臭氧—深度處理工藝提高飲用水水質(zhì)

8月24日，南京市浦口區(qū)江浦制水廠自來(lái)水深度處理工程順利實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水并網(wǎng)試運(yùn)行，出水水質(zhì)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

江浦制水廠自來(lái)水深度處理工程是重大民生工程，是區(qū)政府為響應(yīng)《省政府辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)城市供水安全保障工作的通知》要求的一項(xiàng)重要舉措。江浦制水廠以臭氧—深度處理工藝提高飲用水水質(zhì)，應(yīng)對(duì)原水污染，成為江北地區(qū)首個(gè)實(shí)現(xiàn)深度處理的制水廠。經(jīng)檢測(cè)，深度處理后的自來(lái)水主要水質(zhì)指標(biāo)已遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求，其中渾濁度穩(wěn)定在0.1ntu以內(nèi)，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的1.0ntu以內(nèi)；氨氮含量穩(wěn)定在0.01mg/l以內(nèi)，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的0.5mg/l以內(nèi)；化學(xué)需氧量（COD）穩(wěn)定在0.3mg/l左右，優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的3mg/l以內(nèi)。

目前，該工程正在進(jìn)一步調(diào)試中，運(yùn)行生產(chǎn)后將進(jìn)一步減少有機(jī)微污染物，實(shí)現(xiàn)供“合格水”向供“優(yōu)質(zhì)水”的轉(zhuǎn)變，有力增強(qiáng)區(qū)域供水安全性。

相關(guān)文章：臭氧-活性炭深度處理工藝的一些改進(jìn)措施及工程應(yīng)用

袁煦 鄭志民  黃天寅 王縱 鄔亦俊 

摘  要： 針對(duì)目前臭氧活性炭深度處理工藝應(yīng)用過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析，提出進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)措施，并在國(guó)內(nèi)水廠取得成功的案例，為臭氧活性炭工藝更加科學(xué)合理運(yùn)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 臭氧活性炭 活性炭濾池 高密度沉淀池 微生物 溴酸鹽

為應(yīng)對(duì)污染日益嚴(yán)重的原水水質(zhì)和貫徹執(zhí)行國(guó)家新版《飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB2006-5749）要求，在傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝無(wú)法滿足出水水質(zhì)的情況下，臭氧活性炭深度處理工藝得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，同時(shí)，國(guó)內(nèi)各大研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究，驗(yàn)證該工藝對(duì)不同原水水質(zhì)的適應(yīng)性，為工藝設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。可以說(shuō)，臭氧活性炭工藝的應(yīng)用對(duì)國(guó)內(nèi)飲用水水質(zhì)的進(jìn)一步提高發(fā)揮著舉足輕重的作用，深受國(guó)內(nèi)供水行業(yè)的青睞。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的生產(chǎn)運(yùn)行，臭氧活性炭深度處理工藝反映出一些值得注意的問(wèn)題，如活性炭濾池微生物泄露和溴酸鹽超標(biāo)等，這些問(wèn)題直接影響到出水水質(zhì)和安全運(yùn)行，必須對(duì)臭氧活性炭工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和適當(dāng)改進(jìn)，使其更加趨于完善。目前一些較好的改進(jìn)措施已在國(guó)內(nèi)部分水廠中得到成功應(yīng)用。

1 防止活性炭濾池微生物泄露的改進(jìn)措施及工程應(yīng)用

由于生物活性炭濾池的氧氣充足，營(yíng)養(yǎng)充分，水溫合適，微生物生存條件好，濾池會(huì)孳生水蚤和紅蟲等水生動(dòng)物，并發(fā)生泄漏，出水中細(xì)菌和水蚤等時(shí)有超標(biāo)，如南方某水廠實(shí)際運(yùn)行中，炭池出水檢測(cè)出劍水蚤等微型動(dòng)物的水質(zhì)問(wèn)題。劍水蚤抗氯性很強(qiáng)，出水生物安全性下降。此外，攝入含有受感染的劍水蚤自來(lái)水，將致病。因此，活性炭濾池設(shè)計(jì)需考慮避免微生物滋生和泄漏的措施。目前有以下幾種可行的改進(jìn)措施：

