后置臭氧-生物活性炭工藝在水廠改造中的若干設(shè)計(jì)點(diǎn)探討

徐彥飛，戴仲怡

(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)

自1985年我國(guó)第一座采用臭氧-生物活性炭工藝的中型城市自來(lái)水廠——北京田村山水廠投產(chǎn)，已有38年。在此期間，臭氧-生物活性炭技術(shù)發(fā)展迅速，科研人員在臭氧投加量、活性炭吸附池結(jié)構(gòu)與工藝選擇、活性炭選擇、更換與再生、溴酸鹽控制技術(shù)、生物風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防與控制技術(shù)等方面，已經(jīng)取得了一批重要技術(shù)成果，形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)指南等科技成果，有效提升了受污染水源的飲用水水質(zhì)[1]。但是在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，卻很少有人探討新增深度處理工藝設(shè)計(jì)給現(xiàn)狀工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)的區(qū)別，以及針對(duì)改造工程的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

本文以深圳某水廠深度處理工程為例，其設(shè)計(jì)規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如下：預(yù)臭氧接觸池接觸時(shí)間為4.8 min，臭氧投加量為0.5～1.5 mg/L，后臭氧投加量為1.0～2.0 mg/L，接觸時(shí)間為11.95 min?；钚蕴砍乜沾步佑|時(shí)間為11.2 min，炭層為1.8 m，石英砂層為0.6 m。本文主要探討了改造中構(gòu)筑物的流量負(fù)荷計(jì)算模式、新增廢水的回用設(shè)計(jì)、加藥系統(tǒng)的改造，以及臭氧系統(tǒng)、液氧儲(chǔ)罐的安全、檢修與消防設(shè)計(jì)，為今后的同類項(xiàng)目提供參考意見(jiàn)。

1 構(gòu)筑物的流量負(fù)荷設(shè)計(jì)

新增深度處理工藝影響了現(xiàn)狀工藝設(shè)計(jì)的流量負(fù)荷。構(gòu)筑物的流量負(fù)荷是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，流量負(fù)荷決定了工藝參數(shù)的計(jì)算，例如過(guò)濾濾速、水力停留時(shí)間，也影響構(gòu)筑物的水力條件，例如薄壁堰的設(shè)計(jì)。

一般情況，構(gòu)筑物設(shè)計(jì)水量按照Q(1+自用水系數(shù)%)考慮，但由于工藝流程中增加了臭氧-生物活性炭工藝，新增的臭氧工藝包含了兩部分自用水量，預(yù)臭氧投加用增壓水和臭氧發(fā)生器的外循環(huán)用水，而且該部分水量不可忽略不計(jì)[2]，將該部分水量納入構(gòu)筑物的流量負(fù)荷計(jì)算，是實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物合理運(yùn)行的必要條件。其中，預(yù)臭氧投加增壓水水量主要與臭氧投加量和水射器的氣水體積比有關(guān)，臭氧發(fā)生器的外循環(huán)用水主要和板式換熱器有關(guān)?？捎稍O(shè)備供應(yīng)商根據(jù)設(shè)計(jì)條件，計(jì)算并提供相關(guān)參數(shù)。

這兩部分的水源位置根據(jù)工程性質(zhì)(改建或新建工程)、實(shí)施條件、平面布置而不同。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)9.10.26中“抽吸臭氧氣體水射器的動(dòng)力水，可采用沉淀(澄清)后，過(guò)濾后或廠用水，不宜采用原水?！背粞醢l(fā)生器的外循環(huán)用水在設(shè)計(jì)中普遍取自廠區(qū)自用水，回用到中間提升泵房前池中。后置臭氧-生物活性炭工藝多采用砂濾水或者炭濾水，作為預(yù)臭氧投加用于增壓水。當(dāng)采用不同水源時(shí)，各個(gè)構(gòu)筑物的水量負(fù)荷也有所不同。圖1(a)是以砂濾水作為預(yù)臭氧投加用增壓水，此時(shí)預(yù)臭氧接觸池設(shè)計(jì)水量應(yīng)以Q(1+K0+Kw+A)進(jìn)行復(fù)核，后臭氧接觸池和炭濾池設(shè)計(jì)水量應(yīng)以Q(1+K0+Kw+B)進(jìn)行復(fù)核。圖1(b)是以炭濾水作為預(yù)臭氧投加用增壓水，此時(shí)預(yù)臭氧接觸池設(shè)計(jì)水量應(yīng)以Q(1+K0+Kw+A)進(jìn)行復(fù)核，后臭氧接觸池和炭濾池設(shè)計(jì)水量應(yīng)以Q(1+K0+Kw+A+B)進(jìn)行復(fù)核。Q為水廠設(shè)計(jì)規(guī)模，K0為水廠原自用水系數(shù)，Kw為新增廢水回流比，A為增壓水回用比，B為外循環(huán)冷卻水回用比。

