北票市自來水廠凈水工藝的比選研究

李 莉

(北票市自來水有限公司，遼寧 朝陽 122100)

北票市自來水廠最大產能可以達到8萬m3/d，承擔著全市近20萬人的供水任務，但該水廠水源單一，供水保證率總體不高。因此，經充分論證該供水公司擬選用水質更好的白石水庫水源建設水廠，通過引白入北和遼西北供水工程逐步形成多水源供水保障體系。

1 水源水質現狀

白石水庫水質基本達到Ⅱ類地表水標準，只有CODCr、BOD5、汞、鐵等個別指標偶有超過Ⅱ類標準。該水源突發污染物主要有氟化物、氰化物、硫化物、酸、重金屬等無機污染物以及新型污染物、揮發酚、臭味等有機污染物。結合2015-2020年水源水質監測資料，白石水庫易超標污染物變化趨勢如圖1所示，限值取Ⅱ類水質標準。

2 水廠凈水工藝

2.1 凈水工藝框架

目前，城市自來水廠主要有以過濾、沉淀、混凝土為代表的常規處理工藝，以超濾膜、生物活性炭、混凝為代表的深度處理工藝以及以預氧化處理、生物預處理技術代表的預處理工藝3大類。

自來水常規處理工藝是截至當前我國應用最成熟、最廣泛的處理工藝，其主要用于消毒去濁，經多年實踐已被證明能夠達到大部分水廠的處理要求，特別是水源水質不低于Ⅱ類水的水廠[1]。臭氧生物活性炭工藝具有生物降解與吸附組合功能以及高級氧化能力，逐漸成為城市自來水廠解決新型有機污染物的根本途徑，對于突發污染事件的應對效果也比較顯著。超膜濾幾乎可以保證進水水質不會對出水濁度造成影響，這種保護屏障能夠維持NTU處于0.1以下，可以截流水體中的隱孢子蟲、賈第蟲、紅蟲和細菌等致病微生物，出水微生物的安全度較高并達到100%的菌藻類去除率[2]。預處理工藝的主要作用是通過改性或減量先期指標較高、超標較多的物質，以便后續的有效去除。

白石水庫水質較好，總體上能夠維持在Ⅱ類地表水標準，一般情況下利用常規處理工藝就能達到出水水質要求。考慮到氨氮濃度上升、應對白石水庫突發污染事件以及進一步提升出水水質等要求，有必要增加預處理和深度處理工藝，隨著城市化的快速推進，人們對供水水質和用水指標的要求越來越高。因此，推薦選用深度處理+常規處理+預處理相組合的凈水工藝，應結合實際情況分期建設。

2.2 凈水工藝比選

根據白石水庫水質現狀和污染預測結果，采用砂濾+沉淀+混凝工藝能夠達到凈水水質標準，考慮到超濾膜的生物安全性更高，其過濾功能還可以替代砂濾，故對比分析2種工藝的處理效果，并進一步探討砂濾池被超濾膜所取代的可行性。

2.2.1 超濾與砂濾比選

1)處理效果對比。砂濾池是一種傳統的處理效果穩定、工藝成熟的過濾方式，優點主要包括：①通過截流作用有效減少混凝后原水中的微小顆粒和原水濁度；②氧化催化載體功能，水源突發污染時可以投加藥劑并吸附氧化，通過發揮混凝沉淀作用將部分污染物去除，待流入砂濾池后還可以在濾砂表面形成一層濾膜，從而達到先過濾去除再催化氧化的作用；③比表面積較大的砂濾料能夠保存較多的生物量，特別是氣溫較低的北方地區，其強化去除氨氮的作用非常明顯[3-4]。超濾是一種利用物理作用來去除污染物的綠色分離技術，優點主要有[5-6]：①較強的原水適應性，進水水質幾乎不會對出水濁度造成影響，保證NTU總體處于0.1以下；②較高的出水微生物安全度，能夠有效去除大分子有機物、病毒、細菌、懸浮物和膠體等，還具有改善管網水質和自來水口感的優點；③生成的副產物量較低，可以有效減小突變概率[5-6]。

2)運行管理對比。結合超濾池和砂濾池的工藝特點，對比分析兩種工藝的運行管理情況如表1。

表1 運行管理情況對比表

此外，在選取處理工藝時使用白石水庫水源的自來水廠還要考慮重金屬的污染風險，可通過鋪設顆粒活性炭改造炭砂濾池、有針對性投加藥劑和改造水廠工藝等手段完善凈水處理方案。研究表明，除重金屬與除鐵錳的原理相似，將高錳酸鉀投入原水后，經一系列氧化反應可在砂濾池濾砂表面形成以高價鐵錳混合氧化物為主要成分的催化活性濾膜，并優先與Fe2+、Mn2+等發生催化氧化生成Fe3+、Mn4+的氧化物，濾砂表面沉積的氧化物不斷提高了膜活性，這也是快速將Tl+氧化成Tl3+的催化劑，即在數秒鐘內氧化成易于過濾的Tl3+氧化物，從而達到有效去除原水Tl+的作用[7]。因此，在加堿維持pH=8左右并投加高錳酸鉀與砂濾池的濾砂結合條件下，才能有效將原水中的重金屬去除，加堿中和的作用主要是提供氧化條件，其反應式如下：

