多效屏障預處理及臭氧活性炭工藝在引江濟淮微污染地表水廠中的應用探討

邵軍峰,杜盼盼,史建超,馬衛星

(1.鄭州市市政工程勘測設計研究院,河南鄭州 450046;2.青島理工大學環境與市政工程學院,山東青島 266525;3.煙臺大學土木工程學院,山東煙臺 264005;4.鹽城工學院環境科學與工程學院,江蘇鹽城 224002)

隨著我國北方地區人口增加、經濟發展和城市化水平提高,水資源開發利用中存在水資源短缺、地下水超采嚴重、水資源利用率低、水污染嚴重等一系列問題[1]。針對水資源短缺、時空分布不均和城市原水污染所導致的供水緊缺問題,國內相繼實施了多條跨流域長距離輸水工程。但是,長距離輸水工程常利用現有河道、明渠輸水,沿途地形地貌復雜,往往存在原水微污染的情況[2],北方水廠冬季進水水質出現低溫低濁現象。針對以上問題,國內大部分水廠采用預處理和常規處理的工藝來滿足生活用水水質要求,經濟發達的大城市及較大城市為提高供水品質,常增加深度處理措施。

為有效解決沿淮、淮北、豫東地區及輸水沿線工業和城鄉生活供水不足問題,對此開展了引江濟淮工程。該工程從長江下游引水,經巢湖穿越江淮分水嶺向淮河中游地區補水,然后經過淮河向淮北和豫東地區補水,以有效解決沿淮、淮北、豫東地區及輸水沿線工業和城鄉生活供水不足的問題[3]。然而,實踐過程中原水地距受水區距離較長,特別是利用了600 km的現有河湖和115 km的新開明渠,經過污染嚴重的巢湖,導致調水水質波動性大、調配途中易受污染。

商丘市路河水廠采用引江濟淮原水,為引江濟淮工程(河南段)第一座最大的水廠。水廠進水水質污染風險較高,傳統水處理工藝不能有效去除原水中的氨氮、有機物等污染物,且輸水工程正在建設,輸水沿線明渠、管道與河湖情況復雜,難以按常規長距離調水水廠(原水水質指標確定)采用一種或兩種預處理工藝來滿足處理要求。針對路河水廠原水水質復雜、微污染和冬季低溫低濁情況,本工程采用多效屏障預處理、強化常規處理、臭氧活性炭深度處理工藝,以實現高品質供水目標,重點打造“智慧、低碳、綠色、環保”現代化水廠。本文具體從全流程工藝的選擇、多效屏障預處理、強化常規處理、深度處理工藝設計難點及要點進行探討,以期為以引江濟淮為原水的類似工程提供有益的參考和借鑒。

1 工程概況

商丘市路河水廠工程總規模為3×105m3/d,一期工程為2×105m3/d,二期規模為1×105m3/d,位于商丘市平原路與中亞大道西北角,現狀夏營溝東側,新城水庫東南角,廠區圍墻內占地面積為11.26 hm2。

原水水質特點:根據黃海波[4]的研究成果,引江濟淮工程包括引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大段,商丘市為引江濟淮供水的末端,輸水干線明渠部分全長約為1 200 km,途經菜子湖、巢湖、淮河蚌埠閘上河道等調蓄水庫。長江中下游水通過四級樞紐提升,同時經過污染較為嚴重的巢湖[5]。中途的巢湖水質基本為Ⅳ～Ⅴ類,主要超標指標為CODMn、總磷、氨氮。此外需考慮長江下游取水點至路河水廠調蓄水庫經過長距離明渠和管道輸水,存在夏季藻類滋生、冬季低溫低濁的特點。由于引江濟淮輸水工程尚未通水,水質通過長江取水口和水質模擬推求如表1所示。

表1 原水水質

針對水質特點,水廠確定凈水工藝時,重點考慮有機微污染的去除和低溫低濁特點,并能適應長江水質下降和長距離輸水帶來的不利狀況。工藝主要控制目標:去除渾濁度、CODMn、總氮類污染物、微生物、臭味;控制消毒副產物;改善飲用水口感,應對突發原水污染問題。