（1）活性炭濾池置于砂濾池之后

該工藝組合模式為混凝-沉淀-臭氧-活性炭濾池-砂濾池-清水池，其很大特點(diǎn)是活性炭濾池采用上向流方式，活性炭濾層處于流化狀態(tài)，微生物和紅蟲不宜聚積在炭層中生長(zhǎng)，而易被水帶走?；钚蕴繛V池后設(shè)有混合池，可以投加助濾劑或消毒劑，后進(jìn)入砂濾池，將活性炭出水中可能出現(xiàn)的微生物殺死并截留，克服了活性炭濾池泄露微生物殺滅的困難，防止微生物進(jìn)入供水管網(wǎng)，確保出水安全性。

為防止活性炭濾池堵塞，縮短吸附周期，現(xiàn)行室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50013-2006）規(guī)定“炭吸附濾池進(jìn)水濁度應(yīng)小于1NTU”。如果活性炭濾池置于砂濾池之前，就對(duì)沉淀池出水提出很高標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于原水水質(zhì)較差的水廠而言，傳統(tǒng)的平流沉淀池、斜管沉淀池和澄清池都難以滿足沉后水質(zhì)要求。因此，該組合工藝大多采用高密度沉淀池，這也成為該組合工藝未能廣泛使用的限制條件之一。目前國(guó)內(nèi)率先采用該組合工藝的水廠為嘉興南郊水廠，該廠原水為劣V類水，運(yùn)行至今未出現(xiàn)生物泄漏，出水水質(zhì)穩(wěn)定。此外，該工藝組合在日本豬名川水廠和吹田市的泉水廠得到成功應(yīng)用。

嘉興南郊水廠工藝流程詳見圖1。

（2）活性炭濾池下設(shè)砂濾層

目前國(guó)內(nèi)老廠水質(zhì)升級(jí)改造和新水廠建設(shè)中采用很多的工藝組合模式為傳統(tǒng)常規(guī)處理（混凝-沉淀-砂濾池）+深度處理（臭氧-生物活性炭濾池）工藝，此種改進(jìn)措施也是在該工藝組合模式下應(yīng)運(yùn)而生的?；钚蕴繛V池置于砂濾池之后，如不采取截留措施，會(huì)出現(xiàn)微生物泄漏現(xiàn)象，影響水質(zhì)安全。有研究表明，在炭濾池濾料下增設(shè)200～500mm厚砂濾層，并適當(dāng)減少砂濾料粒徑，加上活性炭濾料本身的截留作用，可有效地減少微生物穿透，同時(shí)設(shè)置初濾水排放，減少截留的微生物及有機(jī)物進(jìn)入清水池的機(jī)率。此外，砂濾池出水濁度較低，一般在0.5NTU以下，炭濾池可采用帶長(zhǎng)柄濾頭的氣水反沖洗普通快濾池池型，取消V型槽和表掃功能，簡(jiǎn)化炭池構(gòu)造和投資。

采用該種工藝組合模式的自來(lái)水廠基本采取在炭層下增設(shè)一定厚度的砂濾層的改良型活性炭濾池，以防止微生物泄露和濁度升高。如上海、江蘇、浙江、廣東等地深度處理工程基本都采用這種模式。以上海源江水廠為例，石英砂有效粒徑為0.9mm，K80≤1.40，厚度為50mm。帶長(zhǎng)柄濾頭的氣水反沖洗活性炭濾池構(gòu)造見圖2。

（3）活性炭濾池+超濾膜組合工藝

臭氧活性炭工藝可有效地去除有機(jī)物，改善口感；超濾膜能幾乎將細(xì)菌、病毒、兩蟲、藻類及水生生物全部去除，出水濁度可以到達(dá)0.1NTU。超濾膜設(shè)在活性炭濾池之后可有效去除泄漏的微生物，確保出水水質(zhì)安全。隨著超濾膜價(jià)格降低，該組合工藝必將會(huì)逐步得到應(yīng)用。上海青浦三水廠一期和杭州清泰水廠都采用該組合工藝模式。其中青浦水廠一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模10萬(wàn)m3/d，工藝流程見圖3。

