后置下向流臭氧-生物活性炭工藝深度處理工程應用

畢愛軍

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

根據調查，目前福建地區的城市水廠基本還是采用常規處理工藝，即工藝流程由混凝、沉淀(澄清)、過濾和消毒組成，其主要去除對象為水中懸浮物、膠體物和部分大分子有機物，并殺滅水中絕大部分細菌和病毒，保證飲用水的基本安全性。由于城市和工業的快速發展，水源水體普遍受到有機物的污染，此外氯消毒能與有機物反應生成對人體健康有害的消毒副產物，常規處理工藝對此去除能力有限。而臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝將臭氧與活性炭聯用，對去除水中多種有機物效果顯著，可進一步保證飲用水的化學安全性[1]。根據福建某水廠的水源水質特點和對出水水質提升的要求，設計在常規處理工藝的基礎上增加了臭氧-生物活性炭深度處理工藝，并采用后置下向流的形式，運行后取得了較好的效果。

1 工程概況

水廠為新建工程，遠期設計規模為40 萬m3/d，一期建設規模為20 萬m3/d。水源為某河流攔河閘前水庫水，根據月度水源檢驗報告，水源水質總體較好，基本達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ類水體水質標準。但是，水質受季節、天氣影響波動較大，水體存在微污染狀況，主要體現在渾濁度、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數、錳等指標，局部時段還會出現總氮、氨氮、錳超標的情況。2019年的原水水質分析如表1所示。

表1 2019年度原水水質分析Tab.1 Analysis of Raw Water Quality in 2019

為對比常規處理工藝的處理效果及了解深度處理的必要性，對取用同一水源、采用常規處理工藝的另一座現狀水廠2019年出廠水水質進行分析，如表2所示。由表2可知，出廠水水質符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求，但指標變化幅度較大，與國內采用深度處理工藝的一些水廠的優質出廠水尚有距離。另有研究表明[2-3]，常規處理工藝與臭氧-生物活性炭深度處理工藝相比，出廠水水質特別是三鹵甲烷總量、溶解性有機物、高錳酸鹽指數及鋁還存在一定差距，對部分新興污染物的去除能力也明顯不足。

表2 同一水源常規處理工藝水廠2019年出廠水水質分析Tab.2 Analysis on Water Quality of Waterworks by Conventional Treatment Process of Same Water Source in 2019

該水廠作為當地水質提升的示范工程，處理工藝采用強化常規處理+臭氧-生物活性炭深度處理，水廠供水水質目標是在滿足現行國標限值的基礎上，各項指標得到全面提升，實現高標準優質供水。關鍵水質指標內控標準限值提升：渾濁度為0.2 NTU，色度為5度，氣味為3 TON，高錳酸鹽指數為1.5 mg/L，鋁為0.15 mg/L，鐵為0.2 mg/L，錳為0.05 mg/L，菌落總數為20 CFU/mL，游離氯為0.3～1.5 mg/L，三氯甲烷為0.04 mg/L，三氯乙醛為0.008 mg/L，三鹵甲烷總量為0.7，氯酸鹽為0.5 mg/L，甲醛為0.08 mg/L，溴酸鹽為0.005 mg/L，亞硝酸鹽為0.1 mg/L。出廠水合格率不低于98%。

2 工藝布置形式及特點

臭氧-生物活性炭工藝布置形式有前置和后置之分，活性炭濾池有上向流和下向流(重力流)之別。根據對國內部分水廠的臭氧-生物活性炭工藝搭配組合形式的研究[4]，在各種組合中，上向流臭氧-生物活性炭工藝多為前置式；下向流臭氧-生物活性炭工藝多為后置式，少數采用前置式。對常用臭氧-生物活性炭工藝布置形式進行比較如表3所示。

表3 臭氧-生物活性炭工藝布置形式比較Tab.3 Comparison of Process Layout of Ozone-Bioactivated Carbon

根據水源及工藝形式特點，本工程原水水質尚可、渾濁度較高、有機物含量相對較低，深度處理目標僅為進一步提升水質，故采用后置下向流臭氧-生物活性炭工藝。工藝布置是在常規處理前先預加臭氧，經過常規處理后再投加臭氧，最后經活性炭濾池重力流過濾。

