臭氧生物活性炭深度處理工藝在泉州金雞水廠的應用研究

陳春玲

（泉州市市政工程中心，福建 泉州 362300）

引言

很多城市的水源在發展建設期間遭受了不同程度的污染，為保障城市供水的安全性，供水廠需借助特定工藝技術對水源進行凈化處理，使供水水質可滿足標準要求，提升飲用水品質。而在處理凈化水源的過程中，臭氧生物活性炭深度處理工藝脫穎而出，被各大供水廠所關注。泉州金雞水廠建成后，承擔起泉州中心市區主要供水職責，為提升飲用水品質而設計采用了臭氧生物活性炭深度處理工藝，以先進技術為支撐，使其水質各參數均大幅超過標準要求。

1 金雞水廠概況及現狀

為增強臭氧生物活性炭深度處理工藝應用研究的針對性，本次研究選取泉州金雞水廠為研究對象展開分析。泉州金雞水廠由泉州市國資委下屬泉州市自來水有限公司建設，屬于民生工程項目，投資為6.58億元。建設地點位于南安市豐州鎮旭山村，占地面積為241.96畝，是福建省首家運用深度處理工藝的現代化水廠。由于采用深度處理工藝，其出廠水水質符合《生活飲用水衛生標準》，且大幅超過標準參數，為泉州中心市區及南安豐州鄉鎮供水提供了堅實保障。在后續發展中，金雞水廠遵循當代綠色低碳環保理念，將綠化景觀及環保生態等理念融入供水廠規劃建設中，旨在打造“花園式”水廠，在確保金雞水廠供水功能的基礎上，優化當地生態環境[1]。

2 金雞水廠在飲用水品質凈化方面的需求及存在的問題

泉州中心市區此前僅有泉南、北區、金浦三座水廠，其中北區水廠已滿負荷運行，泉南、金浦水廠高峰期已近飽和，而泉州城市化進程明顯加快，人口快速增長，用水供需矛盾日漸顯現。泉州金雞水廠的建設，作為省、市重點項目，可緩解市區主要由泉南水廠供水的格局，解決中心市區用水供需矛盾，對保障城市供水安全、提高居民用水水質、改善投資環境、加快經濟發展具有重要作用。

此外，2009年10月至2012年9月，金雞水廠建設前委托泉州市環境監測站、廈門供水水質監測站進行水源監測，發現晉江干流庫區水質已出現溶解氧、總磷、總氮、糞大腸菌群、鐵、錳等指標經常性超標的現象，其他指標均能達標，總體水質相比歷史監測數據有越來越惡化的趨勢。泉州市作為國家歷史文化名城、對外開放旅游城市，金雞水廠設計采用目前國際較為先進的臭氧生物活性炭深度處理工藝，將泉州市供水水質提高，各參數高于國家現行標準，并逐步與國際先進水平接軌[2]。

3 臭氧生物活性炭深度處理工藝在金雞水廠的具體應用

3.1 工藝方案

臭氧生物活性炭深度處理工藝屬于綜合性凈化工藝，集生物氧化降解、臭氧化學氧化、臭氧滅菌消毒、活性炭物理化學吸附方法為一體。該工藝對水質提升效果顯著：（1）我國常規的自來水加氯工藝處理污水后，部分情況下會出現Ames致突變試驗呈陽性的現象，而采用臭氧生物活性炭深度處理工藝處理后為陰性。（2）該工藝可去除50%以上的有機物，處理效果超出常規工藝15%～20%。（3）臭氧生物活性炭深度處理工藝能夠改善并優化感官性指標，且可有效提高嗅味值及鐵、錳、色度的去除率[3]。（4）采用該工藝可去除90%以上的氨氮，且水中亞硝酸鹽氮、氨氮經生物氧化后變為硝酸鹽，繼而起到降低后氯化投加量、減少三鹵甲烷生成的作用。（5）對蛋白氨氮、可同化有機碳具有良好的去除效果，大幅提升管網水質。

3.2 主要構筑物

圖1為案例金雞水廠臭氧生物活性炭深度處理工藝整體布局，具體如下：取水泵站→配水井→預臭氧接觸池→折板絮凝池→平流沉淀池→砂濾池→提升泵→后臭氧接觸池→活性炭濾池→清水池→送水泵房[4]。

