朱建文

(杭州市水务集团有限公司，浙江杭州 310000)

我国开展对饮用水深度处理技术的研究与应用较晚，1985年建成了我国第一个采用臭氧活性炭工艺的城市自来水厂——北京田村山水厂。后续随着水源水污染的加剧及《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的颁布实施，国内深度处理技术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、常州自来水公司第二水厂、桐乡果园桥水厂、广州南州水厂等水厂。经过多年的摸索和实践，有必要对我国饮用水深度处理技术的发展进行回顾和总结。本文以杭州为例，对杭州饮用水深度处理的改造过程进行了回顾，以期为即将进行改造的水厂提供参考，以及与已经完成深度处理改造的水厂交流。

1 杭州饮用水深度处理的发展与实践

1.1 杭州水厂及原水概况

杭州主城区设计日供水能力为170万t/d，共有5个水厂。原水85%取自钱塘江，其余取自东苕溪。根据长期水质资料分析，杭州取水口水质大部分时间都在Ⅱ～Ⅲ类，但是2003年来，钱塘江原水水质变差，以地表水Ⅲ类作为评价标准，其中主要超标项目有总氮、氨氮、锰、耗氧量、总磷、溶解氧等。氨氮最高值达到4.05～4.10 mg/L，是Ⅲ类水体标准1.0 mg/L的4倍，是Ⅱ类水体标准的8倍。2004年藻类暴发，耗氧量逐年升高，平均值已升至3.0 mg/L左右。自2003年以来，锰持续偏高，且呈周期性变化的趋势。溶解氧严重超标，最低为0.3 mg/L。

1.2 杭州市(主城区)饮用水深度处理的规划

2005年6月，浙江省首次印发了《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》和《浙江省城市供水现代化营业所评价标准》，为浙江省城市供水现代化提出了目标和方向。现代化评价标准中，对现代化水厂的出厂水提出了更高的要求[1]。针对当时的原水水质状况，杭州市水务集团(以下简称集团)在“十一五科技规划”中，提出了杭州主城区深度处理改造的规划。规划提出，在前期南星水厂饮用净水改造一期工程(10万t/d臭氧活性炭深度处理工艺)[2]的基础上，积累臭氧-活性炭处理技术的经验，为清泰水厂、祥符水厂、九溪水厂等水厂进行深度处理建设提供技术和设备选型依据。同时，规划也明确，除了臭氧活性炭深度处理工艺，同步研究膜处理技术和其他新工艺技术应用可行性，为解决原水水质问题、确保供水水质创造条件。

规划明确了继续做好臭氧-活性炭深度处理工程的建设，争取到2010年完成南星水厂30万m3/d二期扩建工程、清泰水厂和祥符水厂技术改造工程，首先实现杭城3/4的水厂出厂水达到直接生饮的目标，使出厂水满足浙江省城市供水优质标准，到2015年前完成九溪水厂的扩建与直饮水改造，深度处理工程规划时间如表1所示。

表1 深度处理工程规划时间Tab.1 Planning Schedule of Advanced Treatment Reconstruction

1.3 深度处理改造回顾

1.3.1 深度处理改造

在上述规划的指引下，集团对主城区的自来水厂逐步进行了深度处理改造。4个水厂从开始进行改造到全部完成改造，前后共经历了16年，到2018年底，杭州主城区由集团运营的四大水厂全部完成深度处理改造。各水厂实际的改造时间及采用的工艺如表2所示。

表2 各水厂深度处理改造的时间及工艺Tab.2 Period and Technology for the Advanced Treatment Reconstruction of Each WTP

1.3.2 深度处理改造中的几点体会

(1)新建水厂需考虑今后改扩建的需求

受城市供水需求的限制，各水厂在改造的过程中均不能停水，因此，给各改造工程增加了不少难度，也使整个改造的时间较长。同时，也要求新建水厂的设计过程中需要充分考虑今后改造的需求。

(2)活性炭层下设砂垫层能有效降低活性炭出水浑浊度

南星一期是集团第一个完成臭氧活性炭深度处理改造的水厂，其活性炭滤池在工艺的最后一段，由于活性炭滤池中活性炭滤料为8×30目，在运行的过程中发现，经过活性炭滤池后，出水的浑浊度反而比进水的高。因此，南星二期及后续的改造过程中，在活性炭层的下面增加了粒径为1～2 mm的石英砂，厚度为0.4 m，同步适当降低了活性炭层的厚度，有效地确保了活性炭池的出水浑浊度，同时又达到了活性炭去除氨氮和有机物的效果。

