臭氧-生物活性炭工藝在低溫有機(jī)微污染原水深度處理中的應(yīng)用

王輝文， 宋尊劍

（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司， 黑龍江 大慶 163712）

1 工程概況

某市西城區(qū)已建供水系統(tǒng)無(wú)法滿足新版GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的水質(zhì)要求， 需要對(duì)原有供水管網(wǎng)及水廠進(jìn)行升級(jí)改造， 實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水， 并增加深度處理工藝。

某已建水廠原有處理工藝為網(wǎng)格絮凝-斜板沉淀-氣水反沖洗過(guò)濾， 處理規(guī)模為38 × 104m3／d。按照規(guī)劃， 新建深度處理工藝規(guī)模為10×104m3／d，預(yù)留4×104m3／d。 在常規(guī)工藝的38× 104m3／d 出水中， 11×104m3／d 在本廠經(jīng)深度處理后供給民用水管網(wǎng)； 9.35×104m3／d 作為原水分別輸送至另2座水廠經(jīng)深度處理后供給民用水管網(wǎng)； 其余部分作為工業(yè)用水直接輸入工業(yè)水管網(wǎng)。

2 原水特點(diǎn)及工藝選擇

2.1 原水特點(diǎn)

已建水廠原水引自某平原型水庫(kù)， 濁度為20 ～120 NTU， 耗氧量最高值可達(dá)8.5 mg／L。 常規(guī)工藝處理后出水指標(biāo)中不合格項(xiàng)為耗氧量， 最高值為6.3 mg／L， 平均值為3.9 mg／L。 可以看出， 常規(guī)處理工藝的主要問(wèn)題是對(duì)有機(jī)物的去除率低， 難以滿足GB 5749—2006 的要求。

2.2 工藝選擇

臭氧-生物活性炭工藝是集臭氧化學(xué)氧化、 生物吸附氧化、 活性炭物理化學(xué)吸附技術(shù)為一體的復(fù)合工藝［1］。 首先利用臭氧的強(qiáng)氧化作用， 初步氧化分解水中的簡(jiǎn)單有機(jī)物和其他還原性物質(zhì)，使之變成CO2和H2O； 同時(shí)， 臭氧氧化能使水中難以生物降解的有機(jī)物斷鏈、 開(kāi)環(huán)， 氧化成短鏈的小分子物質(zhì)或使分子的某些基團(tuán)改變， 從而使原來(lái)不能被生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可生物降解的有機(jī)物。 受臭氧制備設(shè)備效率的影響， 向臭氧接觸池內(nèi)除投加臭氧外還有大量的氧氣， 伴隨著臭氧的投加， 起到了充氧的作用， 為附著于活性炭上的好氧型微生物提供生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)源， 創(chuàng)造好氧微生物的生長(zhǎng)環(huán)境［2］。

活性炭作為一種多孔物質(zhì)， 具有良好的吸附性能。 通過(guò)活性炭的吸附作用， 將水中微生物富集于活性炭表面， 形成穩(wěn)定的生物膜。 活性炭濾池置于臭氧接觸池后， 生物膜利用水中充足的溶解氧， 將水中經(jīng)臭氧氧化易于生物降解的有機(jī)物進(jìn)一步吸附分解， 達(dá)到去除的目的［3］。

超濾技術(shù)主要利用超濾膜的篩分機(jī)理去除水中的懸浮態(tài)物質(zhì)及大分子有機(jī)物。 該技術(shù)具有出水濁度低， 水質(zhì)穩(wěn)定， 能有效去除水中隱孢子蟲、 賈第蟲、 細(xì)菌、 病毒等各類微生物的優(yōu)勢(shì)［4］。

針對(duì)原水特點(diǎn)及出水水質(zhì)要求， 采用了增加原水預(yù)處理工藝（新建高錳酸鉀及粉末活性炭投加設(shè)施）、 深度處理工藝的技術(shù)路線。 利用改造后的處理工藝， 保證出廠水的耗氧量在3.0 mg／L 以下。工藝流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 水廠工藝流程Fig. 1 Process flow of water plant

