后置臭氧-生物活性炭工藝在水廠改造中的若干設計點探討

徐彥飛，戴仲怡

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

自1985年我國第一座采用臭氧-生物活性炭工藝的中型城市自來水廠——北京田村山水廠投產，已有38年。在此期間，臭氧-生物活性炭技術發展迅速，科研人員在臭氧投加量、活性炭吸附池結構與工藝選擇、活性炭選擇、更換與再生、溴酸鹽控制技術、生物風險預防與控制技術等方面，已經取得了一批重要技術成果，形成了一系列標準規范技術指南等科技成果，有效提升了受污染水源的飲用水水質[1]。但是在工程設計領域，卻很少有人探討新增深度處理工藝設計給現狀工藝設計帶來的區別，以及針對改造工程的適應性設計。

本文以深圳某水廠深度處理工程為例，其設計規模為20萬m3/d，主要工藝設計參數如下：預臭氧接觸池接觸時間為4.8 min，臭氧投加量為0.5～1.5 mg/L，后臭氧投加量為1.0～2.0 mg/L，接觸時間為11.95 min?；钚蕴砍乜沾步佑|時間為11.2 min，炭層為1.8 m，石英砂層為0.6 m。本文主要探討了改造中構筑物的流量負荷計算模式、新增廢水的回用設計、加藥系統的改造，以及臭氧系統、液氧儲罐的安全、檢修與消防設計，為今后的同類項目提供參考意見。

1 構筑物的流量負荷設計

新增深度處理工藝影響了現狀工藝設計的流量負荷。構筑物的流量負荷是工程設計的基礎數據，流量負荷決定了工藝參數的計算，例如過濾濾速、水力停留時間，也影響構筑物的水力條件，例如薄壁堰的設計。

一般情況，構筑物設計水量按照Q(1+自用水系數%)考慮，但由于工藝流程中增加了臭氧-生物活性炭工藝，新增的臭氧工藝包含了兩部分自用水量，預臭氧投加用增壓水和臭氧發生器的外循環用水，而且該部分水量不可忽略不計[2]，將該部分水量納入構筑物的流量負荷計算，是實現構筑物合理運行的必要條件。其中，預臭氧投加增壓水水量主要與臭氧投加量和水射器的氣水體積比有關，臭氧發生器的外循環用水主要和板式換熱器有關?？捎稍O備供應商根據設計條件，計算并提供相關參數。

這兩部分的水源位置根據工程性質(改建或新建工程)、實施條件、平面布置而不同。根據《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)9.10.26中“抽吸臭氧氣體水射器的動力水，可采用沉淀(澄清)后，過濾后或廠用水，不宜采用原水?！背粞醢l生器的外循環用水在設計中普遍取自廠區自用水，回用到中間提升泵房前池中。后置臭氧-生物活性炭工藝多采用砂濾水或者炭濾水，作為預臭氧投加用于增壓水。當采用不同水源時，各個構筑物的水量負荷也有所不同。圖1(a)是以砂濾水作為預臭氧投加用增壓水，此時預臭氧接觸池設計水量應以Q(1+K0+Kw+A)進行復核，后臭氧接觸池和炭濾池設計水量應以Q(1+K0+Kw+B)進行復核。圖1(b)是以炭濾水作為預臭氧投加用增壓水，此時預臭氧接觸池設計水量應以Q(1+K0+Kw+A)進行復核，后臭氧接觸池和炭濾池設計水量應以Q(1+K0+Kw+A+B)進行復核。Q為水廠設計規模，K0為水廠原自用水系數，Kw為新增廢水回流比，A為增壓水回用比，B為外循環冷卻水回用比。

圖1 水量平衡圖Fig.1 Water Balance Diagram

以深圳某水廠深度處理工程(規模為20萬m3/d)為例，預臭氧投加用增壓水量為200 m3/h，為水廠設計規模的2.4%，臭氧發生器的外循環冷卻水量為97.8 m3/h，為水廠設計規模的1.2%。該部分水量達到水廠設計規模的3.6%。該廠采用后置活性炭工藝，并采用炭濾水作為預臭氧投加用增壓水。新增單體構筑物應以圖2模式進行水量設計，并復核老系統構筑物的水力條件。

2 新增廢水的回用設計

新增深度處理工藝影響了現狀工藝廢水回用設計。生物活性炭池的廢水回用影響整個回用水系統的水量平衡，不均勻回流會導致回流比過大，對生產構筑物造成沖擊負荷，從而影響出水水質，極端情況下甚至造成溢流[3]。

水廠的現狀回收水池一般沒有考慮生物活性炭池的反沖洗水和初濾水水量，通常生物活性炭池廢水量是砂濾池的兩倍，現狀回收水池難以滿足其水量要求，故需要新建廢水回收池一座。廢水回收池的調節容積和設計回流比關系緊密，若單純考慮按最不利水量設計，會加大廢水回收池的土建投資費用。合理設計排水池的均勻回流，可以有效控制廢水回收池的設計規模，控制工程投資。

