后置下向流臭氧-生物活性炭工藝深度處理工程應(yīng)用

畢愛(ài)軍

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

根據(jù)調(diào)查，目前福建地區(qū)的城市水廠基本還是采用常規(guī)處理工藝，即工藝流程由混凝、沉淀(澄清)、過(guò)濾和消毒組成，其主要去除對(duì)象為水中懸浮物、膠體物和部分大分子有機(jī)物，并殺滅水中絕大部分細(xì)菌和病毒，保證飲用水的基本安全性。由于城市和工業(yè)的快速發(fā)展，水源水體普遍受到有機(jī)物的污染，此外氯消毒能與有機(jī)物反應(yīng)生成對(duì)人體健康有害的消毒副產(chǎn)物，常規(guī)處理工藝對(duì)此去除能力有限。而臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝將臭氧與活性炭聯(lián)用，對(duì)去除水中多種有機(jī)物效果顯著，可進(jìn)一步保證飲用水的化學(xué)安全性[1]。根據(jù)福建某水廠的水源水質(zhì)特點(diǎn)和對(duì)出水水質(zhì)提升的要求，設(shè)計(jì)在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增加了臭氧-生物活性炭深度處理工藝，并采用后置下向流的形式，運(yùn)行后取得了較好的效果。

1 工程概況

水廠為新建工程，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)規(guī)模為40 萬(wàn)m3/d，一期建設(shè)規(guī)模為20 萬(wàn)m3/d。水源為某河流攔河閘前水庫(kù)水，根據(jù)月度水源檢驗(yàn)報(bào)告，水源水質(zhì)總體較好，基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但是，水質(zhì)受季節(jié)、天氣影響波動(dòng)較大，水體存在微污染狀況，主要體現(xiàn)在渾濁度、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、錳等指標(biāo)，局部時(shí)段還會(huì)出現(xiàn)總氮、氨氮、錳超標(biāo)的情況。2019年的原水水質(zhì)分析如表1所示。

表1 2019年度原水水質(zhì)分析Tab.1 Analysis of Raw Water Quality in 2019

為對(duì)比常規(guī)處理工藝的處理效果及了解深度處理的必要性，對(duì)取用同一水源、采用常規(guī)處理工藝的另一座現(xiàn)狀水廠2019年出廠水水質(zhì)進(jìn)行分析，如表2所示。由表2可知，出廠水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求，但指標(biāo)變化幅度較大，與國(guó)內(nèi)采用深度處理工藝的一些水廠的優(yōu)質(zhì)出廠水尚有距離。另有研究表明[2-3]，常規(guī)處理工藝與臭氧-生物活性炭深度處理工藝相比，出廠水水質(zhì)特別是三鹵甲烷總量、溶解性有機(jī)物、高錳酸鹽指數(shù)及鋁還存在一定差距，對(duì)部分新興污染物的去除能力也明顯不足。

表2 同一水源常規(guī)處理工藝水廠2019年出廠水水質(zhì)分析Tab.2 Analysis on Water Quality of Waterworks by Conventional Treatment Process of Same Water Source in 2019

該水廠作為當(dāng)?shù)厮|(zhì)提升的示范工程，處理工藝采用強(qiáng)化常規(guī)處理+臭氧-生物活性炭深度處理，水廠供水水質(zhì)目標(biāo)是在滿(mǎn)足現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值的基礎(chǔ)上，各項(xiàng)指標(biāo)得到全面提升，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)供水。關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)限值提升：渾濁度為0.2 NTU，色度為5度，氣味為3 TON，高錳酸鹽指數(shù)為1.5 mg/L，鋁為0.15 mg/L，鐵為0.2 mg/L，錳為0.05 mg/L，菌落總數(shù)為20 CFU/mL，游離氯為0.3～1.5 mg/L，三氯甲烷為0.04 mg/L，三氯乙醛為0.008 mg/L，三鹵甲烷總量為0.7，氯酸鹽為0.5 mg/L，甲醛為0.08 mg/L，溴酸鹽為0.005 mg/L，亞硝酸鹽為0.1 mg/L。出廠水合格率不低于98%。

2 工藝布置形式及特點(diǎn)

