北江某自來水廠凈水工藝方案比選

姜萍萍 李長安

(1. 廣州市花都自來水有限公司, 廣州 510800；2. 中交第四航務(wù)勘察設(shè)計院有限公司, 廣州 510220)

廣州北部某區(qū)現(xiàn)有水廠11間，最大產(chǎn)能約48萬m3/d，擔負著全區(qū)400平方公里、約100萬人的供水任務(wù)。該區(qū)水廠的水源單一，供水安全性較差。因此，該區(qū)供水公司經(jīng)過充分論證，決定采用水質(zhì)較好的北江水源建設(shè)40×104m3/d水廠，協(xié)同供水，形成多水源的供水保障體系。

1 飲用水水質(zhì)標準發(fā)展趨勢

目前，國際上具有權(quán)威性、代表性的飲用水水質(zhì)標準主要有3部：世界衛(wèi)生組織(WHO)的《飲用水水質(zhì)準則》、歐盟(EC) 的《飲用水水質(zhì)指令》和美國環(huán)保局(USEPA)的《國家飲用水水質(zhì)標準》，它們是我國制訂水質(zhì)標準的主要基礎(chǔ)和重要參考。在以上的水質(zhì)標準的修訂過程中，不難發(fā)現(xiàn)國際飲用水水質(zhì)標準有如下的發(fā)展趨勢：重視消毒劑及其副產(chǎn)物、新興污染物對人體健康的影響；重視微生物指標；指標的規(guī)定趨向全面嚴格，指標數(shù)量大幅增加，指標限值要求也越來越嚴格。

隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的快速推進和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國飲用水水源污染形勢依然非常嚴峻，各類新型污染物不斷檢出，參考國際飲用水標準的發(fā)展趨勢，對我國現(xiàn)行的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)的適應(yīng)性進行評估，可能會新增一些新興污染物類和具有高致病性的病毒等微生物；對累積性有毒物質(zhì)指標也可能進一步嚴格要求。

2 水源水質(zhì)現(xiàn)狀

北江水源水質(zhì)除鐵、汞、BOD5、CODCr等個別指標超過或偶有超過地表水Ⅱ類，基本達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅱ類。北江水源主要突發(fā)污染物包括臭味、揮發(fā)酚、多種新興污染物等有機污染物和重金屬、氰化物、酸、硫化物、氟化物等無機污染物，面臨最大的污染風險為鉈污染。經(jīng)過2013年—2018年對北江進行的長期水質(zhì)監(jiān)測，易超標水質(zhì)污染物變化規(guī)律如圖1.1-1.5(圖中限值為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ類數(shù)值)。

圖1.1 BOD5變化趨勢

圖1.2 CODCr變化趨勢

圖1.3 鐵含量變化趨勢

圖1.4 石油類含量變化趨勢

圖1.5 氨氮含量變化趨勢

圖1.6 總氮含量變化趨勢

3 水廠凈水工藝方案比選

3.1 凈水工藝框架的選擇

目前，城市自來水廠常用處理工藝主要有如下3大類：一是以混凝、沉淀、過濾為代表的常規(guī)處理工藝；二是以臭氧、生物活性炭、超濾膜為代表的深度處理工藝；三是以生物預(yù)處理、預(yù)氧化處理技術(shù)為代表的預(yù)處理工藝。

常規(guī)處理工藝用于去濁消毒，是迄今為止國內(nèi)應(yīng)用最廣泛和成熟的自來水處理工藝，經(jīng)過多年的運行實踐，已被證明可以滿足絕大多數(shù)水廠的處理要求。尤其是水源水質(zhì)保持在地表水Ⅱ類以上的水廠。臭氧生物活性炭工藝既有高級氧化能力，又具有吸附和生物降解組合功能，可以作為城市自來水水廠應(yīng)對各類新興有機污染物的通用解決之道[1]，而且應(yīng)對突發(fā)污染的作用尤其顯著[2]。超濾膜作為一道屏障，能夠保證出水濁度幾乎不受進水水質(zhì)的影響，基本穩(wěn)定在 0.1 NTU 以下；出水微生物安全性高，可截留水體中的細菌、紅蟲、賈第蟲和隱孢子蟲等致病微生物，菌藻類組織去除率達100%[3]。預(yù)處理工藝目的是先期對于超標較多、指標較高的物質(zhì)進行減量或改性，便于后續(xù)工藝的去除。

北江水源水質(zhì)較好，基本維持地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅱ類，在正常情況下，采用常規(guī)處理工藝可以滿足出水水質(zhì)達標要求?？紤]到進一步提升出水水質(zhì)、應(yīng)對北江突發(fā)鉈等重金屬污染以及氨氮濃度上升，增加深度處理和預(yù)處理工藝是必要和有利的，隨著城市化進程的加快，水質(zhì)指標的日益嚴格，人們對供水水質(zhì)的關(guān)注已由安全邁向健康。因此，推薦采用預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理的組合處理工藝，可根據(jù)實際情況，進行分期建設(shè)。

