組合工藝在石臼漾水廠的應(yīng)用

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1嘉興市石臼漾水廠水質(zhì)狀況

　　1.1水源水質(zhì)狀況

　　嘉興市石臼漾水廠水源為新塍塘，屬運(yùn)河水系。水廠分二期建成，設(shè)計(jì)規(guī)模分別為5×104m³/d和10×104m³/d，均采用傳統(tǒng)常規(guī)處理工藝。二期于96年增加了生物接觸氧化預(yù)處理池。近幾年隨著運(yùn)河上游沿岸工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和人口的聚集，水源遭受較為嚴(yán)重的污染，水源水質(zhì)下降至Ⅳ-Ⅴ類，具體表現(xiàn)為原水中色度、臭和味、耗氧量、氨氮、總氮、總磷、揮發(fā)酚等指標(biāo)高，溶解氧含量低。2002-2003年石臼漾水廠原水主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

　　1.2傳統(tǒng)常規(guī)處理工藝的局限性

　　顯然，對(duì)目前的石臼漾水廠取水水質(zhì)而言，傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒處理工藝出水水質(zhì)難以滿足衛(wèi)生部2001版《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》的要求，感官指標(biāo)難盡人意。傳統(tǒng)處理工藝的局限性具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　?。?）對(duì)CODMn、TOC等有機(jī)物指標(biāo)的總?cè)コ瘦^低；

　　（2）在原水氨氮>1mg/L時(shí)，對(duì)氨氮的去除率只有30-40%，出水氨氮難以達(dá)到<0.5mg/L的要求，影響出水感官指標(biāo)。氨氮含量偏高，還影響到整個(gè)工藝的除錳效果；致使消毒用氯量增加，消毒副產(chǎn)物偏高；

　?。?）出水色度偏高，飲用時(shí)有異味，口感差；

　?。?）Ames試驗(yàn)表明，常規(guī)工藝處理出水的致突變活性比原水有增加的趨勢(shì)。

　　2前期所作的工作

　　2.1水源有機(jī)物分子量分布特點(diǎn)

　　委托浙江省疾病預(yù)防控制中心對(duì)石臼漾水廠原水進(jìn)行了有機(jī)物分子量測(cè)定，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

　　2.2組合工藝研究

　　鑒于以上諸原因，為全面提高供水水質(zhì)，使出水水質(zhì)達(dá)到衛(wèi)生部2001版《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》的要求，自96年起，先后開(kāi)展了生物接觸氧化預(yù)處理工程在石臼漾水廠的工程實(shí)踐、南門水廠生物活性炭濾池試驗(yàn)及工程運(yùn)用、實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)化常規(guī)處理小試、與清華大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院合作的組合工藝中試等研究，結(jié)果表明，采用生物預(yù)處理-強(qiáng)化常規(guī)處理-臭氧活性炭深度處理的組合工藝，出水水質(zhì)能達(dá)到規(guī)范的要求。

　　3實(shí)施改造時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行工藝的優(yōu)化選擇

　　3.1改造后工藝路線

　　2003年石臼漾水廠進(jìn)行了臭氧-活性炭深度處理工藝技改，遵循“工藝安全可靠、性能穩(wěn)定，能耐受較大的水質(zhì)沖擊，節(jié)省投資，盡可能降低成本，日常運(yùn)行管理方便”的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，改造后的工藝路線如圖1。

　　預(yù)臭氧投加的目的主要是為了提高臭氧設(shè)備的利用率，其次可協(xié)助除鐵、錳，并顯著提高砂濾池的DO含量，增強(qiáng)砂濾池的生物活性。

　　3.2應(yīng)急措施

　　為抗原水水質(zhì)、水力較大沖擊帶來(lái)的負(fù)荷，設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了加酸加堿系統(tǒng)和粉末活性炭投加系統(tǒng)。必要時(shí)用98%濃硫酸在靜態(tài)混合器前投加，以調(diào)節(jié)混凝時(shí)的pH值，強(qiáng)化混凝效果；同時(shí)將40%的NaOH溶液投加到沉淀池出水管中，保證后續(xù)工藝進(jìn)水和管網(wǎng)水有合適的pH值。

