常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的工程應用研究

朱靜坤

（合肥供水集團有限公司，安徽 合肥 230000）

提高市政供給水的生物安全性和化學穩定性，改善居民飲水質量，既是我國“五位一體”統籌建設的重要落腳點，更是嚴格落實GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》的必要舉措。常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝在應用的過程中有助于水產工藝的高質量改革和標準升級，為了進一步加快凈水廠的現代化改造，相關工程人員應結合水廠改建的實際需要和水質標準，合理應用引入該工藝。

1 工程概況

以我國安徽地區某市的水廠為例，作為市政給水廠，其整體規劃規模為30萬m3/d。本次新建凈水廠工程規模為12.5萬m3/d，作為平臺水庫，在工程中采用常規處理-臭氧活性炭-超濾膜過濾凈水工藝，同時合理投入多種預處理氧化、吸附劑，以確保水質穩定，改善飲用水整體質量，提高安全性。

2 原水水質及工藝

2.1 水質分析

原水的整體濁度較低，年均濁度＜5 NTU，且有機物含量偏高，受當地氣候溫度的影響，水溫變化幅度大，溴酸鹽、鐵、pH及色度等相關數值比較穩定。但隨著水庫引水量不斷增加，在長時間的運行中，水庫底部淤泥有機物含量不斷提高，夏季容易爆發藻類危害，且濁度為0.7 NTU，相較于國內工藝技術成熟先進水廠濁度標準還存在一定差距。基于此，考慮到環境變化情況較為復雜，宜采用更先進的過濾工藝技術，以期提高飲用水安全性[1]。

2.2 常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝

根據該水廠的實際情況和現場客觀環境，優先考慮常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝，使水庫出水水質更好地滿足GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》。在原水中CODMn含量超6 mg/L，出水CODMn含量以5 mg/L為核驗標準，在凈水超濾后，可以控制在4 mg/L以下。在此基礎上，以優化生活飲用水水質為目標，進一步設置了二氧化氯、粉末型活性炭以及高錳酸鹽等預處理裝置，使產水質量穩定，滿足GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》，且濁度≤0.1 NTU。同時，針對夏季藻類災害加強預處理，提高了產水質量標準。其中凈水工藝設備圖如圖1所示。

圖1 凈水工藝設備圖

3 常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝在工程中的設計應用

3.1 取水工程

首先，是取水頭部的設置，在距離水庫壩邊50 m處設置箱式取水頭，并通過頂面進水的方式，在底端分別接觸兩段引水管，使其能夠穿過水庫接入進水井。其次，是進水井設置，進水井下部為主要井體，上方為綜合設備間，且內設多臺格柵除污機。最后，是取水泵房。以半地下式為工程結構，內設臥式離心泵，通過全變頻調速的形式，優化水泵的自灌凈水模式。

3.2 水廠建設

本水產的整體布局建設充分結合了現有工程，并考慮到了未來建設的需要，將凈水生產功能區進行了進一步分區優化，不僅凈水流程的順暢性顯著提高，而且還保證了管理的集中性和便捷性。在水廠工程建設中，為了更好地應用常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝，進一步優化了沉淀池、濾池、臭氧接觸池以及超濾膜處理車間，并輔助進水加壓系統和多重過濾系統。以下是工程各車間以及系統的應用分析。

3.2.1 沉淀池車間

在沉淀池車間內設置了4座池體，主要分為3個功能區，機械混合池、機械絮凝池、斜管沉淀池，具體參數見表1。

表1 功能區參數表

3.2.2 濾池車間

本工程的濾池車間分為主車間和輔助車間，為了更好地發揮常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的優勢，在主車間內設置了砂濾池、活性炭超膜進水池。在輔助用房內安設了反沖洗泵房、混凝劑投加區以及配電室。其中在主車間內的功能池共用管廊，二者均采用氣水反沖洗池型，內部設清水渠、洗氣洗水管及起吊裝置。作為超濾膜濾池單個過濾面積達到了88 m2，砂濾池和活性炭濾池的設計速度均為8.4 m/h，其中前者采用均質的石英砂為濾層濾料，不均勻系數為1.5，整體厚度1.0 m；后者以活性炭層加石英砂層的形式，總接觸時間14 min，粒徑7~25目，不均勻系數1.4。為了保證濾池車間的運行工況，砂濾池出水在連接臭氧-活性炭處理系統的泵房吸水井后，還會同時設置相應的超越管，以確保及時接入清水池和膜處理車間。輔助用房中的反沖洗泵房為了更好地滿足主車間兩座濾池的沖洗運行需要，特別設計為半地下室模式，其中還設置了反沖洗水泵和鼓風機。