以改造采用后置工藝為例進行計算，如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

其中：Q炭——生物活性炭池回用水量，m3/h；

Q0——水廠設計規模，m3/h；

q——水沖洗強度，m3/(m2·h)；

t——水沖時間，h；

T——反沖洗周期，h；

S0——總過濾面積，m2；

v——空床濾速，m/h。

以深圳某水廠深度處理工程(規模為20萬m3/d)為例，設計生物活性炭池空床濾速為10 m/h，反沖洗周期為3 d，水沖強度為36 m3/(m2·h)，水沖時間為10 min，并考慮30 min初濾水排放，生物活性炭池回用水回流比Kw=0.9%，可通過該值，結合本文流量負荷的計算，綜合考慮構筑物相關參數設計。

需要注意的是，改造工程中不能忽略對現狀回收水池的管路改造，一般現狀回收水池回用到原水管道某點，有可能不會經過預臭氧工藝的處理，建議考慮相關措施將回用管接到預臭氧工藝前端，完善工藝流程。

3 加藥系統的改造

新增深度處理工藝影響了現狀藥劑投加點的位置選擇以及水質情況，需做適應化設計。

3.1 原系統投加點改造

改造工程往往對現狀加藥投加點帶來影響。某些水廠的后加氯直接投加在砂濾池出水總井中，如果不加以改造，后加氯的處理水會進入臭氧-活性炭工藝，余氯會影響生物掛膜，對深度處理的效果有負面影響，而且出廠水的余氯可能難以達到相關要求。

3.2 新增投加點

喬鐵軍等[4]觀察到，隨著后置生物活性炭池運行時間的延長，后置生物活性炭池出水pH會逐漸降低，相對于砂濾池出水，降幅達1～2，導致清水池出廠水pH較低。在原水堿度低的情況下較為顯著，引起了水質化學穩定性的降低。賀濤等[5]認為活性炭官能團總量數量隨著使用時間的延長而逐漸減少，隨著活性炭官能團的減少，影響了炭濾池的緩沖作用，且致使活性炭pH平衡點下降，從而致使炭濾池pH下降。由于部分企業標準或者內定標準的最低值在7.0甚至7.2以上，需要考慮pH調節措施。

后置下向流生物活性炭池作為工藝流程的最后一個環節，為保證出水渾濁度的穩定性，建議采用氫氧化鈉調節pH。由于固體氫氧化鈉溶解會釋放大量的熱量，帶來運行安全隱患，建議在市場上采購原液，市場上的氫氧化鈉原液濃度大部分在30%以上，使用時需要進一步稀釋，設計上可采用成品防腐蝕原液罐+稀釋池的組合方式設計。可按pH值為7.0調節至pH值為7.5進行計算。建議在炭濾池進水、出水設置兩個pH調節劑投加點。

4 管道及附屬構筑物設計

新增深度處理工藝影響了現狀生產管線，并帶來了新的運行模式。

管道及附屬構筑物的設計決定了工藝系統是否能合理運行。其主要改造原則是深度處理線和現狀工藝線功能可以相互切換，正常運行。設置超越系統，根據相關水質情況，調整工藝路線[6]。例如超越主臭氧活性炭工藝時，現狀常規處理管線及附屬構筑物可以正常運行，擁有完善的相關附屬設施，包括流量計、閥門、投加點等。

生產管線改造主要分為3個部分：前端預臭氧、砂濾池至深度處理構筑物、深度處理構筑物至清水池。前端預臭氧部分主要是保留現狀管線，新增原水管至預臭氧接觸池和預臭氧接觸池至混合池的管線。砂濾池至深度處理構筑物、深度處理構筑物至清水池管線和上述管線類似，但通常老水廠砂濾池到清水池距離較近，管道改接時需仔細復核流量計的使用，若是利用現狀流量計作為常規處理計量設施，需要復核管道碰口是否會對流量計的準確計量造成影響，必要時需對現狀管線走向進行重新設計與調整。

5 推薦構筑物設計形式

改造工程多存在用地面積不足的問題，由此推薦采用提升泵房、后臭氧接觸池、臭氧發生間、生物活性炭池、反沖洗泵房合建的設計形式(圖2)。這種形式設計有幾點優勢：(1)節約用地，滿足工程建設的現實條件；(2)便于巡檢，減輕運營人員工作的勞力消耗；(3)臭氧發生間和后臭氧接觸池的疊建簡化了外循環冷卻水的進出管路設計；(4)減小了工程施工基坑開挖的面積；(5)合建構筑物較分散構筑物的構造更規整美觀。但同時合建形式需要合理規劃臭氧發生系統的檢修通道設計和防臭氧泄露設計。深圳某水廠深度處理工程中采用該模式設計，節地效果明顯。此外，在必要的情況下，可以進一步結合清水池疊層(圖3)、廢水池組合等方式，設計構筑物綜合體。表1為凈水組合體設計案例。

