低溫低濁水源水處理方案及工藝設(shè)計(jì)

楊永義 張 頌

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

1 影響低溫低濁水處理 標(biāo)的因素

低溫低濁水在給水處理領(lǐng)域中還沒(méi)有明確的定義。北方地區(qū)的冰凍期使水質(zhì)長(zhǎng)期處在低溫（0~2℃）低濁（10~30NTU）狀態(tài)；南方地區(qū)源水屬于低濁度水，進(jìn)入冬季以后，溫度也會(huì)降到10℃以下，處于相對(duì)的低溫低濁狀態(tài)。由于低溫低濁水經(jīng)常規(guī)處理工藝處理后，出水一般不能達(dá)標(biāo)，對(duì)此類水的處理一直是飲用水處理行業(yè)的難題。

根據(jù)有關(guān)研究，影響低溫低濁水處理的因素主要有以下幾項(xiàng)：

（1）水溫

溫度低使水解反應(yīng)速度減緩、減弱微粒的布朗運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)能量減弱，不利于微粒間碰撞凝聚、不利于絮體的沉淀。

（2）水中微粒濃度

低溫低濁水含有的顆粒數(shù)量少，并且水體的粘度大，顆粒發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)少，絮體脫穩(wěn)、凝聚、沉淀困難。

（3）水中有機(jī)污染物

國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，有機(jī)物顯著地增加了膠體的表面電荷，影響膠體顆粒間的結(jié)合，低溫低濁水中的微粒尺寸都較小使這種作用更明顯。

2 低溫低濁水處理技術(shù)研究 展

目前針對(duì)低溫低濁水處理的解決思路主要有兩個(gè)方面，一是開發(fā)和應(yīng)用在低溫低濁條件下產(chǎn)生較好處理效果的混凝劑。如高鐵酸鹽、聚硅酸、改進(jìn)型聚氯化鋁等應(yīng)用于低溫低濁水處理均收到了良好的效果，其他混凝劑應(yīng)用試驗(yàn)也在開展中；二是在后繼處理工藝上采取強(qiáng)化絮凝、沉淀和過(guò)濾的工程和技術(shù)措施。

混凝劑的選擇與應(yīng)用是低溫低濁水處理技術(shù)研究的重要環(huán)節(jié)。趙海華認(rèn)為投加不同劑量的混凝劑處理低溫低濁水，從混凝除濁效果看，三氯化鐵去濁效果最好，硫酸亞鐵最差；張海龍等通過(guò)試驗(yàn)比較了復(fù)合鋁鐵與硫酸鋁對(duì)低溫低濁水的除濁效果，結(jié)果表明：用復(fù)合鋁鐵代替硫酸鋁處理不僅除濁效果好，可明顯延長(zhǎng)濾池的工作周期、節(jié)省自用水量，并且對(duì)凈水pH值及剩余鋁均有好處；李為兵等通過(guò)對(duì)低溫低濁水混凝沉淀燒杯試驗(yàn)和水廠生產(chǎn)性試驗(yàn)，對(duì)硫酸鋁（AS）和幾種聚氯化鋁（PAC）進(jìn)行了優(yōu)選，試驗(yàn)表明混凝沉淀效果相當(dāng)時(shí)，新型聚氯化鋁ZR-3型投加量為硫酸鋁用量的50%左右，而且投藥量與沉淀池出水濁度之間無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系。

3 擬處理水廠原水水質(zhì)特點(diǎn)分析9

本文分析的水廠位于北京市郊區(qū)東北部，冬季較為寒冷，地表水源為典型的低溫低濁水源。水廠設(shè)計(jì)產(chǎn)水水質(zhì)執(zhí)行衛(wèi)生部最新頒布的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）。

水廠水源水庫(kù)情況如圖1所示，表現(xiàn)出典型的低溫低濁水特點(diǎn)。

圖1 凈水廠 水水質(zhì)變化圖

具體表現(xiàn)為：

（1）部分水質(zhì)指標(biāo)已達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，如硝酸鹽氮最高值 4.2mg/L小于標(biāo)準(zhǔn)值10.00mg/L。

（2）部分指標(biāo)（溫度、濁度、pH、高錳酸鹽、化學(xué)需氧量等）超標(biāo)或接近極限值，如圖 1所示。水質(zhì)特征為冬季低溫低濁，夏季可能出現(xiàn)較高藻類、有機(jī)物、色嗅味；主要控制指標(biāo)為濁度、pH、高錳酸鹽、藻類等。