(1)

可見，砂濾池是不可或缺的去除重金屬的基本條件。根據近年來白石水庫水質監測數據，發現個別時段有鐵超標的現象，通過投加藥劑吸附氧化和混凝沉淀，雖然可以達到一定去除效果，砂濾池表面的濾膜還可進一步催化過濾，從而確保鐵離子的有效去除和出廠水鐵含量達標。所以，不管后期是否同步建設超濾膜深度處理工藝，必須將砂濾池單元納入常規處理工藝。

結合白石水庫水質現狀和污染預測結果，砂濾+沉淀+混凝工藝能夠達到凈水水質以及應對突發重金屬污染風險的要求，但其應對微生物安全風險的能力不足。超濾+沉淀+混凝工藝可以高效去除以“兩蟲”為代表的耐氯微生物，實現出水濁度的進一步下降，出水生物安全性雖然得到了明顯提升，但應對突發風險能力低。因此，超濾+砂濾+沉淀+混凝工藝兼具超濾和砂濾的優點，對于各種水質風險該處理工藝的抵抗能力明顯提升，可大大降低膜的清洗頻率和膜系統的運行成本，增大膜的使用年限。

2.2.2 超濾膜與臭氧活性炭比選

臭氧活性炭工藝通過改善水的氣味、口感、色度、去除病毒、殺死細菌和臭氧氧化有機質，對氨氮、致突變性、生物穩定性、消毒副產物和有機物綜合指標等的去除有獨特優勢，但也存在微生物可能泄漏的風險[8]。

超濾膜工藝能夠進一步改善管網水質，包括控制管網末端用水點細菌總數、提升自來水口感、降低致突變性、消毒副產物生成量以及管網余氯穩定等，保證超低出水濁度。缺點是運行費用和建設費用高，必須定期更換膜組件。臭氧活性炭和超濾膜工藝的運行情況對比，如表2所示。

表2 深度處理工藝對比

從提高供水安全性和確保產水水質的角度上，在超濾膜深度處理工藝之前和常規砂濾池工藝之后布置臭氧活性炭單元，既能消除微型生物泄漏風險和提高炭濾池吸附生化效果，還可以大大減少炭濾池反沖洗頻次和臭氧投加量。同時，需要借助超濾膜過濾來控制臭氧活性炭出水的微生物泄漏風險。

2.2.3 生物預處理與預氧化處理比選

預氧化技術主要有高錳酸鹽預氧化、預臭氧、預氯化等，其中預氯化適用于有機物的降解和除藻，高錳酸鉀適用于去除水中微量有機物、藻類、色度和臭味等，達到去除水中多種重金屬和有機污染物的效果；預臭氧比較適用于水中高分子有機物的降解、臭味與色度的去除、錳、鐵等金屬離子的消除等，有利于澄清水質和改善絮凝。

實際上，水體中氮的去除就是氮的轉化過程，生物脫氮主要有氨化、硝化、反硝化3個過程。其中，氨化就是在微生物作用下降水體中有機氮轉變成氨氮，硝化就是在亞硝化和硝化桿菌作用下將氨氮轉變成硝酸鹽氮的過程，反硝化就是將硝酸鹽氮轉化成氮氣釋放到空氣中的過程，最終徹底去除水中氮。生物預處理是將水中部分有機物和氨氮利用生物作用來去除。原水微污染物的去除主要是利用濾料或填料上的生物膜來凈化原水，利用貧營養好氧菌等微生物的硝化、降解、絮凝、吸附等作用去除污染物，常用的工藝池型有漂浮陶粒濾料膨脹床、曝氣生物濾池和懸浮填料流化池等。根據白石水庫水源氨氮超標的實際情況，利用當前工藝難以保證氨氮達標時有必要考慮折點加氯的方式，通過生物預處理工藝達到氨氮的有效去除[9-11]。

綜上分析，最終推薦選用超濾膜+臭氧活性炭+常規處理+生物預處理工藝，并結合實際情況分期建設。

3 結 論

文章立足于與國際水平接軌、普遍實現直飲、改善自來水口感、保證管網水質安全以及提供穩定優質自來水的需求，通過比選預處理與深度處理、比較現代超濾與傳統砂濾、選擇工藝框架等凈水工藝，最終提出超濾膜+臭氧活性炭+常規處理+生物預處理工藝。