臭氧生物活性炭深度处理工艺在泉州金鸡水厂的应用研究

陈春玲

（泉州市市政工程中心，福建 泉州 362300）

引言

很多城市的水源在发展建设期间遭受了不同程度的污染，为保障城市供水的安全性，供水厂需借助特定工艺技术对水源进行净化处理，使供水水质可满足标准要求，提升饮用水品质。而在处理净化水源的过程中，臭氧生物活性炭深度处理工艺脱颖而出，被各大供水厂所关注。泉州金鸡水厂建成后，承担起泉州中心市区主要供水职责，为提升饮用水品质而设计采用了臭氧生物活性炭深度处理工艺，以先进技术为支撑，使其水质各参数均大幅超过标准要求。

1 金鸡水厂概况及现状

为增强臭氧生物活性炭深度处理工艺应用研究的针对性，本次研究选取泉州金鸡水厂为研究对象展开分析。泉州金鸡水厂由泉州市国资委下属泉州市自来水有限公司建设，属于民生工程项目，投资为6.58亿元。建设地点位于南安市丰州镇旭山村，占地面积为241.96亩，是福建省首家运用深度处理工艺的现代化水厂。由于采用深度处理工艺，其出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》，且大幅超过标准参数，为泉州中心市区及南安丰州乡镇供水提供了坚实保障。在后续发展中，金鸡水厂遵循当代绿色低碳环保理念，将绿化景观及环保生态等理念融入供水厂规划建设中，旨在打造“花园式”水厂，在确保金鸡水厂供水功能的基础上，优化当地生态环境[1]。

2 金鸡水厂在饮用水品质净化方面的需求及存在的问题

泉州中心市区此前仅有泉南、北区、金浦三座水厂，其中北区水厂已满负荷运行，泉南、金浦水厂高峰期已近饱和，而泉州城市化进程明显加快，人口快速增长，用水供需矛盾日渐显现。泉州金鸡水厂的建设，作为省、市重点项目，可缓解市区主要由泉南水厂供水的格局，解决中心市区用水供需矛盾，对保障城市供水安全、提高居民用水水质、改善投资环境、加快经济发展具有重要作用。

此外，2009年10月至2012年9月，金鸡水厂建设前委托泉州市环境监测站、厦门供水水质监测站进行水源监测，发现晋江干流库区水质已出现溶解氧、总磷、总氮、粪大肠菌群、铁、锰等指标经常性超标的现象，其他指标均能达标，总体水质相比历史监测数据有越来越恶化的趋势。泉州市作为国家历史文化名城、对外开放旅游城市，金鸡水厂设计采用目前国际较为先进的臭氧生物活性炭深度处理工艺，将泉州市供水水质提高，各参数高于国家现行标准，并逐步与国际先进水平接轨[2]。

3 臭氧生物活性炭深度处理工艺在金鸡水厂的具体应用

3.1 工艺方案

臭氧生物活性炭深度处理工艺属于综合性净化工艺，集生物氧化降解、臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附方法为一体。该工艺对水质提升效果显著：（1）我国常规的自来水加氯工艺处理污水后，部分情况下会出现Ames致突变试验呈阳性的现象，而采用臭氧生物活性炭深度处理工艺处理后为阴性。（2）该工艺可去除50%以上的有机物，处理效果超出常规工艺15%～20%。（3）臭氧生物活性炭深度处理工艺能够改善并优化感官性指标，且可有效提高嗅味值及铁、锰、色度的去除率[3]。（4）采用该工艺可去除90%以上的氨氮，且水中亚硝酸盐氮、氨氮经生物氧化后变为硝酸盐，继而起到降低后氯化投加量、减少三卤甲烷生成的作用。（5）对蛋白氨氮、可同化有机碳具有良好的去除效果，大幅提升管网水质。

3.2 主要构筑物

图1为案例金鸡水厂臭氧生物活性炭深度处理工艺整体布局，具体如下：取水泵站→配水井→预臭氧接触池→折板絮凝池→平流沉淀池→砂滤池→提升泵→后臭氧接触池→活性炭滤池→清水池→送水泵房[4]。

