某北方水廠深度處理改造中工藝路線的比選和工程實(shí)踐

郭兆學(xué),郭 慧

(淄博市水務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東淄博 255000)

近年來，人們對供水水質(zhì)的要求日益提高，飲用水安全問題已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。諸多水廠為滿足用戶對水質(zhì)要求，對濾池后出水進(jìn)行深度處理，如超濾[1]、納濾[2]、臭氧-活性炭[3]等。其中，臭氧-活性炭深度處理工藝對鐵、錳、臭和味、有機(jī)物、氨氮等指標(biāo)具有良好的去除效果，同時對消毒副產(chǎn)物也有較好的控制作用[4]，適用于微污染凈水水源的處理。南方某水廠采用臭氧-活性炭處理發(fā)現(xiàn)有機(jī)物指標(biāo)明顯降低，三鹵甲烷前體物的去除率可以達(dá)到63.85%[5]。常州市第一水廠臭氧-活性炭濾池于2018年投入生產(chǎn)，CODMn含量由1.1 mg/L降至0.55 mg/L，在渾濁度方面也有很好的去除效果[6]。目前，全國各地自來水廠均有采用臭氧-活性炭技術(shù)作為保障出水水質(zhì)的深度處理工藝，如上海[7]、青島[8]、蘇南[9-10]等。本文以北方某水廠為例，通過對現(xiàn)有深度處理進(jìn)行比選，最終確定臭氧-活性炭工藝作為該水廠深度處理，以應(yīng)對原水水質(zhì)總氮指標(biāo)超標(biāo)、出水耗氧量指標(biāo)較高等問題，從而改善出水水質(zhì)，提升水質(zhì)安全性和穩(wěn)定性。

1 項目概況

北方某水廠采用常規(guī)處理工藝，處理規(guī)模為10萬m3/d，主要流程包括混凝、沉淀、過濾、消毒4個過程。常規(guī)處理工藝主要作用是去除原水中懸浮物(SS)、膠體和致病微生物，但應(yīng)對原水水質(zhì)突變的能力較弱，尤其是當(dāng)原水中硫酸鹽、有機(jī)物等指標(biāo)出現(xiàn)較大幅度波動時，可能會出現(xiàn)水質(zhì)的安全隱患。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，水廠技術(shù)人員采取了很多水質(zhì)保障措施，如投加臭氧[11]、粉末活性炭[12]等，取得了較好的效果，但相應(yīng)水處理成本升高。因此，要從根本上解決問題，必須加快實(shí)施水廠深度處理工藝改造。

該水廠所處地區(qū)水源匱乏，水源主要以引黃水為主，引黃水總體符合III類水標(biāo)準(zhǔn)，但部分有機(jī)物濃度超標(biāo)。水廠在引黃水源不足時會使用南水北調(diào)東線來水作為水廠水源，根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[13-14]，南水北調(diào)東線中重要調(diào)蓄設(shè)施的南四湖和東平湖歷年有機(jī)物指標(biāo)中高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)指標(biāo)較高，有機(jī)污染明顯，并存在硫酸鹽等超標(biāo)現(xiàn)象。除此之外，為緩解水源緊缺現(xiàn)狀，改善公共供水品質(zhì)，該地區(qū)使用海水淡化水作為補(bǔ)充水源。

原水水質(zhì)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示，出水水質(zhì)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

表1 原水水質(zhì)

表2 出水水質(zhì)

由表1、表2可知，水廠原水大部分指標(biāo)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，但硫酸鹽和總氮有超標(biāo)情況。經(jīng)過水廠處理后，出廠水能夠符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求，不過原水中BOD5含量較高，臭和味偶有異常，出廠水中CODMn部分時段已接近上限，總硬度和硫酸鹽數(shù)值偏高。在南水北調(diào)水摻入后，該水廠的常規(guī)工藝應(yīng)對原水水質(zhì)惡化的能力較弱，存在一定的安全隱患。為了提高供水安全性，需進(jìn)一步改造現(xiàn)有水廠，增設(shè)深度處理以應(yīng)對原水水質(zhì)的變化。