　　當(dāng)進(jìn)水CODMn值高于8mg/L時(shí)，粉末活性炭的應(yīng)急投加能有效控制出水有機(jī)物，并顯著改善色度及臭和味等感官指標(biāo)。

　　3.3主要工藝參數(shù)

　　考慮到石臼漾水廠原水近兩年的氨氮平均含量在1.0mg/L左右，暫未對(duì)原設(shè)計(jì)能力為10萬(wàn)m3/日的生物接觸氧化預(yù)處理池進(jìn)行擴(kuò)建，按運(yùn)行期實(shí)際供水量計(jì)算，水力停留時(shí)間約為45min。氣水比為0.6：1，有效水深3m，填料高度2.5m。

　　臭氧的原料為純氧。臭氧發(fā)生器共三臺(tái)，產(chǎn)量10kg/h，濃度10%。預(yù)臭氧在靜態(tài)混合器前投加，接觸時(shí)間很短，投加量為1.0mg/L；KMnO₄與凈水劑聚合氯化鋁幾乎同時(shí)投加，視進(jìn)水水質(zhì)投加量為1.0-1.5mg/L。

　　后臭氧設(shè)計(jì)接觸時(shí)間為10min，投加量視進(jìn)水水質(zhì)在2-3mg/L范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

　　活性炭濾池濾速11.6m/h，炭層厚度2.2m，停留時(shí)間為11.3min。選用了兩種顆粒活性炭，分別為8×30目煤質(zhì)破碎炭和8×12目柱狀破碎炭。炭濾池采用氣水（用砂濾水）反沖洗，分三個(gè)階段：氣沖時(shí)間10min，氣水混沖3min，水沖6min。目前反沖洗周期為10d左右。

　　4運(yùn)行效果及評(píng)述

　　整個(gè)組合工藝改造工程于2004年1月16日正式并網(wǎng)供水，至今已運(yùn)行6個(gè)多月。3月17日開(kāi)始在反應(yīng)池中投加預(yù)臭氧，后又投加了KMnO4.改造后設(shè)計(jì)供水規(guī)模達(dá)17×104m³/d，運(yùn)行至今日最高供水量為12.1×104m³，最低為6.5×104m³，平均為9.7×104m³。

　　由于投產(chǎn)時(shí)正值寒冬低水溫（6℃以下），生物活性炭濾池在運(yùn)行22后開(kāi)始掛膜，45天后對(duì)氨氮的去除率躍至80%以上，可認(rèn)為是掛膜成功；對(duì)CODMn的去除率在運(yùn)行18天內(nèi)>65%，之后穩(wěn)定在50%左右，40天后去除率穩(wěn)定在23-38%，可判定為物理吸附趨于飽和。

　　運(yùn)行期間水源水及各工藝單元出水水質(zhì)見(jiàn)表3。

　　4.1對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和總氮的去除與轉(zhuǎn)化

　　經(jīng)微孔曝氣，可使生物接觸氧化預(yù)處理池的DO達(dá)5-6mg/L；預(yù)臭氧的投加使砂濾池內(nèi)的DO在8-11mg/L；臭氧接觸池出水的DO則基本保持在飽和或超飽和狀態(tài)，非常有利于生物膜的生長(zhǎng)。

　　監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在水溫>8℃時(shí)，預(yù)處理池可去除40-80%的氨氮；臭氧的投加反而使水中氨氮值升高，究其原因是臭氧氧化了水中的有機(jī)氮，使之轉(zhuǎn)化為氨氮所致，但DO的升高使砂濾池對(duì)氨氮的去除率提高至62-100%，進(jìn)水氨氮在2mg/L左右時(shí)，能去除1.8mg/L的氨氮，顯示其超強(qiáng)的生物作用；生物活性炭濾池在掛膜穩(wěn)定后對(duì)氨氮的去除率保持在71-100%之間，出水氨氮大多低于檢測(cè)限，結(jié)果見(jiàn)圖2.有研究表明，在進(jìn)水DO在12mg/L時(shí)，最大去除氨氮負(fù)荷可達(dá)2.0mg/L。