3.2.1 預臭氧接觸池

選擇臭氧展開預氧化的原因如下：（1）若采用原工藝方法借助Cl2進行預氧化，則因此形成的有機氯化物在后續工序中難以運用生物活性炭將其去除，而運用預臭氧化則無法形成氯化消毒副產物。（2）運用C102、C12展開預氧化處理，此時所形成的余氯將與后續添加的臭氧產生干擾，繼而削弱主臭氧氧化效果。（3）預臭氧投加量與水凈化效果之間存在緊密關聯，當預臭氧投加量處于0.9～1.2 mg／L范圍時，會達到90%以上的藻類去除率，且出水濁度低于0.2 NTU，凈化效果遠好于未投加預臭氧時的效果[5]。由此可見，預臭氧處理工藝效果顯著，是深度處理工藝中必不可少的環節。

圖2為金雞水廠預臭氧接觸池設計圖，其預臭氧接觸池平面尺寸為10.2×18.3×7.25 m，水深為6.3 m，預臭氧接觸時間、投加量、余臭氧控制指標分別為5.92 min、0.5～1.5 mg/L、0.1 mg/L。考慮到金雞水廠原水中顆粒物較多，難免出現堵塞現象，因此可通過投加預臭氧形式進行射流擴散，依托水射器營造負壓吸入臭氧氣體，經多孔擴散管后，氣水混合液與池內水逐漸混合。

圖2 預臭氧接觸池

3.2.2 主臭氧接觸池

該構筑物在臭氧生物活性炭深度處理工藝中的作用主要有：（1）殺死原水中的病原體、病毒、細菌等；（2）促進氧化反應，使大分子有機物逐漸轉化為小分子有機物，為后續活性炭吸附降解有機物奠定基礎；（3）確保活性炭內微生物能夠在足夠氧源環境下穩定生長[6]。金雞水廠一期工程主臭氧接觸池共1座2格，每格處理規模為10萬m3/d。總尺寸為37.15×10.20×6.95 m，水深為6.0 m，O3投加量、余臭氧控制指標、接觸時間分別為1.5～2.5 mg/L、0.2 mg/L、12 min。該主臭氧接觸池分為串聯三級，各級共有接觸、反應兩段。在該工藝體系中，三級接觸反應時間分別為4 min、4 min、4 min，臭氧投加量分別為40%、30%、30%。金雞水廠主臭氧擴散裝置采用陶瓷微孔曝氣盤，根據每個投加點的曝氣量布置相應數量的曝氣頭[7]。

3.2.3 臭氧發生系統

圖3為金雞水廠臭氧發生系統，由供電單元、臭氧發生器、閉路循環冷卻水系統、主PLC、尾氣破壞裝置、臭氧投加系統構成，整個臭氧發生系統均可借助主控制柜EC觸摸屏控制，水廠人員可直接于觸摸屏上完成臭氧濃度、臭氧投加量、放電電流等運行參數的設定和修改，且可基于觸摸屏實時查詢與了解各工藝環節的具體運行狀態。金雞水廠預臭氧投加量、后臭氧投加量分別為0.5～1.5 mg/L、1.5～2.5 mg/L，一期工程臭氧最大投加量為800 kg/d。臭氧發生車間配備3臺臭氧發生器，2用1備，總臭氧發生量約為45 kg／h。單臺臭氧發生器在外環冷卻水水溫為25 ℃，臭氧濃度為10 wt%的狀態下，設計產量為15 kgO3/h；單臺臭氧發生器在外環冷卻水水溫為25 ℃，臭氧濃度為6 wt%的狀態下，最大產量為20 kgO3/h[8]。在臭氧發生系統運行期間，采用液氧站的液氧作為氧源，因此在此構筑物中不考慮現場制備氧氣。

圖3 臭氧發生系統

3.2.4 提升泵站

臭氧生物活性炭深度處理工藝中的提升泵站主要作用是將砂濾池內濾后水提升至主臭氧接觸池。金雞水廠臭氧生物活性炭深度處理工藝提升泵站總提升量、提升高度分別為8 333 m3／h、8 m，提升泵為離心泵，共設3臺，其中2用1備。單臺額定流量Q=5 200 m3/h，揚程H=8 m，N=160 kW。考慮到常規處理凈水構筑物因沉淀池排泥和濾池反沖洗造成砂濾池來水量產生波動，故在泵房內設置變頻調速裝置，使泵組可提升流量適應來水量的變化[9]。