具體如下：

濁度：最大值17NTU，三年內(nèi)水質(zhì)超標(biāo)率達(dá)到35%以上；其中不大于6NTU的數(shù)據(jù)占到檢測(cè)出數(shù)據(jù)的66.7%；

高錳酸鹽：檢測(cè)數(shù)據(jù) 1.4~3.5mg/L，其中2.0~3.5mg/L數(shù)據(jù)接近68.6%，總體數(shù)值偏大；

水溫：2009年1~3月，水溫 0~1℃；2009年12月~2010年3月，水溫1~2℃；2010年12月~2011年3月，水溫0~4℃；2011年12月，水溫2℃；由此可見冬季水庫(kù)水溫特別低；每年 6~10月，水溫15~25℃，每年溫度分界比較明顯。

綜上所述，該水廠水源原水濁度達(dá)不到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，水溫季節(jié)變化比較明顯：每年12月~次年3月0~2℃；每年6~10月15~25℃，呈現(xiàn)典型低溫低濁水質(zhì)特點(diǎn)。處理工藝應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫低濁水的有效凈化，去除各種有機(jī)物，確保細(xì)菌、病毒等指標(biāo)達(dá)標(biāo)；處理工藝要防止夏季藻類、嗅味的產(chǎn)生。

4 低溫低濁水源水處理解決方案

（1）總體方案設(shè)計(jì)

目前對(duì)于低溫低濁的水處理工藝很多，但是針對(duì)低溫低濁的絮凝劑種類選擇既要滿足去除濁度需要，又要滿足堿度、溫度等水質(zhì)條件；同時(shí)針對(duì)原水的鐵、錳、色度、藻等的預(yù)處理和增強(qiáng)后繼處理效果，采用臭氧預(yù)氧化技術(shù)是目前水處理的主要技術(shù)趨勢(shì)；水處理的常規(guī)混凝沉淀和過(guò)濾技術(shù)發(fā)展比較快，主要是高效淺層斜管沉淀和V型濾池；對(duì)水質(zhì)起保障作用的工藝，目前主要是成熟穩(wěn)定的臭氧-生物活性炭工藝，既能氧化剩余的有機(jī)物，又能利用活性炭微孔吸附、增強(qiáng)生物菌活性、延長(zhǎng)活性炭壽命等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（2）臭氧預(yù)氧化強(qiáng)化工藝

凈水廠的水源多來(lái)自水庫(kù)，取水系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生藻類、增加濁度、鐵等污染物，針對(duì)原水的預(yù)氧化工藝有多種，可以加氯、臭氧或者高錳酸鉀等；水處理工藝前段設(shè)置預(yù)臭氧能夠氧化鐵、錳、去除色度和臭味，改善絮凝和過(guò)濾效果，取代前加氯、減少消毒劑的副產(chǎn)物，氧化無(wú)機(jī)物以及促進(jìn)有機(jī)物降解。

（3）高效混凝沉淀技術(shù)

混凝沉淀效果對(duì)于后繼處理工藝相當(dāng)關(guān)鍵，混凝劑的使用條件、投加量、投加方式等是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。目前廣泛使用的改進(jìn)型聚氯化鋁的投加量對(duì)原水pH的影響小，且與出廠水pH之間無(wú)顯著相關(guān)性，投藥量與出廠水濁度之間無(wú)顯著的相關(guān)關(guān)系。傳統(tǒng)的沉淀處理很難達(dá)到理想的出水水質(zhì)，因此各種強(qiáng)化沉淀相繼出現(xiàn)：高效穩(wěn)定的斜管沉淀池，合理配置斜管沉淀池的配水流速（0.035m/s）與上升流速（3.5mm/s），以及斜管沉淀池的長(zhǎng)、寬比（0.65）的合理選擇。

（4）臭氧生物活性碳工藝

臭氧化處理和活性炭相結(jié)合而構(gòu)成的工藝，能夠通過(guò)臭氧的強(qiáng)氧化作用改變大分子有機(jī)物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，以利于活性炭吸附，并保證濾床中細(xì)菌所需的溶解氧，可實(shí)現(xiàn)細(xì)菌濃度增加 10~100倍、活性炭使用壽命可以延長(zhǎng)5倍以上，達(dá)到了吸附物理化學(xué)過(guò)程、同以微生物所進(jìn)行的生物分解相結(jié)合的過(guò)程，確保原水中的有機(jī)物、膠體、細(xì)菌等徹底去除。