出水水質目標:①確保商丘市供水安全,工藝技術適度超前;②供水安全優先,工藝單元優勢互補,根據水質情況運行靈活,經濟合理。③出水水質滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)的要求,其中渾濁度要求不高于0.5 NTU。

2 工藝選擇

2.1 工藝選擇的難點、要點

(1)引江濟淮源頭為長江中游,原水存在微污染和低溫低濁問題,處理工藝的選擇面臨很大考驗。

(2)該工程設置深度處理設施,可滿足居民對飲用水水質日益提高的要求。

(3)該工程工藝流程較長,場地地勢平坦,結合工藝流程合理布置構筑物位置及確定構筑物埋深,對工程投資影響較大。

(4)該水廠為引江濟淮工程(河南段)第一座且規模最大的水廠。為確保商丘市供水安全,水廠凈水工藝應結合當地經濟建設條件且適度超前,可起到引領周邊水廠建設的作用。

(5)鑒于液氯屬于有毒有害危險品,其生產、運輸、使用等都存在不安全因素[6],應選用合適的消毒劑。為降低使用風險和社會風險,選用次氯酸鈉消毒,其安全可靠、操作簡單、效果良好,有較好的持續消毒能力[6]。

2.2 工藝流程比選及確定

經過多年的發展,應對微污染和低溫低濁水處理技術日漸成熟,各具特色。但在工程實踐中,應根據不同地表水水質特征,合理選擇處理方法。基于工程難點、要點的分析,本著從當地供水工程實際考慮,在常規處理的基礎上增設預處理和深度處理工藝,提出以下2種組合工藝。

工藝一:多效屏障預處理→沉淀→砂濾→提升泵房→臭氧活性炭。這是目前應用較為經典工藝。多效屏障預處理采用臭氧預處理,高錳酸鉀、次氯酸鈉作為輔助處理,同時投加粉末活性炭作為應急處理。本工藝流程較長,占地面積較大。活性炭池作為最后工藝,存在活性炭中微型生物繁殖并泄漏的風險,有些以水蚤為主,有些以搖蚊幼蟲和寡毛類為主[7]。

工藝二:單一次氯酸鈉預處理→沉淀→砂濾→超濾膜。以超濾池代替活性炭池,占地面積更小,超濾膜出水渾濁度低且穩定,但超濾膜化學清洗和物理清洗程序復雜,運行費用較高,管理維護高。單一氯預處理,不能應對原水微污染情況,且易生成消毒副產物,影響供水安全。本工程流程簡單,管理方便。

兩種工藝比較如表2所示。

表2 工藝方案比較

可見,工藝一和工藝二都能有效面對面源污染,工藝二對面源污染中氨氮的去除較差,但工藝二出水水質較好且穩定,出廠水渾濁度低于0.1 NTU[2]。方案一采用多效屏障預處理,工藝單元優勢互補,可投加一種或幾種組合,運行靈活經濟合理。采用預臭氧處理工藝,預臭氧工藝可有效去除水中的藻類、臭味等物質,并有顯著的助凝作用,可有效提高飲用水水質,保障人民用水健康。預臭氧工藝特別適用于處理富營養化較為嚴重的原水,已在許多地區得到廣泛應用[8]。通過邵爽[9]的研究,前端投加高錳酸鉀和粉末活性炭體系統聯合作為本工程的應急處理方案。高錳酸鉀也可單獨投加起到氧化作用,可減少前處理氯投加產生的消毒副產物,工藝運行維護較工藝二低。考慮運行費用和工程投資,工藝一更符合河南地級市當地經濟建設水平。

工藝一增加深度處理工藝勢必增加水廠的工藝流程和水頭損失,為減少前端高于地面的高度和后端構筑物的埋深,設置中間提升泵房。通過對臥式離心泵、立式混流泵潛水混流泵對比,從水泵運行規律適應性、建設運行成本、日常維護檢修便利性等方面考慮[10],選用潛水混流泵型中間提升泵房。臭氧活性炭是集臭氧氧化、活性炭吸附、生物處理于一體的給水處理技術,是目前使用較為普遍的工藝,針對生物活性炭的應用和調研,主要池型有下向流V型池、氣水反沖普通快濾池、翻板濾池、上向流底部面包管配水池及上部不銹鋼集水槽集水池。其中,翻板濾池的優點是活性炭流失率比其他型式濾池低,可實現大水量反沖洗,雙層濾料時不容易混層[11]。為防止出廠水微型生物泄漏,本次設計碳層下采用砂墊層,可降低生物泄漏風險。