臭氧-生物活性炭工藝水力流程如圖1所示。工藝布置上，在預臭氧和后臭氧-炭濾工藝處分別設置超越管，可根據水質情況考慮是否超越，以保持工藝運行的靈活性。

圖1 臭氧-生物活性炭工藝水力流程Fig.1 Hydraulic Process of Ozone-Bioactivated Carbon Process

3 工藝設計[7-12]

3.1 預臭氧接觸池

3.1.1 預臭氧作用

臭氧為一種強氧化劑，用于凈水處理的預氧化，其主要作用是：氧化溶解的鐵、錳離子及氰化物、硫化物、亞硝酸鹽，減少三鹵甲烷及其前體物質，脫色、脫嗅、脫味，增強絮凝效果等。

3.1.2 總體布置及技術參數

預臭氧接觸池設置在原水配水井后、混合池前，對原水進行預氧化。土建按一期規模設計實施，平面尺寸為18.30 m×10.20 m，池凈深為7.00 m，最大水深為6.30 m，分2格，每格中間設5道豎向導流隔板，使水流豎向流動、上下翻滾，實現與臭氧的充分接觸。隔板將池子分成6段，第1段為進水配水段，第2段為臭氧投加段，第3～5段為接觸反應段，第6段為出水配水段。出水采用矩形薄壁堰跌落自由出流，每格堰寬為4.5 m，堰上水頭為0.35 m。池體上部設置1間設備間，放置增壓泵、水射器等投加裝置以及臭氧尾氣破壞裝置、臭氧監測儀等設備。預臭氧設計最大投加率為1.0 mg/L，接觸時間為6.3 min，目前實際投加量在0.3 mg/L左右。

3.1.3 預臭氧投加系統

預臭氧接觸池每格設1個臭氧投加點，按照被隔板分隔的區段，在每格池子的第2段設置1根DN80的投加管和1套增效噴嘴組擴散裝置。從臭氧發生間過來的臭氧氣體采用文丘里水射器抽吸后，經投加管注入到預臭氧接觸池，并通過擴散裝置快速擴散到水體中，使臭氧與水快速接觸、混合、反應。

3.1.4 臭氧尾氣破壞系統

為防止沒有溶解到水里的剩余臭氧尾氣直接排放到大氣中污染環境，在預臭氧接觸池每格池子的第6段設置1個DN80的尾氣收集口，將沒有溶解的臭氧在收集口收集起來，經除霧器后，通過DN40/DN32的尾氣收集管輸送至尾氣破壞裝置中，臭氧尾氣被破壞分解、重新還原為氧氣后，排放到室外，排放的臭氧濃度要求不高于0.1×10-6。

臭氧尾氣破壞系統采用催化式(觸媒式)臭氧破壞裝置，尾氣先通過1臺風機抽出來，再通過1個預加熱帶將尾氣溫度升高15～20 ℃，最后進入尾氣破壞帶通過催化破壞方式將臭氧破壞掉。臭氧破壞裝置規格：Q=73 Nm3/h，N=1.55 kW。

臭氧破壞裝置前設置除霧器，規格為DN80，防止水滴進入臭氧破壞裝置影響催化劑的使用效果。除霧器為一個絲網結構的氣水分離裝置，安裝在接觸池上方的收集口處，分離后的凝結水直接回流至接觸池。

預臭氧接觸池池頂安裝雙向安全閥，確保池內氣壓能自動釋放，防止形成真空或正壓狀態。在每格池子的第1段池頂設置1個規格為DN80(1.0 MPa)的壓力/真空結合的雙向安全閥，通過調節閥體設置，保持一定的壓力/真空度。

3.2 砂濾水提升泵房

水廠原地勢較低，按照防洪要求，廠區需全部回填到10.5 m高程(1985國家高程基準)，工藝流程無法利用地勢采取全重力流。為減少臭氧-生物活性炭深度處理設施和清水池、送水泵房的埋深，節省土建費用，對常規處理后的砂濾水進行提升后再進入深度處理設施，中間設置砂濾水提升泵房。

