW，每臺水泵配有變頻調速裝置，以適應氣溫變化引起的炭濾池沖洗強度的改變。

3.2.2 后臭氧接觸池及生物活性炭濾池

后臭氧接觸池設計規模為10.0萬m3/d，分為可獨立運行的2座，每座設計規模為5.0萬m3/d。臭氧最大投加量為2.0 mg/L，平均加注量為1.5 mg/L，總接觸時間為12 min，設3個階段，按4∶4∶4的時間比例設置。臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，設置于接觸池底部。整個后臭氧接觸池為全封閉設計。池頂部設正負壓釋放閥，設不銹鋼人孔蓋板以及臭氧尾氣收集管，臭氧尾氣收集管接至尾氣破壞裝置處理。

生物活性炭濾池設計規模為10.0萬m3/d，6格濾池雙排布置，單格濾池面積為69.69 m2，濾速為10.46 m/h，空床停留時間為12.9 min?；钚蕴繛V池為全封閉設計，在池頂設置觀察透氣窗。

活性炭濾池濾料采用顆?；钚蕴?，濾料厚度為2.25 m，采用8×30粒度(相當于2.38×0.60 mm)，堆積密度為0.35～0.55 g/cm2，不均勻系數K80為1.9～2.0，下層采用粗砂支承層，厚度為0.25 m，粒徑為1～2 mm。采用短柄濾頭方式配水，反沖洗方式為單獨氣沖加單獨水沖洗方式，氣沖強度為55 m3/(m2·h)，水沖洗強度為25 m3/(m2·h)?；钚蕴繛V池設計沖洗周期為5～7 d。

此外，濾池管廊內設電動單梁懸掛式起重機1臺，起重量為5 t。

3.3 臭氧制備車間及氧氣站

臭氧制備車間設計規模為10.0萬m3/d。臭氧制備系統包括設置臭氧發生系統、供電單元、尾氣破壞系統、冷卻水系統、空壓系統、MCC、PLC及變壓器等。

設臭氧發生器2套，均為常用，每臺發生器正常供氣量為6.56 kg/h。利用臭氧發生器不同濃度產氣量不同的特性，采用軟備用，事故時單臺臭氧發生最大制備能力為8.75 kg/h，滿足事故時水廠臭氧投加量。設置尾氣破壞裝置2套，1用1備，用于收集和分解后臭氧的尾氣。尾氣破壞裝置設置于管廊內。

進入臭氧發生器的氧氣應配入適量的氮氣，因此，設置空壓系統提供空氣氣源。設空壓機組2套，1用1備，每臺空壓機風量為54 m3/h，工作壓力為700～900 kPa，空壓機附設儲氣罐、過濾器等設備。

在臭氧制備車間南側設置氧氣站1座，為戶外設置，占地面積約為108 m2。

液氧系統主要設備包括15 m3的液氧儲罐2臺，汽化器2臺。

4 運行效果

水廠采用臭氧-生物活性炭工藝為該廠深度處理工藝后，水廠出水水質如表8所示。

表8 出水水質數據

臭氧-生物活性炭工藝在改善水的色度、去除氨氮和有機物等指標方面具有更好的效果，同時，可以提高出廠水的口感，改善臭和味。由該水廠1年的運行數據可知，出廠水色度均低于5度，遠低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)規定的15度。硝酸鹽和氨氮質量濃度分別滿足低于10.00 mg/L和0.5 mg/L的國標要求，其中，硝酸鹽質量濃度在多數時間段低于2.00 mg/L。CODMn質量濃度也均低于國標規定的3 mg/L。這是因為臭氧的氧化作用可以破壞有機物結構，降低色度，增加水質的可生化性。同時在氧化的過程中，臭氧也起到了充氧的作用，提高了活性炭表面微生物去除有機物的能力，大大延長了活性炭的再生周期[16]。

5 結論

根據水廠目前存在的水源水質的問題，本文比較了納濾、臭氧-活性炭+海淡水摻混兩個深度處理方案，通過分析不同工況下深度處理的出水水質情況，進行技術經濟比較，最終確定了臭氧-活性炭工藝作為該水廠的深度處理工藝，該工藝優點如下：

(1)臭氧-活性炭技術成熟，投資與運行成本低；

(2)臭氧-活性炭技術在處理有機物方面具有一定優勢，且出水臭和味、口感等方面效果較好；

(3)相比于膜處理工藝，臭氧-活性炭工藝水耗低，反沖洗水經回用水池后進入預臭氧接觸池前端，可全部回用，無需排放至污水系統，水資源開發利用性好。

此外，本文工程設計為沿海缺水城市提供了海水淡化+臭氧-活性炭出水摻混的思路，臭氧-活性炭深度處理工藝可以有效降低水中有機物，對提升出水口感有明顯作用。與海水淡化水混摻可降低原出水中總硬度、硫酸鹽濃度，同時，該運行方式減少對水庫水的需求，緩解水庫長期低水位運行導致水庫水水質變差的問題，可以作為其他水廠的參考依據。