集成式飲用水應急處理設備對高濁水凈化的應用

劉　爽,金　磊,張平允,周維奇,葉　輝

(上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海　200082)

供水被譽為城市的生命線工程之一，而近年自然災害頻發、突發環境污染事故增多，對城市供水環節造成一定程度的破壞，其中地震、泥石流等自然災害發生速度極快、破壞力極強，水源呈現高渾濁度，同時影響氨氮、CODMn，災區供水困難重重。2007年11月2日重慶市梁沱自來水廠變電站突發故障，造成泥沙污染飲用水源，水廠停運，約10萬居民用水中斷，當地自來水公司啟動緊急預案，緊急搶修，從主城區其他水廠調水，26 h后恢復用水[1]；2008年汶川地震引起凈水廠的構筑物、城市管網大范圍震裂，造成災區大面積停水，同時多次余震及頻繁泥石流事故，沖毀和淤埋了已修復的供水設施，造成供水設施無法運行，緊急調集大量礦泉水、瓶裝水、桶裝水到災區，或用送水車、消防車等一切可用的送水工具向災區臨時供水[2]；2010年8月8日甘肅省甘南州舟曲縣發生特大泥石流自然災害，破壞了縣城供水設施，暴雨使供水水源白龍江江水渾濁度上升，最高達到20 000 NTU，有機腐殖質膠體含量高沉降性差，常規供水設備無法正常運行[3]。因此開展應對飲用水應急處理的設備可解決突發事件導致的城市供水燃眉之急。

目前對突發水污染的應急處理工藝較多，主要有應對高渾濁度的預沉和氣浮工藝，應對可吸附有機污染物的臭氧+活性炭吸附技術，應對還原性污染物的化學氧化技術，應對微生物污染的強化消毒技術[4]，但進行技術集成，通過工藝選擇而針對性地進行飲用水應急處理設備的開發在國內較少[5-6]，因此開展集成式可處理高渾濁度、高有機污染、重金屬污染于一體的飲用水供水設備更具有實用價值。

1　試驗設備與方法

1.1　設備簡介

依托十二五水專項課題，上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司針對高渾濁度、高有機污染、重金屬污染原水的應急供水處理研發了一套集成式飲用水應急處理設備。該設備的整體工藝流程如圖1所示。

圖1　集成式飲用水應急處理設備整體工藝

本套設備創新性地使用電絮凝-聚浮分離工藝單元。整個應急處理裝備包括預沉池、偶感式電凝聚反應器、聚浮分離器、中間水池1、超濾膜組件、中間水池2、活性炭吸附、反滲透膜組件、紫外消毒裝置、終端水池。單元工藝模塊化集成于一體，根據待處理的地表水水質，部分工藝處理單元可進行超越(圖中虛線表示)，實現專水專用。

預沉池為小型豎流式沉淀池，處理高渾濁度原水能力為3.5～4.0 m3/h；電絮凝反應器處理流量約為4.0 m3/h，停留時間為13～15 min，設計直流電壓為0～200 V，設計直流電流為0～30 A；聚浮分離器底部設置無煙煤分離層，用于截留水體中較重的固體組分，同時增設微氣泡發生裝置，通過產生豐富的微氣泡提高聚浮分離效果；超濾膜水力停留時間為9.5～10.9 min；超濾膜采用內壓式中空纖維組件，正常工作膜通量為70～120 L/(m2·h)；活性炭為椰殼顆粒炭，粒徑為0.4～3 mm，活性炭吸附柱為壓力式，總高度為2.05 m，吸附濾柱直徑為800 mm，活性炭裝填高度為1.0 m，裝填容積為0.5 m3，設計進出水量為2.7～3.0 m3/h，吸附濾速為5.4～6.0 m/h，空床停留時間為7.7～10.0 min；反滲透膜為卷式組件，設計進水量為2.7～3.0 m3/h，設計出水量為2.1～2.3 m3/h，操作壓力為1.2 MPa，設計水回收率為70%～80%。