2 水廠深度處理方案的比選

2.1 納濾膜方案

2.1.1 工程方案

本方案納濾膜系統(tǒng)產(chǎn)水能力按5.0萬t/d設(shè)計。為考慮盡可能節(jié)約水資源，減少常規(guī)處理工藝負(fù)擔(dān)，本方案膜處理回收率目標(biāo)設(shè)定值≥90%。針對水廠常規(guī)工藝出水水質(zhì)特征，結(jié)合納濾膜特點(diǎn)，為進(jìn)一步提高回收率，本方案深度處理工藝采用二級納濾處理工藝。

2.1.2 工藝流程

本方案采用5.0萬t/d的砂濾池出水進(jìn)行納濾處理降低硬度和硫酸鹽濃度，再與剩余5.0萬t/d的出水進(jìn)行勾兌，從而降低供水總硬度和硫酸鹽濃度。砂濾池出水經(jīng)加壓后作為一級納濾自清洗過濾器進(jìn)水；一級納濾自清洗過濾器產(chǎn)水進(jìn)入一級納濾膜系統(tǒng)，自清洗過濾器反沖洗廢水進(jìn)入廢水儲罐；一級納濾膜系統(tǒng)采用80%回收率，脫鹽率>95%，納濾后清水進(jìn)入清水池，濃水排入濃水池；濃水池內(nèi)濃水經(jīng)加壓后進(jìn)入二級納濾膜系統(tǒng)，二級納濾采用≥50%回收率，脫鹽率>95%，納濾后清水進(jìn)入清水池，濃水排放；清水池內(nèi)納濾產(chǎn)水與未處理的水混合后，通過水泵加壓輸送市政管網(wǎng)。工藝流程如圖1所示。

圖1 納濾膜深度處理工藝流程

最終，濃鹽尾水量為5 000 m3/d。根據(jù)水廠出廠水水質(zhì)指標(biāo)平均值推算尾水中主要指標(biāo)含量，CODMn含量為22.5 mg/L，硫酸鹽含量為2 500.00 mg/L。

2.1.3 出水水質(zhì)

5.0萬t/d的常規(guī)處理出水經(jīng)納濾系統(tǒng)處理后，與另外5.0萬t/d的砂濾池出水進(jìn)行兌水，出水水質(zhì)如表3所示。

表3 方案一出水水質(zhì)指標(biāo)

2.1.4 工程投資和運(yùn)行成本

本方案工程投資估算費(fèi)用約為1.2億元，制水成本約為1.250元/t，可變成本約為0.900元/t。按照1∶1兌水均攤后，制水成本約為0.625元/t，可變成本約為0.450元/t。

2.1.5 工藝優(yōu)點(diǎn)及存在問題

該處理工藝可以有效降低總硬度和硫酸鹽硬度，且對有機(jī)物的去除具有一定效果，用于本工程中去除硫酸鹽是合適的，且受原水含鹽量波動影響較小。

但是濃鹽尾水溶解性無機(jī)鹽和有機(jī)物含量較高，且該部分濃鹽水無法進(jìn)行回用，處置需做分析。由于水損耗量較大，水廠如要繼續(xù)保證原設(shè)計規(guī)模，仍需提高進(jìn)水流量。另外，膜處理工藝工作壓力高，耗電量大，初步估算膜綜合車間用電量約為1 200 kW·h，需對現(xiàn)有水廠電源進(jìn)行擴(kuò)容。

2.2 臭氧-活性炭方案

2.2.1 工程方案

本方案深度處理工藝采用臭氧-生物活性炭方案。海水淡化水通過泵站輸送到水廠內(nèi)的沉淀池，與水廠水一同進(jìn)入臭氧接觸池和活性炭接觸濾池進(jìn)行處理。

根據(jù)海水淡化水應(yīng)急工程的水量分配，分配到該水廠的水量為2.0萬t/d，可以作為水廠的部分水源。海水淡化水能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[15]的要求，產(chǎn)品水水質(zhì)尤其是溶解性指標(biāo)顯著優(yōu)于地表水源給水廠出廠水質(zhì)，如表4所示。

表4 海水淡化水水質(zhì)

將原水和海水淡化水以8∶2(原水為8.0萬t/d，海水淡化水為2.0萬t/d)進(jìn)行摻混，摻混后的主要水質(zhì)推算如下(現(xiàn)狀原水按照90%保證率下的水質(zhì)指標(biāo)推算)，如表5所示。

