臭氧-生物活性炭工藝在江蘇某水廠提標(biāo)擴(kuò)建中的應(yīng)用

劉連清

(中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院，江蘇南京 210023)

1 工程背景

江蘇某水廠一、二期工程采用常規(guī)處理工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模為20×104m3/d，分別于2002年和2011年建成運(yùn)行。一、二期工程網(wǎng)格絮凝/平流沉淀池、氣水反沖洗濾池規(guī)模為20×104m3/d，清水池、供水泵房、回用水池、污泥濃縮池、貯泥池規(guī)模為30×104m3/d，加氯間、加礬間、污泥脫水間土建規(guī)模為30×104m3/d，設(shè)備安裝規(guī)模為20×104m3/d。廠區(qū)占地面積為9.82×104m2，其中，一、二期工程占地面積6.50×104m2，預(yù)留三期工程用地面積為3.32×104m2。

2014年，江蘇省頒布了《關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)城市供水安全保障工作的通知》，要求全面推進(jìn)自來(lái)水廠深度處理工藝改造，提高安全供水能力，努力實(shí)現(xiàn)從供“合格水”向供“優(yōu)質(zhì)水”的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，一、二期工程的生產(chǎn)能力已無(wú)法滿足當(dāng)?shù)匦枨螅虼耍撍畯S啟動(dòng)了提標(biāo)擴(kuò)建工程，在一、二期工程20×104m3/d規(guī)模常規(guī)處理工藝(圖1)的基礎(chǔ)上，增加10×104m3/d規(guī)模常規(guī)處理工藝，同時(shí)增加30×104m3/d規(guī)模預(yù)處理工藝和深度處理工藝。

圖1 一、二期工程流程圖Fig.1 Process Flow Chart of the 1st and the 2nd Phase of the Project

2 提標(biāo)擴(kuò)建方案

2.1 原水水質(zhì)及一、二期工程運(yùn)行狀況分析

該水廠原水取自通榆河，根據(jù)2011年—2013年水源地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全年大部分時(shí)段原水水質(zhì)滿足地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(表1)，但夏季氨氮、耗氧量以及鐵、錳等指標(biāo)濃度偏高，屬于典型的微污染水源水。

一、二期工程采用“管式靜態(tài)混合器+網(wǎng)格絮凝平流沉淀池+氣水反沖洗濾池+液氯消毒”處理工藝，表2給出了2011年—2013年一、二期工程出廠水水質(zhì)情況。由表2可知，一、二期工程常規(guī)處理工藝運(yùn)行狀況良好，出廠水色度、濁度、耗氧量、氨氮及菌落總數(shù)等指標(biāo)均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求。考慮到原水水質(zhì)波動(dòng)較大且夏季呈現(xiàn)微污染的特點(diǎn)，為保證出廠水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，需在原有常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增加預(yù)處理及深度處理工藝。

表1 2011年—2013年原水水質(zhì)情況Tab.1 Raw Water Quality from 2011 to 2013

表2 2011年—2013年出廠水水質(zhì)情況Tab.2 Finished Water Quality from 2011 to 2013

2.2 提標(biāo)擴(kuò)建方案的確定

(1)預(yù)處理工藝

為強(qiáng)化對(duì)有機(jī)物、鐵、錳等污染物的去除，預(yù)處理工藝選擇應(yīng)用廣泛的預(yù)臭氧工藝。該工藝位于凈水廠工藝流程的最前端，可以有效去除原水中的鐵、錳、色度、嗅味物質(zhì)，降解大分子有機(jī)物，改善絮凝、澄清效果[1]。

(2)常規(guī)處理工藝

一、二期工程采用“管式靜態(tài)混合器+網(wǎng)格絮凝/平流沉淀池+氣水反沖洗濾池+液氯消毒”工藝。本次提標(biāo)擴(kuò)建工程需要增加10×104m3/d規(guī)模常規(guī)處理工藝。管式靜態(tài)混合器是我國(guó)凈水廠常采用的混合形式，具有混合效果好、造價(jià)低、占地小、易于管理維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；網(wǎng)格絮凝池通過(guò)網(wǎng)格的擾流作用形成分布均勻的微旋渦紊流，為絮凝創(chuàng)造了有利條件，具有絮凝時(shí)間短、水損小、藥耗低、占地少、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)水質(zhì)變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性[2]。氣水反沖洗濾池最初由法國(guó)得利滿公司開發(fā)，具有濾速高、過(guò)濾周期長(zhǎng)、出水濁度低等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于大中型水廠。考慮到一、二期工程運(yùn)行效果良好，并結(jié)合廠區(qū)用地緊張的情況以及擴(kuò)建工程與一、二期工程的銜接問題，擴(kuò)建工程常規(guī)處理工藝仍采用“管式靜態(tài)混合器+網(wǎng)格絮凝/平流沉淀池+氣水反沖洗濾池”工藝。