　　生物預(yù)處理-強(qiáng)化常規(guī)處理工藝對(duì)亞硝酸鹽氮一直保持較高的去除率。當(dāng)原水亞硝酸鹽氮在0.016-0.684mg/L時(shí)，砂濾池出水亞硝酸鹽氮在<0.002-0.016mg/L，再經(jīng)后臭氧接觸氧化，均能被充分氧化成硝酸鹽。

　　生物炭濾池隨著對(duì)氨氮去除效果的顯現(xiàn)而出現(xiàn)亞硝酸鹽氮的累積現(xiàn)象，至運(yùn)行2個(gè)月時(shí)達(dá)到最高峰，但2天后其出水亞硝酸鹽氮就與進(jìn)水一致，而出水中的硝酸鹽卻增加了0.1-0.4mg/L。分析原因是在進(jìn)水DO充足的情況下，低溫時(shí)亞硝化菌較硝化菌具有更強(qiáng)的活性，亞硝化反應(yīng)速率快于硝化反應(yīng)所致，另水中一定的亞硝酸鹽積累也會(huì)促進(jìn)硝化菌的生長(zhǎng)。

　　各質(zhì)控點(diǎn)三氮濃度變化見(jiàn)圖3。

　　運(yùn)行期間原水的“三氮”（氨氮、亞氮和硝酸鹽）平均總含量為3.41mg/L，穩(wěn)定運(yùn)行后，生物預(yù)處理池出水“三氮”總量為3.21mg/L，砂濾池為3.63mg/L，炭濾池為3.90mg/L。分析其原因是由于預(yù)臭氧、后臭氧將一部分有機(jī)氮氧化，所以砂濾水、炭濾水中的“三氮”總量有所上升，初步分析其上升幅度與水中可降解的有機(jī)氮含量相關(guān)。

　　4.2對(duì)鐵、錳的去除

　　運(yùn)行實(shí)踐表明，生物活性炭進(jìn)水中鐵、錳的存在會(huì)繼續(xù)消耗余臭氧，故對(duì)余臭氧測(cè)定的準(zhǔn)確性有影響；另外，三價(jià)鐵、四價(jià)錳沉淀的細(xì)小顆粒有穿透活性炭濾池的可能，故對(duì)鐵、錳的去除最好在后臭氧接觸前完成。

　　生物預(yù)處理池對(duì)鐵、錳有一定的去除能力，但由于排泥困難，彈性填料表面積泥嚴(yán)重而影響其去除效果。

　　在中性或弱堿性條件下，投加在反應(yīng)池中的高錳酸鉀對(duì)低價(jià)鐵、錳有較強(qiáng)的氧化作用，能顯著提高砂濾池去除鐵、錳的效率，由于生成的四價(jià)錳顆粒的助凝作用，相應(yīng)地提高了對(duì)濁度的去除率。當(dāng)原水pH值在7.5左右，總鐵含量為4.12mg/L、錳含量為0.42mg/L時(shí)，投加1mg/L的高錳酸鉀，砂濾池出水的鐵、錳含量已低于檢測(cè)限。運(yùn)行至今砂濾工序以后的水樣中均已測(cè)不到鐵、錳的存在。

　　4.3對(duì)CODMn的去除

　　由于石臼漾水廠生物接觸氧化池本身的缺陷，預(yù)處理池對(duì)CODMn基本沒(méi)有去除。

　　強(qiáng)化常規(guī)處理工藝對(duì)CODMn有較高的去除率，且去除率隨著水溫的升高而升高，進(jìn)水CODMn值的變化對(duì)去除率無(wú)明顯影響，運(yùn)行期間強(qiáng)化常規(guī)處理工藝對(duì)CODMn的去除率保持在27-57%，平均為42%。

　　在臭氧投加量為2-3mg/L時(shí)，臭氧接觸能氧化3-20%的CODMn；同時(shí)降解大分子有機(jī)物，使大分子有機(jī)物的生物可同化性增加，從而能被活性炭生物濾池有效去除。

