珠海市G水厂深度处理工艺的比选探讨

2020-09-16黄鹤俊

净水技术 2020年9期

黄鹤俊

(珠海水务环境控股集团有限公司，广东珠海 519000)

珠海市G水厂位于香洲区主城区内，现状总设计供水规模为20万m3/d，分3套水处理工艺流程，分别建成于1982年(2万m3/d)、1987年(6万m3/d)和1993年(12万m3/d)。其中，2万m3/d和6万m3/d规模的流程采用“机械搅拌澄清池+普通快滤池+液氯消毒”工艺，12万m3/d规模的流程采用“折板反应池+斜管沉淀池+普通快滤池+液氯消毒”工艺，厂区现状如图1所示。随着粤港澳大湾区建设和珠海优质供水计划的逐步推进，对标高品质饮用水准标，适时对G水厂提标改造，进一步提升珠海市民饮用水品质已提上日程。

图1 G水厂现状图Fig.1 Current Status of G Waterworks

本文通过对珠海市G水厂历年进出厂水质、运行状况、深度处理工艺特点及其适用性等情况的分析，提出适合现阶段珠海市G水厂提标改造的深度处理工艺路线。

1 原水水质分析

G水厂现有2个主要的取水水源，每年2月—11月是西江丰水期，C泵站从西江磨刀门取水加压送至G水厂。每年12月—次年1月，咸潮上溯，C泵站不具备取水条件，西江上游的P泵站取水加压送至C泵站前池，再由C泵站中转加压至G水厂；或由P泵站旁Z水库出水自流至C泵站前池，再由C泵站中转加压至G水厂。

根据G水厂的原水水质监测记录，原水各项指标总体上稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类水标准。根据国家城市供水水质监测网珠海监测站资料，G水厂原水毒理学指标和放射性指标全部达到《饮用净水水质标准》和《生活饮用水水质卫生规范》的要求，无一超标。表1是G水厂2012年—2019年原水水质的相关监测数据。

表1 G水厂原水水质Tab.1 Raw Water Quality of G Waterworks

2 现有工艺出厂水质分析

2.1 浑浊度

2012年—2017年，G水厂出厂水浑浊度全年基本稳定在0.3 NTU以下，满足集团内控指标，但2018年和2019年无法全年稳定在0.3 NTU以下，且呈逐年上升趋势,如图2所示。分析认为，这与近2年G水厂超负荷生产情况日益严峻的背景有关。

2.2 氨氮

近8年，G水厂出厂水氨氮均稳定低于0.12 mg/L，平均氨氮稳定在0.02 mg/L以下，远低于国标限值，如图3所示。

图3 G水厂2012年—2019年出厂水氨氮浓度Fig.3 Ammonia Nitrogen of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

2.3 CODMn

近8年，G水厂出厂水CODMn浓度均满足稳定低于3 mg/L的国标要求，平均值为1.02 mg/L，如图4和图5所示。其中，20%出水CODMn<1.0 mg/L，92%出水CODMn<1.5 mg/L。

2.4 嗅味物质

土臭素(GSM)和2-甲基异莰醇(2-MIB)是高藻水中引发嗅味问题的主要物质(表2)，由水中藻类及其分泌物造成的饮用水嗅味问题受到用户和业内人士的普遍关注[1]。

图4 G水厂2012年—2019年出厂水CODMn浓度占比Fig.4 CODMn Ratio of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

图5 G水厂2012年—2019年出厂水CODMn浓度Fig.5 CODMn of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

表2 土臭素和2-甲基异莰醇的性质Tab.2 Characteristics of GSM and 2-MIB

自2018年1月起，市水质中心每月对G水厂出厂水GSM和2-MIB进行取样检测，结果如图6～图9所示。GSM指标表现良好，64%低于2 ng/L以下，77%低于5 ng/L以下，100%满足国标附录限值10 ng/L以下。2-MIB指标表现稍逊，58%低于2 ng/L以下，79%低于5 ng/L以下，87%满足国标附录限值10 ng/L以下。其中，2018年6月、7月和2019年4月出现超标值，分别为24.06、15.32、26.29 ng/L。

2.5 消毒副产物

根据市水质中心对过去10年(2007年—2017年)珠海市4座水厂出厂水中11种消毒副产物(2,4,6-三氯酚、二氯甲烷、二氯乙酸、二溴一氯甲烷、一溴二氯甲烷、氯化氰、三卤甲烷(总量)、三氯甲烷、三氯乙醛、三氯乙酸、三溴甲烷)的检测数据，对于珠海原水水质情况，除三氯乙醛在极个别时间里出现超标情况外(液氯消毒时)，液氯和次氯酸钠消毒均能在保证有效消毒的基础上，满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。