臭氧-生物活性炭工藝布置形式有前置和后置之分，活性炭濾池有上向流和下向流(重力流)之別。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)部分水廠的臭氧-生物活性炭工藝搭配組合形式的研究[4]，在各種組合中，上向流臭氧-生物活性炭工藝多為前置式；下向流臭氧-生物活性炭工藝多為后置式，少數(shù)采用前置式。對(duì)常用臭氧-生物活性炭工藝布置形式進(jìn)行比較如表3所示。

表3 臭氧-生物活性炭工藝布置形式比較Tab.3 Comparison of Process Layout of Ozone-Bioactivated Carbon

根據(jù)水源及工藝形式特點(diǎn)，本工程原水水質(zhì)尚可、渾濁度較高、有機(jī)物含量相對(duì)較低，深度處理目標(biāo)僅為進(jìn)一步提升水質(zhì)，故采用后置下向流臭氧-生物活性炭工藝。工藝布置是在常規(guī)處理前先預(yù)加臭氧，經(jīng)過(guò)常規(guī)處理后再投加臭氧，最后經(jīng)活性炭濾池重力流過(guò)濾。

臭氧-生物活性炭工藝水力流程如圖1所示。工藝布置上，在預(yù)臭氧和后臭氧-炭濾工藝處分別設(shè)置超越管，可根據(jù)水質(zhì)情況考慮是否超越，以保持工藝運(yùn)行的靈活性。

圖1 臭氧-生物活性炭工藝水力流程Fig.1 Hydraulic Process of Ozone-Bioactivated Carbon Process

3 工藝設(shè)計(jì)[7-12]

3.1 預(yù)臭氧接觸池

3.1.1 預(yù)臭氧作用

臭氧為一種強(qiáng)氧化劑，用于凈水處理的預(yù)氧化，其主要作用是：氧化溶解的鐵、錳離子及氰化物、硫化物、亞硝酸鹽，減少三鹵甲烷及其前體物質(zhì)，脫色、脫嗅、脫味，增強(qiáng)絮凝效果等。

3.1.2 總體布置及技術(shù)參數(shù)

預(yù)臭氧接觸池設(shè)置在原水配水井后、混合池前，對(duì)原水進(jìn)行預(yù)氧化。土建按一期規(guī)模設(shè)計(jì)實(shí)施，平面尺寸為18.30 m×10.20 m，池凈深為7.00 m，最大水深為6.30 m，分2格，每格中間設(shè)5道豎向?qū)Я鞲舭澹顾髫Q向流動(dòng)、上下翻滾，實(shí)現(xiàn)與臭氧的充分接觸。隔板將池子分成6段，第1段為進(jìn)水配水段，第2段為臭氧投加段，第3～5段為接觸反應(yīng)段，第6段為出水配水段。出水采用矩形薄壁堰跌落自由出流，每格堰寬為4.5 m，堰上水頭為0.35 m。池體上部設(shè)置1間設(shè)備間，放置增壓泵、水射器等投加裝置以及臭氧尾氣破壞裝置、臭氧監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備。預(yù)臭氧設(shè)計(jì)最大投加率為1.0 mg/L，接觸時(shí)間為6.3 min，目前實(shí)際投加量在0.3 mg/L左右。

3.1.3 預(yù)臭氧投加系統(tǒng)

預(yù)臭氧接觸池每格設(shè)1個(gè)臭氧投加點(diǎn)，按照被隔板分隔的區(qū)段，在每格池子的第2段設(shè)置1根DN80的投加管和1套增效噴嘴組擴(kuò)散裝置。從臭氧發(fā)生間過(guò)來(lái)的臭氧氣體采用文丘里水射器抽吸后，經(jīng)投加管注入到預(yù)臭氧接觸池，并通過(guò)擴(kuò)散裝置快速擴(kuò)散到水體中，使臭氧與水快速接觸、混合、反應(yīng)。

3.1.4 臭氧尾氣破壞系統(tǒng)