(3)前置活性炭工艺选炭时需充分考虑炭的强度

清泰水厂活性炭池(炭砂双层滤料)为前置活性炭，接在沉淀池之后，其反冲洗时间较短，因此，在活性炭选择时，强度比南星水厂的高。炭的形式也有改变，南星水厂最早用的是原煤破碎炭，而清泰水厂用的是压块破碎炭。实际运行中，控制沉淀池出水浑浊度在2 NTU以下时，其反冲洗周期在36～48 h，而在砂滤池后的活性炭滤池，其反冲洗周期在1～2周。

(4)避免光照能有效降低砂滤池滋长青苔的风险

南星水厂深度处理运行中，发现水厂从前加氯改为前加臭氧后，砂滤池很容易滋长青苔，严重影响水厂生产运行中的感官。因此，在清泰水厂的改造中，为炭砂滤池增加了一个大棚。后续运行中发现，加盖大棚虽然能缓解青苔的生长，但是仍然不能彻底解决青苔问题，部分阳光能照到的地方仍然有青苔生长，因此，祥符水厂改造时，将砂滤池建到了室内，有效降低了砂滤池长青苔的风险。

2 两种工艺的主要设计参数

2.1 南星水厂臭氧活性炭系统主要设计参数[2]

2.1.1 预臭氧

预臭氧最大投加量按1 mg/L设计，总接触时间为5 min，有效接触时间为3 min，有效水深为6 m。臭氧扩散采用水射器抽吸臭氧气体后，通过插入接触池内的射流扩散器来完成。臭氧池为全封闭式，顶部设尾气抽吸管，抽吸出的尾气经尾气破坏器处理后排放。

2.1.2 后臭氧

后臭氧最大投加量按2 mg/L设计，总接触反应时间为10 min，分成3段投加，接触反应时间分别为2、4、4 min。后臭氧接触池有效水深为6 m。

2.1.3 活性炭池

活性炭滤池滤层厚度为2 m，有效粒径为0.65～0.75 mm，碘值大于1 000 mg/g，亚甲蓝值大于200 mg/L。空床停留时间为11.5 min，对应的滤速为10.4 m/h。采用先气冲再水冲的反冲洗方式，气冲强度为55 m3/(m2·h)，水冲强度为25 m3/(m2·h)。

2.2 清泰水厂臭氧活性炭及膜系统主要设计参数

2.2.1 预臭氧

预臭氧设计最大投加量为1.5 mg/L，接触时间为5 min，池深为7.5 m。

2.2.2 炭砂滤池

炭砂滤池单池面积为135.8 m2，设计滤速为7.82 m/h，强制滤速为8.53 m/h。上层采用颗粒活性炭，滤料厚度为1.3 m，采用8×30目粒度，堆积密度为0.35～0.55 g/cm3。下层采用石英砂，厚度为0.5 m，有效粒径为0.5 mm，K80≤1.6。采用长柄滤头配水，单独气冲加单独水冲的反冲洗方式，气冲强度为55 m3/(m2·h)，水冲强度为25 m3/(m2·h)。

2.2.3 膜系统

采用膜柱型号为UNA629A，膜丝为PVDF材质，孔径为0.1 μm，每支膜的过滤面积为50 m2。设计膜通量最大为100 L/(m2·h)，物理清洗周期为30 min，小化学清洗周期为2～4 d，大化学清洗周期为35 d。

3 两种组合工艺的出水水质对比

杭州市主城区饮用水厂在深度处理改造中，从总体上采用了两大深度处理工艺，一是臭氧活性炭深度处理工艺(简称臭氧活性炭工艺)，二是臭氧活性炭结合膜的深度处理工艺(简称膜工艺)，对两大工艺的出水水质做对比分析。选取的两个不同工艺的水厂，其原水水源相同，以下数据为每年5月的平均值。

3.1 浑浊度

由图1可知，臭氧活性炭工艺历年5月的出水平均浑浊度在0.03～0.07 NTU。对其出水最大值进行统计，发现臭氧活性炭工艺出水的浑浊度最大值达0.29 NTU，最大值在0.1 NTU以上也常有发生。