商丘市路河水廠具體工藝流程為“多效屏障預處理+機械混合池+折板絮凝反應池+平流式沉淀池+砂濾池常規處理+臭氧接觸池+活性炭池深度處理+次氯酸鈉消毒”(圖1)。排泥水采用重力濃縮池+板框脫水處理工藝。根據中水試驗研究[12],常規處理+臭氧活性炭工藝對氨氮去除率達到83%,對CODMn去除率為57.8%。通過推算,商丘市地表水廠出水CODMn質量濃度為1.69～0.68 mg/L,滿足《生活飲用水衛生標準》3 mg/L以下的要求;出水氨氮質量濃度為0.29～0.07 mg/L,滿足標準0.5 mg/L以下的要求。

圖1 商丘市路河水廠工藝流程

3 總平面布置

路河水廠分期建設,其中取水泵房、配水井、清水池、送水泵房、污泥處理系統、加藥系統、倉庫維修間、辦公樓等按30萬m3/d設計,預臭氧池、混合反應沉淀池、砂濾池、臭氧接觸池、活性炭池按20萬m3/d進行設計,預留10萬m3/d位置。其總平面布置如圖2所示。

圖2 路河水廠總平面布置

廠區功能分區明確,生活區在廠區東南部,污泥區在廠區西北部,中間為生產區,分區集中,便于管理,互不影響。

砂濾池和炭池共用反沖洗系統。高錳酸鉀投加系統、PAC和PAM加藥系統、活性炭應急投加系統等合建,集中緊湊,節省用地,便于管理。

4 主要構筑物及工藝參數

4.1 取水泵房

取水泵房設置在廠區內,土建按遠期進行建設,總設計規模為3×105m3/d,設備按2×105m3/d進行安裝,設置5臺單級雙吸離心泵,4用1備,遠期增設3臺,最終為6用2備。在吸水井位置設置高錳酸鉀投加點。變配電間、原水水質分析間等建筑物與其合建。

4.2 預臭氧池

預臭氧池按一期2×105m3/d設計。1座分為獨立2格,設進水區、射流曝氣區、反應區和出水區。每格進水區設1套旋轉網板格柵,對原水進行預處理,柵間隙為1 mm,濾網寬度為2 000 mm;增壓泵原水為旋轉網板格柵的濾后水,每格通過1套水射器+擴散管投加臭氧,最大臭氧投加量為1.0 mg/L,預臭氧池設計接觸時間為5 min。

4.3 混合反應沉淀池

混合反應沉淀池采用機械混合、折板絮凝、平流式沉淀池,按一期2×105m3/d進行設計,共2座,每座分為2組。

混合池采用機械混合,每個系列設2級機械混合,混合時間為59 s,機械攪拌混合要求速度梯度G值>500 s-1,均勻度>95%,單級平面尺寸為2.2 m×2.2 m,有效水深為4.4 m。混合反應沉淀池混合池段分別設PAC、粉末活性炭、PAM藥劑投加點。

反應池采用折板反應池,反應時間為20 min,分為3段,第一段停留時間T1為5.9 min,G1為92 s-1,共12道折板,峰速v1為0.27 m/s;第二段停留時間T2為6.2 min,G2為49 s-1,共10道折板,峰速v2為0.16 m/s;第三段停留時間T3為7.9 min,G3為28 s-1,共9道折板,峰速v3為0.1 m/s。單組平面尺寸為16.36 m×14.20 m,有效水深為3.54～4.00 m。

沉淀池采用平流式沉淀池,沉淀時間為2.5 h,水平流速v=12.6 mm/s,出水指形槽堰負荷為225 m3/(m·d)。單組平面尺寸為113.4 m×14.2 m,有效水深為3.6 m。