砂濾水提升泵房與常規處理的砂濾池反沖洗泵房合建，設置在砂濾池出水總堰后。以往水廠深度處理中間提升水泵多采用立式混流泵和潛水混流泵，雖具有占地空間小的優勢，但運行效率較低，且安裝檢修難度較大，故本工程設計采用了高效臥式離心泵，并設置變頻調節，使泵房進出水量精準匹配，避免溢流或頻繁啟停水泵，保持水泵靈活、高效運行，節省電耗。提升泵房采用半地下式泵房，水泵全自灌啟動。平面尺寸為32.86 m×15.20 m，地下部分深為4.10 m。泵房內按遠期規模布置5臺泵位，雙排交錯布置，盡量節省占地空間，一期先安裝3臺水泵，2用1備。單臺水泵參數：Q=5 200 m3/h，H=8 m，N=160 kW。

3.3 后臭氧接觸池

3.3.1 后臭氧作用

后臭氧的主要作用：消毒、滅活病毒和原生動物，氧化有機物質，將COD轉化為BOD，氧化分解螯合物，減少出廠水加氯量，為生物活性炭濾池提供充足氧氣等。

3.3.2 總體布置及技術參數

后臭氧接觸池設置在砂濾水提升泵房后、活性炭濾池前。土建按一期規模設計實施，平面尺寸為37.15 m×10.20 m，池凈深為7.00 m，最大水深為6.40 m。分2格，每格中間設7道豎向導流隔板，將池子分成8段，第1段為進水配水段，第2～7段為臭氧投加和接觸反應段，第8段為出水配水段。出水采用矩形薄壁堰跌落自由出流，每格堰寬為4.5 m，堰上水頭為0.35 m。池體上部設置1間設備間，放置臭氧分配器等投加裝置以及臭氧尾氣破壞裝置、臭氧監測儀等設備。后臭氧設計最大投加率為2.0 mg/L，接觸時間為13.5 min，目前實際投加量在0.6 mg/L左右。

3.3.3 后臭氧投加系統

進入后臭氧接觸池的水為經過常規處理后的凈水，其鐵、錳及藻類含量少，后臭氧投加系統采用簡潔高效的陶瓷微孔曝氣盤。采用3級投加，臭氧投加量依次為50%、25%、25%。每格設3個臭氧投加點，分別在被隔板分隔的第2、4、6段各設置1根DN15的投加管，第1級布置18個曝氣盤，第2、3級各布置13個曝氣盤，曝氣盤規格D=178 mm。曝氣盤按一定優化的排陣方式布置在后臭氧接觸池中，以達到優化布氣及實現傳質效率的最大化，臭氧擴散效率高于95%。

3.3.4 臭氧尾氣破壞系統

后臭氧接觸池臭氧尾氣破壞系統與預臭氧接觸池基本相同，僅規格有差異。在每格池子的第7段設置1個DN100的尾氣收集口，經過除霧器后，通過DN50的尾氣收集管輸送至尾氣破壞裝置中。臭氧破壞裝置規格：Q=162 Nm3/h，N=3.2 kW；除霧器規格為DN100；雙向安全閥規格為DN150(1.0 MPa)，設置在每格池子的第1段池頂。

3.4 臭氧發生間

3.4.1 臭氧產生原理

工藝需使用臭氧氣體，其本身不穩定，必須現場制備。臭氧的產生是使用臭氧發生器在現場通過無聲放電的方式，將原料氣中的氧氣(低溫等離子體)轉化為臭氧；在臭氧產生過程中，氧氣分子首先在中頻高壓形成的低溫等離子區分裂，生成的氧原子與氧分子結合形成臭氧，并在發生器2個電極之間的狹小間隙中產生。

3.4.2 臭氧發生系統組成

(1)臭氧發生器

臭氧發生器的核心部件是放電管，2個電極通過均質硼硅光學玻璃制成的絕緣管隔離(其中，高壓電極端接高電壓，殼體接地)形成高壓電場，以無聲放電的方式將氧氣轉化為臭氧。國內現有水廠臭氧發生器多采用臥式安裝，占地空間較大，本次設計臭氧發生器采用新型立式安裝，與供電單元及控制系統一起并排固定在2個獨立的底座上，大大節省了占地空間，管線布置簡潔美觀，操作維護直觀方便。

