常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的工程應(yīng)用研究

朱靜坤

（合肥供水集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000）

提高市政供給水的生物安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，改善居民飲水質(zhì)量，既是我國“五位一體”統(tǒng)籌建設(shè)的重要落腳點(diǎn)，更是嚴(yán)格落實(shí)GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的必要舉措。常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝在應(yīng)用的過程中有助于水產(chǎn)工藝的高質(zhì)量改革和標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，為了進(jìn)一步加快凈水廠的現(xiàn)代化改造，相關(guān)工程人員應(yīng)結(jié)合水廠改建的實(shí)際需要和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，合理應(yīng)用引入該工藝。

1 工程概況

以我國安徽地區(qū)某市的水廠為例，作為市政給水廠，其整體規(guī)劃規(guī)模為30萬m3/d。本次新建凈水廠工程規(guī)模為12.5萬m3/d，作為平臺(tái)水庫，在工程中采用常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜過濾凈水工藝，同時(shí)合理投入多種預(yù)處理氧化、吸附劑，以確保水質(zhì)穩(wěn)定，改善飲用水整體質(zhì)量，提高安全性。

2 原水水質(zhì)及工藝

2.1 水質(zhì)分析

原水的整體濁度較低，年均濁度＜5 NTU，且有機(jī)物含量偏高，受當(dāng)?shù)貧夂驕囟鹊挠绊懀疁刈兓却?，溴酸鹽、鐵、pH及色度等相關(guān)數(shù)值比較穩(wěn)定。但隨著水庫引水量不斷增加，在長時(shí)間的運(yùn)行中，水庫底部淤泥有機(jī)物含量不斷提高，夏季容易爆發(fā)藻類危害，且濁度為0.7 NTU，相較于國內(nèi)工藝技術(shù)成熟先進(jìn)水廠濁度標(biāo)準(zhǔn)還存在一定差距。基于此，考慮到環(huán)境變化情況較為復(fù)雜，宜采用更先進(jìn)的過濾工藝技術(shù)，以期提高飲用水安全性[1]。

2.2 常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝

根據(jù)該水廠的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)客觀環(huán)境，優(yōu)先考慮常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝，使水庫出水水質(zhì)更好地滿足GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。在原水中CODMn含量超6 mg/L，出水CODMn含量以5 mg/L為核驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在凈水超濾后，可以控制在4 mg/L以下。在此基礎(chǔ)上，以優(yōu)化生活飲用水水質(zhì)為目標(biāo)，進(jìn)一步設(shè)置了二氧化氯、粉末型活性炭以及高錳酸鹽等預(yù)處理裝置，使產(chǎn)水質(zhì)量穩(wěn)定，滿足GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，且濁度≤0.1 NTU。同時(shí)，針對(duì)夏季藻類災(zāi)害加強(qiáng)預(yù)處理，提高了產(chǎn)水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其中凈水工藝設(shè)備圖如圖1所示。

圖1 凈水工藝設(shè)備圖

3 常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝在工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 取水工程

首先，是取水頭部的設(shè)置，在距離水庫壩邊50 m處設(shè)置箱式取水頭，并通過頂面進(jìn)水的方式，在底端分別接觸兩段引水管，使其能夠穿過水庫接入進(jìn)水井。其次，是進(jìn)水井設(shè)置，進(jìn)水井下部為主要井體，上方為綜合設(shè)備間，且內(nèi)設(shè)多臺(tái)格柵除污機(jī)。最后，是取水泵房。以半地下式為工程結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)臥式離心泵，通過全變頻調(diào)速的形式，優(yōu)化水泵的自灌凈水模式。

3.2 水廠建設(shè)

本水產(chǎn)的整體布局建設(shè)充分結(jié)合了現(xiàn)有工程，并考慮到了未來建設(shè)的需要，將凈水生產(chǎn)功能區(qū)進(jìn)行了進(jìn)一步分區(qū)優(yōu)化，不僅凈水流程的順暢性顯著提高，而且還保證了管理的集中性和便捷性。在水廠工程建設(shè)中，為了更好地應(yīng)用常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝，進(jìn)一步優(yōu)化了沉淀池、濾池、臭氧接觸池以及超濾膜處理車間，并輔助進(jìn)水加壓系統(tǒng)和多重過濾系統(tǒng)。以下是工程各車間以及系統(tǒng)的應(yīng)用分析。