3.2.5 活性炭濾池

臭氧生物活性炭深度處理工藝中的活性炭濾池的主要作用為：（1）破壞水中臭氧，該過程主要發生于活性炭濾池上方位置；（2）可良好去除水中的化學成分，且可良好完成氧化副產物的吸收，極大保障了深度處理效果；（3）可借助活性炭表面生物活動完成對生化副產物的降解。在整個工藝系統中，活性炭濾池前期主要表現為物理吸附，待活性炭表面形成生物膜后，此時物理吸附作用逐漸削弱，其功能更換為生物降解、生物吸附[10]。

活性炭濾池池型可直接影響濾料流失率、構筑物占地面積、工程造價等，因此金雞水廠新建臭氧生物活性炭深度處理工藝設施時，對多種池型進行了技術性、經濟性對比，最終選用翻板濾池形式建設活性炭濾池。該池型具有排水、沖洗不同步的特征，即沖洗與排水不可同步進行。從工藝實踐角度看，翻板濾池具有工程造價低、占地面積少、反沖洗水耗小、濾料流失率低的優勢[11]。金雞水廠結合功能用途確定活性炭濾池運行參數，若用于去除臭味，則接觸時間需設定為8～10 min；若主要用于去除CODMn，則最佳接觸時間為12～18 min。對于金雞水廠而言，其最為主要的功能是去除有機物，為保障深度運行效果，其將空床接觸時間設定為18 min。

最佳活性炭濾池炭床厚度為1.8～2.5 m，若低于1.8 m，則濾速不達標，且會增大占地面積，造成不必要的成本；若厚度超過2.5 m，則會出現炭床反沖洗效果不佳的現象。金雞水廠相關人員綜合考慮空床接觸時間、可用占地面積后，最終將活性炭濾池炭床厚度設計為2.4 m。在以往的活性炭濾池中，采用單層生物活性炭形式進行工藝處理時，通常會存在細菌總數、濁度上升的現象，而金雞水廠為避免該問題，于活性炭濾池炭床下方鋪設石英砂，厚度為0.6 m，粒徑處于0.8～1.2 mm區間內[12]。鋪設石英砂濾層可提高表面微生物生長的安全性，并可保障出水濁度。經處理后，出水濁度可達0.1 NTU，且具備一定的細菌截留作用，能夠進一步提升凈化處理效果。

3.2.6 炭濾池的運行

金雞水廠炭濾池反沖洗采用先氣沖洗、再氣水混合沖洗、最后水沖洗的方式。活性炭濾池單獨水沖方式會造成炭床沖洗不干凈、老化生物膜難以去除、炭床間容易形成泥球等問題。而氣水反沖洗采用沖洗強度較高的氣沖，可以松動和摩擦炭床，使附著的生物絮體剝落并促成吸附雜質的脫附，其后的水沖再將脫附的雜質和脫落的生物膜排出[13]。

4 成本核算

4.1 建設成本

構筑物建設成本：臭氧發生間：230萬元；預臭氧接觸池：135萬元；活性炭翻板濾池：1 789萬元；后臭氧接觸池：198萬元，土建合計約為2 300萬元。

設備臭氧系統：1 400萬元；活性炭：1 300萬元；砂：100萬元；自動化及設備：1 000萬元，共計3 800萬元。

合計總體投資約為6 100萬元。

4.2 運營成 本

運營成本包括：電費：提升泵、空壓機、鼓風機、反沖洗泵、臭氧發生系統55 kwh/km3×0.75元/kwh，合0.04元/m3；液氧費：30 g/m3×780元/噸，合0.023元/m3；活性炭及砂：按8年換算，1 400萬/8/365/17萬m3，合0.028元/m3；冷卻水及反沖洗水：暫不算；折舊：構筑物及設備（不含炭砂）為4 700萬元，每年為7%，合0.053元/m3。因此合計直接成本為0.04+0.023+0.028+0.053=0.144元/m3（不含人工費）。

5 結語

綜上所述，金雞水廠為遏制原水水質惡化現象而引進了臭氧生物活性炭深度處理工藝，同時響應了當地提升城市供水水質行動方案的號召。在工藝建設期間，金雞水廠按照工藝流程及運行要求科學設置了預臭氧接觸池、主臭氧接觸池、臭氧發生系統、提升泵站、活性炭濾池等設施，并合理設計工藝參數。作為當地首家臭氧生物活性炭深度處理工藝水廠，金雞水廠展現出良好的運行效果，提升了城市供水水質，改善了居民飲用水口感。