組合工藝在石臼漾水廠的應(yīng)用
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)見表1,。
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表1石臼漾水廠原水主要水質(zhì)指標(biāo)（2002-2003年）
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：
（1） 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；
（3） 出水色度偏高,，飲用時(shí)有異味,，口感差；
（4） 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,。
表2 原水有機(jī)物分子量分布
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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*,、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。
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圖1 技改后的工藝流程圖
3.2 應(yīng)急措施
為抗原水水質(zhì),、水力較大沖擊帶來的負(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1.0 mg/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1.0-1.5 mg/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2-3 mg/L范圍內(nèi)調(diào)節(jié),?；钚蕴繛V池濾速11.6 m/h,，炭層厚度2.2m，停留時(shí)間為11.3 min,。選用了兩種顆?；钚蕴浚謩e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12.1×104 m3,，最低為6.5×104 m3，平均為9.7×104 m3,。
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)見表3,。
表3組合工藝運(yùn)行期間水質(zhì)數(shù)據(jù)
（2004.1.16-2004.7.3）
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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,。
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2 mg/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)果見圖2。有研究表明，在進(jìn)水DO在12 mg/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0.016-0.684 mg/L時(shí),，砂濾池出水亞硝酸鹽氮在<0.002-0.016 mg/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。
各質(zhì)控點(diǎn)三氮濃度變化見圖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3.21 mg/L,，砂濾池為3.63 mg/L， 炭濾池為3.90 mg/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0.42 mg/L時(shí)，投加1 mg/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的去除率見圖4,。
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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)見圖5
強(qiáng)化常規(guī),、臭氧氧化和生物炭濾去除UV254的效果比較見圖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,。
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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),，嗅覺敏感者仍感覺到有泥土霉味,，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<0.3 NTU。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0.4 mg/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)備購置、工器具購置和其他費(fèi)用在內(nèi)總投資7000萬元,，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，石臼漾水廠在水源水質(zhì)為Ⅳ-Ⅴ類的情況下,，通過生物接觸氧化預(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；
（2） 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；
（3） 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,。
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