1.2　處理高渾濁度水源的工藝流程及其運行參數

“高渾濁度水”通常是指江河水渾濁度高或含沙量大的水源。國家原建設部1991年發布的《高濁度水給水設計規范》中的定義是：高渾濁度水系指渾濁度較高，有清晰的界面分選沉降的含沙水體，其含沙量為10 100 kg/m3，按此含沙量的高渾濁度水渾濁度一般大于3 000 NTU[7]。因此針對高渾濁度原水處理的工藝是在設備整體工藝的基礎上(圖1)，將反滲透裝置超越，即原水→PAM+預沉處理→電絮凝-聚浮處理→超濾→活性炭吸附→消毒→出水，具體如圖2所示。

高渾濁度原水處理中預沉是關鍵工藝，為保證后續工藝中電絮凝-聚浮工藝和超濾膜正常工作，應使電絮凝裝置進水渾濁度<100 NTU，因此預沉工藝采用“聚丙烯酰胺(PAM) +預沉淀”。中試選用了陰離子型PAM和陽離子型PAM配合預沉處理高渾濁度原水。結果表明，針對原水渾濁度達到6 000～10 000 NTU，SS達到10 000～18 000 mg/L的高渾濁度原水，使用陰離子型PAM時，預沉池出水渾濁度在300～400 NTU，不能達到后續工藝對原水渾濁度的要求；而采用陽離子型PAM時，出水渾濁度可以比較穩定地達到60～80 NTU，滿足后續工藝對原水渾濁度達到100 NTU以下的要求。現場試驗處理高渾濁度原水時，在中試研究的基礎上，選用陽離子型PAM白色固體顆粒，含量達90%以上，分子量為800～1 000萬，陽離子度為50%。由于黃河水硬度較高，鈣鎂離子含量相比于其他原水高，所以在試驗過程中鈣鎂離子可起導電作用，使得運行時電流達4～8 A。運行期間，超濾膜采用正反洗間隔進行的方式進行物理清洗，其中正反洗的時間間隔為15 min，每次正反洗的時間均為15～20 s。運用移動應急供水設備處理高渾濁度水試驗中，使用次氯酸鈉進行消毒，含10%有效氯濃度，為保障出水生物安全及余氯濃度，確定加氯量為2 mg/L。

圖2　高渾濁度水源應急處理工藝

1.3　高渾濁度原水水質

黃河是我國泥沙最大河流，也是世界上罕見的多沙河流，年輸沙量和年平均含沙量均居世界大江河的首位，被認為是典型的高渾濁度水系，黃河流域某些河段的實測最大含沙量高達1600 kg/m3[8]。另一方面黃河為濟南飲用水源，將集成式移動飲用水應急處理設備運至山東濟南黃河邊進行運行試驗更具實用意義。

試驗開始前對黃河原水濟南段進行29項原水分析，以了解黃河原水的水質大致情況，從而制定高濁度原水凈化的試驗方案，主要指標檢測結果如表1所示。

表1　黃河原水水質分析

黃河原水總氮、總磷超出Ⅲ類水水質限值(GB 3838規定Ⅲ類水水質中總磷≤0.2 mg/L，總氮≤1.0 mg/L)，這與黃河流域經濟農業結構有關，黃河流域受生活污水污染及農業化肥(硝態氮肥)持續污染[9]。因檢測時間為2016年10月下旬，正值黃河汛期結束，渾濁度降低，未滿足高渾濁度(>3 000 NTU)原水的要求，因此采用黃河底泥人工配泥形成高渾濁度原水，利用移動應急供水設備處理黃河原水及高渾濁度黃河水兩類水。

1.4　移動應急供水設備處理高濁水驗方案

(1)配泥高渾濁度黃河水驗方案

取黃河底泥為配泥原料，以20 kg干泥/m3水的比例向黃河原水中投加，測得進水渾濁度達到6 000 NTU。本試驗使用潛水泵將黃河原水注滿三只2 000 L 水箱，每只水箱中加入40 kg黃河底泥，通過水箱上方攪拌機帶動攪拌槳將配泥水混合均勻，保持處理高渾濁度水試驗運行時不間斷攪拌。單只水箱用完后立即切換水箱，用完的水箱及時注滿黃河水并加泥，保證進水不間斷混勻的高渾濁度原水通過原水泵以4 m3/h的流量進入設備預沉池。配制濃度為2‰PAM溶液，加注流量約為250 mL/min，在高濁水進入預沉池前與其混合。原水混凝沉淀反應后，隨即進入電絮凝-聚浮反應器(保持電流在4～8 A為宜)、超濾、活性炭三個單元的處理，最后向活性炭出水投加食品級次氯酸鈉(NaClO)消毒劑，加氯量為2 mg/L，保證出水安全。