表5 水質(zhì)分析

海水淡化水的優(yōu)點(diǎn)是硫酸鹽含量較低，和硫酸鹽含量較高的原水摻混后，可以降低原水中總硫酸鹽濃度。

根據(jù)應(yīng)急工程的方案設(shè)計，海水淡化水進(jìn)入水廠后，預(yù)留有兩個接口，一個進(jìn)入反應(yīng)沉淀池，另一個接口進(jìn)入清水池，根據(jù)海水淡化水的水質(zhì)情況進(jìn)行切換。當(dāng)進(jìn)廠海水淡化水水質(zhì)較差時進(jìn)入反應(yīng)沉淀池，當(dāng)其能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)要求時，直接進(jìn)入清水池。

2.2.2 工藝流程

根據(jù)工程方案，水廠深度處理工藝流程為：砂濾池出水進(jìn)入中間提升泵房，經(jīng)提升后進(jìn)入臭氧-活性炭濾池，經(jīng)過臭氧-生物活性炭處理后進(jìn)入清水池，經(jīng)現(xiàn)有清水泵房增壓后進(jìn)入管網(wǎng)。工藝流程如圖2所示。

圖2 臭氧-活性炭深度處理工藝流程

2.2.3 出水水質(zhì)

方案二出水水質(zhì)指標(biāo)如表6所示。

表6 方案二出水水質(zhì)指標(biāo)

2.2.4 工程投資和運(yùn)行成本

本方案工程投資估算費(fèi)用約為8 000萬元，制水成本約為0.230元/t，可變成本約為0.160元/t。

2.2.5 工藝優(yōu)點(diǎn)及存在問題

工藝針對微污染原水，臭氧-活性炭工藝可以有效地降解水體中的有機(jī)物質(zhì)，在一定程度上可以去除部分氨氮，經(jīng)過臭氧-活性炭工藝可以提高出水口感，能夠有效解決臭和味的問題。

活性炭濾池的反沖洗廢水進(jìn)入回用水池后可輸送至絮凝池前段進(jìn)行回用，減少水耗。

臭氧-活性炭工藝對渾濁度、有機(jī)物有很好的去除效果，但是對水中的無機(jī)鹽去除效果有限，目前結(jié)合應(yīng)急工程與海水淡化水進(jìn)行摻兌，可以解決無機(jī)鹽超標(biāo)問題。但遠(yuǎn)期來看，當(dāng)海水淡化廠的海水淡化水只能滿足其周圍區(qū)域用水而不能向水廠供水時，仍然存在無機(jī)鹽超標(biāo)的風(fēng)險。

2.3 方案對比

根據(jù)以上對方案特點(diǎn)的分析，結(jié)合方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，兩個方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較如表7所示。

表7 方案綜合比較

按照水廠出廠水水質(zhì)推算，兩個方案出水水質(zhì)均能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。從出水的各項指標(biāo)分析來看，方案一中納濾膜因其強(qiáng)大的去離子能力，出廠水的各項指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，溶解性無機(jī)物得到進(jìn)一步去除，出水水質(zhì)好、保證率高。但納濾膜生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，管理維護(hù)工作量大，初期投資和制水成本都較高，并且會產(chǎn)生一定量的濃鹽水，尾水處置難度大、成本高。方案二臭氧-生物活性炭+海水勾兌在解決水體有機(jī)微污染、臭和味、口感等問題方面具有優(yōu)勢，該工藝技術(shù)成熟，管理經(jīng)驗豐富，投資和運(yùn)行成本低，另外采用與海水淡化水的勾兌方案也能有效降低無機(jī)鹽問題。對于溴酸鹽問題，相同地區(qū)相同原水的水廠深度處理運(yùn)行經(jīng)驗表明，控制臭氧的投加量可以控制溴酸鹽的生成，當(dāng)前臭氧投加量為1 mg/L、后臭氧投加量控制在1 mg/L時，出水溴酸鹽的含量會穩(wěn)定在0.005 mg/L以下，低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的0.01 mg/L。因此，本次深度處理初步考慮選用方案二，即將臭氧-生物活性炭+海水淡化水勾兌的深度處理工藝作為推薦方案。

