北江某自来水厂净水工艺方案比选

姜萍萍 李长安

(1. 广州市花都自来水有限公司, 广州 510800；2. 中交第四航务勘察设计院有限公司, 广州 510220)

广州北部某区现有水厂11间，最大产能约48万m3/d，担负着全区400平方公里、约100万人的供水任务。该区水厂的水源单一，供水安全性较差。因此，该区供水公司经过充分论证，决定采用水质较好的北江水源建设40×104m3/d水厂，协同供水，形成多水源的供水保障体系。

1 饮用水水质标准发展趋势

目前，国际上具有权威性、代表性的饮用水水质标准主要有3部：世界卫生组织(WHO)的《饮用水水质准则》、欧盟(EC) 的《饮用水水质指令》和美国环保局(USEPA)的《国家饮用水水质标准》，它们是我国制订水质标准的主要基础和重要参考。在以上的水质标准的修订过程中，不难发现国际饮用水水质标准有如下的发展趋势：重视消毒剂及其副产物、新兴污染物对人体健康的影响；重视微生物指标；指标的规定趋向全面严格，指标数量大幅增加，指标限值要求也越来越严格。

随着我国工业化、城镇化进程的快速推进和经济社会的快速发展，我国饮用水水源污染形势依然非常严峻，各类新型污染物不断检出，参考国际饮用水标准的发展趋势，对我国现行的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的适应性进行评估，可能会新增一些新兴污染物类和具有高致病性的病毒等微生物；对累积性有毒物质指标也可能进一步严格要求。

2 水源水质现状

北江水源水质除铁、汞、BOD5、CODCr等个别指标超过或偶有超过地表水Ⅱ类，基本达到地表水环境质量标准Ⅱ类。北江水源主要突发污染物包括臭味、挥发酚、多种新兴污染物等有机污染物和重金属、氰化物、酸、硫化物、氟化物等无机污染物，面临最大的污染风险为铊污染。经过2013年—2018年对北江进行的长期水质监测，易超标水质污染物变化规律如图1.1-1.5(图中限值为《地表水环境质量标准》Ⅱ类数值)。

图1.1 BOD5变化趋势

图1.2 CODCr变化趋势

图1.3 铁含量变化趋势

图1.4 石油类含量变化趋势

图1.5 氨氮含量变化趋势

图1.6 总氮含量变化趋势

3 水厂净水工艺方案比选

3.1 净水工艺框架的选择

目前，城市自来水厂常用处理工艺主要有如下3大类：一是以混凝、沉淀、过滤为代表的常规处理工艺；二是以臭氧、生物活性炭、超滤膜为代表的深度处理工艺；三是以生物预处理、预氧化处理技术为代表的预处理工艺。

常规处理工艺用于去浊消毒，是迄今为止国内应用最广泛和成熟的自来水处理工艺，经过多年的运行实践，已被证明可以满足绝大多数水厂的处理要求。尤其是水源水质保持在地表水Ⅱ类以上的水厂。臭氧生物活性炭工艺既有高级氧化能力，又具有吸附和生物降解组合功能，可以作为城市自来水水厂应对各类新兴有机污染物的通用解决之道[1]，而且应对突发污染的作用尤其显著[2]。超滤膜作为一道屏障，能够保证出水浊度几乎不受进水水质的影响，基本稳定在 0.1 NTU 以下；出水微生物安全性高，可截留水体中的细菌、红虫、贾第虫和隐孢子虫等致病微生物，菌藻类组织去除率达100%[3]。预处理工艺目的是先期对于超标较多、指标较高的物质进行减量或改性，便于后续工艺的去除。

北江水源水质较好，基本维持地表水环境质量标准Ⅱ类，在正常情况下，采用常规处理工艺可以满足出水水质达标要求。考虑到进一步提升出水水质、应对北江突发铊等重金属污染以及氨氮浓度上升，增加深度处理和预处理工艺是必要和有利的，随着城市化进程的加快，水质指标的日益严格，人们对供水水质的关注已由安全迈向健康。因此，推荐采用预处理+常规处理+深度处理的组合处理工艺，可根据实际情况，进行分期建设。