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

（1） 提升泵池。 為將已建砂濾池濾后水提升至新建臭氧接觸池， 新建地下式提升泵池1 座。 提升泵池土建設(shè)計(jì)規(guī)模為14×104m3／d， 鋼混結(jié)構(gòu)， 平面尺寸為25.0 m×23.0 m， 有效水深為5.0 m。 內(nèi)設(shè)清水潛水泵4 臺(tái)， 3 用1 備， 單泵參數(shù)Q ＝1 600 m3／h， H ＝14 m， N ＝80 kW。

（2） 臭氧制備間。 考慮該地區(qū)石化行業(yè)發(fā)達(dá)，有長(zhǎng)期穩(wěn)定的液氧源供應(yīng)， 采用液氧源臭氧制備工藝。 臭氧制備間外設(shè)液氧站1 座， 液氧站設(shè)2 座30 m3液氧儲(chǔ)罐， 保證10 d 的液氧儲(chǔ)備量。

新建臭氧制備間為磚混結(jié)構(gòu)， 平面尺寸為21.0 m×18.0 m， 設(shè)臭氧發(fā)生器3 臺(tái)， 2 用1 備， 單臺(tái)臭氧發(fā)生能力為6.56 kg［O3］／h（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%），臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為6%～14%。

（3） 臭氧接觸池。 鋼混結(jié)構(gòu)， 設(shè)有2 格， 每格平面尺寸為24.3 m×5.0 m， 有效水深為6.0 m。 臭氧最大投加量為3 mg／L， 總接觸時(shí)間為15 min。每格臭氧接觸池設(shè)有3 個(gè)曝氣接觸室， 曝氣量占總曝氣量的比例分別為50%、 25%、 25%。 池內(nèi)擴(kuò)散裝置采用微孔曝氣盤。 在臭氧接觸池頂部安裝2 套熱觸媒尾氣破壞設(shè)備， 將尾氣中的殘余臭氧破壞后排放到大氣中。 為保證臭氧接觸池內(nèi)外的壓力平衡， 每格接觸池設(shè)1 個(gè)雙向透氣安全閥。

（4） 生物活性炭濾池。 生物活性炭濾池利用顆?；钚蕴勘缺砻娣e大的特性， 為細(xì)菌等微生物提供載體， 吸附、 生化降解作用并重， 達(dá)到去除水中有機(jī)污染物的目的。 生物活性炭濾池截留的懸浮物質(zhì)有限， 反洗的目的以去除老化的生物膜為主。 活性炭濾料密度低， 較易發(fā)生跑料問(wèn)題。 翻板濾池通過(guò)啟閉翻板閥來(lái)控制濾池的反沖洗排水過(guò)程， 反沖洗濾料膨脹時(shí)翻板閥保持關(guān)閉狀態(tài)， 濾池不排水， 反沖洗進(jìn)水停止濾料回落后， 翻板閥開(kāi)啟開(kāi)始排水，排水結(jié)束翻板閥關(guān)閉， 結(jié)束反洗過(guò)程。 最大程度地減緩了反洗時(shí)的濾料流失， 比較適合活性炭等輕質(zhì)濾料， 因此本工程的活性炭濾池選用翻板濾池。 此外， 翻板濾池還具有池體構(gòu)造簡(jiǎn)單、 反洗效果好、濾料選擇靈活等特點(diǎn)［5］。

活性炭濾池為磚混結(jié)構(gòu)， 平面尺寸為60.0 m×42.0 m。 內(nèi)設(shè)8 格翻板濾池， 雙排布置。 空床濾速為6.5 m／h， 單池尺寸為11.0 m×8.0 m。 濾池采用雙層濾料結(jié)構(gòu)， 上層炭床厚度為2.5 m， 活性炭種類為柱狀煤質(zhì)炭， 直徑為1.5 mm， 長(zhǎng)度為2.5 mm， 碘值為950 mg／g， 亞甲藍(lán)值為180 mg／L。 下層石英砂厚度為0.3 m， 石英砂濾料粒徑為0.9 ～1.2 mm。