3.2.1 预臭氧接触池

选择臭氧展开预氧化的原因如下：（1）若采用原工艺方法借助Cl2进行预氧化，则因此形成的有机氯化物在后续工序中难以运用生物活性炭将其去除，而运用预臭氧化则无法形成氯化消毒副产物。（2）运用C102、C12展开预氧化处理，此时所形成的余氯将与后续添加的臭氧产生干扰，继而削弱主臭氧氧化效果。（3）预臭氧投加量与水净化效果之间存在紧密关联，当预臭氧投加量处于0.9～1.2 mg／L范围时，会达到90%以上的藻类去除率，且出水浊度低于0.2 NTU，净化效果远好于未投加预臭氧时的效果[5]。由此可见，预臭氧处理工艺效果显著，是深度处理工艺中必不可少的环节。

图2为金鸡水厂预臭氧接触池设计图，其预臭氧接触池平面尺寸为10.2×18.3×7.25 m，水深为6.3 m，预臭氧接触时间、投加量、余臭氧控制指标分别为5.92 min、0.5～1.5 mg/L、0.1 mg/L。考虑到金鸡水厂原水中颗粒物较多，难免出现堵塞现象，因此可通过投加预臭氧形式进行射流扩散，依托水射器营造负压吸入臭氧气体，经多孔扩散管后，气水混合液与池内水逐渐混合。

图2 预臭氧接触池

3.2.2 主臭氧接触池

该构筑物在臭氧生物活性炭深度处理工艺中的作用主要有：（1）杀死原水中的病原体、病毒、细菌等；（2）促进氧化反应，使大分子有机物逐渐转化为小分子有机物，为后续活性炭吸附降解有机物奠定基础；（3）确保活性炭内微生物能够在足够氧源环境下稳定生长[6]。金鸡水厂一期工程主臭氧接触池共1座2格，每格处理规模为10万m3/d。总尺寸为37.15×10.20×6.95 m，水深为6.0 m，O3投加量、余臭氧控制指标、接触时间分别为1.5～2.5 mg/L、0.2 mg/L、12 min。该主臭氧接触池分为串联三级，各级共有接触、反应两段。在该工艺体系中，三级接触反应时间分别为4 min、4 min、4 min，臭氧投加量分别为40%、30%、30%。金鸡水厂主臭氧扩散装置采用陶瓷微孔曝气盘，根据每个投加点的曝气量布置相应数量的曝气头[7]。

3.2.3 臭氧发生系统

图3为金鸡水厂臭氧发生系统，由供电单元、臭氧发生器、闭路循环冷却水系统、主PLC、尾气破坏装置、臭氧投加系统构成，整个臭氧发生系统均可借助主控制柜EC触摸屏控制，水厂人员可直接于触摸屏上完成臭氧浓度、臭氧投加量、放电电流等运行参数的设定和修改，且可基于触摸屏实时查询与了解各工艺环节的具体运行状态。金鸡水厂预臭氧投加量、后臭氧投加量分别为0.5～1.5 mg/L、1.5～2.5 mg/L，一期工程臭氧最大投加量为800 kg/d。臭氧发生车间配备3台臭氧发生器，2用1备，总臭氧发生量约为45 kg／h。单台臭氧发生器在外环冷却水水温为25 ℃，臭氧浓度为10 wt%的状态下，设计产量为15 kgO3/h；单台臭氧发生器在外环冷却水水温为25 ℃，臭氧浓度为6 wt%的状态下，最大产量为20 kgO3/h[8]。在臭氧发生系统运行期间，采用液氧站的液氧作为氧源，因此在此构筑物中不考虑现场制备氧气。

图3 臭氧发生系统

3.2.4 提升泵站

臭氧生物活性炭深度处理工艺中的提升泵站主要作用是将砂滤池内滤后水提升至主臭氧接触池。金鸡水厂臭氧生物活性炭深度处理工艺提升泵站总提升量、提升高度分别为8 333 m3／h、8 m，提升泵为离心泵，共设3台，其中2用1备。单台额定流量Q=5 200 m3/h，扬程H=8 m，N=160 kW。考虑到常规处理净水构筑物因沉淀池排泥和滤池反冲洗造成砂滤池来水量产生波动，故在泵房内设置变频调速装置，使泵组可提升流量适应来水量的变化[9]。