3.2 凈水工藝比選

針對目前北江水質(zhì)情況及污染預(yù)測情況，混凝+沉淀+砂濾工藝可以滿足凈水水質(zhì)要求，考慮到超濾膜的過濾功能能夠取代砂濾，而且生物安全性更高，現(xiàn)對2種工藝處理效果進行對比分析，分析本工程中超濾膜取代砂濾池工藝的可行性。

3.2.1 砂濾和超濾對比

(1)工藝處理效果分析

砂濾池是一種工藝成熟、處理效果穩(wěn)定的傳統(tǒng)過濾方式，主要優(yōu)點：一是對混凝后原水中的微小顆粒產(chǎn)生截流作用進一步降低原水濁度；二是催化氧化載體效果，當水源突發(fā)重金屬污染時，先投加藥劑吸附氧化，再通過混凝沉淀可以去除部分重金屬，進入砂濾池后，濾砂表面形成的具有催化活性的濾膜，可起到進一步催化氧化及過濾去除作用；三是砂濾池中的砂濾料比表面積大，可以保存較大的生物量，尤其是在廣州地區(qū)，平均氣溫較高，生物活性強，對氨氮有明顯的強化去除作用。

超濾主要通過物理作用而非化學作用來去除污染物，是一種綠色的分離技術(shù)。主要優(yōu)點：一是對原水的適應(yīng)能力較強，出水濁度幾乎不受進水水質(zhì)影響，基本穩(wěn)定在0.1 NTU以下；二是出水微生物安全性高，可有效去除膠體、懸浮物、細菌、病毒和大分子有機物，尤其是紅蟲、賈第蟲和隱孢子蟲等；三是消毒副產(chǎn)物生成量極低，有利于降低致突變性。四是進一步改善管網(wǎng)水質(zhì)，提升自來水口感。

(2)運行管理情況分析

根據(jù)砂濾池和超濾池的工藝特點，將兩種濾池的運行管理情況總結(jié)如表1。

表1 砂濾與超濾運行管理情況比較

重金屬鉈是北江流域特有的污染源，還有可能存在于地下裂隙水中。因此，采用北江水源的自來水廠在選取處理工藝時，應(yīng)充分考慮鉈的污染風險。2010年10月18日，廣州市南洲水廠和沙灣水廠吸水點末梢水中檢測出鉈濃度異常。根據(jù)廣東省人民政府應(yīng)急管理辦公室發(fā)布的《廣東省處置“10.18”北江流域鉈污染事故的經(jīng)驗與啟示》文中數(shù)據(jù)，北江干流12個斷面鉈濃度不同程度出現(xiàn)超標現(xiàn)象(介于0.0002 mg/L～0.0010 mg/L之間)，國標《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中規(guī)定，集中式生活飲用水源地特定項目鉈標準限值為0.0001 mg/L。文中還提到通過改造水廠工藝、有針對性投加藥劑、鋪設(shè)顆?；钚蕴扛脑焯忌盀V池等手段，完善水廠凈水除鉈工藝。

據(jù)研究，除鉈的原理與除鐵錳類似。原水投加高錳酸鉀氧化后在砂濾池的濾砂表面形成的具有催化活性的濾膜，其主要成分是高價鐵錳混合氧化物，優(yōu)先吸附Mn2+、Fe2+等并進行催化氧化反應(yīng)，成為Mn4+、Fe3+的氧化物沉積在濾砂表面使活性膜不斷增長，它是使Tl+在數(shù)秒鐘內(nèi)快速氧化形成Tl3+的催化劑，而Tl3+的氧化物易于過濾，經(jīng)過砂濾后原水中Tl+被有效去除。僅在砂濾池的濾砂與投加高錳酸鉀結(jié)合并加堿維持pH=8左右條件下，方可高效去除原水中的鉈污染物。加堿中和有利于一價鉈的氧化，該原理如下反應(yīng)式所示。

砂濾池是去除重金屬鉈必不可少的處理單元。另外，從北江原水近年來的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，鐵偶有超標現(xiàn)象，雖然在投加藥劑吸附氧化，再通過混凝沉淀后，有一定的去除效果，砂濾池表面的具有催化活性的濾膜，進一步催化過濾去除鐵離子，確保出廠水鐵含量達標。因此，無論后續(xù)超濾膜深度處理工藝是否同步建設(shè)，本水廠的常規(guī)處理工藝都需要包含砂濾池單元。