(2)供電單元

供電單元特殊設計的變頻器為電極提供中頻電壓，并保持恒定不變，通過變頻來實現臭氧產量的變化調節，達到穩定高效的運行效率。臭氧發生器放電電壓為5.5 kV，可在1～1 000 Hz變頻運行。

(3)氮氣投加系統

臭氧發生器采用液氧為原料氣，當液氧的質量需要添加氮氣時，氮氣投加系統可提供氮氣，以保證臭氧的順利生成。

(4)冷卻水系統

根據冷卻水的水質和水量情況，采用閉環間接冷卻水系統，包括外環冷卻水和內環冷卻水。外環冷卻水為開路循環，對水質要求不高，進水接廠區自來水，出水至回收水池；內環冷卻水為閉路循環，對水質要求相對較高，由廠家配套提供。

(5)儀表系統

儀表系統對臭氧的制備和投加過程進行監控，包括進氣露點測量儀、氧氣/臭氧環境低濃度氣體監測儀(泄漏報警)、聲光報警儀、產品氣臭氧濃度檢測儀、水中溶解臭氧濃度監測儀、尾氣臭氧監測儀(接觸池后，尾氣破壞裝置前)、排氣臭氧監測儀(尾氣破壞裝置后)、便攜式臭氧檢測儀等。

(6)控制系統

臭氧系統通過高效的中央可編程控制器自動和手動控制，主要功能包括臭氧發生器啟停、原料氣系統控制、冷卻水系統控制、臭氧產量和投加量控制、氧氣及臭氧泄漏報警、余臭氧破壞、系統故障反應等。主要工藝控制參數包括進氣露點、臭氧氣體流量及濃度、冷卻水量、氧氣/臭氧環境濃度、臭氧投加量、水中臭氧濃度及尾氣臭氧濃度等。

3.4.3 臭氧發生系統技術參數

水廠臭氧設計最大投加率為3.0 mg/L，按遠期規模臭氧最大投加量為1 260 kg/d(52.50 kg/h)，一期規模臭氧最大投加量為630 kg/d(26.25 kg/h)。遠期共配置5臺臭氧發生器，一期安裝3臺，2用1備。單臺臭氧發生器規格：在外環冷卻水入口水溫為30 ℃、臭氧濃度≥10 wt%的狀態下，制備能力為15 kg O3/h，總功率為152.7 kW，臭氧產量為10%～100%，臭氧濃度為6 wt%～14 wt%。按額定制備能力，單臺臭氧發生器的液氧需量為0.132 m3/h，氧氣氣體需量為104.9 m3/h，冷卻水需量(外環)為43.9 m3/h，產生的臭氧氣體流量為101.4 Nm3/h(10 wt%)。一期與臭氧發生器配套設置3套冷卻水系統，冷卻水循環泵規格：Q=45 m3/h，H=20 m，N=4.0 kW。另設置1套氮氣投加系統，空壓機規格：Q=0.15 m3/min，H=1.0 MPa，N=1.5 kW。目前，運行僅需啟用1臺臭氧發生器，產量在4 kg O3/h左右。

3.4.4 總體布置

臭氧發生間土建按遠期規模1次設計實施，設備分期安裝。平面尺寸為34.20 m×18.00 m，凈高為5.00 m。根據功能分成3個房間，分別為臭氧發生器間、配套設備間和配電控制間。臭氧發生器間主要放置臭氧發生器及供電單元，配套設備間主要放置冷卻水設備和氮氣投加設備，配電控制間主要放置配電和控制設備。臭氧發生器間考慮機械通風換氣，設置6臺軸流風機，布置在長側外墻的底部，風機參數：Q=7 500 m3/h，N=1.1 kW，可保證20次/h的換氣頻率。

3.5 液氧站

臭氧發生器采用氧氣作為原料氣，一般有2種來源：外購液氧(LOX)或現場制備氧氣。直接外購，可省卻制氧設備，管理方便省事，氣源質量也有保證；現場制備，氧氣設備多，操作管理程序繁瑣。考慮到水廠附近有制氧工廠，故采取外購液氧作原料氣。