(3)深度處理工藝

深度處理工藝選擇臭氧-生物活性炭工藝。該工藝集臭氧化學(xué)氧化、臭氧殺菌消毒、活性炭吸附及生物降解于一體[3]，可以有效去除氨氮、有機(jī)污染物和嗅味物質(zhì)[4-5]，是處理微污染原水的主流工藝，具有運(yùn)行穩(wěn)定、出水水質(zhì)好、可改善飲用水口感、保障飲用水生物穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)[6]，截至2017年底，江蘇省已實(shí)施深度處理工藝的79個(gè)水廠中大部分均采用臭氧-生物活性炭工藝作為深度處理工藝。考慮到原水水質(zhì)波動(dòng)較大及夏季呈微污染的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用后置式臭氧-生物活性炭工藝，原水經(jīng)過(guò)預(yù)臭氧和常規(guī)工藝處理后，生物活性炭工藝的進(jìn)水水質(zhì)有較可靠的保證。該工藝對(duì)原水水質(zhì)水量的變化適應(yīng)性較強(qiáng)，適宜微污染原水的處理[7]。此外，一、二期工程清水池已建成30×104m3/d規(guī)模，由于清水池運(yùn)行水位的限制，為保證增加深度處理工藝后清水池水位不變，需在氣水反沖洗濾池后增加中間提升泵房，同時(shí)考慮到廠區(qū)預(yù)留用地較緊張，為節(jié)省占地并保證流程順暢，中間提升泵房和深度處理構(gòu)筑物采用合建形式。提標(biāo)改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 提標(biāo)擴(kuò)建工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Upgrading and Extension Project

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)臭氧接觸池

預(yù)臭氧接觸池采用豎向流、全密封形式，設(shè)計(jì)規(guī)模為30×104m3/d，設(shè)置1座，分2格，單格尺寸L×B×H=17.75 m×5.55 m×7.0 m(有效水深為6.0 m)。臭氧接觸反應(yīng)系統(tǒng)采用鈦合金微孔曝氣盤形式，按比例控制臭氧投加量，臭氧最大投加量為1.0 mg/L，接觸時(shí)間為4.5 min。同時(shí)，設(shè)置2臺(tái)臭氧尾氣破壞裝置以分解尾氣中的臭氧，避免對(duì)空氣造成二次污染。

3.2 管式靜態(tài)混合器

一、二期工程已安裝2臺(tái)10×104m3/d規(guī)模的管式靜態(tài)混合器，三期擴(kuò)建工程增加1臺(tái)10×104m3/d規(guī)模的GJH-1200管式靜態(tài)混合器，長(zhǎng)為4 300 mm，碳鋼材質(zhì)，用于投加PAC。

3.3 網(wǎng)格絮凝/平流沉淀池

網(wǎng)格絮凝池的工作原理是在全池2/3的分隔內(nèi)水平放置網(wǎng)格，當(dāng)水流進(jìn)入網(wǎng)格時(shí)形成收縮，通過(guò)網(wǎng)格后水流擴(kuò)大，形成良好的絮凝條件。網(wǎng)格絮凝池與平流沉淀池合建，設(shè)計(jì)規(guī)模為10×104m3/d，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置1座，分2組，每組平面尺寸L×B=115.6 m×14.6 m，網(wǎng)格絮凝池高度為5.0 m，有效水深為4.6 m；平流沉淀池高度為3.5 m，有效水深為3.2 m。設(shè)計(jì)絮凝時(shí)間為16 min，沉淀時(shí)間為105 min，水平流速為15 mm/s。每組網(wǎng)格絮凝池設(shè)63個(gè)網(wǎng)格，其中，第1個(gè)網(wǎng)格尺寸為3.36 m×1.58 m，其余網(wǎng)格尺寸均為1.60 m×1.58 m。網(wǎng)格絮凝池與平流沉淀池之間采用穿孔花墻配水，配水孔大小為0.30 m×0.30 m。網(wǎng)格絮凝池采用DN200穿孔排泥管進(jìn)行排泥，設(shè)置40只膜片式快開排泥閥。平流沉淀池通過(guò)2臺(tái)虹吸刮泥機(jī)進(jìn)行排泥，虹吸刮泥機(jī)行走功率為2×0.55 kW，真空泵功率為1.5 kW。