　　活性炭濾池運(yùn)行初期10天內(nèi)，對(duì)CODMn的去除率達(dá)60%以上，最高達(dá)75.2%，隨后穩(wěn)定在50%左右；40天后去除率下降，在23-42%之間，因此可認(rèn)為物理吸附飽和期為40天。在掛膜成熟、且DO充足穩(wěn)定的前提下，水溫上升有利于異氧菌活性的增加，提高去除效果，但受進(jìn)水CODMn值的影響，具體是：水溫>10℃、進(jìn)水CODMn在2.6-3.1mg/L時(shí)，去除率在33-47%；但當(dāng)進(jìn)水CODMn>3.1mg/L時(shí)，去除率在25-31%。各工藝單元對(duì)CODMn的去除率見(jiàn)圖4.整套組合工藝對(duì)CODMn的去除效果：當(dāng)原水CODMn<7mg/L時(shí)，出廠水CODMn<2mg/L；當(dāng)原水CODMn在7-9mg/L時(shí)，出廠水CODMn在2.5mg/L左右。

　　4.4對(duì)TOC的去除效果

　　監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，強(qiáng)化常規(guī)處理能去除19-50%的TOC，平均去除率為39%；炭濾池在運(yùn)行初期對(duì)TOC的去除率高達(dá)75%以上，以后降至20-50%，平均去除率為41%，在原水有機(jī)物組成、炭濾池生物作用相對(duì)穩(wěn)定的情況下，炭濾池對(duì)TOC的去除率受進(jìn)水TOC值、水溫的影響較大。臭氧接觸氧化可去除4%左右的TOC.以上結(jié)果與原水分子量分布的試驗(yàn)結(jié)果有相關(guān)性。原水、砂濾水和出廠水的TOC值走勢(shì)見(jiàn)圖5.在原水TOC<9mg/L時(shí)，出廠水TOC<4mg/L，平均為2.3mg/L；在原水TOC>10mg/L時(shí)，出廠水TOC在4.4mg/L左右。

　　4.5對(duì)UV254的去除強(qiáng)化常規(guī)、臭氧氧化和生物炭濾去除UV254的效果比較見(jiàn)圖6.由圖看出，強(qiáng)化常規(guī)處理工藝對(duì)UV254的去除率最高，平均達(dá)57%，遠(yuǎn)高于對(duì)TOC的去除率，說(shuō)明原水中在254nm有吸收的不飽和雙鍵物質(zhì)多為大分子結(jié)構(gòu)，易被常規(guī)處理去除；臭氧對(duì)剩余的UV254平均有33%的去除率。炭濾池在運(yùn)行初期，因物理吸附作用而對(duì)UV254有較高的去除率（>40%），后逐漸穩(wěn)定在13%-42%，平均去除率為28%，炭濾池對(duì)UV254的去除能力在0.1-0.3cm-1之間。

　　4.6對(duì)色度、臭和味的去除

　　運(yùn)行期間原水的色度在15-32度，強(qiáng)化常規(guī)工藝處理后出水色度能降至7-11度，鐵、錳完全去除后，后臭氧出水色度能再降低2-4度，經(jīng)炭濾，出水色度全部在5度以下，甚至接近0度。處理前原水呈2-3級(jí)泥土味，強(qiáng)化常規(guī)工藝處理出水能將其降低至1級(jí)，嗅覺(jué)敏感者仍感覺(jué)到有泥土霉味，但經(jīng)炭濾后能完全消除至0級(jí)。

　　4.7其它指標(biāo)的改善

　　強(qiáng)化常規(guī)處理對(duì)濁度的去除效果優(yōu)異，當(dāng)原水濁度在27-164NTU，沉淀水濁度控制在2.5NTU左右時(shí)，砂濾池出水濁度均能<0.5NTU，經(jīng)炭濾，出廠水濁度<0.3NTU。

　　由于臭氧的消毒效果優(yōu)于液氯，臭氧-活性炭濾池出水的細(xì)菌總數(shù)<10個(gè)/ml，大腸菌群未檢出，故清水池加氯及出廠補(bǔ)氯總量由改造前的4.5公斤/千噸水降至目前的1.3公斤/千噸水；另活性炭濾池去除了大部分鹵代烴的前體物，二者的共同作用使出廠水中的消毒副產(chǎn)物鹵代烴的含量大幅減少，接近檢測(cè)限。