3.2.1 沉淀池車間

在沉淀池車間內(nèi)設(shè)置了4座池體，主要分為3個(gè)功能區(qū)，機(jī)械混合池、機(jī)械絮凝池、斜管沉淀池，具體參數(shù)見表1。

表1 功能區(qū)參數(shù)表

3.2.2 濾池車間

本工程的濾池車間分為主車間和輔助車間，為了更好地發(fā)揮常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的優(yōu)勢(shì)，在主車間內(nèi)設(shè)置了砂濾池、活性炭超膜進(jìn)水池。在輔助用房內(nèi)安設(shè)了反沖洗泵房、混凝劑投加區(qū)以及配電室。其中在主車間內(nèi)的功能池共用管廊，二者均采用氣水反沖洗池型，內(nèi)部設(shè)清水渠、洗氣洗水管及起吊裝置。作為超濾膜濾池單個(gè)過濾面積達(dá)到了88 m2，砂濾池和活性炭濾池的設(shè)計(jì)速度均為8.4 m/h，其中前者采用均質(zhì)的石英砂為濾層濾料，不均勻系數(shù)為1.5，整體厚度1.0 m；后者以活性炭層加石英砂層的形式，總接觸時(shí)間14 min，粒徑7~25目，不均勻系數(shù)1.4。為了保證濾池車間的運(yùn)行工況，砂濾池出水在連接臭氧-活性炭處理系統(tǒng)的泵房吸水井后，還會(huì)同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的超越管，以確保及時(shí)接入清水池和膜處理車間。輔助用房中的反沖洗泵房為了更好地滿足主車間兩座濾池的沖洗運(yùn)行需要，特別設(shè)計(jì)為半地下室模式，其中還設(shè)置了反沖洗水泵和鼓風(fēng)機(jī)。

3.2.3 臭氧接觸池

在升級(jí)泵房后，臭氧接觸池分別設(shè)置了具有獨(dú)立2格的露天車間，上部為出水渠、下層為容積1 000 m3的吸水池，水力停留時(shí)間在20 min左右，臭氧投加量在1.5~3.0 mg/L之間，并采用三段曝氣的形式，直接連接活性炭濾池車間與沉淀池車間。

3.2.4 超濾膜處理車間

本工程建設(shè)中所用的超濾膜為壓力式，在分期安裝的過程中，整體超濾膜系統(tǒng)可以進(jìn)一步分為若干個(gè)子系統(tǒng)，各自承擔(dān)著進(jìn)水加壓、自清洗過濾、物理清洗過濾池、空氣清洗過濾以及膜完成性檢測(cè)等任務(wù)。

其中進(jìn)水加壓系統(tǒng)進(jìn)水泵采用的是運(yùn)行膜堆數(shù)量變頻控制技術(shù)，進(jìn)水緩沖調(diào)節(jié)池的可用容積為1 000 m3，內(nèi)部共設(shè)置6臺(tái)泵位，單泵流量3 500 m3/h，揚(yáng)程30 m，水泵為全變頻調(diào)速的形式，通過變頻控制可以有效調(diào)控進(jìn)水量并保證瞬時(shí)流量的穩(wěn)定性。

自清洗過濾系統(tǒng)設(shè)置在超濾進(jìn)水設(shè)備上，本工程一共設(shè)置了6臺(tái)自清洗過濾器，每列膜堆對(duì)應(yīng)3臺(tái)，處理水量為1 250 m3/h，過濾精度為135μm，不僅可根據(jù)壓差和自動(dòng)設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行自主切換，還能保證不停運(yùn)的清洗狀態(tài)，清洗效率更高[2]。

超濾膜系統(tǒng)膜堆主要在地面布設(shè)，本工程車間內(nèi)共設(shè)置了32個(gè)膜堆裝置，安裝了12個(gè)膜堆，每列6個(gè)，其他膜堆預(yù)留以此來滿足后續(xù)擴(kuò)建的需要，保證凈水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體回收率在92%以上。借助地面布設(shè)式的安裝系統(tǒng)，主要進(jìn)水和出水的管道都布置在地下管溝，輔助管道以地上架空的形式布置。每個(gè)膜堆內(nèi)含膜支架與膜單元，其中超濾膜系統(tǒng)膜堆的主進(jìn)水、出水以及每個(gè)膜堆都對(duì)應(yīng)開關(guān)閥門，內(nèi)設(shè)膜堆儀表包含進(jìn)產(chǎn)水壓力變送器、流量計(jì)以及濁度儀。膜平均孔徑為0.02μm，設(shè)計(jì)通行量為50 L/（m2·h）。

