基于水質(zhì)優(yōu)化與節(jié)能降耗的水廠工藝方案設(shè)計(jì)

徐紅仙，朱延平，吳霖璟，黃 強(qiáng)

(1. 上海市奉賢區(qū)水務(wù)局，上海 201400；2. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；3. 上海市自來(lái)水奉賢有限公司，上海 201400)

奉賢第一水廠是奉賢新城、奉賢大型居住區(qū)的配套水廠，總體規(guī)劃規(guī)模為25萬(wàn)m3/d，第一期建設(shè)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d。根據(jù)《奉賢區(qū)供水規(guī)劃修編大綱》，奉賢各水廠原供水均來(lái)自黃浦江上游水源地，由黃浦江上游松浦水廠供水，2017年奉賢第一水廠建設(shè)期間水源改為金澤水庫(kù)。本研究將基于采用同一水源的奉賢第三水廠的凈水工藝流程和進(jìn)出水水質(zhì)，結(jié)合目前報(bào)道的最新水廠工藝運(yùn)行案例和工程經(jīng)驗(yàn)，完成最佳凈水工藝的確定。同時(shí)，考慮增設(shè)工藝造成的水頭損失以及對(duì)進(jìn)水水位的要求，可能對(duì)水廠布局和凈水工藝高程均有較大影響。綜合考慮進(jìn)出水水質(zhì)、廠區(qū)布局和凈水工藝高程確定最適合的工藝方案。

1 凈水工藝確定

1.1 進(jìn)出水水質(zhì)特征

奉賢各水廠原供水水源均來(lái)自黃浦江大橋泵站原水輸水系統(tǒng)，大橋泵站取水口位于黃浦江上游，距奉賢第三水廠取水口約為9 km。根據(jù)兩處取水口原水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)指標(biāo)基本相近，水質(zhì)特征基本一致。因此，奉賢第一水廠在咨詢?cè)O(shè)計(jì)階段凈水工藝的確定均參考奉賢第三水廠水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。

根據(jù)上海市自來(lái)水奉賢有限公司(上水奉賢)檢測(cè)的2011年—2015年奉賢第三水廠原水檢測(cè)結(jié)果：奉賢第三水廠原水29項(xiàng)常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)中pH、硫酸鹽、氯化物、銅、鋅、硝酸鹽、生化需氧量、砷、硒、汞、鎘、鉻(六價(jià))、鉛、氰化物、揮發(fā)酚類等指標(biāo)完全符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類，但有機(jī)污染十分明顯，存在高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮含量高，陰離子表面活性劑、鐵、錳、耐熱大腸菌群的含量較高，以及總磷略高的特征，屬于微污染水源。以上超標(biāo)指標(biāo)在原水中的具體檢測(cè)結(jié)果和合格率如表1所示。

表1 奉賢第三水廠2011年—2015年原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality in Fengxian No.3 WTP during 2011 and 2015

由第三水廠2011年—2015年出廠水水質(zhì)資料分析可知：出廠水35項(xiàng)常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)中除耗氧量超標(biāo)外，其他指標(biāo)完全符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)；出廠水中耗氧量超標(biāo)嚴(yán)重，平均值為3.10～3.50 mg/L，最高達(dá)4.10 mg/L，合格率低于70%(表2)。因此，第三水廠在強(qiáng)化常規(guī)凈水工藝處理后出廠水水質(zhì)較好，但由于受原水水質(zhì)限制，耗氧量明顯偏高，合格率低。

2017年，奉賢第一水廠建設(shè)期間，隨著金澤水庫(kù)正式投入使用，奉賢地區(qū)改由金澤水庫(kù)原水為主水源，金澤水庫(kù)工程位于青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)，黃浦江上游太浦河北岸，總占地面積約2.7 km2，總庫(kù)容約910萬(wàn)m3，其中應(yīng)急庫(kù)容約為525萬(wàn)m3。由于原水采用了水庫(kù)集中取水，原水水質(zhì)有了較為明顯的改善，根據(jù)奉賢第一水廠近一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，原水耗氧量指標(biāo)均小于4 mg/L，而未采用金澤水庫(kù)時(shí)原水耗氧量指標(biāo)為5～6 mg/L，原水色度也由2010年的23下降至2018年的10。原水水質(zhì)的改善降低了奉賢第一水廠凈水處理工藝的處理負(fù)荷，飲水供水安全得到進(jìn)一步保障。

