組合工藝在石臼漾水廠的應用
1 嘉興市石臼漾水廠水質狀況
1.1 水源水質狀況
嘉興市石臼漾水廠水源為新塍塘，屬運河水系。水廠分二期建成，設計規模分別為5×104m3/d和10×104m3/d，均采用傳統常規處理工藝。二期于96年增加了生物接觸氧化預處理池。近幾年隨著運河上游沿岸工農業的快速發展和人口的聚集，水源遭受較為嚴重的污染，水源水質下降至Ⅳ-Ⅴ類，具體表現為原水中色度、臭和味、耗氧量、氨氮、總氮、總磷、揮發酚等指標高，溶解氧含量低。2002-2003年石臼漾水廠原水主要水質指標見表1。
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表1石臼漾水廠原水主要水質指標（2002-2003年）
1.2 傳統常規處理工藝的局限性
顯然，對目前的石臼漾水廠取水水質而言，傳統的混凝、沉淀、過濾、消毒處理工藝出水水質難以滿足衛生部2001版《生活飲用水衛生規范》的要求，感官指標難盡人意。傳統處理工藝的局限性具體表現在以下幾個方面：
（1） 對CODMn、TOC等有機物指標的總去除率較低；
（2） 在原水氨氮>1mg/L時，對氨氮的去除率只有30-40%，出水氨氮難以達到<0.5mg/L的要求，影響出水感官指標。氨氮含量偏高，還影響到整個工藝的除錳效果；致使消毒用氯量增加，消毒副產物偏高；
（3） 出水色度偏高，飲用時有異味，口感差；
（4） Ames試驗表明，常規工藝處理出水的致突變活性比原水有增加的趨勢。
2 前期所作的工作
2.1 水源有機物分子量分布特點
委托浙江省疾病預防控制中心對石臼漾水廠原水進行了有機物分子量測定，統計結果如表2。
表2 原水有機物分子量分布
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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，使出水水質達到衛生部2001版《生活飲用水衛生規范》的要求，自96年起，先后開展了生物接觸氧化預處理工程在石臼漾水廠的工程實踐、南門水廠生物活性炭濾池試驗及工程運用、實驗室強化常規處理小試、與清華大學環境工程學院合作的組合工藝中試等研究，結果表明，采用生物預處理-強化常規處理-臭氧活性炭深度處理的組合工藝，出水水質能達到規范的要求。
3 實施改造時生產運行工藝的優化選擇
3.1 改造后工藝路線
2003年石臼漾水廠進行了臭氧-活性炭深度處理工藝技改，遵循“工藝安全可*、性能穩定，能耐受較大的水質沖擊，節省投資，盡可能降低成本，日常運行管理方便”的優化設計原則，改造后的工藝路線如圖1。
預臭氧投加的目的主要是為了提高臭氧設備的利用率，其次可協助除鐵、錳，并顯著提高砂濾池的DO含量，增強砂濾池的生物活性。
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圖1 技改后的工藝流程圖
3.2 應急措施
為抗原水水質、水力較大沖擊帶來的負荷，設計時增設了加酸加堿系統和粉末活性炭投加系統。必要時用98%濃硫酸在靜態混合器前投加，以調節混凝時的pH值，強化混凝效果；同時將40%的NaOH溶液投加到沉淀池出水管中，保證后續工藝進水和管網水有合適的pH值。
當進水CODMn值高于8mg/L時，粉末活性炭的應急投加能有效控制出水有機物，并顯著改善色度及臭和味等感官指標。
3.3 主要工藝參數
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，暫未對原設計能力為10萬m3/日的生物接觸氧化預處理池進行擴建，按運行期實際供水量計算，水力停留時間約為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。臭氧發生器共三臺，產量10kg/h，濃度10%。預臭氧在靜態混合器前投加，接觸時間很短，投加量為1.0 mg/L；KMnO4與凈水劑聚合氯化鋁幾乎同時投加，視進水水質投加量為1.0-1.5 mg/L。
后臭氧設計接觸時間為10min，投加量視進水水質在2-3 mg/L范圍內調節。活性炭濾池濾速11.6 m/h，炭層厚度2.2m，停留時間為11.3 min。選用了兩種顆粒活性炭，分別為8×30目煤質破碎炭和8×12目柱狀破碎炭。炭濾池采用氣水（用砂濾水）反沖洗，分三個階段：氣沖時間10min，氣水混沖3min，水沖6min。目前反沖洗周期為10d左右。
4 運行效果及評述
整個組合工藝改造工程于2004年1月16日正式并網供水，至今已運行6個多月。3月17日開始在反應池中投加預臭氧，后又投加了KMnO4。改造后設計供水規模達17×104m3/d，運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。