物理清洗過濾系統(tǒng)由水池、泵、鼓風(fēng)機(jī)、電氣等設(shè)備組成，膜系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每分鐘清洗1~2次，且能保持穩(wěn)定壓差。反水洗流量2.5 m3/h、氣洗流量8.0 m3/h、膜順沖水量2.5 m3/h，均歷時(shí)為30~60 s，總過濾清洗水池的容積為1 000 m3。

空氣系統(tǒng)有過濾器、冷干機(jī)、空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、電氣等設(shè)備構(gòu)成，其主要功能在于為氣動(dòng)閥門提供可靠動(dòng)力，同時(shí)為后續(xù)膜完整性檢測(cè)提供穩(wěn)定氣源動(dòng)力。

化學(xué)清洗系統(tǒng)還可以進(jìn)一步分為維護(hù)性清洗系統(tǒng)和恢復(fù)系統(tǒng)，采用兩酸兩鈉共4種藥劑，可以在保證安全性的基礎(chǔ)上，有效取出濾池內(nèi)的有機(jī)物污染、微生物污染以及無機(jī)鹽污染。2種強(qiáng)度清洗方式，均采用次氯酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸及檸檬酸4種清洗藥劑，主要去除系統(tǒng)中的無機(jī)鹽污染、有機(jī)物及微生物污染。2種清洗方式的主要差別在于頻率、清洗耗時(shí)以及藥液濃度。（1）低強(qiáng)度清洗，可以人為設(shè)定過濾周期和藥劑濃度，在4種藥劑組合交替使用的過程中，整個(gè)清洗系統(tǒng)循環(huán)僅需10~15 min，整體清洗頻率更高。（2）高強(qiáng)度清洗，這一清洗方式可以根據(jù)跨膜壓差和過濾周期的需要自設(shè)定警報(bào)值數(shù)，整體藥劑濃度高于低強(qiáng)度清洗方式，清洗頻率低，具體數(shù)值見表2。

表2 化學(xué)系統(tǒng)清洗方式參數(shù)表

需要注意的是，2種清洗模式對(duì)溫度也有一定要求，低強(qiáng)度清洗的清洗液配比在常溫下進(jìn)行即可，高強(qiáng)度清洗模式的進(jìn)水溫度需要保持在15℃。

在結(jié)束化學(xué)系統(tǒng)清洗后，廢液會(huì)排放至中和池，且采用還原性污染處理藥劑，其中一般用亞硫酸氫鈉和鹽酸中和次氯酸鈉與氫氧化鈉，在中和池中，采取動(dòng)態(tài)在線中和加藥的形式，采用中和水泵進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，以此來保證無害化處理效果[3]。

相應(yīng)地，還要對(duì)超濾凈水膜的完整性進(jìn)行檢查，常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的超濾膜是不透氣的，其膜完整性的檢測(cè)需要結(jié)合綜合氣流的速率水平，即在特定條件下完成空氣過膜，如果膜絲存在破損，氣體則會(huì)立即滲入至出水段，氣體流速檢測(cè)儀會(huì)顯示氣流速度上升。為了保證每日產(chǎn)水的水質(zhì)，膜完整性需要每天檢測(cè)1~2次，有時(shí)也會(huì)輔助人工壓力衰減測(cè)驗(yàn)。當(dāng)檢測(cè)未通過時(shí)，還需要人工進(jìn)行氣泡檢測(cè)，檢查人員通過肉眼檢查的方式確定膜組件和產(chǎn)水母管之間的氣泡情況。

3.2.5 清水池

本凈水改造工程中為了更好地發(fā)揮臭氧活性炭超濾凈水膜的性能，共建造了2座清水池，其有效容積達(dá)到了29 000 m3，在清水池內(nèi)部還劃分出了清水區(qū)域和接觸區(qū)域，接觸區(qū)域中的水力停留時(shí)間能夠達(dá)到25 min以上，為防止短流在清水區(qū)也設(shè)置了導(dǎo)流墻。