3.4 氣水反沖洗濾池及反沖洗泵房

氣水反沖洗濾池設(shè)計(jì)規(guī)模為10×104m3/d，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置1座，分2組，雙排布置，中間為管廊，每組4格，共8格，每格濾床面積為70 m2，設(shè)計(jì)濾速為8 m/h。濾料采用均質(zhì)石英砂，有效粒徑為0.9～1.2 mm，不均勻系數(shù)為1.2～1.4，厚度為1.2 m。承托層采用粒徑為2～4 mm的粗石英砂，厚度為50 mm。濾池反沖洗方式采用先氣洗、再氣水同時(shí)反沖洗、最后水洗、伴隨全過(guò)程的表面橫向掃洗。反沖洗強(qiáng)度及歷時(shí)：氣沖洗強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，沖洗時(shí)間為3 min；氣水同時(shí)沖洗時(shí)，氣強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，水強(qiáng)度為3 L/(s·m2)，沖洗時(shí)間為4 min；水沖洗強(qiáng)度為6 L/(s·m2)，沖洗時(shí)間為5 min；表面橫向掃洗水強(qiáng)度為2 L/(s·m2)，全過(guò)程。

反沖洗泵房與氣水反沖洗濾池合建，同時(shí)為氣水反沖洗濾池和活性炭濾池服務(wù)，平面尺寸L×B=33.9 m×8.3 m，設(shè)置4臺(tái)臥式離心泵，3用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=750 m3/h，H=12 m，N=45 kW，氣水反沖洗濾池1格反沖洗時(shí)開2臺(tái)泵，活性炭濾池1格反沖洗時(shí)開3臺(tái)泵；設(shè)置4臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)，3用1備，單臺(tái)參數(shù)：Q=31.5 m3/min，H=5 000 mm H2O，N=45 kW，氣水反沖洗濾池1格反沖洗時(shí)開2臺(tái)風(fēng)機(jī)，活性炭濾池1格反沖洗時(shí)開3臺(tái)風(fēng)機(jī)。

3.5 中間提升泵房

一、二期工程已經(jīng)建成30×104m3/d的清水池，由于清水池水位已經(jīng)確定，為保證提標(biāo)擴(kuò)建后清水池水位不變，新增1座30×104m3/d規(guī)模的中間提升泵房，中間提升泵房與后臭氧接觸池、活性炭濾池合建以節(jié)約用地面積，泵房?jī)?nèi)的提升泵安裝變頻器以滿足水廠實(shí)際運(yùn)行中生產(chǎn)規(guī)模變化的需求。泵房集水池內(nèi)設(shè)溢流管，當(dāng)水廠停電或水泵出現(xiàn)故障時(shí)，集水池內(nèi)的水可溢流至清水池，泵房不會(huì)被淹沒。中間提升泵房設(shè)計(jì)規(guī)模為30×104m3/d，平面尺寸L×B=18.9 m×13.8 m，上部建筑物高度為7 m，下部集水池深度為4.3 m，有效水深為3.5 m。泵房?jī)?nèi)設(shè)置5臺(tái)立式混流泵，4用1備，其中2臺(tái)變頻，單臺(tái)參數(shù)：Q=3 282 m3/h，H=6.7 m，N=132 kW。