液氧站的作用是儲存液氧，進行氣化、調壓后，提供給臭氧發生器作為原料氣，主要設備有液氧儲罐、蒸發器和調壓裝置等。設置鋼制液氧儲罐2個，每個容積為30 m3，壓力為0.6 MPa，按液氧標準狀態下密度為1.14×103kg/m3，1個儲罐儲存液氧的最大質量為34 200 kg。根據水廠需要的日最大臭氧投加量，達到遠期規模時液氧可使用約5 d，一期規模時可使用約10 d。一期先設置蒸發器和調壓裝置各1套，遠期再各增加1套，規格為300 kg/h。液氧站基礎平面尺寸為11.0 m×8.0 m，周圍設置防護柵欄進行安全隔離，基礎埋深需根據儲罐荷載，并考慮防臺風等要求確定。

3.6 活性炭濾池

3.6.1 活性炭濾池作用

活性炭濾池與臭氧接觸池結合，使活性炭同時具備物理吸附和生物降解的雙重作用，可有效去除常規處理難以去除的各種有機污染物、氨氮、亞硝酸鹽氮及色、臭、味等。

3.6.2 池型選擇

水廠采用后置下向流臭氧-生物活性炭工藝，活性炭濾池池型的選擇至關重要，關系到活性炭作用的有效發揮和出水的化學及生物安全性。在實際應用中，下向流活性炭濾池的型式主要有普通快濾池、V型濾池和翻板濾池，3種濾池型式比較如表4所示。根據綜合分析比較，設計推薦采用翻板濾池型式[6]。

表4 活性炭濾池型式比較Tab.4 Comparison of Activated Carbon Filter Types

3.6.3 總體布置及技術參數

活性炭翻板濾池分期建設，一期按設計規模先建設1組。平面尺寸為51.63 m×41.90 m，采用雙排布置，每排6格，共12格。每格濾池進水閘門尺寸為0.5 m×0.5 m，排水采用翻板濾池特有的翻板閥，規格為2孔3.2 m×0.2 m。每格濾池長為11.0 m，寬為8.0 m，單格有效過濾面積為88 m2，正常濾速為8.29 m/h，強制濾速為9.04 m/h。濾池豎向總高度為7.7 m，從下往上：中央配水配氣渠高為1.65 m，承托層厚為0.45 m，濾料層厚為3.0 m，設計水深為1.75 m，安全超高為0.85 m。配水配氣系統主要由配水配氣渠、配水配氣立管和U型濾管(俗稱“面包管”)組成，屬小阻力配水系統。承托層采用不同粒徑礫石多層級配方式，共分4層，各層承托層自下而上的粒徑及厚度分別為：粒徑12～25 mm，厚度為150 mm；粒徑8～12 mm，厚度為100 mm；粒徑4～8 mm，厚度為100 mm；粒徑2～4 mm，厚度為100 mm。濾料采用雙層濾料，上層活性炭濾料，下層均質石英砂濾料。活性炭采用煤質壓塊破碎炭，規格為8×20目，碘吸附值≥950 mg/g，亞甲藍吸附值≥180 mg/g，苯酚吸附值≥140 mg/g，厚度為2.4 m；石英砂粒徑為0.8～1.2 mm，不均勻系數K80<1.5，厚度為0.6 m。濾池正常運行炭床接觸時間為17.37 min。根據配水系統、承托層、濾料層及反沖洗周期，濾池運行最大水損采用2.30 m。

濾池反沖洗泵房平面尺寸為19.65 m×15.55 m，緊靠濾池設置，方便與二期共用，分為地下和地上兩部分，內設反沖洗水泵、鼓風機、空壓機和配電柜等設備。濾池采用氣水三階段沖洗：先氣沖，強度為15 L/(s·m2)，時間為3 min；再氣水混沖，氣沖強度為15 L/(s·m2)，水沖強度為4 L/(s·m2)，時間為3 min；最后單水沖，水沖強度為15 L/(s·m2)，分2次，時間為3 min。沖洗周期一般為3～7 d，目前水量規模較小，沖洗周期可達到6 d。

濾池運行由PLC自動控制，根據濾池水位信號與設定值的比較，控制出水調節閥自動調整其開啟度，保持濾池運行水位恒定、濾速恒定。反沖洗時，根據濾床堵塞狀態或運行經驗定時自動反沖洗，并根據反沖洗效果適時調整沖洗氣量、水量和時間，達到最佳沖洗效果。