3.2.3 臭氧接觸池

在升級泵房后，臭氧接觸池分別設置了具有獨立2格的露天車間，上部為出水渠、下層為容積1 000 m3的吸水池，水力停留時間在20 min左右，臭氧投加量在1.5~3.0 mg/L之間，并采用三段曝氣的形式，直接連接活性炭濾池車間與沉淀池車間。

3.2.4 超濾膜處理車間

本工程建設中所用的超濾膜為壓力式，在分期安裝的過程中，整體超濾膜系統可以進一步分為若干個子系統，各自承擔著進水加壓、自清洗過濾、物理清洗過濾池、空氣清洗過濾以及膜完成性檢測等任務。

其中進水加壓系統進水泵采用的是運行膜堆數量變頻控制技術，進水緩沖調節池的可用容積為1 000 m3，內部共設置6臺泵位，單泵流量3 500 m3/h，揚程30 m，水泵為全變頻調速的形式，通過變頻控制可以有效調控進水量并保證瞬時流量的穩定性。

自清洗過濾系統設置在超濾進水設備上，本工程一共設置了6臺自清洗過濾器，每列膜堆對應3臺，處理水量為1 250 m3/h，過濾精度為135μm，不僅可根據壓差和自動設定的時間進行自主切換，還能保證不停運的清洗狀態，清洗效率更高[2]。

超濾膜系統膜堆主要在地面布設，本工程車間內共設置了32個膜堆裝置，安裝了12個膜堆，每列6個，其他膜堆預留以此來滿足后續擴建的需要，保證凈水系統設計的整體回收率在92%以上。借助地面布設式的安裝系統，主要進水和出水的管道都布置在地下管溝，輔助管道以地上架空的形式布置。每個膜堆內含膜支架與膜單元，其中超濾膜系統膜堆的主進水、出水以及每個膜堆都對應開關閥門，內設膜堆儀表包含進產水壓力變送器、流量計以及濁度儀。膜平均孔徑為0.02μm，設計通行量為50 L/（m2·h）。

物理清洗過濾系統由水池、泵、鼓風機、電氣等設備組成，膜系統可實現每分鐘清洗1~2次，且能保持穩定壓差。反水洗流量2.5 m3/h、氣洗流量8.0 m3/h、膜順沖水量2.5 m3/h，均歷時為30~60 s，總過濾清洗水池的容積為1 000 m3。

空氣系統有過濾器、冷干機、空壓機、儲氣罐、電氣等設備構成，其主要功能在于為氣動閥門提供可靠動力，同時為后續膜完整性檢測提供穩定氣源動力。

化學清洗系統還可以進一步分為維護性清洗系統和恢復系統，采用兩酸兩鈉共4種藥劑，可以在保證安全性的基礎上，有效取出濾池內的有機物污染、微生物污染以及無機鹽污染。2種強度清洗方式，均采用次氯酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸及檸檬酸4種清洗藥劑，主要去除系統中的無機鹽污染、有機物及微生物污染。2種清洗方式的主要差別在于頻率、清洗耗時以及藥液濃度。（1）低強度清洗，可以人為設定過濾周期和藥劑濃度，在4種藥劑組合交替使用的過程中，整個清洗系統循環僅需10~15 min，整體清洗頻率更高。（2）高強度清洗，這一清洗方式可以根據跨膜壓差和過濾周期的需要自設定警報值數，整體藥劑濃度高于低強度清洗方式，清洗頻率低，具體數值見表2。

表2 化學系統清洗方式參數表

需要注意的是，2種清洗模式對溫度也有一定要求，低強度清洗的清洗液配比在常溫下進行即可，高強度清洗模式的進水溫度需要保持在15℃。

在結束化學系統清洗后，廢液會排放至中和池，且采用還原性污染處理藥劑，其中一般用亞硫酸氫鈉和鹽酸中和次氯酸鈉與氫氧化鈉，在中和池中，采取動態在線中和加藥的形式，采用中和水泵進行內循環，以此來保證無害化處理效果[3]。

