凈水工藝的合理選擇
論文類型 | 技術(shù)與工程 | 發(fā)表日期 | 2001-11-01 |
來源 | 2001年中日水處理技術(shù)國際交流會(huì) | ||
作者 | 陸坤明,張金松 | ||
關(guān)鍵詞 | 水源微污染 常規(guī)工藝強(qiáng)化 預(yù)處理 深度處理 臭氧化生物活性炭 | ||
摘要 | 本文針對深圳水庫水源的微污染水質(zhì)特性,根據(jù)深圳市自來水(集團(tuán))有限公司2010年水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo),在總結(jié)常規(guī)處理工藝凈化受污染原水的局限的基礎(chǔ)上,綜合比較了常規(guī)工藝強(qiáng)化、預(yù)處理和深度處理對深圳特定原水的適用性,通過包含這些流程的工藝技術(shù)集成中試,最終確定常規(guī)處理+臭氧化生物活性炭深度凈化,是在深圳原水條件下凈水工藝的合理選擇,是實(shí)現(xiàn)深圳城市供水水質(zhì)與國際接軌的可靠保證。 |
陸坤明 張金松
(深圳市自來水(集團(tuán))有限公司,深圳518031)
摘 要;本文針對深圳水庫水源的微污染水質(zhì)特性,根據(jù)深圳市自來水(集團(tuán))有限公司2010年水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo),在總結(jié)常規(guī)處理工藝凈化受污染原水的局限的基礎(chǔ)上,綜合比較了常規(guī)工藝強(qiáng)化、預(yù)處理和深度處理對深圳特定原水的適用性,通過包含這些流程的工藝技術(shù)集成中試,最終確定常規(guī)處理+臭氧化生物活性炭深度凈化,是在深圳原水條件下凈水工藝的合理選擇,是實(shí)現(xiàn)深圳城市供水水質(zhì)與國際接軌的可靠保證。
關(guān)鍵詞:水源微污染:常規(guī)工藝強(qiáng)化;預(yù)處理:深度處理:臭氧化生物活性炭
Practical Determination of Water Treatment Process Alternatives
LU Kun-ming, ZHANG Jin-song
(Shenzhen Water Supply (Group) Co. Ltd., Shenzhen 518031, China)
Abstract: On base of understanding of the polluted source water quality characteristics from ShenzhenReservoir, the defects of conventional treatment process were discassed according to the water quality goals in Shenzhen Water Supply Group' s 2010 Planning. A comprehensive comparison was made between conventional treatment enhancement, pre treatment and advanced treatment for their applicability to speci fic raw water in Shenzhen The resul ts from tile pilot-scale experiment comprising of these processes showed that advanced purification by ozone/BAC after conventional treatment was the practical alternative under the raw water in Shenzhen, which could guarantee thc supplied water quality attaining to the quality standard in those developed countries.