為防止沒(méi)有溶解到水里的剩余臭氧尾氣直接排放到大氣中污染環(huán)境，在預(yù)臭氧接觸池每格池子的第6段設(shè)置1個(gè)DN80的尾氣收集口，將沒(méi)有溶解的臭氧在收集口收集起來(lái)，經(jīng)除霧器后，通過(guò)DN40/DN32的尾氣收集管輸送至尾氣破壞裝置中，臭氧尾氣被破壞分解、重新還原為氧氣后，排放到室外，排放的臭氧濃度要求不高于0.1×10-6。

臭氧尾氣破壞系統(tǒng)采用催化式(觸媒式)臭氧破壞裝置，尾氣先通過(guò)1臺(tái)風(fēng)機(jī)抽出來(lái)，再通過(guò)1個(gè)預(yù)加熱帶將尾氣溫度升高15～20 ℃，最后進(jìn)入尾氣破壞帶通過(guò)催化破壞方式將臭氧破壞掉。臭氧破壞裝置規(guī)格：Q=73 Nm3/h，N=1.55 kW。

臭氧破壞裝置前設(shè)置除霧器，規(guī)格為DN80，防止水滴進(jìn)入臭氧破壞裝置影響催化劑的使用效果。除霧器為一個(gè)絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的氣水分離裝置，安裝在接觸池上方的收集口處，分離后的凝結(jié)水直接回流至接觸池。

預(yù)臭氧接觸池池頂安裝雙向安全閥，確保池內(nèi)氣壓能自動(dòng)釋放，防止形成真空或正壓狀態(tài)。在每格池子的第1段池頂設(shè)置1個(gè)規(guī)格為DN80(1.0 MPa)的壓力/真空結(jié)合的雙向安全閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥體設(shè)置，保持一定的壓力/真空度。

3.2 砂濾水提升泵房

水廠原地勢(shì)較低，按照防洪要求，廠區(qū)需全部回填到10.5 m高程(1985國(guó)家高程基準(zhǔn))，工藝流程無(wú)法利用地勢(shì)采取全重力流。為減少臭氧-生物活性炭深度處理設(shè)施和清水池、送水泵房的埋深，節(jié)省土建費(fèi)用，對(duì)常規(guī)處理后的砂濾水進(jìn)行提升后再進(jìn)入深度處理設(shè)施，中間設(shè)置砂濾水提升泵房。

砂濾水提升泵房與常規(guī)處理的砂濾池反沖洗泵房合建，設(shè)置在砂濾池出水總堰后。以往水廠深度處理中間提升水泵多采用立式混流泵和潛水混流泵，雖具有占地空間小的優(yōu)勢(shì)，但運(yùn)行效率較低，且安裝檢修難度較大，故本工程設(shè)計(jì)采用了高效臥式離心泵，并設(shè)置變頻調(diào)節(jié)，使泵房進(jìn)出水量精準(zhǔn)匹配，避免溢流或頻繁啟停水泵，保持水泵靈活、高效運(yùn)行，節(jié)省電耗。提升泵房采用半地下式泵房，水泵全自灌啟動(dòng)。平面尺寸為32.86 m×15.20 m，地下部分深為4.10 m。泵房?jī)?nèi)按遠(yuǎn)期規(guī)模布置5臺(tái)泵位，雙排交錯(cuò)布置，盡量節(jié)省占地空間，一期先安裝3臺(tái)水泵，2用1備。單臺(tái)水泵參數(shù)：Q=5 200 m3/h，H=8 m，N=160 kW。

3.3 后臭氧接觸池

3.3.1 后臭氧作用

后臭氧的主要作用：消毒、滅活病毒和原生動(dòng)物，氧化有機(jī)物質(zhì)，將COD轉(zhuǎn)化為BOD，氧化分解螯合物，減少出廠水加氯量，為生物活性炭濾池提供充足氧氣等。

3.3.2 總體布置及技術(shù)參數(shù)