由于投產時正值寒冬低水溫（6℃以下），生物活性炭濾池在運行22后開始掛膜，45天后對氨氮的去除率躍至80%以上，可認為是掛膜成功；對CODMn的去除率在運行18天內>65%，之后穩定在50%左右，40天后去除率穩定在23-38%，可判定為物理吸附趨于飽和。
運行期間水源水及各工藝單元出水水質見表3。
表3組合工藝運行期間水質數據
（2004.1.16-2004.7.3）
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4.1 對氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和總氮的去除與轉化
經微孔曝氣，可使生物接觸氧化預處理池的DO達5-6mg/L；預臭氧的投加使砂濾池內的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，非常有利于生物膜的生長。
監測結果表明，在水溫>8℃時，預處理池可去除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氮，使之轉化為氨氮所致，但DO的升高使砂濾池對氨氮的去除率提高至62-100%，進水氨氮在2 mg/L左右時，能去除1.8mg/L的氨氮，顯示其超強的生物作用；生物活性炭濾池在掛膜穩定后對氨氮的去除率保持在71-100%之間，出水氨氮大多低于檢測限，結果見圖2。有研究表明，在進水DO在12 mg/L時，最大去除氨氮負荷可達2.0mg/L。生物預處理-強化常規處理工藝對亞硝酸鹽氮一直保持較高的去除率。當原水亞硝酸鹽氮在0.016-0.684 mg/L時，砂濾池出水亞硝酸鹽氮在<0.002-0.016 mg/L，再經后臭氧接觸氧化，均能被充分氧化成硝酸鹽。生物炭濾池隨著對氨氮去除效果的顯現而出現亞硝酸鹽氮的累積現象，至運行2個月時達到最高峰，但2天后其出水亞硝酸鹽氮就與進水一致，而出水中的硝酸鹽卻增加了0.1-0.4mg/L。分析原因是在進水DO充足的情況下，低溫時亞硝化菌較硝化菌具有更強的活性，亞硝化反應速率快于硝化反應所致，另水中一定的亞硝酸鹽積累也會促進硝化菌的生長。
各質控點三氮濃度變化見圖3。
運行期間原水的“三氮”（氨氮、亞氮和硝酸鹽）平均總含量為3.41mg/L，穩定運行后，生物預處理池出水“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臭氧、后臭氧將一部分有機氮氧化，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氮含量相關。
4.2 對鐵、錳的去除
運行實踐表明，生物活性炭進水中鐵、錳的存在會繼續消耗余臭氧，故對余臭氧測定的準確性有影響；另外，三價鐵、四價錳沉淀的細小顆粒有穿透活性炭濾池的可能，故對鐵、錳的去除最好在后臭氧接觸前完成。
生物預處理池對鐵、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重而影響其去除效果。
在中性或弱堿性條件下，投加在反應池中的高錳酸鉀對低價鐵、錳有較強的氧化作用，能顯著提高砂濾池去除鐵、錳的效率，由于生成的四價錳顆粒的助凝作用，相應地提高了對濁度的去除率。當原水pH值在7.5左右，總鐵含量為4.12mg/L、錳含量為0.42 mg/L時，投加1 mg/L的高錳酸鉀，砂濾池出水的鐵、錳含量已低于檢測限。運行至今砂濾工序以后的水樣中均已測不到鐵、錳的存在。
4.3 對CODMn的去除
由于石臼漾水廠生物接觸氧化池本身的缺陷，預處理池對CODMn基本沒有去除。
強化常規處理工藝對CODMn有較高的去除率，且去除率隨著水溫的升高而升高，進水CODMn值的變化對去除率無明顯影響，運行期間強化常規處理工藝對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，臭氧接觸能氧化3-20%的CODMn；同時降解大分子有機物，使大分子有機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。
活性炭濾池運行初期10天內，對CODMn的去除率達60%以上，最高達75.2%，隨后穩定在50%左右；40天后去除率下降，在23-42%之間，因此可認為物理吸附飽和期為40天。在掛膜成熟、且DO充足穩定的前提下，水溫上升有利于異氧菌活性的增加，提高去除效果，但受進水CODMn值的影響，具體是：水溫>10℃、進水CODMn在2.6-3.1mg/L時，去除率在33-47%；但當進水CODMn>3.1mg/L時，去除率在25-31%。各工藝單元對CODMn的去除率見圖4。