Keywords: source water polluted; conventional treatment enhancement; pre-treatment: advanced treatment;ozone/BAC
深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)成立二十年來,社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)飛速發(fā)展,人口急劇增加,已由一個(gè)邊陲自然小鎮(zhèn)建設(shè)成為初具規(guī)模的現(xiàn)代化城市。深圳市自來水(集團(tuán))公司現(xiàn)有五座水廠,總供水能力為167萬m3/日,比特區(qū)初期增長334倍[1],2000年最高日供水量達(dá)138萬m3,滿足了城市經(jīng)濟(jì)和居民生活的需要。
由東江補(bǔ)給的深圳水庫是深圳特區(qū)的主要水源。在八十年代初中期,深圳水庫水質(zhì)穩(wěn)定良好,濁度低,不受污染。當(dāng)時(shí)中國的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)正值提高發(fā)展階段,由七十年代中的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)23項(xiàng)提高到八十年代中的35項(xiàng)。深圳特區(qū)初期水廠建設(shè)均采用了微絮凝直接過濾工藝,滿足了當(dāng)時(shí)的水質(zhì)要求和城市發(fā)展的需求。九十年代初期,中國特別是廣東珠江三角洲經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市化進(jìn)程加快,水環(huán)境日趨污染,供香港和深圳原水的深圳水庫水質(zhì)污染日益加重,低濁、高藻富營養(yǎng)化和有機(jī)污染,已成為深圳水庫的特征。九十年代開始,深圳特區(qū)水廠改造和新建,采用了混凝沉淀、過濾和消毒的常規(guī)工藝,在改進(jìn)技術(shù)和嚴(yán)格管理之下,自來水水質(zhì)不僅完全達(dá)到中國飲用水標(biāo)準(zhǔn),而且達(dá)到了建設(shè)部對一類水司88項(xiàng)水質(zhì)的要求。
進(jìn)入新世紀(jì),深圳特區(qū)將在“十五”期間率先建成現(xiàn)代化示范市,人均GDP將由目前4300美元提高到2005年7600美元,深圳將建成現(xiàn)代化國際城市。城市自來水水質(zhì)將按國際城市水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo),將大力改善和提高目前水質(zhì)。
1 深圳水源水質(zhì)和凈水工藝現(xiàn)狀
1.1 水源水質(zhì)
然而,具有微污染水源特征的原水是我們進(jìn)一步提高水質(zhì)的嚴(yán)重障礙,也對常規(guī)凈水工藝構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
以深圳水庫為主的深圳供水水源中,于90年代中期,由GC/Ms檢測出有機(jī)物總數(shù)達(dá)20-30種,其中鄰苯二甲酸二異辛脂、二十一烷、十二烷、1—氯基十八烷、萘、磷酸三丁脂等等為有毒有害物質(zhì)[2]。分析表明,污染仍在發(fā)展。根據(jù)公司化驗(yàn)中心的最新檢驗(yàn)結(jié)果,有機(jī)物的總數(shù)已達(dá)80余種, 其中對二氯苯等有毒有害物質(zhì)的數(shù)量也明顯增多。1996年至1999年連續(xù)4年對深圳、鐵崗和西麗水庫藻類定性檢測,發(fā)現(xiàn)藻類有5—7個(gè)門,共計(jì)90個(gè)屬,162—206個(gè)種;深圳水庫中藻細(xì)胞密度常年維持在106-107個(gè)/升,最高達(dá)109個(gè)/升,并發(fā)現(xiàn)微囊藻、魚腥藻和顫藻等有毒藻種。通過酶聯(lián)免疫法和高壓液相色譜法的檢測,均檢出藻毒素,其中微囊藻毒素在10-2~10-1μg/L范圍內(nèi)。