4.4 砂濾池

按一期2×105m3/d設計,設1座,分為14組,對稱雙排布置,中間為管廊間。單池過濾面積為91 m2,設計正常濾速為6.87 m/h,強制濾速為7.4 m/h,單格尺寸為3.5 m ×13.0 m;濾層厚度為1.4 m,石英砂均質濾料有效粒徑為0.9～1.2 mm,不均勻系數K60<1.6,濾池總高為4.45 m,濾層上水深為1.3 m,配水配氣區高度為0.9 m。濾池下部設礫石承托層,其粒徑為2～4 mm,層厚均為0.1 m。配水配氣系統采用長柄濾頭。濾池采用氣水聯合反沖洗,單獨氣沖洗強度為15 L/(m2·s),單獨水沖洗強度為4.5 L/(m2·s),氣水同時沖洗時水沖強度為2.2 L/(m2·s),氣沖強度保持原值;表面掃洗強度為1.7 L/(m2·s),反沖洗時間為10～15 min,反沖洗周期為24～36 h。

4.5 中間提升泵房及后臭氧接觸池

中間提升泵房和臭氧接觸池合建,按2×105m3/d設計,中間提升泵房采用6臺(4用2備)潛水電泵對濾池出水進行提升,單臺流量Q=2 250 m3/h,揚程H=5.0 m。

臭氧接觸池設計為全封閉鋼筋砼結構,分為2個獨立系列,每個系列由相互連通的2格組成。每格臭氧接觸池設計總停留時間為15 min,分為3級,停留時間分別為4.0、5.5、5.5 min。設計采用微孔曝氣盤補充臭氧,總投加量為1.5～2.5 mg/L,3級投加比為2∶1∶1。每個系列池頂設置2套尾氣破壞系統,1用1備。此外,臭氧接觸池中與臭氧接觸的管道均需采用SS316不銹鋼材質。

4.6 活性炭池

按一期2×105m3/d設計,設1座,單排布置采用8個翻板濾池,一邊為管廊間。單池過濾面積達105 m2,空床濾速為9.9 m/h;碳床吸附接觸時間為13.3 min。活性炭池采用活性炭和石英砂雙層濾料,柱狀活性炭濾料高度為2.2 m,碘值>900 mg/g、機械強度≥95%;下層采用石英砂均質濾料,有效粒徑為0.85 mm,K60<1.6,厚度為0.3 m[13];礫石承托層礫石有效粒徑為4～32 mm,厚為300 mm。濾池采用氣水聯合反沖洗,單獨氣沖洗強度為17 L/(m2·s),單獨水沖洗強度為 7.8 L/(m2·s),反沖洗周期為72～96 h。

4.7 反沖洗泵房

砂濾池和炭池反沖洗合建,為均質濾料濾池和活性炭池提供反沖洗氣和水。砂濾池和炭池共用反沖洗水泵,共設置5臺。1#、2#、3#沖洗水泵單泵Q=410 L/s,H=10 m,2用1備,變頻調節,提供炭池反沖洗和砂濾池單獨水反沖洗;4#、5#沖洗水泵單泵Q=201 L/s,H=10 m,1用1備,變頻調節,提供砂濾池氣水聯合反沖洗時水量。砂濾池單獨水沖洗時開啟1#～3#沖洗水泵中的一臺,氣水聯合反沖洗時開啟4#、5#沖洗水泵中的一臺;炭池反沖洗時開啟1#～3#沖洗水泵中的兩臺。反沖洗泵房內設置6臺反沖洗風機,采用羅茨風機,其中3臺供炭池,2用1備,單臺風量為59 m3/min,風壓為70 kPa;3臺供砂濾池,3用1備,單臺風量為45 m3/min,風壓為52 kPa;反沖洗泵房配空壓系統一套,空氣壓縮系統為炭池、砂濾池和反沖洗泵房內的啟動閥門提供氣源,共設置2臺壓縮冷干一體機,1用1備。反沖洗泵房尺寸為42.6 m ×13.3 m × 9.6 m。

4.8 臭氧制備間

臭氧采用液氧源臭氧制備。臭氧制備間土建按3×105m3/d進行建設,設備按2×105m3/d進行安裝。預臭氧池投加量為0.5～1.0 mg/L,臭氧接觸池投加量為1.5～2.5 mg/L,臭氧投加總量最大按3.0 mg/L計,則臭氧發生總量為26.25 kg/h。2×105m3/d處理規模時配套選用3套臭氧發生器,單臺產量為13.5 kg/h,制備的臭氧質量分數>10%,2用1備;遠期增加1臺臭氧發生器,3用1備。