图1 臭氧活性炭工艺进出水浑浊度变化Fig.1 Changes of Turbidity in Inlet and Outlet Water of Ozone Activated Carbon Process

由图2可知，膜工艺历年5月的出水平均浑浊度在0.03～0.05 NTU。对其出水最大值进行统计，发现膜工艺出水的浑浊度最大值为0.09 NTU，且运行期间出水浑浊度很稳定，基本在0.03～0.05 NTU。

图2 膜工艺进出水浑浊度变化Fig.2 Changes of Turbidity in Water Influent and Effluent of Membrane Process

因此，膜工艺在出水浑浊度的控制上较有优势，出水浑浊度不仅低且非常稳定。

3.2 耗氧量

由图3和图4可知，臭氧活性炭工艺的出水耗氧量平均值在0.84～1.26 mg/L，膜工艺的出水耗氧量平均值在0.93～1.13 mg/L。两种工艺在耗氧量的去除效果上差异不明显，若想通过超(微)滤来提高对有机物的效果，作用不明显。

图3 臭氧活性炭工艺进出水耗氧量变化Fig.3 Changes of CODMn in Water Influent and Effluent of Ozone Activated Carbon Process

图4 膜工艺进出水耗氧量变化Fig.4 Changes of CODMn in Water Influent and Effluent of Membrane Process

3.3 生物指标

两种处理工艺虽然用的是同一水源，但是膜工艺的水厂原水输送前，经过渠道后进入吸水井前与一条市内河道相通，因此，膜工艺的水厂的原水耐热大肠菌和总大肠菌数量高于臭氧活性炭工艺的水厂。由表3和表4可知，采用膜工艺的水厂，虽然原水耐热大肠菌和总大肠菌数量均高于臭氧活性炭工艺的水厂，但是出水的微生物均小于1 CFU/(100 mL)。这也是采用膜工艺的水厂选择膜工艺的原因之一。

3.4 氨氮

膜工艺的水厂原水部分取自河道水，因此，其进水的氨氮平均值明显高于臭氧活性炭工艺的水厂，但是两者出水的氨氮平均值均小于0.02 mg/L(表5)。这是由于膜工艺的水厂采用炭砂滤池，尽管反冲洗周期只有24 h，但是仍然具有很好的生物除氨氮的效果。

表3 臭氧活性炭工艺出水微生物情况Tab.3 Outflow Microorganism of Ozone Activated Carbon Process

表4 膜工艺出水微生物情况Tab.4 Outflow Microorganism of Membrane Treatment Process

表5 臭氧活性炭工艺与膜工艺氨氮的对比Tab.5 Comparison of Ozone Activated Carbon Process and Membrane Treatment Process for Ammonia Removal

3.5 铁和锰

膜工艺水厂原水部分取自河道水，因此，其进水的铁平均值高于臭氧活性炭工艺的水厂，但是两者出水的铁平均值均小于0.05 mg/L，体现了对铁的良好的去除效果(表6)。两种组合工艺对锰的去除效果没有明显差异，出水均小于0.05 mg/L(表7)。

表6 臭氧活性炭工艺与膜工艺铁的对比Tab.6 Comparison of Ozone Activated Carbon Process and Membrane Treatment Process for Iron Removal

表7 臭氧活性炭工艺与膜工艺锰的对比Tab.7 Comparison of Ozone Activated Carbon Process and Membrane Treatment Process for Manganese Removal

4 体会与建议

(1)由投运的膜处理组合工艺和臭氧活性炭组合工艺可知，两种组合工艺在水质上的差异主要在浑浊度和微生物。与臭氧活性炭组合工艺相比，膜处理组合工艺出水浑浊度的稳定性和对微生物的保障性更优。

(2)在采用超(微)滤工艺时，需要组合其他工艺，以达到去除有机物和氨氮的效果。

(3)深度处理改造工艺的选择，需要根据确定的目标、自身的原水水质特点和现状处理工艺存在的问题综合考虑。以去除有机物和氨氮为目标的，可以采用臭氧活性炭工艺；在达到去除目标基础上，对出水浑浊度有较高稳定性要求的，可以结合膜工艺；对水源水可能受微生物污染风险较大的，也可以结合膜工艺，提高对微生物的抗风险能力。