图6 G水厂2018年—2019年出厂水GSM浓度占比Fig.6 GSM Ratio of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

图7 G水厂2018年—2019年出厂水2-MIB浓度占比Fig.7 2-MIB Ratio of Finished Water of G Wateworks in 2012-2019

图8 G水厂2018年—2019年出厂水GSM浓度Fig.8 GSM of Finished Water of G Wateworks in 2018-2019

图9 G水厂2018年—2019年出厂水2-MIB浓度Fig.9 2-MIB of Finished Water of G Wateworks in 2018-2019

3 深度处理工艺介绍

深度处理是通过物理、化学、生物等作用去除常规处理工艺不能有效去除的污染物(包括消毒副产物前体物、内分泌干扰物、农药及杀虫剂等有毒有害物质和氨氮等无机物)，保障饮用水水质，提高管网水的生物稳定性。经过多年的发展，我国应对常规工艺无法满足水质标准的情况，通常会采用生物预处理、臭氧生物活性炭或膜技术进行深度处理[2]。

3.1 生物预处理技术

生物预处理工艺一般设置在常规净化水工艺流程之前，主要利用微生物的氧化分解及转化功能，以水中有机物(少数无机物)作为微生物的营养，通过微生物的新陈代谢，对水中的有机污染物、氨氮、亚硝酸盐及铁、锰等无机污染物进行初步去除降解。给水行业的生物预处理技术一般采用生物膜法，主要工艺有弹性填料生物接触池、生物滤池、悬浮填料生物接触氧化池和轻质滤料生物滤池。

研究表明，生物预处理技术是去除微污染水源水中氨氮和有机污染物的一种行之有效的方法。在环境温度适宜的条件下，氨氮去除率可达 80 %以上，对耗氧量、铁、锰和酚等污染指标均有较好的去除效果[3]。

3.2 臭氧-生物活性炭技术

臭氧-生物活性炭技术是集臭氧氧化、活性炭吸附、生物处理效果于一体的饮用水深度处理技术。1961年，德国Dusseldorf的Amstaad水厂的使用，开启了该技术在饮用水领域大规模的研究和应用推广。

我国在该领域的研究和应用较晚，1985年建成了第一座采用该技术的城市自来水厂——北京田村水厂。2000年以后，由于国内大部分水源水污染加剧及卫生部《生活饮用水卫生规范》(GB 5749—2006)的实施，该技术在国内的研究得到广泛开展，在试验基础上相继新建或改建了上海周家渡水厂、常州第二水厂、桐乡果园桥水厂、广州南州水厂、嘉兴石臼漾水厂等，均采用了臭氧-生物活性炭工艺。

3.3 膜技术

膜分离被称为“21世纪的水处理技术”，在饮用水处理领域的应用日益广泛。作为一种新兴的高效分离、浓缩、提纯、净化技术，膜过滤技术原理是采用高分子膜作为介质，以附加能量作为推动力，对双组分或多组分溶液进行表面过滤分离，具有物质不发生相变、分离系数大、在常温下运行、适用范围广、装置简单、操作方便等特点，能够提供稳定可靠的出水水质。

其中，微滤和超滤膜分离技术在市政给水领域的应用已有30余年。自2009年东营南郊水厂10万m3/d规模浸没式超滤膜车间投运以来[4]，以超滤为深度处理工艺的膜法水处理技术在我国市政给水领域陆续得到推广和应用。

4 深度处理工艺比选

4.1 中试试验

4.1.1 试验工艺流程

流程1：絮凝斜管沉淀；流程2：絮凝斜管沉淀→砂滤池→活性炭滤池；流程3：絮凝斜管沉淀→活性炭滤池→砂滤池；流程4：絮凝斜管沉淀→砂滤池→超滤膜。

4.1.2 试验装置运行参数

预臭氧接触池：设计流量为5 m3/h，Φ×H为 0.6 m×2 m，接触时间为5 min，臭氧投加量为1～2 mg/L。絮凝-斜管沉淀池：设计流量为5 m3/h，L×W×H为2.55 m×2.4 m×4.42 m，斜管尺寸Φ×H为0.025 m×1.0 m。采用管道混合器混合，絮凝时间为25 min，沉淀区负荷为5.8 m3/(m2·h)。