為改善水源水質(zhì),粵港供水公司(原東深供水局)在深圳水庫入庫端興建了原水生物硝化工程,1999年工程投產(chǎn)使用。1999年原水水質(zhì)與1998、1997年進(jìn)行對比(見表1)、總磷、BOD5、凱氏氮等指標(biāo)都有所降低,尤其氨氮指標(biāo)降低接近70%。但是,盡管原水水質(zhì)有所改善,而許多指標(biāo)值仍處于較高水平,如總磷1999年全年平均為0.068mg/L,較地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—88)Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)值0.025mg/L高出很多;氨氮也高出近50%;藻類不但沒有下降、反而上升:氨氮下降的同時(shí)帶來亞硝酸鹽氮的急劇上升,升幅超過200%。2000年東深供水系統(tǒng)上游來水水質(zhì)繼續(xù)下降,進(jìn)入東深生物硝化工程的原水氨氮最高達(dá)5.53mg/L,平均為4.75mg/L。進(jìn)入深圳水庫氨氮最高達(dá)4.34mg/L,平均為0.55mg/L??傊钲谒畮焖越?jīng)常出現(xiàn)臭和味、氨氮、亞硝酸鹽氮偏高,藻類含量處于較高水平,Ames試驗(yàn)呈陽性,水質(zhì)具有生物不穩(wěn)定性。
1.2 現(xiàn)有常規(guī)凈水工藝的局限
深水集團(tuán)五座水廠的常規(guī)工藝面臨上述水源水質(zhì),制水生產(chǎn)遇到難以克服的困難,常規(guī)工藝的不足主要表現(xiàn)在以下幾方面:
●氨氮、亞硝酸鹽氮的去除率低。凈水工藝過程和供水系統(tǒng)中,氨氮硝化過程復(fù)雜;硝化不徹底,原水氨氮在水廠和供水系統(tǒng)中的硝化反應(yīng)和轉(zhuǎn)化過程難以形成最終產(chǎn)物硝酸鹽,使得供水水體中氫氮、亞硝酸鹽氮含量時(shí)有偏高。例如,2000年元月氨氮最高值達(dá)到4.3mg/L,2000年3月亞硝酸鹽氮最高值達(dá)到2.81ug/L。
● 色、嗅、味偶有異常。春夏之季,由于氣候急變和水源變更等原因,原水中微生物和藻類繁殖,水體溶解氧波動(dòng),因常規(guī)凈水工藝除藻、除溶解性有機(jī)物能力有限,致使供水水質(zhì)偶有異昧,口感欠佳。
● Ames試驗(yàn)呈陽性。1996年公司即開展對水的Ames試驗(yàn)研究,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),原水Ames試驗(yàn)呈陽性多。受污染的深圳水庫原水,通過“預(yù)氯化一傳統(tǒng)處理”工藝,不但不能有效降低水的致突變活性,反而由于氯化工藝產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物,使其致突變活性增強(qiáng),使水廠出廠水的Ames試驗(yàn)呈陽性。
● 88項(xiàng)水質(zhì)檢測結(jié)果表明,盡管(出廠水)符合合格率要求,但氨氮、個(gè)別農(nóng)藥、礦物油等在原水含量偏高時(shí),出廠水將超標(biāo),應(yīng)該看到水質(zhì)具有潛在的不安全因素。
● 常規(guī)干藝后的出廠‘水中生物可同化有機(jī)炭(AOC)含量高,具有生物不穩(wěn)定性。
2 水質(zhì)目標(biāo)和凈水工藝選擇
2.1 新的水質(zhì)目標(biāo)
根據(jù)建設(shè)部《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》要求,參照《美國飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》及《世界衛(wèi)生組織飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》依據(jù)深圳特區(qū)社會(huì)發(fā)展和城市建設(shè)的需要,制訂了深水集團(tuán)企業(yè)供水水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo):到2010年實(shí)現(xiàn)深圳城市供水水質(zhì)與國際接軌,各項(xiàng)水質(zhì)達(dá)到世界發(fā)達(dá)國家的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),提出了以提高凈水工藝為主的改善和提高水質(zhì)的策略,將使自來水達(dá)到直接飲用。