后臭氧接觸池設(shè)置在砂濾水提升泵房后、活性炭濾池前。土建按一期規(guī)模設(shè)計(jì)實(shí)施，平面尺寸為37.15 m×10.20 m，池凈深為7.00 m，最大水深為6.40 m。分2格，每格中間設(shè)7道豎向?qū)Я鞲舭?，將池子分?段，第1段為進(jìn)水配水段，第2～7段為臭氧投加和接觸反應(yīng)段，第8段為出水配水段。出水采用矩形薄壁堰跌落自由出流，每格堰寬為4.5 m，堰上水頭為0.35 m。池體上部設(shè)置1間設(shè)備間，放置臭氧分配器等投加裝置以及臭氧尾氣破壞裝置、臭氧監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備。后臭氧設(shè)計(jì)最大投加率為2.0 mg/L，接觸時(shí)間為13.5 min，目前實(shí)際投加量在0.6 mg/L左右。

3.3.3 后臭氧投加系統(tǒng)

進(jìn)入后臭氧接觸池的水為經(jīng)過(guò)常規(guī)處理后的凈水，其鐵、錳及藻類(lèi)含量少，后臭氧投加系統(tǒng)采用簡(jiǎn)潔高效的陶瓷微孔曝氣盤(pán)。采用3級(jí)投加，臭氧投加量依次為50%、25%、25%。每格設(shè)3個(gè)臭氧投加點(diǎn)，分別在被隔板分隔的第2、4、6段各設(shè)置1根DN15的投加管，第1級(jí)布置18個(gè)曝氣盤(pán)，第2、3級(jí)各布置13個(gè)曝氣盤(pán)，曝氣盤(pán)規(guī)格D=178 mm。曝氣盤(pán)按一定優(yōu)化的排陣方式布置在后臭氧接觸池中，以達(dá)到優(yōu)化布?xì)饧皩?shí)現(xiàn)傳質(zhì)效率的最大化，臭氧擴(kuò)散效率高于95%。

3.3.4 臭氧尾氣破壞系統(tǒng)

后臭氧接觸池臭氧尾氣破壞系統(tǒng)與預(yù)臭氧接觸池基本相同，僅規(guī)格有差異。在每格池子的第7段設(shè)置1個(gè)DN100的尾氣收集口，經(jīng)過(guò)除霧器后，通過(guò)DN50的尾氣收集管輸送至尾氣破壞裝置中。臭氧破壞裝置規(guī)格：Q=162 Nm3/h，N=3.2 kW；除霧器規(guī)格為DN100；雙向安全閥規(guī)格為DN150(1.0 MPa)，設(shè)置在每格池子的第1段池頂。

3.4 臭氧發(fā)生間

3.4.1 臭氧產(chǎn)生原理

工藝需使用臭氧氣體，其本身不穩(wěn)定，必須現(xiàn)場(chǎng)制備。臭氧的產(chǎn)生是使用臭氧發(fā)生器在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)無(wú)聲放電的方式，將原料氣中的氧氣(低溫等離子體)轉(zhuǎn)化為臭氧；在臭氧產(chǎn)生過(guò)程中，氧氣分子首先在中頻高壓形成的低溫等離子區(qū)分裂，生成的氧原子與氧分子結(jié)合形成臭氧，并在發(fā)生器2個(gè)電極之間的狹小間隙中產(chǎn)生。

3.4.2 臭氧發(fā)生系統(tǒng)組成

(1)臭氧發(fā)生器

臭氧發(fā)生器的核心部件是放電管，2個(gè)電極通過(guò)均質(zhì)硼硅光學(xué)玻璃制成的絕緣管隔離(其中，高壓電極端接高電壓，殼體接地)形成高壓電場(chǎng)，以無(wú)聲放電的方式將氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水廠臭氧發(fā)生器多采用臥式安裝，占地空間較大，本次設(shè)計(jì)臭氧發(fā)生器采用新型立式安裝，與供電單元及控制系統(tǒng)一起并排固定在2個(gè)獨(dú)立的底座上，大大節(jié)省了占地空間，管線(xiàn)布置簡(jiǎn)潔美觀，操作維護(hù)直觀方便。

(2)供電單元

供電單元特殊設(shè)計(jì)的變頻器為電極提供中頻電壓，并保持恒定不變，通過(guò)變頻來(lái)實(shí)現(xiàn)臭氧產(chǎn)量的變化調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定高效的運(yùn)行效率。臭氧發(fā)生器放電電壓為5.5 kV，可在1～1 000 Hz變頻運(yùn)行。