(2)黃河原水實施方案

處理黃河原水時，無需用外加水箱配水，直接利用潛水泵將黃河原水以4 m3/h的流量注入預沉池，加藥泵以125 mL/min的流量向預沉池中注入2‰PAM，隨后的處理方案與處理配泥高渾濁度黃河水一致，先后進行電絮凝-聚浮分離反應，超濾膜處理和活性炭處理，向清水池投加消毒劑NaClO。正式試驗開展時間已到12月，29項原水數據與正式試驗檢測有些許出入，對設備的凈水能力評價以試驗過程中每天對原水、預沉出水、電絮凝-聚浮出水、超濾出水及消毒出水進行的水質檢測監控數據為準。

2　結果與討論

2.1　渾濁度的去除

黃河原水進水平均渾濁度為564 NTU，配泥高濁水進水平均渾濁度為5 332 NTU，經過PAM-預沉處理后，兩類水體渾濁度顯著降低(圖3)。預沉出水平均渾濁度均在50～60 NTU。電絮凝-聚浮進一步降低渾濁度，黃河原水及配泥高濁水出水渾濁度分別為40、50 NTU。

圖3　集成式應急供水設備處理高濁水各工藝單元出水中的渾濁度變化

由圖3可知，通過超濾工藝處理后，渾濁度更進一步去除90%，兩類水的超濾出水渾濁度均下降至0.191 NTU左右，已低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)規定的<1 NTU的限值。隨后經過活性炭吸附工藝及消毒工藝，出水渾濁度穩定保持在0.18～0.2 NTU。經過整體工藝運行處理后，渾濁度去除率達到99.9%。

2.2　CODMn的去除

CODMn可直接反映水體的有機污染程度，從而反映水質狀況，通過將黃河原水及配泥高濁水的各工藝處理出水后每日CODMn的檢測數據平均值作圖，得圖4。

由圖4可知，集成式應急供水設備處理黃河原水時，進水CODMn平均濃度約為4.13 mg/L，經過PAM-預沉工藝處理后，出水CODMn顯著降低，為2.45 mg/L，隨后經過電絮凝-聚浮工藝、超濾處理工藝、活性炭及消毒處理工藝，CODMn逐級下降，分別為2.31、1.93、1.48 mg/L，CODMn總降低率達64.8%，出水CODMn濃度低于GB 5749—2006規定限值。另一方面，處理配泥高濁水時，因進水渾濁度超高，CODMn濃度達17.23 mg/L，經過設備整體工藝處理后，出水CODMn濃度降為1.56 mg/L，低于2 mg/L，符合GB 5749—2006規定。

圖4　集成式應急供水設備處理高濁水各工藝單元出水中的CODMn變化

2.3　氨氮的去除

集成式應急供水設備處理高渾濁度水運行過程中，各工藝階段出水氨氮平均濃度變化如圖5所示。

由圖5可知，黃河原水及配泥高濁水的進水氨氮濃度均在0.21 mg/L，進水濃度已低于《生活飲用水衛生標準》，經過PAM-預沉處理后，兩類水的氨氮去除50%，為0.1 mg/L，繼續通過電絮凝-聚浮工藝處理后，黃河原水及配泥高濁水的氨氮濃度均有輕微上升，分別為0.12 mg/L和0.13 mg/L，可能原因是電絮凝將進水中的有機氮通過電解作用轉化為氨氮。隨后經過超濾處理工藝、活性炭吸附及消毒工藝，氨氮濃度進一步降低，最后出水氨氮濃度為0.02～0.03 mg/L，總去除率達到90%，遠低于GB 5749—2006規定的0.5 mg/L。

圖5　集成式應急供水設備處理高濁水各工藝單元出水中的氨氮變化

2.4　鐵的去除

處理黃河原水時，進水鐵濃度為1.05 mg/L，處理配泥高渾濁度水時，進水鐵濃度為2.21 mg/L，兩者均超過《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)里規定的0.3 mg/L的限值。

