北票市自来水厂净水工艺的比选研究
时间：2023-06-03 17:20:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 莉
(北票市自来水有限公司，辽宁 朝阳 122100)
北票市自来水厂最大产能可以达到8万m3/d，承担着全市近20万人的供水任务，但该水厂水源单一，供水保证率总体不高。因此，经充分论证该供水公司拟选用水质更好的白石水库水源建设水厂，通过引白入北和辽西北供水工程逐步形成多水源供水保障体系。
白石水库水质基本达到Ⅱ类地表水标准，只有CODCr、BOD5、汞、铁等个别指标偶有超过Ⅱ类标准。该水源突发污染物主要有氟化物、氰化物、硫化物、酸、重金属等无机污染物以及新型污染物、挥发酚、臭味等有机污染物。结合2015-2020年水源水质监测资料，白石水库易超标污染物变化趋势如图1所示，限值取Ⅱ类水质标准。
2.1 净水工艺框架
目前，城市自来水厂主要有以过滤、沉淀、混凝土为代表的常规处理工艺，以超滤膜、生物活性炭、混凝为代表的深度处理工艺以及以预氧化处理、生物预处理技术代表的预处理工艺3大类。
自来水常规处理工艺是截至当前我国应用最成熟、最广泛的处理工艺，其主要用于消毒去浊，经多年实践已被证明能够达到大部分水厂的处理要求，特别是水源水质不低于Ⅱ类水的水厂[1]。臭氧生物活性炭工艺具有生物降解与吸附组合功能以及高级氧化能力，逐渐成为城市自来水厂解决新型有机污染物的根本途径，对于突发污染事件的应对效果也比较显著。超膜滤几乎可以保证进水水质不会对出水浊度造成影响，这种保护屏障能够维持NTU处于0.1以下，可以截流水体中的隐孢子虫、贾第虫、红虫和细菌等致病微生物，出水微生物的安全度较高并达到100%的菌藻类去除率[2]。预处理工艺的主要作用是通过改性或减量先期指标较高、超标较多的物质，以便后续的有效去除。
白石水库水质较好，总体上能够维持在Ⅱ类地表水标准，一般情况下利用常规处理工艺就能达到出水水质要求。考虑到氨氮浓度上升、应对白石水库突发污染事件以及进一步提升出水水质等要求，有必要增加预处理和深度处理工艺，随着城市化的快速推进，人们对供水水质和用水指标的要求越来越高。因此，推荐选用深度处理+常规处理+预处理相组合的净水工艺，应结合实际情况分期建设。
2.2 净水工艺比选
根据白石水库水质现状和污染预测结果，采用砂滤+沉淀+混凝工艺能够达到净水水质标准，考虑到超滤膜的生物安全性更高，其过滤功能还可以替代砂滤，故对比分析2种工艺的处理效果，并进一步探讨砂滤池被超滤膜所取代的可行性。
2.2.1 超滤与砂滤比选
1)处理效果对比。砂滤池是一种传统的处理效果稳定、工艺成熟的过滤方式，优点主要包括：①通过截流作用有效减少混凝后原水中的微小颗粒和原水浊度；
②氧化催化载体功能，水源突发污染时可以投加药剂并吸附氧化，通过发挥混凝沉淀作用将部分污染物去除，待流入砂滤池后还可以在滤砂表面形成一层滤膜，从而达到先过滤去除再催化氧化的作用；
③比表面积较大的砂滤料能够保存较多的生物量，特别是气温较低的北方地区，其强化去除氨氮的作用非常明显[3-4]。超滤是一种利用物理作用来去除污染物的绿色分离技术，优点主要有[5-6]：①较强的原水适应性，进水水质几乎不会对出水浊度造成影响，保证NTU总体处于0.1以下；
②较高的出水微生物安全度，能够有效去除大分子有机物、病毒、细菌、悬浮物和胶体等，还具有改善管网水质和自来水口感的优点；
③生成的副产物量较低，可以有效减小突变概率[5-6]。
2)运行管理对比。结合超滤池和砂滤池的工艺特点，对比分析两种工艺的运行管理情况如表1。
表1 运行管理情况对比表