(3)氮?dú)馔都酉到y(tǒng)

臭氧發(fā)生器采用液氧為原料氣，當(dāng)液氧的質(zhì)量需要添加氮?dú)鈺r(shí)，氮?dú)馔都酉到y(tǒng)可提供氮?dú)?，以保證臭氧的順利生成。

(4)冷卻水系統(tǒng)

根據(jù)冷卻水的水質(zhì)和水量情況，采用閉環(huán)間接冷卻水系統(tǒng)，包括外環(huán)冷卻水和內(nèi)環(huán)冷卻水。外環(huán)冷卻水為開(kāi)路循環(huán)，對(duì)水質(zhì)要求不高，進(jìn)水接廠區(qū)自來(lái)水，出水至回收水池；內(nèi)環(huán)冷卻水為閉路循環(huán)，對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)較高，由廠家配套提供。

(5)儀表系統(tǒng)

儀表系統(tǒng)對(duì)臭氧的制備和投加過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，包括進(jìn)氣露點(diǎn)測(cè)量?jī)x、氧氣/臭氧環(huán)境低濃度氣體監(jiān)測(cè)儀(泄漏報(bào)警)、聲光報(bào)警儀、產(chǎn)品氣臭氧濃度檢測(cè)儀、水中溶解臭氧濃度監(jiān)測(cè)儀、尾氣臭氧監(jiān)測(cè)儀(接觸池后，尾氣破壞裝置前)、排氣臭氧監(jiān)測(cè)儀(尾氣破壞裝置后)、便攜式臭氧檢測(cè)儀等。

(6)控制系統(tǒng)

臭氧系統(tǒng)通過(guò)高效的中央可編程控制器自動(dòng)和手動(dòng)控制，主要功能包括臭氧發(fā)生器啟停、原料氣系統(tǒng)控制、冷卻水系統(tǒng)控制、臭氧產(chǎn)量和投加量控制、氧氣及臭氧泄漏報(bào)警、余臭氧破壞、系統(tǒng)故障反應(yīng)等。主要工藝控制參數(shù)包括進(jìn)氣露點(diǎn)、臭氧氣體流量及濃度、冷卻水量、氧氣/臭氧環(huán)境濃度、臭氧投加量、水中臭氧濃度及尾氣臭氧濃度等。

3.4.3 臭氧發(fā)生系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

水廠臭氧設(shè)計(jì)最大投加率為3.0 mg/L，按遠(yuǎn)期規(guī)模臭氧最大投加量為1 260 kg/d(52.50 kg/h)，一期規(guī)模臭氧最大投加量為630 kg/d(26.25 kg/h)。遠(yuǎn)期共配置5臺(tái)臭氧發(fā)生器，一期安裝3臺(tái)，2用1備。單臺(tái)臭氧發(fā)生器規(guī)格：在外環(huán)冷卻水入口水溫為30 ℃、臭氧濃度≥10 wt%的狀態(tài)下，制備能力為15 kg O3/h，總功率為152.7 kW，臭氧產(chǎn)量為10%～100%，臭氧濃度為6 wt%～14 wt%。按額定制備能力，單臺(tái)臭氧發(fā)生器的液氧需量為0.132 m3/h，氧氣氣體需量為104.9 m3/h，冷卻水需量(外環(huán))為43.9 m3/h，產(chǎn)生的臭氧氣體流量為101.4 Nm3/h(10 wt%)。一期與臭氧發(fā)生器配套設(shè)置3套冷卻水系統(tǒng)，冷卻水循環(huán)泵規(guī)格：Q=45 m3/h，H=20 m，N=4.0 kW。另設(shè)置1套氮?dú)馔都酉到y(tǒng)，空壓機(jī)規(guī)格：Q=0.15 m3/min，H=1.0 MPa，N=1.5 kW。目前，運(yùn)行僅需啟用1臺(tái)臭氧發(fā)生器，產(chǎn)量在4 kg O3/h左右。