液氧站采用室外成套設備,包含液氧儲罐、汽化器、減壓閥等。其中液氧儲罐采用立式雙圓筒結構,真空粉末絕熱,按照不小于7 d最大用量考慮,儲罐容積為50 m3,直徑為3 100 mm,工作壓力為 0.8 MPa。

4.9 加藥間

加藥間藥劑有PAC、PAM、高錳酸鉀、粉末活性炭。加藥間土建規模為3×105m3/d,PAC、PAM、粉末活性炭投加設備按照2×105m3/d安裝,高錳酸鉀投加設備按照3×105m3/d安裝。

① PAC混凝劑。4個系列的混合池設4個投加點,最大投加量按30 mg/L(標準原液)考慮,投加質量分數為10%(標準原液),標準原液通過液下泵送至PAC投加池進行稀釋。設2臺隔膜計量泵,泵送至4個混合池。平衡池設1個投加點,投加至平衡池進泥管,投加量為干污泥量的20%,投加質量分數為10%(標準原液),設1臺隔膜計量泵。PAC投加系統共設4臺隔膜計量泵,3用1備,遠期增加1臺隔膜計量泵,4用1備。

② PAM助凝劑。4個系列的混合池設4個投加點,最大投加量按1 mg/L考慮,投加質量分數為0.1%。PAM固體通過一體化投加設備連續配制稀釋液,稀釋后質量分數約為0.2%,設4臺螺桿計量泵,并在泵后設后稀釋裝置,稀釋至0.1%后送至4個混合池投加點。平衡池設1個投加點,投加至平衡池進泥管,投加量為干污泥量的0.5%。設1臺螺桿計量泵泵送,泵后設置稀釋裝置,稀釋至0.1%后送至投加點。PAM投加系統共設6臺螺桿計量泵,5用1備;遠期增加2臺螺桿計量泵,7用1備。

③高錳酸鉀備用預氧化劑。共設2個投加點,投加于取水泵房吸水井,最大投加量按2 mg/L考慮,投加質量分數為5%,通過一體化投加設備連續配制稀釋液,稀釋后通過隔膜計量泵投加;共設3臺隔膜計量泵,2用1備。

④粉末活性炭應急吸附劑。濕式投加,4個系列的混合池設4個投加點,最大投加量按20 mg/L考慮,投加質量分數為10%,料倉內粉末活性炭通過螺旋輸送機輸送至一體化投加設備,進行連續加水稀釋,稀釋后再通過螺桿計量泵投加至混合池;近期設3臺螺桿計量泵,2用1備;遠期增設1臺,3用1備。

4.10 次氯酸鈉發生間

次氯酸鈉采用現場制備,次氯酸鈉溶液分前投加和后投加,其中前投加點位于配水井,作為預氧化劑使用,投加量約為1 mg/L,后投加點位于清水池,作為消毒劑使用,投加量約為2 mg/L。次氯酸鈉發生間土建按遠期規模進行設計,設備按一期規模設計,設2套發生器、冷熱水一體機等配套設施,單套產氯量約為15 kg/h,遠期增設1套,遠期單臺發生器最大工作時長約為21.5 h/d。儲罐2座,容積為30 m3,近期儲量約為18 h投加量,遠期儲量約為12 h投加量。共設4臺計量泵,3用1備,單臺參數為Q=1 500 L/h,H=400 kPa。遠期用鹽量約為3.3 t/d,鹽儲量按滿足遠期一周的用鹽量考慮,即儲庫鹽不小于23 t。

4.11 回用水池

回用水池用于收集砂濾池和炭池的初濾水和反沖洗廢水。當砂濾池和炭池同時運行時,砂濾池的初濾水可直接進入炭池,不需進行回收,回收水池此時僅收集炭池初濾水;當炭池不運行時,砂濾池的初濾水需進入回收水池。回用水池調節容積可按連續接納2格炭池的反沖洗廢水和初濾水考慮[14],有效容積為1 200 m3,有效水深為3.2 m。