圖1 水量平衡圖Fig.1 Water Balance Diagram

以深圳某水廠深度處理工程(規(guī)模為20萬(wàn)m3/d)為例，預(yù)臭氧投加用增壓水量為200 m3/h，為水廠設(shè)計(jì)規(guī)模的2.4%，臭氧發(fā)生器的外循環(huán)冷卻水量為97.8 m3/h，為水廠設(shè)計(jì)規(guī)模的1.2%。該部分水量達(dá)到水廠設(shè)計(jì)規(guī)模的3.6%。該廠采用后置活性炭工藝，并采用炭濾水作為預(yù)臭氧投加用增壓水。新增單體構(gòu)筑物應(yīng)以圖2模式進(jìn)行水量設(shè)計(jì)，并復(fù)核老系統(tǒng)構(gòu)筑物的水力條件。

2 新增廢水的回用設(shè)計(jì)

新增深度處理工藝影響了現(xiàn)狀工藝廢水回用設(shè)計(jì)。生物活性炭池的廢水回用影響整個(gè)回用水系統(tǒng)的水量平衡，不均勻回流會(huì)導(dǎo)致回流比過(guò)大，對(duì)生產(chǎn)構(gòu)筑物造成沖擊負(fù)荷，從而影響出水水質(zhì)，極端情況下甚至造成溢流[3]。

水廠的現(xiàn)狀回收水池一般沒(méi)有考慮生物活性炭池的反沖洗水和初濾水水量，通常生物活性炭池廢水量是砂濾池的兩倍，現(xiàn)狀回收水池難以滿足其水量要求，故需要新建廢水回收池一座。廢水回收池的調(diào)節(jié)容積和設(shè)計(jì)回流比關(guān)系緊密，若單純考慮按最不利水量設(shè)計(jì)，會(huì)加大廢水回收池的土建投資費(fèi)用。合理設(shè)計(jì)排水池的均勻回流，可以有效控制廢水回收池的設(shè)計(jì)規(guī)模，控制工程投資。

以改造采用后置工藝為例進(jìn)行計(jì)算，如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

其中：Q炭——生物活性炭池回用水量，m3/h；

Q0——水廠設(shè)計(jì)規(guī)模，m3/h；

q——水沖洗強(qiáng)度，m3/(m2·h)；

t——水沖時(shí)間，h；

T——反沖洗周期，h；

S0——總過(guò)濾面積，m2；

v——空床濾速，m/h。

以深圳某水廠深度處理工程(規(guī)模為20萬(wàn)m3/d)為例，設(shè)計(jì)生物活性炭池空床濾速為10 m/h，反沖洗周期為3 d，水沖強(qiáng)度為36 m3/(m2·h)，水沖時(shí)間為10 min，并考慮30 min初濾水排放，生物活性炭池回用水回流比Kw=0.9%，可通過(guò)該值，結(jié)合本文流量負(fù)荷的計(jì)算，綜合考慮構(gòu)筑物相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。

需要注意的是，改造工程中不能忽略對(duì)現(xiàn)狀回收水池的管路改造，一般現(xiàn)狀回收水池回用到原水管道某點(diǎn)，有可能不會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)臭氧工藝的處理，建議考慮相關(guān)措施將回用管接到預(yù)臭氧工藝前端，完善工藝流程。