圖2 綜合處理車間示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Comprehensive Treatment Workshop

圖3 綜合處理車間(清水池疊層)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Comprehensive Treatment Workshop(Clear Water Tank Stack Layer)

表1 凈水組合體設計案例Tab.1 Designed Case of Water Purification Combination

6 安全、檢修與消防設計

6.1 后置生物活性炭池

后置生物活性炭池帶來了更多的檢修需求，其檢修主要是管廊中控制閥門和出水井中200目裝置的檢修。隨著檢修巡查平臺的設計高度不一致，這兩者的檢修設計也有不同。設出水井標高與出水控制閥門底的高差為Δh，計算如式(4)。

Δh=(H1-h+Hg)-(H1-h1-h2-H-h3)

(4)

其中：Δh——出水井標高與出水閥門底的高差，m；

H1——炭濾池水位高，m；

h——炭濾池水損，m，可取1.7 m；

Hg——出水井超高，m，可取0.3 m；

h1——配水系統高度，m，可取1.0 m；

h2——承托層厚度，m，可取0.2 m；

H——濾料層厚度，m，可取2.5 m(2 m厚活性炭，0.5 m厚石英砂濾料)；

h3——炭濾層上水深，m，可取2.0 m。

以深圳某水廠深度處理工程(規模為20萬m3/d)為例，出水井標高與出水閥門底的高差為4.3 m，隨著管廊檢修巡查平臺標高的不同，檢修空間也隨之變化。由于目前出水井200目裝置較為簡單，僅能人工抽取檢修，需合理設計檢修巡查平臺標高來滿足檢修人員的空間需求。以圖4(a)為例，該檢修巡查平臺與出水井高差較大，需設置鋼樓梯與出水井合理銜接。以圖4(b)為例，該檢修平臺與出水井高差不大，但閥門與檢修巡查平臺高差較大，需設置環形檢修吊車，方便閥門的檢修和運輸。

圖4 后置活性炭池剖面圖Fig.4 Profile of Post Activated Carbon Filter

6.2 臭氧發生間

《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)對臭氧發生間的要求有所調整，原《室外給水設計規范》(GB 50013—2006)9.9.19條：在設有臭氧發生器的建筑內，其用電設備必須采用防爆型。而《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)刪除了該條要求，但強調必須做好機械通風、泄露監測和預警等設計。臭氧發生間需仔細按照《建筑設計防火規范》要求，對防火間距、安全疏散口、消火栓系統、滅火器配置做詳細設計。另外，《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)規定，臭氧發生間生產的火災危險性屬于乙類；甲、乙類生產場所(倉庫)不應設置在地下或半地下。在設計過程中需注意臭氧發生間的豎向設計是否滿足規范要求。

6.3 液氧站

《建筑設計防火規范》對液氧儲罐有明確的要求：液氧儲罐與建筑物、儲罐、堆場等的防火間距應符合本規范第4.3.3條相應容積濕式氧氣儲罐防火間距的規定；液氧儲罐周圍5 m范圍內不應有可燃物和瀝青路面等。

《氧氣站設計規范》要求：液氧貯罐和輸送設備的液體接口下方周圍5 m范圍內不應有可燃物，不應鋪設瀝青路面，在機動輸送液氧設備下方的不燃材料地面不應小于車輛的全長；液氧貯罐和汽化器的周圍宜設圍墻或柵欄，并應設明顯的禁火標志；采用液氧儲罐或制氧機氣源裝置時，廠區應有滿足液氧槽車通行、轉彎和回車要求的道路和場地等。

設計中需注意液氧站附近的廠區道路不得加鋪瀝青，并做好加鋪瀝青路面和普通路面的設計銜接。另外建議設計液氧車專用回車路，以方便液氧的運輸。

7 結語

隨著未來《生活飲用水衛生標準》的正式實施，城市供水安全和水質提升越來越重要，臭氧-生物活性炭工藝的普及度也會越來越高。本文通過對改造中各構筑物的水量負荷計算、廢水回用設計、加藥系統的改造、以及安全、檢修與消防設計的分析，為今后的同類項目提供參考意見。主要結論及建議如下。

(1)改造工程中需要梳理各個構筑物的水量負荷，構筑物設計水量需結合預臭氧投加用增壓水和臭氧發生器的外循環用水在工藝流程中不同的位置來確定。

(2)由于新增生物活性炭池廢水水量較大，需充分考慮均勻回流的設計，計算回流比，校核相關水力設計。

(3)改造工程建設用地不足的問題可通過集約化設計等方式優化考慮。

(4)設計中需復核現狀改造是否會對現有加藥點帶來影響，完善常規處理和常規深度處理兩條工藝路線的功能，并根據水廠實際情況，增加pH調節措施。

(5)活性炭池需仔細考慮設備檢修設計，臭氧發生間和液氧站的消防設計需根據最新國家規范要求執行，新設計標準對臭氧發生間的防爆設計做了調整。