表2 奉賢第三水廠2011年—2015年出廠水水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Finished Water Quality in Fengxian No.3 WTP during 2011 and 2015

1.2 凈水工藝方案的比較和選擇

針對(duì)第三水廠原水有機(jī)污染較嚴(yán)重的情況和出水耗氧量嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題，本項(xiàng)目在加強(qiáng)常規(guī)工藝的基礎(chǔ)上增設(shè)預(yù)處理工藝和深度處理工藝,具體工藝選擇原則如下。

(1)深度處理工藝的確定

根據(jù)奉賢第三水廠原水水質(zhì)特征分析，屬于太湖流域水系的黃浦江原水有機(jī)物含量較高，其中小分子有機(jī)物含量達(dá)到50%以上。通過(guò)常規(guī)處理的出廠水在耗氧量指標(biāo)上基本無(wú)法滿足國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上海市自來(lái)水行業(yè)圍繞黃浦江原水的深度處理工藝多年的研究結(jié)果，以及多個(gè)水廠的應(yīng)用實(shí)際效果(如南市水廠、楊樹浦水廠、臨江水廠等)[1-3]，集臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解于一體的臭氧-生物活性炭技術(shù)是使該類水質(zhì)達(dá)標(biāo)較為合理的技術(shù)手段。

同時(shí)，臭氧-生物活性炭技術(shù)可使水的致突變性能明顯改善。例如：上海周家渡水廠針對(duì)黃浦江原水所進(jìn)行的臭氧活性炭生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，當(dāng)臭氧投加量在3～4 mg/L時(shí)，水中的CODMn從5.5 mg/L降到0.6 mg/L，色度從15降到5以下，且將致突變?cè)囼?yàn)呈較強(qiáng)陽(yáng)性的原水處理到呈陰性(出水廠)[4]。此外，經(jīng)過(guò)生物活性炭處理，水中的可生化有機(jī)碳(AOC)有效降低，出廠水的生物穩(wěn)定性提高，管網(wǎng)的二次污染影響減少。因此，為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目制定的水質(zhì)目標(biāo)，針對(duì)原水中存在的問(wèn)題，在現(xiàn)有強(qiáng)化常規(guī)凈水工藝基礎(chǔ)上，臭氧-生物活性炭工藝應(yīng)該是一個(gè)比較理想的深度處理工藝。

(2)預(yù)處理工藝的確定

根據(jù)《奉賢區(qū)供水專業(yè)規(guī)劃修編綱要(2011—2020)》，奉賢區(qū)原水取自黃浦江上游水源地，由黃浦江上游松浦原水廠供水。在松浦原水廠內(nèi)已設(shè)有生物曝氣裝置和粉末活性炭投加系統(tǒng)。經(jīng)黃浦江上游原水管長(zhǎng)距離輸水，可利用微生物的生物氧化作用有效降解氨氮、亞硝酸鹽氮以及可生物降解有機(jī)物。粉末活性炭的投加，可提高黃浦江上游水源地應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件的能力。因此，項(xiàng)目預(yù)處理工藝將以有利于降解CODMn、去除錳、改善混凝條件為主要目標(biāo)，同時(shí)考慮對(duì)后續(xù)工藝的影響和作用，分析比較投加液氯、二氧化氯、高錳酸鉀以及臭氧等氧化劑去除水中的有害物質(zhì)，如色度、鐵、錳、氨氮、微生物(如藻類)及部分有機(jī)物質(zhì)等，各氧化劑的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 化學(xué)預(yù)處理所采用氧化劑特點(diǎn)對(duì)比Tab.3 Comparison of Different Oxidants Used for Chemical Pretreatment