3.4.4 總體布置

臭氧發(fā)生間土建按遠(yuǎn)期規(guī)模1次設(shè)計(jì)實(shí)施，設(shè)備分期安裝。平面尺寸為34.20 m×18.00 m，凈高為5.00 m。根據(jù)功能分成3個(gè)房間，分別為臭氧發(fā)生器間、配套設(shè)備間和配電控制間。臭氧發(fā)生器間主要放置臭氧發(fā)生器及供電單元，配套設(shè)備間主要放置冷卻水設(shè)備和氮?dú)馔都釉O(shè)備，配電控制間主要放置配電和控制設(shè)備。臭氧發(fā)生器間考慮機(jī)械通風(fēng)換氣，設(shè)置6臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，布置在長(zhǎng)側(cè)外墻的底部，風(fēng)機(jī)參數(shù)：Q=7 500 m3/h，N=1.1 kW，可保證20次/h的換氣頻率。

3.5 液氧站

臭氧發(fā)生器采用氧氣作為原料氣，一般有2種來(lái)源：外購(gòu)液氧(LOX)或現(xiàn)場(chǎng)制備氧氣。直接外購(gòu)，可省卻制氧設(shè)備，管理方便省事，氣源質(zhì)量也有保證；現(xiàn)場(chǎng)制備，氧氣設(shè)備多，操作管理程序繁瑣?？紤]到水廠附近有制氧工廠，故采取外購(gòu)液氧作原料氣。

液氧站的作用是儲(chǔ)存液氧，進(jìn)行氣化、調(diào)壓后，提供給臭氧發(fā)生器作為原料氣，主要設(shè)備有液氧儲(chǔ)罐、蒸發(fā)器和調(diào)壓裝置等。設(shè)置鋼制液氧儲(chǔ)罐2個(gè)，每個(gè)容積為30 m3，壓力為0.6 MPa，按液氧標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為1.14×103kg/m3，1個(gè)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存液氧的最大質(zhì)量為34 200 kg。根據(jù)水廠需要的日最大臭氧投加量，達(dá)到遠(yuǎn)期規(guī)模時(shí)液氧可使用約5 d，一期規(guī)模時(shí)可使用約10 d。一期先設(shè)置蒸發(fā)器和調(diào)壓裝置各1套，遠(yuǎn)期再各增加1套，規(guī)格為300 kg/h。液氧站基礎(chǔ)平面尺寸為11.0 m×8.0 m，周?chē)O(shè)置防護(hù)柵欄進(jìn)行安全隔離，基礎(chǔ)埋深需根據(jù)儲(chǔ)罐荷載，并考慮防臺(tái)風(fēng)等要求確定。

3.6 活性炭濾池

3.6.1 活性炭濾池作用

活性炭濾池與臭氧接觸池結(jié)合，使活性炭同時(shí)具備物理吸附和生物降解的雙重作用，可有效去除常規(guī)處理難以去除的各種有機(jī)污染物、氨氮、亞硝酸鹽氮及色、臭、味等。

3.6.2 池型選擇

水廠采用后置下向流臭氧-生物活性炭工藝，活性炭濾池池型的選擇至關(guān)重要，關(guān)系到活性炭作用的有效發(fā)揮和出水的化學(xué)及生物安全性。在實(shí)際應(yīng)用中，下向流活性炭濾池的型式主要有普通快濾池、V型濾池和翻板濾池，3種濾池型式比較如表4所示。根據(jù)綜合分析比較，設(shè)計(jì)推薦采用翻板濾池型式[6]。

表4 活性炭濾池型式比較Tab.4 Comparison of Activated Carbon Filter Types

3.6.3 總體布置及技術(shù)參數(shù)