5 水廠工藝設(shè)計(jì)

5.1 工藝流程

表1 主要污染物設(shè)計(jì) 出水指標(biāo)

（1）本工程按3.5萬(wàn)m3/d供水規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，其工藝流程如圖2所示。

（2）主要污染物（濁度、化學(xué)需氧量、生活需氧量、高錳酸鹽指數(shù)）設(shè)計(jì)去除率見表1。

圖2 凈水廠工藝流程框圖

5.2 處理單元

5.2.1 預(yù)臭氧處理單元

預(yù)臭氧采用微孔擴(kuò)散器方式，設(shè)計(jì)投加量0.5~2.5mg/L；設(shè)預(yù)臭氧接觸池1座2格，單格尺寸L×W×H＝10.7×2.5×8.3m，有效水深 7.4m；接觸時(shí)間：約5.5min，水與臭氧逆流接觸。

5.2.2 混凝沉淀池

①機(jī)械混合池

采用折槳式攪拌機(jī)，PAC設(shè)計(jì)投加量5~15mg/L，設(shè)混合池1座2格，230m3/座，有效水深4.1m，接觸時(shí)間：約5.5min。

②機(jī)械絮凝池

采用單層全高槳板機(jī)，PAM（給水型）設(shè)計(jì)投加量1~3mg/L，設(shè)混合池2座4格，460m3/座，有效水深3.6m，接觸時(shí)間：約25.0min。

③斜管沉淀池

采用1m長(zhǎng)度，40孔徑斜管，安裝角度為60°，液面負(fù)荷5.8m3/（m2·h），設(shè)斜管沉淀池2座，鋼筋混凝土池結(jié)構(gòu)，980m3/座，有效水深6.4m，采用電動(dòng)排泥閥自動(dòng)排泥方式。

5.2.3 V 型濾 池

有效水深4.0m；設(shè)計(jì)過(guò)濾速度7.5m/h；設(shè)計(jì)反沖周期：24h；氣反沖強(qiáng)度：12L/（m2·S），沖洗時(shí)間 3min；水反沖強(qiáng)度：8L/（m2·S）；沖洗時(shí)間6min。

5.2.4 臭氧-生物活性炭工藝

臭氧接觸時(shí)間：約 20min，設(shè)計(jì)投加量1.0~3.0mg/L，水與臭氧逆流接觸；擴(kuò)散器（含不銹鋼管）：DN150，共計(jì) 66個(gè)；臭氧尾氣破壞器：1套；雙向透氣安全閥：2套。

活性炭吸附池設(shè)計(jì)過(guò)濾速度6.5m/h；設(shè)計(jì)反沖周期：4天；氣反沖強(qiáng)度：12L/（m2·S），沖洗時(shí)間3min；水反沖強(qiáng)度：8L/（m2·S）；沖洗時(shí)間6min。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)北京某水廠低溫低濁水源水處理方案和工藝的研究，可得出以下結(jié)論：

（1）低溫低濁水處理以物化（氧化、沉淀、過(guò)濾、吸附）為主和生物降解（濾床中生物菌）輔助的工藝趨勢(shì)——預(yù)臭氧、高效混凝沉淀、V型過(guò)濾及臭氧-活性炭組合工藝，可確保水廠出水水質(zhì)要求達(dá)到衛(wèi)生部頒布的最新的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)（《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006）。

（2）預(yù)臭氧工藝有利于絮凝和過(guò)濾效果的增強(qiáng)，同時(shí)預(yù)殺藻、氧化有機(jī)物等作用。

（3）高效混凝沉淀技術(shù)采用適合低溫的改進(jìn)型聚氯化鋁和高效淺層的斜管沉淀技術(shù)，解決了低溫低濁的水處理問(wèn)題。

（4）臭氧生物碳的強(qiáng)氧化性、活性炭微孔吸附性、充足溶解氧保證細(xì)菌活性等，徹底解決水中細(xì)菌、膠體、有機(jī)污染物等。

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