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整套組合工藝對CODMn的去除效果：當原水CODMn<7mg/L時，出廠水CODMn<2mg/L；當原水CODMn在7-9mg/L時，出廠水CODMn在2.5mg/L左右。
4.4 對TOC的去除效果
監測結果表明，強化常規處理能去除19-50%的TOC，平均去除率為39%；炭濾池在運行初期對TOC的去除率高達75%以上，以后降至20-50%，平均去除率為41%，在原水有機物組成、炭濾池生物作用相對穩定的情況下，炭濾池對TOC的去除率受進水TOC值、水溫的影響較大。臭氧接觸氧化可去除4%左右的TOC。以上結果與原水分子量分布的試驗結果有相關性。原水、砂濾水和出廠水的TOC值走勢見圖5
強化常規、臭氧氧化和生物炭濾去除UV254的效果比較見圖6。由圖看出，強化常規處理工藝對UV254的去除率最高，平均達57%，遠高于對TOC的去除率，說明原水中在254nm有吸收的不飽和雙鍵物質多為大分子結構，易被常規處理去除；臭氧對剩余的UV254平均有33%的去除率。炭濾池在運行初期，因物理吸附作用而對UV254有較高的去除率（>40%），后逐漸穩定在13%-42%，平均去除率為28%，炭濾池對UV254的去除能力在0.1-0.3cm-1之間。
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4.6 對色度、臭和味的去除
運行期間原水的色度在15-32度，強化常規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級泥土味，強化常規工藝處理出水能將其降低至1級，嗅覺敏感者仍感覺到有泥土霉味，但經炭濾后能完全消除至0級。
4.7 其它指標的改善
強化常規處理對濁度的去除效果優異，當原水濁度在27-164NTU，沉淀水濁度控制在2.5NTU左右時，砂濾池出水濁度均能<0.5NTU，經炭濾，出廠水濁度<0.3 NTU。由于臭氧的消毒效果優于液氯，臭氧-活性炭濾池出水的細菌總數<10個/ml，大腸菌群未檢出，故清水池加氯及出廠補氯總量由改造前的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物鹵代烴的含量大幅減少，接近檢測限送上海復旦大學公共環境衛生學院進行了多次的Ames試驗，結果表明，被測水樣量同取2.0L時，原水的回變菌落數達陰性對照的三倍以上，為較強致突變陽性；強化常規處理水的回變菌落數達陰性對照的二倍以上，為致突變陽性；深度處理出廠水的回變菌落數小于陰性對照的二倍，為致突變陰性。
改造后的出廠水pH值在7.2-7.4范圍內，游離余氯控制在0.4 mg/L左右，氨氮、鐵、錳接近或低于檢測限，有機物含量低，故出廠水在管網中的化學、生物穩定性進一步提高。對管網水的日常監測表明，管網水色度<5度，NH3-N<0.5mg/L，CODMn<3mg/L，以《生活飲用水衛生規范》為評價依據，運行半年來管網水的34項綜合合格率為100 %。
5 技改成本構成：
5.1 工程造價
在原有生物接觸氧化預處理-常規處理工藝上，增加了臭氧-活性炭處理工藝，包括土建、材料及安裝、設備購置、工器具購置和其他費用在內總投資7000萬元，按平均14年折舊期限、年供水量5000×104m3計算，出廠水增加成本0.10元/m3。
5.2 直接運行成本
臭氧-活性炭工藝直接運行成本包括運行電耗、氧耗、人工及設備維修等費用，共約增加0.17元/m3水。
6 結論
運行半年以來，石臼漾水廠在水源水質為Ⅳ-Ⅴ類的情況下，通過生物接觸氧化預處理-強化常規處理-臭氧生物活性炭組合凈水工藝，出廠水水質達到衛生部2001版《生活飲用水衛生規范》的要求，感官指標和有機物指標得到根本性的改善，整個工藝技術改造取得了預期的效果。運行中得出如下結論：
（1） 生物接觸氧化預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%，對鐵、錳、CODMn也有一定的去除效果；在原水水質較差時，可減輕后續工序去除氨氮、亞硝酸鹽氮和CODMn的壓力；但其工藝有待進一步優化，以增強抗擊原水突發性污染的能力；
（2） 強化常規處理是去除濁度、鐵、錳的最主要環節，且大部分的CODMn、TOC、UV254值在強化常規處理階段得以有效去除，因此優化強化常規處理工藝是提高出水水質的前提和重要手段；
（3） 臭氧-生物活性炭深度處理工藝針對嘉興水源水質的特點，在去除色度、臭和味等感官指標和有機物指標、改善Ames試驗結果、進一步提升出水水質方面有較強的針對性，因此深度處理工藝是保證出水水質達到衛生部規范的有效途徑。
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