對水質(zhì)的基本要求是:
1)不得含有病原微生物,嚴(yán)格控制微生物,確保應(yīng)用水的衛(wèi)生和安全性;
2)水中有毒有害物嚴(yán)格控制其閾值,不得對人體健康產(chǎn)生危害;
3)水的感官性狀良好。
為達(dá)到以上要求,至2010年前供水水質(zhì)檢測各類物質(zhì)共100項(xiàng)[3],其中比較關(guān)鍵的指標(biāo)見表2:除上述項(xiàng)目外,對評價(jià)水質(zhì)具有參考意義的項(xiàng)目,如Ames試驗(yàn)、254nm紫外吸收、DOC、AOC、BDOC等也列為定期檢測項(xiàng)目。
2.2 凈水工藝的選擇
● 原水預(yù)處理與常規(guī)工藝強(qiáng)化
為進(jìn)一步改善飲用水水質(zhì),各種飲用水處理技術(shù)得到日益廣泛的研究和應(yīng)用。國內(nèi)外處理微污染水源水的方法一般采用:常規(guī)工藝強(qiáng)化、預(yù)處理、深度處理等幾大類。
常規(guī)工藝強(qiáng)化即通過凈水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式改造、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整及混凝劑、助凝劑等的優(yōu)化等措施強(qiáng)化常規(guī)掙水處理微污染原水的能力。美國“強(qiáng)化混凝”的作法是,通過降低原水pH值和增大混凝劑投量方式,提高混凝除濁除有機(jī)物能力[4],但該方法有其弱點(diǎn)[5]:1、對溶解性有機(jī)物、CODMn去除能力提高有限,對氨氮、礦物油等的去除沒有促進(jìn)作用;2、降低原水pH值,造成出廠水pH值過低,需要投加堿性調(diào)節(jié)劑保證供水管道不受腐蝕;3、更重要的是,針對美國的原水特性提出的降低反應(yīng)體系pH值和增大混凝劑投量的方式,并不一定對所有原水水質(zhì)都奏效??梢?,常規(guī)工藝強(qiáng)化處理微污染原水改善效果有限,不是徹底解決常規(guī)掙水工藝處理微污染原水面臨問題的最終途徑。
濁度
嗅和味
CODMn
氯仿
總?cè)u甲烷
溴酸鹽
農(nóng)藥(總)
總磷
藻毒素
細(xì)菌總數(shù)(℃)
總大腸桿菌群
賈第氏蟲
隱孢子蟲
病原(腸道致病性病毒) 10度
<0.5NTU
不得有異臭、異味
3mg/L
50μg/L
80μg/L
25μg/L
5μg/L
0.025μg/L
1μg/L
50CFU/mL
0 CFU/33mL
不得檢出
不得檢出
不得檢出
原水預(yù)處理主要有生物預(yù)處理、高錳酸鉀預(yù)氧化、粉末活性炭吸附、微濾機(jī)除藻等技術(shù)。生物預(yù)處理主要解決原水過高氨氮,可減輕后續(xù)常規(guī)凈水工藝有機(jī)物負(fù)荷,使出水Ames試驗(yàn)陽性減弱[5],但也存在構(gòu)筑物占地太大、亞硝酸鹽升高等問題;對于粉末活性炭吸附、高錳酸鉀預(yù)氧化雖能減輕常規(guī)工藝凈水的有機(jī)物負(fù)荷、改善混凝效果,但各地的研究結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,這些措施并不能從根本上保證常規(guī)凈水處理微污染原水水質(zhì)有徹底的改善,而新興微濾機(jī)除藻技術(shù)亦僅減輕原水的藻含量,對去除大量溶解性有機(jī)物無能為力[6]。
● 深度處理