但上述方案中，水質(zhì)是在有海水淡化水進(jìn)行摻混的時候進(jìn)行推算的，而引海水淡化水只是應(yīng)急工程，當(dāng)遠(yuǎn)期海水淡化水只能滿足附近的供水需求而不能向該水廠進(jìn)行供水時，原水中無機(jī)鹽仍然偏高。如果沒有新的海水淡化水進(jìn)入，只依靠臭氧-活性炭系統(tǒng)不能有效降低無機(jī)鹽，仍需要考慮降低無機(jī)鹽的措施，因此，本設(shè)計預(yù)留處理能力為3.0萬t/d的納濾系統(tǒng)。

3 工程設(shè)計

本工程采用臭氧-活性炭+海水勾兌的方案處理作為深度處理的主工藝。工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

3.1 預(yù)臭氧接觸混合器

由于目前水庫低水位運(yùn)行，引起原水藻類、臭和味的增加，因此，根據(jù)水廠實(shí)際條件，擬利用廠內(nèi)原水管內(nèi)原水停留時間較長的特點(diǎn)，初步考慮在原水進(jìn)廠后設(shè)置預(yù)臭氧投加點(diǎn)，采用臭氧投射泵進(jìn)行管道投加。

在廠區(qū)原水總管閥門后增加不銹鋼管道混合器，將臭氧和進(jìn)水混合。廠區(qū)內(nèi)原水管總長為360 m，按10.0萬m3/d的進(jìn)水計算，在管道內(nèi)停留時間為8.0 min，在管道內(nèi)停留時間為4.0 min，滿足預(yù)臭氧的消毒時間要求。考慮到臭氧對鋼管有腐蝕作用，對進(jìn)水總管在臭氧投加后的200 m管道進(jìn)行防腐處理，采用氟碳涂料噴涂防腐。

3.2 深度處理綜合池

中間提升泵房、后臭氧接觸池、生物活性炭濾池反沖洗泵房合建，平面尺寸為31.00 m×70.00 m。

3.2.1 中間提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房及反沖洗水泵房

中間提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房及反沖洗水泵房合建，設(shè)計規(guī)模為10.0萬m3/d。

提升泵房用于提升濾后水至后臭氧接觸池，泵房內(nèi)設(shè)立式斜流泵3臺，2用1備，單泵流量為2 125 m3/h，揚(yáng)程為9.0 m，配套電機(jī)功率為90 kW。

鼓風(fēng)機(jī)房內(nèi)設(shè)鼓風(fēng)機(jī)3臺，2用1備，每臺鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1 925 m3/h，揚(yáng)程為4.0 m，配套電機(jī)功率為75 kW。

反沖洗采用水泵直接從活性炭濾池后出水引水沖洗，反沖洗泵房內(nèi)設(shè)臥式離心泵3臺，2用1備，單泵流量為875 m3/h，揚(yáng)程為10.5 m，配套電機(jī)功率為37 kW，每臺水泵配有變頻調(diào)速裝置，以適應(yīng)氣溫變化引起的炭濾池沖洗強(qiáng)度的改變。

3.2.2 后臭氧接觸池及生物活性炭濾池

后臭氧接觸池設(shè)計規(guī)模為10.0萬m3/d，分為可獨(dú)立運(yùn)行的2座，每座設(shè)計規(guī)模為5.0萬m3/d。臭氧最大投加量為2.0 mg/L，平均加注量為1.5 mg/L，總接觸時間為12 min，設(shè)3個階段，按4∶4∶4的時間比例設(shè)置。臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，設(shè)置于接觸池底部。整個后臭氧接觸池為全封閉設(shè)計。池頂部設(shè)正負(fù)壓釋放閥，設(shè)不銹鋼人孔蓋板以及臭氧尾氣收集管，臭氧尾氣收集管接至尾氣破壞裝置處理。

生物活性炭濾池設(shè)計規(guī)模為10.0萬m3/d，6格濾池雙排布置，單格濾池面積為69.69 m2，濾速為10.46 m/h，空床停留時間為12.9 min。活性炭濾池為全封閉設(shè)計，在池頂設(shè)置觀察透氣窗。

活性炭濾池濾料采用顆粒活性炭，濾料厚度為2.25 m，采用8×30粒度(相當(dāng)于2.38×0.60 mm)，堆積密度為0.35～0.55 g/cm2，不均勻系數(shù)K80為1.9～2.0，下層采用粗砂支承層，厚度為0.25 m，粒徑為1～2 mm。采用短柄濾頭方式配水，反沖洗方式為單獨(dú)氣沖加單獨(dú)水沖洗方式，氣沖強(qiáng)度為55 m3/(m2·h)，水沖洗強(qiáng)度為25 m3/(m2·h)。活性炭濾池設(shè)計沖洗周期為5～7 d。

