關于給水廠深度處理工藝的選擇應用研究

楊俊

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東廣州 510030）

0 引言

目前，國際上及國內經濟發展較好的城市在修訂飲用水水質標準的過程中，修訂的主要重點主要包括以下部分：重視消毒劑及其副產物、重視新興污染物的影響；重視微生物指標。可以看出要求的指標數量大幅增加，指標限值要求也越來越嚴格[1]。

隨著我國經濟發展格局邁出新階段，社會經濟的高質量發展穩步推進，我國城市飲用水處理技術也將得到高質量發展，對水源水的污染控制和要求也會更嚴格。隨著檢測技術的不斷發展，飲用水中不斷有新的污染物檢出。人們對飲用水品質要求也在提高，我國現行的《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）也會進行適時調整以適應新發展的需要。結合目前國際及國內經濟發展較好的城市在修訂飲用水水質標準的過程中的變化及要求，加強對一些新興污染物和致病性的病毒等微生物的控制會是未來發展控制的趨勢。為提升城市居民使用的飲用水品質，加強關注城鎮給水系統的水質健康和安全，上海、深圳和廣州均陸續制定了地方性的飲用水水質標準，其中對較多的水質指標的控制和要求均比我國現行國標飲用水水質標準中的要求更嚴格，也更能適應國內城鎮高質量發展的需要[1]。

在原水水質較好的情況下，目前大多數自來水廠采用的“混凝+沉淀+過濾+消毒”的常規凈水工藝，一般均可保證出廠水滿足現行的生活飲用水衛生標準。常規處理主要對水中含有的無機懸浮物和大分子量有機物有較好的去除效果，而對水中含有的小分子、溶解性的有機物，如氨氮、溶解性的有機碳等去除作用較差。在原水水質較差的情況下，常規處理工藝難以保證或者進一步改善飲用水水質，目前越來越多的自來水廠通過增加深度處理工藝改善水質，降低污染物濃度從而減小余氯消耗量，有利于進一步改善自來水的飲用口感[2]。

部分自來水廠取水水源由于歷史原因以及水源保護地管理粗放等原因，部分取水水源的水質存在周期性的變差，此外，目前飲用水水質標準的要求也日趨嚴格，越來越多的自來水廠開始采取常規處理結合深度處理和預處理的凈水工藝。深度處理的方法用得最多的是臭氧-生物活性炭、膜處理工藝。

1 臭氧-生物活性炭深度處理工藝

臭氧-生物活性炭處理工藝是將臭氧氧化處理工藝和生物活性炭處理工藝有機結合使用的水處理技術，其主要原理包括臭氧對污染物的強氧化作用，活性炭濾池對污染物的吸附作用及活性炭濾池附著的微生物對污染物的生物降解作用。該組合工藝利用活性炭濾池吸附經臭氧氧化作用分解產生的小分子量污染物，也可以降低臭氧外溢對周邊環境的污染，臭氧分解后提供生物降解所需的耗氧量。此外，在活性炭濾池中附著的好氧菌可充分利用降解被吸附的小分子有機物，在充足的供氧環境下可較好的利用生物降解作用增強對水中污染物質的去除效果[3]。

臭氧-生物活性炭工藝通過臭氧強氧化作用分解有機物質、脫色、除嗅，并改善水的飲用口感，對水中含有的有機污染物、致突變性污染物、消毒產生的副產物等污染物具有較好的去除效果，并能增強處理水的生物穩定性。臭氧-生物活性炭工藝將高級氧化作用、吸附和生物降解等功能較為合理的組合應用，在實際水處理工程應用中可以大幅提高水廠的水質安全性，減少預氯氧化產生的副產物，具有長期的安全供水保障。臭氧-生物活性炭工藝運行管理方便、運行成本低，對水源突發污染處理能力強，能全面提高出水水質。

臭氧-生物活性炭處理工藝對去除水中微量有機污染物有較好的去除效果，但活性炭濾池附著的微生物也會帶來一定的生物泄露安全風險。生物活性炭表面附著有較多的細菌微生物，實際工程應用中隨著活性炭濾池的運行，會造成細菌微生物的不斷積累，不可避免地增加出水的細菌數，實際工程應用時一些微小的炭顆粒會滲漏出，增加后續的消毒難度，減弱消毒效果。有一些研究發現，臭氧-生物活性炭處理工藝對關系到飲用水安全較為重要的賈第鞭毛蟲孢囊和隱孢子蟲卵囊不是較為有效的去除工藝，甚至處理水經處理后其含有的“兩蟲”數量出現增加的情況，為保障生物安全需要設置后續處理工藝截留過濾措施來保證生物安全[3、5]。

2 膜處理深度處理工藝

膜處理工藝是在某種推動力作用下，利用膜對不同物質的選擇透過性，對水中含有的離子、分子及某些微粒進行有區別的分離。膜過濾處理的推動力可以是膜兩側的壓力差、電位差或濃度差。其中，飲用水處理中應用的主要是壓力差式膜分離技術，主要有反滲透、納濾、超濾和微濾等。