反沖洗采用“氣洗＋氣-水聯(lián)合反洗＋水洗”的三段模式。 氣洗階段強(qiáng)度采用15 L／（m2·s）， 時(shí)間為3 min； 氣-水聯(lián)合反洗階段氣洗強(qiáng)度采用15 L／（m2·s）， 水洗強(qiáng)度采用3 L／（m2·s）， 時(shí)間為5 min；水洗階段強(qiáng)度采用15 L／（m2·s）， 時(shí)間為1 min ＋2 min， 先進(jìn)行1 min 水洗， 之后排掉池內(nèi)廢水， 再進(jìn)行2 min 水洗。 為靈活配置反洗強(qiáng)度， 設(shè)有5 臺(tái)反洗離心泵， 其中大泵3 臺(tái)， 2 用1 備， 單臺(tái)Q=1 900 m3／h， H=10 m， N=90 kW； 小泵2 臺(tái)， 1 用1 備， 單臺(tái)Q=950 m3／h， H=10 m， N=45 kW。 設(shè)置反沖風(fēng)機(jī)2 臺(tái)， 1 用1 備， 為高速離心風(fēng)機(jī)， 單機(jī)Q=89 m3／min， P=49 kPa， N=160 kW。

（5） 超濾車間。 一期規(guī)模為10×104m3／d， 二期預(yù)留4×104m3／d。 生產(chǎn)廠房一次建成， 磚混結(jié)構(gòu)。 平面尺寸為48.0 m×30.0 m， 分地下和地上兩層。 地上層高8.5 m， 放置膜堆， 地下層高5.0 m，布設(shè)管線。 為二期膜堆預(yù)留空間， 公用部分如超濾膜清洗設(shè)施等按14×104m3／d 考慮。

超濾膜為中空纖維膜， 標(biāo)稱膜組件膜面積為51.1 m2， 膜絲材料為PVDF， 過(guò)濾型式為外壓式。設(shè)計(jì)膜通量為51 L／（m2·h）。 一期設(shè)有20 個(gè)膜堆，二期預(yù)留8 個(gè)膜堆。 每個(gè)膜堆設(shè)114 個(gè)膜組件， 4列布置， 產(chǎn)水能力為0.5×104m3／d。 系統(tǒng)分為2 個(gè)相同的系列， 每個(gè)系列可獨(dú)立運(yùn)行。

超濾系統(tǒng)可在線實(shí)現(xiàn)物理清洗、 維護(hù)性化學(xué)清洗（CEB）、 恢復(fù)性化學(xué)清洗（CIP）。 物理清洗設(shè)計(jì)周期為38 min， 采用氣水反沖洗模式； 維護(hù)性化學(xué)清洗（CEB）設(shè)計(jì)周期為7 d， 清洗藥劑為次氯酸鈉、檸檬酸、 鹽酸和氫氧化鈉； 恢復(fù)性化學(xué)清洗（CIP）設(shè)計(jì)周期為90 d， 清洗藥劑為次氯酸鈉、 檸檬酸、鹽酸和氫氧化鈉。 物理清洗廢水排入廢水排放水池， 統(tǒng)一處置， 化學(xué)清洗廢水排入中和水池， 加入藥劑使其pH 值達(dá)標(biāo)后排入廢水排放水池。

4 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1） 采用分質(zhì)供水方式， 對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行改造， 分為工業(yè)水管網(wǎng)及民用水管網(wǎng)。 工業(yè)用水仍采用原有的常規(guī)處理工藝， 處理后進(jìn)入工業(yè)用清水池， 經(jīng)工業(yè)外輸水泵輸入工業(yè)管網(wǎng)； 對(duì)民用水部分在常規(guī)工藝的砂濾池后增加深度處理工藝， 達(dá)到GB 5749—2006 要求后， 經(jīng)民用水外輸系統(tǒng)送至民用水管網(wǎng)。 有效降低了水處理規(guī)模， 節(jié)約投資。