3 加藥系統(tǒng)的改造

新增深度處理工藝影響了現(xiàn)狀藥劑投加點(diǎn)的位置選擇以及水質(zhì)情況，需做適應(yīng)化設(shè)計(jì)。

3.1 原系統(tǒng)投加點(diǎn)改造

改造工程往往對(duì)現(xiàn)狀加藥投加點(diǎn)帶來(lái)影響。某些水廠的后加氯直接投加在砂濾池出水總井中，如果不加以改造，后加氯的處理水會(huì)進(jìn)入臭氧-活性炭工藝，余氯會(huì)影響生物掛膜，對(duì)深度處理的效果有負(fù)面影響，而且出廠水的余氯可能難以達(dá)到相關(guān)要求。

3.2 新增投加點(diǎn)

喬鐵軍等[4]觀察到，隨著后置生物活性炭池運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，后置生物活性炭池出水pH會(huì)逐漸降低，相對(duì)于砂濾池出水，降幅達(dá)1～2，導(dǎo)致清水池出廠水pH較低。在原水堿度低的情況下較為顯著，引起了水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的降低。賀濤等[5]認(rèn)為活性炭官能團(tuán)總量數(shù)量隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少，隨著活性炭官能團(tuán)的減少，影響了炭濾池的緩沖作用，且致使活性炭pH平衡點(diǎn)下降，從而致使炭濾池pH下降。由于部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者內(nèi)定標(biāo)準(zhǔn)的最低值在7.0甚至7.2以上，需要考慮pH調(diào)節(jié)措施。

后置下向流生物活性炭池作為工藝流程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，為保證出水渾濁度的穩(wěn)定性，建議采用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH。由于固體氫氧化鈉溶解會(huì)釋放大量的熱量，帶來(lái)運(yùn)行安全隱患，建議在市場(chǎng)上采購(gòu)原液，市場(chǎng)上的氫氧化鈉原液濃度大部分在30%以上，使用時(shí)需要進(jìn)一步稀釋，設(shè)計(jì)上可采用成品防腐蝕原液罐+稀釋池的組合方式設(shè)計(jì)?？砂磒H值為7.0調(diào)節(jié)至pH值為7.5進(jìn)行計(jì)算。建議在炭濾池進(jìn)水、出水設(shè)置兩個(gè)pH調(diào)節(jié)劑投加點(diǎn)。

4 管道及附屬構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

新增深度處理工藝影響了現(xiàn)狀生產(chǎn)管線，并帶來(lái)了新的運(yùn)行模式。

管道及附屬構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)決定了工藝系統(tǒng)是否能合理運(yùn)行。其主要改造原則是深度處理線和現(xiàn)狀工藝線功能可以相互切換，正常運(yùn)行。設(shè)置超越系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)水質(zhì)情況，調(diào)整工藝路線[6]。例如超越主臭氧活性炭工藝時(shí)，現(xiàn)狀常規(guī)處理管線及附屬構(gòu)筑物可以正常運(yùn)行，擁有完善的相關(guān)附屬設(shè)施，包括流量計(jì)、閥門、投加點(diǎn)等。

生產(chǎn)管線改造主要分為3個(gè)部分：前端預(yù)臭氧、砂濾池至深度處理構(gòu)筑物、深度處理構(gòu)筑物至清水池。前端預(yù)臭氧部分主要是保留現(xiàn)狀管線，新增原水管至預(yù)臭氧接觸池和預(yù)臭氧接觸池至混合池的管線。砂濾池至深度處理構(gòu)筑物、深度處理構(gòu)筑物至清水池管線和上述管線類似，但通常老水廠砂濾池到清水池距離較近，管道改接時(shí)需仔細(xì)復(fù)核流量計(jì)的使用，若是利用現(xiàn)狀流量計(jì)作為常規(guī)處理計(jì)量設(shè)施，需要復(fù)核管道碰口是否會(huì)對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量造成影響，必要時(shí)需對(duì)現(xiàn)狀管線走向進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與調(diào)整。