第三水廠原水高錳酸鹽指數(shù)含量較高，可利用砂濾池中生物作用，提高在常規(guī)凈水處理階段有機(jī)物去除率，減輕后續(xù)深度處理工藝負(fù)擔(dān)。其他3種氧化劑由于可能對(duì)后續(xù)的活性炭工藝有影響，將預(yù)臭氧工藝確定為預(yù)處理工藝。氨氮的存在可減少和抑制溴酸鹽的生成，黃浦江原水氨氮含量較高，一般情況下能夠控制溴酸鹽的生成量[5]。但根據(jù)近年來(lái)以黃浦江水為原水的各水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在臭氧投加量過(guò)高時(shí)，出廠水溴酸鹽的最大值曾達(dá)到9 μg/L[6]。因此，初步考慮預(yù)臭氧最大投加量不大于1.0 mg/L，后臭氧不超過(guò)2.0 mg/L，水廠總臭氧投加量不大于3.0 mg/L。

綜合上述預(yù)處理和深度處理技術(shù)特點(diǎn)的分析，確定本工程預(yù)處理采用預(yù)臭氧，深度處理采用臭氧-生物活性炭工藝。

2 活性炭濾池的布局確定

2.1 活性炭濾池的布置形式

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的深度處理工藝布置的應(yīng)用案例，目前對(duì)于臭氧-生物活性炭工藝位置的設(shè)置可分為前置和后置兩種形式。后置形式為臭氧接觸氧化池和生物活性炭濾池置于砂濾池之后，如圖1所示。本方案中臭氧生物活性炭接納砂濾池出水。來(lái)水濁度低，一般低于0.3 NTU；同時(shí)，從目前第三水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)過(guò)常規(guī)處理后，砂濾池出水CODMn一般為3.5～3.6 mg/L，CODMn的去除率可達(dá)到30%～40%及以上，其中砂濾池的去除率可達(dá)到13%～17%。因此，本方案中臭氧生物活性炭濾池對(duì)去除CODMn的負(fù)荷相對(duì)較低，且基本不承擔(dān)濁度的去除。運(yùn)行周期較長(zhǎng)，沖洗周期一般不少于5 d，沖洗頻率低，可延長(zhǎng)活性炭濾料的使用壽命，降低長(zhǎng)期運(yùn)行成本。

圖1 方案一：凈水工藝流程示意圖Fig.1 Process Flow Chart of Scheme 1

前置形式為臭氧接觸氧化池和生物活性炭濾池置于沉淀池和砂濾池之間，工藝流程如圖2所示。本方案中臭氧生物活性炭原水來(lái)自沉淀池，來(lái)水濁度控制在1.0 NTU；從目前第三水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)過(guò)常規(guī)處理后，沉淀池出水CODMn一般為4.6～5.0 mg/L，CODMn的去除率為17%～25%。因此，本方案中臭氧生物活性炭濾池對(duì)去除CODMn的負(fù)荷相對(duì)較高，且由于來(lái)水濁度較高，運(yùn)行周期相對(duì)較短，沖洗頻率可能會(huì)提高，頻繁的反沖洗會(huì)縮短活性炭濾料的使用壽命，增加長(zhǎng)期運(yùn)行成本。

圖2 方案二：凈水工藝流程示意圖Fig.2 Process Flow Chart of Scheme 2

綜上分析，由于本工程原水有機(jī)污染較為明顯，CODMn含量較高，且沉淀池出水濁度相對(duì)較高，為降低活性炭濾池負(fù)荷，加長(zhǎng)反沖洗周期，從而延長(zhǎng)活性炭使用壽命，降低長(zhǎng)期運(yùn)行成本，在奉賢第一水廠工藝方案中采用臭氧生物活性炭后置的方式。

2.2 后置臭氧活性炭濾池的設(shè)計(jì)參數(shù)