4.12 脫水機房

污泥濃縮脫水機房土建根據3×105m3/d處理水量配套設計,設備按2×105m3/d處理水量配套安裝。污泥經濃縮池濃縮,污泥含水率可降至97%以下,然后經濃縮池螺桿泵泵入平衡池,同時在平衡池內投加PAC、PAM進行調質,其中PAM最大加注量為5 kg/t DS,PAC最大加注量為0.2 m3(標準原液)/t DS。調理后的污泥自流入進料螺桿泵,經高壓隔膜板框壓濾機脫水,最后形成含水率≤60%的泥餅外運。共設3臺高壓隔膜板框壓濾機,2用1備。單臺高壓隔膜板框壓濾機運行8 h,4 h/批;遠期增加1臺壓濾機,3用1備。

5 工藝設計特點

(1)采用多種預處理措施,水廠可有效應對低溫低濁、微量有機物、致病病毒、各種藻類和控制消毒副產物等問題,同時可應對突發水體污染事件。高錳酸鉀可有效去除無機污染物、色度、臭味、有機污染物、藻類等。臭氧預氧化目的為:去除溶解性鐵錳、色度、藻類、臭味;改善混凝條件;減少三氯甲烷前體物。前加氯被用作預氧化劑來改善混凝條件、控制臭味和防止反應沉淀池藻類滋生[15]。各預處理劑有機組合、各司其職,但需要注意的是各預處理藥劑的投加順序和間隔時間要求,運行時可投加一種或幾種組合。

(2)多效屏障預處理、強化常規處理、深度處理和粉末活性炭應急投加等可根據水廠原水水質情況進行組合,靈活運行。當后續工藝出現事故或原水水質較好工況時,砂濾池可超越深度處理直接進入清水池。當原水水質面臨突發污染事件時,視污染嚴重程度和污染類型啟動高錳酸鉀+常規+深度、預臭氧+常規+深度或高錳酸鉀+粉末活性炭+常規+深度等組合工藝。

(3)商丘市路河水廠現狀地形高程為48.0～48.6 m,較為平坦,設置中間提升,流程經濟合理,減少土石方量,節約能源。流程折角型布置,聯絡管線段,管理方便。

(4)為實現我國“2030年前碳達峰”目標,需要不斷提高能源利用效率,達到節能減排目的。水廠取水泵房、送水泵房和反沖洗泵房提升泵采用變頻調節技術,精準投藥節約投藥成本,以全面提升能效標準。

6 主要技術經濟指標

路河水廠總用地面積為11.26 hm2。商丘市路河水廠及配套管網工程包括地表水廠和配水管網2部分,總投資為96 013.15萬元,水廠和配套管網第一部分工程費用為70 954.87萬元,地表水廠部分第一部分工程費用為32 928.64萬元。單位投資為1 646.4元/m3,單位用地為0.375 m2/m3。測算水廠經營成本為0.62元/m3(不含水資源費)。本項目財務內部收益率(稅前)為8.79%,大于行業基準收益率6%;處理能力達到61.14%(<70%)。項目可保本,具有一定的抗風險能力。

7 結論

(1)引江濟淮工程(河南段)受水的對象為周口、商丘2市所轄7縣2區,商丘市路河地表水廠為引江濟淮工程(河南段)第一座且規模最大的水廠。設計采用多效屏障預處理、深度處理措施,確保實現將路河水廠打造成為省內領先、國內先進的現代化水廠的目標,該工程工藝選擇和參數的確定為引江濟淮工程其他水廠提供很好的借鑒范例。

(2)路河水廠和引江濟淮工程正在建設,凈水處理工藝采用多效屏障預處理+機械混合池+折板絮凝反應池+平流沉淀池+砂濾池常規處理+臭氧接觸池+活性炭池深度處理工藝。多效屏障預處理采用臭氧工藝為主,高錳酸鉀、次氯酸鈉預處理為輔,粉末活性炭應急投加以應對各種水質突發情況,工藝單元優勢互補,運行靈活。

(3)本項目合理布置了處理構筑物水力高程及超越管道,可根據原水水質和工藝要求靈活調整運行工況,可節省運行費用,同時增強應對突發事件處理能力,提高供水水質保證率。采用反沖洗不跑砂、沖洗水量少的翻板濾池作為炭池,與臭氧聯用可很好地應對地表水原水的微污染問題。