3.6 后臭氧接觸池

后臭氧接觸池采用豎向流、全密封形式，設(shè)計(jì)規(guī)模為30×104m3/d，有效水深為6.0 m，設(shè)置1座，分2組，每組分2格，每格分3段。第1段的作用是滿足能與臭氧快速反應(yīng)的物質(zhì)所消耗的臭氧量，保證出水含有繼續(xù)殺滅細(xì)菌、病毒、寄生蟲和氧化有機(jī)物所必需的臭氧剩余量[8]；第2段的作用是補(bǔ)充臭氧以維持必要的臭氧濃度，保證足夠的接觸時(shí)間以殺滅細(xì)菌和病毒；第3段的作用是進(jìn)一步殺滅細(xì)菌和病毒，同時(shí)去除難降解有機(jī)物。3段接觸時(shí)間分別為4、3、3 min，總接觸時(shí)間為10 min，臭氧投加量比例為2∶1∶1，最大臭氧投加量為2.0 mg/L。此外，設(shè)置2臺(tái)臭氧尾氣破壞裝置以分解尾氣中的臭氧，每臺(tái)裝置尾氣破壞量為13.5 kg/h，功率為4 kW。

3.7 活性炭濾池

活性炭濾池的作用是通過(guò)活性炭的物理化學(xué)吸附作用和附著生長(zhǎng)在活性炭上生物膜的生物降解作用去除經(jīng)后臭氧接觸池氧化后的各類小分子有機(jī)污染物。活性炭濾池池型與氣水反沖洗濾池相似，設(shè)計(jì)規(guī)模為30×104m3/d，分2組，雙排布置，中間為管廊，每組8格，共16格，每格濾床面積為105 m2，設(shè)計(jì)濾速為8 m/h。活性炭濾料采用多孔隙、高硬度、價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛的煤質(zhì)破碎炭，有效粒徑為1.0～1.2 mm，不均勻系數(shù)≤2.0，濾層厚度為1.6 m。由于活性炭濾池出水存在細(xì)菌偏高的問題，為截留出水中的細(xì)菌和顆粒物，在活性炭濾層下設(shè)置砂濾層，濾料采用均質(zhì)石英砂，有效粒徑為0.9～1.2 mm，不均勻系數(shù)為1.2～1.4，濾層厚度為0.4 m。在濾層下設(shè)置承托層，承托層采用礫石，分5層，其粒徑級(jí)配排列由下至上分別是：8～16 mm，厚為50 mm；4～8 mm，厚為50 mm；2～4 mm，厚為50 mm；4～8 mm，厚為50 mm；8～16 mm，厚為50 mm。濾池反沖洗方式采用氣水反沖洗，氣沖洗強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，沖洗時(shí)間為3 min；水沖洗強(qiáng)度為6 L/(s·m2)，沖洗時(shí)間為7 min；表面橫向掃洗水強(qiáng)度為2 L/(s·m2)，全過(guò)程。

中間提升泵房、后臭氧接觸池及活性炭濾池具體的平面布置如圖3所示。

圖3 中間提升泵房、后臭氧接觸池及活性炭濾池平面圖Fig.3 Plane Diagram of Intermediate Pumping House, Post Ozone Contactor and Activated Carbon Filter

3.8 臭氧發(fā)生間

土建規(guī)模為30×104m3/d，設(shè)置1座，地上式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸L×B=24.7 m×11.5 m，層高為5.0 m。制備臭氧的原料選擇液氧，在臭氧發(fā)生間外設(shè)置1個(gè)50 m3液氧儲(chǔ)罐，制備的臭氧供應(yīng)預(yù)臭氧接觸池和后臭氧接觸池。臭氧發(fā)生間內(nèi)設(shè)置3臺(tái)管式臭氧發(fā)生器，單臺(tái)臭氧發(fā)生器制備能力為12.5 kg/h，制備臭氧濃度為10%。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

(1)根據(jù)原水水質(zhì)波動(dòng)較大且夏季呈現(xiàn)微污染的特點(diǎn)，本次提標(biāo)擴(kuò)建工程選擇“預(yù)臭氧+常規(guī)處理工藝+臭氧生物活性炭”工藝。該工藝在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，適合處理微污染原水，具有適應(yīng)水質(zhì)水量變化、出水水質(zhì)好且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以有效保障飲用水安全。

(2)由于一、二期工程運(yùn)行效果較好，廠內(nèi)運(yùn)行管理人員已在生產(chǎn)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，且考慮到一、二期工程與擴(kuò)建工程的銜接，本次擴(kuò)建工程常規(guī)處理工藝與一、二期工程保持一致，采用“管道混合器+網(wǎng)格絮凝/平流沉淀池+氣水反沖洗濾池”。