2 控制臭氧化副產(chǎn)物溴酸鹽的措施及工程應(yīng)用

臭氧作為強(qiáng)氧化劑，可以有效去除水中色度、嗅味、三鹵甲烷前驅(qū)物以及農(nóng)藥等微污染物，另外，臭氧氧化可以改變有機(jī)物的分子量分布，提高水中有機(jī)物的可生化性和可吸附性，從而提高生物活性炭的作用效果，但是在臭氧氧化含有溴離子的原水時(shí)會(huì)產(chǎn)生溴酸鹽副產(chǎn)物，溴酸鹽具有致癌和致突變性，已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)定為2B級(jí)（較高致癌可能性）潛在致癌物。新版國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB2006-5749）也增加了溴酸鹽項(xiàng)目，限值為10μg/L。很近幾年，控制溴酸鹽含量已是飲用水行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。在確保臭氧有效氧化有機(jī)物等污染物的同時(shí)，如何采取措施控制溴酸鹽的生成，以保證出水溴酸鹽不超標(biāo)，已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

通常認(rèn)為，臭氧化過(guò)程中溴酸根離子的生成途徑有兩種：一是臭氧分子直接氧化溴酸根離子，一是羥基自由基（•OH）氧化溴離子生成的。除了水中溴離子濃度外，影響溴酸鹽生成的因素主要還有臭氧投加量及投加方式、pH、堿度、溫度、NOM等。有研究表明，水中溴離子濃度增加，臭氧投加量增加，水溫和pH值增加，都有助于溴酸鹽生成，因此，降低臭氧投加量，優(yōu)化臭氧投加方式，降低pH值，加氨，加H2O2等措施都可以減少溴酸鹽的生成量。
 

2.1分析水中溴離子濃度，合理選取臭氧投加量

水中溴離子是生成溴酸鹽的主要原料，其濃度對(duì)溴酸鹽生成量產(chǎn)生直接影響，因此了解水中溴離子濃度是控制溴酸鹽的首要前提，遺憾的是溴離子濃度是非常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目，水廠日常水質(zhì)化驗(yàn)是不檢測(cè)的，一般來(lái)說(shuō)，很難評(píng)價(jià)溴酸鹽生成風(fēng)險(xiǎn)。早期設(shè)計(jì)僅憑工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范設(shè)定臭氧加量，致使設(shè)計(jì)投加量過(guò)大，造成臭氧設(shè)備閑置。如南方某水廠臭氧活性炭工藝上馬較早，對(duì)溴酸鹽的認(rèn)識(shí)不足，未對(duì)原水溴離子濃度和溴酸鹽潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)際運(yùn)行表明,臭氧投加量超過(guò)設(shè)計(jì)投加量50%時(shí)，出水溴酸鹽就會(huì)超過(guò)10μg/L，造成近半數(shù)臭氧設(shè)備閑置。經(jīng)檢測(cè)，原水溴離子濃度已高達(dá)150μg/L，可見，分析原水中溴離子濃度對(duì)控制溴酸鹽生成是必不可少的前提工作。

地表水中溴離子主要來(lái)自礦物質(zhì)溶解、采礦廢水，化雪及海水入侵。調(diào)查顯示，地表水中溴離子濃度一般范圍為14.7μg/L～200μg/L。當(dāng)水中含有一定濃度溴離子時(shí)，采用臭氧活性炭工藝幾乎不可避免地生成溴酸鹽。盧寧等人對(duì)上海長(zhǎng)江原水溴酸鹽風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)，研究表明，在臭氧初始溶解濃度1.6mg/L、25℃、pH 7.3、溴離子濃度100μg/L條件下，長(zhǎng)江原水經(jīng)臭氧化30min后就生成了15.2μg/L，超過(guò)國(guó)家10μg/L限值。這說(shuō)明長(zhǎng)江原水經(jīng)過(guò)臭氧化后存在產(chǎn)生溴酸鹽的風(fēng)險(xiǎn)。

由于原水水質(zhì)不同，水中污染物含量差別較大，采用相同臭氧投加量，氧化含有相同濃度溴離子的原水，溴酸鹽生成量也會(huì)所差別。因此，在上臭氧活性炭工藝前，針對(duì)不同原水，需進(jìn)行小試或中試實(shí)驗(yàn)，合理選取臭氧投加量,以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)運(yùn)行。