針對微污染原水,目前的趨勢是在常規(guī)工藝強(qiáng)化基礎(chǔ)上,增加深度處理,從根本上提高凈水水質(zhì)。目前國際上進(jìn)行飲用水深度處理的形式常見的有:顆?;钚蕴课健⒊粞跻簧锘钚蕴?O3--BAC)、膜過濾、活性炭-硅藻土過濾、深度氧化技術(shù)(AOP)等等。其中,活性炭-硅藻土過濾、深度氧化技術(shù)如O3/UV、O3/H2O2、H2O2/uv等僅處于試驗(yàn)階段[7]。應(yīng)用較為普遍的為顆?;钚蕴课?、臭氧-生物活性炭技術(shù),膜過濾法處理飲用水也漸興起。 膜過濾按膜孔眼大小分為微濾、超濾、納濾、反滲透四種類型,其最大優(yōu)點(diǎn)是處理的水質(zhì)不再依據(jù)原水水質(zhì),而是依據(jù)選用截面膜微孔的尺寸。目前國內(nèi)尚無利用膜技術(shù)制備飲用水的城市水廠,國外則已有上百座,最大規(guī)模達(dá)34萬噸/日[8]。然而,膜污染是膜應(yīng)用中的主要制約因素,它既能引起膜通量下降,也能影響處理效果。由于膜污染是一個(gè)物理、化學(xué)、生物因素交互作用的復(fù)雜過程,極難控制[9]。此外,膜與污染物本身的相互作用、膜劉特定化合物的去除,以及膜殘留物的毒性還有待進(jìn)一步研究9。這些使我們不得不對采用膜處理技術(shù)持謹(jǐn)慎態(tài)度。
活性炭與臭氧接觸氧化相結(jié)合的方式,即“預(yù)O3+常規(guī)工藝+O3——BAC(生物活性炭)”工藝,不僅可以利用臭氧預(yù)先氧化有機(jī)污染物,促進(jìn)絮凝反應(yīng)和活性炭吸附,而且利用活性炭上微生物降解有機(jī)物,大大降低了殘余有機(jī)物,減少了消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生的機(jī)率。通過主臭氧,將經(jīng)混凝沉淀、砂濾后仍存在于水中的部分有機(jī)物氧化,生成可被微生物吸收利用的物質(zhì),并且臭氧生成氧氣增加水中溶解氧,促進(jìn)了活性炭上的微生物生物活性,加快了對有機(jī)物的吸收分解速率。國外目前使用該方法進(jìn)行飲用水深度處理較為普遍,國內(nèi)也進(jìn)行了較多研究,是理論和經(jīng)驗(yàn)都較成熟、較為適宜的深度處理工藝形式[11]。
3 凈水工藝選擇的依據(jù)
原水通過整套水處理過程,達(dá)到按2.1擬訂的水質(zhì)目標(biāo),這是凈水工藝的根本目的。為尋求合理經(jīng)濟(jì)和有效的凈水工藝,多年來做了很多具有創(chuàng)新和探索的工作。
3.1 以水質(zhì)檢測為主的試驗(yàn)研究
a.藻類和微囊藻毒素的檢測和研究;
b.Ames試驗(yàn)研究;
c.通過GC/MS測定和超濾膜水質(zhì)分子量劃分,對水質(zhì)初步從宏觀(綜合性指標(biāo))認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)向微觀認(rèn)識(shí);
d.對隱性孢子蟲(Cryptosporidiun)和賈第氏蟲(Giardia)的檢測試驗(yàn)。
3.2 以工藝為主的技術(shù)試驗(yàn)研究
a.受污染水庫水凈水技術(shù)工藝集成技術(shù)研究;
b.生物活性炭濾池的工藝特征試驗(yàn)研究
上述一系列的檢測和試驗(yàn)研究,前后共花費(fèi)5年時(shí)間,積累和綜合了大量基礎(chǔ)資料,主要結(jié)果結(jié)論:
(1)原水呈現(xiàn)富營養(yǎng)化,常年多藻,偶發(fā)高藻,己檢出到藻毒素存在,主要為微囊藻毒素;
(2)Ames試驗(yàn)呈陽性率高,AOC值偏高,具有生物不穩(wěn)定性;
(3)GC/MC測試和分子量劃分表明,有機(jī)物定性分析有數(shù)量卜升趨勢,品種逐年增多,其中有毒有害的有機(jī)物分子量以500以下小分子為主;
(4)以生物預(yù)處理、常規(guī)工藝和臭氧一活性炭濾池為基礎(chǔ),進(jìn)行8種組合集成的工藝研究。(見圖1)