3.2 净水工艺比选

针对目前北江水质情况及污染预测情况，混凝+沉淀+砂滤工艺可以满足净水水质要求，考虑到超滤膜的过滤功能能够取代砂滤，而且生物安全性更高，现对2种工艺处理效果进行对比分析，分析本工程中超滤膜取代砂滤池工艺的可行性。

3.2.1 砂滤和超滤对比

(1)工艺处理效果分析

砂滤池是一种工艺成熟、处理效果稳定的传统过滤方式，主要优点：一是对混凝后原水中的微小颗粒产生截流作用进一步降低原水浊度；二是催化氧化载体效果，当水源突发重金属污染时，先投加药剂吸附氧化，再通过混凝沉淀可以去除部分重金属，进入砂滤池后，滤砂表面形成的具有催化活性的滤膜，可起到进一步催化氧化及过滤去除作用；三是砂滤池中的砂滤料比表面积大，可以保存较大的生物量，尤其是在广州地区，平均气温较高，生物活性强，对氨氮有明显的强化去除作用。

超滤主要通过物理作用而非化学作用来去除污染物，是一种绿色的分离技术。主要优点：一是对原水的适应能力较强，出水浊度几乎不受进水水质影响，基本稳定在0.1 NTU以下；二是出水微生物安全性高，可有效去除胶体、悬浮物、细菌、病毒和大分子有机物，尤其是红虫、贾第虫和隐孢子虫等；三是消毒副产物生成量极低，有利于降低致突变性。四是进一步改善管网水质，提升自来水口感。

(2)运行管理情况分析

根据砂滤池和超滤池的工艺特点，将两种滤池的运行管理情况总结如表1。

表1 砂滤与超滤运行管理情况比较

重金属铊是北江流域特有的污染源，还有可能存在于地下裂隙水中。因此，采用北江水源的自来水厂在选取处理工艺时，应充分考虑铊的污染风险。2010年10月18日，广州市南洲水厂和沙湾水厂吸水点末梢水中检测出铊浓度异常。根据广东省人民政府应急管理办公室发布的《广东省处置“10.18”北江流域铊污染事故的经验与启示》文中数据，北江干流12个断面铊浓度不同程度出现超标现象(介于0.0002 mg/L～0.0010 mg/L之间)，国标《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定，集中式生活饮用水源地特定项目铊标准限值为0.0001 mg/L。文中还提到通过改造水厂工艺、有针对性投加药剂、铺设颗粒活性炭改造碳砂滤池等手段，完善水厂净水除铊工艺。

据研究，除铊的原理与除铁锰类似。原水投加高锰酸钾氧化后在砂滤池的滤砂表面形成的具有催化活性的滤膜，其主要成分是高价铁锰混合氧化物，优先吸附Mn2+、Fe2+等并进行催化氧化反应，成为Mn4+、Fe3+的氧化物沉积在滤砂表面使活性膜不断增长，它是使Tl+在数秒钟内快速氧化形成Tl3+的催化剂，而Tl3+的氧化物易于过滤，经过砂滤后原水中Tl+被有效去除。仅在砂滤池的滤砂与投加高锰酸钾结合并加碱维持pH=8左右条件下，方可高效去除原水中的铊污染物。加碱中和有利于一价铊的氧化，该原理如下反应式所示。

砂滤池是去除重金属铊必不可少的处理单元。另外，从北江原水近年来的水质监测数据可见，铁偶有超标现象，虽然在投加药剂吸附氧化，再通过混凝沉淀后，有一定的去除效果，砂滤池表面的具有催化活性的滤膜，进一步催化过滤去除铁离子，确保出厂水铁含量达标。因此，无论后续超滤膜深度处理工艺是否同步建设，本水厂的常规处理工艺都需要包含砂滤池单元。