圖6　集成式應急供水設備處理高濁水各工藝單元出水中的鐵變化

經過PAM-預沉處理后，鐵濃度顯著下降，黃河原水及配泥高濁水處理后對應的鐵濃度為0.2 mg/L和0.3 mg/L，已基本符合GB 5749—2006的標準。隨后經過電絮凝-聚浮處理后，兩類水的出水鐵濃度有增加，但經過超濾處理、活性炭吸附及消毒工藝處理后，出水鐵濃度均<0.1 mg/L，穩定達到標準限值。

2.5　余氯及消毒副產物

活性炭吸附出水后，加入次氯酸鈉進行消毒處理，通過對余氯的監控，如圖7所示余氯保持在1 mg/L左右，同時對消毒副產物檢測，結果顯示處理配泥高濁水和黃河原水時，消毒出水中的三鹵甲烷平均值在0.07～0.09 mg/L，最高為0.17 mg/L，遠于GB 5749—2006中規定的1 mg/L的限值；一氯二溴甲烷濃度檢測基本為0.002 mg/L，甚至更小，低于國標0.1 mg/L的限值；二氯一溴甲烷的檢出濃度最高為0.0017 mg/L，三氯甲烷的檢出濃度均小于0.004 mg/L，兩者均遠遠小于國標要求0.06 mg/L的限值；三溴甲烷檢出的濃度均小于0.0014 mg/L，小于國標規定限值0.1 mg/L。說明移動應急供水設備處理高渾濁度水沒有消毒副產物超標的風險。由此可知，出水無消毒副產物的風險。

圖7　消毒出水中的余氯濃度

2.6　色度及pH變化

黃河原水及配泥高濁水的進水色度約為6～8度，經過PAM-預沉處理后，基本能將色度降到5度以下，隨后的電絮凝-聚浮工藝、超濾處理、活性炭吸附和消毒處理工藝，色度保持5度以下，出水透明無色，低于國標要求的15的色度限值；另一方面，兩類水的pH經過整體工藝后變化不大，由進水pH值為8.0～8.3，最后出水pH值為7.8～8.0，滿足國標要求的出水pH值在6.5～8.5。

2.7　產水量

應用集成式應急供水設備處理高濁水時，平均產水率為2.175 m3/h，最高可達2.89 m3/h，滿足50 m3/d的要求。按平均每人飲用水量5 L/d計算，可滿足10 000人應急條件下的飲用水需求。產水量的波動主要與超濾膜運行時膜的污染物堆積情況和沖洗有關。

集成式飲用水應急處理設備處理高濁水時，在30 d應用期間，水質穩定運行，隨機取樣進行出水水質飲用水106項檢測分析，結果顯示106項水質指標全部達標，說明經過此工藝處理后，出水安全無害，可用于生活應用。

3　集成式飲用水應急處理設備對其他污染水源的凈化研究

通過工藝模塊組合，可采用原水→電絮凝-聚浮分離→超濾→活性炭→消毒→出水的工藝流程處理有機污染原水。由試驗運行結果可知，原水最大CODMn超過6 mg/L，平均濃度約為5 mg/L，最后出水CODMn的平均濃度為1.57 mg/L，去除率約68.8%，出水水質經過飲用水106項檢測，符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)限值要求。

采用原水→預沉→電絮凝-聚浮分離→超濾→反滲透→消毒→出水的工藝流程可處理含重金屬的原水。由試運行結果可知，原水重金屬(汞、銅、鉻、鉛)濃度超出飲用水衛生標準限值10倍，通過設備處理后，重金屬去除率均在90%以上，出水經106項飲用水水質檢測，符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)限值要求。

4　結論

自然災害如地震、泥石流、洪澇等頻發，導致水源渾濁度升高，同時破壞當地供水系統，因此研究開發對高濁水應急處理的設備具有很高的實用價值。該公司研發的集成式飲用水應急處理設備，具有工藝模塊化功能，可根據處理水源水質不同，采用不同模塊組合形成對應工藝，其中對高濁水的處理效果顯著，原水渾濁度最高可達8 000 NTU，平均渾濁度約5 332 NTU，經過設備工藝處理后，出水平均渾濁度可降為約0.19 NTU，出水水質滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，出水水量可滿足10 000人/d的供應量。將設備進行不同工藝模塊組合，對處理含重金屬、有機污染的水源同樣顯示有效，出水水質均能達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，因此將工藝進一步完善，把此設備投入實際生產中，應用于災難事故現場切實可行。

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