臭氧-生物活性炭工艺在低温有机微污染原水深度处理中的应用

2022-08-30王辉文宋尊剑

工业用水与废水 2022年4期

王辉文，宋尊剑

（大庆油田设计院有限公司，黑龙江大庆 163712）

1 工程概况

某市西城区已建供水系统无法满足新版GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》的水质要求，需要对原有供水管网及水厂进行升级改造，实现分质供水，并增加深度处理工艺。

某已建水厂原有处理工艺为网格絮凝-斜板沉淀-气水反冲洗过滤，处理规模为38 × 104m3／d。按照规划，新建深度处理工艺规模为10×104m3／d，预留4×104m3／d。在常规工艺的38× 104m3／d 出水中， 11×104m3／d 在本厂经深度处理后供给民用水管网； 9.35×104m3／d 作为原水分别输送至另2座水厂经深度处理后供给民用水管网；其余部分作为工业用水直接输入工业水管网。

2 原水特点及工艺选择

2.1 原水特点

已建水厂原水引自某平原型水库，浊度为20 ～120 NTU，耗氧量最高值可达8.5 mg／L。常规工艺处理后出水指标中不合格项为耗氧量，最高值为6.3 mg／L，平均值为3.9 mg／L。可以看出，常规处理工艺的主要问题是对有机物的去除率低，难以满足GB 5749—2006 的要求。

2.2 工艺选择

臭氧-生物活性炭工艺是集臭氧化学氧化、生物吸附氧化、活性炭物理化学吸附技术为一体的复合工艺［1］。首先利用臭氧的强氧化作用，初步氧化分解水中的简单有机物和其他还原性物质，使之变成CO2和H2O；同时，臭氧氧化能使水中难以生物降解的有机物断链、开环，氧化成短链的小分子物质或使分子的某些基团改变，从而使原来不能被生物降解的有机物转化为可生物降解的有机物。受臭氧制备设备效率的影响，向臭氧接触池内除投加臭氧外还有大量的氧气，伴随着臭氧的投加，起到了充氧的作用，为附着于活性炭上的好氧型微生物提供生长的营养源，创造好氧微生物的生长环境［2］。

活性炭作为一种多孔物质，具有良好的吸附性能。通过活性炭的吸附作用，将水中微生物富集于活性炭表面，形成稳定的生物膜。活性炭滤池置于臭氧接触池后，生物膜利用水中充足的溶解氧，将水中经臭氧氧化易于生物降解的有机物进一步吸附分解，达到去除的目的［3］。

超滤技术主要利用超滤膜的筛分机理去除水中的悬浮态物质及大分子有机物。该技术具有出水浊度低，水质稳定，能有效去除水中隐孢子虫、贾第虫、细菌、病毒等各类微生物的优势［4］。

针对原水特点及出水水质要求，采用了增加原水预处理工艺（新建高锰酸钾及粉末活性炭投加设施）、深度处理工艺的技术路线。利用改造后的处理工艺，保证出厂水的耗氧量在3.0 mg／L 以下。工艺流程详见图1。

图1 水厂工艺流程Fig. 1 Process flow of water plant

3 主要构筑物设计

（1）提升泵池。为将已建砂滤池滤后水提升至新建臭氧接触池，新建地下式提升泵池1 座。提升泵池土建设计规模为14×104m3／d，钢混结构，平面尺寸为25.0 m×23.0 m，有效水深为5.0 m。内设清水潜水泵4 台， 3 用1 备，单泵参数Q ＝1 600 m3／h， H ＝14 m， N ＝80 kW。

（2）臭氧制备间。考虑该地区石化行业发达，有长期稳定的液氧源供应，采用液氧源臭氧制备工艺。臭氧制备间外设液氧站1 座，液氧站设2 座30 m3液氧储罐，保证10 d 的液氧储备量。

新建臭氧制备间为砖混结构，平面尺寸为21.0 m×18.0 m，设臭氧发生器3 台， 2 用1 备，单台臭氧发生能力为6.56 kg［O3］／h（质量分数为10%），臭氧质量分数范围为6%～14%。

（3）臭氧接触池。钢混结构，设有2 格，每格平面尺寸为24.3 m×5.0 m，有效水深为6.0 m。臭氧最大投加量为3 mg／L，总接触时间为15 min。每格臭氧接触池设有3 个曝气接触室，曝气量占总曝气量的比例分别为50%、 25%、 25%。池内扩散装置采用微孔曝气盘。在臭氧接触池顶部安装2 套热触媒尾气破坏设备，将尾气中的残余臭氧破坏后排放到大气中。为保证臭氧接触池内外的压力平衡，每格接触池设1 个双向透气安全阀。

（4）生物活性炭滤池。生物活性炭滤池利用颗粒活性炭比表面积大的特性，为细菌等微生物提供载体，吸附、生化降解作用并重，达到去除水中有机污染物的目的。生物活性炭滤池截留的悬浮物质有限，反洗的目的以去除老化的生物膜为主。活性炭滤料密度低，较易发生跑料问题。翻板滤池通过启闭翻板阀来控制滤池的反冲洗排水过程，反冲洗滤料膨胀时翻板阀保持关闭状态，滤池不排水，反冲洗进水停止滤料回落后，翻板阀开启开始排水，排水结束翻板阀关闭，结束反洗过程。最大程度地减缓了反洗时的滤料流失，比较适合活性炭等轻质滤料，因此本工程的活性炭滤池选用翻板滤池。此外，翻板滤池还具有池体构造简单、反洗效果好、滤料选择灵活等特点［5］。