活性炭翻板濾池分期建設(shè)，一期按設(shè)計(jì)規(guī)模先建設(shè)1組。平面尺寸為51.63 m×41.90 m，采用雙排布置，每排6格，共12格。每格濾池進(jìn)水閘門(mén)尺寸為0.5 m×0.5 m，排水采用翻板濾池特有的翻板閥，規(guī)格為2孔3.2 m×0.2 m。每格濾池長(zhǎng)為11.0 m，寬為8.0 m，單格有效過(guò)濾面積為88 m2，正常濾速為8.29 m/h，強(qiáng)制濾速為9.04 m/h。濾池豎向總高度為7.7 m，從下往上：中央配水配氣渠高為1.65 m，承托層厚為0.45 m，濾料層厚為3.0 m，設(shè)計(jì)水深為1.75 m，安全超高為0.85 m。配水配氣系統(tǒng)主要由配水配氣渠、配水配氣立管和U型濾管(俗稱(chēng)“面包管”)組成，屬小阻力配水系統(tǒng)。承托層采用不同粒徑礫石多層級(jí)配方式，共分4層，各層承托層自下而上的粒徑及厚度分別為：粒徑12～25 mm，厚度為150 mm；粒徑8～12 mm，厚度為100 mm；粒徑4～8 mm，厚度為100 mm；粒徑2～4 mm，厚度為100 mm。濾料采用雙層濾料，上層活性炭濾料，下層均質(zhì)石英砂濾料?；钚蕴坎捎妹嘿|(zhì)壓塊破碎炭，規(guī)格為8×20目，碘吸附值≥950 mg/g，亞甲藍(lán)吸附值≥180 mg/g，苯酚吸附值≥140 mg/g，厚度為2.4 m；石英砂粒徑為0.8～1.2 mm，不均勻系數(shù)K80<1.5，厚度為0.6 m。濾池正常運(yùn)行炭床接觸時(shí)間為17.37 min。根據(jù)配水系統(tǒng)、承托層、濾料層及反沖洗周期，濾池運(yùn)行最大水損采用2.30 m。

濾池反沖洗泵房平面尺寸為19.65 m×15.55 m，緊靠濾池設(shè)置，方便與二期共用，分為地下和地上兩部分，內(nèi)設(shè)反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)和配電柜等設(shè)備。濾池采用氣水三階段沖洗：先氣沖，強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，時(shí)間為3 min；再氣水混沖，氣沖強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，水沖強(qiáng)度為4 L/(s·m2)，時(shí)間為3 min；最后單水沖，水沖強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，分2次，時(shí)間為3 min。沖洗周期一般為3～7 d，目前水量規(guī)模較小，沖洗周期可達(dá)到6 d。

濾池運(yùn)行由PLC自動(dòng)控制，根據(jù)濾池水位信號(hào)與設(shè)定值的比較，控制出水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)整其開(kāi)啟度，保持濾池運(yùn)行水位恒定、濾速恒定。反沖洗時(shí)，根據(jù)濾床堵塞狀態(tài)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)定時(shí)自動(dòng)反沖洗，并根據(jù)反沖洗效果適時(shí)調(diào)整沖洗氣量、水量和時(shí)間，達(dá)到最佳沖洗效果。

在活性炭翻板濾池的設(shè)計(jì)上，對(duì)單格池子的長(zhǎng)寬搭配進(jìn)行優(yōu)化，保證了布水均勻和反沖洗的排水效果；濾料采用了較厚的炭層和砂層，并預(yù)留了較大的過(guò)濾水頭，延長(zhǎng)了炭床接觸時(shí)間和反沖洗周期，從而進(jìn)一步保證了深度處理的效果，降低了微生物泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

4 運(yùn)行效果分析

根據(jù)水廠出廠水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)均遠(yuǎn)低于現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的限值，關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到了內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。為檢驗(yàn)工藝效果，抽取2020年4月連續(xù)15 d沿各工藝流程的出水水樣，選取反映工藝處理效果的主要參考指標(biāo)進(jìn)行比較分析，如表5所示。

表5 沿工藝流程出水指標(biāo)平均值及去除率Tab.5 Average Value and Removal Rate of Effluent Indicators along the Process

由表5可知：水廠出水的渾濁度主要在常規(guī)沉淀-砂濾工藝去除，后臭氧-炭濾工藝(臭氧-生物活性炭)對(duì)渾濁度的去除效果不明顯；CODMn、UV254通過(guò)沉淀-砂濾工藝僅可去除50%左右，經(jīng)后臭氧-炭濾工藝后去除率可達(dá)90%以上，對(duì)有機(jī)微污染物的去除作用較明顯，達(dá)到了提升水質(zhì)的目的；渾濁度、CODMn、UV254經(jīng)預(yù)臭氧工藝后指標(biāo)升高，驗(yàn)證了臭氧的強(qiáng)氧化分解作用及其改善絮凝效果的反應(yīng)機(jī)理。根據(jù)對(duì)采用同一水源、相同常規(guī)處理工藝的前述現(xiàn)狀水廠的水質(zhì)分析，其沉淀出水渾濁度一般在2～5 NTU，而本水廠的沉淀出水渾濁度一般在1～3 NTU，最低在1 NTU以下，說(shuō)明預(yù)臭氧對(duì)改善絮凝沉淀效果具有一定的作用。