研究發(fā)現(xiàn),濁度的去除主要是依靠常規(guī)處理工藝:氨氮的硝化需要依靠生物的降解作用;含有GAC(顆?;钚蕴?和BAC濾池的工藝流程對嗅、味和有機(jī)物的去除效果要明顯優(yōu)于其它工藝;含有深度處理、生物預(yù)處理及臭氧預(yù)氧化的工藝對色度去除效果比較令人滿意;常規(guī)處理工藝出水的致突變活性最強(qiáng),含有GAC和O3——BAC濾池工藝出水的致突變活性最低。就八紐集成試驗(yàn)結(jié)果表明,在出水濁度、氨氮、亞硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、TON、錳、色度和藻類等指標(biāo)中,生物預(yù)處理+常規(guī)工藝+O3——BAC組合對-上述水質(zhì)指標(biāo)綜合效果最好,出水沒有超標(biāo)項(xiàng)目[12]。
根據(jù)以上研究成果,對于具備一定經(jīng)濟(jì)承受能力的深圳,而且,在深圳水庫進(jìn)庫原水已有400萬m3/日生物預(yù)處理工程的條件下為實(shí)現(xiàn)2010年的水質(zhì)目標(biāo),大幅度提高供水水質(zhì),"常規(guī)處理十深度處理"下藝是今后水處理技術(shù)的首選工藝。今后各水廠在改擴(kuò)建的同時(shí)要全面增加深度處理工藝,即在現(xiàn)有常規(guī)工藝基礎(chǔ)-亡,增加"預(yù)臭氧化"和"臭氧一生物活性炭",新建水廠則要求常規(guī)處理工藝與深度處理工藝一次到位。
生物活性炭濾池的工藝特征試驗(yàn)研究,探討和分析了炭床高度和空床接觸時(shí)間對生物活性炭濾池凈水效果的關(guān)系,提出了生物活性炭濾池的相關(guān)工藝參數(shù)。在深圳現(xiàn)有水源的條件下,若出水水質(zhì)的COD達(dá)到1mg/L,試驗(yàn)建議生物活性炭池的炭床高度為2.0米,空床接觸時(shí)間不宜低于12分鐘[12]:空床接觸時(shí)間是濾池效果的決定性因素[13]。
凈水技術(shù)已具有100多年的歷史,近20年隨著水質(zhì)檢測能力和技術(shù)的提高,促進(jìn)了凈水技術(shù)的發(fā)展和提高。上述一系列水質(zhì)檢測和試驗(yàn)研究結(jié)果與已有的科研成果和技術(shù)原則基本是一致的,達(dá)到了技術(shù)驗(yàn)證和提供工藝決策的目的。在2.1水質(zhì)目標(biāo)微生物項(xiàng)目中,對病毒、隱性孢子蟲和賈第氏蟲的要求,根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)成果和水廠實(shí)例,唯有采用投加臭氧,在保證一定的CT值之下,才能有效滅活。綜合以卜試驗(yàn)成果和分析,提出達(dá)到2.1水質(zhì)日標(biāo)的凈水工藝如圖2所示。
3由于深圳水庫進(jìn)庫存原水已經(jīng)經(jīng)過生物預(yù)處理(400萬噸/日),而且發(fā)揮了效能,結(jié)合試驗(yàn)研究,通過技術(shù)論證,經(jīng)濟(jì)測算和投入效益分析,深水集團(tuán)在改善和提高自來水水質(zhì)的規(guī)劃和實(shí)施中,將在近年內(nèi)多個(gè)水廠擴(kuò)建和新建中采用臭氧技術(shù)和活性炭過濾工藝。其中60萬m3/日的梅林水廠已完成并審查通過了預(yù)臭氧化和O3+BAC工藝的初步設(shè)計(jì)。其投資概算折合為220元/m3,經(jīng)營成本為0.17元/m3。
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作者簡介:陸坤明(1938—),男,江蘇蘇州人,深圳市自來水(集團(tuán))有限公司副總經(jīng)理、總工程師,高級工程師?,F(xiàn)任中國土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)理事,中國城鎮(zhèn)供水協(xié)會(huì)科技委員會(huì)副主任,深圳市規(guī)劃委員會(huì)委員,主要從事供水工程技術(shù)與科研管理。
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