3.2.6 綜合加藥間

綜合加藥間主要包括3種加藥劑和臨時(shí)應(yīng)急投藥措施區(qū)域。（1）作為預(yù)處理藥劑的高錳酸鉀，投加點(diǎn)位設(shè)置于取水泵房的進(jìn)水管，總投加含量占比為2%，平均投加量為1.0 mg/l，最大投加量為2.5 mg/l，每日投加2次。（2）作為應(yīng)急預(yù)處理藥劑的活性炭（粉末型），投加點(diǎn)位于取水泵房的出水管，內(nèi)含調(diào)制乳液含量占比5%~10%，最大投加量為25 mg/l，采用凸輪泵設(shè)備投加。（3）發(fā)揮消毒功效的預(yù)處理藥劑二氧化氯，有效氯預(yù)處理的投加點(diǎn)位于取水泵房的進(jìn)水管，最大量1.8 mg/l，消毒投加點(diǎn)最大量為0.8 mg/l。

3.2.7 廢水處理系統(tǒng)

水廠內(nèi)廢水主要由沉淀池、砂濾池、炭濾池、超濾膜系統(tǒng)的沖洗廢水和排泥水組成。廢水處理既要堅(jiān)持滿足每日生產(chǎn)的剛需，又要從降耗減能出發(fā)，根據(jù)不同車間和系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水特點(diǎn)，采取針對(duì)性的處理辦法。

4 常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的處理效果與優(yōu)點(diǎn)

4.1 有機(jī)物的吸附、過濾與去除

在原水中有機(jī)物平均濃度在臭氧活性炭投入后，顯著減少，且將部分穩(wěn)定的有機(jī)物氧化為更容易降解的有機(jī)物，有助于混凝沉淀，在沉淀后平均濃度進(jìn)一步降低，直至投入臭氧活性炭后，可將有機(jī)物氧化為二氧化碳和水，經(jīng)過超濾凈水膜，有機(jī)物整體含量減少至26.5%。且通過超濾凈水膜后的有機(jī)物整體親水性有效降低，并破壞碳碳雙鍵，有效控制不飽和官能團(tuán)反應(yīng)，強(qiáng)化臭氧活性炭氧化與吸附作用。

4.2 濁度降低與顆粒物去除

工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水在降低濁度的過程中優(yōu)勢(shì)明顯，即使活性炭的出水濁度存在一定波動(dòng)性，但整體濁度仍能控制在0.1 NTU以下。且在超濾膜的作用下，鞭毛蟲、隱孢子蟲以及賈第蟲的污染風(fēng)險(xiǎn)更低。通過進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)粒徑超過10μm的顆粒已被完全去除，上述原生動(dòng)物的存在率極低。

4.3 微生物去除

常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝對(duì)藻類去除的效果顯著，通過機(jī)械篩分，超濾膜水藻水量明顯降低，且在去除微生物藻細(xì)胞的過程中還不會(huì)破壞細(xì)胞壁，不會(huì)使其內(nèi)部的有機(jī)物和毒素釋放在出水中，避免產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物。

4.4 優(yōu)點(diǎn)分析

通過升高溫度發(fā)現(xiàn)，水細(xì)菌數(shù)雖然會(huì)升高，但在常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝處理下，均未檢測(cè)出細(xì)菌，充分證明其對(duì)微生物細(xì)菌的良好攔截作用，有助于保證夏季飲用水的安全性，同時(shí)減少混凝藥劑的投入，提高持續(xù)消毒能力，有效避免輸配水過程產(chǎn)生二次污染，并減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量，提高化學(xué)安全，相比于傳統(tǒng)常規(guī)的微生物吸附去除工藝，膜孔直接篩除對(duì)污染物有更好的篩除作用，且有效降低了水產(chǎn)的凈水成本，降低了常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝的能耗，提高水產(chǎn)的自動(dòng)化控制、運(yùn)營與維護(hù)的質(zhì)量和效率水平。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文以安徽地區(qū)某市的凈水廠工程為例，進(jìn)一步分析了常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾膜凈水工藝，其凈水流程不僅更順暢簡潔，而且相關(guān)構(gòu)筑物的建設(shè)成本較低，整體占地面積小，低能耗優(yōu)勢(shì)突出，不僅有助于降低水廠的運(yùn)行成本，還能根據(jù)冬夏水質(zhì)變化靈活調(diào)整流程和超濾膜設(shè)施，能夠有效取出有機(jī)物、微生物與無機(jī)顆粒物，同時(shí)顯著降低濁度。