2.2優(yōu)化臭氧投加方式，必要時(shí)投加高錳酸鹽

除合理選取臭氧投加量外，臭氧投加方式也是影響溴酸鹽生成量的主要因素。研究表明，通過(guò)增加臭氧投加點(diǎn)數(shù)量，縮短臭氧的平均接觸時(shí)間和降低水中剩余臭氧的平均濃度，從而減少臭氧與溴離子反應(yīng)時(shí)的ct值，可以達(dá)到降低溴酸鹽生成量的目的。李繼等人【6】研究表明以單點(diǎn)投加臭氧生成的溴酸鹽為基準(zhǔn)，采用2個(gè)投加點(diǎn)，可使溴酸鹽生成量減少1/3；采用3個(gè)投加點(diǎn)可使溴酸鹽生成量減少40%，繼續(xù)增加投加點(diǎn)對(duì)溴酸鹽的減少不明顯，很多可以使溴酸鹽生成量降低70%。在實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮工程投資和運(yùn)行效果，一般采用投加點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)居多。除此之外，在水廠整個(gè)工藝流程上，臭氧也可采用兩點(diǎn)投加，一是在混合前投加，即預(yù)臭氧，一是后臭氧（主臭氧）。對(duì)于有機(jī)物污染比較嚴(yán)重，且溴離子濃度較高的原水，建議增設(shè)高錳酸鹽投加設(shè)施，必要采取與預(yù)臭氧復(fù)合氧化的方式，減少溴酸鹽的生成。馬軍等人通過(guò)研究認(rèn)為投加高錳酸鹽可以降低20%左右溴酸鹽生成量。嘉興南郊水廠（見圖1）和連云港第三水廠均采用預(yù)臭氧和后臭氧，并設(shè)有高錳酸鹽投加點(diǎn)，可與預(yù)臭氧復(fù)合氧化，且后臭氧分三段投加，確保出水溴酸鹽濃度小于10μg/L要求。

2.3添加催化氧化劑

有文獻(xiàn)報(bào)道，利用臭氧催化氧化的作用，可提高臭氧的利用效率，有效降低剩余臭氧濃度，減少溴酸鹽的生成。嘉興石臼漾水廠擴(kuò)建工程中就引入該技術(shù)，在臭氧接觸池內(nèi)布置了含催化劑的填料，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行表明，與單一臭氧氧化工藝相比，臭氧催化氧化技術(shù)有效消減了剩余臭氧量，溴酸鹽也大幅減少，出水濃度均在10μg/L以下。濟(jì)南鵲華水廠深度處理工藝也采用了臭氧催化氧化技術(shù)。

2.4其他控制措施

（1）投加氨

溴酸鹽生成機(jī)理可知，溴酸鹽是由臭氧，•OH或兩者共同氧化而生成的，其中間產(chǎn)物為次溴酸鹽（HOBr/OBr-）。由于氨能和HOBr反應(yīng)生成溴氨，消耗掉了可生成BrO3-的HOBr，從而控制溴酸鹽的生成量。因此，加氨可以降低溴酸鹽的生成。有研究表明，在一定條件加氨可以降低40%～50%以上的溴酸鹽生成量。但投加氨，需要增設(shè)加氨設(shè)備，不但增加成本，建筑物需要防爆，管理比較麻煩，因此未能在工程中得到廣泛應(yīng)用。

（2）降低pH值

有研究認(rèn)為，pH從8.0降到6.0可以減少50%的溴酸鹽生成量，但對(duì)一般堿度的地表水，新版《國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了PH范圍為6.5～8.5，所以pH只能降低很少，溴酸鹽控制效果不明顯。通過(guò)降低pH來(lái)控制溴酸鹽生成的方法目前也沒有廣泛推廣，相關(guān)案例鮮少報(bào)道。

（3）加H2O2

相對(duì)來(lái)說(shuō)，加H2O2對(duì)溴酸鹽的控制效果好，賈瑞寶等人通過(guò)對(duì)濟(jì)南某引黃水庫(kù)水研究發(fā)現(xiàn)，在投加H2O2的臭氧化浮濾池工藝過(guò)程中無(wú)溴酸鹽產(chǎn)生。但由于食品級(jí)的H2O2費(fèi)用較高，且具有一定的危險(xiǎn)性，貯存運(yùn)輸較為麻煩，管理相對(duì)繁瑣，致使目前水廠深度處理工藝中是很少采用的。濟(jì)南鵲華水廠只在臭氧前預(yù)留了H2O2投加點(diǎn),為控制溴酸鹽的生成留有余地。