5 投資及成本分析

5.1 投資分析

臭氧-生物活性炭工藝的投資費(fèi)用包括所有深度處理設(shè)施的土建和設(shè)備費(fèi)用。其中，砂濾水提升泵房、臭氧發(fā)生間、液氧站、反沖洗泵房土建按遠(yuǎn)期規(guī)模1次設(shè)計(jì)實(shí)施，設(shè)備按一期規(guī)模安裝，預(yù)臭氧接觸池、后臭氧接觸池、活性炭濾池土建和設(shè)備均按一期規(guī)模實(shí)施，工程總投資約7 962 萬(wàn)元，約占水廠全部工程總投資的25%，按一期規(guī)模折算單位水量投資指標(biāo)為398 元/m3。該指標(biāo)與廠區(qū)地質(zhì)狀況、建筑物采用的風(fēng)格形式和設(shè)備選用的檔次有密切關(guān)系。

5.2 成本分析

對(duì)臭氧-生物活性炭工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要成本分析[13]，計(jì)算其投資及運(yùn)行總成本，如表6所示?？偝杀景ㄍ顿Y費(fèi)、原材料費(fèi)、電費(fèi)、水費(fèi)、人工費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等。其中，投資費(fèi)考慮資金的時(shí)間成本，按等額本息法進(jìn)行折算；原材料費(fèi)主要為采購(gòu)液氧的費(fèi)用，電費(fèi)為全部用電設(shè)備運(yùn)行消耗的電能費(fèi)用，水費(fèi)為生產(chǎn)用水及廢水回收的費(fèi)用，人工費(fèi)為生產(chǎn)人員的工資福利費(fèi)用，維護(hù)費(fèi)包括設(shè)備維修和活性炭吸附再生的費(fèi)用。

表6 臭氧-生物活性炭工藝成本分析Tab.6 Cost Analysis of Ozone-Bioactivated Carbon Process

6 結(jié)語(yǔ)

某水廠作為福建省率先采用臭氧-生物活性炭深度處理工藝的水廠，在當(dāng)前加強(qiáng)城市供水安全和鼓勵(lì)水質(zhì)提升的大背景下，工藝的成功應(yīng)用具有一定的示范意義。通過(guò)對(duì)工藝設(shè)計(jì)情況的梳理總結(jié)和對(duì)工藝運(yùn)行效果、投資及成本的數(shù)據(jù)分析，為同類(lèi)工程的建設(shè)提供借鑒和參考，主要結(jié)論及建議如下。

(1)后置下向流臭氧-生物活性炭深度處理工藝對(duì)于解決水源微污染問(wèn)題、進(jìn)一步提升水質(zhì)、保障供水安全在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上也較為合理。工藝布置上將深度處理工藝后置，在預(yù)臭氧、后臭氧-炭濾工藝處設(shè)置超越管，可根據(jù)原水水質(zhì)情況適時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝，使運(yùn)行調(diào)度更加靈活，也可節(jié)約運(yùn)行成本。對(duì)于可能存在的微生物泄露問(wèn)題，通過(guò)采取下向流形式在炭濾池底部設(shè)置較厚的砂墊層進(jìn)行砂濾攔截，并通過(guò)后續(xù)的加氯滅活工藝協(xié)同控制，來(lái)保障出廠水的生物安全性。

(2)目前，城市供水執(zhí)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，水廠在常規(guī)處理可基本達(dá)標(biāo)的情況下，增加深度處理的必要性和依據(jù)往往不足，推廣使用缺乏動(dòng)力，亟待出臺(tái)鼓勵(lì)政策和深度處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。