此外，濾池管廊內(nèi)設(shè)電動單梁懸掛式起重機(jī)1臺，起重量為5 t。

3.3 臭氧制備車間及氧氣站

臭氧制備車間設(shè)計規(guī)模為10.0萬m3/d。臭氧制備系統(tǒng)包括設(shè)置臭氧發(fā)生系統(tǒng)、供電單元、尾氣破壞系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)、MCC、PLC及變壓器等。

設(shè)臭氧發(fā)生器2套，均為常用，每臺發(fā)生器正常供氣量為6.56 kg/h。利用臭氧發(fā)生器不同濃度產(chǎn)氣量不同的特性，采用軟備用，事故時單臺臭氧發(fā)生最大制備能力為8.75 kg/h，滿足事故時水廠臭氧投加量。設(shè)置尾氣破壞裝置2套，1用1備，用于收集和分解后臭氧的尾氣。尾氣破壞裝置設(shè)置于管廊內(nèi)。

進(jìn)入臭氧發(fā)生器的氧氣應(yīng)配入適量的氮?dú)猓虼耍O(shè)置空壓系統(tǒng)提供空氣氣源。設(shè)空壓機(jī)組2套，1用1備，每臺空壓機(jī)風(fēng)量為54 m3/h，工作壓力為700～900 kPa，空壓機(jī)附設(shè)儲氣罐、過濾器等設(shè)備。

在臭氧制備車間南側(cè)設(shè)置氧氣站1座，為戶外設(shè)置，占地面積約為108 m2。

液氧系統(tǒng)主要設(shè)備包括15 m3的液氧儲罐2臺，汽化器2臺。

4 運(yùn)行效果

水廠采用臭氧-生物活性炭工藝為該廠深度處理工藝后，水廠出水水質(zhì)如表8所示。

表8 出水水質(zhì)數(shù)據(jù)

臭氧-生物活性炭工藝在改善水的色度、去除氨氮和有機(jī)物等指標(biāo)方面具有更好的效果，同時，可以提高出廠水的口感，改善臭和味。由該水廠1年的運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，出廠水色度均低于5度，遠(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)規(guī)定的15度。硝酸鹽和氨氮質(zhì)量濃度分別滿足低于10.00 mg/L和0.5 mg/L的國標(biāo)要求，其中，硝酸鹽質(zhì)量濃度在多數(shù)時間段低于2.00 mg/L。CODMn質(zhì)量濃度也均低于國標(biāo)規(guī)定的3 mg/L。這是因為臭氧的氧化作用可以破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)，降低色度，增加水質(zhì)的可生化性。同時在氧化的過程中，臭氧也起到了充氧的作用，提高了活性炭表面微生物去除有機(jī)物的能力，大大延長了活性炭的再生周期[16]。

5 結(jié)論

根據(jù)水廠目前存在的水源水質(zhì)的問題，本文比較了納濾、臭氧-活性炭+海淡水摻混兩個深度處理方案，通過分析不同工況下深度處理的出水水質(zhì)情況，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定了臭氧-活性炭工藝作為該水廠的深度處理工藝，該工藝優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)臭氧-活性炭技術(shù)成熟，投資與運(yùn)行成本低；

(2)臭氧-活性炭技術(shù)在處理有機(jī)物方面具有一定優(yōu)勢，且出水臭和味、口感等方面效果較好；

(3)相比于膜處理工藝，臭氧-活性炭工藝水耗低，反沖洗水經(jīng)回用水池后進(jìn)入預(yù)臭氧接觸池前端，可全部回用，無需排放至污水系統(tǒng)，水資源開發(fā)利用性好。

此外，本文工程設(shè)計為沿海缺水城市提供了海水淡化+臭氧-活性炭出水摻混的思路，臭氧-活性炭深度處理工藝可以有效降低水中有機(jī)物，對提升出水口感有明顯作用。與海水淡化水混摻可降低原出水中總硬度、硫酸鹽濃度，同時，該運(yùn)行方式減少對水庫水的需求，緩解水庫長期低水位運(yùn)行導(dǎo)致水庫水水質(zhì)變差的問題，可以作為其他水廠的參考依據(jù)。