在活性炭翻板濾池的設計上，對單格池子的長寬搭配進行優化，保證了布水均勻和反沖洗的排水效果；濾料采用了較厚的炭層和砂層，并預留了較大的過濾水頭，延長了炭床接觸時間和反沖洗周期，從而進一步保證了深度處理的效果，降低了微生物泄露的風險。

4 運行效果分析

根據水廠出廠水水質檢測結果，各項指標均遠低于現行《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的限值，關鍵水質指標達到了內控標準限值的要求。為檢驗工藝效果，抽取2020年4月連續15 d沿各工藝流程的出水水樣，選取反映工藝處理效果的主要參考指標進行比較分析，如表5所示。

表5 沿工藝流程出水指標平均值及去除率Tab.5 Average Value and Removal Rate of Effluent Indicators along the Process

由表5可知：水廠出水的渾濁度主要在常規沉淀-砂濾工藝去除，后臭氧-炭濾工藝(臭氧-生物活性炭)對渾濁度的去除效果不明顯；CODMn、UV254通過沉淀-砂濾工藝僅可去除50%左右，經后臭氧-炭濾工藝后去除率可達90%以上，對有機微污染物的去除作用較明顯，達到了提升水質的目的；渾濁度、CODMn、UV254經預臭氧工藝后指標升高，驗證了臭氧的強氧化分解作用及其改善絮凝效果的反應機理。根據對采用同一水源、相同常規處理工藝的前述現狀水廠的水質分析，其沉淀出水渾濁度一般在2～5 NTU，而本水廠的沉淀出水渾濁度一般在1～3 NTU，最低在1 NTU以下，說明預臭氧對改善絮凝沉淀效果具有一定的作用。

5 投資及成本分析

5.1 投資分析

臭氧-生物活性炭工藝的投資費用包括所有深度處理設施的土建和設備費用。其中，砂濾水提升泵房、臭氧發生間、液氧站、反沖洗泵房土建按遠期規模1次設計實施，設備按一期規模安裝，預臭氧接觸池、后臭氧接觸池、活性炭濾池土建和設備均按一期規模實施，工程總投資約7 962 萬元，約占水廠全部工程總投資的25%，按一期規模折算單位水量投資指標為398 元/m3。該指標與廠區地質狀況、建筑物采用的風格形式和設備選用的檔次有密切關系。

5.2 成本分析

對臭氧-生物活性炭工藝進行簡要成本分析[13]，計算其投資及運行總成本，如表6所示。總成本包括投資費、原材料費、電費、水費、人工費、維護費等。其中，投資費考慮資金的時間成本，按等額本息法進行折算；原材料費主要為采購液氧的費用，電費為全部用電設備運行消耗的電能費用，水費為生產用水及廢水回收的費用，人工費為生產人員的工資福利費用，維護費包括設備維修和活性炭吸附再生的費用。

表6 臭氧-生物活性炭工藝成本分析Tab.6 Cost Analysis of Ozone-Bioactivated Carbon Process

6 結語

某水廠作為福建省率先采用臭氧-生物活性炭深度處理工藝的水廠，在當前加強城市供水安全和鼓勵水質提升的大背景下，工藝的成功應用具有一定的示范意義。通過對工藝設計情況的梳理總結和對工藝運行效果、投資及成本的數據分析，為同類工程的建設提供借鑒和參考，主要結論及建議如下。

(1)后置下向流臭氧-生物活性炭深度處理工藝對于解決水源微污染問題、進一步提升水質、保障供水安全在技術上是可行的，經濟上也較為合理。工藝布置上將深度處理工藝后置，在預臭氧、后臭氧-炭濾工藝處設置超越管，可根據原水水質情況適時調整生產工藝，使運行調度更加靈活，也可節約運行成本。對于可能存在的微生物泄露問題，通過采取下向流形式在炭濾池底部設置較厚的砂墊層進行砂濾攔截，并通過后續的加氯滅活工藝協同控制，來保障出廠水的生物安全性。

(2)目前，城市供水執行《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，水廠在常規處理可基本達標的情況下，增加深度處理的必要性和依據往往不足，推廣使用缺乏動力，亟待出臺鼓勵政策和深度處理的相關標準。