后臭氧接觸池與活性炭濾池合建。后臭氧接觸池分設(shè)為可獨(dú)立運(yùn)行的2座，每座設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d。臭氧最大投加率為2.0 mg/L，平均加注量為1.5 mg/L，有效接觸時(shí)間為12 min，設(shè)3個(gè)階段，按4∶4∶4的時(shí)間比例設(shè)置。布?xì)庋b置擬采用微孔擴(kuò)散接觸器。整個(gè)后臭氧接觸池為全封閉設(shè)計(jì)。在池頂設(shè)置臭氧尾氣收集管，并接至臭氧制備車間設(shè)置的尾氣破壞裝置處理。

活性炭生物濾池設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，濾速為10.0 m/h，炭床厚度為2.25 m，空床停留時(shí)間為12.9 min。雙排布置，每組3格，共6格，分設(shè)于管廊二側(cè)。單格過(guò)濾面積為69.7 m2。濾料采用單層顆?；钚蕴浚?jí)配采用8×30目(相當(dāng)于2.38 mm×0.60 mm)，不均勻系數(shù)為1.9～2.0。承托層采用石英砂，厚度為0.25 m，粒徑為2.0～4.0 mm。濾池采用氣水分別單獨(dú)反沖洗，單氣沖強(qiáng)度為55 m3/(h·m2)，單水沖強(qiáng)度為25 m3/(h·m2)。每格濾池采用進(jìn)口氣動(dòng)閥門。清水出水閥采用調(diào)節(jié)閥，以濾格內(nèi)恒水位控制閥門開啟度?；钚蕴繛V池為全封閉設(shè)計(jì)。在池頂設(shè)置觀察透氣窗。

此外，實(shí)際運(yùn)行中活性炭濾池由于生物膜的老化脫落等原因使得活性炭濾池出水濁度通常比砂濾池出水略高。特別在沖洗后運(yùn)行初期，由于活性炭濾池出水中微生物總量有所增加，消毒不當(dāng)會(huì)存在出水微生物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。為使出廠水安全性和穩(wěn)定性能夠得到進(jìn)一步保障，強(qiáng)化炭濾池對(duì)于生物泄露風(fēng)險(xiǎn)方面的控制，考慮在活性炭濾池出水渠增加一道泄露微粒截留網(wǎng)，從而有效控制出水濁度，降低出水微生物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

3 凈水工藝高程確定

在采用臭氧接觸池、活性炭濾池深度處理工藝時(shí)將產(chǎn)生4.3 m的水頭損失，為滿足深度處理水力流程要求，使清水池保持合理水位，通常會(huì)采用廠內(nèi)的二次提升或提高沉淀池進(jìn)水水位。以下為2種凈水工藝高程設(shè)置的2個(gè)方案。

3.1 廠內(nèi)二次提升

廠內(nèi)二次提升即在常規(guī)處理工藝后設(shè)置中間提升泵房，常規(guī)處理工藝出水經(jīng)中間泵房提升后進(jìn)入臭氧接觸池、活性炭濾池。該方案的工藝流程如圖3所示。按照清水池最高水位5.2 m計(jì)算，預(yù)臭氧接觸池進(jìn)水水位標(biāo)高為10.6 m，水頭損失為5.4 m，一般常規(guī)工藝水頭損失為3.5 m，因此無(wú)法滿足深度處理工藝水頭損失，需增加提升泵房。沉淀池為非疊合池，需另行擇址建設(shè)排泥水調(diào)節(jié)池、反沖洗廢水調(diào)節(jié)池、回用水池、濃縮池、預(yù)濃縮池。受用地條件限制，濃縮池、預(yù)濃縮池均采用內(nèi)置不銹鋼斜板的重力高效式，回用水池疊合于臭氧制備車間下，排泥水調(diào)節(jié)池疊合于濃縮池下，反沖洗廢水池疊合于預(yù)濃縮池下。平衡池疊合于脫水機(jī)房下。

圖3 廠內(nèi)二次提升方案工藝流程圖(采用吳淞高程)Fig.3 Process Flow Chart of Secondary Lifting Scheme (Wusong Elevation)

圖4 疊合沉淀池方案工藝流程圖(采用吳淞高程)Fig.4 Process Flow Chart of Superimposed Sedimentation Tank (Wusong Elevation)