3.2.5 活性炭滤池

臭氧生物活性炭深度处理工艺中的活性炭滤池的主要作用为：（1）破坏水中臭氧，该过程主要发生于活性炭滤池上方位置；（2）可良好去除水中的化学成分，且可良好完成氧化副产物的吸收，极大保障了深度处理效果；（3）可借助活性炭表面生物活动完成对生化副产物的降解。在整个工艺系统中，活性炭滤池前期主要表现为物理吸附，待活性炭表面形成生物膜后，此时物理吸附作用逐渐削弱，其功能更换为生物降解、生物吸附[10]。

活性炭滤池池型可直接影响滤料流失率、构筑物占地面积、工程造价等，因此金鸡水厂新建臭氧生物活性炭深度处理工艺设施时，对多种池型进行了技术性、经济性对比，最终选用翻板滤池形式建设活性炭滤池。该池型具有排水、冲洗不同步的特征，即冲洗与排水不可同步进行。从工艺实践角度看，翻板滤池具有工程造价低、占地面积少、反冲洗水耗小、滤料流失率低的优势[11]。金鸡水厂结合功能用途确定活性炭滤池运行参数，若用于去除臭味，则接触时间需设定为8～10 min；若主要用于去除CODMn，则最佳接触时间为12～18 min。对于金鸡水厂而言，其最为主要的功能是去除有机物，为保障深度运行效果，其将空床接触时间设定为18 min。

最佳活性炭滤池炭床厚度为1.8～2.5 m，若低于1.8 m，则滤速不达标，且会增大占地面积，造成不必要的成本；若厚度超过2.5 m，则会出现炭床反冲洗效果不佳的现象。金鸡水厂相关人员综合考虑空床接触时间、可用占地面积后，最终将活性炭滤池炭床厚度设计为2.4 m。在以往的活性炭滤池中，采用单层生物活性炭形式进行工艺处理时，通常会存在细菌总数、浊度上升的现象，而金鸡水厂为避免该问题，于活性炭滤池炭床下方铺设石英砂，厚度为0.6 m，粒径处于0.8～1.2 mm区间内[12]。铺设石英砂滤层可提高表面微生物生长的安全性，并可保障出水浊度。经处理后，出水浊度可达0.1 NTU，且具备一定的细菌截留作用，能够进一步提升净化处理效果。

3.2.6 炭滤池的运行

金鸡水厂炭滤池反冲洗采用先气冲洗、再气水混合冲洗、最后水冲洗的方式。活性炭滤池单独水冲方式会造成炭床冲洗不干净、老化生物膜难以去除、炭床间容易形成泥球等问题。而气水反冲洗采用冲洗强度较高的气冲，可以松动和摩擦炭床，使附着的生物絮体剥落并促成吸附杂质的脱附，其后的水冲再将脱附的杂质和脱落的生物膜排出[13]。

4 成本核算

4.1 建设成本

构筑物建设成本：臭氧发生间：230万元；预臭氧接触池：135万元；活性炭翻板滤池：1 789万元；后臭氧接触池：198万元，土建合计约为2 300万元。

设备臭氧系统：1 400万元；活性炭：1 300万元；砂：100万元；自动化及设备：1 000万元，共计3 800万元。

合计总体投资约为6 100万元。

4.2 运营成 本

运营成本包括：电费：提升泵、空压机、鼓风机、反冲洗泵、臭氧发生系统55 kwh/km3×0.75元/kwh，合0.04元/m3；液氧费：30 g/m3×780元/吨，合0.023元/m3；活性炭及砂：按8年换算，1 400万/8/365/17万m3，合0.028元/m3；冷却水及反冲洗水：暂不算；折旧：构筑物及设备（不含炭砂）为4 700万元，每年为7%，合0.053元/m3。因此合计直接成本为0.04+0.023+0.028+0.053=0.144元/m3（不含人工费）。

5 结语

综上所述，金鸡水厂为遏制原水水质恶化现象而引进了臭氧生物活性炭深度处理工艺，同时响应了当地提升城市供水水质行动方案的号召。在工艺建设期间，金鸡水厂按照工艺流程及运行要求科学设置了预臭氧接触池、主臭氧接触池、臭氧发生系统、提升泵站、活性炭滤池等设施，并合理设计工艺参数。作为当地首家臭氧生物活性炭深度处理工艺水厂，金鸡水厂展现出良好的运行效果，提升了城市供水水质，改善了居民饮用水口感。