（2） 針對(duì)原水水質(zhì)有機(jī)物含量較高的特點(diǎn)， 在常規(guī)處理前端增設(shè)預(yù)處理工藝。 設(shè)置高錳酸鉀及粉末活性炭投加系統(tǒng)， 初步去除部分有機(jī)物質(zhì)， 同時(shí)起到了強(qiáng)化混凝的效果［6］。

（3） 為進(jìn)一步去除有機(jī)物， 確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)， 考慮到黑龍江地處高寒地區(qū)， 半年水溫較低的特點(diǎn)，在常規(guī)處理后端增設(shè)臭氧-生物活性炭-超濾的深度處理工藝。 工藝鏈較長(zhǎng)， 臭氧-生物活性炭重點(diǎn)去除有機(jī)物質(zhì)， 超濾工藝防止生物泄漏， 并進(jìn)一步去除有機(jī)物及懸浮物。

（4） 在參數(shù)選取上， 重點(diǎn)考慮了原水水溫、 水質(zhì)的特點(diǎn)， 活性炭濾池的濾速較低； 對(duì)于超濾工藝， 項(xiàng)目部組織進(jìn)行了3 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)， 取得了適應(yīng)原水特點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)， 特別是膜通量、 過(guò)濾周期等對(duì)水溫敏感的設(shè)計(jì)參數(shù)， 對(duì)工藝設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。

5 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

該水廠新建預(yù)處理及深度處理設(shè)施為黑龍江某市西城區(qū)供水系統(tǒng)改造的一部分。 供水系統(tǒng)改造總投資為11.07 億元， 工程費(fèi)用為9.20 億元。 其中，該水廠新建預(yù)處理及深度處理設(shè)施工程費(fèi)用為2.85億元， 運(yùn)行成本為0.69 元／t。

6 運(yùn)行效果分析

工程于2014 年5 月投產(chǎn)運(yùn)行， 出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB 5749—2006 要求。 2015 年9 月中下旬，原水藍(lán)藻爆發(fā)7 d 左右。 以9 月19 日為例， 水廠原水水質(zhì)： 色度為25 度， 濁度為33 NTU， 耗氧量為8.48 mg／L， 藻密度為1.22 × 107個(gè)／L。 經(jīng)過(guò)深度處理后的出水水質(zhì)： 色度小于5 度， 濁度為0.24 NTU， 耗氧量為2.4 mg／L， 藻密度未檢出。 16 個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明， 采用預(yù)處理-常規(guī)處理-臭氧-生物活性炭-超濾工藝可以有效去除有機(jī)物， 該工藝適應(yīng)黑龍江省等高寒地區(qū)的有機(jī)微污染、 高含藻原水水質(zhì)。

7 結(jié)語(yǔ)

（1） 對(duì)于工業(yè)用水比重較大、 水質(zhì)要求較低的城市， 采用分質(zhì)供水， 將居民用水與工業(yè)用水分別處理、 分網(wǎng)供水的模式， 有利于降低深度處理的規(guī)模， 節(jié)省投資。

（2） 采用預(yù)處理-常規(guī)處理-臭氧-生物活性炭-超濾的處理工藝， 適合高緯度地區(qū)低溫有機(jī)微污染的原水水質(zhì)， 可有效去除水中有機(jī)污染物， 降低出水濁度， 避免微生物泄漏。 出水水質(zhì)滿足GB 5749—2006 的要求。

（3） 為適應(yīng)高緯度地區(qū)水質(zhì)特點(diǎn)， 可適當(dāng)降低設(shè)計(jì)參數(shù)， 如活性炭濾池濾速、 超濾膜通量等，有條件時(shí)最好進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 以確定合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。

（4） 高緯度地區(qū)冬季低溫、 低濁， 夏季水中藻密度較大。 水廠在運(yùn)行管理中， 應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)變化情況， 適時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、 藥劑投加種類及投加量， 保證出水水質(zhì)滿足要求。