相應地，還要對超濾凈水膜的完整性進行檢查，常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的超濾膜是不透氣的，其膜完整性的檢測需要結合綜合氣流的速率水平，即在特定條件下完成空氣過膜，如果膜絲存在破損，氣體則會立即滲入至出水段，氣體流速檢測儀會顯示氣流速度上升。為了保證每日產水的水質，膜完整性需要每天檢測1~2次，有時也會輔助人工壓力衰減測驗。當檢測未通過時，還需要人工進行氣泡檢測，檢查人員通過肉眼檢查的方式確定膜組件和產水母管之間的氣泡情況。

3.2.5 清水池

本凈水改造工程中為了更好地發揮臭氧活性炭超濾凈水膜的性能，共建造了2座清水池，其有效容積達到了29 000 m3，在清水池內部還劃分出了清水區域和接觸區域，接觸區域中的水力停留時間能夠達到25 min以上，為防止短流在清水區也設置了導流墻。

3.2.6 綜合加藥間

綜合加藥間主要包括3種加藥劑和臨時應急投藥措施區域。（1）作為預處理藥劑的高錳酸鉀，投加點位設置于取水泵房的進水管，總投加含量占比為2%，平均投加量為1.0 mg/l，最大投加量為2.5 mg/l，每日投加2次。（2）作為應急預處理藥劑的活性炭（粉末型），投加點位于取水泵房的出水管，內含調制乳液含量占比5%~10%，最大投加量為25 mg/l，采用凸輪泵設備投加。（3）發揮消毒功效的預處理藥劑二氧化氯，有效氯預處理的投加點位于取水泵房的進水管，最大量1.8 mg/l，消毒投加點最大量為0.8 mg/l。

3.2.7 廢水處理系統

水廠內廢水主要由沉淀池、砂濾池、炭濾池、超濾膜系統的沖洗廢水和排泥水組成。廢水處理既要堅持滿足每日生產的剛需，又要從降耗減能出發，根據不同車間和系統產生的廢水特點，采取針對性的處理辦法。

4 常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的處理效果與優點

4.1 有機物的吸附、過濾與去除

在原水中有機物平均濃度在臭氧活性炭投入后，顯著減少，且將部分穩定的有機物氧化為更容易降解的有機物，有助于混凝沉淀，在沉淀后平均濃度進一步降低，直至投入臭氧活性炭后，可將有機物氧化為二氧化碳和水，經過超濾凈水膜，有機物整體含量減少至26.5%。且通過超濾凈水膜后的有機物整體親水性有效降低，并破壞碳碳雙鍵，有效控制不飽和官能團反應，強化臭氧活性炭氧化與吸附作用。

4.2 濁度降低與顆粒物去除

工程試驗數據表明，常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水在降低濁度的過程中優勢明顯，即使活性炭的出水濁度存在一定波動性，但整體濁度仍能控制在0.1 NTU以下。且在超濾膜的作用下，鞭毛蟲、隱孢子蟲以及賈第蟲的污染風險更低。通過進一步觀察發現粒徑超過10μm的顆粒已被完全去除，上述原生動物的存在率極低。

4.3 微生物去除

常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝對藻類去除的效果顯著，通過機械篩分，超濾膜水藻水量明顯降低，且在去除微生物藻細胞的過程中還不會破壞細胞壁，不會使其內部的有機物和毒素釋放在出水中，避免產生有害的副產物。

4.4 優點分析

通過升高溫度發現，水細菌數雖然會升高，但在常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝處理下，均未檢測出細菌，充分證明其對微生物細菌的良好攔截作用，有助于保證夏季飲用水的安全性，同時減少混凝藥劑的投入，提高持續消毒能力，有效避免輸配水過程產生二次污染，并減少消毒副產物的產生量，提高化學安全，相比于傳統常規的微生物吸附去除工藝，膜孔直接篩除對污染物有更好的篩除作用，且有效降低了水產的凈水成本，降低了常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的能耗，提高水產的自動化控制、運營與維護的質量和效率水平。

5 結束語

綜上所述，本文以安徽地區某市的凈水廠工程為例，進一步分析了常規處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝，其凈水流程不僅更順暢簡潔，而且相關構筑物的建設成本較低，整體占地面積小，低能耗優勢突出，不僅有助于降低水廠的運行成本，還能根據冬夏水質變化靈活調整流程和超濾膜設施，能夠有效取出有機物、微生物與無機顆粒物，同時顯著降低濁度。