针对目前北江水质情况及污染预测情况，混凝+沉淀+砂滤工艺可以满足净水水质要求，同时具有应对突发重金属污染风险的能力，但不具备应对以“两虫”为代表的微生物安全风险；混凝+沉淀+超滤工艺可进一步降低出水浊度，消除“两虫”等耐氯微生物，提高出水生物安全稳定性，但是应对突发重金属污染风险能力低。混凝+沉淀+砂滤+超滤工艺兼具砂滤和超滤的优点，提高了处理工艺抵抗各种水质风险的能力，同时砂滤池的存在大大减轻了超滤膜的处理负荷，可降低膜的清洗频率，延长膜的使用寿命，降低膜系统运行成本[4]。

3.2.2 臭氧活性炭和超滤膜对比

臭氧活性炭工艺通过臭氧氧化有机物质、杀死细菌、去除病毒、改善水的口感、气味、色度，对有机物综合指标、致突变性、消毒副产物、生物稳定性、氨氮等指标的去除具有特有的贡献。缺点是可能存在微生物泄露风险。

超滤膜工艺出水超低浊度，有利于管网水质的进一步改善，包括管网余氯的稳定，消毒副产物生成量低，降低致突变性，自来水口感的提升，管网末端用水点细菌总数的控制等。缺点是建设费用较高，膜组件需定期更换，运行费用高。现将两种深度处理工艺运行情况对比分析如下表。

表2 深度处理工艺运行情况对比表

从确保产水水质、提高供水安全性权衡，将臭氧活性炭单元布置在常规工艺的砂滤池之后、超滤膜深度处理工艺之前，既有利于减少臭氧投加量、大幅度降低炭滤池反冲洗频次，提高炭滤池吸附与生化效果，也能消除微型生物泄漏的风险。另外，臭氧活性炭的出水存在泄漏微生物的风险，需要借助超滤膜过滤把关，只能后建或与超滤膜深度处理工艺同步建设。

3.2.3 预氧化处理和生物预处理技术对比

预氧化技术包括预氯化、预臭氧、高锰酸盐预氧化等预氧化技术。预氯化用于除藻和降解有机物；高锰酸钾，用于去除水中臭味、色度、藻、微量有机污染物等效能，提高对水中多种有机污染物和重金属的去除效果。预臭氧技术主要用于消除地下水中的铁、锰金属离子和去除色度、臭味，以及降解水中的高分子有机物，还可用于改善絮凝和水质澄清。

水体中氮的去除，实际上是水中氮的形态的转化过程。生物脱氮过程主要包括氨化、硝化和反硝化三个阶段。氨化过程中，水体中有机氮在微生物作用下转化为氨氮。硝化过程中，氨氮先在亚硝化杆菌的作用下转化为亚硝酸盐氮，然后在硝化杆菌作用下，进一步氧化为硝酸盐氮。反硝化过程中，硝酸盐氮转化为氮气，释放到空气中，水体中氮彻底去除。生物预处理是通过生物作用来去除氨氮和部分有机物。去除源水微污染物,主要是填料或滤料上的生物膜对源水的净化作用,生物膜上的微生物主要是好氧贫营养菌,依靠生物吸附、絮凝、有机物的生物降解以及硝化等共同作用去除污染物。工艺常用池型主要有悬浮填料流化池、曝气生物滤池、漂浮陶粒滤料膨胀床等。上述生物预处理池型在广州地区均有应用[5-7]。公司目前有2间水厂应用生物预处理工艺去除氨氮，日常水质监测数据表明，该工艺流程对氨氮去除效果良好，出厂水氨氮能稳定达标。

考虑到远期北江水源氨氮频繁超标，现有工艺无法实现氨氮达标时需要采用折点加氯去除氨氮，因此有必要增加生物预处理工艺。

综上所述，最终推荐生物预处理/常规处理工艺/臭氧活性炭/超滤膜处理工艺，分期建设情况如图2所示。

图2 花都水厂终期工艺流程图

4 结论

立足于原水水质分析，提供稳定优质自来水，降低管网水质安全，改善自来水口感，普遍实现直饮，与城市供水国际水平接轨的设计角度，满足人民群众对供水由安全走向健康的需求，通过工艺框架选择、传统砂滤与现代超滤进行比较、深度处理与预处理等方面阐述净水工艺的比选，生物预处理/常规处理工艺/臭氧活性炭/超滤膜处理工艺是目前最优选择。