(3)在提標(biāo)擴(kuò)建用地緊張的情況下，采取多種措施以減少構(gòu)筑物占地面積并節(jié)省投資，如常規(guī)工藝中選擇占地較小的管式靜態(tài)混合器和網(wǎng)格絮凝池；將氣水反沖洗濾池和活性炭濾池的反沖洗泵房合建，既可以減少占地投資也便于運(yùn)行管理；將中間提升泵房、后臭氧接觸池和活性炭濾池合建，既可節(jié)約占地面積、減少土建投資，亦可保證工藝流程的順暢，減小水頭損失。

(4)由于深度處理工藝采用了后置式生物活性炭工藝，為了解決活性炭濾池出水微生物泄露以及濁度升高的問題，設(shè)計(jì)在活性炭濾層下設(shè)置了0.4 m厚度的砂濾層。

5 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

本工程總投資為13 545.39萬(wàn)元，其中，工程費(fèi)用為11 144.81萬(wàn)元，工程其他費(fèi)用為1531.98萬(wàn)元，工程預(yù)備費(fèi)用為633.84萬(wàn)元，鋪底資金為234.76萬(wàn)元。單位制水總成本為0.879元/m3(常規(guī)處理為0.693元/m3，深度處理為0.186元/m3)，單位制水經(jīng)營(yíng)成本為0.763元/m3(常規(guī)處理為0.630元/m3，深度處理為0.133元/m3)。

6 運(yùn)行效果分析

工程建成投產(chǎn)以來(lái)，出廠水水質(zhì)良好，表3給出了2016年—2017年出廠水水質(zhì)情況。由表3可知，提標(biāo)擴(kuò)建后的出廠水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求，多項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于提標(biāo)改造之前，其中，耗氧量、氨氮、菌落總數(shù)等水質(zhì)指標(biāo)改善明顯。表明，采用“預(yù)臭氧+常規(guī)工藝+臭氧生物活性炭”工藝可以有效去除氨氮及有機(jī)污染物，可顯著改善出廠水水質(zhì)；同時(shí)，出廠水濁度的降低以及菌落總數(shù)的減少表明在活性炭濾層下設(shè)置砂濾層可以有效解決后置式臭氧-活性炭工藝炭池出水濁度升高及微生物泄露的問題。此外，對(duì)比不同季節(jié)出廠水水質(zhì)情況，冬季出廠水水質(zhì)劣于其他季節(jié)，濁度、耗氧量、氨氮等指標(biāo)略高于其他季節(jié)，建議水廠在冬季生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)整絮凝劑和臭氧的投加量，以確保全年出廠水水質(zhì)基本穩(wěn)定。

表3 2016年—2017年出廠水水質(zhì)情況Tab.3 Finished Water Quality of 2016—2017

7 結(jié)論

(1)江蘇某水廠在原有20×104m3/d規(guī)模常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增加10×104m3/d規(guī)模常規(guī)處理，同時(shí)，增加了30×104m3/d規(guī)模的預(yù)處理及深度處理，提標(biāo)擴(kuò)建后總規(guī)模達(dá)到30×104m3/d。

(2)根據(jù)原水水質(zhì)波動(dòng)較大以及季節(jié)性呈現(xiàn)微污染的特點(diǎn)，結(jié)合廠區(qū)用地緊張并考慮一、二、三期工程銜接的問題，選擇“預(yù)臭氧+管式靜態(tài)混合器+網(wǎng)格絮凝平流沉淀池+臭氧生物活性炭+液氯消毒”處理工藝。該工藝具有功能分區(qū)合理、布置緊湊、工藝流程順暢、適應(yīng)水質(zhì)水量變化等特點(diǎn)，建成運(yùn)行后出廠水水質(zhì)優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求，且較提標(biāo)改造之前常規(guī)處理工藝的出廠水水質(zhì)有較大改善，保證了當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟踩岣吡水?dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量。

(3)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，在活性炭濾層下設(shè)置砂濾層可以有效解決后置式臭氧活性炭工藝炭池出水濁度升高及微生物泄露的問題。

(4)季節(jié)變化會(huì)影響原水水質(zhì)和出廠水水質(zhì)，建議水廠在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)原水水質(zhì)及季節(jié)變化情況及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，確保出廠水水質(zhì)穩(wěn)定。