此外，在选取处理工艺时使用白石水库水源的自来水厂还要考虑重金属的污染风险，可通过铺设颗粒活性炭改造炭砂滤池、有针对性投加药剂和改造水厂工艺等手段完善净水处理方案。研究表明，除重金属与除铁锰的原理相似，将高锰酸钾投入原水后，经一系列氧化反应可在砂滤池滤砂表面形成以高价铁锰混合氧化物为主要成分的催化活性滤膜，并优先与Fe2+、Mn2+等发生催化氧化生成Fe3+、Mn4+的氧化物，滤砂表面沉积的氧化物不断提高了膜活性，这也是快速将Tl+氧化成Tl3+的催化剂，即在数秒钟内氧化成易于过滤的Tl3+氧化物，从而达到有效去除原水Tl+的作用[7]。因此，在加碱维持pH=8左右并投加高锰酸钾与砂滤池的滤砂结合条件下，才能有效将原水中的重金属去除，加碱中和的作用主要是提供氧化条件，其反应式如下：
(1)
可见，砂滤池是不可或缺的去除重金属的基本条件。根据近年来白石水库水质监测数据，发现个别时段有铁超标的现象，通过投加药剂吸附氧化和混凝沉淀，虽然可以达到一定去除效果，砂滤池表面的滤膜还可进一步催化过滤，从而确保铁离子的有效去除和出厂水铁含量达标。所以，不管后期是否同步建设超滤膜深度处理工艺，必须将砂滤池单元纳入常规处理工艺。
结合白石水库水质现状和污染预测结果，砂滤+沉淀+混凝工艺能够达到净水水质以及应对突发重金属污染风险的要求，但其应对微生物安全风险的能力不足。超滤+沉淀+混凝工艺可以高效去除以“两虫”为代表的耐氯微生物，实现出水浊度的进一步下降，出水生物安全性虽然得到了明显提升，但应对突发风险能力低。因此，超滤+砂滤+沉淀+混凝工艺兼具超滤和砂滤的优点，对于各种水质风险该处理工艺的抵抗能力明显提升，可大大降低膜的清洗频率和膜系统的运行成本，增大膜的使用年限。
2.2.2 超滤膜与臭氧活性炭比选
臭氧活性炭工艺通过改善水的气味、口感、色度、去除病毒、杀死细菌和臭氧氧化有机质，对氨氮、致突变性、生物稳定性、消毒副产物和有机物综合指标等的去除有独特优势，但也存在微生物可能泄漏的风险[8]。
超滤膜工艺能够进一步改善管网水质，包括控制管网末端用水点细菌总数、提升自来水口感、降低致突变性、消毒副产物生成量以及管网余氯稳定等，保证超低出水浊度。缺点是运行费用和建设费用高，必须定期更换膜组件。臭氧活性炭和超滤膜工艺的运行情况对比，如表2所示。
表2 深度处理工艺对比
从提高供水安全性和确保产水水质的角度上，在超滤膜深度处理工艺之前和常规砂滤池工艺之后布置臭氧活性炭单元，既能消除微型生物泄漏风险和提高炭滤池吸附生化效果，还可以大大减少炭滤池反冲洗频次和臭氧投加量。同时，需要借助超滤膜过滤来控制臭氧活性炭出水的微生物泄漏风险。
2.2.3 生物预处理与预氧化处理比选
预氧化技术主要有高锰酸盐预氧化、预臭氧、预氯化等，其中预氯化适用于有机物的降解和除藻，高锰酸钾适用于去除水中微量有机物、藻类、色度和臭味等，达到去除水中多种重金属和有机污染物的效果；
预臭氧比较适用于水中高分子有机物的降解、臭味与色度的去除、锰、铁等金属离子的消除等，有利于澄清水质和改善絮凝。
实际上，水体中氮的去除就是氮的转化过程，生物脱氮主要有氨化、硝化、反硝化3个过程。其中，氨化就是在微生物作用下降水体中有机氮转变成氨氮，硝化就是在亚硝化和硝化杆菌作用下将氨氮转变成硝酸盐氮的过程，反硝化就是将硝酸盐氮转化成氮气释放到空气中的过程，最终彻底去除水中氮。生物预处理是将水中部分有机物和氨氮利用生物作用来去除。原水微污染物的去除主要是利用滤料或填料上的生物膜来净化原水，利用贫营养好氧菌等微生物的硝化、降解、絮凝、吸附等作用去除污染物，常用的工艺池型有漂浮陶粒滤料膨胀床、曝气生物滤池和悬浮填料流化池等。根据白石水库水源氨氮超标的实际情况，利用当前工艺难以保证氨氮达标时有必要考虑折点加氯的方式，通过生物预处理工艺达到氨氮的有效去除[9-11]。
综上分析，最终推荐选用超滤膜+臭氧活性炭+常规处理+生物预处理工艺，并结合实际情况分期建设。
文章立足于与国际水平接轨、普遍实现直饮、改善自来水口感、保证管网水质安全以及提供稳定优质自来水的需求，通过比选预处理与深度处理、比较现代超滤与传统砂滤、选择工艺框架等净水工艺，最终提出超滤膜+臭氧活性炭+常规处理+生物预处理工艺。
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