3.2 疊合沉淀池

此方案即將進(jìn)水原水水頭提高，全廠凈水設(shè)施采用重力流，沉淀池架空設(shè)計(jì)。進(jìn)廠原水水頭提高至14.70 m(吳淞標(biāo)高)。沉淀池抬高后，砂濾池出水重力進(jìn)入臭氧接觸池、活性炭濾池。沉淀池下方設(shè)置排泥水調(diào)節(jié)池、反沖廢水調(diào)節(jié)池、重力傳統(tǒng)式濃縮池、預(yù)濃縮池、回用水池、倉(cāng)庫(kù)等構(gòu)筑物，下部空間得到充分利用。該方案的工藝流程如圖4所示。沉淀池和清水池是水廠中占地面積較大的構(gòu)筑物，因此，沉淀池疊合清水池可以大大節(jié)省水廠占地面積，節(jié)約土地資源。然而，由于清水池下疊于沉淀池，兩者水頭損失余量不大，無(wú)法節(jié)省二次提升環(huán)節(jié)，而疊合沉淀池由于架空高度較為靈活，可以根據(jù)水位計(jì)算確定水池高度，達(dá)到取消廠內(nèi)二次提升、降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。同時(shí)，也可以在沉淀池下方設(shè)置污泥處理單元，節(jié)約土地資源。

3.3 方案綜合比較

根據(jù)以上2個(gè)工程方案內(nèi)容，方案將在高程、占地、工程費(fèi)用、電耗等方面進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。綜上，雖然該水廠所用工藝均為成熟工藝，但結(jié)合廠區(qū)土地面積、地勢(shì)工況與工藝需求，最后確定采用疊合沉淀池。由綜合費(fèi)用可知，疊合沉淀池方案基本與中間提升方案接近，略高約235萬(wàn)元，不到1%。但其節(jié)約了土地資源，共節(jié)約土地費(fèi)用720萬(wàn)，降低了項(xiàng)目總投資，同時(shí)取消廠內(nèi)二次提升、減少能耗，降低了長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用。就地勢(shì)平坦地區(qū)而言，疊合沉淀池方案的確定與落地，不僅區(qū)別于其他水廠，還發(fā)揮了水廠設(shè)計(jì)方案節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)。

表4 凈水工藝設(shè)計(jì)方案對(duì)比Tab.4 Comparison of Water Treatment Processes Schemes

注：年運(yùn)行水量考慮日變化系數(shù)為1.3，按平均日水量7.7萬(wàn)m3/d計(jì)；年運(yùn)行天數(shù)為365 d

此外，奉賢一水廠于2018年10月投產(chǎn)以來(lái)，出水水質(zhì)較理想，尤其是出水耗氧量保持在1.16～1.59 mg/L，與采用同一水源、經(jīng)過(guò)升級(jí)改造后的奉賢三水廠出水水質(zhì)相當(dāng)(2016年深度處理完成后耗氧量均小于2 mg/L，與改造前的3 mg/L左右相比有明顯降低)，側(cè)面說(shuō)明該處理工藝針對(duì)這一水源的處理效果比較有效且穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

積極響應(yīng)國(guó)家“建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”的號(hào)召，本文在對(duì)黃浦江原水水質(zhì)特點(diǎn)和現(xiàn)有水廠存在問(wèn)題進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合廠區(qū)布局和凈水工藝，通過(guò)開展工藝論證、用地核算、運(yùn)行費(fèi)用分析，綜合考慮優(yōu)化出水水質(zhì)和節(jié)能降耗，最終確定奉賢第一水廠的工藝方案為在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增加預(yù)臭氧前處理和臭氧-生物活性炭深度處理工藝，解決了黃浦江水有機(jī)污染較嚴(yán)重的問(wèn)題。工程選擇將深度處理單元置于砂濾之后，充分發(fā)揮活性炭濾池的吸附作用，延長(zhǎng)反沖洗周期。同時(shí)，采用疊合沉淀池充分發(fā)揮其節(jié)能降耗、優(yōu)化空間布局的優(yōu)點(diǎn)，以提升水廠的長(zhǎng)遠(yuǎn)效益。