由上述可知，通過(guò)降低pH值、加H2O2，加氨等措施都可以有效地控制溴酸鹽的生成，但都要向水中添加物質(zhì)，不僅增加制水成本，還有可能引起其他的水質(zhì)問(wèn)題和降低臭氧氧化效果，實(shí)際應(yīng)用較少，而合理選擇臭氧投加量和優(yōu)化臭氧投加方式等措施控制溴酸鹽生成是經(jīng)濟(jì)合理、簡(jiǎn)單易行的，目前已在水廠中得以廣泛應(yīng)用。

3 確保中間提升泵房安全運(yùn)行的有效措施及工程應(yīng)用

由于水力高程的限制，在現(xiàn)有常規(guī)處理工藝流程后增加臭氧-活性炭濾池必須設(shè)置中間提升泵房。但在臭氧活性炭工藝設(shè)計(jì)時(shí)，往往忽視提升泵房吸水井容積大小的考慮，如果吸水井容積較小，吸水井內(nèi)水位變幅較大，且頻率較高，造成水泵頻繁開停，加上水泵沒有變頻調(diào)速，大大增加運(yùn)行難度，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)已有許多工程發(fā)生過(guò)此類問(wèn)題，逐步引起相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。目前主要有四種優(yōu)化措施：①增大吸水井容積；②水泵采用變頻調(diào)速或大小泵搭配，且水泵配置需結(jié)合生產(chǎn)系列規(guī)?？紤]；③活性炭濾池不采用砂濾池后水反沖，盡量采用炭濾池后水反沖，或屋頂水箱沖洗，以減少吸水井進(jìn)水水量的變化頻率；④采用橫流量、恒揚(yáng)程的運(yùn)行模式，并在泵房出水井側(cè)設(shè)回流管和回流調(diào)節(jié)閥，通過(guò)吸水井內(nèi)的液位計(jì)來(lái)連續(xù)控制回流閥的開啟度。當(dāng)提升流量大于上游來(lái)水時(shí)，回流管上調(diào)節(jié)閥逐步開大將多余提升水量回流到吸水井內(nèi)，以保證吸水井的液位恒定。當(dāng)上下游水量平衡市，回流閥將關(guān)閉。目前前三個(gè)優(yōu)化措施已在供水行業(yè)內(nèi)得到普遍認(rèn)可，并已逐步推廣，近幾年實(shí)施的大部分深度處理工程都已采用。此外，杭州市南星橋水廠技術(shù)改造及擴(kuò)建一期工程采取第四種優(yōu)化措施，確保提升泵房安全運(yùn)行，效果很好。

4 小結(jié)

在臭氧活性炭廣泛應(yīng)用的過(guò)程中，不斷地出現(xiàn)活性炭微生物泄漏、溴酸鹽超標(biāo)、提升泵房運(yùn)行不穩(wěn)定等突出問(wèn)題，直接影響出水水質(zhì)和安全運(yùn)行。經(jīng)總結(jié)，解決上述問(wèn)題的主要措施有： 

4.1活性炭濾池頂加設(shè)蓋板，并活性炭層下設(shè)有一定厚度的砂濾層或炭濾池設(shè)在砂濾池之前，可有效地防止活性炭濾池微生物泄露問(wèn)題。

4.2分析原水溴離子濃度，合理選取臭氧投加量和投加方式，必要時(shí)投加高錳酸鉀、H2O2和固體催化劑等可有效地控制溴酸鹽生成。

4.3增大提升泵房吸水井容積；水泵采用變頻調(diào)速或大小泵搭配；活性炭濾池盡量采用炭濾池后水反沖，或屋頂水箱沖洗，以減少吸水井進(jìn)水水量的變化頻率；加之采用橫流量、恒揚(yáng)程的運(yùn)行模式等是可以確保提升泵房安全運(yùn)行的。