5 推薦構(gòu)筑物設(shè)計(jì)形式

改造工程多存在用地面積不足的問(wèn)題，由此推薦采用提升泵房、后臭氧接觸池、臭氧發(fā)生間、生物活性炭池、反沖洗泵房合建的設(shè)計(jì)形式(圖2)。這種形式設(shè)計(jì)有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1)節(jié)約用地，滿足工程建設(shè)的現(xiàn)實(shí)條件；(2)便于巡檢，減輕運(yùn)營(yíng)人員工作的勞力消耗；(3)臭氧發(fā)生間和后臭氧接觸池的疊建簡(jiǎn)化了外循環(huán)冷卻水的進(jìn)出管路設(shè)計(jì)；(4)減小了工程施工基坑開(kāi)挖的面積；(5)合建構(gòu)筑物較分散構(gòu)筑物的構(gòu)造更規(guī)整美觀。但同時(shí)合建形式需要合理規(guī)劃臭氧發(fā)生系統(tǒng)的檢修通道設(shè)計(jì)和防臭氧泄露設(shè)計(jì)。深圳某水廠深度處理工程中采用該模式設(shè)計(jì)，節(jié)地效果明顯。此外，在必要的情況下，可以進(jìn)一步結(jié)合清水池疊層(圖3)、廢水池組合等方式，設(shè)計(jì)構(gòu)筑物綜合體。表1為凈水組合體設(shè)計(jì)案例。

圖2 綜合處理車間示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Comprehensive Treatment Workshop

圖3 綜合處理車間(清水池疊層)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Comprehensive Treatment Workshop(Clear Water Tank Stack Layer)

表1 凈水組合體設(shè)計(jì)案例Tab.1 Designed Case of Water Purification Combination

6 安全、檢修與消防設(shè)計(jì)

6.1 后置生物活性炭池

后置生物活性炭池帶來(lái)了更多的檢修需求，其檢修主要是管廊中控制閥門和出水井中200目裝置的檢修。隨著檢修巡查平臺(tái)的設(shè)計(jì)高度不一致，這兩者的檢修設(shè)計(jì)也有不同。設(shè)出水井標(biāo)高與出水控制閥門底的高差為Δh，計(jì)算如式(4)。

Δh=(H1-h+Hg)-(H1-h1-h2-H-h3)

(4)

其中：Δh——出水井標(biāo)高與出水閥門底的高差，m；

H1——炭濾池水位高，m；

h——炭濾池水損，m，可取1.7 m；

Hg——出水井超高，m，可取0.3 m；

h1——配水系統(tǒng)高度，m，可取1.0 m；

h2——承托層厚度，m，可取0.2 m；

H——濾料層厚度，m，可取2.5 m(2 m厚活性炭，0.5 m厚石英砂濾料)；

h3——炭濾層上水深，m，可取2.0 m。

以深圳某水廠深度處理工程(規(guī)模為20萬(wàn)m3/d)為例，出水井標(biāo)高與出水閥門底的高差為4.3 m，隨著管廊檢修巡查平臺(tái)標(biāo)高的不同，檢修空間也隨之變化。由于目前出水井200目裝置較為簡(jiǎn)單，僅能人工抽取檢修，需合理設(shè)計(jì)檢修巡查平臺(tái)標(biāo)高來(lái)滿足檢修人員的空間需求。以圖4(a)為例，該檢修巡查平臺(tái)與出水井高差較大，需設(shè)置鋼樓梯與出水井合理銜接。以圖4(b)為例，該檢修平臺(tái)與出水井高差不大，但閥門與檢修巡查平臺(tái)高差較大，需設(shè)置環(huán)形檢修吊車，方便閥門的檢修和運(yùn)輸。