針對目前北江水質(zhì)情況及污染預(yù)測情況，混凝+沉淀+砂濾工藝可以滿足凈水水質(zhì)要求，同時具有應(yīng)對突發(fā)重金屬污染風險的能力，但不具備應(yīng)對以“兩蟲”為代表的微生物安全風險；混凝+沉淀+超濾工藝可進一步降低出水濁度，消除“兩蟲”等耐氯微生物，提高出水生物安全穩(wěn)定性，但是應(yīng)對突發(fā)重金屬污染風險能力低?；炷?沉淀+砂濾+超濾工藝兼具砂濾和超濾的優(yōu)點，提高了處理工藝抵抗各種水質(zhì)風險的能力，同時砂濾池的存在大大減輕了超濾膜的處理負荷，可降低膜的清洗頻率，延長膜的使用壽命，降低膜系統(tǒng)運行成本[4]。

3.2.2 臭氧活性炭和超濾膜對比

臭氧活性炭工藝通過臭氧氧化有機物質(zhì)、殺死細菌、去除病毒、改善水的口感、氣味、色度，對有機物綜合指標、致突變性、消毒副產(chǎn)物、生物穩(wěn)定性、氨氮等指標的去除具有特有的貢獻。缺點是可能存在微生物泄露風險。

超濾膜工藝出水超低濁度，有利于管網(wǎng)水質(zhì)的進一步改善，包括管網(wǎng)余氯的穩(wěn)定，消毒副產(chǎn)物生成量低，降低致突變性，自來水口感的提升，管網(wǎng)末端用水點細菌總數(shù)的控制等。缺點是建設(shè)費用較高，膜組件需定期更換，運行費用高?，F(xiàn)將兩種深度處理工藝運行情況對比分析如下表。

表2 深度處理工藝運行情況對比表

從確保產(chǎn)水水質(zhì)、提高供水安全性權(quán)衡，將臭氧活性炭單元布置在常規(guī)工藝的砂濾池之后、超濾膜深度處理工藝之前，既有利于減少臭氧投加量、大幅度降低炭濾池反沖洗頻次，提高炭濾池吸附與生化效果，也能消除微型生物泄漏的風險。另外，臭氧活性炭的出水存在泄漏微生物的風險，需要借助超濾膜過濾把關(guān)，只能后建或與超濾膜深度處理工藝同步建設(shè)。

3.2.3 預(yù)氧化處理和生物預(yù)處理技術(shù)對比

預(yù)氧化技術(shù)包括預(yù)氯化、預(yù)臭氧、高錳酸鹽預(yù)氧化等預(yù)氧化技術(shù)。預(yù)氯化用于除藻和降解有機物；高錳酸鉀，用于去除水中臭味、色度、藻、微量有機污染物等效能，提高對水中多種有機污染物和重金屬的去除效果。預(yù)臭氧技術(shù)主要用于消除地下水中的鐵、錳金屬離子和去除色度、臭味，以及降解水中的高分子有機物，還可用于改善絮凝和水質(zhì)澄清。

水體中氮的去除，實際上是水中氮的形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。生物脫氮過程主要包括氨化、硝化和反硝化三個階段。氨化過程中，水體中有機氮在微生物作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。硝化過程中，氨氮先在亞硝化桿菌的作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，然后在硝化桿菌作用下，進一步氧化為硝酸鹽氮。反硝化過程中，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣，釋放到空氣中，水體中氮徹底去除。生物預(yù)處理是通過生物作用來去除氨氮和部分有機物。去除源水微污染物,主要是填料或濾料上的生物膜對源水的凈化作用,生物膜上的微生物主要是好氧貧營養(yǎng)菌,依靠生物吸附、絮凝、有機物的生物降解以及硝化等共同作用去除污染物。工藝常用池型主要有懸浮填料流化池、曝氣生物濾池、漂浮陶粒濾料膨脹床等。上述生物預(yù)處理池型在廣州地區(qū)均有應(yīng)用[5-7]。公司目前有2間水廠應(yīng)用生物預(yù)處理工藝去除氨氮，日常水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該工藝流程對氨氮去除效果良好，出廠水氨氮能穩(wěn)定達標。

考慮到遠期北江水源氨氮頻繁超標，現(xiàn)有工藝無法實現(xiàn)氨氮達標時需要采用折點加氯去除氨氮，因此有必要增加生物預(yù)處理工藝。

綜上所述，最終推薦生物預(yù)處理/常規(guī)處理工藝/臭氧活性炭/超濾膜處理工藝，分期建設(shè)情況如圖2所示。

圖2 花都水廠終期工藝流程圖

4 結(jié)論

立足于原水水質(zhì)分析，提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)自來水，降低管網(wǎng)水質(zhì)安全，改善自來水口感，普遍實現(xiàn)直飲，與城市供水國際水平接軌的設(shè)計角度，滿足人民群眾對供水由安全走向健康的需求，通過工藝框架選擇、傳統(tǒng)砂濾與現(xiàn)代超濾進行比較、深度處理與預(yù)處理等方面闡述凈水工藝的比選，生物預(yù)處理/常規(guī)處理工藝/臭氧活性炭/超濾膜處理工藝是目前最優(yōu)選擇。