砂滤池：石英砂滤料高度为1 m，滤速为8.0 m/h。大砂滤池：设计流量为5 m3/h，L×W×H为1.0 m×0.8 m×3.6 m，过滤区为0.79 m×0.79 m；小砂滤池：设计流量为0.25 m3/h，Φ×H为 0.2 m×3.6 m。

后臭氧接触池：设计流量为2.5 m3/h，Φ×H为 0.6 m×2 m，接触时间为10 min，臭氧投加量为1～3 mg/L。

活性炭滤池：活性炭滤料高度为2 m，滤速为10.0 m/h；规格为8×30目柱状破碎炭，吸附碘值为900 mg/g。大活性炭滤池：设计流量为2.5 m3/h，L×W×H为0.6 m×0.5 m×4.6 m，过滤区为0.5 m×0.5 m；小活性炭滤池：设计流量为0.30 m3/h，Φ×H为 0.2 m×3.6 m。

超滤膜系统：设计产水规模为1 m3/h，浸没式超滤，使用1支中空纤维超滤膜，最大跨膜压差为65 kPa，膜面积为35 m2。每1 h气水反洗1次，每24 h次氯酸钠溶液药反洗1次。平均膜孔径为0.04～0.06 μm，平均运行通量为25～30 L/(m2·h)。

各流程水质如图10～图13所示。

4.1.3 中试结果的分析

由中试结果可知：在原水CODMn质量浓度为1.69 mg/L时，臭氧-生物活性炭工艺能使砂滤出水后的CODMn质量浓度由1.03 mg/L进一步降至0.5 mg/L左右，去除率为52%。后置臭氧-生物活性炭工艺浑浊度无法保证小于0.3 NTU，前置臭氧-生物活性炭工艺可使浑浊度降低至0.16 NTU左右。在原水CODMn质量浓度为1.69 mg/L时，超滤仅能使砂滤出水后的CODMn质量浓度由1.03 mg/L降至0.96 mg/L左右，去除率仅为6.8%；超滤出水浑浊度能保证在0.1 NTU以下，除浊效果优异。

4.2 深度处理工艺特点对比

将臭氧-生物活性炭和超滤2种深度处理工艺进行比选，业内普遍认为，2种工艺的特点如表3所示。

4.3 深度处理工艺的选择

在考虑G水厂用地条件有限和投资合理性的情况下，深度处理工艺只能从臭氧-生物活性炭工艺和超滤工艺之间二选一。通过上述分析可知，G水厂现有工艺历年出水有机物、氨氮等指标均表现良好，原水季节性嗅味物质超标可采用已建成的应急预氧化和粉末活性炭投加系统处理，故选用臭氧-生物活性炭工艺的必要性不大，且引入臭氧和生物活性炭在沿海地区和南方湿热地区将增加出水溴酸盐浓度超标[5-6]和微生物泄露[7-8]的风险，需高度慎重。

图10 各流程出水浑浊度Fig.10 Turbidity of the Treated Water in Each Process

图11 各流程进出水浑浊度平均值对比Fig.11 Comparison of Average Turbidity of Influent and Treated Water in Each Process

图12 各流程出水CODMnFig.12 CODMn of the Treated Water in Each Process

图13 各流程进出水CODMn平均值对比Fig.13 Comparison of Average CODMn of Influent and Treated Water in Each Process

表3 臭氧-生物活性炭与超滤工艺优缺点对比Tab.3 Comparison with O3-BAC and UF Process

出水浑浊度低不但说明感官好，也说明非溶解性物质和微生物等去除的程度好，是最为重要的水质综合性指标之一。超滤工艺可使出水浑浊度100%低于0.1 NTU，甚至可稳定低于0.05 NTU。国内外研究表明，当浑浊度为1.5 NTU时，水中有机物、各种细菌的去除率可达到60%；当浑浊度为0.5 NTU时，去除率达到99%；当浑浊度<0.3 NTU时，去除率达到99.9%；当浑浊度<0.1 NTU时，去除率可达到99.99%，且粒径>2 μm的颗粒数在20以下，即可认为水中有机物和各种细菌绝大多数已被去除[9]。

基于对G水厂进出厂水质和中试结果的分析，为进一步降低出厂水浑浊度、提高出厂水生物稳定性、降低消毒副产物生成量，认为采用超滤技术进行深度处理更加符合现阶段G水厂出厂水质提升之需。