圖4 后置活性炭池剖面圖Fig.4 Profile of Post Activated Carbon Filter

6.2 臭氧發(fā)生間

《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)對(duì)臭氧發(fā)生間的要求有所調(diào)整，原《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)9.9.19條：在設(shè)有臭氧發(fā)生器的建筑內(nèi)，其用電設(shè)備必須采用防爆型。而《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)刪除了該條要求，但強(qiáng)調(diào)必須做好機(jī)械通風(fēng)、泄露監(jiān)測(cè)和預(yù)警等設(shè)計(jì)。臭氧發(fā)生間需仔細(xì)按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求，對(duì)防火間距、安全疏散口、消火栓系統(tǒng)、滅火器配置做詳細(xì)設(shè)計(jì)。另外，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)規(guī)定，臭氧發(fā)生間生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于乙類；甲、乙類生產(chǎn)場(chǎng)所(倉(cāng)庫(kù))不應(yīng)設(shè)置在地下或半地下。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意臭氧發(fā)生間的豎向設(shè)計(jì)是否滿足規(guī)范要求。

6.3 液氧站

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)液氧儲(chǔ)罐有明確的要求：液氧儲(chǔ)罐與建筑物、儲(chǔ)罐、堆場(chǎng)等的防火間距應(yīng)符合本規(guī)范第4.3.3條相應(yīng)容積濕式氧氣儲(chǔ)罐防火間距的規(guī)定；液氧儲(chǔ)罐周圍5 m范圍內(nèi)不應(yīng)有可燃物和瀝青路面等。

《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：液氧貯罐和輸送設(shè)備的液體接口下方周圍5 m范圍內(nèi)不應(yīng)有可燃物，不應(yīng)鋪設(shè)瀝青路面，在機(jī)動(dòng)輸送液氧設(shè)備下方的不燃材料地面不應(yīng)小于車輛的全長(zhǎng)；液氧貯罐和汽化器的周圍宜設(shè)圍墻或柵欄，并應(yīng)設(shè)明顯的禁火標(biāo)志；采用液氧儲(chǔ)罐或制氧機(jī)氣源裝置時(shí)，廠區(qū)應(yīng)有滿足液氧槽車通行、轉(zhuǎn)彎和回車要求的道路和場(chǎng)地等。

設(shè)計(jì)中需注意液氧站附近的廠區(qū)道路不得加鋪瀝青，并做好加鋪瀝青路面和普通路面的設(shè)計(jì)銜接。另外建議設(shè)計(jì)液氧車專用回車路，以方便液氧的運(yùn)輸。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著未來(lái)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的正式實(shí)施，城市供水安全和水質(zhì)提升越來(lái)越重要，臭氧-生物活性炭工藝的普及度也會(huì)越來(lái)越高。本文通過(guò)對(duì)改造中各構(gòu)筑物的水量負(fù)荷計(jì)算、廢水回用設(shè)計(jì)、加藥系統(tǒng)的改造、以及安全、檢修與消防設(shè)計(jì)的分析，為今后的同類項(xiàng)目提供參考意見(jiàn)。主要結(jié)論及建議如下。

(1)改造工程中需要梳理各個(gè)構(gòu)筑物的水量負(fù)荷，構(gòu)筑物設(shè)計(jì)水量需結(jié)合預(yù)臭氧投加用增壓水和臭氧發(fā)生器的外循環(huán)用水在工藝流程中不同的位置來(lái)確定。

(2)由于新增生物活性炭池廢水水量較大，需充分考慮均勻回流的設(shè)計(jì)，計(jì)算回流比，校核相關(guān)水力設(shè)計(jì)。

(3)改造工程建設(shè)用地不足的問(wèn)題可通過(guò)集約化設(shè)計(jì)等方式優(yōu)化考慮。

(4)設(shè)計(jì)中需復(fù)核現(xiàn)狀改造是否會(huì)對(duì)現(xiàn)有加藥點(diǎn)帶來(lái)影響，完善常規(guī)處理和常規(guī)深度處理兩條工藝路線的功能，并根據(jù)水廠實(shí)際情況，增加pH調(diào)節(jié)措施。

(5)活性炭池需仔細(xì)考慮設(shè)備檢修設(shè)計(jì)，臭氧發(fā)生間和液氧站的消防設(shè)計(jì)需根據(jù)最新國(guó)家規(guī)范要求執(zhí)行，新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)臭氧發(fā)生間的防爆設(shè)計(jì)做了調(diào)整。