反滲透膜的截留分子量為100～200Daltons 孔徑小于1nm，其截留性能最好，能去除水中絕大部分的離子，透過的幾乎是溶劑，即純水。反滲透膜處理原水時，可對原水中鹽分和低分子量有機物有較好的去除效果。但是當在實際工程應用中，當采用反滲透膜處理飲用水時，會將水中原本含有的對人體健康有益的離子元素也一并去除，且過濾時工作壓力高，運行能耗大，水的利用率較低，因此，反滲透技術用于飲用水凈化受到了較大的限制。

目前給水深度處理膜處理工藝主要使用的為超濾膜，超濾膜過濾時截留的分子量適中，對應的過濾孔徑在0.01～0.1μm 之間，過濾工作時壓力相對較小，一般為0.1～0.3MPa，或靠負壓抽吸。超濾膜過濾主要可以去除水中含有的懸浮物質、膠體顆粒及細菌病毒等大分子物質。

超濾可截留水中絕大部分的懸浮物質、膠體顆粒和細菌，對降低處理水中的濁度和細菌數量有較好的作用。超濾膜過濾的主要優點包括4 個部分。

（1）對水中含有的膠體顆粒狀物質去除效果較好，一般出水濁度在0.1NTU 以下。

（2）對處理水中存在的隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲、細菌病毒等具有較好的去除效果，經超濾膜處理后可降低消毒劑投加量，提高飲用水的微生物安全性。

（3）處理原理為物理過濾，處理過程中不會產生額外的副產物。

（4）超濾膜過濾處理單元易于組合，體積小占地小，施工方便，運行自動化程度高。

超濾膜過濾技術存在的局限性有如下兩個方面。

（1）對小分子類有機物的去除效果差。

（2）超濾膜處理運行過程中，會存在膜污染的現象，需要經常性清洗以保證過濾處理能力，滿足生產需求。但運行過程中仍會存在不可逆的物理污染，需要采用針對性的化學清洗，會影響生產處理能力。

納濾膜過濾孔徑介于超濾膜和反滲透膜過濾孔徑之間，對有機物、重金屬有著很好的截留能力，處理后的原水仍保留一部分對人體有益的單價離子，被稱為處理微污染原水的“綠色工藝”。納濾可以脫鹽軟化及去除砷，并對農藥、內分泌干擾物和抗生素等微量有機物也有理想的處理效果，出水TOC 穩定維持在0.5mg/L 以內，同時保留水中對人體有益的礦物元素。此外，納濾工藝還可以減少后續消毒劑投量、削減消毒副產物、提升飲用水的品質。

納濾膜處理在飲用水處理領域的處理效果較好，且處理后水中可保留對人體有益的礦物元素，是國內給水處理領域研究熱門和發展方向。但納濾膜處理技術目前在實際工程應用上仍存在一些需要解決的限制條件[4]：①前置所需預處理系統要求高。由于納濾膜本身特殊的膜結構形式及運行方式，對于納濾膜進水的水質提出了嚴格的要求，導致了納濾預處理系統較為復雜，增加了系統的工程投資及運行成本。②運行中存在膜污染的問題。納濾膜在運行過程中不可避免地會在膜表面產生膜污染的現象，導致膜表面會出現不同程度的堵塞，導致膜產水能力下降，在不顯著降低產水能力的情況下會增大膜處理加壓壓力，增加運行費用，需要經常性清洗以保證處理能力和處理效果。③水溫變化對膜處理規模影響大。水溫變化會較大地影響納濾膜過濾能力，當水溫降低時，水的粘度會隨之增大，在不改變處理系統進水壓力的情況下，水溫降低會較為明顯地減弱納濾膜的產水能力。納濾膜在實際運行過程中，溫度變化對膜截留率的影響較小，對納濾膜的產水能力影響較大，在實際工程應用中，當存在長時間的低溫處理條件時會明顯增加納濾膜的運行成本。④納濾膜處理產生的尾水處理困難。納濾膜工程應用中運行方式較多的是采用錯流過濾的方式，隨著納濾處理過程中高品質產水的不斷回收，進水不斷地被濃縮，最終會產生污染物積累濃度較高的尾水。目前國內對污水排放要求較嚴格，實際工程應用時，納濾處理產生的尾水一般不滿足直接排放的環保排放標準，處理尾水會增加運行費用，也會一定程度上降低原水利用率。

3 臭氧-生物活性炭+超濾膜深度處理組合工藝

臭氧-生物活性炭處理工藝對水中含有的有機物質有較好的去除效果，其利用臭氧的強氧化性將水中含有的大分子有機物氧化變為中小分子的有機物，臭氧分解后可為生物活性炭池提供較好的供氧條件。活性炭單元一方面通過吸附作用將小分子類有機物從水中去除，同時利用附著在其表面的微生物將吸附的小分子有機物進行有效的分解去除，從而降低水中的有機物等污染物的含量。但臭氧-生物活性炭處理工藝單獨運行時會存在微生物泄漏的風險。