活性炭滤池为砖混结构，平面尺寸为60.0 m×42.0 m。内设8 格翻板滤池，双排布置。空床滤速为6.5 m／h，单池尺寸为11.0 m×8.0 m。滤池采用双层滤料结构，上层炭床厚度为2.5 m，活性炭种类为柱状煤质炭，直径为1.5 mm，长度为2.5 mm，碘值为950 mg／g，亚甲蓝值为180 mg／L。下层石英砂厚度为0.3 m，石英砂滤料粒径为0.9 ～1.2 mm。

反冲洗采用“气洗＋气-水联合反洗＋水洗”的三段模式。气洗阶段强度采用15 L／（m2·s），时间为3 min；气-水联合反洗阶段气洗强度采用15 L／（m2·s），水洗强度采用3 L／（m2·s），时间为5 min；水洗阶段强度采用15 L／（m2·s），时间为1 min ＋2 min，先进行1 min 水洗，之后排掉池内废水，再进行2 min 水洗。为灵活配置反洗强度，设有5 台反洗离心泵，其中大泵3 台， 2 用1 备，单台Q=1 900 m3／h， H=10 m， N=90 kW；小泵2 台， 1 用1 备，单台Q=950 m3／h， H=10 m， N=45 kW。设置反冲风机2 台， 1 用1 备，为高速离心风机，单机Q=89 m3／min， P=49 kPa， N=160 kW。

（5）超滤车间。一期规模为10×104m3／d，二期预留4×104m3／d。生产厂房一次建成，砖混结构。平面尺寸为48.0 m×30.0 m，分地下和地上两层。地上层高8.5 m，放置膜堆，地下层高5.0 m，布设管线。为二期膜堆预留空间，公用部分如超滤膜清洗设施等按14×104m3／d 考虑。

超滤膜为中空纤维膜，标称膜组件膜面积为51.1 m2，膜丝材料为PVDF，过滤型式为外压式。设计膜通量为51 L／（m2·h）。一期设有20 个膜堆，二期预留8 个膜堆。每个膜堆设114 个膜组件， 4列布置，产水能力为0.5×104m3／d。系统分为2 个相同的系列，每个系列可独立运行。

超滤系统可在线实现物理清洗、维护性化学清洗（CEB）、恢复性化学清洗（CIP）。物理清洗设计周期为38 min，采用气水反冲洗模式；维护性化学清洗（CEB）设计周期为7 d，清洗药剂为次氯酸钠、柠檬酸、盐酸和氢氧化钠；恢复性化学清洗（CIP）设计周期为90 d，清洗药剂为次氯酸钠、柠檬酸、盐酸和氢氧化钠。物理清洗废水排入废水排放水池，统一处置，化学清洗废水排入中和水池，加入药剂使其pH 值达标后排入废水排放水池。

4 工程设计特点

（1）采用分质供水方式，对供水管网进行改造，分为工业水管网及民用水管网。工业用水仍采用原有的常规处理工艺，处理后进入工业用清水池，经工业外输水泵输入工业管网；对民用水部分在常规工艺的砂滤池后增加深度处理工艺，达到GB 5749—2006 要求后，经民用水外输系统送至民用水管网。有效降低了水处理规模，节约投资。

（2）针对原水水质有机物含量较高的特点，在常规处理前端增设预处理工艺。设置高锰酸钾及粉末活性炭投加系统，初步去除部分有机物质，同时起到了强化混凝的效果［6］。

（3）为进一步去除有机物，确保水质达标，考虑到黑龙江地处高寒地区，半年水温较低的特点，在常规处理后端增设臭氧-生物活性炭-超滤的深度处理工艺。工艺链较长，臭氧-生物活性炭重点去除有机物质，超滤工艺防止生物泄漏，并进一步去除有机物及悬浮物。

（4）在参数选取上，重点考虑了原水水温、水质的特点，活性炭滤池的滤速较低；对于超滤工艺，项目部组织进行了3 个月的现场中试试验，取得了适应原水特点的设计参数，特别是膜通量、过滤周期等对水温敏感的设计参数，对工艺设计起到了指导作用。

5 主要经济技术指标

该水厂新建预处理及深度处理设施为黑龙江某市西城区供水系统改造的一部分。供水系统改造总投资为11.07 亿元，工程费用为9.20 亿元。其中，该水厂新建预处理及深度处理设施工程费用为2.85亿元，运行成本为0.69 元／t。

6 运行效果分析

工程于2014 年5 月投产运行，出水水质稳定达到GB 5749—2006 要求。 2015 年9 月中下旬，原水蓝藻爆发7 d 左右。以9 月19 日为例，水厂原水水质：色度为25 度，浊度为33 NTU，耗氧量为8.48 mg／L，藻密度为1.22 × 107个／L。经过深度处理后的出水水质：色度小于5 度，浊度为0.24 NTU，耗氧量为2.4 mg／L，藻密度未检出。 16 个月的运行数据表明，采用预处理-常规处理-臭氧-生物活性炭-超滤工艺可以有效去除有机物，该工艺适应黑龙江省等高寒地区的有机微污染、高含藻原水水质。