　　送上海復(fù)旦大學(xué)公共環(huán)境衛(wèi)生學(xué)院進(jìn)行了多次的Ames試驗(yàn)，結(jié)果表明，被測(cè)水樣量同取2.0L時(shí)，原水的回變菌落數(shù)達(dá)陰性對(duì)照的三倍以上，為較強(qiáng)致突變陽(yáng)性；強(qiáng)化常規(guī)處理水的回變菌落數(shù)達(dá)陰性對(duì)照的二倍以上，為致突變陽(yáng)性；深度處理出廠水的回變菌落數(shù)小于陰性對(duì)照的二倍，為致突變陰性。

　　改造后的出廠水pH值在7.2-7.4范圍內(nèi)，游離余氯控制在0.4mg/L左右，氨氮、鐵、錳接近或低于檢測(cè)限，有機(jī)物含量低，故出廠水在管網(wǎng)中的化學(xué)、生物穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。對(duì)管網(wǎng)水的日常監(jiān)測(cè)表明，管網(wǎng)水色度<5度，NH3-N<0.5mg/L，CODMn<3mg/L，以《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》為評(píng)價(jià)依據(jù)，運(yùn)行半年來(lái)管網(wǎng)水的34項(xiàng)綜合合格率為100%。

　　5技改成本構(gòu)成

　　5.1工程造價(jià)

　　在原有生物接觸氧化預(yù)處理-常規(guī)處理工藝上，增加了臭氧-活性炭處理工藝，包括土建、材料及安裝、設(shè)備購(gòu)置、工器具購(gòu)置和其他費(fèi)用在內(nèi)總投資7000萬(wàn)元，按平均14年折舊期限、年供水量5000×104m3計(jì)算，出廠水增加成本0.10元/m³。

　　5.2直接運(yùn)行成本

　　臭氧-活性炭工藝直接運(yùn)行成本包括運(yùn)行電耗、氧耗、人工及設(shè)備維修等費(fèi)用，共約增加0.17元/m³水。

　　6結(jié)論

　　運(yùn)行半年以來(lái)，石臼漾水廠在水源水質(zhì)為Ⅳ-Ⅴ類的情況下，通過(guò)生物接觸氧化預(yù)處理-強(qiáng)化常規(guī)處理-臭氧生物活性炭組合凈水工藝，出廠水水質(zhì)達(dá)到衛(wèi)生部2001版《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》的要求，感官指標(biāo)和有機(jī)物指標(biāo)得到根本性的改善，整個(gè)工藝技術(shù)改造取得了預(yù)期的效果。運(yùn)行中得出如下結(jié)論：

　　（1）生物接觸氧化預(yù)處理工藝能有效去除原水中的氨氮和亞硝酸鹽氮，去除率分別為40-80%和50-90%，對(duì)鐵、錳、CODMn也有一定的去除效果；在原水水質(zhì)較差時(shí)，可減輕后續(xù)工序去除氨氮、亞硝酸鹽氮和CODMn的壓力；但其工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化，以增強(qiáng)抗擊原水突發(fā)性污染的能力；

　?。?）強(qiáng)化常規(guī)處理是去除濁度、鐵、錳的最主要環(huán)節(jié)，且大部分的CODMn、TOC、UV254值在強(qiáng)化常規(guī)處理階段得以有效去除，因此優(yōu)化強(qiáng)化常規(guī)處理工藝是提高出水水質(zhì)的前提和重要手段；

　?。?）臭氧-生物活性炭深度處理工藝針對(duì)嘉興水源水質(zhì)的特點(diǎn)，在去除色度、臭和味等感官指標(biāo)和有機(jī)物指標(biāo)、改善Ames試驗(yàn)結(jié)果、進(jìn)一步提升出水水質(zhì)方面有較強(qiáng)的針對(duì)性，因此深度處理工藝是保證出水水質(zhì)達(dá)到衛(wèi)生部規(guī)范的有效途徑。