超濾膜處理工藝處理飲用水時，通過物理過濾，出水水質穩定性高，整體處理能耗較低，處理工藝集成化程度高、整體占地面積小，可實現全自動化控制而且處理過程中不會產生新的處理副產物，對于病毒細菌也有較好的去除效果。但超濾膜處理工藝對原水含有的色、嗅、味等溶解性物質去除作用較差，對水中含有的溶解性有機物和消毒副產物等也基本沒有去除效果。

超濾膜處理技術在水處理應用中存在對有機物去除效率低和運行過程存在膜污染的問題，臭氧-生物活性炭處理工藝可有效地去除水中含有的有機物質，這將大大的降低超濾膜過濾運行過程中的生物污染，可較好地延緩超濾膜表面的膜污染。而臭氧-生物活性炭濾池存在的微生物泄漏地問題，超濾膜處理工藝能有效地針對性的去除。兩種處理工藝的有機結合，既能較好地保障供水水質安全，也能較好地提高出廠水水質。

4 臭氧-生物活性炭和超濾膜深度處理工藝對水質提升的對比

為了提高飲用水水質，構建優質飲用水安全保障體系，應考慮“常規處理+臭氧-生物活性炭+超濾膜”的全流程工藝，增強水廠應對水源突發性風險的能力，提升飲用水口感，滿足市民日益提高的生活水平需要。

若在原水水質較好或工程投資限制的情況下，深度處理可分階段建設。兩種不同深度處理工藝對水質提升的對比如下。

4.1 對提高供水水質的效果分析

為強化生活飲用水全生命周期的管理，進一步提升飲用水品質，以增強人民群眾的獲得感，飲用水水質需要全面提升感官性能指標控制要求，對出廠水的濁度、色度、鐵、錳、總硬度以及溶解性總固體等指標限值要求更加嚴格，會更注重有機物指標和消毒副產物指標限值，需加強對有機污染物的去除并減少消毒副產物，提升飲用水品質。兩種深度處理工藝對水中含有的污染物質的去除效果對比如表1 所示。

表1 不同深度處理工藝對水質主要指標提高效果對比

從表1 對比可知，超濾膜對去除細菌提高生物安全性、降低出水濁度及顆粒數等方面有較好的效果，臭氧-生物活性炭對去除有機物、去除氨氮、降低消毒副產物、提高出廠水的穩定性、增強對新興污染物的去除等方面效果明顯。

4.2 對原水水質變化的適應性分析

原水水質的變化具有較大的不確定性，考慮到供水安全，應貫徹底線思維，增強供水系統應對水源水質污染風險的能力。

超濾膜主要是物理篩分作用，能有效去除細菌、病毒等微生物并保證產水濁度，且出水水質穩定適應性較強，但超濾膜過濾系統對水中含有的色、嗅、味等溶解性物質去除效果較差，對水中含有的小分子溶解性有機物質和消毒副產物前體物等去除效果也較為有限，單獨運行時對水源原水出現突發污染需靠應急投加和常規沉淀過濾來解決。

臭氧-生物活性炭處理工藝將高級氧化作用和吸附、生物降解進行了有機的結合，對有機物污染物質綜合性指標、致突變性污染物質、消毒副產物前體物質、氨氮等指標具有較好的去除能力，可以大幅提高水廠的水質安全性和水質穩定性，減少預氯氧化產生的副產物，具有長期的安全供水保障，對原水水質變化適應能力強，能全面提高出水水質。但存在一定生物泄漏風險。運行管理上由于構筑物較多，控制環節多，操作復雜，日常需維護設備較多，臭氧發生器及相關壓力設備的運行要求高。

5 結論

在給水處理工藝選擇研究時，在保證供水水質穩定達標的前提下，同時應具備較好強應對水源突發污染的應急處理能力，充分考慮未來水源水質和供水水質目標的發展變化，有效滿足供水可持續發展的要求。

在工藝分期實施過程中，充分考慮未來水源水質和供水水質目標的發展變化，有效滿足供水可持續發展的要求。既充分考慮工藝先進可靠，應急供水安全的目標，又要滿足工藝應具有技術先進性、供水安全可靠性和經濟合理性。

為了應對原水水質的不斷惡化以及飲用水水質標準的不斷提高，給水處理需采取常規處理結合深度處理的凈水工藝，目前給水深度處理工藝主要是臭氧-生物活性炭和膜處理工藝，兩種深度處理工藝在應對不同水質指標有不同的提升作用，在選擇采用時需結合原水水質各項水質情況和出廠水水質要求，結合經濟分析，選擇針對性的深度處理工藝，并考慮預留遠期水質變化和水質標準提高的應對工藝條件。